毛乌素沙地飞播造林植被恢复特征及土壤性质变化

钱 洲 ，俞元春 ，俞小鹏 ，高捍东 ，吕 荣 ，张文英

（1.南京林业大学 森林资源与环境学院，江苏 南京 210037；2.内蒙古自治区鄂尔多斯市林业局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.内蒙古自治区包头市林业局，内蒙古 包头 014030 ）

毛乌素沙地飞播造林植被恢复特征及土壤性质变化

钱 洲1，俞元春1，俞小鹏1，高捍东1，吕 荣2，张文英3

（1.南京林业大学 森林资源与环境学院，江苏 南京 210037；2.内蒙古自治区鄂尔多斯市林业局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.内蒙古自治区包头市林业局，内蒙古 包头 014030 ）

飞播造林作为沙漠化地区植被恢复的重要手段，在沙漠化治理工程中得到广泛运用。以内蒙古自治区毛乌素沙地飞播造林地为对象，研究了不同植被恢复年限样地植被恢复特征及土壤理化性质变化。结果表明：植被恢复过程中，植被盖度、植被密度、地上生物量和地下生物量都有了明显的增长，植被恢复前5 a，植被盖度年增长为5.87%，物种密度年平均增长量为8.20株/m2，植被地上、地下部分生物量分别达到295.33 g/m2、579.00 g/m2。经过17 a的植被恢复，植被地上、地下部分生物量分别达到963.83 g/m2、1 741.67 g/m2；0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，粗粉粒和物理性黏粒含量分别由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～10 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾分别增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84%和203.30%，土壤理化性质得到了明显改善，特别是表层土壤更为明显。植被盖度、密度、地上生物量、地下生物量和0～20 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷、速效钾、粗粉粒、物理性黏粒呈线性正相关（p＜0.05），和土壤容重、砂粒呈线性负相关（p＜0.05），表明在植被恢复过程中，植被和土壤有着相互促进的作用。

毛乌素沙地；飞播造林；植被恢复；植被特征；土壤性质变化

1 材料和方法

1.1 试验区概况

研究点位于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗（108°26′～ 108°59′E，38°19′～ 38°51′N），是毛乌素沙地的腹地，研究区属温带极端大陆性气候，年平均气温7.4 ℃，极端最低气温-35.2℃，极端最高气温38.0℃，年降雨量350～400 mm，降雨季节性强，夏秋季雨水集中，冬春季降水稀少；土壤以风沙土分布最广，约占全旗土地面积的78.3%，结构松散，易就地起沙；植被以沙生植物为主，地带性植被破坏殆尽[9]。飞播造林区海拔最高1 393 m，最低1 217 m，使用杨柴Astragalus mongolicum、柠条Caragana korshinskii、籽蒿Artemisia sphaerocephala、油蒿Artemisia ordosica、沙打旺Astragalus adsurgens、沙米Agriophyllum squarrosum等植物的丸粒化种子从1995年开始陆续进行飞播造林。

1.2 样地设置、样方调查和土壤样品采集

采用空间代替时间的方法，选择飞播造林植被恢复不同年限（5 a、7 a、9 a、11 a和17 a）飞播区设立调查样地，以未飞播区作为对照，重复3次。样地规格为20 m×20 m，在每块样地中，随机选取2 m×2 m的样方5个，进行植被、土壤调查和样品采集，以未飞播区作为对照。在选取的植被调查样方内，用网线法测定盖度[10]，用计数方式测定植物数量，计算各样方内植物密度。用收割法测定样方内植物地上部分生物量，挖掘法测定植物地下部分生物量，取部分样品带回实验室，烘干测定含水量，计算出植物地上和地下部分生物量。在调查样地内，按照0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm分层多点采集土壤混合样品，环刀法采集原状土壤样品。

1.3 土壤测定方法

土壤容重用环刀法，土壤颗粒组成用比重计法，pH用电位法、有机质用重铬酸钾-外加热法、全氮用半微量凯氏定氮法、全磷用硫酸-高氯酸消煮-钼锑抗比色法、水解性氮用碱解扩散法、有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定[11]。

1.4 数据处理

用Excel 2007和SPSS17.0对数据进行方差分析、差异显著性和相关性分析。

2 结果分析

2.1 飞播造林植被恢复过程中植被特征变化

2.1.1 植被盖度

飞播造林植被恢复过程中，植被盖度随着恢复年限的增加而显著增加（图1a），未飞播区和飞播造林植被恢复5 a、7 a、9 a、11 a、17 a的样地，植被盖度分别为2.9%、32.3%、41.4%、55.7%、64.7%、82.3%，不同植被恢复年限样地植被盖度差异极显著（p＜0.01）。植被恢复前5 a，植被盖度显著增加，年增长为5.87%；随着恢复年限的增加，不断采取补植措施，植被盖度稳固增长，植被恢复第5 a到第11 a，年平均增长5.41%；植被恢复第11 a到第17 a，植被盖度增长趋势有所放缓，年平均增长2.93%。表明在飞播造林植被恢复初期，植物群落结构尚未稳定，植物生长迅速，而经过较长时间的植被恢复，植物群落结构趋于相对稳定。

2.1.2 物种密度

飞播造林植被恢复过程中，物种密度随着恢复年限的增加而显著增加（图1b），不同植被恢复年限样地物种密度差异显著（p＜0.05）。植被恢复前5 a，物种密度年平均增长量为8.20株/m2；植被恢复第5 a到第9 a，物种密度增加趋势明显放缓，年平均增长量为4.16株/m2；植被恢复第9 a到第17 a，物种密度增加趋势又有所提高，年平均增长量为6.83株/m2。这说明沙地进行飞播造林植被恢复，可在短期内使物种密度显著增加；在植物群落结构尚未稳定时，随着植被的迅速生长和物种间的竞争，物种密度增长趋势有所放缓；在植物群落结构趋于稳定后，植物生长环境得到改善，外界干扰降低，伴随着补植的不断进行，物种密度会得到一个稳定的提升。

2.1.3 植被生物量

Environmental Administrative Assistance:Definition,Essentials and Responsibilities Yan Hai&Guo Ge

未飞播区植被生物量极低（图1c、1d），随着飞播造林植被恢复年限的增加，植被生物量逐渐增加，不同植被恢复年限样地植被地上生物量和地下生物量都差异显著（p＜0.05）。植被恢复前11 a，随着植被生长和植物群落结构的不断构建，植被地上、地下生物量增长迅速，地上生物量年平均增长71.82 g/m2，地下生物量年平均增长124.71 g/m2；植被恢复第11 a到第17 a，植物群落结构趋于稳定，沙地植被分布趋于平均，植被地上、地下生物量增长有所放缓，地上生物量年平均增长26.17 g/m2，地下生物量年平均增长57.41 g/m2，经过17 a的植被恢复，植被地上部分生物量为963.83 g/m2，地下部分生物量为1 741.67 g/m2。

图1 飞播造林植被恢复过程中植被特征变化Fig.1 Vegetation characteristics changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

2.2 飞播造林植被恢复过程中土壤理化性质变化

2.2.1 土壤物理性质

相关研究表明，随着植被盖度的增加及植被恢复程度的增强，土壤中的粗粉粒、物理性黏粒含量有显著的增加，土壤质地向着壤质化和细粒化方向发展[12]，而且表层土壤的恢复要高于下层土壤[13]。毛乌素沙地费播造林植被恢复过程中土壤颗粒组成也发生着变化（表2），经过17 a的植被恢复，0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，砂粒含量变化达到极显著水平（p＜0.01）；粗粉粒和物理性黏粒含量分别由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，分别增加了777.48%和624.86%；0～40 cm土壤砂粒平均含量由94.84%下降到77.65%，土壤粗粉粒和物理性黏粒含量分别由3.37%和1.79%增加到15.3%和6.82%。

土壤容重是土壤重要的物理性质，对土壤孔隙状况及土壤肥力有重要影响[14]。相关研究表明，在沙漠化逆转过程中，土壤容重下降，持水能力增强，土壤结构不断改善[15-16]。随着植被恢复年限的不断增加，毛乌素沙地0～10 cm、10～20 cm土壤容重呈下降趋势，经过17 a的植被恢复，0～10 cm土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～40 cm土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.42 g/cm3，其中0～10 cm土壤容重从第7 a到第9 a，下降幅度达到显著水平（p＜0.05），从第11 a到第17 a，下降幅度达到极显著水平（p＜0.01），10～20 cm层土壤从第7 a到第9 a下降幅度达到显著水平（p＜0.05）（表1）。表明随着植被恢复年限的增加，土壤物理性质得到改善，特别是表层土壤更为明显。

2.2.2 土壤化学性质

相关研究表明，随着沙漠化逆转时间的增加，土壤受到的扰动减少，地表植被种类和数量增加，输入到土壤中的有机物质增多，导致土壤有机碳积累增多[17]。同时，土壤全氮、水解氮、有效磷和有效钾也会在沙漠化逆转过程中显著增加[18-19]。

表1 飞播造林植被恢复过程中土壤物理性质变化†Table 1 Soil physical properties changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

研究表明，随着植被恢复年限的增加，毛乌素沙地的土壤化学性质也发生着相应变化，尤其是0～10 cm土壤，变化更为明显（表2）。与植被恢复初期比较，经过17 a植被恢复的样地0～10 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾分别增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84%和203.30%。其中，0～10 cm层土壤有机质和水解氮含量在6种不同年限样地的差异性达到了显著水平（p＜0.05）。相比于0～10 cm层土壤，10～20 cm、20～40 cm土壤的化学性质变化幅度相对较小，这说明植被恢复给土壤带来的改良效应在0～10 cm表层土壤最为明显，在10～20 cm土壤也有所表现；而20～40 cm土壤，除了全氮和有效钾经过17 a植被恢复后增长了100.00%和46.34%，有机质、水解氮和有效磷的变化不明显。随着植被恢复年限的增加，表层土壤pH总体上有增加趋势。

表2 飞播造林植被恢复过程中土壤化学性质变化†Table 2 Soil chemical properties changes in the process of vegetation restoration by aerial seeding afforestation

各样地不同层土壤纵向对比，除了植被恢复初期样地，各样地0～10 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾含量均高于10～20 cm、20～40 cm层土壤，经过9 a植被恢复的样地0～10 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾显著高于10～20 cm和20～40 cm。不同土层之间pH的变化不明显。

2.3 飞播造林植被恢复特征与土壤性质的相关性

毛乌素沙地植被恢复过程中，0～20 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷、速效钾、砂粒、粗粉粒、物理性黏粒、容重和植被盖度、密度、地上生物量、地下生物量有密切关系（表3）。其中，土壤速效钾、水解氮、物理性黏粒和植被盖度、物种密度、地上生物量、地下生物量均呈极显著正相关（p＜0.01），土壤有效磷与植被盖度、地上生物量和地下生物量呈极显著正相关（p＜0.01），土壤有机质、全氮和物种密度呈极显著正相关（p＜0.01），而土壤容重、砂粒和植被盖度、物种密度、地上生物量、地下生物量呈显著负相关（p＜0.05）。植被特征与土壤性质之间的相关性联系和其他的一些研究相似[20]。

表3 飞播造林植被恢复过程中植被特征与土壤性质的相关性†Table 3 Correlation coefficients between vegetation characteristics and soil properties

3 结论与讨论

（1）毛乌素沙地飞播造林植被恢复过程中，植被盖度、物种密度、地上生物量和地下生物量都随着植被恢复年限的增加而显著增加，植被恢复前5 a，植被盖度年增长为5.87%，物种密度年平均增长量为8.20 株/m2。经过17 a的植被恢复，植被地上、地下部分生物量分别达到963.83 g/m2、1 741.67 g/m2。

（2）毛乌素沙地飞播造林植被恢复过程中土壤物理性质发生变化，经过17 a的植被恢复，0～10 cm土壤的砂粒含量由94.90%下降到57.95%，粉粒和粘粒含量分别由3.33%和1.77%增加到29.22%和12.83%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.33 g/cm3；0～40 cm土壤砂粒含量由植被恢复初期的94.84%下降到77.65%，土壤粗粉粒和物理性黏粒含量分别由3.37%和1.79%增加到15.3%和6.82%，土壤容重由1.48 g/cm3下降到1.42 g/cm3，表明随着植被恢复年限的增加，土壤物理性质得到改善。

（3）毛乌素沙地飞播造林植被恢复过程中土壤化学性质发生变化，与植被恢复初期比较，经过17 a的植被恢复，0～10 cm层土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾分别增加了700.54%、254.55%、248.33%、234.84% 和 203.30%，10～20 cm、20～40 cm土壤的化学性质也得到不同程度改善，表明植被恢复给土壤带来的改良效应在0～10 cm层土壤表现最为明显。各样地0～10 cm土壤有机质、全氮、水解氮、有效磷和速效钾等含量均高于10～20 cm、20～40 cm层土壤。

（4）毛乌素沙地飞播造林植被恢复过程中植被特征和土壤性质之间存在极为密切的相关性，说明在植被恢复过程中，植被和土壤有着相互促进的作用，植被生长固定了土壤，增加了土壤有机质，改善了土壤理化性质，一定程度上遏制了土壤的沙漠化，同时植被的枯落物也对土壤肥力起到改善作用，进而又促进了植物的生长[21]。

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Changes of vegetation characteristics and soil properties in Mu Us Sandy Land by aerial seeding afforestation

QIAN Zhou1, YU Yuan-chun1, YU Xiao-peng1, GAO Han-dong1, LV Rong2, ZHANG Wen-ying3
(1.College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China; 2. Forestry Bureau of Ordos, Ordos 017000, Inner Mongolia, China; 3. Forestry Workstation of Baotou, Baotou 014030, Inner Mongolia, China)

As an important mean of desertification vegetation recovery, aerial seeding afforestation has been widely used in the desertif i cation control project. The changes of vegetation characteristics and soil properties in Mu Us Sandy Land by aerial seeding afforestation in Inner Mongolia Autonomous Region were studied. The results reveal that in the process of vegetation restoration,the vegetation cover, species density, aboveground biomass and underground biomass increased signif i cantly; In the fi rst 5 years of vegetation restoration, the annual growth of vegetation cover and species density were 5.87% and 8.20 trees/m2, the aboveground biomass and underground biomass of vegetation increased to 295.33 g/m2and 579.00 g/m2respectively; After 17 years revegetation, the aboveground biomass and underground biomass of vegetation reached 963.83 g/m2and 1741.67 g/m2respectively; At the same time,the sand grain content of 0～10 cm soil dropped from 94.90% to 57.95%, the content of coarse silt increased from 3.33% to 29.22% and physical clay increased from 1.77% to 12.83%; Besides, the soil bulk density dropped from 1.48 g/cm3to 1.44 g/cm3; The organic matter,total N, hydrolysable N, available P and available K increased by 700.54%, 254.55%, 248.33%, 234.84% and 203.30% respectively;Indeed, the soil physicochemical property improved greatly, especially in the surface soil. The correlation analysis shows that the vegetation cover, species density, aboveground biomass and underground biomass had significant positive correlation with the soil organic matter, total N, hydrolysable N, available P, available P, coarse silt and physical clay (p＜ 0.05) in 0～20 cm, but the signif i cant negative correlation with the soil bulk density and sand (p＜0.05 ). The findings indicate that there was an interaction between vegetation and soil in the process of vegetation restoration.

Mu Us Sandy Land; aerial seeding afforestation; vegetation restoration; vegetation characteristics; soil property change

2013-10-23

国家林业局“948”引进项目(2008-4-22)；内蒙古林业厅重点科研项目(2010-01)；江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)资助

钱 洲（1987-），男，江苏江阴人，硕士研究生，主要从事水土保持方面的研究；E-mail：qianzhou0827@163.com

俞元春（1961-），男，江苏南京人，教授，博士生导师，主要从事森林土壤方面的研究；E-mail：ycyu@njfu.com.cn

S728.4

A

1673-923X(2014)04-0102-06

[本文编校：文凤鸣]