短期围封对沙地榆树疏林草原土壤碳氮磷含量的影响

李晓兰 张丹 尹慧来 赵红蕊 迟悦 高音 王慧颖

摘 要：以科尔沁沙地榆树疏林为研究对象，分析放牧和短期围封处理，距离中心榆树不同距离和不同方向的土壤有机碳、铵态氮和速效磷含量的变化。结果表明：土壤有机碳最高值在0-20cm土层和20-50cm土层内均出现在围封样地，这证明短期围封对于有机碳含量增加具有一定作用，在同一方向上，土壤有机碳最高值均出现在围封处理样环上。短期围封对土壤铵态氮有显著影响，围封处理后土壤铵态氮明显增加，短期围封对不同方向不同土层的土壤速效磷含量影响不一致。由此可知，短期封育可使榆树疏林草地土壤理化性质发生显著改善，使有机碳、速效磷和铵态氮等土壤养分大量回归，使得草原有向高质量土壤性质良好演变的趋势，但由于封育年限过短导致土壤铵态氮和速效磷增加只在表层，深层土壤铵态氮和速效磷含量增加不明显。

关键词：科尔沁沙地;土壤养分含量：围封;放牧;榆树疏林

中图分类号：S755  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2021）07-0040-06

1 引言

位于我国北方的科尔沁沙地是北方农牧交错区的典型代表区域，也是中国四大沙地之一，属辽河中游冲积平原，为干旱半干旱地区，由于人为因素的影响，特别是超载过牧等不合理利用，该区域成为近年来土地沙漠化最为严重的区域之一[1]。该区退化的草原生态恢复吸引了科研工作者和政府管理部门的普遍关注，也相继进行了相关的技术和管理方法研究。沙地榆树疏林是科尔沁沙地生态系统的重要组成部分，它是一种极具区域特色的植被类型，主要分布于温带地区。它的退化会直接导致沙地生态系统的退化和荒漠化的扩张，因此保护好榆树疏林对于防止沙漠化扩张很有必要[2]。

榆树（学名：Ulmus pumila L.），又名春榆、白榆等，为阳性树种，喜光，具有很强的耐旱、耐寒、耐瘠薄，不择土壤，适应性很强。根系发达，抗风力、保土力强。萌芽力强耐修剪。生长快，寿命长。能耐干冷气候及中度盐碱，但不耐水湿（能耐雨季水涝）。具抗污染性以及叶面滞尘能力强。零散生长于科尔沁沙地的中北、东北、东南部，且多分布在固定半固定沙丘上，对防风固沙起到了很重要的作用。近年来，由于气候变化及人类活动的影响，导致该地区榆树大面积减少，严重威胁着当地生态环境，因此，探讨短期围封对沙地榆树疏林草原土壤养分含量的影响，有利于为科尔沁沙地的治理提供决策依据已成为摆在我们面前的重要任务[3]。

本试验以科尔沁沙地乌兰敖都地区沙地榆树为研究对象，针对榆树疏林地沙化现象进行初步分析和探讨短期围封对沙地榆树疏林草原土壤有机碳、铵态氮和速效磷的影响，以期为该地区开展退化沙质草地的管理，植被的恢复重建、沙漠化的防治和农林业生产提供科学的理论依据。

2 材料与方法

2.1 试验地概况

试验地设在科尔沁沙地西部乌兰敖都试验站，该站地处内蒙古赤峰市翁牛特旗东部的乌兰敖都地区为该沙地中的严重沙化区，乌兰敖都地区位于该沙丘中部偏西地带，是国家林业局荒漠化监测网络试验站之一，地处我国北方半干旱农牧交错带科尔沁沙地西部，地理位置119°39'E，43°02'N，海拔高度约480m，属温带半干旱气候区，季节变化明显;年平均气温为5.8～6.4℃≥10℃的积温为3000～3200℃;年平均降雨量330mm，降雨多集中在6、7、8三个月份，夏季6-8月降雨量占全年的70%以上，潜在蒸发量是降雨量的6-7倍，干燥系数在1.0～1.8之间;春季为西北风，风速可达5m，风力5～6级，每遇大风能见度不足50m，每年起风日数200d以上，冬春季大风发生频率约占全年的69%-81%;无霜期为110-130d[4];冰期由10月初开始，翌年4月底解冻，最大冻土深度为1.5m。该站位于我国北方荒漠地区，自然环境脆弱，人为干扰过度，主要以流动沙丘为主[5]，固定沙丘相间的景观地形。地带性土壤主要为沙质栗钙土，破坏后退化为流动砂土，现在已有70%的土地出现盐渍化现象。

2.2 采样方法

在科尔沁沙地西部乌兰敖都地区，选择不同干扰措施（围封和放牧）的重度退化榆树疏林草地。围封样地时间为1年，2019年8月，在每个干扰类型样地中选择3株榆树标准样株，选择主风向和垂直主风向4个方位，根据树冠距离设置取样和调查样点。样点分别设置为距离榆树树干1m、5m和12m距离。土壤取样分为0-20cm和20-50cm两层，在每个距离样点附近取5点按土壤分层混为一个土样。土壤样品带回实验室阴干用于测定土壤化学性质。

2.3 数据处理

所得试验数据采用SPSS20.0统计分析软件和Excel2007等软件进行围封与自然放牧草地相关指标的差异性分析。

3 结果与分析

3.1 短期围封、样环、取样方向和土层对土壤理化性质的影响

从表1可知，四因素方差分析的结果为：不同处理和样环对土壤有机碳均有显著影响（F=507.51，P<0.001和F=14.76，P<0.001）、处理和样环的交互作用（F=4.58，P<0.05）、处理和土层的交互作用（F=4.78，P<0.05）、样环和土层的交互作用（F=4.63，P<0.05）均对土壤有机碳有显著影响，但四因素的共同作用不显著（F=0.37，P>0.05）。

从表1可知，四因素方差分析的结果为：不同处理和样环对土壤铵态氮有显著影响（F=10.87，P<0.001和F=3.74，P<0.05），處理和土层的交互作用（F=7.54，P<0.01）、样环和土层的交互作用（F=13.21， P<0.001）均对土壤铵态氮有显著影响，处理和样环的交互作用（F=2.24，P>0.05）无显著差异，但四因素的共同作用显著（F=5.64，P<0.001）。

从表1可知，四因素方差分析的结果为：不同处理和样环对土壤速效磷显著影响不同（F=2.40，P >0.05和F=9.96，P<0.001）、处理和土层的交互作用（F=6.24，P<0.05）、样环和土层的交互作用（F=5.26，P<0.05）均对土壤速效磷有显著影响，处理和样环的交互作用（F=0.30，P>0.05）不显著，但四因素的共同作用显著（F=4.03，P<0.05）。

3.2 主要影响因素对土壤有机碳的影响

从表2可以看出，在0-20cm土层，在不同方向上，围封和放牧处理，样环均对土壤有机碳均存在极显著的影响（P<0.01），且二者的交互作用对土壤有机碳也有显著影响（P<0.01）;在20-50cm土层，围封和放牧处理在不同方向上均存在极显著的影响（P<0.01），在西北和西南方向上，样环对土壤有机碳存在显著影响显著，且二者的交互作用对土壤有机碳作用显著，在东南和东北方向上样环对土壤有机碳与二者的交互作用对土壤有机碳作用皆不显著。

通过对不同土层的处理和样环二因素的结果进行多重比较，结果如图1和图2所示。

从图1可以看出，0-20cm土层内，在各个方向上，围封处理的不同样环间均无显著差异;0-20cm土层，放牧处理，在东北和西北方向上1m、5m和12m三个样环之间两两均有显著差异;东南方向上，1m与12m样环、5m与12m样环间均存在显著差异;在西南方向上，1m和12m样环均与5m样环存在显著差异。土壤有机碳含量最高出现在围封1m样环东北方向上，其含量是10.87g/kg，土壤有机碳含量最低出现在放牧12m样环东南方向上，其含量是0.48g/kg。总体而言，围封处理0-20cm土层土壤有机碳含量均大于放牧处理。

从图2可以看出，20-50cm土层内，在各个方向上，围封处理的不同样环间均无显著差异;20-50cm土层，放牧处理，东北、西北和西南方向上均无显著差异，东南方向上也无显著差异。土壤有机碳含量最高出现在围封12m样环东北方向上，其含量是11.22g/kg，土壤有机碳含量最低出现在放牧5m样环西北方向上，其含量是0.75g/kg。在该土层，围封处理的土壤有机碳含量均高于放牧处理。

3.3 主要影响因素对土壤铵态氮的影响

从表3可以看出，0-20cm土层，在西北和东北方向上，围封和放牧处理对土壤铵态氮有显著影响（P<0.05）;在西南方向的0-20cm土层，样环对土壤铵态氮的影响显著（P<0.001），且处理与样环的交互作用对土壤铵态氮也有显著影响（P<0.01）。20-50cm土层，在西南和东北方向上，围封和放牧处理对土壤铵态氮有显著影响（P<0.05）。在西南方向的20-50cm土层，处理与样环的交互作用对土壤铵态氮含量有显著影响（P<0.01）。

经多重比较作图，如图3和图4所示。

从图3可以看出，0-20cm土层内，围封处理，在东南方向上，5m样环和12m样环均与1m样环存在显著差异;在西南方向上，1m、5m、12m三个样环两两之间均存在显著差异（P<0.05）;东北和西北方向的各样环间均无显著差异。放牧处理中，在东北、东南、西北方向上各样环间均无显著差异;西南方向上，1m与5m和12m样环间均存在显著差异，但5m与12m样环间无显著差异。土壤铵态氮含量最高出现在放牧1m样环西南方向上，其含量是4.37g/kg，土壤铵态氮含量最低出现在放牧5m样环东南方向上，其含量是1.26g/kg。

从图4可以看出，20-50cm土层内，围封处理，在东北和东南方向上均无显著差异，在西南方向上，1m和12m样环与5m样环存在显著差异，但1m与12m样环间无显著差异，在西北方向上1m和5m样环与12m样环存在显著差异，但1m与5m样环之间无显著差异;20-50cm土层，放牧处理，东北和东南方向上差异均不显著，在西南和西北方向上，1m和5m样环与12m样环均存在显著差异，但1m与5m样环之间无显著差异。土壤铵态氮含量最高出现在放牧12m样环西北方向上，其含量是4.09g/kg，土壤铵态氮含量最低出现在围封5m样环东北方向上，其含量是0.99g/kg。

3.4 主要影响因素对土壤速效磷的影响

从表4可以看出，在东南方向的0-20cm土层，围封和放牧处理对土壤速效磷有显著影响（P<0.01）;在西北和东南方向的20-50cm土层，围封和放牧处理对土壤速效磷有显著影响（P<0.01）。在西北、西南和东南方向的0-20cm土层，西南方向的20-50cm土层，样环对土壤速效磷均有显著影响（P<0.01）。在0-20cm土层，二者的交互作用对西南和东北方向的土壤速效磷有显著影响（P<0.01）;在20-50cm土层二者的交互作用对所有方向的速效磷均有显著影响（P<0.05）。

经多重比较作图，如图5和图6所示。

从图5可以看出，0-20cm土层内，围封处理，在东北、东南和西北方向上均无显著差异，在西南方向上，1m和12m样环与5m样环存在显著差异，但1m与12m样环间无显著差异;在0-20cm土层内，放牧处理，在东北和西南方向上，1m、5m和12m三个样环之间两两均存在显著差异，在东南方向上，1m和12m样环与5m样环存在显著差异，但1m与5m样环之间无显著差异，在西北方向上，放牧5m和12m与1m样环存在显著差异，但5m与12m样环之间呢无显著差异。土壤速效磷含量最高出现在放牧12m样环东南方向上，其含量是7.35g/kg，土壤速效磷含量最低出现在放牧1m样环西南方向上，其含量是1.42g/kg。

从图6可以看出，20-50cm土层内，围封处理，在东北和西南方向上均无显著差异，在东南方向上，1m和5m样环与1m和12m样环差异均不显著，但5m与12m样环差异显著，在西北方向上，1m与5m和12m样环存在显著差异，但5m与12m样环之间无显著差异;在20-50cm土层，放牧处理，各个方向上均存在显著差异，在东北和西北方向上，1m样环与5m和12m樣环存在显著差异，但5m与12m样环之间无显著差异，在东南方向上，5m样环与1m和12m样环存在显著差异，但1m与12m样环之间无显著差异，在西南方向上，12m样环与1m和5样环存在显著差异，但1m与5m样环之间无显著差异。土壤速效磷含量最高出现在放牧12m样环西南方向上，其含量是8.64g/kg，土壤速效磷含量最低出现在放牧1m样环东北方向上，其含量是1.02g/kg。

4 讨论与结论

试验区在放牧和围封措施下土壤性状变化表明：人为干扰对土壤性状产生了影响。相关研究指出人为干扰不仅影响植被特征，而且对土壤性状产生了影响，适度放牧草地土壤有机质含量增加。封育措施主要是通过自然力的作用使退化草地的植被与土壤得到恢复和良性发展。本试验中封育一年后对试验地进行研究，结果表明：围封一年對于土壤有机碳含量变化无显著差异，但总体围封地有机碳含量大于放牧处理样地，且土壤有机碳最高值在0-20cm土层和20-50cm土层内均出现在围封样地，这证明短期围封对于有机碳含量增加具有一定作用，不同处理和样环对土壤有机碳也均有显著影响，处理和样环的交互作用、处理和土层的交互作用和样环和土层的交互作用均对土壤有机碳有显著影响，但四因素共同作用不显著，在同一方向上，土壤有机碳最高值均出现在围封处理样环上。围封一年对于土壤铵态氮含量变化有显著差异，并且由于恢复措施不同，围封处理后比放牧处理土壤铵态氮含量增加明显，不同处理和样环对土壤铵态氮有显著影响，处理和土层的交互作用和样环和土层的交互作用均对土壤铵态氮有显著影响，处理和样环的交互作用无显著差异，但四因素的共同作用显著。围封一年对于速效磷含量有显著差异，不同处理和样环对土壤速效磷显著影响不同，处理和土层的交互作用、样环和土层的交互作用均对土壤速效磷有显著影响，处理和样环的交互作用不显著，但四因素的共同作用显著。由此可知，在封育样地内，由于缺少对植被演替的干扰，使榆树疏林草地迅速生长，致使土壤有机碳含量增加，这与何念鹏等研究结果[6]相同。不同措施下土壤有机碳、铵态氮和速效磷的储量具有表聚现象，铵态氮和速效磷0-20cm土层和20-50cm土层最高值均出现在放牧处理中，产生这种现象的原因可能是由于试验时间短，土壤养分还未彻底深入土层。

土壤质量是土壤诸多化学和生物学性质的综合反映[7]。影响土壤质量的因子有很多，试验中通过对三个因子，即有机碳、速效磷和铵态氮的分析结果表明，对重度退化榆树疏林草地采取围封措施，降低了人为干扰，植被恢复减少风蚀，随着大量枯落物的归还及植被对风蚀物和降尘的截获效应，使土壤结构改善，土壤养分含量明显增加，土壤性状的好转又会促进植被的发育，增强了生态系统的稳定性。与崔海、张亚红的研究结果[8]具有相似性，亦与当地实际较为相符。

对退化沙质草地的开垦和围封，是引起土壤恶化和逐渐好转的两个相反的过程，开展围封对退化沙质草地土壤-植被的研究不仅是该地区荒漠化现状及逆转程度的评估，还具有对该地区采取经济有效的封育措施的指导意义。所以，退化沙质草地不应再开垦，对于已开垦的地段，应弃耕还牧，补播封育，促进退耕迅速恢复植被，尽快还原良好的草原生态系统。

参考文献：

〔1〕蒋德明，李明，押天敏雄.封育对科尔沁沙地小叶锦鸡儿群落植被特征及空间异质性的影响[J].生态学杂志，2009，28（11）：2159-2164.

〔2〕薛传平，高志海，孙斌，等.浑善达克沙地榆树疏林的高分辨率遥感识别方法[J].国土资源遥感，2018，30（04）：74-81.

〔3〕韩永增，高亚敏.科尔沁沙地榆树物候期变化初探[J].林业科技，2017，42（04）：13-16.

〔4〕蒋德明，李雪华，武健伟，等.科尔沁沙地乌兰敖都地区荒漠化动态监测[J].干旱区研究，2008，25（06）：877-881.

〔5〕文海燕，赵哈林，博华.开垦和封育年限对退化沙质草地土壤性状的影响[J].草业学报，2005，14（01）：31-37.

〔6〕何念鹏，韩兴国，于贵瑞.长期封育对不同类型草地碳贮量机器估持速率的影响[J].生态学报，2011，31（15）：4270-4276.

〔7〕周贵尧，吴沿友，张明明.泉州湾洛阳江河口湿地土壤肥力质量特征分析[J].土壤通报，2015，35（04）：319-323.

〔8〕崔鹏，张亚红.不同封育年限荒漠草原土壤呼吸特征及其影响因子研究[D].宁夏大学，2016.