乌兰布和沙漠东北缘典型固沙林土壤养分特征研究

黄雅茹，郝玉光*，董礼隆，马迎宾，辛智鸣，徐 军

(1.中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心，内蒙古 磴口 015200；2.国家林业局 内蒙古磴口荒漠生态系统定位研究站，内蒙古 磴口 015200)

乌兰布和沙漠是中国八大沙漠之一，处于中国北方半干旱区向干旱区的过渡地带，植被生态系统比较脆弱。而在脆弱的生态环境中，土壤养分与植被之间存在着密切的相互联系[1]。土壤养分在有机质的分解和转化过程中起着主导作用，影响着地下生态系统物质循环和能量流动[2]。土壤养分状况因土壤类型、气候、成土母质、水文、植被等因素的不同而出现极大差异，不同林地类型、土壤不同深度及不同海拔高度具有不同的水热分配条件和物质迁移堆积特征，也会对土壤养分状况产生显著影响[3]。这些变化特征及差异性是土壤与环境因素相互作用的结果。因此，只有清楚地认识和把握土壤化学特性及其变化规律，才会使土地资源的科学合理利用成为可能，才能实现沙漠地区土壤的可持续利用。

许多学者对不同植被类型土壤养分特征进行了研究，宋依璇[4]对凌源、建平和阜新3个地点的油松、樟子松林不同坡位土壤养分特征进行了研究，表明2种造林树种坡下表层土壤养分能显著影响林木生长状况。李兴民[5]研究了白龙江林区天然林和人工林在不同海拔高度、土层深度和树种类型条件下土壤养分特征，谢寄托[6]在莽山国家森林公园东部分析比较土壤养分含量、水平、垂直分布特征及其与土壤理化性质之间的相关关系。张玉宏[7]研究了黄土高原庙岭流域刺槐、毛白杨人工造林对土壤养分的影响，吴强[8]研究了塞罕坝坝上地区樟子松人工林的土壤养分。王彦武[1]研究了毛乌素沙地不同的固沙林对土壤化学性质的影响，结果表明在垂直剖面上，各固沙林地土壤的所有养分含量除速效氮及pH值外，其他均为表层高于下层。崔楠[9]比较研究了新疆艾比湖湿地自然保护区裸地、梭梭与胡杨样地土壤氮素含量特征及土壤理化性质，结果表明裸地、梭梭和胡杨样地内的土壤有机质、硝态氮、铵态氮、亚硝态氮与碱解氮均随着土层深度的增加而递减，具有表聚性特点。朱雅娟[10]在内蒙古敖汉旗选择3种防护林，比较4个深度(0～10、10～20、20～40 cm和40～60 cm)的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，表明杨树×樟子松林的土壤养分条件较好，沙棘林次之。这2种防护林可以作为科尔沁沙地的优化防护林类型。李晓莎[11]选择不同龄林的华北落叶松人工林为研究对象，对林下土壤的养分特征及其空间变化进行了研究，表明各林分土壤有效磷含量均相对偏低，有机质、碱解氮、全氮、速效钾、全钾及全磷的含量都随土层深度的增加逐渐下降，速效钾及全钾含量有随林分年龄的增加而逐渐降低的趋势。席军强[12]研究梭梭林发育过程中沙丘土壤理化性质、微生物数量的变化以及二者之间的相关性，结果表明营造梭梭林使其林内土壤得到较好的改善。近年来，不同植被对土壤化学性质的影响等方面的研究虽有报道，但对沙漠地区不同人工固沙林土壤化学性质的变化及土壤养分因子之间的相关关系报道较少。

乌兰布和沙漠东北部的河套灌区，防护林的树种选择主要以杨属、柳属树种为主。杨属树种速生性、材性、抗寒性、旱性、耐盐碱性，均表现优良，成为防护林的主要造林树种。防护林体系主要以新疆杨(Populusalbavar.pyramidalis)、二白杨(Populusgansuensis)等速生杨树树种为主要造林树种，沙棘(Hippophaerhamnoides)是胡颓子科沙棘属灌木，具有耐旱、耐盐碱、抗风蚀沙埋的特点，沙棘的适应性较强，是中国西北部沙漠绿化及水土保持的主要树种，因此选择新疆杨、二白杨、沙棘固沙林为研究对象，研究沙漠不同固沙林林地土壤化学性质的差异对了解固沙林与土壤之间的关系，揭示固沙林林地土壤质量的演变规律及防治乌兰布和沙漠东北缘的土地沙化等具有极其重要的意义。

采用野外典型抽样与室内分析相结合的方法，对乌兰布和沙漠东北缘3种典型的固沙林土壤化学性质进行对比分析，并分析土壤各养分因子之间的相关关系，探讨不同固沙林化学性质的变化规律，为植被恢复及改良荒漠化地区土壤质量提供科学依据。

1 研究区概况

乌兰布和沙漠地处我国西部荒漠地带东缘，地理位置介于39°40′-41°00′N，106°00′-107°20′E，地形起伏不大，主要为10 m以下的圆锥形沙丘或新月形沙丘，沙质为浅黄棕色或微红棕色细沙。平均海拔高程1 050 m，属于中温带半干旱大陆性气候，其特点是云雾少降水量少、风大、气候干燥。年降水量138.8 mm，平均气温6.8℃，昼夜温差大，年日照时间为3 229.9 h，是我国日照时数最多的地区之一，光、热、水同期，地下水源充足。风沙季节在11月至翌年5月之间，主风为西风和西北风，起沙风次数每年200～250次以上。

中国林业科学院沙漠林业实验中心是根据1978-1985年全国科技发展纲要于1979年经国家农委、科委批准成立的十一处农林牧业现代化综合科学实验基地之一，地处乌兰布和沙漠东北部。沙林中心第二实验场作为沙漠人工绿洲典型试验区，地理坐标为40°28′N， 106°46′E，绿洲开发的原始地貌为固定沙丘、半固定沙丘，1979年开始在荒漠中实施以防护林体系为主体工程的绿色开发建设。地带性土壤为灰漠土和棕钙土，土壤形成的主要现代地理过程包括土地沙漠化过程、土壤盐渍化过程、草甸化和沼泽化过程以及人为绿洲化过程，这些地理过程形成了不同的土地类型，主要有灰漠土、灌淤土、草甸土、沼泽土、盐碱土、风沙土等。

2 研究方法

野外采样时间为2015年7月，在乌兰布和沙漠东北缘典型的固沙林内取样，立地条件类型基本一致，土壤没有受到人为或自然因素的作用而发生再分配或迁移。采用常规的典型抽样法，设置标准地调查并采集土样，选取裸沙地为对照。每种类型的固沙林选择3块标准样地，样地基本情况见表2。

在每块标准样地以S型线路分别设置取样点，设置5个取样点，在每个取样点对土壤进行取样，取样深度依次为0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm。风干，除去砾石和枯落物，过2 mm筛。测定的指标有土壤有机质、碱解N、速效P、速效K、全N、全K、全P、pH值。

土壤有机质的测定用重铬酸钾容量法；碱解氮的测定用碱解扩散法；速效P的测定用分光光度计法；速效K的测定用火焰光度计法；全N的测定用半微量开氏蒸馏法；全K的测定用NaOH熔融火焰光度法；全P的测定用HClO4-H2SO4氧化钼锑抗比色法；pH值测定用电位法[13]。

数据分析采用Microsoft excel和SPSS17.0软件，进行数据处理和土壤养分因子的相关性分析，数据结果以平均数±标准误表示，采用单因素方差分析(ANOVE)进行多重比较，显著水平为P<0.05。

土壤肥力是受多种因素影响的一个较为复杂的综合情况，不能只从一个指标单方面进行评价。为此本文选取了土壤有机质、碱解N、速效P、速效K、全N、全K、全P、pH值8个指标，采取隶属函数及土壤综合质量指数进行综合评价[14]。

表1 不同固沙林立地条件

表2 不同固沙林分生长状况调查表

首先，运用隶属函数将8个土壤养分指标数据进行标准化，应用公式如下：

(1)

式中，μ(Xij)为各土壤养分指标的隶属度值；Xij为土壤养分指标值；Xj,max、Xj,min分别为第j项土壤养分指标的最大值和最小值。

然后，土壤各个养分指标对土壤综合质量指数H的重要性与贡献不同，通常用权重Wj来表示各个养分指标的重要性。各个养分指标的权重确定采用标准差系数法，用式(2)计算标准差系数Vj，将公式归一化后得到各指标的权重Wj；通过式(4)求出土壤综合质量指数，H越大，土壤质量越高[13]。

(2)

(3)

(4)

3 结果与分析

3.1 土壤养分统计

土壤养分均值是将所有土样的8项养分指标分别进行算术平均，计算结果如表3。由表3可知，有机质含量为(4.74±3.31)g·kg-1，全氮、全钾、全磷分别为(0.28±0.16)g·kg-1、(17.58±7.32)g·kg-1、(0.37±0.12)g·kg-1，碱解氮、速效钾、速效磷分别为(19.20±7.46)mg·kg-1、(162.00±177.28)mg·kg-1、(4.13±2.69)mg·kg-1，pH值为(8.63±0.38)。一般认为变异系数>100%为强变异，10%～100%为中等变异，<10%为弱变异[13]。土壤各养分指标均属于弱变异，其中pH值变异系数仅为0.19%，变异性非常小。

3.2 土壤酸碱性

土壤 pH常被用来表示土壤的酸碱性，它是非常重要的土壤化学性质之一，直接影响土壤养分元素的存在形态及生物有效性[14]。土壤酸碱性对土壤微生物的活性、矿物质及有机质的转化起着非常重要的作用，并影响养分及农药等在土壤中的利用、转化和降解[15]。由表4可以看出，3种典型固沙林的土壤pH值随着土层深度的增加呈上升趋势，裸沙地的上升幅度最小。在0～20 cm层，裸沙地的pH值最高，二白杨林的pH值最低，分别为9.0±0.15和7.9±0.09，0～20、20～40 cm不同固沙林之间差异不显著，与裸沙地差异显著，40～60、60～80、80～100 cm差异不显著(P>0.05)。各固沙林土壤pH值的大小为裸沙地>新疆杨林>沙棘林>二白杨林，在一定程度上说明固沙林能够降低土壤pH值，改善土壤酸碱性。

3.3 土壤养分含量分析

3.3.1 土壤有机质 有机质是土壤的重要组成部分，是土壤微生物生命活动的能源，并能改善土壤结构和其他理化性状，因此，土壤有机质的含量在一定程度上反映着土壤健康状况[16]。由表4可知，3种典型固沙林土壤有机质随着土层深度的增加呈下降趋势，不同固沙林有机质含量存在差异，就表层有机质来看，二白杨林的有机质最高，是裸沙地的19.5倍，是新疆杨林的2.6倍，是沙棘林的1.9倍，裸沙地的有机质极为贫乏，含量均<(3.10±0.15)g·kg-1，表层含量极低，仅为(0.80±0.07)g·kg-1。可以看出，在0～20 cm土层，固沙林对于土壤有机质的形成有明显作用，这种作用随着土层深度的增加逐渐减弱，对下层土壤有机质影响较小。经方差分析，0～20 cm土层不同固沙林差异显著(P<0.05)，20～40 cm新疆杨林、沙棘林差异不显著(P>0.05)，与二白杨林差异显著(P<0.05)，40～60 cm均是不同固沙林之间差异不显著(P>0.05)，但均与裸沙地差异显著(P<0.05)，60～80、80～100 cm差异不显著(P>0.05)。土壤有机质平均含量大小顺序为二白杨林>沙棘林>新疆杨林>裸沙地。

表3 土壤养分统计

3.3.2 土壤全N和碱解N 由表4可知，随着土层深度的增加全N含量呈下降趋势，新疆杨林、二白杨林、沙棘林0～20 cm层的全N含量分别是80～100 cm层的3.1倍、5.6倍、2.8倍。全N含量变化幅度较小，新疆杨林全N含量变化范围在(0.09±0.01)～(0.28±0.11)g·kg-1，二白杨林全N含量变化范围在(0.14±0.03)～(0.78±0.11)g·kg-1，沙棘林变化范围在(0.17±0.04)～(0.48±0.10)g·kg-1，二白杨林全N平均含量最高，是裸沙地的2.4倍，土壤全N为土壤肥力重要指标之一，它与土壤有机质存在极大的相关性。一般而言，土壤全N的95%来源于有机质，土壤含氮量的高低可反映出生命化过程的强弱，亦反映出土壤的发育进程，全N含量为二白杨林>沙棘林>新疆杨林>裸沙地，其大小顺序与有机质变化顺序一致。经方差分析，新疆杨林、二白杨林、沙棘林、裸沙地0～20 cm层差异显著(P<0.05)，20～40、40～60 cm二白杨林、沙棘林差异不显著(P>0.05)，与新疆杨林差异显著(P<0.05)，均与裸沙地差异显著(P<0.05)，60～80、80～100 cm差异不显著(P>0.05)。

新疆杨林土壤碱解氮含量变化范围在(14±1.26)～(24±1.69)mg·kg-1，二白杨林变化范围在(3±0.05)～(288±1.38)mg·kg-1，沙棘林变化范围在(21±0.99)～(24±1.36)mg·kg-1，沙棘林的平均碱解氮含量最高，二白杨林的含量最低，顺序为沙棘林>新疆杨林>二白杨林>裸沙地。0～20、20～40、40～60 cm差异不显著(P>0.05)，60～80、80～100 cm新疆杨林、与沙棘林差异不显著(P>0.05)，与二白杨林差异显著(P<0.05)。速效氮在土壤中可表现为2种存在形态：一为铵态氮，是植物吸收氮肥的主要形态。在土壤中其含量高低取决于土壤腐殖化和矿质化的强弱，同时与土壤微生物的活动，特别是土壤细菌活动有极大的关系。在土壤温度较高，湿度较大的情况下有利于全氮的速效化过程。二为硝态氮，硝态氮含量的多少可反映土壤硝化过程的强弱，与土壤水分关系极为密切。3种固沙林中，沙棘林的灌水量高于其他2种林地，增加了土壤水分含量，因而有利于硝态氮含量的增加[17]。

表4 固沙林土壤养分

注：同行不同小写字母表示同一土层不同样地的差异显著(P<0.05)。

3.3.3 土壤全磷和速效磷 由表4可知，3种典型固沙林随着土层深度的增加，全磷含量与速效磷含量呈下降趋势，新疆杨林全磷含量变化范围在(0.32±0.02)～(0.61±0.04)g·kg-1，二白杨林全磷含量变化范围在(0.17±0.03)～(0.60±0.05)g·kg-1，沙棘林变化范围在(0.25±0.05)～(0.42±0.06)g·kg-1，全磷含量最高的是新疆杨林，速效磷含量最高的也是新疆杨林，是裸沙地的5.1倍，二白杨林、沙棘林的速效磷是分别是裸沙地的3.6倍、3.0倍。0～20、20～40、40～60 cm新疆杨林与二白杨林全磷差异不显著(P>0.05)，与沙棘林差异显著(P<0.05)，60～80、80～100 cm差异不显著(P>0.05)。0～20 cm新疆杨林、二白杨林、沙棘林、裸沙地速效磷差异显著(P<0.05)，20～40、40～60、60～80、80～100 cm不同固沙林差异不显著(P>0.05)，与裸沙地差异显著(P<0.05)。

3.3.4 土壤全钾和速效钾 由表4可知，土壤全钾含量和速效钾含量随着土层深度的增加呈下降趋势，全钾含量变化范围在(9.7±1.48)～(19.8±1.26)g·kg-1，平均全钾含量最高的新疆杨林，是裸沙地的1.3倍，速效钾含量变化范围在(20±5.44)～(870±35.67)mg·kg-1，平均速效钾含量最高的二白杨林，是裸沙地的3.8倍，就表层速效钾含量而言，二白杨林是裸沙地的5.8倍。土壤全钾含量大小顺序为新疆杨林>二白杨林>沙棘林>裸沙地，速效钾含量大小顺序为二白杨林>沙棘林>新疆杨林>裸沙地。0～20、20～40、40～60 cm不同固沙林全钾差异不显著(P>0.05)，60～80、 80～100 cm新疆杨林、二白杨林差异不显著(P>0.05)，与沙棘林差异显著(P<0.05)。0～20 cm新疆杨林与沙棘林速效钾差异不显著(P>0.05)，与二白杨林差异显著(P<0.05)，20～40 cm新疆杨林、二白杨林、沙棘林、裸沙地差异显著(P<0.05)，40～60、80～100 cm差异不显著(P>0.05)，60～80 cm新疆杨林、二白杨林差异不显著(P>0.05)，与沙棘林差异显著(P<0.05)。研究区主要以灌溉黄河水为主，极大地改变了土壤的水盐循环，土壤的化学风化明显加强，可释放出大量的离子态钾(即速效钾)，淤积了大量河洪物质，这些物质主要以土壤腐殖质和次生粘土矿物为主，同时降沉中含有大量的离子态钾和盐基离子，亦为土壤速效钾增加的途径之一，植物生长为土壤累积大量的有机物，速效钾的变化顺序与有机质一致。

3.4 土壤养分因子之间的相关性

为了进一步探明3种典型林地土壤养分状况的变化规律，分析了土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾及pH值之间的相关关系，得到各养分因子间相关系数 (表 5)。由表5可知，土壤各养分因子之间存在着不同程度的相关关系。3种典型林地pH值与其他各养分因子之间呈负相关关系，而其他各养分因子之间相互呈正相关关系。新疆杨林有机质与碱解氮之间存在极显著的正相关关系，有机质与全磷、有机质与pH值、全氮与全钾、全氮与全磷、碱解氮与全磷、速效钾与速效磷之间呈显著正相关关系，全磷与pH值之间存在极显著的负相关关系，有机质、全氮、碱解氮均与pH值呈显著负相关关系。二白杨林有机质与全氮、有机质与速效钾、有机质与速效磷、全氮与全磷、全氮与速效磷、碱解氮与全钾呈极显著正相关关系，有机质与全磷、全氮与速效钾呈显著正相关，有机质、全氮、速效钾、速效磷均与pH值呈极显著负相关关系，全磷与pH值呈显著负相关。沙棘林全氮与全钾、全磷与速效磷呈极显著正相关，有机质与全氮、有机质与全磷、有机质与全钾、有机质与速效钾、全氮与速效钾、全氮与全磷、全氮与速效磷、全钾与速效钾、全钾与全磷、全钾与速效磷呈显著正相关，全磷、速效磷均与pH值呈极显著负相关，有机质、全氮、全钾均与pH值呈显著负相关。

3.5 不同林地土壤肥力综合评价

本研究选取了8项土壤养分指标，通过式(1)～(4)分别计算出不同林地土壤肥力综合评价值(表6)，土壤肥力顺序为二白杨林>新疆杨林>沙棘林>裸沙地。

4 结论与讨论

4.1 不同林地土壤养分变化

土壤有机质含量是土壤各种养分特别是氮、磷元素的重要来源，并对土壤结构改良、保肥性和缓冲性能等的提高有着积极作用。土壤全氮、磷、钾含量是衡量土壤养分潜在供应能力的重要指标；而碱解氮、速效磷和速效钾则反映了土壤短期内可被植物吸收利用的有效养分状况[5]。本研究显示，土壤有机质平均含量大小顺序为二白杨林>沙棘林>新疆杨林>裸沙地。二白杨林的表层有机质最高，是裸沙地的19.5倍，裸沙地的有机质极为贫乏，表层含量极低，土壤全N含量变化幅度较小，二白杨林全N平均含量最高，沙棘林的平均碱解N含量最高。3种典型固沙林全P含量、速效P含量均是新疆杨林最高，是裸沙地的5.1倍。土壤全K含量最高的新疆杨林，是裸沙地的1.3倍，速效K含量最高的二白杨林，是裸沙地的3.8倍。土壤全K含量大小顺序为新疆杨林>二白杨林>沙棘林>裸沙地，速效钾含量大小顺序为二白杨林>沙棘林>新疆杨林>裸沙地。3种典型固沙林土壤有机质、土壤全N、碱解N、全P、速效P、全K、速效K随着土层深度的增加呈下降趋势。这与赵心苗[18]、魏强[19]、王海燕[14]及马和平[20]等的研究结果相同。荒漠化地区随着植被恢复，有助于土壤有机质的形成，但是腐殖化作用局限在表层，对下层土壤影响较小[21]。凋落物及植物根系分解形成的有机碳首先进入表层，而土壤氮素和磷素主要来源与植被枯落物的归还与分解[22]，土壤钾素的表聚性可能与土壤蒸发和根系吸收有关[23]。s

表5 土壤养分因子间的相关系数

注：“*”在 0.05 水平(双侧)上相关显著，“**”在 0.01 水平(双侧)上相关显著。

表6 土壤肥力综合评价

注：μ(1)～μ(8)分别表示有机质、全N、碱解N、全K、速效K、全P、速效P及pH值的隶属函数值。

各林地土壤pH值的大小顺序为裸沙地>新疆杨林>沙棘林>二白杨林，3种典型固沙林的土壤pH值随着土层深度的增加呈上升趋势，裸沙地的上升幅度最小。影响土壤pH值变化的因素较多，如土壤利用方式、地下水盐类的成分和含量、蒸发量、降雨量、植物生长状况等[24]。

4.2 土壤养分因子相关性

本研究表明，土壤各养分因子之间存在着不同程度的相关关系，3个典型林地pH值与其他各养分因子之间呈负相关关系，而其他各养分因子之间相互呈正相关关系。土壤各养分指标间存在显著相关关系，且受土壤母质、海拔高度、季节变化、土壤深度、林分分布及树种组成等的影响显著[25-26]。总之，土壤是一个综合性的因子，各因子间是相互作用、相互影响的，任何一个因子的变化都将引起其他因子不同程度的改变，从而引起林地肥力的变化，作用于林木的生长[8]。

4.3 土壤肥力综合评价

土壤养分含量变化影响着土壤肥力大小，而且土壤肥力还受植物对养分吸收能力的影响，但更取决于各因子的协调程度，是诸多肥力因素综合作用的反映[27]。本结果显示，裸沙地、新疆杨林地、二白杨林地及沙棘林地的土壤肥力综合评价值分别为0.146，0.328，0.365和0.295。本研究所得出的土壤肥力评价值能够反映出该区不同林地当前的土壤肥力状况，即二白杨林土壤肥力优于新疆杨林，新疆杨林土壤肥力优于沙棘林，裸沙地最低。

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