甘草种植对西北风蚀区农田土壤养分及风蚀的影响

李　昂,吴应珍,陈　伟,孙海丽,张　鸣,陈映全,闫立本

(1.兰州城市学院化学与环境科学学院，甘肃 兰州　730070；2.甘肃农业大学人文学院，甘肃 兰州　730070；3.甘肃酒泉科技示范农场，甘肃 酒泉　735000)



甘草种植对西北风蚀区农田土壤养分及风蚀的影响

李昂1①,吴应珍2②,陈伟1,孙海丽1,张鸣1,陈映全1,闫立本3

(1.兰州城市学院化学与环境科学学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学人文学院，甘肃 兰州730070；3.甘肃酒泉科技示范农场，甘肃 酒泉735000)

摘要：为了探讨甘草(Glycyrrhiza uralensis)植被对农田土壤风蚀和土壤养分的影响及植被覆盖措施减少土壤养分损失的机理，以甘草植被及其下部土壤为研究对象，对甘草植被的特征指标及其下部0～5 cm土层的风蚀和土壤养分含量进行分析。结果表明，随甘草生长年限的增加，甘草植被的覆盖度、高度、地上生物量和下部表土层的有机碳，速效N、P、K含量呈显著升高趋势，而表土层风蚀量及容重却呈下降趋势(P<0.05)；相关分析显示，甘草植被的特征指标与土壤养分间均呈显著正相关关系(P<0.05)，其中土壤养分与植被覆盖度间相关系数最大，其后依次为植被高度和地上生物量；回归分析显示，甘草植被的覆盖度每提高1%，可使农田表土的有机碳，速效N、P、K含量分别提高0.038 g·kg(-1)、0.052 mg·kg(-1)、0.113 mg·kg(-1)和0.971 mg·kg(-1)。风蚀区农田若采取植被覆盖措施一方面可降低表层土壤的风蚀，从而减少土壤养分的流失，另一方面可增加枯枝落叶进入土壤的几率，从而提高土壤养分的输入；通过两方面共同作用最终可使植被覆盖农田的养分流失变小。

关键词：植被覆盖；土壤养分；风蚀；甘草

干旱、半干旱地区风蚀是自然因素(如降雨、风力状况、土壤的可蚀性和植被盖度等)和人为因素(如过度放牧、过度垦殖和过度樵采等)相互作用的结果[1]。风蚀不仅破坏地表,而且还造成地表颗粒物和土壤养分的流失。当其中一些细小颗粒在空气中漂浮时,还会危害人体健康，影响交通安全，干扰电力供应[2]。我国西北风蚀区由于干旱少雨，植被稀疏,加之冬、春季又多风,致使浮尘、扬沙等灾害频繁发生[3]。近期农业部发布的研究报告也显示,北方风蚀区农田是我国沙尘暴的主要来源[4]。鉴于此,农田风蚀的防治就成了农业和环保工作者关注的热点,植被覆盖作为防治风蚀措施中一种有效、经济的方法而受到重视并被加以研究。如秦红灵等[5]研究表明,与传统翻耕地相比,麦田留茬免耕不仅可降低农田风蚀,而且还能提高表层土壤的有机质、全氮、有效磷和有效钾含量。王学芳等[3]研究表明,与春播农田相比,种植冬油菜不仅可提高农田的抗风蚀能力,而且还能降低土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾流失量。苏永中等[6]研究发现,旱作农田风蚀使表土粗化,当表土中粒径<0.05 mm黏粉粒被风吹蚀1%时,将会使土壤有机质和全氮含量降低0.259和0.016 g·kg-1。YAN等[7]研究显示,风蚀影响土壤质地和所含养分,植被覆盖在阻止土壤风蚀和减少土壤细颗粒与养分损失方面影响显著;若要降低土壤细颗粒和养分损失,植被覆盖度至少要保持在35%以上。赵彩霞等[8]研究发现,耕地风蚀量与植被覆盖度间呈“反相位”的动态变化,即农田作物覆盖度增加时,土壤风蚀量呈下降趋势;秋末作物收获及翻耕土壤后,耕地风蚀量急剧增加;冬季地表冻结及风速较小,风蚀又相对较弱;到春季,在地表解冻及风速提高的影响下,耕地风蚀又显著增加,4月达到最大;待到作物长出地表、覆盖度增加后,地表风蚀又呈降低趋势。从以上相关研究可以看出,尽管前人在植被覆盖措施防治土壤风蚀方面已做了大量工作,但有关植被性状特征与土壤表层养分间的定量关系以及植被的性状对土壤养分的影响等方面却鲜有文献报道。

甘草(Glycyrrhizauralensis)为豆科多年生草本或亚灌木,主要分布于荒漠与半荒漠地区,广泛用于食品、日用化工、医药和畜牧养殖等行业,是需求量较大的中药材之一。由于乱挖滥采,致使野生甘草资源急剧减少,人工栽培甘草的需求不断提高[9]。笔者以甘草植被及其下部土壤为研究对象,通过比较不同生长年限甘草植被的覆盖度、高度、地上生物量及下部农田土壤的风蚀量、养分含量间的差异,揭示植被覆盖对土壤表层风蚀及养分的影响以及土壤养分与甘草植被间的相互关系,旨在为西北风蚀区采取生物措施改善农田土壤提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

研究地点设在甘肃酒泉地区的酒泉科技示范农场(39°33′12″ N,99°03′06″ E),位于河西走廊西部、祁连山北麓,紧邻巴丹吉林沙漠,海拔1 450 m。该区属温带干旱气候区,年均气温8.2 ℃,年均降水量83 mm,且多集中于7—8月,年均蒸发量2 511 mm,干旱指数>1,年均大风时间17 d,其中年均沙尘暴时间14.7 d,最大风速达21 m·s-1,土壤类型为棕漠土和风沙土,是典型的绿洲农业区[10]。

1.2试验设计及测定

由于西北风蚀区大多属于一年一熟区,农作物每年3月种植,9月或10月初收获,农田有近7个月处于裸露状态;加之地表干燥疏松,此时又多风,致使耕地风蚀非常严重。鉴于试验区的风蚀特征,于2012年8月下旬,在该农场甘草种植区应用空间代替时间的研究方法[11],按时间序列选择未耕种地块(CK,前茬作物为春小麦,收割后翻耕、灭茬并整平休闲)，种植甘草品种为乌拉尔甘草(Glycyrrhizauralensis)且生长期分别为1、2、3、4 a地块各1块(样地1～4),共计5块样地(每块样地面积约2 000 m2)。月末在每块样地中随机放置装满该样地土壤的4个风蚀盘,每隔1个月测定1次风蚀盘质量,以此来计算每块样地的土壤风蚀量[12]。2012年9月30日和2013年4月30日在每个样地中随机设置4个大小为1 m×1 m的样方,并采用常规方法测定样方内甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量[13-14];地上部分测试完成后采集0～5 cm表层土样,用于测定土壤容重和养分。土壤容重采用环刀法测定,有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定,速效氮含量采用碱解扩散法测定,速效磷含量采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定[15]。

1.3数据处理

试验所得数据采用SPSS 15.0统计软件进行处理,即各指标分别进行单因素方差分析,若差异显著，再用S-N-K方法进行不同水平间的多重比较;试验中涉及的多个因素相关分析采用Pearson法,其显著性检验采用双尾检测方法;图表采用Excel 2003软件制作[11]。

2结果与分析

2.1不同生长年限甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量差异

由图1中 2012年9月测定结果显示,甘草生长1～4 a样地覆盖度分别为18.8%、29.8%、68.3%、84.0%。随生长年限的增加,甘草植被覆盖度呈升高趋势,多重比较显示年际间差异显著(P<0.05);2013年4月测定结果同样显示,甘草生长2～4 a样地覆盖度分别比1 a样地提高88.3%、472.7%和556.4%,表现出明显升高趋势(P<0.05)。甘草生长2～4 a的植被高度分别比生长1 a的提高约1.1、3.6和3.9倍,甘草植被高度也随生长年限的延长呈显著增加趋势(P<0.05);翌年4月第2次测定结果也同样呈类似趋势。9月测定结果显示,甘草生长4 a样地地上生物量最大、达614.3 g·kg-1,而甘草生长3、2和1 a样地地上生物量分别比4 a样地降低19.7%、65.3%和80.1%,即随着甘草生长年限的减少,甘草植被地上生物量表现出显著降低趋势(P<0.05);2013年4月测定结果也呈相同趋势。综上,随生长年限的增加,甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量呈升高趋势,年际间差异显著(P<0.05)。

CK为裸地，1～4为甘草生长1～4 a样地。就同一幅图同一采样时间而言，直方柱上方英文小写字母不同表示各样地间某指标差异显著(P<0.05)。

2.2不同生长年限甘草植被下方0～5 cm土层的土壤容重及风蚀量差异

就土壤容重(图2)而言,9月测定结果显示裸地表层土壤容重最大，达1.44 g·cm-3,而种植甘草样地土壤容重均小于裸地,甘草生长1～4 a样地土壤容重分别比裸地降低0.7%、3.5%、9.7%和19.4%,甘草地容重随着甘草生长年限的延长呈明显降低趋势(P<0.05);翌年4月测定结果显示类似趋势。就整个风蚀季节(9月至翌年5月)土壤风蚀量而言,裸地表层风蚀最严重,地表细颗粒物损失达21.15 kg·m-2,甘草生长1～4 a样地风蚀量分别比裸地减少10.8%、36.6%、74.5%和77.8%,即甘草地风蚀量随甘草生长年限的延长呈明显减少趋势(P<0.05)。综上,随着甘草生长年限的增加,甘草植被下方农田表层土壤容重和风蚀量呈减小趋势,且不同年际间差异显著(P<0.05)。

CK为裸地，1～4为甘草生长1～4 a样地。就同一幅图同一采样时间而言，

2.3不同生长年限甘草植被下方0～5 cm土层有机碳、N、P和K含量差异

图3中9月测定结果显示,裸地土壤w(有机碳)最低，仅为2.4 g·kg-1,而甘草生长1～4 a样地w(有机碳)分别为3.49、4.1、5.11和5.98 g·kg-1,分别比裸地提高45.6%、71%、113.2%和149.4%,甘草地表层土壤有机碳含量随着甘草生长年限的增加呈显著升高趋势(P<0.05);2013年4月测定结果呈类似趋势。甘草地表土速效N含量均比裸地高,9月和翌年4月测定结果显示，甘草生长1～4 a样地w(速效N)分别比裸地提高12.8%、25.9%、37.9%、45.1%和17.6%、36.8%、46.8%、60.1%,即随着生长年限的延长,甘草地表层土壤速效N含量呈显著升高趋势(P<0.05)。对于甘草地中速效P、K含量而言,其变化趋势与有机碳和速效N类似,也表现为甘草地中速效P、K含量均比裸地高,并随着甘草生长年限的增加而升高,年际间差异显著(P<0.05)。综上,随着甘草生长年限的增加,甘草植被下方农田表层土壤的有机碳，速效N、P、K含量呈增加趋势,不同年际间差异显著(P<0.05)。

CK为裸地，1～4为甘草生长1～4 a样地。就同一幅图同一采样时间而言，直方柱上方英文小写字母不同表示各样地间某指标差异显著(P<0.05)。

2.4甘草植被性状指标与表层土壤养分间的相互关系

相关性分析(表1)显示,甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量间呈显著正相关(P<0.01),其中植被覆盖度与高度间的相关系数最大,其后依次为植被地上生物量和高度、覆盖度和地上生物量;表层土壤有机碳含量，速效N、P、K含量间也呈显著正相关(P<0.01),其中速效P、K含量间相关系数最高;土壤容重与风蚀量亦呈显著正相关(P<0.01);土壤有机碳含量，速效N、P、K含量与植被的这3个特征指标间均呈显著正相关,且与植被覆盖度间均具有最大的相关系数,其后依次为植被高度和地上生物量;而土壤容重、风蚀量与植被特征指标间及它们与土壤养分间均呈显著负相关(P<0.01)。进一步回归分析显示,土壤有机碳含量，速效N、P、K含量与甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量间分别存在显著正线性相关关系,决定系数由大到小依次为植被覆盖度、高度和地上生物量(图4);从回归方程还可看出,甘草植被的覆盖度每增加1%,可使农田表层土壤w(有机碳)提高0.038 g·kg-1,w(速效N)、w(速效P)和w(速效K)分别提高0.052、0.113和0.971 mg·kg-1,其决定系数均达76%以上。

3讨论

农田土壤作为农业生态系统的基础,是农作物生长的载体,对生态环境的稳定起着至关重要的作用。随着西北地区人口不断增长,土地承载力不断提高,土地退化(如土壤风蚀、耕作层养分含量降低)呈逐年加重趋势,面临的人口-环境-资源问题也变得愈来愈严重。许多研究显示,地表植被(或残茬)的存在可减弱土壤风蚀和表土养分的损失[5,7,9,16]。如董治宝等[17]研究发现,当植被盖度超过20%时就可大幅减小土壤风蚀;当盖度达到60%以上时就可完全防止表层土壤发生风蚀。熊好琴等[18]研究毛乌素沙化草地时发现,与放牧地相比,围栏禁牧16 a可使0～10 cm土层土壤容重显著降低,0～5 cm土层土壤有机碳提高231%。彭佳佳等[19]在研究川西北沙化草地时发现,植被盖度和高度随着生态修复年限的增加而显著提高;生态修复8 a沙化草地的土壤有机质、全氮和碱解氮含量较未修复草地提高近96%、100%和51%。植被通过阻挡运动气流并在其后部形成风速降低区来降低风力对地表的吹蚀。鉴于以上事实,仅考虑植被覆盖度对风蚀的影响显然是不全面的。

表1甘草植被性状指标与表层土壤各指标的相关系数

Table 1Correlation analysis of the factors ofGlycyrrhizauralensisvegetation and soil characteristics

指标植被高度地上生物量w(有机碳)w(速效N)w(速效P)w(速效K)土壤容重土壤风蚀量覆盖度0.958**0.872**0.911**0.874**0.918**0.950**-0.868**-0.977**植被高度0.943**0.892**0.865**0.911**0.912**-0.832**-0.977**地上生物量0.789**0.749**0.827**0.784**-0.761**-0.958**w(有机碳)0.869**0.930**0.900**-0.825**-0.911**w(速效N)0.876**0.877**-0.750**-0.903**w(速效P)0.954**-0.887**-0.894**w(速效K)-0.887**-0.956**土壤容重0.836**

**表示在0.01水平上差异显著(双尾检测)。

图4　土壤养分与植被性状指标间关系

前人在研究生物措施对土壤风蚀的作用时,大多仅测定了植被覆盖度或仅以植被覆盖度为自变量进行模拟试验,很少考虑植被的其他特性指标;对表土层理化特性指标的选择也往往是不全面的。该试验不仅全面测定了甘草植被的覆盖度、高度和地上生物量,而且还测定了植被下部土壤表层的风蚀量，容重，有机碳含量，以及速效N、P、K含量,较为全面地研究了植被覆盖对土壤表层的影响。结果显示,甘草植被的覆盖度、高度、地上生物量及下部表层土壤有机碳含量，速效N、P、K含量随着甘草生长年限的增加而增大,而土壤容重和风蚀量则正好相反,呈显著减小趋势。这一结果也与王学芳等[3]、YAN等[7]和LI等[20]的相关研究结果类似。

地上植物(或枯枝落叶)是植被生态功能发挥的前提和基础。尽管前人在采取生物措施防治土壤风蚀方面已做了大量研究,但却很少探讨植被特征指标与土壤风蚀量和养分间的定量关系。如LI等[20]研究了不同退化状态草地的植被密度、地上生物量、地表土壤风蚀量、机械组成和养分含量间的差异,但却没有阐明植被特征与其地表土壤特性之间的相互关系。王学芳等[21]尽管研究了不同农田类型的植被覆盖度、枯物质量及土壤养分流失量,同样也没有分析土壤养分流失量与植被特征指标间的定量关系。海春兴等[22]也仅研究了土壤风蚀与植被覆盖度间的相互关系。YAN等[7]在研究植被覆盖对土壤质地和养分的效应时,仅分析了植被覆盖度与土壤质地和土壤养分间的定量关系。针对植被不同特征指标对土壤风蚀及养分的影响,该研究不仅研究了植被覆盖度与土壤容重、风蚀量和土壤养分间的相互关系,还进一步分析了与植被高度和地上生物量间的定量关系。结果显示,耕地表层土壤容重、风蚀量与植被覆盖度、高度和地上生物量间呈显著负相关关系,相关系数由大到小依次为植被覆盖度、高度和地上生物量;而土壤有机碳含量，速效N、P、K与甘草植被的这3个指标间均呈显著正相关关系,相关系数最大的仍为植被覆盖度,其后依次为高度和地上生物量。从以上结论可以看出,与植被高度和地表生物量相比,植被覆盖度对土壤表层风蚀和养分含量的影响更明显,这可能是覆盖度能更好地反映植被对地表的覆盖作用(避免风对地表的直接吹蚀)的原因;另外,干旱地区植被覆盖度对表层土壤含水率的影响较其他2个指标更显著,覆盖度增大造成表层土壤含水率增加,从而使得砂粒的启动风速增大，表层土壤风蚀减弱。这一结论也与YAN等[7]的结论(随着植被覆盖度的增加,风蚀造成的土壤养分损失率显著降低)一致。进一步回归分析显示,土壤有机碳含量，速效N、P、K含量分别与植被覆盖度、高度和地上生物量间呈显著正线性相关关系,且与植被覆盖度间的决定系数均最大。当甘草植被覆盖度每提高1%时,可使耕地表土土壤有机碳、速效氮、速效磷和速效钾含量分别提高0.038 g·kg-1、0.052 mg·kg-1、0.113 mg·kg-1和0.971 mg·kg-1。尽管生物措施可提高农田养分,但提高幅度非常有限;从另一个角度来看,尽管短时间内生物措施对改善农田养分的作用有限,但通过长期的坚持,一定能使农田肥力得到改善,并通过地表植被覆盖度就可粗略估计出表层土壤养分含量。另外,由于甘草属豆科植物,其固氮作用也影响土壤中氮含量。

西北风蚀区耕地采取免耕、种植越冬作物(如冬小麦、冬油菜等)或多年生植物(如甘草、牧草等)等措施,可显著降低耕地表土的风蚀和减少土壤养分损失。一方面,耕地保持植被(或枯枝落叶)覆盖,提高了地表粗糙度[11],从而降低耕地土壤的风蚀和土壤养分损失。如李昂等[9]研究显示,耕地种植甘草后,增加了地表粗糙度和土壤含水率,从而使得地表风蚀量显著减小。在风蚀过程中,受侵蚀的主要是地表含丰富养分的黏粉粒;由于黏粉粒中所含养分明显高于砂粒,因此在风蚀过程中土壤养分损失率明显高于土壤细颗粒流失率[7,20,23]。据此可以推断,甘草种植年限越长,其地表风蚀量越小,土壤养分损失也越小,即随着甘草生长年限的增加,其表层土壤养分呈升高趋势。另一方面,当耕地保持植被覆盖时,由植被输入到土壤中的枯枝落叶量增加,提高了土壤养分输入量。LI等[20]研究也发现,当草地沙化加重时,其地上、地下和地表凋落物量均呈显著下降趋势,减少了输入到土壤中的养分。笔者研究结果也显示,随着甘草生长年限的增加,其地上生物量也呈显著升高趋势,就可能有更多的凋落物进入耕地。耕地中养分含量的测定结果显示,种植甘草的耕地表土养分含量明显高于裸地,且随甘草生长年限的增加而提高,也间接证明了这一推断。

4结论

甘草植被的覆盖度、高度、地上生物量及下部土壤表层的有机碳含量，速效N、P、K含量随甘草生长年限的延长呈显著升高趋势。

甘草植被覆盖度、高度、地上生物量与土壤养分含量间均呈显著正相关关系,相关系数由大到小依次为植被覆盖度、高度和地上生物量。

甘草植被覆盖度每提高1%,可使耕地表土土壤有机碳含量，速效N、P、K含量分别提高0.038 g·kg-1、0.052 mg·kg-1、0.113 mg·kg-1和0.971 mg·kg-1。

西北风蚀区农田若采取植被覆盖措施,一方面可减少地表细小土壤颗粒物的流失,降低土壤养分损失,另一方面可增加进入土壤的枯枝落叶量,提高土壤养分的输入;在两者共同作用下可最终使植被覆盖农田的养分损失相应变小。

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(责任编辑： 陈昕)

Effects ofGlycyrrhizauralensisPlantation on Soil Nutrients and Wind Erosion in Wind Erosion Stricken Region of Northwest China.

LIAng1,WUYing-zhen2,CHENWei1,SUNHai-li1,ZHANGMing1,CHENYing-quan1,YANLi-ben3

(1.School of Chemistry and Environmental Science, Lanzhou City University, Lanzhou 730070, China；2.College of Humanities, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;3.Jiuquan Science Demonstration Farm in Gansu Provence, Jiuquan 735000, China)

Abstract:To explore effects and mechanisms of liqorice (Glycyrrhiza Uralensis) vegetation conserving soil nutrients and reducing wind erosion, analysis was done of the liqorice vegetation cover for characteristic indices and of the soil 0-5 cm under the cover for soil nutrient conservation and effect on wind erosion reduction. Results show that with the liqorice vegetation growing on, coverage, height and above ground biomass of the vegetation, and organic carbon(OC), available N, P and K contents in the topsoil all increased, while wind erosion and bulk density decreased (P<0.05). Correlation analysis indicates that characteristic indices were significantly and positively related to soil nutrients (P<0.05), showing an order of vegetation coverage > height > aboveground biomass in terms of correlation coefficient. Regression analysis demonstrates that for every 1% of increase in vegetation coverage, the content of OC, available N, P and K in the topsoil increased 0.038 g·kg(-1), 0.052 mg·kg(-1), 0.113 mg·kg(-1) and 0.971 mg·kg(-1), respectively. Obviously, the adoption of the practice of maintaining vegetation coverage on farmlands of wind erosion stricken regions of Northwest China, may on the one hand, reduce wind erosion of the surface soil and hence the loss of soil nutrients, and on the other hand, increase the amount of litters and hence content of soil nutrient, of which the joint effects will eventually reduce the loss of soil nutrients correspondingly.

Key words:vegetation coverage;soil nutrient;erosion;liqorice (Glycyrrhiza uralensis)

作者简介：李昂(1969—),男,甘肃兰州人，副教授,博士,主要从事退化环境的恢复和治理研究。E-mail: liang@lzcu.edu.cn

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.019

中图分类号：S157；X37

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0295-07

通信作者①E-mail: liang@lzcu.edu.cn ②E-mail: wuyz@gsau.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金地区科学基金(31560185);兰州城市学院博士科研启动基金(2011-09);兰州城市学院校长科研创新基金(LZCU-XZ2014-02);甘肃省城市发展研究院科研基金(2014-GSCFY-KJ09)

收稿日期：2015-06-09