库布齐沙漠北缘不同人工灌木林地土壤肥力质量状况

刘 江，袁 勤*，张立欣，代香荣，刘向阳，丁 茹，叶丽娜

(1.亿利资源集团有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017400；2.内蒙古库布其沙漠技术研究院，内蒙古 鄂尔多斯 017400)

土壤质量指的是对于一种特定类型的土壤，其在自然或有管理的生态系统边界内维持动植物的生产力，提高水和空气的质量，并保障人类的健康生活的能力[1]。土壤质量能够表征土壤条件动态的敏感变化，反映土壤管理水平，对退化土地的恢复、区域土地资源管理和土地持续利用具有重要意义[2]。不同林地由于主要植被群落不同，其对土壤系统的作用与调控也不同，土壤质量存在差异。学界常用的土壤质量评价方法包括土壤质量指数法[3]、主成分分析法[4]、隶属函数法[5]和模糊关联法[6]等，由于土壤质量评价目的和评价对象尺度不同，评价工作复杂，土壤质量评价的统一标准仍未建立[7]。

库布齐沙漠位于河套平原黄河“几”字弯的黄河南岸，南为鄂尔多斯高原，是中国第七大沙漠。许多研究关注于库布齐沙漠旱生灌木的耗水特征[8]、生物量[9]、叶解剖结构和耐旱特征[10]。在土壤质量方面，张立欣等[11]研究了库布齐沙漠准格尔旗布尔陶亥苏木柠条、沙柳、杨柴等人工固沙灌木林土壤微生物量与土壤养分特征，聂素梅等[12]研究了库布齐沙漠植被特征与土壤营养状况，张立欣等[11]研究了库布齐沙漠不同植被类型群落特征与土壤有机质、全氮、含水量关系，这些研究中，仅有张立欣等[11]采用主成分分析法对灌木林地土壤质量进行综合评价。将具备连续性质的隶属度函数用于计算土壤肥力质量综合指数(IFI)被许多学者用于土壤质量评价[13]，本研究采用该方法，选择库布齐沙漠北缘独贵塔拉段花棒林、柠条林、沙柳林和杨柴林为对象，以流沙地为对照，研究不同灌木林地土壤理化和生物学特征，并对土壤质量进行综合评价，以期为库布齐沙漠植被恢复重建及其造林模式优化提供参考。

1 研究区概况

研究区地处库布齐沙漠北缘的杭锦旗独贵塔拉镇沿黄公路两侧，地理坐标为108°31′34″E，40°36′58″N，海拔1 020 m。该区属于典型中温带大陆性干旱气候，昼夜温差大，季节变化较为显著，冬季寒冷干燥，夏季温暖少雨，初春时有沙尘暴发生。研究区年均气温9.4℃，极端最高气温38.1℃，极端最低温-30.5℃，年均日照时数3 087.4 h，>10℃积温年均值为3 198.3℃。多年平均降水量为186 mm，降水集中于7-9月，占全年降雨量的70%，年均蒸发量为2 980 mm，蒸发量最大值出现在5-6月，月均达432 mm以上。无霜期约140 d，年均风速3.2 m/s，年大风天数25～35 d。相较于库布齐沙漠腹地，研究区地下水位较高，植被种类较为丰富，覆盖度较大，植被主要由沙柳(Salixpsammophila)、甘草(Glycyrrhizauralensis)花棒(Hedysarumscoparium)、柠条(Caraganakorshinskii)、杨柴(Hedysarumfruticosum)和猪毛菜(Salsolacollina)等沙生灌草组成。

2 研究方法

2.1 试验设计与采样

在库布齐沙漠北缘独贵塔拉镇选择花棒、柠条、沙柳和杨柴4种灌木林地以及流沙地作为样地，同一样地在典型地段随机设置5个平行采样点。在各个采样点用土钻取0～30 cm层土样，弃去动植物残体后混合均匀，装入对应编号的无菌样品袋。用于理化性质和酶活性测定的样品在实验室风干保存，用于分析土壤微生物的样品冷藏保存。

表1 样地基本信息

2.2 测试方法

2.2.1 土壤理化性质 土壤容重、总孔隙度、田间持水量、蒸发速率和入渗率均用环刀法测定，土壤含水量用烘干法测定，电导率用电导法测定，土壤pH值用电位法测定，有机质用重铬酸钾容量法测定，速效氮用碱解扩散法测定，速效钾用NH4OAc浸提-火焰光度法测定、速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法[14]。

2.2.2 土壤微生物数量 细菌、真菌与放线菌数量测定均采用稀释平板法进行分离[15]，其中，细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂平板表面涂布法，真菌采用马丁氏(Martin)孟加拉红培养基平板表面涂布法，放线菌采用改良高氏Ⅰ号合成培养基平板表面涂布法。

2.2.3 土壤酶活性 脲酶活性用苯酚钠次氯酸钠显色法测定(以24 h后1 g土中NH4+-N的ug数表示)，脱氢酶用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法测定(以24 h后1 g土壤生成TTC的ug数表示)，磷酸酶用磷酸苯二钠比色法测定(以24 h后1 g土壤中释放出的酚的ug数表示)，蔗糖酶活性用3，5-二硝基水杨酸比色法测定(以24 h后1 g土中葡萄糖的mg数表示)，多酚氧化酶用邻苯三酚比色法测定(以2 h后1 g土壤中紫色没食子素的毫克数表示)[16]。

2.3 数据统计与分析

数据统计和绘图使用Excel 2003，主成分分析、单因素方差分析、Duncan多重比较以及双变量相关性分析均使用SPSS 18.0。

2.4 土壤肥力质量评价方法

选择0～30 cm土层各肥力因子的测定值作为评价指标的原始数据，采用主成分分析法，建立库布齐沙漠北缘不同林地土壤肥力质量综合评价指标体系，其中，土壤物理指标包括含水量、入渗率和容重等，化学指标包括pH值、电导率和有机质等，生物学性质包括微生物数量(细菌、真菌、放线菌)和土壤酶活性(脱氢酶、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、磷酸酶)。土壤肥力质量综合指数(IFI)是土壤各指标因子的综合，由于各肥力因子变化具有连续性质，利用具有连续性质的线性赋分函数对各评价指标进行赋分，计算得出的赋分值范围为0～1。

降型线性赋分函数表达式为：

F(Xij)=(Ximax-Xij) /(Ximax-Ximin)

(1)

升型线性赋分函数表达式为：

F(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

式中，F(Xij) 表示各肥力因子的隶属度值，Xij表示各肥力因子值，Ximax和Ximin分别表示第i项肥力因子中的最大值和最小值。

由于土壤各肥力因子的贡献和重要性不同，通常用权重系数表示各因子的重要性程度。本研究用主成分分析法来计算公因子方差，其值大小表示指标对总体变异的贡献，将各个公因子方差占公因子方差总和的百分数作为各肥力因子的权重值Wi。根据加乘法则，对各个肥力指标值进行乘法合成，计算不同灌木林地土壤肥力的综合指标值(IFI)[13]：

IFI=∑[Wi×F(Xij)]

(3)

式中，Wi表示各肥力因子的权重，F(Xij)表示各肥力因子的隶属度值。

3 结果与分析

3.1 不同人工灌木林地土壤物理性质

由表1可知，不同灌木林地0～30 cm层土壤含水量差异显著，其大小顺序为花棒/柠条/沙柳>杨柴>流沙地，花棒、柠条和沙柳林土壤含水量显著大于杨柴林，杨柴林土壤含水量显著大于流沙地。花棒、柠条、沙柳和杨柴林间土壤入渗率无显著差异，但均显著高于流沙地。杨柴和流沙地土壤容重无显著差异，但均显著高于花棒、柠条和沙柳林，花棒、柠条和沙柳林间土壤容重较为接近。所有林地土壤田间持水量中，除沙柳林明显大于杨柴外，其他林地间均无显著差异。花棒、柠条和沙柳林地间土壤总孔隙度无显著差异，三者均显著大于杨柴林地和流沙地，杨柴林地和流沙地间无显著差异。流沙地与其他4种林地土壤的蒸发速率存在显著差异，介于2.85～5.78 mm/d，其大小顺序为流沙地>花棒/沙柳>柠条>杨柴。

表1 不同灌木林地土壤物理性质

3.2 不同人工灌木林地土壤化学性质

由图1可知，各林地土壤pH 7.63～8.69，土壤均偏碱性，各林地土壤碱性的大小顺序为流沙地>柠条/沙柳>杨柴>花棒。柠条林地土壤电导率显著大于花棒林和杨柴林，其他林地间无显著差异。4种林地间土壤速效N含量平均值为41.73 mg/kg，相互间无显著差异，但均高于流沙地。花棒林地和杨柴林地间土壤速效P含量差距较小，均显著高于柠条林地、沙柳林地和流沙地，柠条林地、沙柳林地和流沙地间无明显差异。流沙地土壤速效K含量显著低于花棒林地和杨柴林地，花棒林地和杨柴林地速效K含量显著低于柠条林地和沙柳林地。 各林地土壤有机质含量大小顺序为花棒>沙柳>杨柴>柠条>流沙地，其中，4类林地土壤有机质含量平均值为4.65 g/kg，相互间无显著差异，流沙地土壤有机质含量显著低于4类林地。

图1 不同灌木林地土壤化学性质

3.3 不同人工灌木林地土壤酶活性

由表2可知，柠条林地土壤脱氢酶活性>50 μg/g，显著高于花棒、沙柳和杨柴林地，花棒、沙柳和杨柴林地间无显著差异，流沙地土壤脱氢酶活性最低。除杨柴林地和流沙地间无明显差异外，其他各林地间土壤脲酶活性差异显著，其大小顺序为柠条>沙柳>花棒>杨柴>流沙地，柠条林地土壤脲酶活性为其他林地的5～18倍。柠条林地土壤蔗糖酶活性与沙柳林地较为接近，两者均显著高于杨柴林地，杨柴林地土壤蔗糖酶活性显著高于流沙地。各林地间多酚氧化酶活性均存在显著差异，流沙地、花棒林、杨柴林、柠条林和沙柳林地间多酚氧化酶活性的比例关系分别为1∶2∶3∶4∶5，沙柳林地酶活性最高，约为酶活性最低的流沙地的5倍。与土壤脲酶活性相同，各林地间磷酸酶活性大小顺序也为柠条>沙柳>花棒>杨柴>流沙地，其中，柠条林地和沙柳林地间无明显差异，两者均显著高于花棒林地，花棒林地则显著高于流沙地。

表2 不同灌木林地土壤酶活性

3.4 不同人工灌木林地土壤微生物数量

由图2可知，各林地土壤细菌和放线菌数量的大小顺序均为柠条>沙柳>花棒>杨柴>流沙地，细菌数量比例关系分别为28∶21∶15∶13∶1，放线菌数量比例关系分别为24∶18∶8∶8∶1；其中，柠条林地土壤细菌和放线菌数量均显著大于花棒林地、杨柴林地和流沙地，而沙柳林地、花棒林地和杨柴林地显著大于流沙地。流沙地土壤真菌数量显著低于4类灌木林地，4类灌木林地间土壤真菌数量则无明显差异。

图2 不同灌木林地土壤微生物数量

由图3可知，在3大类微生物中，4种灌木林地和流沙地土壤放线菌数量所占比例最大，为57%～70%；土壤细菌数量所占比例次之，为28%～42%；土壤真菌数量所占比例最低，为1%～2%。土壤3大类微生物数量所占百分比在4种灌木林地间均无显著差异，4种灌木林地中土壤细菌数量所占百分比均显著高于流沙地，4种灌木林地中土壤真菌和放线菌数量所占百分比均显著低于流沙地，其中，流沙地土壤真菌数量所占百分比为灌木林地的2倍。

3.5 土壤肥力质量分析

采用线性赋分函数对评价指标进行赋分，其中，含水量、总孔隙度、入渗率、田间持水量、有机质、速效N、速效P、速效K、细菌、真菌、放线菌、脱氢酶、脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和磷酸酶属于指标含量越多越好型的土壤指标，采用升型线性赋分函数；容重、电导率、pH值和蒸发速率属于指标含量越少越好型的土壤指标，采用降型线性赋分函数。由表3可知，采用主成分分析得到各指标的权重值表明，磷酸酶、田间持水量和脱氢酶等指标的权重值均高于0.050，属于高权重指标，其中磷酸酶的权重最大，为0.059；容重、多酚氧化酶和放线菌等指标的权重值位于0.050～0.042，属于中等权重指标；有机质和真菌的权重值均<0.040，属于低权重指标。由图4可知，流沙地土壤肥力质量表征指数IFI为0.24，显著小于4类林地；各林地IFI值大小为柠条林地(0.59)>沙柳林地(0.53)>花棒林地(0.47)>杨柴林地(0.39)，柠条林地IFI值显著大于花棒林地，沙柳林地IFI值显著大于杨柴林地。

4 结论与讨论

4.1 人工灌木林建植对土壤理化因子的影响

灌木作为干旱、半干旱荒漠区植物群落的主要建群种和基础资源，对于减轻自然侵蚀、遏制荒漠化、保护自然环境和维系干旱荒漠区生态环境稳定具有重要保障作用[17]。土壤和植被是陆地生态系统的重要组成部分，杨万勤等[18]认为，植物与土壤间存在着一个物质交换的界面——植物-土壤界面，其主要包括根-土界面和土壤-凋落物界面，土壤-凋落物界面是生态系统内物质循环与能量流动最为活跃的场所；植物通过根系与土壤连成一个整体，与土壤进行着各种物质代谢从而影响其理化和生物学性质[19]。本研究中，花棒、柠条、沙柳和杨柴4类灌木林地的土壤含水量、入渗率、田间持水量和总孔隙度总体上大于流沙地，4类灌木林地的土壤容重和蒸发速率均小于流沙地，这表明人工灌木林建植改善了沙地土壤物理特性，其中，建植花棒、柠条和沙柳能显著改善除土壤田间持水量外的物理因子，建植杨柴能显著改善土壤含水量、入渗率和蒸发速率。

表3 各指标权重值

图4 不同灌木林地土壤肥力质量

人工固沙灌木林的建植和发育增加了沙面地表粗糙度，增加了土壤黏粉粒含量，进而改变了土壤容重、通气状况和保水能力，增加了土壤养分的储量[20]。本研究中，与流沙地相比，建植花棒、杨柴、柠条和沙柳能显著降低土壤pH值，增加土壤速效N、速效K和有机质含量，对土壤盐分状况无明显改善，建植花棒和杨柴能显著增加土壤速效P含量。建植不同灌木林对土壤养分的改善程度并不相同，这是因为土壤养分含量受植被类型影响，植被群落不同，土壤养分的累积和分布也不同，不同植被水平特征与土壤养分特征存在明显正相关关系[21-22]。由于研究区域不同，本研究中流沙地、柠条林地和沙柳林地的土壤有机质、速效N和速效P含量均普遍高于张立欣等[11]在库布齐沙漠准格尔旗段的研究结果。

4.2 人工灌木林建植对土壤生物学因子的影响

土壤酶主要来自于微生物、土壤动物及其遗骸、植物活体及其残体，是土壤生态系统代谢的重要动力和基础，在有机质腐解、养分循环与迁移等代谢反应中起着非常重要的作用，是土壤质量的潜在性敏感指标[16,23]。李亮等[23]研究认为乌兰布和沙漠东北部人工乔、灌林地的土壤酶活性比荒漠地强，土壤生物学性质得到改善。本研究中，4类人工灌木林地的各酶活性均大于流沙地，表明灌木林的建植增强了土壤酶活性。尽管荒漠生态系统干旱少雨，生态系统极其脆弱，植物群落形成的凋落物及其分解合成的有机质较少，且分解速率较慢[17]，但人工灌木林的建植无疑增加了土壤中的有机质含量，尤其在本研究区各灌木林地群落盖度均在40%以上的情况下，这是土壤酶活性增强的物质基础。对于人工灌木林建植增强土壤酶活性的作用，不同灌木林间存在差异，总体而言，柠条林地和沙柳林地的建植对土壤酶活性影响较大，花棒林地和杨柴林地的建植对土壤酶活性影响较小。除了植被类型外，土壤酶活性的高低还与土壤类型及肥力水平、土壤微生物数量及种类、酶类本身的性质和季节变化等有关[24-26]。

土壤微生物是土壤中物质转化和养分循环的驱动力，直接参与养分循环和有机质分解等诸多生态过程，是表征土壤质量最有潜力的敏感性指标[2,27]。李亮等[23]认为乌兰布和沙漠东北部沙区人工乔、灌林地的土壤微生物数量比荒漠地增加，本研究中，4类人工灌木林3大类微生物数量显著多于流沙地，且4类人工灌木林和流沙地的土壤微生物数量与乌兰布和沙漠处于同一数量级。本研究中柠条和沙柳林地土壤微生物数量多于花棒和杨柴林地；许多学者研究表明，不同林地类型的土壤微生物组成、数量和分布存在差异，且微生物总数整体表现为灌木林地多于乔木林地[11,23]，这与不同林地类型因枯落物不同而导致土壤养分存在差异有关。各类人工灌木林地和流沙地土壤中放线菌数量最多，细菌数量次之，真菌数量最少；而乌兰布和沙漠东北部沙区则是细菌最多，放线菌数量次之[23]。

土壤微生物和酶具有较为密切的联系，两者是土壤生态系统代谢的重要动力，也是土壤质量评价的重要指标[28]。本研究中，细菌、真菌与放线菌间无显著相关性；磷酸酶与脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶呈极强正相关，蔗糖酶与脲酶、多酚氧化酶间极显著正相关；细菌除了与脱氢酶相关性较低外，与其他酶均极显著正相关；真菌仅与多酚氧化酶显著负相关；放线菌与脲酶、蔗糖酶、磷酸酶显著正相关。

表4 土壤微生物与土壤酶活性间的相关性矩阵

4.3 不同人工灌木林地土壤肥力质量评价

森林土壤是森林生态系统的组成成分，是森林生长发育、繁衍生息的物质基础，对系统内外物质的重新分配起着调节作用[29]。森林土壤质量是森林土壤物理性质、化学性质和生物性质的综合反映；当前国内外的土壤质量评价方法众多，统一的评价标准至今仍未建立。本研究采用综合指数法对库布齐沙漠北缘4种类型人工灌木林地和流沙地土壤进行了质量评价，结果表明，各人工灌木林地和流沙地土壤肥力高低为柠条林地>沙柳林地>花棒林地>杨柴林地>流沙地，不同人工灌木林的建植均能提高流沙地土壤肥力质量，其中营造柠条林对提高土壤肥力质量效果最好。

在进行土壤质量评价时，指标的选取、数据标准化和指标权重的确定是三大关键环节。高娃等[30]利用主成分分析和相关性分析方法从32项指标中筛选出2～5 mm团聚体有机碳、全盐量、饱和含水量、细菌、铵态氮和氯离子等6个指标。指标隶属度值的求法较多[13,31]，通常根据各指标负荷量的正负将指标分越多越好型和越少越好型；当最终筛选出1个主成分时，则直接判断负荷量的正负；当最终筛选出多个个主成分时，则需对各主成分的载荷进行加权[32]。公因子方差、载荷值和标准差是计算指标权重的常用途径[31-34]。因此，基于不同指标体系、数据标准化方法以及指标权重的确定方法针对同一数据矩阵进行比较研究对开展土壤质量综合评价具有一定指导意义。