李曉蘭 張丹 尹慧來 趙紅蕊 遲悅 高音 王慧穎

摘 要：以科爾沁沙地榆樹疏林為研究對象，分析放牧和短期圍封處理，距離中心榆樹不同距離和不同方向的土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷含量的變化。結(jié)果表明：土壤有機(jī)碳最高值在0-20cm土層和20-50cm土層內(nèi)均出現(xiàn)在圍封樣地，這證明短期圍封對于有機(jī)碳含量增加具有一定作用，在同一方向上，土壤有機(jī)碳最高值均出現(xiàn)在圍封處理樣環(huán)上。短期圍封對土壤銨態(tài)氮有顯著影響，圍封處理后土壤銨態(tài)氮明顯增加，短期圍封對不同方向不同土層的土壤速效磷含量影響不一致。由此可知，短期封育可使榆樹疏林草地土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著改善，使有機(jī)碳、速效磷和銨態(tài)氮等土壤養(yǎng)分大量回歸，使得草原有向高質(zhì)量土壤性質(zhì)良好演變的趨勢，但由于封育年限過短導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮和速效磷增加只在表層，深層土壤銨態(tài)氮和速效磷含量增加不明顯。

關(guān)鍵詞：科爾沁沙地;土壤養(yǎng)分含量：圍封;放牧;榆樹疏林

中圖分類號：S755 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2021）07-0040-06

1 引言

位于我國北方的科爾沁沙地是北方農(nóng)牧交錯區(qū)的典型代表區(qū)域，也是中國四大沙地之一，屬遼河中游沖積平原，為干旱半干旱地區(qū)，由于人為因素的影響，特別是超載過牧等不合理利用，該區(qū)域成為近年來土地沙漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[1]。該區(qū)退化的草原生態(tài)恢復(fù)吸引了科研工作者和政府管理部門的普遍關(guān)注，也相繼進(jìn)行了相關(guān)的技術(shù)和管理方法研究。沙地榆樹疏林是科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它是一種極具區(qū)域特色的植被類型，主要分布于溫帶地區(qū)。它的退化會直接導(dǎo)致沙地生態(tài)系統(tǒng)的退化和荒漠化的擴(kuò)張，因此保護(hù)好榆樹疏林對于防止沙漠化擴(kuò)張很有必要[2]。

榆樹（學(xué)名：Ulmus pumila L.），又名春榆、白榆等，為陽性樹種，喜光，具有很強(qiáng)的耐旱、耐寒、耐瘠薄，不擇土壤，適應(yīng)性很強(qiáng)。根系發(fā)達(dá)，抗風(fēng)力、保土力強(qiáng)。萌芽力強(qiáng)耐修剪。生長快，壽命長。能耐干冷氣候及中度鹽堿，但不耐水濕（能耐雨季水澇）。具抗污染性以及葉面滯塵能力強(qiáng)。零散生長于科爾沁沙地的中北、東北、東南部，且多分布在固定半固定沙丘上，對防風(fēng)固沙起到了很重要的作用。近年來，由于氣候變化及人類活動的影響，導(dǎo)致該地區(qū)榆樹大面積減少，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，因此，探討短期圍封對沙地榆樹疏林草原土壤養(yǎng)分含量的影響，有利于為科爾沁沙地的治理提供決策依據(jù)已成為擺在我們面前的重要任務(wù)[3]。

本試驗以科爾沁沙地烏蘭敖都地區(qū)沙地榆樹為研究對象，針對榆樹疏林地沙化現(xiàn)象進(jìn)行初步分析和探討短期圍封對沙地榆樹疏林草原土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷的影響，以期為該地區(qū)開展退化沙質(zhì)草地的管理，植被的恢復(fù)重建、沙漠化的防治和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在科爾沁沙地西部烏蘭敖都試驗站，該站地處內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗東部的烏蘭敖都地區(qū)為該沙地中的嚴(yán)重沙化區(qū)，烏蘭敖都地區(qū)位于該沙丘中部偏西地帶，是國家林業(yè)局荒漠化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)試驗站之一，地處我國北方半干旱農(nóng)牧交錯帶科爾沁沙地西部，地理位置119°39'E，43°02'N，海拔高度約480m，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，季節(jié)變化明顯;年平均氣溫為5.8～6.4℃≥10℃的積溫為3000～3200℃;年平均降雨量330mm，降雨多集中在6、7、8三個月份，夏季6-8月降雨量占全年的70%以上，潛在蒸發(fā)量是降雨量的6-7倍，干燥系數(shù)在1.0～1.8之間;春季為西北風(fēng)，風(fēng)速可達(dá)5m，風(fēng)力5～6級，每遇大風(fēng)能見度不足50m，每年起風(fēng)日數(shù)200d以上，冬春季大風(fēng)發(fā)生頻率約占全年的69%-81%;無霜期為110-130d[4];冰期由10月初開始，翌年4月底解凍，最大凍土深度為1.5m。該站位于我國北方荒漠地區(qū)，自然環(huán)境脆弱，人為干擾過度，主要以流動沙丘為主[5]，固定沙丘相間的景觀地形。地帶性土壤主要為沙質(zhì)栗鈣土，破壞后退化為流動砂土，現(xiàn)在已有70%的土地出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。

2.2 采樣方法

在科爾沁沙地西部烏蘭敖都地區(qū)，選擇不同干擾措施（圍封和放牧）的重度退化榆樹疏林草地。圍封樣地時間為1年，2019年8月，在每個干擾類型樣地中選擇3株榆樹標(biāo)準(zhǔn)樣株，選擇主風(fēng)向和垂直主風(fēng)向4個方位，根據(jù)樹冠距離設(shè)置取樣和調(diào)查樣點。樣點分別設(shè)置為距離榆樹樹干1m、5m和12m距離。土壤取樣分為0-20cm和20-50cm兩層，在每個距離樣點附近取5點按土壤分層混為一個土樣。土壤樣品帶回實驗室陰干用于測定土壤化學(xué)性質(zhì)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所得試驗數(shù)據(jù)采用SPSS20.0統(tǒng)計分析軟件和Excel2007等軟件進(jìn)行圍封與自然放牧草地相關(guān)指標(biāo)的差異性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 短期圍封、樣環(huán)、取樣方向和土層對土壤理化性質(zhì)的影響

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對土壤有機(jī)碳均有顯著影響（F=507.51，P<0.001和F=14.76，P<0.001）、處理和樣環(huán)的交互作用（F=4.58，P<0.05）、處理和土層的交互作用（F=4.78，P<0.05）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=4.63，P<0.05）均對土壤有機(jī)碳有顯著影響，但四因素的共同作用不顯著（F=0.37，P>0.05）。

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對土壤銨態(tài)氮有顯著影響（F=10.87，P<0.001和F=3.74，P<0.05），處理和土層的交互作用（F=7.54，P<0.01）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=13.21， P<0.001）均對土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用（F=2.24，P>0.05）無顯著差異，但四因素的共同作用顯著（F=5.64，P<0.001）。

從表1可知，四因素方差分析的結(jié)果為：不同處理和樣環(huán)對土壤速效磷顯著影響不同（F=2.40，P >0.05和F=9.96，P<0.001）、處理和土層的交互作用（F=6.24，P<0.05）、樣環(huán)和土層的交互作用（F=5.26，P<0.05）均對土壤速效磷有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用（F=0.30，P>0.05）不顯著，但四因素的共同作用顯著（F=4.03，P<0.05）。

3.2 主要影響因素對土壤有機(jī)碳的影響

從表2可以看出，在0-20cm土層，在不同方向上，圍封和放牧處理，樣環(huán)均對土壤有機(jī)碳均存在極顯著的影響（P<0.01），且二者的交互作用對土壤有機(jī)碳也有顯著影響（P<0.01）;在20-50cm土層，圍封和放牧處理在不同方向上均存在極顯著的影響（P<0.01），在西北和西南方向上，樣環(huán)對土壤有機(jī)碳存在顯著影響顯著，且二者的交互作用對土壤有機(jī)碳作用顯著，在東南和東北方向上樣環(huán)對土壤有機(jī)碳與二者的交互作用對土壤有機(jī)碳作用皆不顯著。

通過對不同土層的處理和樣環(huán)二因素的結(jié)果進(jìn)行多重比較，結(jié)果如圖1和圖2所示。

從圖1可以看出，0-20cm土層內(nèi)，在各個方向上，圍封處理的不同樣環(huán)間均無顯著差異;0-20cm土層，放牧處理，在東北和西北方向上1m、5m和12m三個樣環(huán)之間兩兩均有顯著差異;東南方向上，1m與12m樣環(huán)、5m與12m樣環(huán)間均存在顯著差異;在西南方向上，1m和12m樣環(huán)均與5m樣環(huán)存在顯著差異。土壤有機(jī)碳含量最高出現(xiàn)在圍封1m樣環(huán)東北方向上，其含量是10.87g/kg，土壤有機(jī)碳含量最低出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)東南方向上，其含量是0.48g/kg?？傮w而言，圍封處理0-20cm土層土壤有機(jī)碳含量均大于放牧處理。

從圖2可以看出，20-50cm土層內(nèi)，在各個方向上，圍封處理的不同樣環(huán)間均無顯著差異;20-50cm土層，放牧處理，東北、西北和西南方向上均無顯著差異，東南方向上也無顯著差異。土壤有機(jī)碳含量最高出現(xiàn)在圍封12m樣環(huán)東北方向上，其含量是11.22g/kg，土壤有機(jī)碳含量最低出現(xiàn)在放牧5m樣環(huán)西北方向上，其含量是0.75g/kg。在該土層，圍封處理的土壤有機(jī)碳含量均高于放牧處理。

3.3 主要影響因素對土壤銨態(tài)氮的影響

從表3可以看出，0-20cm土層，在西北和東北方向上，圍封和放牧處理對土壤銨態(tài)氮有顯著影響（P<0.05）;在西南方向的0-20cm土層，樣環(huán)對土壤銨態(tài)氮的影響顯著（P<0.001），且處理與樣環(huán)的交互作用對土壤銨態(tài)氮也有顯著影響（P<0.01）。20-50cm土層，在西南和東北方向上，圍封和放牧處理對土壤銨態(tài)氮有顯著影響（P<0.05）。在西南方向的20-50cm土層，處理與樣環(huán)的交互作用對土壤銨態(tài)氮含量有顯著影響（P<0.01）。

經(jīng)多重比較作圖，如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，0-20cm土層內(nèi)，圍封處理，在東南方向上，5m樣環(huán)和12m樣環(huán)均與1m樣環(huán)存在顯著差異;在西南方向上，1m、5m、12m三個樣環(huán)兩兩之間均存在顯著差異（P<0.05）;東北和西北方向的各樣環(huán)間均無顯著差異。放牧處理中，在東北、東南、西北方向上各樣環(huán)間均無顯著差異;西南方向上，1m與5m和12m樣環(huán)間均存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)間無顯著差異。土壤銨態(tài)氮含量最高出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)西南方向上，其含量是4.37g/kg，土壤銨態(tài)氮含量最低出現(xiàn)在放牧5m樣環(huán)東南方向上，其含量是1.26g/kg。

從圖4可以看出，20-50cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北和東南方向上均無顯著差異，在西南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)間無顯著差異，在西北方向上1m和5m樣環(huán)與12m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無顯著差異;20-50cm土層，放牧處理，東北和東南方向上差異均不顯著，在西南和西北方向上，1m和5m樣環(huán)與12m樣環(huán)均存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無顯著差異。土壤銨態(tài)氮含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)西北方向上，其含量是4.09g/kg，土壤銨態(tài)氮含量最低出現(xiàn)在圍封5m樣環(huán)東北方向上，其含量是0.99g/kg。

3.4 主要影響因素對土壤速效磷的影響

從表4可以看出，在東南方向的0-20cm土層，圍封和放牧處理對土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）;在西北和東南方向的20-50cm土層，圍封和放牧處理對土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）。在西北、西南和東南方向的0-20cm土層，西南方向的20-50cm土層，樣環(huán)對土壤速效磷均有顯著影響（P<0.01）。在0-20cm土層，二者的交互作用對西南和東北方向的土壤速效磷有顯著影響（P<0.01）;在20-50cm土層二者的交互作用對所有方向的速效磷均有顯著影響（P<0.05）。

經(jīng)多重比較作圖，如圖5和圖6所示。

從圖5可以看出，0-20cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北、東南和西北方向上均無顯著差異，在西南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)間無顯著差異;在0-20cm土層內(nèi)，放牧處理，在東北和西南方向上，1m、5m和12m三個樣環(huán)之間兩兩均存在顯著差異，在東南方向上，1m和12m樣環(huán)與5m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無顯著差異，在西北方向上，放牧5m和12m與1m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間呢?zé)o顯著差異。土壤速效磷含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)東南方向上，其含量是7.35g/kg，土壤速效磷含量最低出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)西南方向上，其含量是1.42g/kg。

從圖6可以看出，20-50cm土層內(nèi)，圍封處理，在東北和西南方向上均無顯著差異，在東南方向上，1m和5m樣環(huán)與1m和12m樣環(huán)差異均不顯著，但5m與12m樣環(huán)差異顯著，在西北方向上，1m與5m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間無顯著差異;在20-50cm土層，放牧處理，各個方向上均存在顯著差異，在東北和西北方向上，1m樣環(huán)與5m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但5m與12m樣環(huán)之間無顯著差異，在東南方向上，5m樣環(huán)與1m和12m樣環(huán)存在顯著差異，但1m與12m樣環(huán)之間無顯著差異，在西南方向上，12m樣環(huán)與1m和5樣環(huán)存在顯著差異，但1m與5m樣環(huán)之間無顯著差異。土壤速效磷含量最高出現(xiàn)在放牧12m樣環(huán)西南方向上，其含量是8.64g/kg，土壤速效磷含量最低出現(xiàn)在放牧1m樣環(huán)東北方向上，其含量是1.02g/kg。

4 討論與結(jié)論

試驗區(qū)在放牧和圍封措施下土壤性狀變化表明：人為干擾對土壤性狀產(chǎn)生了影響。相關(guān)研究指出人為干擾不僅影響植被特征，而且對土壤性狀產(chǎn)生了影響，適度放牧草地土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。封育措施主要是通過自然力的作用使退化草地的植被與土壤得到恢復(fù)和良性發(fā)展。本試驗中封育一年后對試驗地進(jìn)行研究，結(jié)果表明：圍封一年對于土壤有機(jī)碳含量變化無顯著差異，但總體圍封地有機(jī)碳含量大于放牧處理樣地，且土壤有機(jī)碳最高值在0-20cm土層和20-50cm土層內(nèi)均出現(xiàn)在圍封樣地，這證明短期圍封對于有機(jī)碳含量增加具有一定作用，不同處理和樣環(huán)對土壤有機(jī)碳也均有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用、處理和土層的交互作用和樣環(huán)和土層的交互作用均對土壤有機(jī)碳有顯著影響，但四因素共同作用不顯著，在同一方向上，土壤有機(jī)碳最高值均出現(xiàn)在圍封處理樣環(huán)上。圍封一年對于土壤銨態(tài)氮含量變化有顯著差異，并且由于恢復(fù)措施不同，圍封處理后比放牧處理土壤銨態(tài)氮含量增加明顯，不同處理和樣環(huán)對土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和土層的交互作用和樣環(huán)和土層的交互作用均對土壤銨態(tài)氮有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用無顯著差異，但四因素的共同作用顯著。圍封一年對于速效磷含量有顯著差異，不同處理和樣環(huán)對土壤速效磷顯著影響不同，處理和土層的交互作用、樣環(huán)和土層的交互作用均對土壤速效磷有顯著影響，處理和樣環(huán)的交互作用不顯著，但四因素的共同作用顯著。由此可知，在封育樣地內(nèi)，由于缺少對植被演替的干擾，使榆樹疏林草地迅速生長，致使土壤有機(jī)碳含量增加，這與何念鵬等研究結(jié)果[6]相同。不同措施下土壤有機(jī)碳、銨態(tài)氮和速效磷的儲量具有表聚現(xiàn)象，銨態(tài)氮和速效磷0-20cm土層和20-50cm土層最高值均出現(xiàn)在放牧處理中，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于試驗時間短，土壤養(yǎng)分還未徹底深入土層。

土壤質(zhì)量是土壤諸多化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的綜合反映[7]。影響土壤質(zhì)量的因子有很多，試驗中通過對三個因子，即有機(jī)碳、速效磷和銨態(tài)氮的分析結(jié)果表明，對重度退化榆樹疏林草地采取圍封措施，降低了人為干擾，植被恢復(fù)減少風(fēng)蝕，隨著大量枯落物的歸還及植被對風(fēng)蝕物和降塵的截獲效應(yīng)，使土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤養(yǎng)分含量明顯增加，土壤性狀的好轉(zhuǎn)又會促進(jìn)植被的發(fā)育，增強(qiáng)了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與崔海、張亞紅的研究結(jié)果[8]具有相似性，亦與當(dāng)?shù)貙嶋H較為相符。

對退化沙質(zhì)草地的開墾和圍封，是引起土壤惡化和逐漸好轉(zhuǎn)的兩個相反的過程，開展圍封對退化沙質(zhì)草地土壤-植被的研究不僅是該地區(qū)荒漠化現(xiàn)狀及逆轉(zhuǎn)程度的評估，還具有對該地區(qū)采取經(jīng)濟(jì)有效的封育措施的指導(dǎo)意義。所以，退化沙質(zhì)草地不應(yīng)再開墾，對于已開墾的地段，應(yīng)棄耕還牧，補(bǔ)播封育，促進(jìn)退耕迅速恢復(fù)植被，盡快還原良好的草原生態(tài)系統(tǒng)。

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