陕北风沙区不同植被类型土壤养分特征与肥力评价

郝宝宝, 艾 宁,, 刘广全, 宗巧鱼, 刘 姣, 刘长海

(1.延安大学生命科学学院/陕西省区域生物资源保育与利用工程技术研究中心，陕西 延安 716000；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

陕北风沙区地处农牧交错带，是一个从沙区向黄土区的过渡区域[1]，长期以来，不合理的开垦和风沙危害等问题，使得该区域生态环境遭到严重破坏，成为我国北方土地沙漠化现象最为严重的地区之一[2-3].近年来，以人工植被建设为主的生态修复治理措施有效地缓解了风沙危害、水土流失等环境问题，改善了地区生态环境[4-5].然而，盲目和大规模栽植单一植被类型会造成土壤生产力下降和植被退化，从而可能产生新的沙化现象[6].土壤为植被生长提供了必要的条件，植被又直接影响土壤的形成方向，植被与土壤之间相互影响、相互促进[7].大量研究表明植被类型对土壤水分[8]、土壤生物[9-10]、土壤酶活性[11]和枯落物含量[12]等存在一定的影响，这些因子的变化间接影响土壤养分形成和分解状况[13].目前，有关陕北风沙区植被恢复对土壤养分影响的研究相对缺乏，不同植被类型对沙地土壤养分的影响机制还未明确.本研究通过测定陕北风沙区不同植被类型土壤养分状况，并运用土壤肥力综合评价法比较不同植被类型对恢复区域土壤改良效果的差异，为今后该区域生态恢复建设提供理论数据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于陕西省榆林市城北3 km处红石峡沙地植物园，中心地理坐标109°42′43″E、38°20′08″N，四季明显，属温带大陆性季风气候，降雨主要集中在7—9月，年平均温度10.7 ℃，土壤类型主要以风沙土为主.由于不合理开垦、气候变迁等问题，该地区曾是世界上沙漠化最为严重的地区之一.20世纪60年代以来，人们大力兴建防风林带，开展系列以植被建设为主的沙漠改造工程.目前，大面积的沙地已被治理，黄河的年输沙量大大减少，生态环境得到显著改善.研究区人工造林树种主要有樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv)、紫穗槐(AmorphafruticosaLinn)、柠条(CaraganakorshinskiiKom)等.

1.2 方法

1.2.1 样品采集与测定 于2018年8月，通过实地踏查后，选取4种典型植被样地(表1)设置样方.在每个样方内采用环刀法(100 cm3)在土壤剖面取样，共6层(0～10、10～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm)，将土样做好标记，带回实验室风干后参照《土壤农化分析》[14]的方法测定土壤化学指标.

表1 样地基本特征

1.2.2 数据处理 利用Excel 2010软件统计数据，用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析，用Origin 8.0软件绘图.

土壤肥力综合评价计算步骤[13]：首先，使用隶属函数将各个土壤养分指标的数据进行标准化(公式1)；其次，采用标准差系数法计算各个土壤养分指标的权重(公式2、3)；最后，得出土壤养分综合质量指数(公式4).

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：μ(Xij)代表各土壤养分指标的隶属度值；Xij代表土壤养分指标值；Xj,max和Xj,min代表第j项土壤养分指标最大值和最小值；Vj代表标准差系数；Wj代表权重；H代表土壤养分综合质量指数.

2 结果与分析

2.1 研究区土壤养分状况

从表2可知，pH平均值为7.37，表明该研究区土壤呈中性.有机质平均含量为2.92 g·kg-1，碱解氮、速效磷、速效钾平均含量分别为2.73、11.94、16.08 mg·kg-1.按照全国第2次土壤普查养分分级标准[15]，研究区有机质、碱解氮、速效钾含量属于6级(很低等级)，速效磷含量属于3级(中上等级).Hu et al[16]按照变异程度的不同，将变异系数(coefficient of variation, CV)划分为3个级别:CV≥100%为强变异，10%

表2 研究区土壤养分统计

2.2 不同植被类型土壤养分垂直变化特征

随着土层深度的增加，各植被类型土壤pH呈波动变化趋势，在0～40 cm土层，除草地外，其他植被类型土壤表层pH略小于底层.有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量总体上呈现为表层较高的特点.其中，有机质含量在樟子松地最高，且0～20 cm土层有机质含量明显高于其他样地，这可能是因为樟子松林腐殖层较厚，有机物分解量较多.在0～60 cm土层，各植被类型土壤中的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量均呈现下降趋势，具有明显垂直特性(图1).

2.3 不同植被类型土壤肥力综合评价

赵文田等[17]把土壤肥力综合评价值划分为5个等级：H>0.8为极高级，0.6≤H<0.8为高级，0.4≤H<0.6为中级，0.2≤H<0.4为低级，H<0.2为极低级.由表3可知，研究区4种植被类型土壤肥力处于中低级水平.各植被类型土壤肥力综合评价值随着土层深度增加均表现为下降趋势，这可能是由于植被根系主要分布在土壤深层，下层养分被优先消耗，同时，枯落物分解后形成的养分大量集中在土壤表层.不同植被类型土壤肥力表现为草地>樟子松林地>柠条林地>紫穗槐林地，但差异不显著(P>0.05)，说明不同植被类型对沙区土壤肥力有一定的影响，但影响不显著.

表3 不同植被类型土壤肥力综合评价1)

3 讨论

有研究表明，由于各植被类型林下凋落物的组成和分解状况不同，导致土壤养分含量存在差异，进而影响了各养分的空间分布格局[18-19].本研究结果也表明，不同植被类型土壤养分含量在垂直空间分布上有差异且表现出不同的变化趋势.另外有研究表明，植物根系分布与各土壤养分因子关系密切[20-21]，这是造成不同植被类型土壤养分垂直分布差异的原因之一.本研究还发现，各植被类型土壤表层的养分指标大于深层，呈现垂直分布特性，与魏强等[22]和耿玉清等[23]的研究结果一致，这主要是因为地表凋落物分解所形成的有机物质先存在于土壤表层，且表层有机物质向下输送缓慢.

贾培龙等[24]研究表明，黄土高原8个森林地区的土壤有机碳含量为7.12～42.99 g·kg-1.而本研究中不同植被类型土壤有机质含量普遍较低，0～100 cm土层平均有机质含量为2.92 g·kg-1，与黄雅茹等[25]对乌兰布和沙漠东北缘土壤有机质含量的测定结果(2.70±0.43) g·kg-1相似.解倩等[26]研究表明，土壤有机质含量与土壤含水量呈正显著相关；Amador et al[27]也发现，土壤水分和有机碳等养分之间的有机耦合是通过水分影响土壤微生物及其与养分间的生态交互作用而引起.可见，土壤含水量较低可能是造成研究区有机质含量较低的原因之一.

本研究结果显示，樟子松林地和草地的土壤肥力处于中级水平，可能是由于樟子松林地覆盖度高，且地面累积了较多凋落物和腐殖质，草地根系浅，土壤养分消耗较低，且地面枯草层较厚；紫穗槐林地和柠条林地土壤肥力处于低级水平，可能是由于紫穗槐和柠条根系发达，土壤养分消耗较快，且灌木林地覆盖度低，阳光直射使得地表土壤温度较高，水分散失和呼吸过程加剧，进而导致土壤养分缺乏[19].

土壤肥力是保持林地生产力的基础，科学准确地判断土壤肥力是指导生态恢复的重要环节之一[28].目前，已有多种数学模型应用于土壤肥力的评价，但同一研究对象采用不同评价方法可能得到不同结果[29].本研究采用的评价方法单一，所得结果有待于通过多种评价方法进行优化.