民勤人工梭梭固沙林土壤长期演变

邱进雄，刘德诚，杨晓宝

（1.民勤县麟权生态种业有限公司，甘肃 民勤 733300；2.甘肃民勤连古城国家级自然保护区管理局，甘肃 民勤 733300）

生物在利用环境的同时，也在改变构建着环境[1]。土壤是陆生植物生存的基础环境，其物理、化学性状也会随着植物的生存而改变[1-2]，表现为土壤演变[3]。在风沙区，随着林龄增加，人工梭梭固沙林内逐渐出现了红砂、画眉草等中生、旱生和湿生植物，植物群落迅速演替[4]；随着流沙的固定，土壤性状的演变更加明显[3]。风沙区种植紫穗槐有利于改善土壤养分状况，土壤细化程度随林龄增加逐渐增大，土壤有机碳、全氮、硝态氮、全磷、有效磷含量随林龄增加而增加，全钾、铵态氮变化与林龄无关[5]。草方格固沙有利于改善土壤质地和理化性质，固沙30 a时，土壤有机碳、全氮含量分别从0.86～1.74 g/kg、0.18～0.32 g/kg 变 为 7.96～17.36 g/kg、0.44～0.78 g/kg，土壤细沙、极细沙、粉粒、黏粒质量百分比分 别 从 55.44%～58.84%、0.24%～0.31%、0、0 变 为42.55%～53.30%、15.85%～21.35%、15.16%～22.75%、0.84%～1.33%[6]。

甘肃民勤地处腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠之间，1959年从新疆准噶尔地区引进梭梭造林获得成功，之后在该区域大面积推广[7]，已形成稳定防风固沙林带，为遏制当地荒漠化扩张发挥了重要作用。目前，许多学者从不同角度研究了固沙林土壤演变过程[8-9]，但所研究的时间序列均偏短，难以揭示演变全貌。为此，本文采取空间代替时间的方法，通过查阅档案资料确定不同年代人工梭梭固沙林的地理位置，调查分析其群落和土壤特征，目的在于阐述民勤沙区人工梭梭固沙林土壤演变规律，同时为干旱沙区大规模生态建设的环境效益评价提供背景资料。

1 研究区概况

民勤位于石羊河流域下游，三面环沙，地貌由沙漠、低山丘陵和平原组成，土壤有灰棕漠土、盐土、草甸土、风沙土4种类型。研究区属典型温带大陆性荒漠气候，年均气温7.4 ℃，≥10 ℃积温3 248.8 ℃；年均降水113 mm，多集中在7～9月，占全年降水量的73%；年均蒸发2 644 mm，是降水量的24倍；全年盛行西北、西北偏西风，夏秋季节多偏东风。通过长期的治理，该区生态环境得到极大的改善，流沙逐渐得到固定，已形成复杂的人工—天然植被。

2 研究方法

查阅档案资料确定该民勤人工梭梭固沙林的年代和位置，按造林年代设立样地，分别为1960年代、1970年代、1980年代、1990年代、2003年，以流沙地对照，代表约60 a的林龄演变序列；样地代表林龄分别取 55、45、35、25、15、0 a。样地信息见表1。每块样地随机设置样方5个，样方规格20 m×20 m。样方内随机选取3个样点开挖土壤剖面，分层采取土样带回室内测定。取样层深度：＜ 5 cm 为表层，5～10 cm 为浅层，10～20 cm为中上层，20～40 cm为中层，40～60 cm为中下层，60～80 cm为深层。2018年6月12日采集土样，同年11月30日～12月8日室内测定。

土壤粒度采用马尔文激光粒度仪测定，仪器型号Malvern 2000，以粒组质量百分比表示；按粒径划分4级粒组：＜2 μm为黏粒，2～20 μm为粉粒，20～200 μm 为细沙粒，≥ 200 μm 为粗沙粒。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化—油浴加热法测定。土壤全氮含量采用凯式法测定。计算样地内同层土样测定指标的平均值作为结果进行分析。

3 结果与分析

3.1 土壤粒度组成

由表2可以看出，与对照相比，土壤表层各粒组质量百分比随林龄增加其统计学意义均从无变为有。说明其粒度组成发生了超越随机变化的长期演变，人工梭梭固沙林的长期作用是其演变原因。

表1 样地信息

表2数据显示，黏粒、粉粒、细沙粒3个粒组演变趋势均为质量百分比随林龄增加而上升，其升幅：黏粒组至45 a龄段加剧，粉粒组至55 a龄段加剧，细沙粒组至35 a龄段趋缓。粗沙粒组演变趋势为质量百分比随林龄增加而降低，其降幅至25 a龄段变缓，至55 a龄段再次加剧。说明在人工梭梭固沙林长期作用下，土壤表层粒度组成发生由粗变细的长期演变，由以≥200 μm的粗沙为主体演变为以20～200 μm的细沙为主体；至林龄40 a时，＜20 μm的黏粒和粉粒呈加速增加趋势。

由表3可以看出，与对照相比，土壤浅层各粒组质量百分比随林龄增加其统计学意义均从无变为有。说明其粒度组成发生了超越随机变化的长期演变，人工梭梭固沙林的长期作用是其演变原因。

表3数据显示，土壤浅层黏粒、粉粒、细沙粒3个粒组演变趋势均为质量百分比随林龄增加而上升，其升幅：黏粒组至45 a龄段加剧，粉粒组至55 a龄段加剧，细沙粒组呈波动式平缓增加。粗沙粒组演变趋势为质量百分比随林龄增加而降低，其降幅呈波动式平缓变化，至45 a的龄段加剧。说明在人工梭梭固沙林长期作用下，土壤浅层粒度组成发生由粗变细的长期演变，在林龄40 a以前，＜20 μm的黏粒和粉粒呈加速增加趋势；粒度组成一直以20～200 μm的细沙为主体。

综合分析表2、表3数据可以看出，随着林龄增加，人工梭梭固沙林土壤表层和浅层粒度组成演变趋势均为由粗变细，至55 a龄组均呈加剧趋势，两者不同之处：一是表层演变比较强烈，浅层演变则比较平缓；二是表层主体粒组由≥ 200 μm 的粗沙变为 20～200 μm 的细沙，浅层则一直以20～200 μm的细沙粒组为主体。也就是说，在人工梭梭固沙林长期作用下，＜10 cm的土层发生由粗到细的长期演变，以＜5 cm的表层为主，以5～10 cm的浅层为辅；林龄＞50 a时，演变加剧。

表2 土壤表层粒度质量百分比 %

表3 土壤浅层粒度质量百分比 %

3.2 梭梭林地土壤有机碳和全氮的时空分布

由表4可以看出，与对照相比，土壤表层、浅层和中上层有机碳含量及测定层平均有机碳含量，随林龄增加其统计学意义均从无变为有，说明其有机碳发生了超越随机变化的长期演变，人工梭梭固沙林的长期作用是其演变原因；各龄段中层、中下层和深层有机碳含量与对照相比均无统计学意义，说明其有机碳变化属于随机变化，与人工梭梭固沙林作用无关。综合而言，在人工梭梭固沙林作用下，＜20 cm的土层有机碳发生长期演变。

表4数据显示，表层、浅层、中上层3个土层有机碳演变趋势均为其含量随林龄增加而增加，以表层、浅层增幅最大，55 a龄段分别比对照增加5.42、2.60倍，测定层平均土壤有机碳含量比对照增加1.84倍，说明人工梭梭固沙林土壤有机碳呈持续增加趋势，演变主要发生在＜20 cm的土层。表4数据显示，≥35 a的龄段土壤有机碳含量变异系数增大。说明林龄＞30 a，人工梭梭固沙林土壤有机碳分布均匀性差，随林地区域而异。

表4 土壤有机碳含量 mg/kg

由表4可以看出，与对照相比，土壤表层、浅层和中上层有机碳含量及测定层平均有机碳含量，随林龄增加其统计学意义均从无变为有，说明其有机碳发生了超越随机变化的长期演变，人工梭梭固沙林的长期作用是其演变原因；各龄段中层、中下层和深层有机碳含量与对照相比均无统计学意义，说明其有机碳变化属于随机变化，与人工梭梭固沙林作用无关。综合而言，在人工梭梭固沙林作用下，＜20 cm的土层有机碳发生长期演变。

表4数据显示，表层、浅层、中上层3个土层有机碳演变趋势均为其含量随林龄增加而增加，以表层、浅层增幅最大，55 a龄段分别比对照增加5.42、2.60倍，测定层平均土壤有机碳含量比对照增加1.84倍，说明人工梭梭固沙林土壤有机碳呈持续增加趋势，演变主要发生在＜20 cm的土层。

表4数据显示，≥35 a的龄段土壤有机碳含量变异系数增大。说明林龄＞30 a，人工梭梭固沙林土壤有机碳分布均匀性差，随林地区域而异。

由表5可以看出，与对照相比，土壤各层全氮含量及测定层平均全氮含量，随林龄增加其统计学意义均从无变为有，说明其全氮均发生了超越随机变化的演变，人工梭梭固沙林的长期作用是其演变原因。

表5数据显示，表层、浅层2个土层全氮演变趋势均为其含量随林龄增加而增加，55 a龄段分别比对照增加3.14、2.83倍；中上层、中层、中下层、深层和测定层平均全氮演变趋势均为其含量随林龄增加而先增后减，55 a龄段的中上层、中层、中下层3个土层全氮含量相近，较45 a龄段减幅加剧。说明人工梭梭固沙林土壤全氮在＜10 cm土层呈长期持续增加趋势，≥10 cm土层至林龄50 a时开始降低。

表5数据显示，55 a龄段土壤有全氮含量变异系数明显大于其余龄段。说明林龄＞50 a时，人工梭梭固沙林土壤全氮分布均匀性差，不同区域含量相差较大。

综合分析表4、表5数据可以看出，人工梭梭固沙林土壤有机碳和全氮在表层、浅层演变趋势相同，其含量均随林龄增加而持续增加：在中上层以下土层两者演变不同，有机碳含量变化与林龄无关，全氮含量则随林龄增加呈先增后减式演变，尤其中层以下土层的55 a龄段减幅明显。也就是说，在人工梭梭固沙林长期作用下，土壤有机碳和全氮长期演变主要发生在＜10 cm的土层；土层深≥10 cm时，土壤有机碳变化与林龄无关，全氮则随林龄增加而先增后减，林龄＞50 a时全氮减幅加剧。

表5 土壤全氮含量 mg/kg

4 结论与讨论

在人工梭梭固沙林长期作用下，土壤长期演变主要发生＜10 cm的土层，其中土壤粒度组成为由粗到细的演变，＜5 cm的表层较5～10 cm的浅层演变更剧烈，且林龄＞50 a时演变加剧；土壤有机碳和全氮均呈持续增加趋势。土层深≥10 cm时，土壤有机碳变化与林龄无关；全氮则随林龄增加而先增后减，且林龄＞50 a时减幅加剧。

土壤有机碳和全氮主要来源于土壤微生物分解梭梭、林间灌木和草本的枯落物以及动物残体。干旱沙区，土壤风蚀严重，流动沙丘表面的黏粒、粉粒和枯落物不易积累，加之外来降尘不能够截获，导致土壤细颗粒物质、有机碳和全氮含量极少。自从20世纪60年代，该区域大面积营造梭梭防风固沙林以及近年采取的生态治理措施，使得生态环境得到极大地改善，尤其是地表植物增多，使的下垫面粗糙度增加，加强了对细颗粒和枯落物的截取。人工梭梭固沙林的这种生态位构建作用，一方面会破坏其自身生存环境[1]，导致环境不利于自身生存，从前文样地信息表可以看出，随着林龄增加，人工梭梭固沙林盖度降低，同化枝长缩短，长势衰弱，正是这种负向生态位构建作用的反映，并证明梭梭是一种适应流沙中生长的灌木[2]，而且低盖度人工林也能有效促进土壤演变[8]；另一方面为苔藓、地衣、草本植物、其他灌木等创造了得天独厚的生存条件，反过来，植物的枯落物、苔藓和地衣等的分泌物以及动物残体又进一步增加了土壤中有机碳和全氮的含量。研究表明，随着流沙的固定，人工梭梭固沙林土壤地表结皮厚度增加，土壤水分变差，尤其是深层土壤含水量，但林中植物种类丰富，逐渐出现了红砂、画眉草等中生、旱生和湿生植物，群落演替迅速[4]。本文研究从土壤粒度组成长期演变方面有效解释了前人研究成果。因此，在干旱沙区开展植被生态建设有利于流动沙丘的成土过程和碳氮的固定，但需要加强管理，避免过度干扰对表层土壤的破坏。

前人研究表明，土壤圈是陆地生态系统储量最大的有机碳库，约是大气碳储量的2倍、植被碳储量的3倍[10-11]，在影响大气二氧化碳浓度和全球碳平衡方面扮演十分重要的角色[12-13]。本文研究表明，随着林龄增加，人工梭梭固沙林土壤有机碳呈增加趋势，林龄＞50 a时较流沙增加约2倍，再次佐证前人研究成果。土壤有机碳、全氮含量不但取决于输入与输出的量与微生物种类和数量，还与土壤颗粒组成（尤其是黏粒和粉粒的含量）等有着紧密的联系。研究表明[14-15]，土壤有机碳在改善土壤结构方面发挥着重要作用，而且土壤黏粒与有机碳含量显著正相关[16-17]。贾晓红等对沙坡头地区的研究发现有机碳、全氮和土壤黏粒、粉粒、细沙可以通过线性方程定量描述，有利于推算沙区碳汇[18]，而且土壤粉粒不仅可以通过与有机碳结合形成复合体，起到保护有机碳的作用，还可以增加土壤水分的有效性，进而促进植被的生长[18]。以上研究可为干旱沙区土壤的碳汇作用以及生态修复加速成土过程提供佐证。