毛乌素沙地南缘不同固沙灌木群落土壤质量评价

2022-11-18邱开阳刘王锁李海泉黄业芸李亚园

草业科学 2022年10期

何毅，邱开阳，苏云，刘王锁,3，李海泉，黄业芸，李亚园

（1. 宁夏大学农学院, 宁夏银川 750021；2. 内蒙古贺兰山国家级自然保护区管理局, 内蒙古阿拉善 750306；3. 宁夏葡萄酒与防沙治沙职业技术学院, 宁夏银川 750199）

毛乌素沙地是中国四大沙地之一[1]，前人通过扎设草方格和种植固沙灌木改善沙地生态环境，针对毛乌素沙地固沙灌木对土壤质量的研究表明，种植柠条(Caragana korshinskii)、杨柴(Corethrodendron fruticosumvar.mongolicum) 可以改善土壤养分和水分条件[2]。然而，不同灌木对不同土壤性状的影响效果不同，盲目大规模栽植单一植被类型会导致土壤生产力下降和植被退化，从而可能产生新的沙化现象[3]。因此，在草方格结合灌木固沙实践中，往往种植不同的固沙灌木，以期获得更好的生态恢复效果。张立欣等[4]在库布奇沙漠的研究发现营造油蒿(Artemisia ordosica) + 杨柴半灌木混交林对提高土壤综合质量效果最好；罗雅曦和刘任涛[5]在宁夏盐池风沙区对不同固沙灌木林地进行土壤质量评价，结果表明油蒿林地(3.15) ＞流动沙地(-0.03) ＞柠条林地(-0.56) ＞花棒(Corethrodendron scoparium)林地(-1.05) ＞沙拐枣(Calligonum mongolicum)林地(-1.54)；杨晓娟等[6]在乌兰布和沙漠研究发现，不同灌木林地的土壤肥力条件不同，其中，柠条林地土壤肥力指数最高。土壤质量评价可以评估不同生态恢复措施对土壤质量的影响，有助于及时掌握土壤质量的现状和变化动态，进而实现对土壤质量改良的指导[5]。但各地区土壤质量评价中用到的评价指标不同，没有形成一个标准的土壤质量评价方法，有调查研究表明土壤有机质是较为常用的评价指标[7]。以往的研究已采用土壤质量评价指数对沙地不同恢复措施[8]、不同人工林地[6]和不同植被恢复模式[9]等方面进行了研究，得出综合性结论。但是，对于典型的草方格固沙恢复区不同固沙灌木下土壤质量评价，目前少有专门的研究。因此，本研究以毛乌素沙地西南缘的宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区为研究对象，在比较柠条、杨柴、柠条 × 花棒混交、柠条 × 沙拐枣混交和花棒 × 沙拐枣混交5 类灌木林地土壤性质和微生物多样性的基础上，采用隶属函数结合因子分析法评价不同灌木林下的土壤质量，以期为沙地恢复过程中固沙灌木的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区(37°49′05″～38°20′54″ N, 106°20′22″～106°37′19″E)，地处毛乌素沙地西南缘，南北长61 km，东西宽21 km，面积为70 921 hm2，是具有物种保护、科研、旅游等多种功能的国家级自然保护区，有我国面积最大的天然柠条、猫头刺(Oxytropis aciphylla)以及沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)植物群落。地貌类型有低山丘陵、缓坡丘陵和沙漠低山丘陵等。该地区气候类型为大陆性季风气候。年平均降水量为230 mm，7 月-9 月较为集中，占全年降水量的61.6%，年平均蒸发量为2 862.2 mm，为年降水量的10.5 倍，属于中温带干旱气候区。该保护区年平均气温为6.7～8.8 ℃，≥10 ℃年平均积温为3 334.8 ℃，多年平均无霜期为154 d。该地区全年大风(17 m·s-1以上)日数63 d，沙暴日数35 d，属于多风地区。土壤类型主要为灰钙土和风沙土。

白芨滩国家自然保护区采用麦草扎设草方格，草方格扎设规格为1 m × 1 m；在草方格内栽植柠条、花棒、杨柴和沙拐枣等固沙灌木幼苗。本研究选择2002 年建植的人工林地为研究样地，建植后采取封育管理。调查4 种固沙灌木的生长情况作为研究背景。其中柠条林平均密度为0.27 株·m-2，平均冠幅为5.2 m2，平均高度为1.70 m；花棒林平均密度为0.29 株·m-2，平均冠幅为0.8 m2，平均高度为1.03 m；沙拐枣林平均密度为0.21 株·m-2，平均冠幅为1.7 m2，平均高度为1.04 m；杨柴林平均密度为0.95株·m-2，平均冠幅为0.5 m2，平均高度为0.73 m。

1.2 样地设置

选择于2001 年扎设草方格并于2002 年栽植不同固沙灌木的草方格固沙林地作为研究样地，草方格扎设规格为1 m × 1 m，固沙灌木采用植苗造林的栽植方式，柠条 × 花棒混交、柠条 × 沙拐枣混交、花棒 × 沙拐枣混交3 类灌木林地的混交方式为带状混交。选取未栽植任何固沙灌木的流沙地(CK)和纯柠条(N)、纯杨柴(Y)、柠条 × 花棒混交(NH)、柠条 ×沙拐枣混交(NS)和花棒 × 沙拐枣混交(HS) 5 种固沙灌木林地，每种固沙灌木选取3 个大小为100 m ×100 m 样地，各样地之间具有相似的地形条件，在每个样地内设置3 条50 m 长的平行样线，样线与样地边界隔20 m，样线与样线间隔30 m，在每条样线上连续设置5 个10 m × 10 m 的样方用于土壤采样。

1.3 土壤样品采集与处理

于2019 年8 月进行土壤采样(取土前10 d 无降雨，取土当天为典型晴天)。在每个调查样方内，使用直径为4 cm 的土钻，在每个样方内，根据灌木分布情况选取灌木根部2 个调查点，两个灌木混交中间2个调查点，无灌木空白地一个调查点，总共选取5 个点，把同一个样方内5 个点采集的土样去除石块、凋落物和根系后混合均匀后形成一个样品。将每个混匀的样品在现场等分成两份，一份装入经高温灭菌的冻存管，然后放入冰盒临时保存，带回实验室后迅速放入-80 ℃冰箱，用来测定土壤样品中的微生物多样性；另一份带回实验室后先在室温下自然风干，再用镊子挑出细小的枯枝落叶和植物根等杂质，最后采用四分法将土壤样品分别过0.15、1 和2 mm筛装入自封袋保存，用于测定各土壤理化指标。

1.4 测定项目与方法

土壤性状指标包括土壤含水量、土壤机械组成、土壤全氮、土壤碱解氮、土壤全钾、土壤速效钾、土壤全碳、土壤有机碳含量、土壤全磷、土壤速效磷、土壤电导率和土壤pH。土壤机械组采用美国农业部分类系统对土壤颗粒进行分级：粗砂粒(251～1 000 μm)、细砂粒(101～250 μm)、极细砂粒(50～100 μm)、黏粉粒(＜ 50 μm)。各土壤性状指标均采用常规方法测定。

本研究采用微生物16S 扩增子绝对定量高通量测序方法对微生物多样性进行分析。将低温保存的土壤微生物样品进行DNA 抽提，并通过琼脂糖凝胶电泳检测基因组DNA 完整性，Nanodrop 2000 检测基因组DNA 质量。对于合格的样本检测区域进行高保真PCR 扩增，设置3 个重复试验，以标准的细菌/真菌基因组DNA Mix 作为阳性对照。扩增引物分别为CCTACGGGNGGCWGCAG 和GACTACH VGGGTATCTAATCC，琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物是否单一和特异。将同一个样本的3 个平行扩增产物混合，每个样本加入等体积的AgencourtAMpure XP核酸纯化磁珠对产物进行纯化。利用带有Index 序列的引物，通过高保真PCR 向文库末端引入特异性标签序列。扩增后产物琼脂糖凝胶电泳检测，根据琼脂糖凝胶电泳的初步定量结果，对已经带有各自Index 标签的样本文库浓度进行适当稀释，然后利用Qubit 对文库进行精确定量，根据不同样本的测序通量要求，按相应比例(摩尔比)混合样本。混样后的文库通过Agilent 2100 Bioanalyzer 检测测序文库插入片段的大小，确认在120～200 bp 无非特异性扩增，并准确定量测序文库浓度。采用Illumina平台，2 × 250 bp 的双端测序策略对文库进行测序。

1.5 数据分析

利用Excel 2019 建立数据库，应用SPSS 22.0 和Origin 17.0 软件对数据进行单因素方差分析和相关分析。

土壤微生物的数据通过聚类分析将序列聚类成为OTU (operational taxonomic unit)时以97%的一致性为依据，然后筛选频数最高的序列作为OTU 代表序列。

采用公式(1)和(2)将各指标进行归一化处理，结合因子分析，通过计算得到土壤质量评价指数(SQAV)用于比较不同固沙灌木对土壤质量的影响。该值的大小代表土壤质量的高低。首先参考付宝春和薄伟[10]的方法将土壤各指标利用隶属函数进行标准化，得到各指标的隶属度，然后参考周瑶等[11]方法把标准化后的数据进行因子分析得到特征值、方差贡献值、累计贡献值和各因子得分，最后通过公式(3)计算不同恢复措施下土壤质量评价指数(SQAV)。

式中：Xij为i处理的j指标，即各处理下土壤性状指标；Xmax和Xmin指所有处理中j指标的最大值和最小值；F(Xij)为i处理的j指标的隶属函数值；如果某个指标与土壤质量呈正相关关系则采用公式(1)；反之采用公式(2)。

式中：SQAV为土壤质量评价指数；ai为第i个因子的方差贡献率；zi为第i个因子的得分。

2 结果与分析

2.1 不同固沙灌木下土壤物理性质的差异

土壤物理性质受恢复方式影响(表1)。N 和NH 处理下黏粉粒含量、极细砂粒含量显著高于其他3 种灌木处理(P＜ 0.05)，其中N 处理最高，为5.10%和11.07%；N 和NH 处理的土壤粗砂粒含量显著低于其他3 种灌木处理(P＜ 0.05)；细砂粒在各处理下差异不显著(P＞ 0.05)。电导率表现为N 处理最高，NH 和NS 混交处理次之，Y、HS 和CK 处理最低。土壤含水量表现为NH 和N 处理显著高于其他3 种灌木处理(P＜ 0.05)，分别为0.57%和0.56%。

表1 不同固沙灌木下土壤物理性质的差异Table 1 Effects of different sand-fixing shrubs on soil physical properties

2.2 不同固沙灌木下土壤化学性质的差异

不同固沙灌木对土壤化学性质有明显的影响(图1)，土壤有机质含量5 种灌木处理差异不显著(P＞ 0.05)，CK 显著低于5 种灌木处理(P＜ 0.05)，为1.36 g·kg-1；土壤全碳含量NH 处理最高，为6.67 g·kg-1，Y 处理显著低于其他4 种灌木处理(P＜0.05)，为5.49 g·kg-1；土壤碱解氮含量N 和Y 处理显著高于其他4 种处理(P＜ 0.05)，Y 处理最高，为4.05 mg·kg-1，CK 处理最低，为1.17 mg·kg-1；土壤全钾含量Y 处理显著高于其他4 种灌木处理(P＜0.05)，为31.30 g·kg-1，CK 处理显著低于5 种灌木处理(P＜ 0.05)，为14.51 g·kg-1。

2.3 不同固沙灌木下土壤微生物多样性的差异

不同固沙灌木下土壤微生物多样性的差异如图2 所示，土壤细菌OTU 数量Y 处理显著低于其他4 种灌木处理(P＜ 0.05)，显著高于CK (P＜ 0.05)；土壤真菌OTU 数量NH 处理显著高于CK 和其他4 种灌木处理(P＜ 0.05)；CK 土壤古菌OTU 数量为0，5 种灌木间土壤古菌数量差异不显著(P＞ 0.05)；土壤微生物OTU 数量Y 处理显著低于其他4 种灌木处理(P＜ 0.05)，显著高于CK (P＜ 0.05)。

图2 不同固沙灌木下土壤微生物丰度的差异Figure 2 Effects of different sand-fixing shrubs on soil microbial abundance

2.4 土壤粒径与其他表征土壤性质指标间的相关分析

本研究中，5 种固沙灌木均不同程度促进了沙化土壤颗粒细粒化，进而影响土壤的性质。为此，本研究分析了土壤粒径与其他表征土壤性质间的指标间的相关性(表2)。结果表明，土壤黏粉粒与土壤有机质呈显著正相关关系(P＜ 0.05)，与土壤全氮、全碳和真菌多样性呈极显著正相关关系(P＜0.01)；土壤极细砂粒与土壤速效钾、电导率呈显著正相关关系(P＜ 0.05)，与土壤全碳和真菌多样性呈极显著正相关关系(P＜ 0.01)；细砂粒与土壤全碳呈极显著负相关关系(P＜ 0.01)；粗砂粒与土壤全碳呈极显著负相关关系(P＜ 0.01)，与真菌多样性呈显著负相关关系(P＜ 0.05)。

表2 土壤粒径与其他表征土壤性质指标间的相关分析Table 2 Correlation coefficients between soil particle size and other parameters of soil characteristics

2.5 不同固沙灌木下土壤质量评价

对标准化后的数据进行KMO 和Bartlett 球形检验，表明数据适合进行因子分析。从得到的各因子特征值、方差贡献值、累计贡献值和因子载荷矩阵(表3)可知，前3 个因子的累计贡献值达到82.636%，可以代表原来的16 个指标。与因子1 相关性较高的指标有X4、X11、X12和X16，包括全碳、速效钾、全钾和微生物多样性；因子2 与X8相关性较高，为细砂粒；因子3 与X7、X10相关性较高，为极细砂粒和电导率。

表3 各因子特征值、累计贡献率及因子载荷矩阵Table 3 Eigenvalues of each factor, cumulative contribution value, and factor load matrix

通过因子得分矩阵得到前5 个因子在不同恢复措施下的得分，然后由各因子得分和方差贡献值加权得到不同恢复措施下的土壤质量得分，土壤质量综合得分依次为NH ＞ N ＞ HS ＞ NS ＞ Y ＞ CK(表4)。

表4 不同固沙灌木下土壤质量评价结果Table 4 Evaluation of soil quality in different sand-fixing shrubs

3 讨论

3.1 不同固沙灌木对土壤物理性质的影响

草方格结合固沙灌木是成熟的治沙方式，半干旱地区供植物生长发育的水资源是有限的，选取持水能力较强的、治沙效果较好的治沙植物是极其重要的。在半干旱地区沙漠治理过程中，灌木植物因其较强的抗旱能力和较大的覆盖度体现出较好的治沙效果[12]。表层土壤含水量受降水入渗补给和蒸散作用影响，降雨发生后表层0-10 cm 土壤含水量由于蒸散作用迅速下降[13]，而固沙灌木对于蒸散作用的抑制是沙化地区土壤含水量增加的关键。本研究中5 种固沙灌木林地土壤含水量相较于CK 都有显著增加，其中NH 处理土壤含水量含量最高，NH处理在5 种固沙灌木中具有较大的植被覆盖度，为沙地提供了更好的遮阴和对风沙更好的阻拦，使沙地表面温度较于裸露沙地有一定降低，从而更大程度上地减少了水分的蒸发[14]；NH 处理中柠条和花棒的根系虽然在表层土壤中有侧根分布，但是直根系对浅层水分的利用率相对较低[15]。土壤电导率反映土壤质量和物理特性的大量信息，土壤水分、有机质含量以及质地结构等均不同程度影响土壤电导率[16]。本研究中柠条林土壤电导率显著增大，这与罗雅曦和刘任涛[5]在盐池风沙区的研究结果不同，主要原因在于其研究区柠条冠幅小于本研究中柠条冠幅，土壤电导率随着土壤中盐分的积累而升高，较大的植被覆盖率加上常年高温干旱、蒸发强烈，和雨水的充分淋洗，致使盐分在土壤表层聚集增加，结果导致土壤电导率增加。

沙地土壤机械组成的变化是由于沙地上建立固沙植被后，沙面小环境得到改善，粘粉粒受到风蚀和降雨淋蚀而减少的情况被改善[17]。同时由于在固沙区内风速降低，植被盖度较大，使大量的风积物质沉降在土壤表层，于是粘粉粒有了一定程度的增加，粗砂粒所占比重相对减少[18]。另外，植物根系分泌物对土壤颗粒的物理化学作用也会逐渐使土壤颗粒细粒化，不过其过程十分缓慢[19]。5 种固沙灌木生态系统土壤粘粉粒含量是极少的，这与吴思远[20]的研究结果一致，其中NH 处理的粘粉粒和极细砂粒含量较高，粗砂粒含量较低。其原因是NH处理灌木的冠幅在5 种固沙灌木中较大，对于风蚀和降雨淋蚀的消减作用更强，并且由于NH 处理中两种豆科灌木的存在，其根瘤菌对于土壤颗粒的胶结作用更强，有利于土壤团聚体的形成，使土壤中粘粉粒和极细砂粒的流失减少。土壤颗粒组成变化是土壤形成、发育及进化的标志[21]，可以预测随着恢复时间的增长，NH 处理土壤质量的改善会愈加明显。相关性分析结果表明，粘粉粒和极细砂粒与部分土壤性状指标为正相关，粗砂则为负相关。综上所述，NH 处理通过对土壤细粒化的促进，增进土壤养分聚集，提高土壤质量，在5 种灌木中对于土壤质量的改良有较大优势，最后的土壤质量评价结果也证明了这一点。

3.2 不同灌木对土壤化学性质的影响

已有的研究表明，在流动沙地上设立草方格并栽种固沙灌木，可以有效固定沙面，并随着灌木的逐渐生长，其冠幅逐渐增大，产生的枯枝落叶逐渐增多，有效减弱了风沙流的活动，使空气中的尘埃及细粒物质逐渐在地表沉积，并且固沙灌木的遮阴作用改变了表层土壤的水热条件，最终通过一定年限的恢复，土壤表面开始出现结皮层，地表的有机质经过腐殖化过程转化为腐殖质使土壤中C、N、K 的含量逐渐增多，并随着恢复年限的增长，效果愈加明显[22]。土壤C、N、K 的含量是评价土壤质量的重要指示性指标。本研究中5 种灌木生态系统中碱解氮含量Y 处理最高，NH 处理最低。柠条和杨柴是豆科灌木，其根瘤菌能固定空气中的氮素，激发土壤中微生物对有机物质的分解[23]，进而有利于土壤氮的积累。这与土壤质量评价结果不同，原因可能有以下两点，一是单一指标的高低并不能代表整体土壤质量的高低，二是柠条和花棒的竞争效应可能会抑制碱解氮的积累。NH 处理土壤全碳含量较高，与土壤质量评价结果相符合，原因在于NH处理表层土壤中微生物多样性较高，各类微生物通过生理作用固定碳，促使其进入土壤生态系统，从而增加土壤养分含量[24]。5 种固沙灌木林地土壤全钾含量个别有显著性差异，其余都无显著性差异。这种规律背后可能的原因有两点，一是5 种固沙灌木林地对钾含量的积累都有相似程度的效果，二是5 种固沙灌木样地对钾含量的积累都无较明显的帮助，与治理前的流动沙地钾含量的差异不大。这一假设与曹成有等[25]的研究结果相同。

相关性分析结果表明土壤颗粒组成与土壤化学性质间有较强的相关性，其原因可能在于各粒径土壤颗粒之间对植物营养元素的吸收和释放表现出了不同的效果。不同大小的土壤颗粒化学成分各不相同，细小颗粒的化学组成中含有更多的营养元素，且化学性质更为活跃。土壤颗粒在逐渐细粒化过程中，包含有较多养分元素的细小颗粒逐渐增加，导致土壤养分含量增加，土壤保肥能力增强[26]。

3.3 不同固沙灌木对土壤微生物多样性的影响

土壤微生物是生态系统的重要组成部分，能转化植物不能直接吸收的难溶性无机物，增加土壤肥力，在有机物质分解转化、养分的释放和循环及改善土壤理化性质中起着主导作用[27]，具有巨大的生物化学活力，影响生态系统的能量流动和物质转化。土壤质量会随着微生物多样性的增加而逐渐改善，本研究中Y 处理细菌多样性和微生物多样性显著低于其他4 种固沙灌木，其原因在于Y 处理林龄较短，但有机质含量最高，土壤中纤维素和木质素较多，利于真菌群落的生长[28]。而NH 处理真菌多样性显著高于其他4 种固沙灌木，其原因在于NH处理中有柠条和花棒两种豆科灌木，其侧生根也较为发达，导致根瘤菌大量存在，其次由于根瘤菌的固氮作用，使该处理下土壤营养较高，促进了细菌群落的生长繁殖[4]。戴雅婷等[28]研究指出，土壤中细菌多样性和真菌多样性与土壤营养相关，细菌大量存在于营养较高的土壤中，彻底分解土壤有机质，使木质素和纤维素含量下降，抑制了真菌群落的生长，而在土壤养分降低的条件下，虽然土壤环境更为严酷，但放线菌菌丝体产生的孢子能使其生存下来，并且由于细菌数量被抑制，真菌的数量有一定的上升。本研究中细菌与真菌OTU 数量的差异支持了这一研究结果。

3.4 不同固沙灌木下土壤质量评价

土壤质量是土壤物理性质、化学性质和生物学性质的综合表现[7]。土壤质量评价可采用的因子很多，一个统一的、无量纲的综合指标可以直观表现土壤质量的总体情况[11]。由于土壤质地、研究地点、生态环境以及不同学者评价的目的性和针对性不同，土壤质量评价仍没有统一的评价模式[29]。本研究中，各固沙灌木下土壤性状变化并不一致，采用隶属函数结合因子分析法筛选取了有机碳、全碳、全氮、全磷、碱解氮、水分、极细砂粒、细砂粒、粗砂粒、电导率、速效钾、全钾、真菌OTU 数量、古菌OTU 数量、细菌OTU 数量及微生物OTU 数量16 个指标，对毛乌素沙地南缘固沙恢复区土壤质量进行了评价。从评价结果看，土壤质量以NH 处理最高。柠条 × 花棒混交作为本研究地区的优势灌丛，结构致密，为草本植物的恢复提供了保护，且微生物多样性丰富，天然繁殖更新能力强，在自身生长发育的同时，为土壤提供了大量的有机物来源，因此，相对于流动沙地，柠条 × 花棒混交林的建植，改善了土壤各性状指标，提高了该地区风沙土土壤质量。

本研究中不同固沙灌木几乎所有土壤指标相较于CK 处理都发生显著变化，原因在于，人工固沙区灌木植被建植后，通过增加地表粗糙度、加大对大气降尘的截获，导致土壤黏粉粒含量增加，对土壤养分保护作用增强[30]。灌木植物通过根系更新过程中的分解、对土壤颗粒的缠结和自身分泌物的释放，以及凋落物的积累，促进了土壤团聚体的形成，为土壤微生物提供了适宜的生存环境[31]，进一步加快土壤养分的积累，形成了“肥岛”效应[5]，导致人工灌木林地土壤养分、土壤微生物多样性的提高和土壤物理结构的改善。5 种人工固沙灌木对土壤质量改良的效果各不相同，主要由于根系分泌物、凋落物物质组成和数量不同及灌木群落形成的微环境差异[32]，各种类土壤微生物对不同灌木微环境的选择适应性差异，以及土壤的“肥岛”效应对不同灌木群落响应的差异。对5 种人工固沙灌木的土壤质量评价为当地进行沙地土壤质量评价提供了方法和指标的借鉴，评价结果对该区生态修复具有重要的实践指导意义。