高寒沙区人工柠条林对土壤养分影响的时效性1)

李少华 王学全 包岩峰

(中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京，100093)

共和盆地沙漠位于三江源国家级自然保护区的东北部，沙珠玉地区是共和盆地沙漠化最严重的地区之一，该地区生态环境脆弱，土壤风蚀严重，土地比较贫瘠。青海沙珠玉治沙试验林场始建于1958年，通过围封858 hm2沙地作为治沙示范区，对治理流沙、抗逆植物选种及重建沙区植被等方面进行研究。经过近60 a的试验，选择具有耐寒、抗旱和耐贫瘠等特点的柠条作为常用的固沙植物。目前，柠条林长势良好，累计种植面积约400 hm2，柠条林在高寒沙地治理和生态系统修复中发挥了重要作用。但人工柠条林对林地的改良效果，还没有开展细致的研究。齐雁冰等［1］、刘君梅等［2］分别在高寒沙区对人工植被恢复过程中土壤因子性状进行研究，但均没有区分植被种类的影响差异;田丽慧等［3］从土壤机械组成的角度系统分析了高寒沙区植被恢复与土壤的相互作用，但没分析土壤养分状况;李清雪等［4］在高寒沙区对12年生的柠条人工林在沙丘不同部位对土壤养分质量分数以及植物群落的影响，没有考虑区分林龄的影响。

为此，采用时间代替空间的方法，将不同林龄(3、12、21、30、42、51 a)的人工柠条林地的原始土壤理化性状看作一样的，并且以农田和沙地土壤为对照。通过野外调查和室内分析，测定了不同林龄人工柠条林地土壤机械组成及养分质量分数，分析了高寒沙区人工柠条林对土壤的改良效果，评价了柠条人工林的种植对高寒地区流沙固定和土壤恢复过程，进而为高寒沙区林场采取科学合理的人工林抚育措施和可持续发展提供数据支持。

1 研究区概况

本研究在青海沙珠玉治沙试验林场进行，该林场位于青藏高原东北部的共和盆地，属于高寒干旱草原荒漠区［5］。采样点的地理坐标为 36°14'～36°16'N，100°13'～100°16'E，海拔为 2 873～2 890 m。该区年均气温2.4℃，无霜期平均91 d，年均降水量246.3 mm，主要集中在7—8月份。该区风沙活动剧烈，沙尘暴频繁，主要集中在每年的3—4月份，风沙活动为制约该地植被恢复的限制因子之一［6］。经过近60 a的造林试验，人工植被逐渐恢复，林场内植被以耐寒和耐旱生植物为主［7］，主要有柠条(Caragana korshinskii)、乌柳(Salix microstachya)、青杨(Populus cathayana Rehd.)、北 沙 柳 (Salix psammophila)、柽柳(Tamarix chinensis)、赖草(Leymus secalinus)等。

2 研究方法

2015年4月进行野外土壤取样调查，以不同种植年限的柠条林地为取样区，取样深度为0～5 cm、＞5～15 cm、＞15～30 cm 三层。在每株柠条灌丛下4个方位距离中心25 cm处，将4点处分别取的土壤按层混为一个样品，充分混合均匀，作为实验室分析的样品，然后各取3组重复用于方差分析，用GPS测定样地的海拔和经纬度。

室内实验在国家林业局森林生态环境重点实验室完成。土壤酸碱性测定采用pH酸度计法;有机质采用重铬酸钾—外加热法测定;全N采用凯氏固氮法测定;全P、全K采用IRIS Intrepid II XSP等离子发射光谱仪;速效N用碱解扩散法测定，速效P采用钼锑抗比色法，用0.5 mol/L的碳酸氢钠浸提法;速效K用火焰光度法测定，用1 mol/L中性醋酸铵浸提［8］。土壤机械组成的测定采用比重计法［9］，粒径按国际制土壤质地分类标准进行划分，即:砂粒(2.0～0.02 mm)、粉砂粒(0.02～0.002 mm)、黏粒(0～0.002 mm)。

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理、图表绘制，SPSS统计软件中的单因素方差分析程序进行统计分析，最小显著差数法进行多重比较。

3 结果与分析

3.1 人工柠条林对表层土壤机械组成及pH的影响

由表1可知，随着柠条林龄变化，人工柠条林的发育和沙丘固定时间的延长，柠条的灌丛堆效应开始显现，0～5 cm层土壤机械组成发生显著变化，土壤颗粒组成总体是:砂粒质量分数＞粉砂粒质量分数＞黏粒质量分数，从21年生的柠条林地到51年生柠条林土壤黏粒和粉砂粒质量分数显著增加，砂粒质量分数显著减少;但从3年生到12年生柠条林地土壤机械组成变化不明显，尤其是3年生柠条林地土壤中黏粒质量分数低于沙地，说明3年生柠条林地土壤质地没有得到明显改善作用。通过与沙地、农田土壤的机械组成相比，柠条林地土壤机械组成在12 a开始逐渐改善，从21 a开始显著改善，到42 a时已恢复至农田土壤质地水平。

本次调查的土样 pH 变化范围在 8.56～8.87，显碱性;并且林地土壤pH呈现随着林龄的增加而降低的趋势，但土壤pH的变异系数较小，可能与沙地本身有较高的pH值有关，进而表明植被恢复过程对土壤的酸碱性影响不明显;与农田pH相比，30年生的柠条林地土壤恢复到较好水平。

表1 各样地表层土壤机械组成和pH值

3.2 人工柠条林地土壤全量养分的变化特征

由表2可知，总体上柠条林龄和土层变化对林地土壤全量养分(N、P、K)质量分数的影响显著，但对各层改良程度差异显著;沙地土壤全量养分(N、P、K)质量分数较低，并且随土层深度变化不显著;农田土壤各层全量养分自上而下递减，呈现平缓变化趋势。

土壤全N质量分数随人工柠条林恢复年限增加而增加，12年生林地土壤表聚性开始显现;0～5 cm层土壤，从柠条林栽植12 a开始土壤全N质量分数显著增加，从42 a开始极显著增加;＞5～15 cm层土壤，从柠条林栽植12 a开始土壤全N逐渐增加，从30 a开始显著增加;＞15～30 cm层土壤，从柠条林栽植12 a开始增加，但不显著;41—51年生柠条林地0～5 cm层土壤全N质量分数已显著高于农田土壤;30年生林地已恢复良好水平。

土壤全P质量分数与沙地土壤相比，3年生林地土壤全P质量分数在0～5 cm层略微降低，＞5～15 cm层和＞15～30 cm均显著降低;12—51年生柠条林地土壤全P质量分数在0～5 cm层显著增加，在＞5～15 cm层增加缓慢，在＞15～30 cm层基本不变;12年生林地土壤全P表聚性开始显现，30年生林地已恢复良好水平。

土壤全K质量分数普遍较高。与沙地相比，各层土壤全K在3年时先略微降低后随林地生长年限增加而增加;12年生林地土壤全K表聚性开始显现;12—51年生柠条林地土壤K质量分数在0～5 cm层极显著增加，在＞5～15 cm层显著增加，在15～30 cm层缓慢增加;42年生林地已恢复到良好水平。

表2 不同样地土壤全量养分N、P、K的变化特征

3.3 人工柠条林地土壤速效养分的变化特征

表3显示了柠条人工植被生长过程中对土壤速效养分(速效N、P、K)的改良作用，可见人工柠条林地土壤速效养分质量分数随着柠条生长年限的增加而发生显著变化;沙地土壤与3年生柠条林地土壤各土层速效养分质量分数由大到小的顺序均为:＞5～15 cm、0～5 cm、＞15～30 cm 土层;速效(N、P、K)养分质量分数均在12年生柠条林地土壤开始显现表聚性现象，并且随着种植年限的增加，越来越明显。

与农田0～5 cm层土壤速效养分质量分数相比，3—51年生柠条林地土壤速效N质量分数增加显著，但只有51年生柠条林地中速效N质量分数恢复到较好水平;速效P质量分数在3—30生柠条林地土壤增加不显著，42年生柠条林地土壤基本不再增加，总体上均偏低;3—51年生柠条林地土壤速效K质量分数增加显著，30年生柠条林地土壤就已恢复到较好水平。与农田＞5～15 cm和＞15～30 cm层土壤速效养分质量分数相比，在3—30年生柠条林地土壤速效N质量分数增加极其缓慢，然后增加显著;速效P质量分数在3～51年生林地土壤增加不显著，质量分数均偏低;3—42年生柠条林地土壤速效K质量分数增加不显著，51年生柠条林地土壤速效K质量分数增加显著，恢复到较好水平。

随着林龄增加，林地土壤速效养分质量分数增加，在0～5 cm内发生极显著变化，51年生人工柠条土壤表层速效养分(N、P、K)质量分数是沙地土壤的6～8倍;在生长年限低于30 a的林地土壤速效质量分数在＞5～15 cm土层变化很小;在柠条林生长年限低于42 a的林地，土壤速效养分质量分数在15～30 cm层变化很小。这说明柠条人工林建立后对土壤速效养分的影响在垂直深度上存在滞后性，进而表明受柠条植物根系的影响不明显。

3.4 人工柠条林地土壤有机质的变化特征

表4显示了不同林龄的人工柠条林对不同深度土壤有机质的影响，沙地和3年生柠条林地土壤深度对土壤有机质质量分数的影响不显著，并且它们各层有机质质量分数差别不大;12年生柠条林地土壤有机质开始显现表聚性;30—51年生柠条人工林，0～5 cm层土壤有机质质量分数显著高于＞5～15 cm和＞15～30 cm层;0～5 cm层土壤有机质质量分数随着林龄的增加而显著增加，增加约12倍;＞5～15 cm层土壤有机质质量分数从30年生林地开始显著增加，增加约5.5倍;＞15～30 cm层土壤有机质从42年生林地开始显著增加，共增加约3.5倍;农田土壤有机质质量分数在层间无显著差异;与农田土壤相比，30年生人工柠条林地，在0～5 cm层土壤有机质已恢复至良好水平。

表3 不同样地土壤速效养分N、P、K的变化特征

表4 不同样地土壤有机质的变化特征

4 结论与讨论

随着柠条林龄的增加，土壤质地得到显著改善，全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K及有机质等的质量分数显著增加(P＜0.05)，因此，柠条可以作为优良的固沙植物在高寒沙区进行推广。

随深度增加各土层改良效果存在时间上的滞后性，林地土壤0～5 cm土层恢复最快;土壤养分出现表聚性的现象是沙地土壤正向演替的标志，但不是从造林初期就显现。

30年生柠条林地，0～5 cm层的土壤机械组成及养分质量分数已恢复到良好水平，建议实施适度平茬等抚育管理措施，开发利用柠条资源，提高其生态经济价值。

在高寒沙区种植人工柠条林可以改良土壤。随着林龄增加柠条灌丛形态发生变化［10］，植被盖度增大，形成灌丛堆效应使风速降低［11］，风积物质开始沉降在土壤表层，进而影响土壤理化性质的变化过程［12］。研究发现3年生柠条林地土壤质地没有得到明显改善作用，全P、全K、速效P、速效K质量分数没增反降，仅全N和速效N略微增加，可能因为柠条根部的根瘤菌具有固氮作用。该区域海拔高、温度低、植物生长期短，并且处于半流动沙丘的状态，4月初风沙活动频繁，进而导致出现该结果。从21年生的柠条林地开始土壤机械组成中砂粒质量分数显著减少，黏粒和粉砂粒质量分数显著增加，这与赵哈林等［13］在科尔沁流动沙地上人工柠条林种植13 a后土壤粗沙粒质量分数显著下降，土壤极细沙粒和黏粉粒质量分数增加，存在时间差异，可能因该区域柠条生长慢和两处沙地土壤本底性状的差异性。林地土壤pH值随着林龄的增加而降低，但变异系数相对较小，表明植被恢复过程对土壤的酸碱性影响相对较小。

土壤有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P、速效K的质量分数状况是土壤肥力和生产力水平的主要指示性指标［14］，柠条人工林对土壤养分的改良效果在垂直深度上存在滞后性，表明柠条植物根系对土壤恢复的影响不明显。0～5 cm层土壤全量和速效养分质量分数在不同年龄林地间均存在显著性差异，这与刘任涛等［15］在荒漠草原区研究结果存在差异，但不能说明各地柠条对土壤养分改良的不一致性，因为土壤养分质量分数的变化与沙地土壤本底特性有关系。因此，各地研究柠条林对土壤的改良效果时，需要以沙地土壤为对照，这样得出的结论才有价值。

在高寒沙区林地恢复沙地土壤需要较长的时间［16］，与当地农田土壤相比，该区域0～5 cm层土壤恢复至良好水平需要近30 a。土壤养分与黏粒和粉砂粒的质量分数均在21年生的柠条林地开始显著增加，说明土壤机械组成与养分质量分数的变化存在相关性，这与蒋德明等［17］和张继义等［18］研究结果相吻合。可能因为植被恢复形成的灌丛增加地表粗糙度，使细粒物质逐渐沉积，并且林下天然草本植物也开始发育，植被对土壤的改良作用不断增强，进而土壤的养分状况得到改善。

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