不同封育管理对沙质草地土壤与植被特征的影响

王蕙，王辉，黄蓉，马维伟

（甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070）

＊围栏封育是当前退化草地主要的植被恢复和重建措施之一［1－3］。它是人类有意识调节草地生态系统中草食动物与植物的关系以及管理草地的手段［4］，也是治理和控制土地沙漠化的一项行之有效的措施［5－7］。围封能使植物群落组成和主要群落类型发生明显变化，从而提高植物群落的生物量和生产力、增加生态系统的物种多样性和促进沙质草地生态系统的恢复［8－11］；也能够显著改善沙质草地土壤理化性质，并对土壤种子库的物种组成产生重要影响［12，13］。近年来，退化草地自然恢复过程中的土壤理化特性动态变化、植被分布与土壤特性的关系，以及不同退化程度草地的恢复模式研究受到了土壤、环境、全球变化等研究领域的广泛关注［14－18］。但由于封育沙质草地分布的广泛性和复杂性，关于封育管理措施和土壤理化特性及植被特征之间的关系尚无统一的定论。但从近期的文献［19－22］可以得出：草原生态系统中植被与土壤之间构成一个相互作用、相互影响、相互制约协调发展的统一系统，草地开垦引发了强烈的风蚀作用，使富含营养的细微颗粒被吹蚀，导致有机碳和氮磷养分的损失，采取围封措施后，植被的恢复对土壤养分产生明显的截存和保护效应；然而围封后植被的建立改变了原来沙质草地的水循环，大范围沙地造林甚至会导致已有相邻的湿地萎缩或草地退化，因此固沙植被根系分布受到土壤干旱胁迫的影响而趋于浅层化。

沙质草地是中国北方干旱半干旱地区重要的土地资源，超过1.34×108hm2的沙质草地分布在北方的广大地区［23］，其严重的退化／沙漠化已成为中国北方主要的生态环境问题［4，10，19－21］。目前，对退化沙质草地实行围栏封育是区域生态重建的一项重要举措。位于中国西北干旱地区的甘肃景泰绿洲边缘沙质草地属于我国蒙新高原草原区的一部分，这里生态环境极其脆弱，对人为干扰及气候变化的反应敏感而维持自身稳定的可塑性极小，是长期实施封育管理的一个典型区域，且该地区沙质草地在不同封育管理措施下土壤理化特性及植被特征的变化尚缺乏系统的研究报道。本试验研究了甘肃景泰绿洲边缘沙质草地在不同封育管理条件下土壤物理、化学特性和植被特征，旨在探讨不同封育管理对沙质草地土壤—植被系统的长期影响，为进一步认识人类活动在退化生态系统恢复过程中的作用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省中部的景泰县北部沙漠边缘地区。景泰县地处河西走廊东端，甘、蒙、宁三省（区）交界处，地理位置为103°33′～104°43′E，36°43′～37°38′N，为古丝绸之路重镇，全县总土地面积5 432 km2，境内地势西南高东北低，地形地貌大致分为中低山地、洪积冲积倾斜平原、石质剥蚀丘陵和风沙地貌4种类型。土壤类型主要为洪积灰棕荒漠土和灰钙土。地处季风区与非季风区过渡地带，县境内呈现出明显的大陆性气候特征，年平均气温8.2℃，极端最高气温36.6℃，极端最低气温－27.3℃，日照时数2 726 h，无霜期192 d，年均降水量185 mm，且主要集中在7－9月，年均蒸发量3 038 mm，为降水的16倍多，年平均相对湿度49%，年均风速2.5 m／s，年8级以上大风28 d，最大风速21 m／s，主要灾害性天气有干旱、风沙、干热风、霜冻、冰雹等。境内自然植被简单，常见植物种有小叶锦鸡儿（Caraganamicrophylla）、猫儿刺（Ilexpernyi）、白刺（Nitrariasibirica）、沙蒿（Artemisiadesertorum）、沙冰草（Agropyrondesertorum）等，呈零星状分布。为促进沙区植被恢复，防治风沙危害，自20世纪90年代起，该县开始对北部流动沙地实施封育措施，主要采用天然植被围栏封育法、人工种植＋围栏封育法。其中天然植被围栏封育措施是在流动沙丘区采用铁丝网围栏，完全排除家畜的采食以及人为干扰，以促进沙区自然植被的恢复；人工种植＋围栏封育措施则是在流动沙丘区先铺设1 m×1 m的麦草方格沙障，待沙面初步稳定后，再定植旱生灌木柠条（Caraganakorshinskii）、梭梭（Haloxylonammodendron）、花棒（Hedysarumscoparium）等［24］，并进行围栏封育，以保护和促进人工灌木林的存活和生长繁育。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 研究样地选择在甘肃省治沙研究所景泰试验站附近的沙质草地围栏封育区。2011年7－8月，根据资料记载与调查访问，选取不同封育管理措施的典型沙质草地为研究对象，同时选取流动沙地为对照，各典型样地又按照空间位置分为上坡（US）、中坡（MS）、下坡（FS）3个坡位，共12个样地（表1）。

1.2.2 土样采集与植被调查方法 每种样地设置3个5 m×5 m样方，每个样方设置取样点10个，去除枯落物层后每个点用土钻取0～20 cm深土柱（直径7.5 m）5个，混合后装入土壤袋内。土壤样品带回实验室后，经自然风干并过2 mm筛，一部分供土壤机械组成分析，一部分进一步磨细用于土壤化学性质的分析。另外用环刀（100 cm3）按同样层次取样用于土壤容重、孔隙度和持水性能的测定（15次重复）。紧实度用土壤紧实度仪（国产TJSD－750数显式土壤紧实度仪）测定（30次重复）。

每个样方内梅花状设置5个1 m×1 m的小样方调查植被特征，包括：1）灌木种的株数、高度和冠幅；2）草本植物的盖度和高度；3）地上现存生物量在65℃烘干，称重。同时记录样方所在地海拔、坡度、坡向等。灌木盖度＝东西冠幅×南北冠幅／样方面积；密度＝植物的总株数／样方面积。

1.2.3 样品分析方法 土壤理化性质的测定均采用常规分析方法［25－28］。粒度用湿筛加比重计法；有机碳用重铬酸钾氧化－外加热法；全氮用半微量凯氏法；速效氮用碱解扩散法；全磷用高氯酸、硫酸消化－钼锑抗比色法；速效磷用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法；全钾用碳酸钠熔融－火焰光度法；速效钾用乙酸氨浸提－火焰光度法；p H值和电导率用1∶5土水比浸提液。

1.3 统计分析

应用Excel、SPSS 17.0软件对数据进行分析处理，采用单因素方差分析和Duncan多重比较对不同样地间植被特征值、土壤特征值进行比较分析，用Pearson相关分析描述土壤理化性质及植被特征之间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同封育管理对植被特征的影响

采取封育恢复措施后，沙质草地植被高度、密度、冠幅、盖度、生物量都呈增加趋势（表2）。封育19年沙质草地（人工抚育19年）上、中、下坡的植被高度与流沙上、中、下坡比较分别增加341.4%，265.6%，228.6%，盖度分别增加233.6%，270.7%，252.4%，生物量分别增加145.6%，175.2%，186.8%。多重比较结果显示，植被高度、密度、冠幅、盖度、生物量在不同封育管理沙质草地之间具有显著差异（P＜0.05）。不同坡位比较结果显示，封育沙地植被特征受坡位影响比流动沙地显著（P＜0.05）。封育19年沙质草地中，人工抚育19年样地的植被特征各指标均高于人工抚育5年的，原因是封育减少了牲畜对植被的啃食与践踏，人工抚育措施又加速改善了沙质草地简单的群落结构，给沙质草地恢复提供了保障。

表1 研究样地描述Table 1 Description of the experiment sites

2.2 不同封育管理对土壤物理性质的影响

随着沙质草地封育年限的增加，土壤中砂粒含量明显减少，粘粒含量明显增加，土壤容重趋于降低，土壤总孔隙度和最大含水量都显著增加（表3）。和流沙相比，封育19年沙质草地（人工抚育19年）0～20 cm土层0.05～2 mm砂粒含量在上、中、下坡分别减少21.2%，3.7%，29.5%，平均减少14.2%；＜0.005 mm粘粒含量分别增加144.6%，62.0%，316.8%，平均含量增至11.68%；容重分别降至1.66，1.63，1.57 g／cm3，平均值为1.62 g／cm3；土壤总孔隙度分别增加10.4%，14.6%，16.9%，平均值为38.78%；最大含水量分别增加32.7%，9.0%，80.6%，平均值为25.37%。多重比较结果显示，砂粒、粉粒、粘粒含量、土壤容重、总孔隙度、最大含水量和紧实度在不同封育管理沙质草地之间具有显著差异（P＜0.05）。不同坡位比较结果显示，封育沙地土壤物理性质受坡位影响比流动沙地显著（P＜0.05）。沙质草地实施封育管理后，植被覆盖随恢复时间的增加使风蚀作用降低，并对土壤及其周围环境产生明显的保护作用；同时也截获了大量的风蚀细微颗粒和降尘，这些细粒物质进入表层土壤后，使0～20 cm土层＜0.005 mm的粘粒含量显著增加。

土壤容重是表征土壤质量的一个重要参数。尽管由于均一的沙质结构，但封育19年沙质草地（人工抚育19年）0～20 cm层土壤容重较其他3种样地显著降低，平均值为1.62 g／cm3。说明实施天然＋人工封育措施后，由于放牧家畜践踏的禁止，土壤结持能力和抗风蚀能力的增加，沙化程度的降低，以及地下生物量的增加都是导致容重降低的主要原因。另外，容重的变化会进一步导致土壤水分入渗和保持、孔隙分布等其他影响植物生长的土壤性状的改变。

表2 不同封育管理沙质草地植被特征Table 2 Vegetation characteristics of the sandy grassland of different exclosure management

表3 不同封育管理沙质草地土壤物理性质的变化Table 3 Changes of soil physical properties on the sandy grassland of different exclosure management

2.3 不同封育管理对土壤养分状况的影响

沙质草地封育后，氮磷钾全量和速效养分含量的变化与土壤有机碳（SOC）的变化有基本一致的趋势（P＜0.05）（表4）。随着封育时间的增长和人工抚育的实施，从流沙到封育19年沙质草地（人工抚育19年）SOC和养分含量明显增加，SOC增加380.0%，全N、全P和全K分别增加238.9%，75.0%和59.6%，速效N、P、K分别增加171.7%，229.5%，60.6%，说明沙质草地的天然封育和人工抚育过程也就是SOC和养分的累积及增长过程。多重比较结果显示，SOC、氮磷钾全量、速效N、P、K在不同封育管理沙质草地之间具有显著差异（P＜0.05）。不同坡位比较结果显示，封育沙地土壤养分特征受坡位影响比流动沙地显著（P＜0.05）。封育沙质草地SOC、氮磷钾全量和速效养分含量沿上坡到下坡呈增加趋势，而流动沙地中没有表现出相同的趋势。土壤p H广泛影响着土壤的其他性质，但其变化较为缓慢，其变动范围在8.9～9.1，且电导率EC＜0.1 MS／cm，结果显示各封育沙质草地的p H和EC均无显著差异（P＞0.05）。

表4 不同封育管理沙质草地土壤化学性质的变化Table 4 Changes of soil chemical properties on the sandy grassland of different exclosure management

不但封育年限影响土壤理化性状的改善（表3，4），而且人工抚育措施也对土壤理化性状提高有较大影响，其变化趋势为：人工抚育19年＞人工抚育5年＞自然恢复。说明封育沙质草地后，人工抚育促使植物向高层空间和深层土壤扩充与分布，植被得以很快恢复，植被的覆盖作用降低了表层土壤发生风蚀的几率，也使大量的风蚀细微颗粒和降尘被截存，同时大量枯落物留存于地表，这些都是SOC、氮磷钾全量和速效养分含量增加的主要原因，而植被对降尘和风蚀细粒物质的截存也有利于土壤物理性质的改善。

2.4 相关分析

相关分析结果表明，封育沙质草地SOC和全N含量的升高与土壤粘粉粒含量的增加呈极显著正相关（P＜0.01），而与砂粒含量的减少呈极显著负相关（P＜0.01）（表5），回归分析进一步表明它们之间紧密的联系（表6）。SOC与全N、全K之间呈极显著正相关（P＜0.01），说明在养分贫瘠的沙质土壤环境中，SOC对保持土壤养分有着极其重要的作用，特别是采取天然＋人工封育措施后，土壤养分处在扩大的循环中。以上结果从另一方面支持了苏永中等［12］、Lal［29］和Lowery等［30］的观点。同时，SOC、全N、全K与植被高度、冠幅、生物量等特征呈极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）正相关；容重、砂粒含量与植被高度、冠幅、生物量等特征间呈极显著负相关（P＜0.01）。研究人员对内蒙古干旱半干旱典型草原植被与土壤特征的研究表明［20］，重度退化草地采用生长季围封恢复措施后群落地上现存量、盖度、密度、根系生物量、地表凋落物现存量及土壤养分含量显著增加，土壤容重、紧实度及＞0.25 mm的粗颗粒含量显著降低，群落结构优化，土壤环境改善。本研究也证明沙质草地采取天然＋人工封育措施后，植被的恢复促使土壤养分含量增加和土壤质量提高，这些反过来又为植被生长提供营养物质，植被与土壤间逐渐形成一个相互作用的良性循环系统，退化草地正向演替。

表5 土壤理化性质与植被特征间的Pearson相关分析Table 5 Pearson correlation coefficients between soil physicochemical properties and plant characteristics

表6 土壤有机碳（SOC）、全N（TN）与土壤粘粉粒（＜0.05 mm）含量（X）的拟合方程Table 6 Regression equations between soil organic carbon，total N and silt＋clay（＜0.05 mm）content（X）

3 结论与讨论

研究结果表明，对沙质草地采取天然封育和人工抚育措施后，植被得以恢复，其高度、密度、冠幅、盖度、生物量都呈增加趋势。一方面植被的覆盖作用和大量枯落物的归还使土壤抗风蚀能力增强，另一方面植被可以截获细粒物质和降尘，表层土壤粒级分布发生了明显变化。流动沙质草地经过19年天然封育和人工抚育后，0～20 cm土层0.05～2 mm的砂粒含量平均减少14.2%；＜0.005 mm的粘粒平均含量增至11.68%，土壤容重平均值降至1.62 g／cm3，土壤总孔隙度平均值增至38.78%。沙质草地的封育也使SOC和氮磷钾养分大量回归，0～20 cm土层SOC、全N、全P和全K分别增加380.0%，238.9%，75.0%和59.6%，向高质量土壤性状演变。封育沙质草地不仅可以有效地恢复植被，而且也能改善土壤养分和减少土壤侵蚀，这也印证了天然封育＋人工抚育是环境脆弱的沙质草地改善土壤质量和降低土壤风蚀的主要措施，其影响和改善程度高于纯天然封育措施。SOC的增加使土地生产力增强，也使荒漠系统具有了较稳定的物质基础。若继续采取这种天然＋人工的封育措施，随着时间的推移，沙漠化的逆转是必然的趋势［31］。

研究结果也表明，封育沙地植被特征和土壤理化性质受坡位影响具有显著差异，而流动沙地各特征值受坡位影响不显著（P＜0.05）；封育沙质草地SOC、氮磷钾全量和速效养分含量沿上坡到下坡呈增加趋势，而流动沙地中没有表现出相同的趋势。根据Wolde等［32］的研究，在5和10年的封育区中土壤有机质、全N和全P均在下坡达到最大值。风蚀沉积过程中，因为上坡比中坡和下坡更险峻、更容易受到风蚀的侵扰，而中坡和下坡是接受上坡风蚀土壤沉积的主要部位，因而土壤养分较上坡高。

对沙质草地进行封育管理是引起植被恢复和土壤理化性质逐渐好转的主要原因，且草地植被与土壤基质之间的相互关系非常密切，退化草地在恢复过程中植被与土壤之间形成一个相互作用、相互影响的统一系统［33－37］。研究结果也表明，SOC、全N、全K与植被高度、冠幅、生物量等特征呈极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）正相关；容重、砂粒含量与植被高度、冠幅、生物量等特征间呈极显著负相关（P＜0.01）；植被的恢复促使土壤养分含量增加和土壤质量提高，这些反过来又为植被生长提供营养物质，植被与土壤间逐渐形成一个相互作用的良性循环系统。有鉴于此，在研究区应坚决实施天然封育＋人工抚育的沙质草地恢复方式，对未禁牧而不适于发展牧业的沙质草地应尽快进行封育管理。

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