不同植被恢复模式对红原沙化草地土壤理化性质的影响

何 群，席 欢，万 婷

(1. 阿坝州环境监测中心站，四川 阿坝 624000；2.四川省自然资源科学研究院，成都 610090)

·生态环境·

不同植被恢复模式对红原沙化草地土壤理化性质的影响

何 群1，席 欢2，万 婷2

(1. 阿坝州环境监测中心站，四川 阿坝 624000；2.四川省自然资源科学研究院，成都 610090)

草地沙化是川西北地区生态环境恶化的显著问题之一,红原县是川西北草地沙化的代表。土壤理化性质在沙化治理过程中变化显著，能表征治沙效果的好坏。通过研究草本红景天、灌木(沙棘)、灌草结合红柳和沙棘及燕麦草混植三种植被恢复模式恢复一年对土壤理化性质的影响，分析了不同的植被类型对沙化草地的恢复效果，为进一步优化沙化草地植被恢复的群落结构，提高植被恢复的有效性提供理论依据。结果表明：草本植物、灌木及灌草结合三种植被修复模式均能明显增加土壤孔隙度、含水量、pH、有机质、含氮量、含磷量和含钾量，降低土壤容重，以增加土壤肥力，其中灌草结合的植被恢复模式对土壤修复的效果最好。

草地沙化；人工植被恢复模式；土壤理化性质

1 引 言

草地是陆地生态系统的重要组成部分，也是畜牧业发展的基础。同时草地在改善环境、促进社会可持续发展中起着重要的作用。但占我国国土面积40%的草地正面临着沙化的威胁[1-2]。草地沙化对生态环境、经济发展和社会稳定都会带来严重问题[3]，甚至威胁人类的生存与发展[4]。

近年来，我国荒漠化出现了向川西北高原扩展的新动向，在四川省阿坝州若尔盖、红原等县的一些地方已经出现了以前只有在北方沙区才能见到的大面积流动沙丘。草地沙化已成为川西北地区生态环境恶化的显著问题之一，目前已引起全社会的共同关注。仅红原县的沙化草地由1974年的155 6 hm2增加到了2002年的5 483 hm2[5]，沙化威胁到红原生态环境保护、水资源安全和畜牧业经济的可持续发展。该区域目前还处于草地沙化过程的初级阶段，但沙化情势严峻，湿地不断退化、草地不断地向沙漠化的方向演变，草地沙化的初级阶段有利于沙化治理工作的展开，应在当前加大治理力度，防治沙化情况进一步恶化。

当前国内沙化草地植被恢复技术主要包括草场围封、机械沙障、人工植被恢复3种模式[6-7]。其中，人工植被恢复模式可供选择的植被种类繁多，采取不同种类的人工植被所产生的恢复效果参差不一，因此，在植被种类的选择和模式构建上需要更进一步研究。研究样地所在的川西北地区，在人工植被类型的选择中考虑其产业化和经济效益，将草地沙化治理工作与当地生态产业发展相结合，以生态经济支持治沙产业，使草地植被恢复和土壤修复工作更具有可持续性。

沙化草地的人工植被修复，即种植草、灌、乔植物进行植被恢复是当前川西北地区沙化治理采取的主要措施之一，植被恢复过程中植被群落的构建、植物种类的选择、植被恢复的长效性和可持续性等问题是沙化草地恢复所面临的主要技术问题。在沙化治理过程中，土壤理化性质变化明显，不同治理措施，如用不同的植被治理沙化，土壤理化性质变化差异显著。近年来国内外对土地沙化趋势、治理措施等方面研究较多，而对人工植被恢复沙化过程中土壤理化性质的变化研究相对较少[8]。因此，本研究通过草本(红景天)治沙模式、灌木(沙棘)治沙模式、灌草结合(红柳+沙棘+燕麦草)治沙模式三种类型模式对土壤理化性质的影响，研究不同的植被类型对沙化草地的恢复效果，解决沙化土壤恢复过程中植物种类的选择问题，进一步优化沙化草地植被恢复的群落结构，提高植被恢复的有效性，有利于沙化草地恢复治理工作持续开展。

2 研究地区和方法

2.1 研究区概况

研究区位于四川省阿坝藏族羌族自治州红原县，地处青藏高原东部边缘、四川省西北部，地理坐标为北纬31°51′～33°19′、东经101°51′～103°23′(图1)。全县幅员面积8 400 km2，属高原寒冷地区，海拔3 210～4 857 m，气候特点冬长无夏，春秋短，寒冷干燥，日照充足，昼夜温差大，无绝对无霜期，年平均气温1.1℃，极端最高气温26℃，极端最低气温-36℃，年均降水量753 mm，全年日照2 418 h，日照率55%。该区域属于川西北高原灌丛、草甸地带若尔盖高原植被地区中的阿、若、红植被小区，植被组合以亚高山草甸为主，沼泽草甸与沼泽植被较为发达，植物群落外貌鲜艳，富有季相之变化。因长期受严寒的高原气候影响，该区域亚高山草甸土、高山草甸土和沼泽土壤分布较广泛，高山寒漠土、石灰岩土和风沙土的岩成土壤亦有分布，且近年来风沙土的范围不断扩大。

图1 研究区域位置示意图Fig.1 The geographical location of research area

2.2 实验设计

本研究设置四种不同的处理：CK以未采取恢复治理措施的沙化草地作为对照，1#代表草本植物红景天植物修复模式，2#代表灌木沙棘植物修复模式，3#代表灌草结合(红柳+沙棘+燕麦草)植物修复模式。用草本植物红景天、灌木沙棘、灌草结合(红柳+沙棘+燕麦草)3种植物修复模式分别在红原瓦切示范基地的沙化草地进行一年半恢复治理，取土壤样品进行理化性质测试分析。每一类型样地随机布设6个样方，在每个样方的四角和中部共选设5个点，每个点用环刀取0～20cm深土，均匀混合后装入密封袋内，分类标记带回实验室，通过实验测定其化学性质，包括pH、有机质、全氮、全磷、全钾、铵态氮、速效磷、速效钾。另用环刀在每一类型样地取土样3个，现场称鲜重并记录，带回实验室烘干后记录其干重，用于测定土壤容重、含水量等物理特征。

2.3 测定方法

土壤化学性质测定均采用常规分析方法，土壤pH值的测定采用电位测定法(上海雷磁pHS-3C型酸度计)，土壤有机质测定采用重铬酸钾容量法，土壤中全氮、铵态氮含量采用重铬酸钾-硫酸消化法和碱解扩散法测定，全磷、速效磷采用硫酸-高氯酸消煮法和碳酸氢钠法测定，全钾、速效钾采用NaOH熔融-火焰光度计法和醋酸铵-火焰光度计法进行测定，其中我院不具备测试分析条件的数据委托中科院南京土壤研究所红壤生态实验站理化分析实验室进行测试分析。

环刀所取土壤用于测定其物理性质，使用精度为0.1 g的电子天平对土样进行称重，除去环刀重量后记为土壤鲜重W1；将样本连同环刀放入水中浸泡4 h，取出称重，除去环刀重量后记为饱水重W2；土壤样本放入恒温干燥箱中于105℃条件下烘干至恒重，取出称量记为烘干重W3。计算土壤含水量、容重、土壤孔隙度等物理特征。相关公式包括：

土壤含水量计算公式：

土壤容重计算公式：

式中：Pb—土壤容重，g/cm3

V—环刀体积，cm3，本项目采样时使用环刀体积为100cm3。

土壤孔隙度计算公式：

式中：f—土壤孔隙度，%

Ps—土壤比重常数，g/cm3，一般取2.65g/cm3

2.4 数据统计分析

采用EXCEL软件进行数据处理和制图。

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复模式对土壤容重和孔隙度的影响

本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这三种人工植被恢复模式使沙化草地土壤容重值较CK均明显下降，土壤孔隙度均明显增加，其中草灌结合修复模式使土壤容重较其他修复模式处理明显降低，使土壤孔隙度较其他修复处理明显增加(图2)。

图2 不同植被恢复模式对沙化草地土壤容重和孔隙度的影响Fig.2 Impact of different vegetation restoration patterns on soil volume-weight and soil porosity of grassland under desertification

3.2 不同植被恢复模式对土壤含水量的影响

土壤水分是植物生长所必须的重要物质，参与到了植物生长的各个环节，影响到植物的蒸腾作用和自身代谢过程[9]。由于研究区域土壤沙化情况较严重，且采取植被恢复时间较短，土壤中含水量普遍较低，均在10%以内，远低于当地未沙化草地在相同季节土壤40%含水量的水平[10]。本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这三种人工植被恢复模式使沙化草地土壤含水量较CK均有所增加，且增加幅度呈现上升趋势，表明植被恢复对土壤含水量的增加具有积极作用(图3)。

3.3 不同植被恢复模式对土壤pH和有机质的影响

土壤pH是影响植被分布、生长的重要因素。土壤有机质是土壤养分的重要来源之一，其含量水平是衡量土壤肥力水平的重要指标之一[11]。本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这三种人工植被恢复模式使沙化草地土壤pH值较CK由偏酸逐渐趋于中性，灌木、草灌木结合这两种植被恢复模式使沙化草地土壤有机质含量较CK明显升高(图4)。

图3 不同植被恢复模式对沙化草地土壤含水量的影响Fig.3 Impact of different vegetation restoration patterns on soil water content of grassland under desertification

图4 不同植被恢复模式对沙化草地土壤pH和有机质的影响Fig.4 Impact of different vegetation restoration patterns on the pH and organic matter of grassland under desertification

3.4 不同植被恢复模式对土壤养分含量的影响

草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式使沙化草地土壤全氮含量分别比CK升高了8%、17%、42%，速效氮含量分别比CK升高了8%、8%和132%。表明人工植被恢复模式均能促进沙化草地氮和速效氮的积累，增加土壤生产力，其中灌草结合的治沙模式固氮效果较单一植物种类的植被恢复模式更为明显，尤其是对植物能直接利用的速效氮(碱解氮)的积累有明显促进作用(图5)。

草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式中土壤全磷含量相比对照组变化不明显；速效磷含量呈逐渐升高趋势，分别比CK升高了4%、8%和15%，由于研究样地采取植被恢复年限时间较短有关，短时间的植被恢复对土壤中磷的积累影响不明显(图6)。

本研究中研究区域土壤中全钾含量在22.91～24.52g/kg之间，根据土壤养分分级标准，达到中等或较丰富水平。草本植物、灌木、草灌木结合这三种人工植被恢复模式使沙化草地全钾和速效钾含量较CK均升高，全钾含量分别比对照组(CK)升高了2%、5%、7%；速效钾含量分别比对照组(CK)升高了14%、14%、63%。表明植被恢复对土壤中全钾含量的影响较小，对土壤中速效钾的影响比较明显，其中3#模式对沙化草地速效钾积累量较单一模式修复明显增加，植物对钾的活化作用通过速效钾含量的明显增长体现出来(图7)。

图5 不同植被恢复模式对沙化草地土壤全氮(A)及速效氮(B)含量的影响 Fig.5 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total nitrogen(A) and available nitrogen contents (B) of grassland under desertification

图6 不同植被恢复模式对土壤全磷(A)及速效磷(B)含量的影响Fig.6 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total phosphorus (A) and available phosphorus contents (B) of grassland under desertification

图7 不同植被恢复模式对土壤全钾(A)及速效钾(B)含量变化图Fig.7 Impact of different vegetation restoration patterns on the soil total potassium (A) and available potassium contents (B) of grassland under desertification

4 讨 论

土壤容重和孔隙度作为反映土壤结构状况的重要物理指标，在表征土壤物理性质变化方面发挥着重要作用[12]。本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式使沙化草地土壤容重值较CK均明显下降，土壤孔隙度均明显增加，其中草灌结合修复模式使土壤容重较其他修复模式处理明显降低，使土壤孔隙度较其他修复处理明显增加。随着容重降低，土壤孔隙度增加，土壤的保水保肥能力将逐步提高，为植物利用土壤资源创造良好的条件，更有利于植被生长恢复，从而促进土壤状况的改善。表明人工植被恢复对土壤结构的改善具有促进作用，其中草灌结合的植被恢复模式对土壤修复的效果最好。

土壤含水量作为土壤重要的理化指标，不仅是对气候变化较为敏感的环境因子，也是制约沙区植物生长发育的重要因子[13]。本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式使沙化草地土壤含水量较CK均有所增加，表明植被恢复对土壤含水量的增加具有积极作用，但仅依靠植被对土壤产生的修复作用，其含水量和结构改善速度较慢。灌草结合的植被恢复模式具有草本植被的较高盖度与灌木的发达根系相结合，一方面降低水分蒸发速率，另一方面从深层土壤中吸收更多水分，两方面同时作用更有利于土壤含水量的增加，因此该模式下土壤含水量较之其他两种模式增长幅度较高。

在干早半干旱区中，随着草地风蚀的加剧，其土壤养分快速流失，其中土壤有机质的损失是直接导致其土壤贫瘠化的重要原因[14-15]。沙化土地治理的根本和关键在于土壤生产和生态功能的恢复，而氮、磷、钾是植物生长必须的矿质营养元素，其在土壤中的含量是土壤肥力和生态功能的重要指标，而速效氮、磷、钾作为能被植物直接吸收利用的营养元素，其表征意义更为重要[16-17]。本研究中草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式使沙化草地土土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、全钾、速效钾含量较CK明显升高，表明植被恢复措施对土壤肥力有促进作用，仅采用单一的草本治沙模式对土壤肥力改善影响较小，而灌木与灌草结合的治沙模式更有利于提高沙化土壤生态功能的恢复。有研究表明土壤中速效氮主要来源于土壤有机质的分解，因此其含量变化与有机质含量变化密切相关[18]，本研究也验证了在该地区土壤速效氮水平与有机质水平变化趋势的一致性，灌草结合的植被恢复模式在这两个指标上的优势也显示了该模式对土壤养分具有一定的综合恢复作用。已有研究发现地表植被盖度增加，土壤有机质增加，土壤中微生物活性增强，微生物能够有效促进土壤含磷和含钾矿物的活化分解，并减少交换性磷和钾的固定，从而增加土壤速效磷和钾的含量[19]。

5 结 论

草本植物、灌木、草灌木结合这3种人工植被恢复模式使沙化草地土土壤孔隙度、含水量、有机质、全氮、速效氮、速效磷、全钾、速效钾含量较CK明显升高，使土壤容重明显降低，使土壤结构的改善，增加沙化草地土壤生产和生态功能的恢复。采用单一的草本治沙模式对土壤肥力改善影响较小，灌木与灌草结合的治沙模式更有利于提高沙化土壤肥力的恢复。

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Impact of Different Artificial Vegetation Restoration Pattern on the Physical and Chemical Properties of Desertification Grassland in Hongyuan County

HE Qun1, XI Huan2, WAN Ting2

(1.AbaEnvironmentalMonitoringCenter,Aba,Sichuan624000,China; 2.SichuanInstitutionofNaturalResourcesScienceResearch,Chengdu610090,China)

Grassland desertification of northwest Sichuan province is one of the most significant problems of ecological environment deterioration, Hongyuan County is the representative in grassland desertification in northwest Sichuan. The change of physical and chemical properties of soil is significant in the process of desertification control, which signifies the effect of desertification control. The effects of three artificial vegetation restoration patterns which are rhodiola rosea (herb), hippophae rhamnoides (shrubs), combination with Tamarix ramosissima and hippophae rhamnoides and tall oat grass on soil physical and chemical properties after one year recovery were analyzed, the impact of different types of vegetation on restoration was analyzed. This work provide theoretical basis for further optimizing community structure of vegetation restoration against grassland desertification, and improving the effectiveness of vegetation restoration. The results showed that three types of artificial vegetation restoration patterns which are herb, shrubs, combination with herb and shrubs can significantly increase soil porosity, pH, organic matter, nitrogen, phosphorus and potassium content in soil, , increase the soil fertility, and decrease soil bulk density. Overall, the combination with herb and shrubs control on desertification grassland has best effect．

Grassland desertification; artificial vegetation restoration pattern; physical and chemical properties of soil

2016-11-03

何 群(1974-)，女，四川理县人，1997年毕业于西昌师范专科学校化学专业，工程师，主要从事环境监测工程。

S4

A

1001-3644(2017)01-0035-06