盐池县不同沙化草地土壤特性

2013-04-25蒋进平许冬梅

草业科学 2013年11期

李侠，李潮，蒋进平，许冬梅

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021)

沙漠化是当今世界面临的主要环境问题之一，对生态安全、人类生存、经济发展和社会进步都构成了巨大的威胁，我国是受沙漠化影响严重的国家之一[1]。沙漠化主要发生在干旱半干旱地区，由于风蚀作用加以人类不合理的经济活动造成土地退化[2]，表现为原有生态系统被破坏后植被衰退或消失使地表裸露，风蚀作用使土壤沙化的过程[3]。

沙漠化的主要表现形式之一是草地退化，而沙漠化的一个重要指征就是土壤特性的变化[4-5]。随沙漠化程度的加重，土壤理化性质、生物学特性都发生一系列的变化，综合影响地上植被生长、发育和分布。研究表明，随草地沙化的加剧，土壤水分、养分含量降低，土壤生物酶活性均相应的下降[6-12]，进而造成地上植被生物量的减少和结构的简单化、家畜可食牧草的减少和有毒有害草类的增加。因此，土壤理化性质及生物学特性是表征草地沙化的重要指标。此外，土壤养分状况还可以作为度量生态系统功能恢复与维持的关键指标，这主要是因为土壤参与了营养物质循环、凋落物分解、水分平衡调节等生态系统中的许多生态过程[13]。

盐池县天然草原面积5 190.71 km2，占全县土地面积的60%，其中可利用草原面积4 440.7 km2，占全县土地面积的55%[14]。近年来，由于脆弱的地理环境，加之干旱多风的气候为风蚀荒漠化提供了有利条件，而滥垦滥挖、过度放牧等不合理的利用使草地沙化更为严重[15]。草地沙化已经严重影响着人们的生活品质且制约着经济发展。本研究通过对盐池县境内不同沙化程度草地土壤特性的分析，探讨草地沙化过程中土壤理化性质和酶活性的变化，以期为动态变化的草地的安全评价与监测预警提供理论基础。

1 材料与方法

1.1研究区自然概况盐池县地处宁夏回族自治区东部，位于37°04′～38°10′ N，106°30′～107°47′ E，面积8 661.3 km2。地势南高北低，海拔1 295～1 951 m，南部与黄土高原相临，北部与毛乌素沙地相连，是黄土高原向鄂尔多斯台地的过渡地带。气候为从半干旱区向干旱区的过渡，土地利用类型是从农区向牧区的过渡。降水是限制该县土地生产力的主要因素之一，年降水量250～350 mm，主要集中在7、8、9月(约占全年降水的60%)。年平均气温8.1 ℃。年均风速北部2.8 m·s-1，南部4.1 m·s-1，大风(风速大于17 m·s-1)天气较多，且多发生在春季。盐池县地带性土壤为黄绵土、灰钙土及淡灰钙土。黄绵土易遭受水蚀，主要分布在黄土丘陵区；灰钙土含沙量大，易遭受风蚀，主要分布在鄂尔多斯缓坡丘陵区。非地带性土壤主要有风沙土、盐碱土和草甸土等。该县境内土壤质地多为壤土、沙壤土和沙土，结构松散，肥力较低[16-18]。植被以荒漠草原为主，主要植物种类有黑沙蒿(Artemisiaordosica)、猪毛蒿(A.scoparia)、长芒草(Stipabungeana)、短花针茅(S.breviliora)、赖草(Leymussecalinus)、牛枝子(Lespedezapotaninii)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)和猫头刺(Oxytropisaciphylla)等。

1.2材料与方法

1.2.1样地选择与土壤样品采集以盐池县5条主要流沙带为研究对象，在每条流沙带及其毗邻区域，根据地表裸露沙丘面积和植被状况将各流沙带划分为潜在、轻度、中度、严重和极严重5种不同沙化程度草地。对每种沙化程度草地，分别设置60 m×60 m的样地。在每个样地，对草本植物群落分别布设1 m×1 m的样方，对灌木植物群落分别布设10 m×10 m的样方，重复3次。

采用多点混合法采集土壤样品，在每个1 m×1 m的样方内，利用直径为5 cm的土钻，按照三角形采集3个0-20 cm土壤样品，混合均匀后装袋保鲜带回实验室，经风干后挑去土壤中的石块、根茎及侵入体，磨细，分别过2、1和0.15 mm筛，用于土壤性状的测定。

1.2.2土壤理化性质的测定土壤水分测定采用烘干法[19]；土壤有机碳测定采用重铬酸钾法；土壤全氮测定采用凯氏定氮法，土壤碱解氮含量测定采用碱解扩散法；土壤全钾含量测定采用NaOH熔融-火焰光度计法；土壤速效钾含量测定采用NH4OAc浸提-火焰光度计法；土壤全磷含量测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；土壤速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法[20-21]。

1.2.3土壤酶活性的测定蔗糖酶活性采用硫代硫酸钠滴定法(以对照与实验试剂滴定消耗的0.1 mol·L-1Na2S2O3毫升数之差表示)[22]。过氧化氢酶活性采用KMnO4(0.1 mol·L-1)滴定法，以单位土质量消耗的KMnO4体积数(对照与试验测定差值，mL)表示[23]。

1.3数据统计数据通过Excel整理后采用DPS v7.05进行方差分析和相关分析。

2 结果

2.1不同沙化程度草地土壤水分的变化不同沙化程度草地土壤含水量总体较低，最高的潜在沙化草地平均土壤含水量为3.12%，随沙化程度加重，土壤水分含量逐渐下降，可以看出草地在沙化初始阶段土壤水分含量下降幅度较大，轻度沙化草地土壤水分含量较潜在沙化草地下降了1.16个百分点，至极严重沙化草地土壤含水量下降至1.59%(P<0.05)，但是，自潜在沙化草地至严重沙化草地，各沙化程度草地之间土壤含水量差异不显著，自轻度沙化草地至极严重沙化草地，各沙化类型草地之间土壤含水量差异不显著(P>0.05)(图1)。

图1 不同沙化程度草地土壤水分的变化Fig.1 Soil moisture of different types of desertification grassland

2.2不同沙化程度草地土壤养分含量的变化不同沙化程度草地各土壤养分含量总体随沙化程度的加重而降低(表1)。其中有机碳含量为潜在沙化草地>中度沙化草地>极严重沙化草地>轻度沙化草地>严重沙化草地。全氮、碱解氮、全磷、速效磷、速效钾含量均自潜在沙化草地至极严重沙化草地逐渐降低。对于土壤全氮和碱解氮含量，潜在沙化草地显著高于其它沙化程度草地，极严重沙化草地显著低于除严重退化草地外的其它沙化程度草地(P<0.05),而轻度沙化草地、中度沙化草地、严重沙化草地之间差异不显著(P>0.05)。土壤全磷含量在0.24～0.40 g·kg-1，潜在沙化草地、轻度沙化草地与中度沙化草地之间差异不显著(P>0.05)，轻度沙化草地、中度沙化草地与严重沙化草地之间差异不显著(P>0.05)，严重沙化草地与极严重沙化草地之间差异不显著(P>0.05)。速效磷含量表现为潜在沙化草地与轻度沙化草地之间差异不显著(P>0.05)，中度沙化草地、严重沙化草地和极严重沙化草地之间差异不显著(P>0.05)。速效钾含量在76.04～200.96 mg·kg-1，自潜在沙化草地至中度沙化草地，各草地之间差异不显著(P>0.05)，中度沙化草地与严重沙化草地之间、严重沙化草地与极严重沙化草地之间差异不显著(P>0.05)。

表1 不同沙化程度草地土壤养分含量Table 1 Soil nutrient contents of different desertification grasslands

2.3不同沙化程度草地土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性的变化土壤蔗糖酶随着草地沙化程度的加剧而降低，且变化幅度较大，从潜在沙化草地的0.18 mL·g-1·d-1Na2S2O3下降至极严重沙化草地的0.01 mL·g-1·d-1Na2S2O3。其中潜在沙化草地蔗糖酶活性显著高于其它沙化程度草地(P<0.05)，而轻度与中度沙化草地之间、严重与极严重沙化草地之间蔗糖酶活性差异不显著(P>0.05)(图2A)。

过氧化氢酶活性表现为潜在沙化草地>中度沙化草地>轻度沙化草地>严重沙化草地>极严重沙化草地。其中，自潜在沙化草地至严重沙化草地，各类型草地之间差异不显著(P>0.05)，极严重沙化草地土壤过氧化氢酶活性显著低于潜在、轻度和中度沙化草地(P<0.05)(图2B)。

2.4草地土壤酶活性与土壤养分的相关除过氧化氢酶活性与有机碳含量相关不显著(P>0.05)外，土壤酶蔗糖酶及过氧化氢酶活性与各土壤养分之间均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)相关(表2)。说明土壤酶活性与土壤肥力关系密切，在草地沙化演变过程中，土壤酶活性与其它土壤养分变化一致。

图2 不同沙化程度草地土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性Fig.2 Soil catalase and invertase activity of different types of desertification

表2 土壤酶活性与土壤养分的相关系数Table 2 Correlation coefficient of soil enzyme activity and soil nutrients

3 讨论与结论

随草地沙化程度的加剧，土壤水分含量呈递减趋势，潜在沙化草地与轻度、中度、严重、极严重沙化草地的水分含量差异显著，但轻度、中度、严重、极严重沙化草地之间差异不显著。说明在草地由潜在沙化开始退化时，有一个明显的水分失衡过程，而后的水分流失不单单是对沙化程度的响应，可能还与超载过牧、植被结构等有关[24]。土壤水分是气候土地因素等自然条件的反映，是影响草地沙化的重要因子，对草地生态系统的水热平衡起决定作用[25-26]。因此，土壤水分是研究草地沙化的一个重要因素。

随草地沙化程度的加剧，土壤各养分含量总体呈下降趋势，但各养分对沙化程度的响应不同，其中土壤全氮、碱解氮、速效钾含量随草地沙化程度加剧差异显著，对土壤变化敏感，能较好地反映草地的沙化程度，可以作为草地沙化的监测指标。土壤有机碳含量则表现为潜在>中度>极严重>轻度>严重，存在不确定影响因素，在反映土壤沙化程度方面还有待于更进一步研究。土壤养分状况是度量生态系统生态功能维持的关键指标之一[27]。赵哈林等[9]和苏永中等[28]对农田沙漠化演变中土壤性状特征及其空间变异性进行分析，得到沙漠化导致土壤理化性状的严重恶化，其过程是土壤性状逐渐恶化的过程。宋炳奎[29]在沙漠化对土壤肥力的影响的研究中认为，沙化程度越高，土壤中营养物质的含量越低，与本研究结果一致。

土壤酶是土壤的重要组成成分，是土壤有机体的代谢动力，在土壤生态系统的物质循环和能量流动中扮演着重要的角色[30]。土壤酶主要来源于土壤微生物、土壤植物和动物，而土壤沙化首先威胁土壤生物的生存和繁衍。本研究中随沙化程度的加剧，蔗糖酶与过氧化氢酶活性均呈下降趋势，且下降趋势各不同，其中蔗糖酶含量随沙化加剧下降明显，而过氧化氢酶含量表现为潜在>中度>轻度>严重>极严重。除过氧化氢酶与有机碳相关不显著外，两种酶与其它养分含量均显著相关，表明土壤酶能较好地反映土壤肥力。土壤酶作为土壤质量的生物活性指标，可以作为草地沙化的监测指标。

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