平茬对荒漠草原区人工柠条林地土壤理化性质的影响

卞莹莹， 陈 林， 王建明， 柳博文， 王家锐

(1. 宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室， 宁夏 银川 750021；3. 宁夏大学西部生态与生物资源开发联合研究中心, 宁夏 银川 750021)

荒漠草原是宁夏地区面积最大的天然草地类型，约占全区草地总面积的55%，由于其处于草原向荒漠的过渡区域，是干旱半干旱的农牧交错区，因此受到干旱气候和人为活动的双重影响，该区域对气候变化极为敏感，草地沙化、土壤退化问题十分严重[1-4]。2003年，宁夏全面实施退耕还草、草地围封禁牧和休牧，具体措施有退化草地围封和补播、灌丛引入等[5]。据统计，目前宁夏种植的天然柠条林和人工种植柠条林的面积为44.59万hm2，生物量高达77.03万t，人工柠条林面积占总林木面积的60%[6]。为了提高柠条林地的生产力，在其生长一定年限后必须进行平茬抚育，以防止其出现严重的木质化现象[7]。土壤理化性质对植被恢复具有重要作用[8]，研究结果表明平茬措施对柠条生理特征的影响因其生长发育阶段而异[9]，柠条地上部分枝条去除后具有一定的生殖补偿能力[10]，可大幅度提高柠条根系的生长[11]，平茬柠条林地土壤容重和pH降低，土壤养分含量有效提高[12]，此外，平茬林地降雨损耗率明显高于未平茬林地[13]。然而，这些研究多集中在半干旱黄土丘陵区，有关柠条平茬的研究报道在宁夏荒漠草原区，仅见平茬对人工柠条林间生境及柠条营养成分的影响[14-15]。

本研究以2011年种植，2014年平茬的人工柠条林地为研究对象，以同年种植的未平茬人工柠条林地为对照，分析平茬前后土壤机械组成、土壤养分、水分、pH值的变化特征及土壤机械组成与土壤因子之间的相关性，以期揭示实施平茬措施后柠条人工林土壤性质的演变特征，对于在荒漠草原科学种植人工柠条林具有重要的理论与实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏回族自治区盐池县花马池镇四墩子行政村(37°04'～38°10' N，106°30'～107°47' E)，位于毛乌素沙地西南缘，是黄土高原向鄂尔多斯台地过渡地带。该区域海拔在1 380～1 600 m，年平均气温7.7℃，≥10℃的年积温为2 949.9℃·d，年均无霜期162 d左右，年降水量289.4 mm，主要集中在7—9月，年蒸发量2 131.8 mm，是典型大陆型气候。研究区内的主要土壤类型为干旱土，部分区域的土壤pH值超过9.0，土壤矿化度较高。该区域植物群落结构简单，主要以草本和小灌木为主，属荒漠草原，主要植被有牛枝子(Lespedezapotaninii)、老瓜头(Cynanchumkomarovii)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)、针茅(Stipacapillata)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、猫头刺(Oxytropisaciphylla)和中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)等。

1.2 试验设计

2017年9月上旬，在研究区选择相邻的、立地条件基本相同的带间距为6 m，林龄为6 a的人工柠条林地为研究对象，分别建立面积为150 m×150 m的平茬人工柠条样地(PACI)和未平茬人工柠条样地(ACI，2014年平茬)，样地基本特征如表1所示。将每个样地划分为 30 m×30 m的网格，在每一网格内选取柠条灌丛1丛，共选择灌丛50 丛，分别在已选好的柠条灌丛下和行带间(距离柠条灌丛3 m处)，用土钻按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm不同土层取样。研究区降水数据来自区域内设置的自动气象站。

1.3 研究方法

1.3.1土样采集 分别在已选好的柠条灌丛下和行带间(距离灌丛下3 m处)，采用剖面法按 0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～40 cm土层取样，各土层 3个重复，分层取样后相同层均匀混合，共取120个土样。所有土样挑去活体根系，密封后带回实验室内，仔细除去其中可见植物残体及土壤动物，过60目筛，供室内分析使用，用于pH、有机碳、全氮等理化性质的测定(表1)。

表1 人工柠条林样地基本特征Table 1 Description of investigated plots

1.3.2土壤理化指标的测定 土壤有机碳(organic carbon，OC)采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[16]；土壤全氮(total nitrogen，TN)采用元素分析仪(Elementar Vario MACRO)测定；土壤pH采用蒸馏水(土水比1∶2.5，W/V)浸提15 min，用Mettler To-ledo 320pH计测定；碱解氮(Available nitrogen，Available N)采用碱解扩散法测定，有效钾(available potassium，Available K)采用乙酸铵提取法，速效磷(available phosphorus，Available P)测定采用0.5 mol·L-1NaHCO3法测定[16]；土壤机械组采用激光粒度分析仪(Mastersizer 3000)测定，土壤粒径分级采用《国际制土壤颗粒分级标准》。每个指标重复测定3次，结果取平均值。

1.3.3土壤质量含水率测定 土壤质量含水率测定采用烘干法[16]。

1.4 数据处理

数据分析和作图采用Microsoft Excel 2007软件，方差分析及相关性分析采用SPSS 22.0软件进行。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差法(Least-significant difference，LSD)对数据进行检验，用Pearson相关系数判定数据的相关性。

2 结果与分析

2.1 人工柠条林地土壤机械组成

如表2所示，0～5 cm土层ACI、PACI灌丛下和行带间的土壤机械组成差异显著(P<0.05)，其中砂粒和粘粒含量差异极显著(P<0.01)；PACI灌丛下和行带间土壤砂粒含量无差别；ACI灌丛下和PACI灌丛下土壤粉粒含量无差别，ACI行带间与PACI灌丛下土壤粘粒含量无差别。5～10 cm土层，ACI、PACI灌丛下和行带间的土壤机械组成差异显著(P<0.05)，其中土壤粉粒含量差异极显著(P<0.01)；ACI灌丛下和PACI灌丛下土壤粉粒、粘粒含量有差异，ACI行带间和PACI行带间土壤粉粒、粘粒含量有差异。10～20 cm土层，ACI、PACI灌丛下和行带间的土壤机械组成差异极显著(P<0.01)；ACI灌丛下和PACI灌丛下土壤砂粒、粉粒、粘粒含量有差异，ACI行带间和PACI行带间砂粒、粉粒、粘粒含量有差异。

2.2 人工柠条林地土壤pH值

ACI和PACI柠条灌丛下和行带间各土层土壤pH值无显著差异(P>0.05)。与ACI相比，PACI0～40 cm土层，灌丛下土壤平均pH值降低，行带间土壤pH值升高(表3)。

表2 未平茬柠条灌丛与平茬柠条灌丛的土壤机械组成Table2 Soil texture of Caragana Intermidia bush before and after prune measure

注：同列不同小写字母表示差异显著：*表示不同处理间差异显著(P<0.05)；**表示不同处理间差异极显著(P<0.01)

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels

表3 未平茬人工柠条林地与平茬人工柠条林地的土壤pH值Table 3 Soil pH of artificial Caragana Intermidia bush before and after prune measure

2.3 人工柠条林地土壤养分

如图1所示，0～5 cm土层，ACI灌丛下和行带间土壤养分含量高于PACI；ACI与PACI柠条灌丛下和行带间土壤有机碳、有效磷和速效钾含量有显著差异(P<0.01)，全氮、碱解氮含量无差异(P>0.05),5～10 cm土层，ACI与PACI柠条灌丛下和行带间土壤全氮、碱解氮、有效磷含量有显著差异(P<0.01)，有机碳、速效钾含量无差异(P>0.05)；PACI灌丛下土壤养分含量高于ACI，PACI行带间全氮、有机碳和速效钾含量高于ACI，碱解氮和有效磷含量低于ACI,10～20 cm土层，ACI与PACI柠条灌丛下和行带间土壤全氮、有机碳、碱解氮和有效磷含量有显著差异(P<0.01)，速效钾含量无差异(P=0.551)；PACI灌丛下土壤养分含量高于ACI，PACI行带间土壤全氮、有机碳和速效钾含量低于ACI，碱解氮和有效磷高于ACI,20～40 cm土层，ACI与PACI柠条灌丛下和行带间土壤全氮、碱解氮和速效钾含量有显著差异(P<0.01)，有机碳、有效磷含量无差异(P>0.05)；PACI灌丛下和行带间土壤全氮、有机碳、碱解氮、有效磷和速效钾含量高于ACI，PACI行带间土壤速效林含量高于ACI。

图1 人工柠条林地不同土层土壤养分含量变化Fig.1 Soil nutrient content changes of different soil layers in artificial Caragana Intermedia forest

2.4 土壤水分

研究区降雨量从2018年4月开始逐月升高，8月份最高，为14.83 mm，8月后降雨量逐渐下降。ACI与PACI土壤平均含水量与降雨量的变化趋势相同。ACI和PACI灌丛下和行带间土壤0～40 cm土壤水分有显著差异(P=0.04)；PACI灌丛下和行带间土壤质量含水量均高于ACI,5～10 cm,10～20 cm和20～40 cm土层，PACI灌丛下土壤质量含水率高于ACI灌丛下。ACI行带间土壤质量含水率表现为表层最高后随土层的增加而降低。PACI行带间土壤体积含水率随土层的增加而逐渐降低(图2)。

2.5 土壤颗粒组成与土壤因子之间的相关性

如表4所示，ACI灌丛下土壤碱解氮、有效磷、水分与粉粒含量有极显著正相关关系(P<0.01)。ACI地行带间土壤全氮、有机碳含量与土壤砂粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，土壤有效磷含量与土壤粘粒含量呈极显著正相关关系(P<0.01)，水分与粉粒含量呈显著正相关关系(P<0.05)。PACI灌丛下土壤水分与砂粒显著正相关(P<0.05)，与粉粒含量显著负相关(P<0.05)，土壤速效钾含量与粘粒含量显著负相关(P<0.05)。PACI行带间土壤有机碳与砂粒含量显著负相关(P<0.05)与粘粒含量显著正相关(P<0.05)。

图2 人工柠条林地土壤质量含水率随土层变化Fig.2 Soil water content changes with soil layer in artificial Caragana Intermedia forest

表4 人工柠条林地土壤机械组成与土壤因子间的相关系数Table 4 Correlation coefficients between soil texture and soil factors in artificial Caragana Intermedia forest

土壤因子Soil factor0～40cm土层不同粒径组成Different particle sizes of 0～40cm soil layer砂粒Sand content0.05～2 mm/%粉粒Silt content0.01～0.05 mm/%粘粒Clay content<0.01 mm/%未平茬人工柠条灌丛下全氮TN-0.040.54-0.03Under the artificial Caragana Intermedia bushes有机碳OC-0.250.510.21碱解氮Available N0.120.74**0.13有效磷Available P0.360.80**-0.14速效钾Available K-0.39-0.310.39pH值pH0.270.27-0.12土壤水分Water0.170.78**0.02未平茬人工柠条行带间全氮TN-0.80**0.480.04Between the rows of artificial Caragana 有机碳OC-0.88**0.460.14Intermedia bushes碱解氮Available N0.21-0.210.46有效磷Available P0.230.080.73**速效钾Available K-0.10-0.040.08pH值pH0.08-0.170.02土壤水分Water0.32-0.70*-0.38平茬人工柠条灌丛下全氮TN-0.400.310.31Under the pruned artificial Caragana有机碳OC-0.110.19-0.19Intermedia bushes碱解氮Available N0.21-0.14-0.56有效磷Available P0.30-0.16-0.44速效钾Available K0.36-0.17-0.61*pH值pH0.26-0.23-0.24土壤水分Water0.68*-0.64*-0.36平茬人工柠条行带间全氮TN-0.30-0.380.49Between the rows of artificial pruned Caragana 有机碳OC-0.73**-0.180.79**Intermedia bushes碱解氮Available N0.050.050.25有效磷Available P-0.09-0.080.46速效钾Available K0.060.23-0.15pH值pH0.09-0.06-0.07土壤水分Water0.290.11-0.08

注：*表示不同处理间差异显著(P<0.05)；**表示不同处理间差异极显著(P<0.01)

Note:*indicate significant differences at the 0.05 level;**indicate significant differences at the 0.01 level

3 讨论

3.1 平茬对人工柠条林地土壤机械组成的影响

种植人工柠条林使得土壤粗沙粒含量显著下降，土壤极细沙粒和粘粉粒含量增加，改善土壤质地，促进荒漠草原区植被恢复和土壤改善，且显著影响土壤性质的演变过程[17-19]；行带式灌丛内0.5 m高度处的防风效果最好，同风速下输沙率随着高度的增加而减小[20]，本研究中PACI柠条灌丛株高为65.5±3.03 cm，接近50 cm，可以有效减弱风蚀，使大量的风积物质沉降在土壤表层，促进柠条林地土壤表层发育，使柠条灌丛下土壤砂粒含量明显减少，粉、粘粒含量明显增加，这与前人的研究结果相吻合[17,21-22]。

3.2 平茬对人工柠条林地土壤养分的影响

随着柠条的生长表现出植被恢复对土壤养分的表聚作用，“灌丛肥岛”效应不同程度的发生[23-24]，PACI和ACI灌丛下土壤粉粒、黏粒含量与土壤全氮、有机碳含量间的呈正相关关系，平茬人工柠条灌丛下土壤有机碳、全氮含量高于未平茬人工柠条灌丛下，可能是由于随着柠条林的生长发育过程中，柠条灌丛冠幅、高度、分枝数的增加，使枯落物得数量增加，在土壤中动物和微生物的作用下，在天然表层形成的灰褐色结皮[19]，经过长时间的腐殖质化过程，土壤养分养分状况得到改善[25]。土壤有效磷、速效钾、碱解氮含量在平茬与未平茬柠条灌丛下无显著差异性，说明实施平茬措施与否对于这些指标的影响不大，原因还需要进一步研究。

3.3 平茬对人工柠条林地土壤水分含量的影响

人工柠条林地土壤水分含量同降雨量趋势相同，表明降水对植物的生长和发育影响显著[2]。本研究中平茬人工柠条林土壤含水量高于ACI，此结果与李耀林、杨永生等人的研究结果不同，甚至相反[9,13]，这可能是由于平茬措施使柠条地上组织受到很大破坏，地上叶面积大幅减少，进而导致根系生物量的减少，植物通过根系吸收土壤水分和养分的能力减弱的原因[26-27]。

3.4 平茬对人工柠条林地土壤pH、容重的影响

平茬人工柠条林灌丛下土壤pH值和容重下降，这与前人的研究结果一致[13]。有可能是由于平茬后柠条根系有机酸的分泌的增加以及和微生物的相互作用导致土壤pH下降[18,28]。

4 结论

平茬措施对荒漠草原区人工柠条林地土壤理化性质的改变产生积极的影响，平茬措施可以有效改善荒漠草原区人工柠条林地的土壤质地，使土壤pH值和容重下降，砂粒含量减少，粉、粘粒含量增加；平茬措施增加了人工柠条林地土壤表层有机碳和全氮的含量，增加了人工柠条林地0～40 cm土层土壤的水分含量，减少了人工柠条林的耗水量。