流动沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演变过程*

苏永中，刘婷娜

流动沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演变过程*

苏永中，刘婷娜

（中国科学院西北生态环境资源研究院临泽内陆河流域研究站/中国科学院内陆河流域生态-水文研究重点实验室，兰州 730000）

固沙梭梭林；种植时间序列；土壤盐分；土壤有机碳；全氮；绿洲边缘

梭梭（），一种藜科梭梭属C4荒漠灌木，分布在新疆、内蒙、甘肃和青海等西北干旱和极端干旱的荒漠区域[1]。由于其对风沙、盐碱、干旱等环境的适应性，育苗、栽植易成活，以及C4植物生长迅速等特性，成为西北干旱区沙漠化土地固沙造林的主要树种[2-3]。随着西北干旱区生态建设的重视，固沙梭梭林种植面积不断扩大，有关梭梭生理、生态特性及其对环境的影响研究也逐渐深入。早期的研究主要集中在梭梭光合生理和水分利用等生理特性，以及梭梭富集养分的“肥岛”特征研究等[4-7]。近年来，梭梭利用水分来源[8]、固沙梭梭林建立后的土壤环境效应研究得到重视并取得一定进展[9-12]，为揭示人工固沙梭梭林退化机制及群落稳定性提供了依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河西走廊中段临泽平川荒漠－绿洲过渡带（39°09′～39°19′N，100°02′～100°21′E，海拔1 350～1 380 m）。该区域为典型的荒漠气候，年均降雨量117 mm，多集中在7—9 月，年蒸发量2 390 mm，年均气温7.6℃，无霜期165 d。年均风速为3.2 m·s–1，大风日数（> 17 m·s–1）超过15 d，风沙活动主要集中在3—5月，地下水埋藏深度为3～8 m。临泽平川绿洲北部为砾质戈壁，土壤为灰棕漠土；东北部为沙丘景观，是巴丹吉林沙漠延伸段，也是风沙入侵张掖绿洲的通道。绿洲边缘沙丘地带分布的天然植被有沙拐枣（）和泡泡刺（）两种灌木，一年生草本植物有沙蓬（）、雾冰藜（）、白茎盐生草（）和碱蓬（（Bunge）Bunge）等。沙拐枣主要分布于平缓沙坡，泡泡刺以沙堆形态集中分布于丘间低地。天然植被的盖度在3%～15%，总盖度低于10%。自20世纪70年代中期开始，绿洲边缘的沙漠化防治，开始种植以梭梭为主的固沙灌木，2000年以后，多期的固沙造林为主的生态恢复和建设项目实施，逐渐形成了绿洲边缘至外围约5 km×10 km范围不同年代的人工梭梭林景观[2]。

1.2 调查取样

2018年7月中旬，选择种植年限3年、6年、9年、16年和40年的梭梭林定位样地，未栽植梭梭的流动沙地作为对照样地（0年）。由于不同年代梭梭林地栽植时均为流动沙地，土壤质地与有机碳等性状在不同时期的测定结果基本一致[2,11,18]，近20年来荒漠-绿洲过渡带地下水位基本维持不变，表明梭梭栽植时起始的土壤和环境条件一致。每个龄级的梭梭林样地设置3个20 m×20 m的调查取样样方，在每个样方内随机选择5株梭梭个体，对其生长状况株高、冠幅、基茎、枯枝比例、叶片生物量进行调查取样，如表1。土壤取样方法为：流动沙地对照样地（0年）在每个样方中随机选取4个取样点，不同种植年限梭梭林样地在每个样方中选择距离梭梭主茎50 cm的冠层下和冠层外50 cm处各2个取样点，用土钻按0～10、10～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 6个层次取剖面样，4个取样点所取土样按相应土层混合为一个样，风干后，研磨过2 mm筛，取部分样进行土壤粒级、盐分组成的测定；部分样研磨过0.05 mm筛用于SOC、全氮和全磷含量的测定。

表1 不同种植年限梭梭生长特征

1.3 土样与植物样品测定

1.4 数据处理与分析

试验数据采用SPSS软件进行单因变量双因素（年限和土层）方差分析及显著性检验，并进行种植年限与土壤属性值之间的回归分析。

2 结 果

2.1 土壤剖面粒级组成变化

随着梭梭种植年限的增加，表层土壤（0～10 cm和10～20 cm）砂粒含量逐渐减少、黏粉粒含量逐渐增加，但其显著差异发生在栽植9 a以上的梭梭林地。40 a梭梭林地0～10 cm土层黏、粉粒含量较未种植梭梭相邻流动沙地分别提高6.8%和7.0%，10～20 cm土层分别提高5.3%和5.2%。20～40 cm土层黏粒含量随种植年限的增加而出现较小幅度的增加趋势，但40 cm以下土层粒级组成并无变化（图1）。

2.2 土壤有机碳和氮磷含量的变化

随固沙梭梭林栽植年限的增加，表层SOC和全氮含量呈指数增加，3 a、6 a梭梭林地与无植被沙地相比表层SOC有一定程度的增加，但差异不显著，生长9 a以后的梭梭林地，SOC与0 a、3 a和6 a样地差异达极显著水平，9 a、16 a和40 a梭梭林较无植被沙地表层SOC含量分别增加了2.7倍、3.3倍和、5.7倍。10～20 cm土层SOC与全氮含量随梭梭生长年限的增加，也表现出不同程度的增加，但只有40 a梭梭林地SOC和全氮含量显著高于其他样地。随土层深度的增加，不同林龄梭梭林地SOC和全氮含量差异逐渐减小，40 cm以下土层已无明显差异（图2）。相对于SOC和全氮含量，土壤剖面中全磷含量变化较小，只有0～10 cm和10～20 cm土层，40 a梭梭林地全磷含量显著高于其他样地，16 a以下各样地之间并无显著差异。随梭梭生长年限的增加，0～10 cm和10～20 cm土层SOC的增加幅度高于全氮的增加，C/N比随林龄增加有显著提高（图2）。

2.3 土壤剖面盐分的积累

随梭梭生长年限的增加，土壤剖面中盐分逐渐积累。6 a梭梭林土壤剖面盐分含量已显著高于0 a和3 a梭梭林，16 a后盐分含量成倍增加，6 a、9 a、16 a和40 a年梭梭林0～100 cm土层平均含盐量分别为未造林流动沙地（0 a，1.53 cmol·kg–1）的1.28倍、1.66倍、5.40倍和6.50倍。不同土层盐分含量变化分析，20～40 cm、40～60 cm 和60～80 cm三个土层盐分的积累速率变动在0.26～0.29 cmol·kg–1·a–1，高于0～10 cm和10～20 cm表层土壤的累积速率（0.06～0.19 cmol·kg–1·a–1）（表2）。

注：不同字母表示不同种植年限梭梭林土壤砂粒、粉粒和黏粒含量之间的差异显著（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in sand，silt and clay content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

注：不同字母表示不同栽植年限梭梭林土壤有机碳、全氮、全磷和碳氮比之间的差异显著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in SOC，total N and P content，and C/N ratio between different ages of the Haloxylon ammodendron plant in the same soil layer.

表2 土壤盐分积累与梭梭种植年限的关系

注：不同字母表示不同种植年限梭梭林土壤、Cl– 和含量之间的差异显著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in ，Cl– and content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

注：不同字母表示不同种植年限梭梭林土壤Ca2+、Na+、Mg2+ 和K+ 含量之间的差异显著性（P<0.05）。Note：The different lowercase letters show significant differences（P<0.05）in Ca2+，Na+，Mg2+ and K+ content between different ages of the Haloxylon ammodendron plant.

3 讨 论

固沙植被建植后风速降低，植被对降尘的截获使表层土壤细粒物质不断积累，导致表层土壤砂粒含量逐渐减少、黏粉粒逐渐增加，土壤质地发生显著变化，这已被中国北方不同固沙区域的研究所证实[15-17，20]。本研究表明梭梭种植16 a后，亚表层（10～20 cm）黏粉粒含量也有显著增加，一方面是由于随着植被生长，凋落物在冠层下的积累和表层细粒物质的增加、以及风蚀作用，冠层下由凋落物及细粒物质胶结形成的土层逐渐增厚，另一方面，土壤动物的扰动使表层和亚表层土壤混合，导致亚表层的粒级组成也发生变化。土壤黏粉粒含量的增加为土壤结皮形成提供了胶结物质，也是SOC含量和N、P养分增加的一个主要方面[16-17，20]。研究结果表明，表层土壤SOC与全氮含量随梭梭生长年限增加而逐渐积累，9 a后差异显著，而全磷含量只有40 a梭梭林有显著提高，这与前期对表层土壤的研究结果基本一致[11]。在表层以下10～20 cm和20～40 cm土层，SOC和全氮含量只在植被建植40 a后有显著变化，SOC的变化较全氮的变化更为明显，固沙植被建植对土壤P的影响更为微弱。SOC与养分含量在土壤剖面中的分布变化表明了固沙植被建植后，成土的生物作用有所增强，建植40 a后的梭梭林，在表层已形成2～5 cm厚度、由分解和半分解的凋落物、黏粉粒和盐分胶结形成的多孔结皮层特征，有一定程度的腐殖质积累和弱发育的腐殖质层的分化，表明土壤已从干旱砂质新成土向干旱正常新成土发育。受限于有限的降雨量（110 mm），流沙固定后未能形成草本植物层，生物土壤结皮也未能发育，与沙坡头地区流动沙地人工植被建植后的土壤演变相比，土壤发育进程明显缓慢[16]。

在流动沙地建植人工固沙梭梭40 a的时间序列上，土壤黏粉粒、SOC和全N含量的显著变化主要发生在表层0～20 cm土壤，而盐分的积累发生在0～100 cm土层，盐分的积累效应明显大于养分的积累。这种梭梭引起的土壤变化可能对梭梭的自身生长产生正反馈作用，因为梭梭是稀盐盐生植物，其生长需要吸收养分，也需要大量的盐分；但对其他植物种如草本植物的生长发育产生负反馈作用，如表层黏粉粒含量增加、结皮层形成不利于草本植物土壤种子库的积累，盐分的积累对一些植物的发育产生抑制[10]。梭梭种植10 a后，处于不断的自疏和衰退生长过程，沙面稳定后草本植物数量和盖度有所增加，出现物种主要是耐盐的短命植物种如白茎盐生草和雾冰藜等[11]，40 a后仍未能形成灌木与草本植物结合的植被生态系统，人工植被的稳定性和植被系统的长期演变需要更长时间尺度的观测。

4 结 论

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Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest

SU Yongzhong, LIU Tingna

(Linze Inland River Basin Research Station, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences/Key Laboratory of Eco-Hydrology in Inland River Basin, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Sand-fixingplantation; Plantation chronosequence; Soil salt; Soil organic carbon; Total nitrogen; Edge of oasis

S153

A

10.11766/trxb201812290592

苏永中，刘婷娜. 流动沙地建植人工固沙梭梭林的土壤演变过程[J]. 土壤学报，2020，57（1）：84–91.

SU Yongzhong，LIU Tingna.Soil Evolution processes following establishment of artificial sandy-fixingforest[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：84–91.

* 国家重点研发计划项目（2017YFC0504304）资助Supported by the National Key Research and Development Program of China（No. 2017YFC0504304）

苏永中（1966—），甘肃古浪人，研究员，主要从事干旱区土壤学与绿洲农业生态学研究。E-mail：suyzh@lzb.ac.cn

2018–12–29；

2019–05–05；

2019–07–22

（责任编辑：檀满枝）