晋南丘陵沟壑区不同退耕年限刺槐林土壤养分含量变化

郝小玲,周佳佳,张咪咪,吴 洁,张粉果,王永吉

(山西师范大学 生命科学学院,山西 临汾 041004)

黄土高原是世界上水土流失最严重的地区之一,生态环境极其脆弱,其环境的改善治理问题一直以来备受人们关注。由于当地长期放牧,滥砍滥伐等人为活动以及自然灾害等事件频发,造成其土壤生产力急剧下降,对生态环境造成了极其严重的影响[1]。治理表层土流失等生态环境问题,需要抓住问题的关键,应当把生态功能的恢复作为生态恢复的主要目标[2-3]。近年来，该区域实施了大面积的退耕还林工程,以改善退化生态环境,促进生态恢复[4-5]。土壤作为独立、完整而又开放的生态系统,承担着植物生长发育过程中水分和矿物质供给者这一重要角色,同时土壤养分是植被生长的基础,土壤养分的变化直接影响植物的生长,是衡量土壤质量的重要指标[6]。为有效改善土壤肥力,促进黄土丘陵沟壑区人工林的可持续发展,选取既能适应当地生态条件,又能改善土壤养分状况的树种至关重要[7-10]。

刺槐(Robiniapseudoac)属于豆科植物,可自身固氮,为土壤提供一定的氮源,从而改善土壤肥力[11]。刺槐为浅根性植物,木质好、适应性强、生长迅速、育苗成本低、根蘖更新能力强,可以有效扩展地表覆盖面,侧根以及须根扩展能力强,植株间根系交织成网状可以在劣质土壤与沙化土壤中正常生长,有效地减缓土壤表层的流失[12-14]。本文以晋南典型丘陵沟壑区的刺槐林作为研究对象,对不同退耕年限的人工刺槐林土壤养分含量变化进行研究,探究人工刺槐林对改善土壤养分的作用,以期为黄土高原典型丘陵沟壑区构建适宜植被恢复模式提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省运城市平陆县圣人涧镇，地理位置为34°53′47″～34°53′59″ N,111°6′02″～111°15′50″E。属于暖温带大陆性季风气候,年平均温度13.8℃,最热在7月,极端温度超过40℃,1月的平均温度最低,年降雨量在600mm左右,无霜期为238d,在冬季多西北风,其他季节多东南风,年平均日照为2 272h。该区属于典型的黄土丘陵沟壑区,地形破碎,黄土母质,土层深厚。

1.2 样地设置与土壤测定

1) 样地设置。在不同退耕年限的林分中分别设3块样地,样地面积设为20m×20m,共计12样地。对样地进行每木检尺,记载每株树的胸径、树高、树龄、郁闭度、海拔、坡度、坡向与密度,具体统计结果如表1所示。

在样地的对角线上均匀布设3个土壤抛面调查点,用土钻在0～60cm 土层深度,分别在0～10cm,10～20cm,20～30cm,30～40cm,40～50cm,50～60cm这6个土层分别取样,过2mm孔径土壤筛,用四分法取部分土壤,分别收取1mm和0.25mm土样,装袋密封待测。所测土壤养分指标包括有机质、pH、全氮、全磷、氨氮、硝氮、速效磷、速效钾。

2) 土壤测定。pH采用水浸提-酸度计法测量；全氮采用半微量开氏法测量；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；氨氮与硝氮采用硫酸-混合加速剂消煮-蒸馏法与碱解扩散法测量；速效磷采用NH4F-HCl 浸提-钼锑抗比色法测量；速效钾采用NH4OAc 浸提-火焰光度法测量；有机质的含量采用重铬酸钾容量法测量。

1.3 数据统计分析

用Excel进行数据预处理；运用SPSS 20.0对土壤养分指标进行ANOVA分析,运用LSD法来检验同退耕年限不同土层深度或同土层深度不同退耕年限的刺槐林样地土壤养分指标的差异显著性(α=0.05)。

表1 调查样地植株基本参

2 结果与分析

土壤pH的高低会影响土壤肥力,从而影响植物生长。由表2可知在一定恢复年限的刺槐林中,随土层深度增加,pH值总体呈现升高趋势,但差异不显著。随年限增长0～60cm土层深度下土壤pH值总体呈降低趋势,差异显著。并且退耕年限为17年的刺槐林土壤pH显著低于其他年限,这表明刺槐林可有效改善土壤pH。

表2 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的pH变化

由表3可以看出一定退耕年限下刺槐林的土壤氨氮含量随土层深度增加而增加且差异显著。在退耕年限4年,土层深度为30～40cm时达到最大,退耕年限17年各土层深度氨氮含量均达到最低值。不同退耕年限刺槐林在同土层深度下,土壤氨氮含量有显著降低趋势,退耕年限17年的刺槐林土壤氨氮含量显著低于其他年份。

硝氮含量同样是测定土壤肥力的重要指标。由表4可知,一定恢复年限不同土层深度下土壤硝氮含量差异显著,退耕年限为4年土层深度为30～40cm时达到最大,而在退耕年限为13年的刺槐林中,土层深度为40～50cm时达到最低。不同退耕年限的刺槐林,在同一土层深度下土壤硝氮含量差异显著,并呈现降低趋势。

由表5可知,土壤速效磷含量在一定年限下不同土层深度差异显著,在退耕年限为13年土层深度为0～10cm时达到最大值。在同一土层深度不同退耕年限比较时,土壤速效磷含量随年限增加而增加,在退耕年限为4年和9年间差异显著,而在退耕年限为13年和17年间差异不显著。

表3 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的氨氮变化

表4 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的硝氮变化

表5 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的速效磷变化

土壤中的速效钾是钾素的重要组成成分,在植物呼吸作用,蛋白质代谢过程中具有重要作用,同样也是土壤肥力的重要指标。由表6可知,相同年限不同土层深度比较,土壤速效钾含量差异显著,在退耕年限为9年时,各土层深度下土壤速效钾含量差异不显著。在退耕年限为4年的刺槐林中,土层深度为20～30cm时土壤速效钾含量达到最大值。不同退耕年限相同土层深度比较时,土壤平均速效钾含量差异显著,并随年限增加呈现降低趋势。

由表7可知,相同年限不同土层深度土壤的全氮变化情况差异显著,在退耕年限为17年的刺槐林中,土层深度为0～10cm深度时达到最大值；相同土层深度不同退耕年限比较,刺槐林的全氮含量随年限增加而增加,但差异不显著。

由表8可知,同退耕年限不同土层深度下,在退耕年限为4年与17年的刺槐林土壤全磷变化差异显著,而在退耕年限9年与13年间变化不显著；相同土层深度不同退耕年限比较,土壤全磷含量随年限增加呈现降低趋势。

由表9可知,相同土层深度不同退耕年限比较,刺槐林土壤有机质变化差异显著,并且含量随退耕年限增加而增加,这表明种植刺槐林能够有效改善土壤养分,对黄土高原丘陵沟壑区的土壤环境治理,具有积极意义。

表6 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的速效钾变化

表7 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的全氮变化

表8 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的全磷变化

表9 不同退耕年限下种植的刺槐林土壤的有机质变化

3 结论与讨论

1) 土壤pH影响植物根系发育扩展,易使植物吸收养分不足,从而很难成活[15]。研究表明,在一定土层深度下,随退耕年限增加,刺槐林土壤pH总体呈现降低趋势。种植刺槐林可以有效改善土壤pH,对土壤恢复以及植物成活具有积极作用。氨氮含量也得到明显控制,氨氮含量过高会对生态环境产生一定的危害。退耕17年的刺槐林土壤中氨氮含量明显降低,不同退耕年限间土壤氨氮含量差异显著,在退耕年限为17年土层深度为30～40cm时最低。土层中硝氮含量在相同年限不同土层深度下差异显著,相同土层深度不同退耕年限比较,土壤硝氮含量随退耕年限增加呈现降低趋势。

2) 土壤磷素对植物生长代谢产生重要影响[16],速效磷作为有效磷中最易被植物吸收利用的磷,是衡量土壤肥力的重要标准之一[17]。研究表明土壤速效磷含量在不同年限相同土层深度下差异显著,且随退耕年限增加而增加。

3) 钾素是植物生长不可缺少的养分之一,测定速效钾的含量可以判断土壤的供钾水平,评价土壤肥力[18]。研究显示,相同年限不同土层深度情况下,土壤速效钾含量差异普遍显著,在退耕4年土层深度为20～30cm时土壤速效钾含量达到最大值,这表明刺槐林的种植可以有效改善晋南典型丘陵沟壑区土壤速效钾含量水平。

4) 全氮含量可体现土壤供氮水平,土壤全氮含量与土壤有机质含量呈正相关关系[19]。研究表明,退耕年限相同,土层深度不同的土壤全氮含量变化差异显著；土层深度相同退耕年限不同时的土壤全氮含量随年限增加而增加,但差异并不显著。土壤有机质是土壤养分的重要指标,作为植物营养的主要来源之一,它可以有效地促进植物生长发育,提高土壤肥力[20]。样地所选的不同退耕年限的刺槐林中土壤有机质含量随退耕年限增加呈现增加趋势,表明刺槐可以有效促进土壤有机质的生成,改善土壤环境,这与之前诸多研究结果一致[21-25]。本文研究发现,不同退耕年限的刺槐林使土壤养分指标都有所改善，表明刺槐林在植被恢复,改良土壤结构,改善土壤养分状况具有良好效果,具有较大应用潜力。