不同退化程度的人工梭梭林地土壤理化特征

不同退化程度的人工梭梭林地土壤理化特征
刘江;张立欣;徐先英
【摘要】采用聚类分析法将民勤荒漠绿洲过渡带12个人工梭梭林样点划分为4
个退化程度,以空间代替时间,研究了人工梭梭林退化对土壤理化性质的影响.结果
表明:1)随着人工梭梭林的退化,梭梭枯枝率显著增大,梭梭活株比例、新稍长与长势显著降低.2)各土层中阳离子以Na+与Ca2+为主,阴离子以SO42-为主,各养分含
量总体上随土层深度增加而逐渐降低.除容重外,土壤各物理指标间均存在显著相关性,土壤各化学指标间以及各化学指标与物理指标间的相关性普遍不显著.3)随着人
工梭梭林的退化,土壤机械组成、含水率、全盐含量、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、速效N、速效P、全P和阳离子代换量在3个土层间均无显著差异,pH 值、有机质和全N含量在各土层间的差异由显著变为不显著,K+与NO3-含量在各土层间的差异由不显著变为显著.随着人工梭梭林退化程度的加剧,土壤有机质和速
效P含量显著减小,表明有机质和速效P含量的降低是人工梭梭林退化的原因之一.【期刊名称】《西北林学院学报》
【年(卷),期】2019(034)004
【总页数】8页(P36-42,144)
【关键词】梭梭;人工林退化;森林土壤
【作者】刘江;张立欣;徐先英
【作者单位】亿利资源集团有限公司,内蒙古鄂尔多斯017400;内蒙古库布其沙漠
技术研究院,内蒙古鄂尔多斯017400;亿利资源集团有限公司,内蒙古鄂尔多斯
017400;内蒙古库布其沙漠技术研究院,内蒙古鄂尔多斯017400;甘肃省治沙研究所荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】S714.2
土壤和植被是相互制约又相互促进的两大自然要素，两者间不断进行着物质与能量交换。

土壤支持植物并通过调节分配水分、热量、空气、肥力为植物的生长发育提供适宜的环境[1]；而植被在退化过程中，覆盖度、枯落物以及根系活动等的改变导致土壤性质发生变化，这又反过来影响到植被的退化进程，这种相互影响过程和机理是极其复杂的[2-4]。

梭梭(Haloxylon ammodendron)耐干旱耐瘠薄，是目前我国干旱风沙区优良的防风固沙植物。

甘肃民勤地区自20世纪60年代开始大面积营造人工梭梭林，但目前生物量大幅下降，有的甚至死亡，防风固沙效能大大降低[5]。

众多学者认为梭梭林退化是由于水分利用受限、种群更新不良以及土壤盐分过高等引起的[6-7]，并对其土壤理化性质[8-9]、生物学特性[10-11]以及恢复措施[12]进行了大量研究，但这些研究往往只关注一个退化程度或阶段。

因此，本研究对比分析不同退化梯度上的人工梭梭林的土壤理化特征，对揭示土壤变化与梭梭林退化的关系，对土壤质量监测与评价、退化植被恢复等具有积极意义。

1 研究区概况
研究区位于甘肃民勤荒漠绿洲过渡带，38°36′N，102°57′E。

该区为典型的干旱荒漠气候，冬季寒冷干燥，年平均气温7.8℃，≥10℃积温为3 248.8℃；全年降水量稀少，年平均降水量110 mm，多集中于夏季，年均蒸发量是年均降水量的24倍；全年盛行西北、西北偏西风，夏秋季多偏东风，多年平均风速2.45 m/s，年均日照时数2 799.4 h。

土壤质粗层薄，盐分较多，有机质含量有限，较为贫瘠，
有灰棕漠土、盐土、草甸土、风沙土4种类型。

研究区植物种类稀少，群落结构
简单，主要有梭梭、白刺(Nitraria tangutorum)、红砂(Reaumuria soongarica)、沙拐枣(Calligonum mongolicum)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)等。

2 材料与方法
2.1 样地设置
项目前期对民勤绿洲边缘的人工梭梭林进行了大量考察，在此基础上，选择具有代表性的12个不同程度退化样点，按先后顺序依次编号为1～12。

所选梭梭林均未经过平茬复壮，除样点1、4、6中的人工梭梭林为2003年种植外，其他样点的
梭梭林为20世纪80年代种植。

在各个样点上设置1个10 m×10 m的样方，调
查样方中每个物种的死株数、个体数、长势、株高、梭梭的枯枝率、冠幅，新稍长、活株数，以及样地的基本信息。

2.2 样品采集
根据曹艳峰[13]等的取样方法，于每个样方内在梭梭树冠内、边缘与外围各选择1个采样点，每个采样点按0～5、5～10 cm和10～20 cm土层取样，并等量均匀混合各样方内同一土层的3个土样。

利用四分法取适量混合土样带回实验室，在
室内经风干后过筛，用以测定土壤理化性质。

每个土层用环刀取1个容重样，因此，在每个样方内共取9个样。

2.3 测定方法
土壤容重用环刀法测定，土壤pH值用电位法测定，土壤水分含量用烘干法测定[14]，土壤有机质含量用重铬酸钾容量法测定，土壤阳离子代换量用氯化铵-乙酸
铵交换法测定，土壤全盐含量用电导法测定，土壤粒度用马尔文激光粒度仪测定，速效N、全N、速效P和全P含量用连续流动分析仪测定，土壤离子含量用离子
色谱仪测定。

2.4 数据统计与分析
1)重要值的计算[15-16]
VIt=(相对盖度+相对高度+相对密度)/3
2)群落α多样性的计算[17-18]
Patrick丰富度指数：R=S
Simpson多样性指数：
Shannon-Wiener多样性指数：
Pielou均匀度指数：
式中，S为物种的种数，Pi为第i个物种的个体数与全部物种的个体数的比值。

数据统计与绘图使用Excel 2003与SPSS 18.0。

3 结果与分析
3.1 人工梭梭林退化程度划分
以人工梭梭林退化梯度的12个样方为基础，根据刘江[19]等的处理方法，选取了梭梭枯枝率、新稍长、盖度、长势、重要值等11个指标组成人工梭梭林退化程度评价系统。

利用赋值法量化梭梭长势，梭梭长势由差到好依次赋予0到10的值。

结合各样点人工梭梭林的植被特征，在图1中，在欧氏距离为6处可将12个退化样点分为4组：第1组为未退化(ND)，包含样点1、4、6；第2组为轻度退化(LD)，包含样点2、3、12；第3组为中度退化(MD)，包含样点5、9、11；第4组为重度退化(SD)，包含样点7、8、10。

从表1可知，梭梭枯枝率、梭梭活株比例、梭梭长势、梭梭新稍长、梭梭盖度、群落总盖度、物理结皮覆盖度、物理结皮厚度在不同退化程度间均差异显著。

随着退化程度的加剧，梭梭枯枝率增大，梭梭活株比例、新稍长与长势均明显减小。

未退化的梭梭尽管个体较少，但由于密度最大，因此梭梭盖度与群落总盖度也最大；轻度退化阶段的两类盖度较低与其梭梭密度最低有关，两类盖度在重度退化阶段最小。

各退化程度中均无生物结皮，仅有物理结皮；除未退化程度以外，随着退化程
度加剧，物理结皮覆盖度显著减少。

未退化的梭梭林中物理结皮覆盖度较低与一定的风积有关，而中度和重度退化梭梭林下地表被明显风蚀，结皮覆盖度也较低。

人工梭梭林退化后，其防风固沙功能极大降低。

有效的平茬复壮是保持退化梭梭林生态功能的重要手段，吉小敏[21]等认为，在初冬对梭梭片林进行隔带平茬，且平茬后采用封育管理措施更新复壮的效果最佳；但在初冬进行平茬，可能会降低梭梭在次年的防风固沙功能，这需要进一步评估。

表1 不同退化程度人工梭梭林概况Table 1 The profile of artificial
H.ammodendron forest退化程度活株比例/% 枯枝率/% 梭梭密度(株/hm2)群落总盖度/%梭梭盖度/%长势新稍长/cm物理结皮厚度/cm物理结皮覆盖度
/%ND100.0a3.2d1
23051.1a48.3a8.7a10.9a1.0b11.0bLD100.0a18.1c50037.0ab26.0ab7.3b9.1b1 .2ab62.7aMD100.0a34.2b90046.2a40.4a4.3c8.0b1.1b12.3bSD92.1b48.8a700 22.4b18.6b1.3d7.9b1.5a1.8b
注：不同小写字母表示各退化程度间差异显著(P<0.05)。

图1 人工梭梭林退化样点聚类分析Fig.1 Hierarchical cluster analysis of degraded samples in artificial H.ammodendron forest
3.2 不同退化程度人工梭梭林土壤机械组成
由表2可知，黏粒含量、粉粒含量、细砂粒含量与粗砂粒含量在3个土层间以及4种退化程度间均无显著差异；黏粒含量均<2%，粉粒含量为2%～5%，细砂粒含量与粗砂粒含量较为接近，约为40%～50%。

在未退化阶段，土壤中细砂粒含量大于粗砂粒含量；在轻度退化、中度退化与重度退化阶段，土壤粗砂粒含量总体上大于细砂粒含量。

随着人工梭梭林群落退化程度的加重，同一土层中的黏粒与粉粒含量具有大体相同的变化规律；各土层中体积加权平均粒径与粗砂粒含量具有完全相同的变化规律，
即增加—增加—减小，其值在中度退化最大，在未退化最小；粉粒含量在重度退
化总体最低；3个土层细砂粒含量均呈现出减小—减小—增加的趋势，其值在未退化最大，在中度退化最小。

3.3 不同退化程度人工梭梭林土壤水盐特征
从表3可知，各土层间容重差异不显著(中度退化除外)，5～10 cm土层容重最大。

各退化程度的土壤含水率与全盐含量在3个土层间均无显著差异，但总体上两者
均随土层深度增加而减小。

未退化梭梭林10～20 cm土层pH值显著<0～5 cm
土层，而轻度退化、中度退化和重度退化的梭梭林在3个土层间未表现出差异。

各土层的容重与全盐含量随着退化程度的变化而无显著变化。

0～5 cm土层含水
率在各退化程度间具有显著差异，其大小关系为重度退化<未退化<轻度退化<中
度退化；5～10 cm土层与10～20 cm土层的含水率在各退化程度间均无明显差异，但均在重度退化中最低。

土壤pH在不同退化程度上差异显著，在3个土层上表现为未退化/重度退化>轻度退化>中度退化。

3.4 不同退化程度人工梭梭林土壤离子含量
从表4可知，各退化程度中，Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-与含量在3个土层间均
无显著差异；在重度退化阶段，0～5 cm土层的K+与含量均显著高于5～10 cm 和10～20 cm土层，而在其他退化阶段中3个土层间均无显著差异。

在各土层中，各离子含量的大小关系为与Ca2+含量较大，Cl-、K+和含量较小。

随着退化程度的加剧，各土层K+、Ca2+、Mg2+和Cl-含量无显著变化；各土层Na+含量在未退化阶段最高，且总体上呈递减趋势；0～5 cm和5～10 cm土层
含量无显著变化，未退化和中度退化阶段10～20 cm土层的含量显著高于轻度退化和重度退化阶段；各退化程度中0～5 cm和5～10 cm土层的大小关系为中度
退化>重度退化/轻度退化>未退化，轻度退化和重度退化阶段10～20 cm土层的
含量显著低于未退化和中度退化阶段。

表2 不同退化程度人工梭梭林土壤机械组成Table 2 Soil mechanical composition of H.ammodendron forest退化程度土层/cm黏粒/%(0.01～2 μm)粉粒/%(2～20 μm)细砂粒/%(20～200 μm)粗砂粒/%(200～2 000
μm)ND0～51.32±0.15Aa4.73±0.69Aa53.66±6 .04Aa40.28±6.81Aa5～101.25±0.33Aa3.75±0.56Aa52.68±5.66Aa42.32±5.71Aa10～
201.10±0.54Aa3.88±1.75Aa49.78±8.65Aa45.24±10.76AaLD0～
51.26±0.19Aa4.18±0.77Aa44.35±8.31Aa50.21±8.90Aa5～
101.35±0.46Aa4.02±0.95Aa50.87±15.48Aa43.77±16.77Aa10～
200.90±0.52Aa2.76±1.07Aa44.47±4.01Aa51.88±5.13AaMD0～
50.91±0.54Aa3.55±1.95Aa44.05±5.53Aa51.50±3.27Aa5～
101.46±0.03Aa4.43±0.43Aa39.95±2.55Aa54.16±2.95Aa10～
201.13±0.20Aa3.44±0.86Aa37.34±6.31Aa58.08±7.19AaSD0～
51.14±0.47Aa3.41±0.33Aa47.68±11.35Aa47.76±12.05Aa5～
100.93±0.31Aa2.64±0.73Aa43.56±21.46Aa52.87±22.13Aa10～
201.06±0.27Aa2.92±0.83Aa47.07±20.96Aa48.95±21.40Aa
注：不同小写字母表示不同退化程度间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示不同土层间差异显著(P<0.05)。

下同。

表3 不同退化程度人工梭梭林土壤水盐特征Table 3 Properties of water and salt of soil in artificial H.ammodendron forest退化程度土层/cm容重/(g·cm-3)含水率/%pH值全盐含量/(g·kg-1)ND0～
51.42±0.03Aa5.58±0.53Abc10.05±0.14Aa1.00±0.51Aa5～
101.51±0.05Aa6.20±0.62Aa9.91±0.16ABa0.68±0.22Aa10～
201.50±0.08Aa5.26±1.76Aa9.67±0.04Bab0.64±0.04AaLD0～
51.43±0.04Aa5.72±0.71Aab9.70±0.19Ab0.66±0.08Aa5～
101.48±0.04Aa5.59±0.71Aa9.62±0.08Aab0.53±0.15Aa10～
201.45±0.02Aa4.75±0.59Aa9.56±0.06Abc0.48±0.11AaMD0～
51.45±0.02ABa6.92±0.78Aa9.37±0.20Ac0.70±0.19Aa5～
101.50±0.03Aa6.45±1.05Aa9.34±0.36Ab0.69±0.26Aa10～
201.42±0.04Ba4.05±1.69Aa9.43±0.10Ac0.67±0.16AaSD0～
51.45±0.04Aa4.28±0.79Ac9.75±0.09Ab0.62±0.06Aa5～
101.47±0.07Aa4.32±1.41Aa9.68±0.13Aab0.41±0.09Aa10～
201.44±0.03Aa3.41±1.61Aa9.85±0.18Aa0.49±0.11Aa
3.5 不同退化程度人工梭梭林土壤养分
从图2可以看出，在人工梭梭林群落各退化程度中，土壤速效N、速效P、全P
和阳离子代换量在3个土层间均无显著差异；但10～20 cm土层的速效N含量低于0～5 cm土层与5～10 cm土层，速效P与阳离子代换量总体上随土层深度增
加而逐渐降低，0～5 cm土层的全P含量高于5～10 cm土层与10～20 cm土层。

在未退化、轻度退化和中度退化中，0～5 cm土层的全N含量显著高于其他两个
土层，在重度退化中各土层间无明显差异，土壤全N含量总体上随土层深度增加
而降低。

未退化与轻度退化中0～5 cm土层有机质含量显著大于10～20 cm土层，而在中度退化与重度退化中3个土层间无显著差异，有机质含量随土层深度增加
而降低。

随着退化程度的加重，各土层速效N与全P含量无显著变化；各土层速效N含量均遵循减小-增加-减小的变化趋势，在重度退化含量最低；0～5 cm土层全P含
量逐渐降低，其他土层无明显规律。

各土层全N含量随退化程度变化复杂，但重
度退化总体上低于其他退化程度。

各土层有机质含量与速效P含量在不同退化程
度上均差异显著，呈现出随退化程度加重而减小的变化。

0～5 cm土层与5～10 cm土层的阳离子代换量在各退化程度上无显著差异，但在10～20 cm土层上未
退化显著大于重度退化。

表4 不同退化程度人工梭梭林土壤离子含量Table 4 Ion content of soil in artificial H.ammodendron forest /(g·kg-1)退化程度土层
/cmNa+K+Ca2+Mg2+Cl-NO-3SO2-4ND0～
50.451±0.261Aa0.039±0.022Aa0.186±0.129Aa0.054±0.030Aa0.042±0.017A a0.011±0.008Ab0.103±0.016Aa5～
100.309±0.071Aa0.017±0.008Aa0.117±0.061Aa0.041±0.030Aa0.024±0.005 Aa0.006±0.003Ac0.080±0.010Aa10～
200.271±0.047Aa0.018±0.001Aa0.123±0.026Aa0.053±0.026Aa0.017±0.004 Aa0.019±0.005Aa0.085±0.010AaLD0～
50.104±0.025Ab0.019±0.005Aa0.137±0.050Aa0.073±0.032Aa0.019±0.006A a0.019±0.007Aab0.052±0.006Aa5～
100.161±0.127Aab0.018±0.001Aa0.143±0.016Aa0.065±0.007Aa0.018±0.01 1Aa0.018±0.002Aab0.060±0.045Aa10～
200.113±0.049Ab0.016±0.004Aa0.144±0.023Aa0.073±0.015Aa0.018±0.007 Aa0.017±0.002Aa0.054±0.014AbMD0～
50.188±0.133Aab0.023±0.002Aa0.193±0.026Aa0.094±0.018Aa0.023±0.025 Aa0.037±0.023Aa0.072±0.050Aa5～
100.141±0.049Ab0.030±0.013Aa0.215±0.073Aa0.094±0.029Aa0.036±0.033 Aa0.020±0.008Aa0.096±0.075Aa10～
200.206±0.084Aab0.022±0.007Aa0.168±0.041Aa0.077±0.024Aa0.017±0.00 2Aa0.019±0.004Aa0.082±0.019AaSD0～
50.128±0.043Ab0.020±0.003Aa0.216±0.057Aa0.090±0.021Aa0.020±0.005A a0.024±0.004Aab0.065±0.011Aa5～
100.116±0.046Ab0.010±0.003Ba0.121±0.040Aa0.053±0.023Aa0.023±0.008 Aa0.008±0.006Bbc0.047±0.008Aa10～
200.139±0.032Ab0.013±0.002Ba0.139±0.025Aa0.062±0.010Aa0.013±0.001 Aa0.011±0.002Bb0.052±0.012Ab
图2 不同退化程度人工梭梭林群落土壤养分Fig.2 Soil nutrient of artificial
H.ammodendron forest
3.6 土壤理化性质间的相关性
从表5可知，在各土壤化学指标中，全盐含量与全N极显著正相关，土壤pH与速效N、速效P显著相关；阳离子代换量与有机质极显著正相关，与全N显著正相关；有机质与速效P极显著正相关，与全N显著正相关；全N与速效P极显著正相关。

在各土壤物理指标中，体积加权平均粒径、表面积加权平均粒径、黏粒含量、粉粒含量、细砂粒含量、粗砂粒含量之间均存在显著或极显著相关关系，而土壤容重与其他物理指标间均无显著的相关关系。

各土壤化学指标与各土壤物理指标之间的相关性中，粉粒含量与全盐含量、全N和速效P之间存在显著或极显著正相关关系；全盐含量与细砂粒含量显著正相关，与粗砂粒含量显著负相关；其他指标间相关性普遍不显著。

表5 土壤理化指标的相关系数矩阵Table 5 Correlation coefficient matrix of the soil physicochemical indexesItempHTSCCECOMANTN
APTPD[3,2]D[4,3]ClaySiltFSCSTSC0.262CEC0.1670.327OM0.2400.323
0.452∗∗AN-
0.392∗0.1720.1060.198TN0.0970.467∗∗0.365∗0.330∗0.243AP0.368∗0.2990. 2830.677∗∗0.196 0.469∗∗TP0.294-0.1290.1750.1580.0650.1490.233D[3,2]-0.081-0.283-0.068-0.051-0.242-0.341-0.249-0.047 D[4,3]-0.367∗-0.286-0.199-0.2790.039-0.256-0.316-0.187
0.445∗∗Clay0.0160.2670.0180.0980.2250.2050.157-0.024-0.925∗∗-
0.407∗Silt0.0010.439∗∗0.1570.2950.2510.513∗∗0.382∗0.079-0.838∗∗-
0.403∗ 0.805∗∗FS0.3260.341∗0.2480.248-0.0390.2390.2500.136-0.417∗-
0.972∗∗0.378∗0.354∗CS-0.303-0.372∗-0.246-0.2660.007-0.281-0.278-
0.1350.504∗∗0.972∗∗-0.466∗∗-0.455∗∗-0.994∗∗BD0.002-0.224-
0.2310.0960.084-0.1850.139-0.1220.1390.289-0.104-0.055-0.2950.288
注:pH：pH值；OM：有机质；CEC：阳离子代换量；TSC：全盐含量；AN：速
效氮；TN：全氮；AP:速效磷；TP：全磷；D[3,2]：表面积加权平均粒径；D[4,3]：体积加权平均粒径；Clay：黏粒；Silt：粉粒；FS：细砂粒；CS：粗砂粒；BD：
容重；*，P<0.05；**，P<0.01；n=36。

4 结论与讨论
4.1 结论
1)随着人工梭梭林的退化，梭梭枯枝率显著增大，梭梭活株比例、新稍长与长势显著降低。

2)各土层中阳离子以Na+与Ca2+为主，阴离子以为主，各养分含量总体上随土
层深度增加而逐渐降低。

除容重外，土壤各物理指标间均存在显著相关性，土壤各化学指标间以及各化学指标与物理指标间的相关性普遍不显著。

3)随着人工梭梭林的退化，土壤机械组成、含水率、全盐含量速效N、速效P、全P和阳离子代换量在3个土层间均无显著差异，pH值、有机质和全N含量在各土层间的差异由显著变为不显著，K+与含量在各土层间的差异由不显著变为显著。

随着退化程度的加剧，土壤有机质和速效P含量显著减小，表明有机质和速效P
含量的降低是人工梭梭林退化的原因之一。

4.2 讨论
植被与土壤间存在相互作用，土壤随植被退化而变化，但土壤较强的抗拒退化的能
力使其变化过程较为缓慢[20]，同时，不同土层深度的土壤对植被退化的响应也存在着差异。

本研究中，随着退化程度的加剧，土壤机械组成、含水率、全盐含量速效N、速效P、全P和阳离子代换量在3个土层间均无显著差异，表明上述理化
特性在土层深度为0～20 cm分布较为均一，人工梭梭林退化未使上述理化特性在不同土层间的差异显著改变，但这并不意味着梭梭林退化未对上述指标产生影响，因为退化对各土层理化指标的改变量可能相差不大。

随着退化程度的加剧，各土层间pH值、有机质和全N的差异由显著变为不显著，K+与含量由不显著变为显著，容重则变化复杂，这表明梭梭林退化对这些指标在各土层间的改变量是存在较大差异的。

本研究各土层中，阳离子以Na+与Ca2+为主，阴离子以为主，这与宁虎
森[21]等在新疆甘家湖梭梭林林地的研究结果相近。

土壤养分、离子及盐分存在明显的表聚效应[4,21]，本研究中土壤离子与盐分的表聚效应不显著，土壤各养分含量总体上随土层深度增加而逐渐降低。

随着梭梭林退化程度的加剧，土壤机械组成、容重、全盐含量、K+、Ca2+、
Mg2+、Cl-、速效N和全P含量无显著变化，这与其他学者的研究结果有所不同[22-24]。

有机质和速效P含量随退化程度的加剧而显著减小，李绍良[24]等认为，土壤有机质的主要来源是植物的凋落物和地下的根系，返回土壤的有机质的量随着草地的退化而逐渐减少。

随着梭梭林退化程度的加剧，阳离子代换量全N、含水
率和pH值均发生复杂的显著变化，同时不同土层对梭梭林退化的响应不同；阳离子代换量和含量只在10～20 cm土层显著降低，其原因有待进一步研究；梭梭林退化对土壤含水率与全N含量的显著影响只发生在相对较浅的土层，而对相对较
深的土层无影响；土壤pH值、Na+和含量在3个土层均显著地受到梭梭林退化
的影响。

综上所述，本研究认为，影响人工梭梭林退化的原因是有机质和速效P含量下降，而其他理化性质并不显著影响人工梭梭林退化。

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