不同年龄紫穗槐对沙化土壤的改良效应

卢 鑫，周向睿，杜明新，周志宇，陶晓慧，赵 萍，李金辉，金 茜，周媛媛

(1.草地农业系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070)

毛乌素沙地位于陕西省榆林市和内蒙古自治区鄂尔多斯(伊克昭盟)之间，面积达4.22万km2。伴随着土地沙漠化的加剧，沙化区环境恶化，植被覆盖度降低，植物种类减少，土地利用率下降，对人类生存造成巨大威胁。土壤沙漠化和地被植物的退化密切相关，植被退化致使地表裸露，更容易引发风蚀和水蚀。而风蚀和水蚀又破坏了地被植物的生存条件，加剧了地被植物地退化[1]。土地沙漠化不仅对生态环境造成了严重的破坏，而且加剧了我国西部地区的贫困程度，阻碍了经济发展。因此，如何阻止沙漠化进一步扩展和改善沙化地环境就是当前沙区治理的迫切任务，其中，营造固沙防护林是防治荒漠化有效且重要的组成部分之一。

紫穗槐(Amorphafruticosa)耐盐碱[2]、耐干旱、抗风沙、耐严寒且对土壤要求不高，具有改良盐碱地、改善土壤结构、提高土壤肥力、保持水土以及解决“三料俱缺”等多重功效。解放初期(1951年)，紫穗槐被大量栽培在我国陕北靖边沙化地区，用作防风固沙和沙化治理。国内对于紫穗槐的研究主要集中在逆境中其自身抗逆性变化和根瘤菌固氮效应方面，主要探讨了紫穗槐在干旱胁迫、盐胁迫和低温胁迫等条件下自身对逆境适应性和生理变化[3-6]，而对于紫穗槐对土壤改良效应的研究则非常稀少，叶竹林和刘世举[7]曾对樟子松(Pinussylvestnis)和紫穗槐混交林造林效果进行过少量研究，但是也没有涉及紫穗槐到对土壤的改良效果。因此，本研究以毛乌素沙地南缘沙漠化临界区域所种植的紫穗槐为研究对象，探讨紫穗槐对沙化土壤的改良效应，以期为深入研究沙漠化临界区域生态恢复和加强沙化临界区域生态管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1研究区概况 试验区位于榆林市靖边县毛乌素沙南缘，107°28′～11°15′ E，36°57′～39°34′ N，海拔980～1 534 m。平均温度7.9 ℃，绝对最高37.6 ℃，绝对最低-27 ℃，无霜期150 d，年均降水量438.4 mm。地貌主要为流动、半固定或固定沙地，土壤类型为各类风沙土，植被类群主要为沙生灌木沙柳(Salixpsammophila)、杂交杨(Populusspp.)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙蒿(Artemisiaordosica)、沙葱(Alliummongolicum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、柳树(Salixbabylonica)、柠条(Caraganakorshinskii)和沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等。本研究中4个年份种植的紫穗槐采样地分布区域较为接近，均分布在黄蒿界乡区域内，地势较为平坦，样地内多种固沙植物共存，覆盖度较高。

表1 不同株龄紫穗槐的植株生长情况Table 1 Growth condition of Amorpha fruticosa with different planting years

1.2土壤样品采集 于2011年8月在毛乌素沙地南沿榆林市靖边县，选取1951年(60年株龄)、1976年(35年株龄)、1983年(28年株龄)及2005年(6年株龄)种植的紫穗槐样地各3个，对照为周围没有任何植物的沙地。在每块样地内随机选取5株中等大小样株，进行土壤采样。采样方法为：在每种灌木的灌丛下4个方位距离中心20～30 cm处分别取0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土壤。4点的土壤按层分别混合为一个样品，作为分析样品之用。

1.3实验室分析 将野外带回的样品敞开放置在干燥通风的室内自然风干。样品风干后，拣去动、植物残骸，杂质，根系和石块，研细并全部通过1 mm孔径的筛子，装袋后封袋储藏备用。分析项目包括土壤粒径组成、pH值、有机碳、铵态氮、硝态氮、速效磷以及土壤全量N、P、K。粒径测量采用马尔文2000型激光粒度仪测定；土壤样品分别用采用强酸加热消化，以及2 mol·L-1KCl浸提后，分别用FIAstar 5000(FOSS)全自动流动注射仪测定全氮、全磷、铵态氮和硝态氮；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定；土壤pH值采用电位法(土水比1∶2.5悬液)测定；全钾采用火焰分光光度法测定；速效磷用NaHCO3法提取，钼锑抗比色法测定。

1.4数据处理 数据处理均采用SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1不同年份紫穗槐土壤机械组成 该地区的沙土主要由粒径0.05～0.25 mm的细沙粒组成，0.25～0.50 mm粒径范围的中沙粒次之，粒径小于0.05 mm内的沙土含量最少，而0.50～1.00 mm范围内的沙粒几乎没有，细沙粒和中沙粒并没有表现出明显的规律性(表2)。而对于小于0.05 mm的沙尘粒，0～10 cm土层的沙尘粒含量为1951年>1976年>1983年>2005年>对照，10～20 cm土层沙尘粒含量为1951年>1983年>1976年>2005年和对照，20～30 cm土层沙尘粒含量为1983年>1951年和1976年>2005年和对照。

2.2不同年份紫穗槐土壤酸度特征 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层pH值分别在7.87～8.21、7.86～8.23和8.04～8.29、8.02～8.23和8.00～8.24(图1)。不同种植年限的紫穗槐土壤pH值与对照相比除1951年和1983年20～30 cm土层外均表现出了降低趋势，种植年限越长pH值的降低幅度越大，这一规律在根系活动旺盛的0～20 cm土层可以看出，土壤pH值1951年<1976年<1983年<2005年。此外，同树龄紫穗槐土壤pH值0～20 cm土层pH值均小于30～50 cm土层。

2.3不同年份紫穗槐土壤氮素特征

2.3.1不同年份紫穗槐土壤全氮含量 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层全氮含量分别为0.41～0.63、0.44～0.85、0.43～0.63、0.42～0.54和0.44～0.49 g·kg-1。对0～30 cm不同年份土层之间的比较发现，紫穗槐种植年限越长土壤全氮含量越高。而且各个年份之间均表现出10～20 cm土层全氮含量最高，40～50 cm土层全氮含量没有规律性(表4)。

表2 不同株龄紫穗槐土壤机械组成Table 2 Soil physical composition of Amorpha fruticosa shrub with different ages %

表3 不同种植年限紫穗槐灌丛土壤剖面pH值Table 3 The pH values of soil profiles of Amorpha fruticosa shrub with different ages

2.3.2不同年份紫穗槐土壤铵态氮含量 干旱区土壤微生物对铵态氮强烈的硝化作用，导致铵态氮含量非常低，各层含量变化在4.19～6.27 mg·kg-1(表4)。相对于没有种植紫穗槐的对照，铵态氮含量在表层土壤(0～20 cm)的含量略高于对照，且随着紫穗槐种植年限的延长表现出降低的趋势，这可能是由于随着种植年限的增加，土壤中的消化微生物数量较多从而对于铵态氮的作用较强所引起的。但在20～50 cm土层，无论是对同一年份不同土层比较还是对同一土层不同年份比较均无明显规律。

2.3.3不同年份紫穗槐土壤硝态氮含量 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层硝态氮含量的变化范围分别为5.68～24.23、6.27～21.68、4.85～11.93、5.92～9.98和4.69～8.94 mg·kg-1(表4)。硝态氮含量在1951年0～10 cm土层中的含量最大,达到24.23mg·kg-1，不同种植年份0～20 cm土层的硝态氮含量随着紫穗槐种植年限延长而逐渐变大，即1951年>1976年>1983年>2005年。20～50 cm土层硝态氮含量在种植紫穗槐后上升，也基本表现出随种植年限增加而升高的规律。

表4 不同种植年限紫穗槐灌丛土壤剖面养分含量Table 4 Soil nutrient contents of soil profiles of Amorpha fruticosa shrub with different ages

2.4不同年份紫穗槐土壤磷含量

2.4.1不同年份紫穗槐土壤全磷含量 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层土壤全磷含量变化范围分别为0.60～0.96、0.58～0.76、0.59～0.68、0.49～0.74和0.47～0.71 g·kg-1(表4)。相较于对照，种植紫穗槐后土壤的全磷含量均有了一定的提高，各个土层不同年份间进行比较发现，随着种植年限的增加土壤全磷含量上升，1951年表层(0～10 cm)土壤全磷含量最高为0.96 g·kg-1。对同一年份垂直剖面土层进行比较发现，除1951年表层(0～20 cm)土壤全磷含量高于下层(20～50 cm)土层外，其它各个年份垂直剖面土层并没有表现出明显差异。

2.4.2不同年份紫穗槐土壤速效磷含量 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层土壤速效磷含量变化范围分别为12.66～18.68、10.41～13.42、11.44～13.19、9.83～12.69和11.33～13.44 mg·kg-1(表4)。从土壤垂直剖面分析，表层(0～10 cm)土壤中速效磷含量表现为1976年>1951年>1983年>2005年，而且含量均高于下层(10～50 cm)土壤。而10～50 cm各土层之间速效磷含量并无明显规律。

2.5不同年份紫穗槐土壤全钾含量 全钾含量集中在0.44～0.55 g·kg-1，虽然不同年份不同土层全钾含量都比较高，从土壤垂直剖面来看各种植年限各个土层全钾的含量并没有明显差异(表4)。对不同种植年限之间比较发现，各层土壤1951和1976年的全钾含量均大于1983和2005年。

2.6不同年份紫穗槐土壤有机碳含量 从1951年到2005年，0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm土层土壤有机碳含量变化范围分别为0.11～0.53、0.07～0.25、0.06～0.23、0.05～0.18和0.04～0.16 g·kg-1(表4)。有机碳含量相对于对照均有增加，且种植年限越长有机碳积累量越多。1951、1976和1983年各层有机碳含量基本高于2005年和对照，且1951年>1976年>1983年。各个年份有机碳含量的垂直分布基本上随着土层深度加深而降低。

2.7土壤各粒径与土壤理化性质间的相关系数 对土壤粒径与各养分之间的相关性分析可以看出，沙尘粒和各个养分之间的相关性相对于细沙粒、中沙粒和粗砂粒都比较高，而且随着沙粒的增大相关性变小。尘沙粒与土壤有机碳、全氮和全磷均显著相关(P<0.05)，与硝态氮极显著相关(P<0.01)，与pH值负相关。细沙粒与土壤全氮显著相关(P<0.05)(表5)。

表5 土壤机械组成和养分之间的相关性Table 5 Correlation analysis between soil physical composition and nutrients

3 讨论

土地沙漠化是人类面临的一个严峻问题，中外学者一直致力于沙漠化的防治，目前认为，植物固沙是防治沙漠化最有效的途径之一。防治沙漠化的植物种类很多，而且许多学者对植物在沙漠化防治中的效果进行了大量的研究[8-12]，而对穗槐的固沙效果研究则较少。

在干旱沙漠区，风蚀过程往往伴随土壤表层细颗粒物质的损失，对于干旱沙漠区来讲，悬移质的粉尘(<0.05 mm)是损失的主要细颗粒物质，因为只有这个粒径范围内的悬移质才能随气流作用飘扬到另一区域[13]。固定风沙土表层土壤性质的改变和植物生物量的增加，极大地加速了土壤中有机物质的积累以及矿化分解的过程[14]从土壤的机械组成来看，随着紫穗槐种植年限延长，沙化土壤表现出了沙土颗粒细化的现象，造成这种现象的原因主要有：1)由于植物自身的因素，根系与土壤之间相互作用，根系及其周围的微生物对土壤颗粒进行化学作用，利用其中所蕴含的矿质元素以供自身生长发育所需，而这一化学过程也加速了沙土颗粒的瓦解，形成较小的颗粒物，而且这种化学作用随着紫穗槐种植年限的延长而表现得越来越明显；2)紫穗槐地上凋落物的常年积累和微生物与其之间的相互作用对表层沙土的细化也起到了非常重要的作用；3)紫穗槐灌丛形成后，不但能有效减少由于风力作用造成的地表微小颗粒的损失，而且灌丛冠层还能拦截气流所携带的微小颗粒，这也是导致表层沙土细化的重要原因之一。

土壤酸碱性是衡量土壤性质的重要指标之一，对土壤的性状有较大的影响，且土壤的酸碱性影响着灌木的生长发育、微生物活动、土壤营养元素的释放转化、有机碳分解以及元素的迁移等。本研究显示，种植紫穗槐后灌丛土壤的pH值相比对照土壤均有所下降，随着土壤深度的增加pH值增加，紫穗槐灌丛土壤pH值随着种植年限的增加而降低，说明随着紫穗槐树龄的增加土壤pH值降低。一般认为，根际pH值的变化是由于根系呼吸作用释放CO2形成H2CO3以及在离子的主动吸收和根尖细胞伸长过程中分泌质子和有机酸所致[15-16]。而许多学者的研究表明，pH值的变化与植物生物学特性是紧密联系的。本研究中，紫穗槐种植年限最长的已有60年树龄，相比之下其对土壤的作用效果最为显著，在0～20 cm的表层土壤中根系活动旺盛，根系活动对土壤中的阴阳离子浓度的改变起到了很大的作用，根系的生长死亡和地上部落叶枯枝凋落等过程积累的有机物改善了土壤的微环境，微生物的活动也对pH值降低起到了很大作用。

土壤是植物赖以生存的环境，是一个复杂的转化系统，直接影响生物的生存。土壤养分含量是土壤肥力状况的一个重要指示因子，土壤中养分含量直接影响到植物的生长状况。岳庆玲等[17]和李晓东等[18]研究表明，随着土层深度的增加，土壤中有机碳、全氮以及速效磷等养分的含量均逐渐减少。本研究亦得到类似规律，土壤养分硝态氮、全磷、速效磷和有机碳在土壤垂直剖面上均表现出表层土壤养分含量高于底层土壤，而且随着土层深度的加深养分含量趋于稳定，但是全氮含量在10～20 cm的土层却达到了最大值，这一现象与紫穗槐本身的特性密不可分，紫穗槐属于豆科固氮植物具有固氮的特性[19]，因此，紫穗槐根系上大量的共生根瘤菌对土壤全氮含量产生了影响，而且观察发现根瘤大多分布在10～20 cm土层根系，故全氮含量在10～20 cm土层达到最大值。

氮素是植物生长发育所需要的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收最多的矿质元素[20-21]。土壤中氮素的来源主要有动、植物残体的积累、人为肥料的施用以及土壤中微生物的固定[22]。紫穗槐灌丛土壤中的铵态氮和硝态氮的含量可能与其所生长土壤的pH值有联系，一些研究表明，在酸性土壤条件下，硝化细菌的活动受到抑制，微生物分解有机物产生的有效氮主要是铵态氮，而在中性和碱性土壤中则以硝态氮为主要的存在形式[23-24]。紫穗槐灌丛土壤呈中性略偏碱性，本研究中硝态氮不仅在含量上远大于铵态氮，而且随着种植年限的增加和土层深度的加深表现出规律性的变化也符合这一规律。钾素是来源于土壤母质中的含钾矿物，其含量与风化物风化程度有关[25]，土壤中的钾素虽然含量较高，但是大部分的钾素属于非交换型，因此难以被植物利用[26]。本研究中同一年份不同土层之间的全钾含量并无明显差异，说明紫穗槐的种植并没有对土壤中的全钾含量造成太大影响，但是1951和1976年两个年份各层全钾含量均大于1983、2005年和对照，造成这种差异可能是由于立地条件的差异而与紫穗槐本身无关。土壤pH值变化对土壤磷有重要的意义，特别是在碱性土壤中，根际的酸化可显著提高土壤磷的有效性[27]，在薛梓瑜等[28]的研究结果也可以看到这一规律，本研究中全磷和有效磷含量在pH值最小的表层土壤中达到了最大，说明根际酸化对提高磷的有效性非常明显，而且这种现象随着紫穗槐种植年限的延长而增加。

土壤质地是土壤的基本性质，影响着有机碳和养分变化的动态过程[29-31]。造成紫穗槐灌丛土壤特异性的成因是多方面的，初级生产量的变化和土壤表土的再分配是两个最主要的过程[23]。在植被恢复过程中，土壤中沙尘粒的增加，细沙粒和中沙粒含量的减少导致了土壤质地细化程度加深的同时，也影响了土壤中的养分状况和其他性质，特别是pH值、有机碳、全氮、硝态氮和全磷等的变化。从土壤机械组成和养分相关性的分析中可以看出，土壤沙尘粒与硝态氮呈极显著正相关(P<0.01)，与有机碳、全氮和全磷呈显著相关(P<0.05)，与pH值呈负相关。土壤沙尘粒与土壤养分之间的相关性，从侧面可以反映沙尘粒对土壤养分状况的响应。干旱沙漠地区土壤中沙尘粒的含量能客观反映土壤肥力特征，可以作为土壤肥力的诊断指标。

4 结论

对不同种植年限的紫穗槐灌丛土壤机械组成发现随着种植年限的延长土壤得到细化，沙尘粒含量增加。紫穗槐在土壤机械组成细化和养分含量增加方面起到了很好的改良效果，在干旱沙漠恢复中发挥了重要的作用。随着紫穗槐种植年限的延长，土壤中有机碳、全氮、硝态氮、全磷和速效磷含量均有所增加；而铵态氮和全钾的含量并没有显示出规律性。土壤pH值随种植年限增加呈降低趋势。土壤机械组成和养分之间相关性分析显示：沙尘粒与硝态氮极显著相关(P<0.01)，与有机碳、全氮和全磷呈显著相关(P<0.05)。

[1] 杨持,刘颖如,刘美玲,等.多伦县沙质草原植被的变化趋势分析[J]．中国沙漠,2002,22(4):393-397.

[2] 邹丽娜,周志宇,颜淑云,等.盐分胁迫对紫穗槐幼苗生理生化特性的影响[J].草业学报,2011,20(3):84-90.

[3] 梁坤伦,张洪荣,张丽静,等.紫穗槐表型可塑性及植株资源分配对高寒生境的响应[J].草业科学,2012,29(3):440-446.

[4] 郭霞,颜淑云,周志宇,等.刈割次数对紫穗槐生长和氮磷钾含量的影响[J].草业科学,2011,28(3):431-435.

[5] 颜淑云,周志宇,邹丽娜,等.干旱胁迫对紫穗槐幼苗生理生化特性的影响[J].干旱区研究,2011,28(1):139-145.

[6] 冯建芳,方亮,王素英,等.紫穗槐根瘤菌抗逆性的初步研究[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2011,32(4):156-159.

[7] 叶竹林,刘世举.毛乌素沙地樟子松与紫穗槐混交造林效果研究[J].西南林业大学学报,2011,31(4):49-52.

[8] 张志.红松人工林土壤质量演变规律[D]．哈尔滨：东北林业大学,2004:9-27.

[9] 马斌,周志宇,张彩萍,等.超旱生灌木根际土壤磷的含量特征[J].草业学报,2005,14(3):106-110.

[10] 许冬梅,崔慰贤,郭思加,等.毛乌素沙地几种沙生灌木养分含量的动态[J].草业科学,2001,18(6):23-26.

[11] 刘海东.毛乌素沙地天然臭柏克隆特性对沙地环境的生态适应性[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2003.

[12] 曹成有,蒋德明,朱丽辉,等.山竹岩黄蓍固沙群落对土壤养分及生物活性的改良效应[J].应用生态学报,2007,18(8):1739-1744.

[13] 朱震达,陈广庭,等.中国土地沙质荒漠化[M].北京:科学出版社,1994：157-179.

[14] 贾晓红,李新荣,李元寿,等.干旱沙区植被恢复过程中土壤颗粒分形特征[J].地理研究,2007,26(3):518-525.

[15] 厉婉华.栓皮栎、杉木和火炬松根际与非根际土壤氮素及pH值差异的研究[J].南京林业大学学报,1996,20(2):49-52.

[16] 戴开结,沈有信,周文君,等.云南松根际pH与不同磷水平下云南松幼苗根际pH变化[J].西北植物学报,2005,25(12):2490-2494.

[17] 岳庆玲,常庆瑞,刘京,等.黄土丘陵沟壑区不同人工林地土壤肥力变化研究[J].干旱地区农业研究,2007(3):100-104.

[18] 李晓东,魏龙,张永超,等.土地利用方式对陇中黄土高原土壤理化性状的影响[J].草业学报,2009,18(4):103-110.

[19] 孟剑侠.丛枝菌根真菌对紫穗槐固氮能力的影响[D].哈尔滨：黑龙江大学,2009.

[20] 韩兴国,李凌浩,黄建辉.生物地球化学概论[M].北京:高等教育出版社,1999:197-244.

[21] Mooney H A,Vitousek P V,Matson P A.Exchange of materials between terrestrial ecosystems and the atmosphere[J].Science,1987,238:926-932.

[22] 刘梦云.半干旱山区植被恢复中的土壤质量演变[D].杨凌：西北农林科技大学,2003:26-47.

[23] Carlyle J C，Malcolm D C.Nitrogen availability beneath pure spruce and mixed larch+spruce stands growing on a deep peat[J].Plant and Soil,1986,93:95-113.

[24] Pastor J,Post W M.Influence of climate,soil moisture,and succession on forest carbon and nitrogen cycles[J].Biogeochemistry,1986,2:3-27.

[25] 王彦武.榆林毛乌素沙地固沙林地土壤质量演变机制[D].杨凌：西北农林科技大学,2008.

[26] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000：23-24.

[27] Hinsinger P.Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes:A review[J].Plant and Soil,2001,237:173-195.

[28] 薛梓瑜,周志宇,詹媛媛,等.干旱荒漠区旱生灌木根际土壤磷变化特征[J].生态学报,2010,20(2):341-349.

[29] Parton W J,Stewart J,Cole V C.Dynamics of C,N,P and S in grassland soils:A model[J].Biogeochemistry,1988,5:109-131.

[30] Rastetter E B,Ryan M G,Shaver G R,etal.A general biochemistry model describing the responses of the C and N cycles in terresrial ecosystems to changes in CO2,climate and N deposition[J].Tree Physiology,1991,9:101-126.

[31] Raich J W,Rastetter E B,Melillo J M,etal.Potential net primary productivity in South America:Application of a global model[J].Ecological Applications,1991,1:399-429.