保水劑與木質(zhì)素結(jié)皮相結(jié)合對沙化土地植被恢復(fù)的調(diào)控機理

張鈺舒, 吳紅慧, 柯玉廣, 曹遠(yuǎn)博, 趙晉靈, 庾 強, 肖春旺

(1.中央民族大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站, 北京 100081; 3.中國科學(xué)院 植物研究所 植被與環(huán)境變化國家重點實驗室, 北京 100093)

土地荒漠化是影響人類生存和發(fā)展的全球性環(huán)境問題之一，且隨著全球變化和人類活動的增強，脆弱的荒漠生態(tài)系統(tǒng)極易發(fā)生崩潰[1-2]。荒漠土壤環(huán)境和植物是生態(tài)系統(tǒng)功能的載體，同樣也是沙地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的指示器。我國沙地面積達(dá)1.56×105km2，約占國土面積的1.62 %[3]。隨著人類活動干擾強度的增加，改變了荒漠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和土壤環(huán)境，造成水土流失、植被生產(chǎn)力降低、物種多樣性下降等一系列生態(tài)問題[4-5]，引起脆弱生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)退化。我國北方荒漠草原土地沙化近年來得到較大改善，但是形勢依然嚴(yán)峻，影響了該地區(qū)生態(tài)環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6]。因此，開發(fā)和利用科學(xué)有效的恢復(fù)措施對荒漠草原植被進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)具有十分重要的意義。目前荒漠草原沙地土壤恢復(fù)措施主要包括施用保水劑或在土壤表層營造木質(zhì)素結(jié)皮[7-9]。保水劑具有強大的吸水和保水能力，能夠提高土壤蓄水能力[10-12]；木質(zhì)素結(jié)皮施加于土壤表層后能緩解風(fēng)蝕和水蝕，具有保土、保肥、穩(wěn)定地表土壤環(huán)境的作用[9,13]。然而，單獨利用保水劑或木質(zhì)素結(jié)皮對沙地植被進(jìn)行恢復(fù)存在各自的缺陷。例如，Huttetmann等人[14-15]發(fā)現(xiàn)保水劑施加于土壤淺層，其吸水后會造成土壤地表隆起，增大了土壤水分的蒸發(fā)面積，對表層土壤水分的保蓄不利；Yang等人[16-17]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素結(jié)皮施加于土壤表層后，雖然在地表保持了少量的水分，也減小了土壤風(fēng)蝕和水蝕，但是在強烈的沙地地表輻射下，木質(zhì)素結(jié)皮保持在表層的水分極易蒸發(fā)，限制植被的恢復(fù)。然而，結(jié)合保水劑高吸水倍率特性和木質(zhì)素結(jié)皮增強地表穩(wěn)定性的特性可以彌補以上單一恢復(fù)措施的缺陷。保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施中保水劑施加于土壤淺層后能有效保蓄由結(jié)皮保持的地表水分，彌補了木質(zhì)素結(jié)皮保水能力有限的缺點。而木質(zhì)素結(jié)皮能提高土壤表層形態(tài)穩(wěn)定性，避免因保水劑吸水所導(dǎo)致的地表隆起，減少地表水分蒸發(fā)[18]。另外，較單一措施而言，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施也可能會更有效地避免土壤養(yǎng)分的流失。因為，保水劑通過減少水分滲透量，進(jìn)而減少了淺層土壤養(yǎng)分的淋溶；而木質(zhì)素結(jié)皮也能夠減少土壤的風(fēng)蝕和水蝕量，進(jìn)而減少土壤養(yǎng)分的流失[18]。目前，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對黃土高原地區(qū)梯田、荒地以及陡坡等不同立地條件下植被的生長恢復(fù)均有顯著作用[19]，但荒漠草原沙地土質(zhì)粗松、貧瘠、風(fēng)蝕嚴(yán)重，同時沙地植被的恢復(fù)受土壤沙化強度、降雨、溫度等環(huán)境因素的影響[20]。因此，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對荒漠草原沙地植被的恢復(fù)效果及其恢復(fù)機制還待探究。

本研究在內(nèi)蒙古烏拉特荒漠草原沙化土地開展，試驗設(shè)置保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施和對照兩個處理，測定了兩種處理下植物地上生物量、蓋度、土壤含水量、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例、微團(tuán)聚體比例、土壤水分入滲速率、土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。本文旨在研究保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮的恢復(fù)措施對植物地上生物量和蓋度的影響； 同時通過土壤水分和養(yǎng)分的變化，闡明該恢復(fù)措施促進(jìn)烏拉特荒漠草原沙地植被恢復(fù)的具體機制，為荒漠草原沙地植被恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于中國科學(xué)院烏拉特荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)研究站附近的荒漠草原(41°25′N，106°58′E，海拔1 650 m)，自2010年圍封至今，屬大陸性干旱氣候。年平均氣溫5.3 ℃左右，最低氣溫-34.4 ℃，最高氣溫37 ℃，無霜期130 d左右，年平均降水量約180 mm，7—8月的降水量約占全年的70 %。土壤類型以棕鈣土和灰棕漠土為主。優(yōu)勢物種為小針茅(Stipaklemenzii)、紅砂(Reaumuriasongarica)和芨芨草(Achnatherumsplendens)[21-22]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計方法，在2018年5月12日對所有小區(qū)統(tǒng)一平整沙地后，設(shè)置2個處理：對照和保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施，每個處理包含4個重復(fù)，共8個8 m×8 m的試驗小區(qū)(圖1)。保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施是綜合施用保水劑(聚丙烯酰胺高吸水樹脂Super Absorbent Polymer)和木質(zhì)素結(jié)皮(木質(zhì)素磺酸鈉Sodium ligninsulfonate、羥丙基甲基纖維素Hydroxypropyl methyl cellulose)(圖2)。施用方法為：首先剝離5 cm厚地表沙土，條施75 kg/hm2聚丙烯酰胺高吸水樹脂，寬度為10 cm，每條間隔為90 cm，再將5 cm厚沙土回填；然后，將木質(zhì)素、纖維素和沙土按照1 000 kg/hm2，100 kg/hm2，3 300 kg/hm2的用量混合均勻撒于樣地土壤表層，最后把水(2.5 L/m2)均勻噴灑于土壤表面，以溶解木質(zhì)素結(jié)皮制劑；對照為僅在沙地表面噴灑水2.5 L/m2(與年降水量相比可忽略不計)。

注：CON表示對照，僅在沙地表面噴灑水2.5 L/m2；TRE表示綜合施用保水劑(聚丙烯酰胺高吸水樹脂Super Absorbent Polymer)和木質(zhì)素結(jié)皮(木質(zhì)素磺酸鈉Sodium ligninsulfonate、羥丙基甲基纖維素Hydroxypropyl methyl cellulose)

圖2 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理

1.3 數(shù)據(jù)與方法

2018年9月對地上生物量、蓋度和土壤理化性質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行測定。在植物生物量峰值期，用1 m×1 m的樣方采集各小區(qū)中植物的地上部分。植物樣品帶回實驗室于105 ℃殺青1 h，60 ℃烘至恒重后稱重；蓋度百分比估測利用網(wǎng)絡(luò)狀樣方格對每個植物種的蓋度進(jìn)行測定；土壤樣品于2018年9月采集，采用環(huán)刀法測定土壤含水量[23]；通過濕篩法測定>0.25 mm和<0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體分布情況[24]；使用單環(huán)入滲儀測定土壤水分入滲速率和穩(wěn)滲速率；新鮮土壤樣品在自然風(fēng)干過2 mm篩后分別測定土壤堿解氮、速效磷、速效鉀的含量。土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定，速效磷采用Mehlich3法測定[25]，速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用T檢驗比較植物地上生物量、蓋度、土壤含水量、土壤團(tuán)聚體比例、入滲速率、穩(wěn)滲速率以及土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量在兩種處理下的差異，利用Pearson相關(guān)分析土壤含水量與土壤團(tuán)聚體、土壤入滲速率、穩(wěn)滲速率之間以及地上生物量與土壤含水量、土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性。所有數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 25(SPSS Inc.,Chicago,IL,USA)進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin 2018繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對植物地上生物量和蓋度的影響

由圖3可以看出，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施顯著增加了植物地上生物量(p<0.05)，作為對照的荒漠草原地上生物量是40.7 g/m2，與對照相比，該措施處理下地上生物量增加了79%，增加到了72.8 g/m2。同時，該措施處理下植被蓋度顯著增加(p<0.05)，植被蓋度值由對照的28%增加到了54%，相對增加了93%。保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施使荒漠草原地上生物量和蓋度均發(fā)生顯著變化，這說明了保水劑與木質(zhì)素結(jié)皮的綜合運用促進(jìn)了荒漠草原沙地植被的生長。

注：圖中小寫字母代表不同處理下具有顯著差異(p<0.05)。

2.2 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對土壤含水量的影響

保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對不同土層土壤含水量的影響基本是一致的(圖4)，均顯著增加。在土層1 cm處，對照與保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下土壤含水量分別為2.4%，4.1%，與對照相比，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下土壤含水量顯著增加了71%(p<0.001)；在土層5 cm處，該措施處理下土壤含水量相比于對照顯著增加了138%，由5%增加到了11.9%(p<0.001)。由圖4可知，在土層10 cm處，該措施處理下土壤含水量由6.4%增加到了6.8%，相對增加了6.3%(p<0.001)。對照中土壤平均含水量為4.6%，該措施處理下土壤平均含水量為7.6%，與對照相比，該措施處理下土壤含水量顯著增加了65%(p<0.001)。通過對比不同土層土壤含水量可以發(fā)現(xiàn)，在5 cm處土壤含水量值最高且達(dá)到了11.9%，顯著高于其他土層土壤含水量。這是因為保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施中，保水劑施加于土壤淺層5 cm處，使得土層5 cm處土壤含水量的值要顯著高于其他土層。

圖4 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對不同土層土壤含水量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

由圖5可知，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下，土壤微團(tuán)聚體(<0.25 mm)比例為58.0%，相比于對照(65.8%)顯著減少了13.4%(p<0.05)，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm)比例為42.0%，相比于對照(34.2%)增加了23%(p<0.05)。土壤水分入滲速率和穩(wěn)滲速率也均顯著增加(p<0.05)。其中，入滲速率由6.6 mm/min增加到了9.7 mm/min，相比于對照增加了47%；穩(wěn)滲速率由1.6 mm/min增加到了2.0 mm/min，相比于對照增加了25%。

圖5 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對水穩(wěn)性團(tuán)聚體比例、入滲速率和穩(wěn)滲速率的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

表1列出了保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下，土壤含水量與初滲速率、穩(wěn)滲速率、土壤微團(tuán)聚體比例、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例的相關(guān)性。該措施處理下，土壤含水量與初滲速率、穩(wěn)滲速率以及水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm)之間均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.981，0.961，0.974(p<0.001)。而土壤含水量與土壤微團(tuán)聚體(<0.25 mm)之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.974(p<0.001)。

表1 土壤含水量與初滲速率、穩(wěn)滲速率、微團(tuán)聚體、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例的關(guān)系

2.3 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對土壤養(yǎng)分含量的影響

保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施顯著增加了土壤養(yǎng)分含量。由圖6可知，對照中土壤堿解氮含量為33.3 mg/kg，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下堿解氮含量為41.3 mg/kg，顯著增加了24 %(p<0.05)；相比于對照，速效磷含量在該措施處理下顯著增加了43%(p<0.05)，由2.1 mm/kg增加到了3.0 mm/kg；速效鉀含量在對照中為266.8 mm/kg，在該措施下為332.3 mm/kg，顯著增加了25%(p<0.05，圖6)。

圖6 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對土壤養(yǎng)分含量的影響(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差)

2.4 地上生物量與土壤含水量和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系

表2列出了保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下地上生物量與土壤含水量、土壤養(yǎng)分含量之間的相關(guān)性。保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下，地上生物量與土壤含水量、堿解氮、速效鉀均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.732，0.848，0.777(p<0.05)，與速效磷之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，但并不顯著(p>0.05)。

表2 地上生物量與土壤含水量和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系

3 討 論

3.1 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對植物地上生物量和蓋度的影響

本研究表明，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施處理下植物地上生物量和蓋度顯著增加了79%和93%(圖3)。毛思帥等人[26]在保水劑影響沙地燕麥生產(chǎn)的研究中發(fā)現(xiàn)，保水劑僅使燕麥地上生物量增加了32%；李丹陽等人[27]在木質(zhì)素結(jié)皮影響沙地植被恢復(fù)的盆栽試驗中發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素結(jié)皮僅使生物量增加了59%。曹遠(yuǎn)博等人[19]在恢復(fù)措施對黃土高原公路邊坡植物生物量影響的研究中也發(fā)現(xiàn)，單一施用結(jié)皮后地上生物量增加了332%，單一施用保水劑后地上生物量增加了349%，但是在保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施下，生物量增加了415%。本研究中，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施結(jié)合了保水劑和木質(zhì)素結(jié)皮的優(yōu)勢特性，較單一措施而言，在保水和改善土壤養(yǎng)分條件上更具優(yōu)勢[28-31]，從而使得生物量和蓋度的增加量較單一措施的效果更佳。因此，在荒漠草原沙地利用保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施能更有效地促進(jìn)植被的恢復(fù)。

3.2 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對土壤含水量的影響

保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施顯著增加了土壤含水量。土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體與土壤的水分保持能力呈正相關(guān)[32]，且土壤入滲速率和穩(wěn)滲速率的提高也會增加土壤的含水量[33-34]。保水劑中含有的大量羥基和羧基在土壤中能夠吸附較小土壤顆粒，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成[19]，且結(jié)皮能夠增加土壤顆粒的粘結(jié)能力，易于大團(tuán)聚體的形成[32]。這在Mao和孫隆祥等人[35-36]的研究中也得到了證實。本研究中，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體、入滲速率和穩(wěn)滲速率顯著增加，而土壤微團(tuán)聚體顯著降低，與土壤含水量的變化顯著相關(guān)。這說明保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施通過增加土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量、入滲速率和穩(wěn)滲速率，減小土壤微團(tuán)聚體含量，從而提高土壤含水量。

3.3 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對土壤養(yǎng)分含量的影響

保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施顯著增加了土壤堿解氮、速效磷和速效鉀的含量。在沙地植被中，降低土壤風(fēng)蝕和水蝕是提高土壤養(yǎng)分的主要機制。木質(zhì)素結(jié)皮能有效減少土壤受風(fēng)蝕和水蝕的程度，進(jìn)而減少土壤養(yǎng)分的流失[18]，且保水劑強大的保水、蓄水能力能使土壤淺層截留更多的水分，減少水分滲漏量，進(jìn)而減少土壤養(yǎng)分的淋失[37-39]。保水劑與木質(zhì)素結(jié)皮的互補利用增加了沙地土壤中速效氮、速效磷、速效鉀的含量[19]，改善了沙地土壤的養(yǎng)分條件。

3.4 保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對植被的調(diào)控機制

土壤水肥的供給是土壤沙化地帶植被恢復(fù)的決定因素[40]。本研究中，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施顯著增加了土壤含水量，改善了土壤養(yǎng)分條件。且相關(guān)分析顯示土壤水肥條件與植物地上生物量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。因此，在保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施下，土壤水肥條件的改善共同驅(qū)動了沙地植被的快速恢復(fù)。

4 結(jié) 論

本試驗以烏拉特荒漠草原沙化土地為例，研究了保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施對荒漠草原沙地植被恢復(fù)的調(diào)控機制。本研究中保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施下的地上生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未施用該措施的地上生物量。且與其他單一措施的研究結(jié)果相比，表現(xiàn)出更好的恢復(fù)效果，表明保水劑與木質(zhì)素結(jié)皮的綜合運用能夠更加快速有效地促進(jìn)沙地植被的恢復(fù)。在保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施下，沙地土壤物理性狀發(fā)生改變，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體比例、土壤入滲速率、穩(wěn)滲速率升高，從而增加了土壤的含水量；另外，該措施利用木質(zhì)素結(jié)皮克服了因保水劑吸水后膨脹，造成土體隆起，增大土壤水分蒸發(fā)表面積的問題，減少了水分蒸發(fā)和土壤養(yǎng)分的流失；利用保水劑保水、蓄水的能力彌補了木質(zhì)素結(jié)皮保水能力有限的缺點，減少水分滲漏量，進(jìn)而減少了土壤養(yǎng)分的流失，促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的積累。因此，保水劑加木質(zhì)素結(jié)皮措施可以通過改善烏拉特荒漠草原沙化土地土壤水肥狀況，有效地促進(jìn)植被的恢復(fù)。

致謝：感謝徐翀、柯玉廣在論文撰寫方面給予的寶貴意見，感謝中國科學(xué)院烏拉特荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)研究站的大力支持。