沙棘不同恢复年限对土壤质量的影响

相里佳菲，路 培

（榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000）

土壤是陆地生态系统的重要组成部分，其动态变化直接影响着陆地生态系统的生产力及稳定性[1]。土壤质量是土壤多个功能指标的综合体现，是揭示土壤动态条件最敏感的指标，体现了自然因素和人类活动对土壤的影响[2]。沙棘是用以恢复植被的典型树种，面对内蒙古鄂尔多斯市砒砂岩荒漠治理区植被配置升级、低效林改造的新要求和新形势，在现有水土保持林体系下，从土壤质量的角度出发，展开对沙棘林土壤质量的研究，利于探明该区域沙棘林土壤质量的特征，对今后该地区生物多样性保护、植被恢复与重建、低效林改造等林业生态工程建设，以及推进黄河流域的生态保护和高质量发展具有重要的理论和实践意义[3-6]。本研究以沙棘林土壤为研究对象，旨在探明沙棘林土壤物理和化学性质的变化特征，明确土壤质量随着沙棘恢复年限延长所呈现的变化规律，对生态恢复和日后调整生态恢复结构具有重大现实意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古鄂尔多斯市属北温带半干旱大陆性气候区，东部为半湿润地带，西部为半干旱地带。该地域最主要的特点是日照丰富，年日照时间为2 716～3 194 h；昼夜温差大，一般可达10 ℃左右，年平均气温在5.3～8.7 ℃；降水少且时空分布极为不均[7-9]。

1.2 样品采集

本试验在内蒙古鄂尔多斯罕台镇沙棘恢复区进行，共选取立地条件一致的3 个沙棘恢复年限（1 a、3 a、5 a）区，每块样地设置3 个20 m×20 m 样方，在样方内按照五点取样法设置3个取样点，挖取各样点0～20 cm土层土壤为样本，选取裸地为实验对照组（CK）。

1.3 指标测定

土壤指标具体测定方法：环刀法测定土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量，碱解蒸馏法测定碱解氮，火焰光度法测定速效钾，光电比色法测定速效磷，重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量。

1.4 土壤质量评价方法

以各指标经主成分分析后所得的公因子方差占所有指标公因子方差之和的比为指标权重，指标权重越高，表明其在土壤质量评价中的贡献度越高[10]。

升型分布函数公式：

降型分布函数公式：

式中：F(Xi)为隶属度值，Xij为各指标的平均值，Ximax和Ximin分别为第i个指标的最大值和最小值。

土壤质量指数的计算公式：

式中：n为指标数量，Wi为指标权重值，F(Xi)为指标隶属度，SQI为土壤质量指数，该值越高，代表土壤质量越好。

1.5 数据处理与分析

本试验数据用办公软件Microsoft Excel 2021 进行统计与分析，用SPSS 软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 沙棘不同恢复年限土壤指标统计特征

研究区沙棘不同恢复年限土壤理化性质差异显著（p＜0.05）（表1），土壤容重方面，裸地最高，其次为1 a，5 a 最小；土壤总孔隙度和毛管孔隙度方面随年限增加呈递增趋势，裸地最低，5 a 最高，总孔隙度、毛管孔隙度均在40%左右；土壤田间持水量5 a 的平均值略高于3 a 的平均值，随着年限的增加土壤田间持水量呈递增趋势。土壤化学性质中碱解氮、速效磷、速效钾能够高效地反映土壤养分供应的动态与水平。研究区沙棘恢复5 a 土壤碱解氮含量相较3 a 和1 a 分别增加2.05 与3.17 mg·kg-1；土壤速效钾含量随着恢复年限的增加呈递增趋势，在5 a 到达峰值，其速效钾含量较裸地增加了49.33 mg·kg-1；土壤速效磷含量由1 a 到3 a、3 a 到5 a 分别增加0.05 mg·kg-1与0.36 mg·kg-1；1 a、3 a 与5 a 相较于裸地土壤有机质分别增加了1.83 g·kg-1、4.43 g·kg-1、5.40 g·kg-1，表明土壤有机质含量与恢复年限呈正相关的变化趋势，说明研究区土壤养分含量随着植被恢复呈现不断上升的趋势。综合土壤养分指标来看，5 a 土壤为植被提供养分的能力最高，其次为3 a、1 a，裸地最差。

表1 沙棘不同恢复年限土壤理化性质差异

2.2 沙棘不同恢复年限土壤指标权重分析

计算各指标所占权重，结果表明，速效钾＞总孔隙度＞毛管孔隙度＞碱解氮＞有机质＞容重＞速效磷＞田间持水量。速效钾权重最高达到0.135，其含量很大程度上影响了土壤质量。其次是土壤总孔隙度权重为0.134，毛管孔隙度权重为0.133，直接影响土壤结构性能，对土壤水分的保持、入渗具有重要作用，土壤结构性能越好，其抗蚀性、透水性、持水量越大[11]。碱解氮权重为0.132，该指标反映土壤近期供应氮素的能力，是测定土壤氮素有效性指标。有机质权重为0.130，土壤有机质在土壤中必不可少，与土壤矿质成分作为植物营养来源的共同组成部分，对土地生产力和土壤理化性质具有重要影响[12-14]。容重权重为0.128，是土壤质量评价的重要指标。田间持水量、速效磷相较于其他指标对土壤质量影响较小，在0.1 左右。

2.3 沙棘不同恢复年限土壤指标隶属度分析

隶属度值越大说明指标归属度越高。按公式（1）和（2）计算得出各项土壤指标的隶属度值，各土壤指标平均隶属值由大到小依次为田间持水量（0.502）＞有机质（0.489）＞速效钾（0.456）＞总孔隙度（0.431）＞毛管孔隙度（0.418）＞容重（0.396）＞碱解氮（0.347）＞速效磷（0.274），速效磷隶属度值最低，表明速效磷是研究区土壤质量评价的主要限制因子。

2.4 沙棘不同恢复年限土壤质量指数分析

图1 为鄂尔多斯荒漠治理区沙棘不同恢复年限土壤质量指数的变化结果。研究区沙棘不同恢复年限土壤质量指数介于0.038 和0.864 之间。由大到小表现为5 a ＞3 a ＞1 a ＞裸地，结果表明沙棘恢复5 a对土壤质量改良效果最优。恢复5 a 土壤的孔隙度和养分高于恢复1 a 和3 a 的土壤，植被残体如树叶、枝、条形成的枯落物层较厚，并且干物质生物量远远高于其他土壤。枯枝落叶会形成不同分解状态的有机残体或被降解为分子量大小各异的有机化合物，一些枯枝落叶碎屑或化合物可随降水的携带作用及土壤动物和微生物的转移作用进入土壤，并被土壤层的细颗粒保存下来，也可以进一步转化为复杂的腐殖质分子，从而降低有机质流失的概率[15-16]。因此，5 a 土壤有机质含量高的原因主要与上覆枯落物层物质的腐解有关，其次为3 a、1 a。土壤质量指数整体随着恢复年限的增加呈现递增的趋势。裸地质量为贫瘠状态，孔隙度低且养分含量少，田间持水量小，表层裸露，含水量易蒸发，少部分水资源能被植被利用[17]。

图1 沙棘不同恢复年限土壤质量指数

3 结论与讨论

1）不同恢复年限土壤物理性质、化学性质差异显著（p＜0.05）；随着恢复年限的增加，沙棘恢复5 a相对裸地土壤容重降低了0.28 g·cm-3，土壤田间持水量、总孔隙度、毛管孔隙度、碱解氮、速效钾、速效磷、有机质分别增加5.88 个百分点、3.83 个百分点、3.48 个百分点、3.41 mg·kg-1、49.33 mg·kg-1、0.40 mg·kg-1、5.40 mg·kg-1，沙棘恢复1 a 整体表现较差。2）土壤质量指数随沙棘恢复年限增加呈增长趋势，土壤质量指数由大到小表现为5 a（0.864）＞3 a（0.517）＞1 a（0.239）＞裸地（0.038），恢复5 a 对土壤质量改良效果最优。

土壤质量受土壤特性，水分条件等自然因素和人为因素的综合影响，在局部地区，立地条件差异不显著的情况下，不同恢复年限成为影响土壤质量的重要因素。在本研究中，沙棘不同恢复年限对土壤理化性质的改善效果随着植被恢复年限的延长存在显著性差异（p＜0.05）。土壤有机质作为指示土壤质量指数的关键指标，主要受制于地上植物及其地下根系有机质的输入与分解[18]。沙棘恢复5 a 的土壤有机质含量大于3 a、1 a 的土壤有机质含量，说明沙棘恢复年限的延长对土壤有机质含量有较大影响。随着恢复年限的增长，沙棘林下土壤速效磷、速效钾、碱解氮逐渐增加。这与王晓琳、赵韵美等研究结果基本一致[19-20]。其原因主要是沙棘生长迅速，地上生长量大，大量枯枝落叶能够归还土壤，大部分根系密集于表层，残体及分泌物较多，在腐殖化作用下，有机质及速效营养元素含量能够不断增加。测定沙棘不同恢复年限土壤有机质含量是研究土壤性状特征、判断土壤质量及恢复情况的重要因素，土壤质量指数受到沙棘恢复年限影响较大，随着沙棘恢复年限的延长可以增加土壤养分含量，有效提高土壤质量指数。

内蒙古砒砂岩沙棘恢复是长期且复杂的任务。由于沙棘的生长与土地地形地貌、不同干扰强度、气候、环境、动植物多样性等因素密不可分，多种因素相互作用影响土壤质量，进而影响沙棘生长。因此，在以后的研究中要综合考虑各种影响因素，进一步探讨干扰强度、环境因素等对沙棘林土壤质量特征的影响，进一步为沙棘林土壤质量评价与恢复、森林可持续发展提供全面科学的数据支撑。