荒漠草原人工柠条林对土壤质地演进过程的影响

宋乃平，吴旭东，潘军，曲文杰，周娟，安超平

（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／西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川750021）

荒漠草原人工柠条林对土壤质地演进过程的影响

宋乃平＊，吴旭东，潘军，曲文杰，周娟，安超平

（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／西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川750021）

为了研究荒漠草原区人工柠条（Caragana intermedia）林建植后土壤质地演进过程，构建了10a、17a、27a的林龄序列和柠条灌丛内部、边缘、外部的空间序列，分析了2个序列土壤颗粒组成、黏粉粒富集程度、分形维数以及与其密切相关的土壤有机碳和全氮含量．结果表明：1）土壤质地随着人工柠条林建植年限的增加从灌丛内部、边缘到外部均逐渐得到改善，表现为土层在垂直方向上的“自上而下＂和水平方向上以灌丛为中心的“由内到外＂的渐进改善过程．柠条灌丛内部的土壤分形维数比外部平均增加0．189±0．401．2）柠条灌丛发育显著增强了退化草原中土壤有机碳和全氮的空间异质性，灌丛内部土壤有机碳和全氮含量比外部分别增加（0．087± 0．100）%和（0．008±0．010）%，显示出柠条的“肥岛效应＂．土壤有机碳和全氮含量与土壤黏粉粒含量呈极显著正相关（P＜0．01）．3）人工柠条林建植对荒漠草原区土壤质地和碳氮资源具有非常明显的协同演进作用．说明柠条林建植对于改善荒漠草原地区的土壤质地及土壤有机碳和全氮含量具有显著作用，但当进入老龄林阶段后土壤质地改善缓慢．

人工柠条林；土壤质地；土壤颗粒；分形维数；荒漠草原；宁夏盐池县

Journal of Zhejiang University（Agric．＆Life Sci．），2015，41（6）：703－711

SummaryPlanting Caragana has achieved remarkable success in the recovery of desertification land in desert steppe because of its excellent biological characteristics，such as tolerance of sand burying，drought－resistance，and so on．Thus，its sustainability of ecological restoration becomes one of the key topics of concern．Restoration of soil habitat is the foundation for ecosystem being fully restored，and soil texture is the core indicator to evaluate soil properties．In this study，soil texture evolution process and effects after planting C．intermedia stand were investigated to understand its role in desert steppe ecosystem．

Series of different stand ages（10a，17a，27a）and space sequences（from the inside via the edge to theoutside of shrubs）were designed to analyze the spatiotemporal rules of soil particle composition，increment in silt and clay，volume fractal dimension of soil particles，as well as the contents of soil organic carbon（SOC）and soil total nitrogen（STN）．

The results showed that：1）The percentages of fine sand（ranging from 0．05mm to 0．1mm）were higher than those of silt and clay，coarse sand and gravel sand in the soil particle composition．With the increase ofC．intermediastand ages，soil texture was improved gradually according with vertical orientation of soil depth from top to bottom and horizontal direction from the inside to the outside of shrubs．The volume fractal dimension of soil particles inside shrubs increased by 0．189±0．401on average compared to the outside．2）Spatial heterogeneity of SOC and STN in the surface soil layer changed significantly with the increase ofC．intermediastand ages．SOC and STN inside shrubs increased by（0．087±0．100）%and（0．008±0．010）%respectively in comparison to those outside shrubs，which indicated the fertility island effect byC．intermedia．The contents of SOC and STN were significantly and positively correlated with the content of silt and clay（P＜0．01）．3）Caraganaintermediaplantation exerted a distinct co－succession influence on the content of silt and clay and the resource of carbon and nitrogen in desert steppe．

In conclusion，soil texture and soil fertility states are significantly improved after the construction ofCaraganaplantation．However，soil texture is improved more slowly when plantation aged．

人工灌丛已经成为全球干旱、半干旱地区退化草原防风治沙普遍建植的植被恢复类型［1－2］．锦鸡儿属（Caragana）植物的多个柠条栽培种，因其较强的耐沙埋、耐旱等生物学特性，在我国荒漠草原极度沙化土地恢复中取得了显著成效［3］．土壤生境的恢复是生态系统全面恢复的根本，因此，需要深入揭示柠条灌丛恢复对土壤物理、土壤动物和微生物等的影响规律和土壤间的相互关系及作用．已有学者对植被在沙漠化及其逆转过程中的土壤效应开展了研究，发现了植被演替与土壤性质协同进化的长期规律［4］和微观机制［5］，以及草地植被恢复对沙质土壤理化特性的演变规律及机制［6－7］．对荒漠草原区人工柠条林建植引起的土壤有机质、氮、磷等养分的积累效应进行了研究，发现了柠条林龄与土壤养分之间的关系以及柠条林引起的养分元素的不平衡性［8－9］．但是土壤质地在土壤恢复中具有决定性作用［10］，需要对柠条林与土壤质地演进过程和机制开展深入研究．本文从时空2个方面研究了柠条灌丛对土壤的恢复效果，旨在回答人工柠条林在冠幅尺度上恢复土壤质地从而形成“沃岛＂的过程和强度，及其对植被分布格局和土壤空间异质性的影响．

1 研究区域与研究方法

1．1 研究区域概况

研究区位于宁夏盐池县城东北8km的皖记沟村，地貌为鄂尔多斯缓坡起伏台地，中生代砂岩上覆盖10多米到数十米的较粗风积和残积母质．气候干旱少雨、蒸发量大、冬春2季风大沙多，1954—2013年年平均气温8．2℃，年平均降水量290．1mm，无霜期160d．地带性植被属荒漠草原，旱生、沙生特征明显．天然植被的主要植物种有本氏针茅（Stipa bungeana）、牛枝子（Lespedezapotaninii）、蒙古冰草（Agropyronmongolicum）、赖草（Leymussecalinus）、糙隐子草（Cleistogenessquarrosa）、甘草（Glycyrrhiza uralensis）、苦豆子（Sophoraalopecuroides）、白草（Pennisetumcentrasiaticum）、中华小苦荬（Ixeridium chinense）、刺叶柄棘豆（Oxytropisaciphylla）、老瓜头（Cynanchumkomarovii）、乳浆大戟（Euphorbiaesula）等．人工植被的主要植物种有中间锦鸡儿（Caragana intermedia）、柠条锦鸡儿（Caraganakorshinskii）、沙柳（Salixcheilophila）、花棒（Hedysarumscoparium）、紫花苜蓿（Medicagosativa）等．土壤以有机质含量低、易沙化的淡灰钙土和风沙土为主．由于沙漠化面积不断扩大，20世纪70年代开始种植柠条，目前柠条林面积已占研究区总土地面积的26．81%，不但对遏制沙漠化发挥了关键作用，也成为羊只冬春季的主要饲料来源．

1．2 研究方法

2013年10 月初，在皖记沟村缓坡地形和风沙土的1km×1．5km范围内，选择种植10a（2003年种植）、17a（1996年种植）、27a（1986年种植）的带状中间锦鸡儿（Caragana intermedia）人工林，对其 进行调查，植被特征见表1．

表1 人工柠条林样地的植被特征Table 1 Vegetation characteristics of artificial C．intermedia stand sampling plots

在3种林龄的人工柠条林中各选择30m×30 m的样地3个，在其中随机选择3丛柠条，分别在灌丛根系中心、灌丛边缘和柠条行中间，按5点取样法用土钻取0～10、10～20、20～40cm土壤混合样．过0．25mm筛的风干土样品用重铬酸钾氧化－外加热法［11］测定土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量；利用凯氏定氮仪测定土壤全氮（soil total nitrogen，STN）含量［11］；利用超声30s和激光粒度仪Mastersizer 2000测量土壤粒径的体积百分比．粒径分级定为粗砂粒1～2mm、中砂粒0．5～1mm和0．25～0．5mm、细砂粒0．1～0．25mm和0．1～0．05mm、黏粉粒＜0．05mm．

土壤粒径分形维数以激光粒度分析仪所获得的粒径体积数据为基础，采用体积分形维数计算：式中：V为粒径小于R的全部土壤颗粒的体积；r为土壤粒径；R为各粒径的分级区间值；VT为土壤颗粒总体积；λV在数值上等于最大粒径数RL，而RL为其中最大粒径分级区间值；D为土壤颗粒的体积分形维数．

具体步骤如下：1）求得每一分级区间代表性粒径的算术平均值；2）根据分级区间，算出小于等于各区间代表粒径的累积体积，然后对V（r＜R）／VT和R／λV分别求对数；3）以lg（V／VT）和lg（R／λV）为纵、横坐标拟合直线斜率，该直线斜率即等于公式（1）中的3－D，从而求出分形维数D值．

采用SAS 8．0软件进行数据统计分析，采用单因素方差分析（one way ANOVA）和最小显著差异法（least－significant difference，LSD）分析各样地土壤分形维数、各粒径含量、黏粉粒富集率和碳、氮含量的差异显著性（α＝0．01）．

2 结果与分析

2．1 土壤颗粒组成随柠条林龄变化特征

由表2可以看出，研究区土壤颗粒组成以细砂粒（0．05～0．25mm）为主，含量在42．62%～95．74%之间，平均为69．60%．灌丛内部、边缘、外部均随人工柠条林建植年限的增大，黏粉粒（＜0．05mm）和细砂粒（0．05～0．25mm）含量逐渐增大，增幅分别为（3．29±

3．11）%和（28．48±8．16）%；中砂粒（0．25～1mm）和粗砂粒（1～2mm）含量逐渐减少，减幅分别为（28．34±4．53）%和（3．43±4．47）%．具体表现为表层（0～10cm）土壤黏粉粒含量随人工柠条林建植年限的增加而极显著增加（P＜0．01）；10～20cm土层，在灌丛内部，土壤黏粉粒随建植年限的增加表现为极显著增加（P＜0．01），其他部位均表现为由10a柠条林到17a柠条林增加再到27a柠条林减少的态势；20～40cm土层，在灌丛边缘，土壤黏粉粒随建植年限的增加表现为极显著增加（P＜0．01），其他部位均表现为由10a柠条林到17a柠条林增加再到27a柠条林减少的态势．说明在风沙土区，随着人工柠条林建植年限的增加，土壤黏粉粒含量在土层垂直方向上表现为“自上而下＂的改善过程，在以灌丛为中心的水平方向上表现为“由内到外＂的渐次改善过程．土壤细砂粒含量在不同林龄各土层间均表现为统计学上的极显著差异（P＜0．01），且在灌丛内部和边缘随柠条林龄增加而极显著增加．而在灌丛外部，细砂粒含量由10a柠条林到17a柠条林呈不显著减少的态势，以及由17a柠条林到27a柠条林的显著增加态势．同时，在灌丛不同部位各土层土壤中砂粒（0．25～1mm）含量均随柠条林龄增加而极显著减少（P＜0．01），说明在柠条林营建之前，土壤沙化严重，随着人工柠条林建植时间的增加，固沙效应逐渐增加，促进了土壤演 变过程．

表2 灌丛斑块不同部位的土壤粒径分布Table 2 Soil particle size distribution for shrubs of different sampling locations

2．2 人工柠条林建植对土壤颗粒富集程度的影响

由表3可以看出，人工柠条林对土壤的改善效应在灌丛内部显著高于灌丛外部．随着柠条林龄增加，灌丛内部各土层黏粉粒组分相对于边缘及外部的富集在统计学上表现出极显著差异（P＜0．01）．随着柠条灌丛斑块的发育，灌丛内部相对于边缘的富集程度在0～40cm土层表现为自上而下的渐进变化过程，即建植10a柠条林灌丛在10～40cm土层的黏粉粒富集程度高于0～10cm，且随土层加深增长趋势越明显；建植17a柠条林灌丛在0～10cm土层的黏粉粒富集程度高于10～20cm土层；建植27a柠条林灌丛在0～20cm土层的黏粉粒富集程度高于20～40cm土层．灌丛内部相对于外部黏粉粒富集程度在0～10cm土层表现为由10a柠条林到17a柠条林增加再到27a柠条林减少的态势，这表明黏粉粒富集区域与柠条建植年限有关，导致了土壤空间异质性不断增强．由于7～14a的柠条中龄林阶段是冠幅增长速度最快的阶段，也是根系生长最活跃的阶段［12］，柠条林凋落物与根系的共同作用，对土壤黏粉粒的富集作用活跃．

表3 灌丛斑块内部相对于边缘和外部黏粉粒的富集程度Table 3 Increments in silt and clay of in－shrub relative to edge－and out－shrubs

2．3 柠条林生长过程中土壤颗粒分形维数的时空变异特征

表4是按照公式（1）计算的不同林龄柠条林的不同部位及各土层土壤的分形维数．研究区土壤颗粒分形维数在1．08～2．28之间，说明土壤沙化严重．随柠条林龄增加土壤分形维数呈现由10a到17a增加再到27a减少的态势，这与黏粉粒含量随灌丛发育过程变化趋势一致．黏粉粒含量越高，砂粒含量越低，土壤颗粒体积分形维数越大，土壤结构越稳定．土壤颗粒分形维数在柠条林不同部位的差异随林龄而有不同表现．3个林龄柠条灌丛内部的土壤分形维数比外部平均增加0．189±0．401．就10a柠条林而言，其分形维数呈现为明显的灌丛内部＞边缘＞外部的规律，而17a和27a柠条林的灌丛内部、边缘、外部土壤分形维数没有明显差异．说明柠条林发育到老龄林阶段（＞14a）使土壤质地空间异质性减少．黏粉粒含量及分形维数随土层变化趋势相同，即随土层加深，分形维数逐渐减小．林龄越大，各层土壤的分形维数差异越大．说明柠条林土壤分形维数在垂直方向上的差异大于水平方向．

表4 灌丛斑块内部、边缘与外部的土壤颗粒分形维数Table 4 Soil particle fractal dimension of in－，edge－and out－shrubs

2．4 灌丛斑块内部、边缘与外部SOC的空间分布

由表5可以看出，各林龄柠条林表层SOC空间分布的共同特征是从灌丛内部到边缘再到外部的水平方向均呈现显著下降趋势（P＜0．05），其他土层变化不明显．从0～10cm土层到10～20cm再到20～40cm的垂直方向，10a柠条林的SOC含量在灌丛斑块内部、边缘与外部3个位置均呈极显著下降趋势（P＜0．01），其他年限也表现为表层SOC在各个部位均大于次表层和底层．3个林龄柠条灌丛内部SOC比外部增加（0．087±0．100）%．这表明柠条灌丛斑块在发育过程中均显著增强了退化草原中SOC的空间异质性，显示了柠条的“肥岛效应＂，即随着柠条林龄增加，其改善灌丛周围土壤的作用越来越大．

表5 灌丛斑块内部、边缘与外部的SOC质量分数Table 5 Soil organic carbon（SOC）contents of in－，edge－and out－shrubs w／%

2．5 灌丛斑块内部、边缘与外部STN的空间分布

由表6可以看出：10a人工柠条林灌丛各部位在0～10cm土层的STN含量表现为内部小于边缘和外部，越向下层差异越不显著；而17a和27a柠条林灌丛在0～40cm土层的STN表现为内部明显大于边缘和外部，且达到统计学上的显著差异．3个林龄柠条灌丛内部STN比外部增加（0．008± 0．010）%．在垂直方向上，从0～10、10～20cm到20～40cm土层，STN含量均呈现极显著下降趋势（P＜0．01）．这与柠条的固氮作用和发育时间有关，而且柠条的存在显著增强了沙化草地中STN的空间异质性．STN在灌丛内外和土层深度之间的这种极显著差异，说明其是柠条灌丛发育的一个敏感性指标．

表6 灌丛斑块内部、边缘与外部的STN质量分数Table 6 Soil total nitrogen（STN）contents of in－，edge－and out－shrubs w／%

2．6 灌丛各部位土壤颗粒组成与相关因子间的分析

土壤颗粒组成同土壤养分间的相关性分析结果（表7）显示：黏粉粒含量越大，土壤颗粒分形维数D值越大，SOC及STN含量越高，＜0．05mm粒级颗粒组分含量均与D值、SOC和STN呈极显著正相关（P＜0．01）；＜0．1mm粒级颗粒组分含量均与SOC和STN呈极显著正相关（P＜0．01），说明＜0．1mm粒级能显著改善土壤结构和提高土壤养分．相反，0．1～0．25mm粒级组分含量与D值呈极显著负相关（P＜0．01），说明土壤颗粒越粗，D值越小，土壤结构越差；0．25～0．5mm粒级组分含量与SOC及STN含量呈显著负相关（P＜0．05），这一颗粒组分随着柠条林龄增加逐渐减小，土壤养分逐渐提高．另外，SOC与STN含量间呈极显著正相关（P＜0．01）．相关分析结果表明，＜0．1mm粒级颗粒组分含量、土壤颗粒分形维数D值、SOC及STN间均呈极显著正相关（P＜0．01），这些指标可以作为表征土壤质地结构、土壤沙化程度、土壤肥力及柠条固沙效应的指示器．

表7 土壤颗粒组成与各因子间的相关性分析Table 7 Correlation analysis between soil particle size distribution and different factors

3 讨论与结论

在荒漠草原风沙土区，建植人工柠条林对沙化土地生态系统的改善与固沙效应尚存在争议，体现在建植年限与固沙效应的可持续性方面［13］．在人为过度利用的退化草原中，灌丛在发育过程中形成不同大小的灌丛斑块［14－16］，它们通过对土壤碳、氮资源的吸收和沉积［17－22］，将其集中于冠幅内土壤中，从而引起土壤碳、氮资源的空间异质性［23］．本研究发现，在荒漠草原人工柠条林建植后，土壤质地在灌丛个体尺度上改善明显，表现为在土层垂直方向及灌丛部位水平方向上柠条灌丛斑块小尺度上的土壤颗粒组成的显著差异．这与熊小刚等［13］和贾晓红等［23］的研究结论一致．但是沙化之后的土壤恢复速度较慢，反映在土壤颗粒组成的分形维数整体偏低（1．08～2．28）．土壤的低分形维数反映出地上植被生物量往往也较低［7］．土壤分形维数由10a柠条林到17a柠条林增加再到27a柠条林减少的态势正好与柠条林及其间的草本植物生物量一致［24］．植物的根系和凋落物对土壤质地都有着非常重要的影响．已有研究表明，在距根系中心150cm范围内，10a柠条根系集中在40～150cm之间，17a柠条根系集中在40～140cm之间，27a柠条的细根集中分布在30～70cm深处［25］．在0～40cm土壤中主要为草本植物根系．调查发现，17a柠条的聚生丛发育最好，10a和17a柠条林行间草本生物量较高，而27a柠条林的聚生丛和行间草本植物均出现衰退．这可能是土壤质地演进在17a到27a之间不显著的原因．与土壤质地不同的是，碳氮含量从17a到27a继续增加．很多研究表明，土壤黏粒含量与土壤碳氮含量之间呈显著正相关［13，23］．本研究也验证了这一结论．柠条灌丛的SOC和STN含量也存在空间异质性，并且这种异质性随着灌丛斑块自身扩展和建植年限增大而趋于增强，“肥岛效应＂明显．随着人工柠条林建植年限的增加，土壤碳氮资源富集程度均呈现显著的增强趋势（P＜0．01）．说明柠条发育时间与其冠层下土壤质地、碳氮资源空间异质性增强之间存在着正反馈作用［17］，表现出明显的累积性．特别是表层土壤空间异质性的增强与草本植物的根系分解和灌丛自身凋落物的生产以及对凋落物的截留有关［26］．由上述研究可得出以下结论：

1）土壤颗粒组成、黏粉粒富集程度和土壤分形维数等指标的时空变化均表明，土壤质地随着人工柠条林建植年限的增加表现为土层在垂直方向上的“自上而下＂和水平方向上的“由内而外＂及时间上的渐进改善过程．柠条灌丛内部的土壤分形维数比外部平均增加0．189±0．401．但当进入老龄林阶段后土壤质地改善缓慢．

2）柠条灌丛发育显著增强了退化草原中SOC和STN的空间异质性，灌丛内部SOC和STN含量比外部分别增加（0．087±0．100）%和（0．008± 0．010）%，充分显示了柠条的“肥岛效应＂；SOC和STN含量与土壤黏粉粒含量呈极显著正相关（P＜0．01）；与黏粉粒含量不同，SOC和STN含量在27a柠条林继续增加，显示了养分元素在柠条和草本植物根系与凋落物作用下的累积作用．

3）人工柠条林建植对荒漠草原区土壤质地和碳氮资源协同演进具有非常明显的作用．＜0．1mm粒级土壤颗粒组分含量、分形维数D值、SOC和STN间均呈极显著正相关（P＜0．01），这些指标可以作为表征土壤质地、土壤肥力及柠条固沙效应的指示器．

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Impacts of artificial Caragana intermediastand on soil texture evolution in desert steppe．

Song Naiping＊，Wu Xudong，Pan Jun，Qu Wenjie，Zhou Juan，An Chaoping
（Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China／Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in North－western China of Ministry of Education，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

artificialCaraganaintermediastand；soil texture；soil particle；fractal dimension；desert steppe；Yanchi County in Ningxia Hui Autonomous Region

S 152

A

10．3785／j．issn．1008－9209．2015．05．291

国家自然科学基金（41461046）；国家重点基础研究发展计划前期专项（2012CB723206）；宁夏大学211项目．

宋乃平（http：／／orcid．org／0000－0003－0444－498X），Tel：＋86－951－2062838，E－mail：songnp＠163．com

2015－05－29；接受日期（Accepted）：2015－09－06；< class="emphasis_bold">网络出版日期

日期（Published online）：2015－11－18

URL：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／33．1247．s．20151118．1809．014．html