准噶尔盆地南缘人工梭梭林土壤理化特性时空动态研究

罗青红, 宁虎森, 陈启民,3

(1.新疆林科院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830063; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830011; 3.东北林业大学, 哈尔滨 150040)



准噶尔盆地南缘人工梭梭林土壤理化特性时空动态研究

罗青红1,2, 宁虎森1, 陈启民1,3

(1.新疆林科院造林治沙研究所, 乌鲁木齐 830063; 2.中国科学院 新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐 830011; 3.东北林业大学, 哈尔滨 150040)

人工梭梭林(Haloxylonammodendron)在防风固沙和土壤改良方面具有重要的生态作用。人工梭梭林土壤理化性质在时间序列和垂直空间上的动态变化规律研究结果表明：(1) 在1973—2008年的时间序列上，林地土壤含水量和有效钾呈双峰曲线形式，峰值分别出现在1986年和2003年，最低值则在2008年；随种植年限的延长，土壤pH值在0—40 cm各土层呈先增加后减小的趋势，在40—100 cm各土层则表现为双峰曲线，峰值同样在1986年和2003年；土壤电导率呈波浪形变化；土壤有机碳和有效磷含量呈先增大后减小的趋势；有效氮则呈增加的趋势。(2) 0—100 cm的垂直空间上，林地土壤含水量、电导率随深度增加而增大，土壤pH值和土壤养分随深度增加而减小。综上，人工梭梭林土壤理化性质随种植年限的增加而逐渐改善，在种植年限为28年时效果最明显，以后趋于稳定。

人工梭梭林; 造林时间; 土壤理化性质

梭梭(Haloxylonammodendron)是在干旱荒漠环境里，经过长期自然选择的优胜植物[1]。其具有耐干旱、耐盐碱，生态幅宽、材质坚硬等特性，发挥着抵御沙漠入侵、减少风沙的作用，是维护生态环境的重要屏障[2]。新疆准噶尔盆地梭梭林分布面积约7.95万km2，是我国梭梭林集中分布区，约占新疆梭梭林总面积的94%，我国梭梭林总面积的68%[3]。梭梭是维持和保护准噶尔盆地周边绿洲的重要植被。但随着盆地周边地下水的大量开发、盐碱等因素影响，准噶尔盆地的人工梭梭林生长状况恶化并且出现因缺水大量死亡及成年梭梭林退化等问题[4-5]。为了维护准噶尔盆地的生态稳定，保护绿洲，有必要研究梭梭林与环境因子的耦合关系[6]。

在干旱区盐碱环境下，土壤水分和理化性质是影响植物生长的关键因素[7-8]，但同时又受到植被存在的影响[9-10]。因此，研究干旱荒漠区梭梭林土壤含水量、pH值、电导率和土壤养分的动态变化规律，了解梭梭林土壤理化性质与植被生长的关系，对加强梭梭林管理和人工调控与促进植被恢复和演化具有重要意义。前人对梭梭林地土壤理化性质时空分布规律方面进行了较多的研究，关于土壤水分的研究主要集中在黑河流域[11-13]、塔里木沙漠公路防护林[14]、库布齐沙漠[15]、乌兰布和[16-18]等区域，而对不同种植年限梭梭林土壤水分状况的比较研究较少[7,15,19-20]；关于土壤养分的研究，多集中于对“盐岛”、“肥岛”效应研究，而对不同种植年限梭梭林的土壤养分含量的研究却较少[21-23]。因此，本文针对准噶尔盆地南缘不同种植年限人工梭梭林进行研究，拟回答以下问题：(1) 了解人工梭梭林土壤含水量、pH值、电导率和土壤养分等理化性质动态特征，(2) 探讨人工梭梭林对干旱地区土壤改善作用，以期为干旱区植被保护和重建提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于准噶尔盆地(西)南缘(85°55′—86°08′E，44°01′—45°10′N，海拔309～332 m)。该区为典型的大陆性荒漠气候，年平均气温6.6℃，最低气温-42.8℃(1月份)，七月最高气温43.1℃。年降水量114.89 mm，约31.6%降雨集中在3—5月期间。一般年积雪厚度为13 cm，融雪期集中在三月。年平均潜在蒸发量1 979.5 mm，西北风盛行，5月和6月大风(风速>20 m/s)频繁发生。

80年代初，梭梭作为沙漠化防治的首选植物材料，利用春季融雪和季节性降雨[24-26]，逐年在准噶尔盆地南缘开始种植，至今，已在时间序列上形成了较完整的梭梭人工林生态系统。

1.2 样方设置和林木调查

本文以不同种植时间的梭梭人工林为研究对象，所有调查样方都是同一个生态系统中的人工植被，具有相同气候背景和地形特征。在不同种植时间梭梭人工林内分别设置3个20×30 m的样方作为重复，彼此相距大于100 m。对样地内梭梭群落调查，逐株测定样方内主林层梭梭的高度、冠幅、基径，得出不同种植年限梭梭林生长状况，见表1。

表1 不同种植年限梭梭人工林及天然梭梭林基本生长状况

注：*表中林木调查数据为3个样方(重复)中主林层梭梭测值的平均值。

样地内梭梭的株高、冠幅、基径和生物量均随着种植年限的延长，呈现先升高后降低的趋势。1995年种植的梭梭(19龄)各项生长状况最佳，2008年种植的梭梭各项生长指标最小，仍处于快速生长阶段；与天然梭梭林相比，2003年之前种植梭梭的株高、冠幅和生物量均较大。

1.3 土壤采样和测定分析

2013年7—9月间，在所设样方内按照“S‘型选择3个土壤样品采集点，在深度100 cm的标准土壤剖面取土，分为0—20，20—40，40—60，60—80，80—100 cm共5个层次。同时，在每一层次取3个环刀土，用于测定土壤含水量。将采集样品带回实验室，挑除袋装土内植物根系和石砾等杂物，于阴凉处自然风干后用四分法过筛，编号待测。

土壤水分含量(SWC)采用烘干法测定。将原土样自然风干、压碎，并分成2份，分别过18目(1 mm)和60目(0.25 mm)筛备用。其中过18目筛的样品用于土壤有效N、有效P、速效K质量分数的测定，过60目筛的样品用于有机碳质量分数的测定。采用重铬酸钾—硫酸氧化法测定有机碳(SOC)质量分数；采用碱解蒸馏法测定有效N(SHN)质量分数；采用碳酸钠浸提钼锑抗比色法测定有效P(SEP)质量分数；采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定有效K(SAP)质量分数；pH值采用电位法测定；土壤电导率(EC)采用电导法测定[27]。

1.4 数据处理

根据梭梭林内群落调查数据，按照宋于洋[28]的公式Wsand=0.065421(D2H)0.874842计算梭梭生物量，式中D和H分别代表基径和树高。采用SPSS 20.0数理统计软件对数据进行显著性检验(one-way ANOVA)和Pearson相关分析，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 人工梭梭林地土壤含水量动态变化

在人工梭梭林0—100 cm的土壤剖面上，5个土层的土壤含水量随年份的变化均为双峰曲线，0—80 cm各层土壤含水量峰值年份分别为2003年和1986年，80—100 cm土层峰值年份则为1998年和1986年，见表2。方差分析表明，0—80 cm各土层土壤含水量在两峰值年份之间差异不显著，但均显著高于2008年、1973年和天然梭梭林(p<0.05)。80—100 cm土层土壤含水量在峰值年份之间差异不显著，但1998年梭梭林显著高于其他梭梭林(p<0.05)。

垂直空间上，土壤含水量随深度的增加逐渐增大，40—80 cm附近达到最大。土壤含水量在垂直空间上的波动在2003—1986年所植梭梭林内较大，随种植时间的延长，波动逐渐减小。

表2 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤含水量 %

注：表中每一列数字后不同字母表示在0.05水平上同一土层不同种植年限之间差异显著，下同。

2.2 人工梭梭林地土壤pH值动态变化特征

从pH值总体情况来看：整体表现为碱性，见表3。在时间序列比较，随种植时间的延长，0—40 cm土壤pH值呈先增加后减小的趋势，最高值出现在1995年；40—100 cm土壤pH值为双峰曲线，峰值年份分别为2003年和1986年。其中，1973年梭梭林各深度土壤pH值均最小，且显著低于1995年和2003年。天然梭梭林与人工梭梭林土壤pH值差异不显著，但与1973年梭梭林最为接近。

垂直空间上，随土层深度增加，pH值逐渐减小。其中仅1973年梭梭林20—40 cm土壤pH值显著高于60—100 cm土层；1995年梭梭林0—20 cm和20—40 cm土层pH值之间差异不显著，但均显著高于60—80 cm和80—100 cm (p<0.05)。

表3 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤pH值

2.3 人工梭梭林地土壤电导率动态变化特征

梭梭林土壤电导率时空变化规律见表4。随种植时间的延长，0—100 cm各土层土壤电导率呈波浪形变化，波峰年份为2003年、1986年和1973年，波谷年份则为1998年和1982年。0—20 cm土壤电导率，1986年和1973年梭梭林显著高于其他梭梭林；20—40 cm土壤电导率，2003年梭梭林显著高于波谷年份；40—100 cm土壤电导率，2008年梭梭林显著低于1973年和2003年梭梭林(p<0.05)。

垂直空间上，随土层深度增加，土壤电导率呈增大的趋势。经方差分析，1982年梭梭林80—100 cm土壤电导率显著高于0—60 cm各土层；1995年梭梭林60—80 cm和80—100 cm土壤电导率显著高于0—20 cm和20—40 cm土层(p<0.05)。

2.4 人工梭梭林地土壤养分动态变化特征

2.4.1 土壤有机碳变化规律 梭梭林土壤有机碳含量随种植时间的延长，总体呈先增加后减小的趋势，见表5。0—40 cm土层有机碳在不同年份间差异较大，变异系数达到65.48%；1982年和1986年梭梭林土壤有机碳含量显著高于1995年、2008年和天然梭梭林。40—100 cm土层有机碳则较为稳定，变异系数为38.24%～42.87%；1982年和1995年梭梭林土壤有机碳含量显著高于2008年和天然梭梭林(p<0.05)。

垂直空间上，随土层深度增加，有机碳含量逐渐减少。经方差分析，1973年、1982年和1986年梭梭林地，0—20 cm土层有机碳含量显著高于40—100 cm土层(p<0.05)。此外，随种植时间的增加，土壤有机碳在垂直空间的差异先增加后减小。

表4 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤电导率 mS/cm

表5 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤有机碳质量分数 mg/kg

2.4.2 土壤有效氮变化规律 梭梭林各土层有效氮含量均随种植时间的延长而增加，见表6。0—20 cm土层有效氮含量，1973年梭梭林显著高于其他林地，1982年梭梭林显著高于天然梭梭林和2008年梭梭林；20 cm以下各土层有效氮含量，仅1973年显著高于其他年份(p<0.05)。

垂直空间上，随土层深度增加，土壤有效氮含量呈减小趋势。其中，1973年梭梭林，80—100 cm土壤有效氮含量显著低于0—60 cm各土层；1982年梭梭林，20—100 cm土壤有效氮显著低于0—20 cm；2008年梭梭林，80—100 cm土壤有效氮含量显著低于0—20 cm和40—60 cm (p<0.05)。

表6 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤有效氮质量分数 mg/kg

2.4.3 土壤有效磷变化规律 随种植时间延长，梭梭林地0—40 cm各土层有效磷含量变化较大，40—60 cm各土层则变化较小，见表7。其中，0—20 cm土层，1986年与1982年之间差异不显著，但显著高于其他年份；20—40 cm土层，1986年显著高于其他年份；60—80 cm土层，1995年显著高于1982年、2003年、2008年和天然梭梭林，80—100 cm土层，仅1995年显著高于其他年份(p<0.05)。

垂直空间上，1995年梭梭林内土壤有效磷含量随土层深度增加而增加，其80—100 cm土层有效磷含量显著高于表层土壤；其余梭梭林土壤有效磷含量随土层深度增加而减小，各土层土壤有效氮差异不显著(p<0.05)。

表7 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤有效磷质量分数 mg/kg

2.4.4 土壤有效钾变化规律 随种植时间的延长，0—60 cm各土层有效钾含量变化为双峰曲线，峰值年份为2003年和1986年；60—100 cm各土层有效钾含量则呈减小的趋势，见表8。0—60 cm各土层，1986年与2003年梭梭林土壤有效钾差异不显著，但均显著高于2008年和天然梭梭林(p<0.05)。60—80 cm土层，2003年显著高于1998年、2008年和天然梭梭林；80—100 cm土层，1995年显著高于1973年、2008年和天然梭梭林(p<0.05)。

垂直空间上，土壤有效钾含量呈随土层的加深而减少的趋势，表层土壤显著高于40—100 cm各土层(p<0.05)。

表8 不同种植年份梭梭人工林与天然林土壤有效钾质量分数 mg/kg

2.5 人工梭梭林生长状况与土壤理化性质的关系分析

土壤理化指标取1 m剖面内平均值，梭梭林生长指标取样地内平均值，对两者进行相关性分析(df=7)，结果见表9。

梭梭林土壤水分含量、pH值、电导率以及土壤养分均与梭梭的生长呈正相关关系，其中电导率与冠幅呈显著的正相关关系，有效钾与株高、冠幅均呈显著正相关关系(p<0.05)。其原因可能是，土壤含水量、土壤pH值和有效氮受梭梭生长的影响较小，电导率、有机碳、有效磷和有效钾受梭梭生长影响较大。梭梭林土壤的理化性质受植物生长状况的影响，其中地上部分影响作用显著。

表9 梭梭林林木生长因子与土壤理化指标相关系数

注：*.在0.05水平(双侧)上显著相关。

3 讨 论

水分是植物赖以生存的基本条件，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布具有重要意义。Ma等[29]研究认为土壤含水量随梭梭林龄的增大呈现先降低后上升的趋势，种植30 a后林地土壤含水量达到相对稳定状态。本研究中梭梭林土壤水分则是先上升后下降的双峰曲线规律，达到30 a后(1982年、1973年)林地土壤含水量同样保持相对稳定，且与天然梭梭林相近。土壤水分下降限制梭梭生长，而梭梭的生长又会进一步加剧土壤水分下降[29]，已有的研究认为，栽植后8 a为土壤水分下降最快的阶段[20]。在本研究中栽种6 a后(2008年)，土壤含水量最低，其原因可能是梭梭的快速生长消耗大量土壤水，而且地表蒸发剧烈，使得其土壤含水量较低。随着植株的生长，植被地表覆盖度逐渐增大，由于遮蔽作用地表蒸发减小，但蒸腾作用加剧，两者共同作用，使得土壤水分含量不断变化。在1995年梭梭生长最为旺盛，强烈的蒸散发作用使得土壤含水量大幅下降。此后随时间的延长，整个群落由于自疏作用[30-31]，植株量减少，蒸散量减小，且梭梭根系逐渐发达，根系纵向发展增强对深层土壤水分的吸收能力，最终使得梭梭对土壤水分的消耗恢复到平衡状态。在垂直空间上，表层土土壤含水量低于其他土层。该结果与朱雅娟等[7]、格日乐等[15]的研究结果基本一致。表层土壤主要受自然降水控制，在7月份自然降水量很低，但蒸发强烈，因此表层土含水量较低。

梭梭林土壤pH值随种植年限增加，逐渐接近于天然梭梭林，反映出梭梭作为耐盐碱植物可调节林内土壤酸碱性的特性。不同深度土壤pH值随种植年限的变化规律不同，0—40 cm土层土壤pH值呈先增加后减小的趋势，最高值出现在1995年；40—100 cm土层土壤pH值为双峰曲线，峰值年份分别为2003年和1986年，可见梭梭林对不同深度土壤酸碱度调节作用不一致。而垂直空间上，仅1973年和1995年表层土壤pH值显著高于其他深度土壤，其余种植年份各土层之间差异不显著(p<0.05)，该结果与齐黎黎[32]对甘家湖梭梭林研究基本一致，反映出20龄和41龄阶段梭梭林对土壤酸碱性影响最明显。

土壤电导率反映出土壤中总盐量大小，它可能与植被覆盖度、土壤和地下水埋深等因素差异有关[33]。本研究中随种植时间的增加，梭梭林土壤电导率呈波浪形变化，且土壤电导率的变化与梭梭冠幅呈显著正相关关系(见表4)，说明梭梭生长状况对改善土壤盐渍化有重要影响。在垂直方向上，土壤盐分含量基本均由表层向下逐渐增多，电导率值均小于2 mS/cm，表层聚盐现象不明显，与司朗明等[34]的研究结果相反，但与郝建秀[35]对绿洲荒漠过渡带的研究结果相同。造成这一结果的原因可能是植物根系吸收土壤深层水，水分向根部运移，携带部分盐离子向根部聚集，使得深层土壤中电导率较高[33]。

土壤养分为植物生长提供必需的营养元素，同时也受植物的影响。席军强等[36]对生长20 a的人工梭梭林研究认为，营造梭梭林可改善林内土壤，土壤养分含量增加；刘乃君[21]发现，种植5～30 a梭梭林内土壤有效钾、有机质含量随林龄增长而增高，全氮、全磷无明显规律。本研究中，土壤有机碳、有效氮和有效磷随种植年限增加呈增加趋势，有效钾则呈略减小趋势；且垂直空间上，随着种植年限的减小，各土层之间差异减小。说明梭梭林对土壤养分确有重要影响。吉小敏等[37]对天然梭梭林土壤研究发现，林下土壤养分受控于梭梭的分布与生长状况，本研究中，土壤养分含量与梭梭生长状况呈正相关关系(见表4)。梭梭冠幅的增大使得地表植被覆盖度逐渐增大，同时大量枯落物进入土壤，在水热条件和土壤微生物的作用下，植被枯落物和植物根系分泌物、残留物发生一系列的化学反应，地表逐渐形成生物结皮，结皮的形成使土壤理化性质发生很大变化，加快土壤的形成，而林冠下层及林间空地天然植被逐渐发育，地上现存生物量进一步增加，使得植被对土壤的改造作用增强。

不同种植年限梭梭林与天然梭梭林相比，峰值年份(1986年和2003年)人工梭梭林不同深度土壤含水量、电导率和土壤养分均超过天然梭梭林；土壤pH值虽差异不显著，但仍可看出随种植年限增加，土壤pH值减小，且逐渐小于天然梭梭林。说明梭梭林对环境改善作用随梭梭林的生长状况而变化，随种植年限的增加，人工梭梭林逐渐转变为天然梭梭林，其改善环境能力也随之增强，逐渐接近天然梭梭林并趋于稳定。

4 结 论

准噶尔盆地南缘人工梭梭林，林地土壤理化性质随种植年限的延长而逐渐改善，在种植年限为28 a时效果最明显，以后趋于稳定。土壤含水量呈现双峰曲线的形式，在1986年和2003年达到峰值；土壤pH值随种植年限增加逐渐减小；电导率呈波浪形变化；土壤养分含量则随种植年限增加逐渐增大。人工梭梭林随种植年限增加，不断向天然梭梭态转化，适应并改善其生境，可见人工种植梭梭对沙漠植被的保护和恢复有积极作用。

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Spatiotemporal Characteristic of Soil Physical and Chemical Properties inHaloxylonammodendronStand at the Southern Margin of Junggar Basin

LUO Qinghong1,2, NING Husen1, CHEN Qimin1,3

(1.InstituteofAfforestationandSandControl,XinjiangAcademyofForestryScience,Urumqi830063,China; 2.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 3.NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

PlantedHaloxylonammodendron(H.ammodendron) stand has an important ecological effect on sand fixation and soil improvement. The changes of soil physicochemical properties were discussed under the time series and the vertical space inH.ammodendronplantation. The results showed that: (1) in the time series of 1973—2008, the changes of soil water content (SWC) and soil available potassiumfollowed the bimodal curve, and the peak values were observed in 1986 and 2003, respectively, the soil pH value of 0—40 cm layer increased at first and then decreased, while in 40—100 cm, the change followed the bimodal curve and the peak was observed in 1986 and 2003, respectively, the electrical conductivity (EC) showed in a wave type and the contents of soil organic carbon and available phosphorus increased at first and then decreased gradually, while the available nitrogen content increased; (2) In the vertical direction, the SWC and EC increased with the increase of depth, while the pH value and soil nutrient decreased. In summary, soil physical and chemical properties improved gradually overtime of plantation, and the effect was most obvious in 29-year stands, and then tended to be stable.

Haloxylonammodendronplantation; afforestation time; soil physical and chemical properties

2016-01-12

2016-02-22

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD16B03);公益性科研院所基本科研业务费专项(XMBM000002014;KY201516)

罗青红(1980—),女,新疆拜城人,硕士,副研究员,研究方向:植物逆境生理和荒漠化防治。E-mail:lqh482325@sina.com

宁虎森(1966—),男,新疆焉耆人,教授级高级工程师,研究方向:生态恢复和荒漠化防治。E-mail:ninghusen@sina.com

S714.2

A

1005-3409(2016)06-0309-07