煤矿复垦区土壤理化性质对沙棘果叶含水量的影响研究

艾 宁，刘广全，强大宏，土小宁，刘长海2，

(1.中国水利水电科学研究院,北京 100038;2.陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心,陕西 延安 716000;3.延安大学 生命科学学院, 陕西 延安 716000;4.水利部水土保持植物开发管理中心,北京 100038)

沙棘(HippophaerhamnoidesL)具有抗寒、耐旱、抗风沙、适应性强、生长迅速以及固氮能力等特点[1-4],是我国北方煤矿进行土地复垦的主要利用树种,是改善该区域生态环境和恢复植被的优良先锋树种和关键树种,具有其他植物难以替代的地位和作用[5-7]。近年来,随着沙棘产业的发展,沙棘作为干旱半干旱区主要的经济树种,为当地生态经济建设和生态安全发挥着重要作用[89]。现阶段,沙棘果实是沙棘产业发展中主要利用的部分,而果实含水量是评价沙棘果实质量的重要指标[10-12]。研究表明，果实含水量受到植物生长状况的影响,植物生长又受到光合作用的影响,而植物叶片又是光合作用进行的重要器官,叶片的含水量将对植物光合作用产生重要影响[13-14]。目前，关于煤矿复垦区土壤质地与植被生长关系的研究较多[15-20],但是对煤矿复垦区林地果叶含水量与土壤质地相互关系的研究还较少,尤其是以果实和叶片为主要利用对象的沙棘林地,然而其果叶含水量是影响沙棘果品和生长的重要因素,对其研究为今后的沙棘果实品质提高和沙棘良好生长具有重要作用。因此,本文通过对煤矿复垦区土壤理化性质对沙棘林果叶含水量影响因素进行分析,旨在为今后煤矿复垦区植被恢复重建、沙棘经济林营造与调节沙棘果叶含水量提供数据支撑和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区于内蒙古自治区鄂尔多斯东胜区东部地区的聚鑫龙煤矿(110°4′2″E,39°54′16″N),海拔高度约1 360m,地势平坦,水蚀风蚀较严重;属于温带大陆性气候,无霜期约135d;降雨年际变化较大,年均降雨量约400mm,且主要集中在7～9月。研究区于2011年开始,依托高原圣果沙棘制品有限公司进行采煤废弃地矿区生态修复,主要树种为中国沙棘、大果沙棘和柽柳(TamarixchinensisLour)等,人工种草以芨芨草(Achnatherumsplendens(Trin) Nevski)为主。

1.2 样地设置

本实验数据选取2011—2015年复垦区栽植,林龄为3a～7a的中国沙棘和大果沙棘的果、叶以及林地土壤理化性质为研究对象,通过设置20 m×20 m标准样地和样地每目检尺,来确定标准木,每个林龄采集标准木(3株)的果叶和标准地土壤数据进行分析,本文共选取30株标准木的果叶含水量。样地详细信息见表1。

1.3 数据来源

果实含水量数据通过在标准木的不同方位和部位采集沙棘果实200g,混合后带回实验室进行烘干,测定其果实含水量。计算公式为

(1)

xi表示果实湿重,xj表示果实干重。

叶片含水量数据通过在不同林龄标准木的不同方位采集沙棘叶片100g和不同部位采集沙棘叶片100g,分别带回实验室进行烘干,测定其叶片含水量。计算公式为

(2)

xi表示叶片湿重,xj表示叶片干重。

土壤物理性质数据获取，采用烘干法进行土壤水份测定,采用环刀浸水法进行土壤容重、饱和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度的测定与计算。

土壤化学性质数据获取，土壤pH值采用ST3100测定，电导率采用ST300C测定;有机质采用重铬酸钾容量法外加热法测定;速效氮采用碱解扩散法测定;有效磷采用0.5mol/L NaHCO3浸提与钼蓝比色法相结合的方法测定;全效磷采用NaOH熔融-钼蓝比色法测定。

表1 采样地基本信息特征Tab.1 Basic information of sampling area

1.4 数据分析

本文所有的统计分析和作图均在SPSS18.0、Origin15和Excel等软件中完成。采用灰色关联分析法进行数据分析,方法如下

1)数据的标准化

(3)

2)关联系数

(4)

(5)

(6)

(7)

3)平权法计算灰关联度

(8)

式中Γ(ij)为灰关联度值。

2 结果与分析

2.1 土壤物理性质对沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析

选取中国沙棘与大果沙棘果叶含水量作为参考数列,林地土壤含水量、土壤容重、饱和含水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度等指标作为比较数列,计算得出参考数列与比较数列灰色关联度值,见表2和表3。可以发现,比较序列各个指标因素的灰关联度值大小不同,表明关联度值越大,两者之间的关系越紧密[21]。

2.1.1 土壤物理性质对中国沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析 从表2得出,中国沙棘果叶含水量与土壤物理性质关系存在差异。在0～20cm土层中,中国沙棘果实含水量与总孔隙度灰关联度值最大为0.747 9,与毛管持水量灰关联度值最小为0.609 3,果实含水量与所有物理指标均达到较高关联,说明这些指标与果实含水量关系密切;叶片含水量中,毛管孔隙度关联度值最大为0.692 9,总孔隙度灰关联度值最小为0.542 3, 且只有毛管孔隙度与叶片含水量达到较高关联,其他指标因素均为中等关联, 说明除了毛管孔隙度对其影响较大, 关系密切外, 其他指标对其影响中等, 关系一般。 在20～40cm土层中, 中国沙棘果实含水量与总孔隙度灰关联度值最大为0.682 9,与毛管孔隙度灰关联度值最小为0.627 5,与所有物理指标均达到较高关联,说明这些指标均对中国沙棘果实含水量影响较大,且关系密切;叶片含水量中,饱和含水量关联度值最大为0.715 8,土壤含水量灰关联度值最小为0.513 8,除了土壤含水量与土壤容重与叶片含水量为中等关联外,其他指标均为较高关联,对叶片含水量影响较大,关系密切。在40～60cm土层中,中国沙棘果实含水量与土壤容重灰关联度值最大为0.874 5,与饱和含水量灰关联度值最小为0.647 7,与所有土壤指标均达到较高关联及以上,特别是土壤容重,与果实含水量达到高关联,说明其对果实含水量起到较大影响,且关系极为密切;叶片含水量中,土壤容重关联度值最大为0.774 4,总孔隙度灰关联度值最小为0.527 6,与土壤含水量、毛管持水量呈中等关联,与其他指标因素均为较高关联,说明除了土壤含水量、毛管持水量外,其他指标对其影响较大,关系密切。

综合分析发现,在0～60cm土层中,土壤物理指标与中国沙棘果实含水量关系密切排序为土壤容重>总孔隙度>土壤含水量>饱和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;叶片含水量关系密切排序为毛管孔隙度>土壤容重>饱和含水量>总孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。

2.1.2 土壤物理性质对大果沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析 从表3得出, 大果沙棘果叶含水量与土壤物理性质关系存在差异。 在0～20cm土层中,大果沙棘果实含水量与总孔隙度灰关联度值最大为0.872 1,与毛管孔隙度灰关联度值最小为0.646 9,与所有土壤指标均达到较高关联或高关联,说明这些指标均对果实含水量影响较大,且关系密切;叶片含水量中,饱和含水量关联度值最大为0.670 3,毛管孔隙度灰关联度值最小为0.511 2,其中土壤容重、饱和含水量和总孔隙度三个指标与叶片含水量达到较高关联,其他指标因素均为中等关联,说明这3个指标对其影响较大,关系密切外,其他指标对其影响中等,关系一般。在20～40cm土层中,大果沙棘果实含水量与土壤含水量灰关联度值最大为0.775 5,与总孔隙度灰关联度值最小为0.619 7,与所有土壤指标均达到较高关联,说明这些指标均对大果沙棘果实含水量影响较大,且关系密切;叶片含水量中,土壤含水量关联度值最大为0.775 2,毛管持水量灰关联度值最小为0.530 3,除了土壤含水量与土壤容重与叶片含水量为较高关联外对叶片含水量影响较大,关系密切,其他指标均为中等关联。在40～60cm土层中, 大果沙棘果实含水量与土壤容重灰关联度值最大为0.764 2, 与毛管孔隙度灰关联度值最小为0.510 4, 其中土壤含水量、 土壤容重和饱和含水量均达到较高关联, 说明这些指标对果实含水量起到较大影响, 且关系极为密切;叶片含水量中, 土壤含水量关联度值最大为0.613 7, 饱和含水量灰关联度值最小为0.498 0,叶片含水量仅与土壤含水量呈较高关联,与其他指标因素均为中等,说明除了土壤含水量外,其他指标对其影响一般,关系中等。

表2 中国沙棘果叶含水量与土壤物理性质灰色关联分析Tab.2 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaves water content and soil physical properties

表3 大果沙棘果叶含水量与土壤物理性质灰色关联分析Tab.3 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit Leaves water content and soil physical properties

综合分析发现,在0～60cm土层中,土壤物理指标与大果沙棘果实含水量关系密切排序为土壤容重>土壤含水量>饱和含水量>毛管持水量>总孔隙度>毛管孔隙度;叶片含水量关系密切排序为土壤含水量>土壤容重>总孔隙度>饱和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2.2 土壤化学性质对沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析

选取中国沙棘与大果沙棘果叶含水量作为参考数列, 林地pH值、 饱和导水率、 有机质、 碱解氮、 有效磷和全磷等指标作为比较数列, 计算得出参考数列与比较数列灰色关联度值见表4和表5。可以发现，比较序列各个指标因素的灰关联度值大小不同,关联度值越大,其对应指标对果叶含水量的影响越大,两者之间的关系越紧密。

2.2.1 土壤化学性质对中国沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析 从表4得出, 中国沙棘果叶含水量与土壤化学性质关系存在差异。 在0～20cm土层中, 中国沙棘果实含水量与有机质灰色关联度值最大为0.745 0, 与有效磷灰色关联度值最小为0.565 5, 除有效磷外, 与其他指标均达到较高关联; 叶片含水量中,电导率灰关联度值最大为0.793 7, 与有机质灰关联度值最小为0.502 1,叶片含水量与pH、有效磷和电导率关联度达到较高关联,说明这些指标对叶片含水量影响较大,且关系密切。在20～40cm土层中,中国沙棘果实含水量与pH灰色关联度值最大为0.737 9,与碱解氮灰色关联度值最小为0.649 0,所有指标均达到较高关联,说明这些指标均与中国沙棘果实含水量关系密切;叶片含水量中,有效磷灰色关联度值最大为0.682 8,达到较高关联,且其余指标均没有达到较高关联,说明有效磷对其影响较大,且关系密切。在40～60cm土层中,中国沙棘果实含水量与有效磷灰色关联度值最大为0.759 1,与全磷灰色关联度值最小为0.571 9,果实含水量除与全磷达到中等关联外,其他均达到较高关联;叶片含水量中,与有效磷灰色关联度值最大为0.655 7,与有机质灰色关联度值最小为0.530 2,叶片含水量除了与有机质和电导率呈中等关联外,与其他指标均呈较高关联,关系密切。

表4 中国沙棘果叶含水量与土壤化学性质灰色关联分析Tab.4 Gray correlation analysis of Chinese Seabuckthornfruit leaveswater content and soil chemistry properties

综合分析发现,在0～60cm土层中,土壤化学指标与中国沙棘果实含水量关系密切排序为有机质>pH>有效磷>电导率>碱解氮>全磷;叶片含水量关系密切排序为有效磷>电导率>pH>碱解氮>全磷>有机质。

2.2.2 土壤化学性质对大果沙棘果叶含水量影响因素的灰色关联分析 从表5得出, 大果沙棘果叶含水量与土壤化学性质关系存在差异。 在0～20cm土层中,大果沙棘果实含水量与碱解氮灰色关联度值最大为0.739 6,与电导率灰色关联度值最小为0.565 6,除电导率外,与其他指标均达到较高关联;叶片含水量中,pH灰关联度值最大为0.736 0,与全磷灰关联度值最小为0.538 3,叶片含水量与pH、有机质和碱解氮关联度达到较高关联,说明这些指标对叶片含水量影响较大,且关系密切。在20～40cm土层中,大果沙棘果实含水量与有机质灰色关联度值最大为0.703 8,与有效磷灰色关联度值最小为0.511 0,与有机质、全磷和pH指标呈较高关联性,说明这些指标均与大果沙棘果实含水量关系密切;叶片含水量中,pH灰色关联度值最大为0.775 2,与电导率灰色关联度值最小为0.548 7,除了电导率外,大果沙棘叶片含水量与其余指标均达到较高关联,关系密切。在40～60cm土层中,大果沙棘果实含水量与有效磷灰色关联度值最大为0.827 3,与电导率灰色关联度值最小为0.584 2,果实含水量与有效磷达到高关联,说明其对果实含水量影响较大,关系密切;叶片含水量中,与pH灰色关联度值最大为0.785 7,与电导率灰色关联度值最小为0.543 1,叶片含水量中与pH、有机质和全磷较高关联,关系密切。

综合分析发现,在0～60cm土层中,土壤化学指标与大果沙棘果实含水量关系密切排序为有机质>全磷>碱解氮>有效磷>pH>电导率;叶片含水量关系密切排序为pH>有机质>碱解氮>全磷>有效磷>电导率。

表5 大果沙棘果叶含水量与土壤化学性质灰色关联分析Tab.5 Gray correlation analysis of Macro-fruit seabuckthornfruit leaves water content and soil chemistry properties

3 结论与讨论

1)土壤物理性质与中国沙棘果实含水量关系密切排序为土壤容重>总孔隙度>土壤含水量>饱和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量;叶片含水量关系密切排序为毛管孔隙度>土壤容重>饱和含水量>总孔隙度>毛管持水量>土壤含水量。土壤物理性质与大果沙棘果实含水量关系密切排序为土壤容重>土壤含水量>饱和含水量>毛管持水量>总孔隙度>毛管孔隙度;叶片含水量关系密切排序为土壤含水量>土壤容重>总孔隙度>饱和含水量>毛管孔隙度>毛管持水量。

2)土壤化学性质与中国沙棘果实含水量关系密切排序为有机质>pH>有效磷>电导率>碱解氮>全磷;叶片含水量关系密切排序为有效磷>电导率>pH>碱解氮>全磷>有机质。土壤化学性质与大果沙棘果实含水量关系密切排序为有机质>全磷>碱解氮>有效磷>pH>电导率;叶片含水量关系密切排序为pH>有机质>碱解氮>全磷>有效磷>电导率。

土壤是植物生长的基础条件,为植物提供必要的水分和养分，植物生长或恢复过程又可以改变土壤理化生性状,改善土壤质地[15,17,20]。本文结果分析表明,不同土层沙棘林地土壤理化性质与沙棘果叶含水量的关系密切程度各不相同,沙棘与土壤水分在20～60cm土层,较0～20cm关系紧密,特别是在果叶含水量较大的大果沙棘林地中,这与杨国敏和王力研究得出的沙棘雨季主要对30～70cm土层的土壤水分进行利用的结论相似[22]。沙棘叶片是沙棘光合作用发生的主要场所,果实是沙棘光合作用最有利用价值的产物之一,沙棘光合速率与林地土壤水分间有极显著的相关关系[23]。已有研究表明,随着土壤含水量的降低,沙棘蒸腾耗水量不断降低[24]。因此,土壤水分与沙棘果叶含水量关系密切,尤其是果叶含水量较大的大果沙棘较中国沙棘与土壤含水量的关系更加密切,可能是由于大果沙棘果叶含水量较高,需要的水分较多,土壤水分是其水分的主要来源，然而,中国沙棘在干旱的适应性方面,更具优势,对土壤水分依靠性要小于大果沙棘[25]。本文研究表明,土壤容重与有机质分别是土壤物理性质和土壤化学性质中与沙棘果实含水量关系最为密切的两个指标。因此,今后需要提高沙棘果实含水量时,可以适当的改变林地土壤容重和土壤有机质从而进行沙棘果实含水量调节。