梭梭固沙林演替過程中土壤粒徑與碳氮含量的變化規律

徐高興，付貴全，張 雯，邱曉娜

(甘肅省治沙研究所，甘肅蘭州 730070)

選取本土優良固沙植被去恢復和建立植被是防治荒漠化最有效的首選措施，也是植物治沙的物質條件和理論基礎。梭梭是我國西北地區優良的治沙造林樹種，對干旱、高溫、嚴寒、風蝕和沙埋等脅迫具有很強的適應性，易于繁殖，生長迅速，根系發達[1]；可作飼料，木材可作燃料，被稱為“沙漠活煤”，是中藥材肉蓯蓉的主要寄主。土壤碳氮在改善土壤質量、生態系統物質循環等方面起著重要作用。土壤圈作為陸地生態系統最大碳庫，在影響大氣CO2濃度和全球C平衡方面起重要作用，一直是國內外研究熱點[2-9]。近年來，基于地統計學方法對土壤全氮(TN)空間異質性及其影響因子進行了大量報道[9-14]。干旱區土壤有機碳(SOC)和TN成為近年來的研究熱點[15-19]，相關學者通過對不同植被類型、植被恢復下不同階段土壤SOC和TN及其影響因子進行研究，揭示了我國在沙區廣泛開展荒漠化治理對全球大氣CO2匯的貢獻。

甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站地處騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之間，該站具有不同年代的人工梭梭林固定樣地，是開展長時間序列梭梭林研究的理想場所。筆者通過野外調查分析不同固沙年限梭梭林土壤特征，旨在闡明梭梭固沙林演替過程中土壤粒徑與碳氮含量的變化規律，為評估荒漠化地區對全球碳平衡的影響和梭梭林的生態效益提供理論支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況研究區位于石羊河下游的甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，屬溫帶大陸性荒漠氣候，降水稀少(約113 mm)，蒸發強烈(約2 644 mm)，地下水位深(約23 m)，土壤類型為風沙土。研究區固沙植被以梭梭(Haloxylonammodendron)為主，分布有少量檸條(Caraganakorshins)、霸王(Zygophyllumxanthoxylon)和沙拐棗(Calligonummongolicum)等固沙灌木。

1.2 研究方法在0、15、35、55年梭梭林固定樣地內隨機布設5個樣方(20 m×20 m)，在每個樣方內用梅花形法取土樣(0～5和5～10 cm)。為便于描述，下文0、15、35、55年梭梭林固定樣地分別簡稱為S0、S15、S35和S55。土壤粒徑組成用馬爾文激光粒度儀(Malvern 2000)測定，黏粒0.01～2.00 μm，粉粒>2.00～20.00 μm，細沙粒>20.00～200.00 μm，粗沙粒>200.00～2 000.00 μm；土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)含量分別用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法和凱氏定氮法測定。采用SPSS進行方差分析，采用Sigmaplot進行方程擬合和作圖。

2 結果與分析

2.1 梭梭林地土壤機械組成變化規律由圖1和圖2可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤顆粒發生了明顯的變化且土壤黏粒、粉粒、細沙粒、粗沙粒含量與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中黏粒、粉粒和細沙粒含量呈增加趨勢，粗沙粒含量呈下降趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒平均含量分別增加214.29%、414.29%和2 000.00%，粉粒平均含量分別增加54.35%、89.49%和577.17%，細沙粒平均含量分別增加1.82%、83.45%和131.45%，粗沙粒平均含量分別減少2.34%、43.20%和91.75%。在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的黏粒、粉粒和細沙粒平均含量整體增加的幅度比0～5 cm土層小很多，粗沙粒平均含量減小的幅度也不大。在垂直剖面上，隨土層深度加深，黏粒和粉粒平均含量逐漸降低，細沙粒和粗沙粒平均含量逐漸升高，同比升高的幅度與黏粒和粉粒降低的幅度大致趨勢一致。

圖1 不同固沙年限0～5 cm土壤粒徑變化規律

圖2 不同固沙年限5～10 cm土壤粒徑變化規律

方差分析表明，在0～5 cm土層，S55的黏粒和粉粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著；S35和S55的細沙粒平均含量與S0和S15相比差異顯著，S35和S55的細沙粒平均含量相比差異顯著；S0和S15的粗沙粒平均含量與S35、S55相比差異顯著，S35和S55的粗沙粒平均含量相比差異顯著。在5～10 cm土層，S55的黏粒、粉粒、細沙粒和粗沙粒平均含量與S0、S15和S35相比差異顯著。

2.2 梭梭林地土壤有機碳和全氮的變化規律從圖3和圖4可以看出，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤SOC含量發生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5和5～10 cm土層中SOC含量呈增加趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的SOC含量分別增加71.43%、228.57%和542.86%，且兩兩相比差異顯著。在5～10 cm土層，S0、S15的SOC含量與S35、S55相比差異顯著。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的SOC含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm 土層的SOC含量快。

由圖3和圖4可知，隨人工梭梭林固沙年限增加，林地0～10 cm層土壤TN含量發生了明顯的變化且與固沙年限可用線性方程進行描述。在時間序列上，隨固沙年限增加，林地0～5、5～10 cm土層中TN含量呈增加趨勢。在0～5 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加128.57%、133.33%和166.67%；在5～10 cm土層，與S0相比，S15、S35和S55的TN含量分別增加150.00%、271.43%和314.29%。通過線性擬合方程可知，0～5 cm土層的TN含量隨固沙年限增加的速率比5～10 cm土層的SOC含量快。由圖5可知，土壤SOC含量與TN含量符合線性函數(y=0.007 3+0.051 7x，R2=0.715 0)。

圖3 不同固沙年限0～5 cm土壤碳氮含量變化規律

圖4 不同固沙年限5～10 cm土壤碳氮含量變化規律

圖5 土壤有機碳和全氮的數量關系

2.3 梭梭林地土壤有機碳和全氮的變化規律由圖6可知，土壤SOC含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，與土壤粗沙粒含量呈線性負相關。這說明隨土壤粒徑變小，土壤SOC含量呈增加趨勢，也就是說隨人工梭梭林固沙年限增加，土壤顆粒逐漸變細，同時固定更多的碳。

圖6 土壤有機碳和土壤粒徑的數量關系

由圖7可知，土壤TN含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，與土壤粗沙粒含量呈線性負相關，但是與土壤SOC含量相比，擬合效果較差。這進一步證明隨土壤粒徑變細，土壤TN含量增加。

圖7 土壤全氮和土壤粒徑的數量關系

3 結論與討論

梭梭在長期的進化中可以很好地適應干旱、風蝕和沙埋，其地上部分可以阻止氣流對地面直接作用，降低近地層風速，庇護表層沙粒和捕獲顆粒物質，加速土壤形成過程；其地下根系發達，固持土壤能力強，使土壤抗侵蝕能力提升，從而提高沙粒臨界風速值，增強梭梭林對土壤的保護。梭梭林地土壤粒徑隨固沙年限的增加逐漸變細，這主要是由于梭梭地上部分不但可以攔截沙塵暴帶來的沙物質，而且還能捕獲大氣降塵。伴隨著沙漠地區短歷時的強降雨，梭梭會產生樹干徑流，從而將地上部分所攔截的沙物質和大氣降塵沖刷至土壤表面，這些沙物質和大氣降塵包含有較高的碳氮元素，從而使得土壤的SOC和TN含量增加。梭梭林地在降低風速的同時，捕獲了較多的沙漠植物種子，從而使得梭梭林地成為一個良好的庇護場所，隨固沙年限的增加，梭梭林地逐漸出現了土壤物理結皮、生物結皮以及草本植物，這一方面反映了生境條件的改善，另一方面也為土壤SOC和TN提供了更多的物質來源，使得土壤SOC和TN含量逐年增加。由于植物枯落物等多發生于地表，隨土層深度的加深，土壤SOC和TN含量以及土壤中黏粒、粉粒呈降低的趨勢。大量研究結果表明，土壤SOC 含量與土壤黏粒呈正相關[17，20-21]，該試驗的研究也證實了這一點。同時，該研究的結果與賈曉紅等[17]的研究結果一致，即土壤SOC、TN含量與土壤黏粒、粉粒、細沙粒含量呈線性正相關，但與土壤粗沙粒含量呈線性負相關。綜上可知，在干旱沙區開展植被生態建設有利于流動沙丘的成土過程和碳氮的固定，但需要加強管理過度干擾對表層土壤的破壞。