平茬对毛乌素沙地飞播杨柴林土壤养分与颗粒组成的影响

李卓凡，杨海峰，白 艳，杨 芹，高孝威，

李梓豪1,2，洪光宇1,2，张 雷1,2，王晓江1,2

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010010； 2. 内蒙古大青山森林生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 呼和浩特 010010； 3. 内蒙古自治区林业和草原有害生物防治检疫总站，内蒙古 呼和浩特 010010； 4. 内蒙古阿拉善左旗林业和草原病虫害防治检疫站，内蒙古 阿拉善左旗 750300)

杨柴(Hedysarummongolicum)具有耐旱、耐寒、耐高温、耐瘠薄、抗风沙等特点，是沙区飞播造林的主要树种[1]。飞播杨柴林多以纯林为主，其林分密度较高，飞播多年后杨柴长势衰退，自然枯死严重，生产力下降[2]。平茬抚育是灌木林经营管理中重要手段之一，针对灌木林平茬抚育已有很多相关研究，多集中于植物生长变化情况，如闫志坚等[3]研究表明，平茬植株基部新生枝条数比未平茬植株增加 1.91 倍，平茬不仅复壮植株个体，提高产量，而且提高家畜可食部分的比例；张锦春等[4]对人工梭梭(Haloxylonammodendron)进行全平茬处理后，明显促进了梭梭枝条生长和萌发；刘伟等[5]研究表明平茬2 a不同留茬高度处理柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)的株高、冠幅和地径均随时间增加呈增长趋势；王霞等[6]探讨了柽柳(Tamarixramosissima)在全面平茬、团状平茬、隔株平茬3种方式下生长状况的差异性；郑士光等[7]研究认为平茬不仅可以促进植物地上部分生长，还可以大幅度提高植物根系的生长。但针对平茬抚育后灌木林地土壤养分及颗粒组成变化特征的研究则较少，而土壤理化性质与植被恢复具有重要相关性[8]。本文以毛乌素沙地飞播杨柴林为研究对象，选取4种预留盖度的平茬抚育林，并以未平茬杨柴林为对照，分析平茬抚育后土壤有机质、全氮、速效养分以及土壤颗粒组成的变化特征，旨在为杨柴林分结构调控和可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地东南部乌审旗乌兰陶勒盖治沙站境内，地理坐标为38°51′57″N，109°15′34″E，海拔1 307 m 。该地区属温带大陆性季风气候，年平均气温6～8 ℃，全年日照时长2 000～3 000 h，年降水量350～400 mm，多集中在7—9月，年蒸发量2 200～2 800 mm，无霜期125～135 d，年平均风速 3.5 m·s-1，大风多出现在4—5月，以西北风为主。研究区主要有杨柴、北沙柳(Salixpsammophila)、油蒿(Artemisiaordosica)、花棒(Hedysarumscoparium)、柠条锦鸡儿等旱生灌木[9-10]。

2 研究方法

2.1 试验设计

选择沙地迎风坡2002年飞播造林的杨柴林样地，2018年5月开展不同预留盖度的带状平茬试验。试验样地大小均为40 m × 50 m，留茬高度均为0 cm。作业区平茬处理前灌木平均高度 67.89 cm，平均地径 5.00 mm，平均株数 14.17 株·m-2，平均枯枝率 45.38%。根据前人研究成果[11-13]，选择预留盖度 10%(T1)、20%(T2)、30%(T3)、40%(T4)4种平茬强度，即保留带宽为1 m，平茬带宽分别为 9.0 m、4.0 m、2.5 m和 1.5 m。同时，以未平茬杨柴林作为对照(CK)。

2.2 样品采集

2019年9月，分别在T1、T2、T3、T4样地平茬带内，根据杨柴生长状况选择具有代表性的3个位置开挖剖面，按0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm土层，分别采集土壤样品500 g，每土层取3个重复样品，装入自封袋并带回实验室，充分风干后，过60目土壤筛去除植物残体等杂质，测定土壤有机质、全氮、速效氮、速效磷、速效钾含量。各土层另采集土壤样品500 g，供土壤颗粒组成测定。

土壤有机质采用外加热-重铬酸钾容量法测定；全氮采用元素分析仪测定；速效氮采用碱解扩散法测定；速效钾采用醋酸铵溶液浸提，原子吸收仪测定；速效磷采用碳酸氢钠溶液浸提，分光光度计比色测定。采用CLY-2000激光粒度分析仪测定土壤机械组成，根据国际制土壤质地分级标准，将土壤颗粒组成划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)和砂粒(0.05～1.0 mm)3级[14-15]。

2.3 数据处理

通过Excel 2016对数据进行整理，使用 SPSS 19.0统计分析软件对数据进行单因素方差分析，表中数据均采用“均值 ± 标准差”的表示形式。

3 结果与分析

3.1 不同平茬强度样地土壤养分变化特征

3.1.1土壤有机质、全氮变化特征

由表1可知，飞播杨柴林不同平茬强度0～20 cm土层土壤有机质含量差异不显著，其中T3平茬强度最高，较CK提高了 6.29%，T1、T2和T4平茬强度土壤有机质含量低于CK。不同平茬强度与CK差异不显著，这可能是由于平茬后，环境的改变促进了土壤微生物的活动，加速了土壤有机质的分解，当平茬为T3强度时土壤有机质的增加量高于其他平茬强度。研究发现，T1、T2和T3平茬强度0～20 cm土层土壤全氮含量显著高于CK，其中T2平茬强度对提高土壤全氮含量效果最好，较CK提高了 137.50%。这可能是因为杨柴为豆科灌木，根系长有根瘤具有较强的固氮功能，平茬促进了杨柴根系的萌蘖生长，从而提高了固氮能力。

垂直剖面结构上，土壤有机质含量0～5 cm土层显著高于其它土层，其中T3平茬强度最高，较CK提高了 17.64%；平茬提高了 5～10 cm土层土壤有机质含量，T1、T3和T4略优于CK，其中T4平茬强度高于CK 44.09%。土壤全氮含量T2平茬强度各土层均为最高，且显著大于CK；T1、T2和T3平茬强度0～5 cm土层土壤全氮含量显著高于其他土层。土壤有机质、全氮含量总体上随土层深度的增加呈下降趋势，土壤养分表现出一定的表聚效应，这与前人研究结果相一致[16-18]。

表1 不同平茬强度样地土壤有机质、全氮变化特征Tab.1 Variation characteristics of soil organic matter and total nitrogen in different stubble intensity plots

3.1.2土壤速效养分变化特征

由表2可知，飞播杨柴林不同平茬强度间速效氮含量差异较小，在 8.51～9.85 mg·kg-1范围；T1平茬强度速效磷含量为 2.25 mg·kg-1，T2、T3和T4平茬强度含量较少，均在2 mg·kg-1以下；T1和T3平茬强度速效钾含量在40 mg·kg-1以上，T2平茬强度含量最少。垂直剖面结构上，不同平茬强度和CK在0～5 cm土层的速效氮、速效磷含量均高于其他土层，其中T1、T3和T4平茬强度0～5 cm土层速效磷含量与其他土层差异显著。不同样地土壤速效钾含量主要集中在0～10 cm土层内，垂直剖面结构上没有明显的规律性。不同平茬强度土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量均低于CK，这可能是由于衰退杨柴林枝条老化，生产力下降，而平茬后灌木根系生长及土壤微生物活动较为活跃，杨柴充分吸收利用土壤养分，提高其生长量，增加了灌木林单位面积内株丛数量、活枝数量和生物量[7,11,17-18]。

表2 不同平茬强度样地土壤速效养分变化特征Tab.2 Variation characteristics of soil available nutrients in different stubble intensity plots

3.2 不同平茬强度样地土壤颗粒组成变化特征

由表3可知，飞播杨柴林平茬抚育能够提高土壤黏粒和粉粒含量，在0～20 cm土层深度内较CK分别提高了 74.43% 和 37.43%，砂粒含量降低了 2.17%。 T2、T3和T4平茬强度能够提高土壤黏粒和粉粒含量，降低粗砂粒含量，其中T2平茬强度效果最好，黏粒和粉粒含量较CK分别提高了 205.68% 和 144.97%，砂粒含量降低了 7.65%。垂直剖面结构上，平茬抚育可提高0～10 cm土层黏粒和粉粒含量，不同强度平茬后0～5 cm土层黏粒和粉粒含量较CK分别提高了 105.87% 和 52.70%，5～10 cm土层提高了 105.63% 和 82.11%，其中T2平茬强度增加量均最大。黏粒和粉粒含量总体上随土层深度增加而减少，砂粒含量随土层深度增加而增加。这可能与灌木林单位面积内株丛数量和活枝数量以及冠幅等生长特征有关，CK枯枝率较高，衰退严重，灌丛疏透度较大，风蚀作用相对强烈，土壤细粒物质被吹蚀。杨柴林平茬后可增加单位面积株丛数量和活枝数量[11]，降低了疏透度，同风速下可以有效减弱风蚀，使大量的风积物质沉降在土壤表层，而预留盖度10%则可能是平茬强度较大，风蚀作用较强，土壤黏粒和粉粒含量减少较多，这与已有研究结果基本一致。如卞莹莹等[18]研究结果表明，柠条锦鸡儿人工林平茬后砂粒含量减少了 3.29%，粉粒和黏粒含量分别增加了 1.93% 和 10.53%；张小菊等[19]研究发现，各平茬处理土壤粒径组成均以粉粒、极细砂粒、细砂粒为主，含量分别在 24.05%～39.39%、23.02%～28.32%、25.62%～38.62%，并认为保留3带平茬3带模式更适宜于宁夏荒漠草原饲用柠条锦鸡儿林的平茬复壮，其土壤粉粒含量较未平茬林增多，黏粒含量随土层加深而减少。

表3 不同平茬强度样地土壤粒径组成变化特征Tab.3 Variation characteristics of soil particle size composition in different stubble strength plots

4 结论

(1)毛乌素沙地飞播杨柴林预留盖度10%～30% 平茬提高了0～20 cm土层土壤全氮含量，预留盖度20% 平茬较对照提高了 137.50%；平茬对土壤有机质含量影响不显著，预留盖度30% 平茬较对照提高了 6.29%；4种平茬强度土壤速效养分含量均小于对照，预留盖度30%平茬较对照降低较小；同时，平茬提高了土壤黏粒和粉粒含量，降低了砂粒含量，预留盖度20% 平茬黏粒和粉粒含量较对照提高了 205.68% 和 144.97%，砂粒含量降低了 7.65%。

(2)垂直剖面结构上，预留盖度20%～40% 平茬0～5 cm土层土壤全氮含量显著高于其它土层；平茬提高了5～10 cm土层土壤有机质含量；平茬后0～10 cm土层黏粒和粉粒含量较对照分别增加了 105.90% 和 58.96%。

(3)基于改善土壤理化性质考虑，建议在毛乌素沙地飞播杨柴林平茬抚育中选择预留盖度为20%～30% 进行作业。