韋 體，卜 磊，吳登宇，陳宏福，高丹丹，劉紅海，徐紅偉，蔡 勇，楊具田，郭鵬輝

（1. 西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2. 甘肅煙草工業(yè)責(zé)任有限公司，甘肅 蘭州 730050）

土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，直接或間接影響植物的生長(zhǎng)，植物也反過(guò)來(lái)影響土壤的形成和發(fā)育[1]。土壤與植物是陸地生態(tài)的2個(gè)重要組成部分，土壤中含有多種礦物質(zhì)，為植物生長(zhǎng)代謝提供不可或缺的重要條件，而植物通過(guò)影響土壤養(yǎng)分、腐殖質(zhì)形態(tài)以及礦物質(zhì)的礦化速率等，加快土壤碳氮循環(huán)過(guò)程[2‐3]。因此，充分了解二者之間的關(guān)系，對(duì)于植被修復(fù)具有重要意義。

甘肅省榆中盆地地處西北黃土高原，多山少雨，氣候干燥，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，土層較為疏松，土壤水分極易流失，且土壤養(yǎng)分差異比較明顯[4‐5]。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直希望通過(guò)退耕還林、植樹(shù)造林等方式來(lái)修復(fù)榆中盆地的生態(tài)系統(tǒng)，改良其土壤養(yǎng)分。研究表明，人工植被修復(fù)的確能夠改良土壤理化性質(zhì)[6‐7]。但目前人們關(guān)注的焦點(diǎn)大多集中在植被類型與土壤理化性質(zhì)的相互作用關(guān)系方面，對(duì)于植被類型與土壤養(yǎng)分之間的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)方面研究報(bào)道較少。鑒于此，在前期調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，選取甘肅省榆中盆地草地、落葉林、針葉林、灌木林4 種典型的人工植被類型，以4 種典型人工植被類型下分布較為廣泛的8 種植物（苜蓿、梨樹(shù)、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、牡丹、月季、丁香）樣地土壤樣品為研究對(duì)象，對(duì)其空間和時(shí)間分布上的養(yǎng)分狀況及其變化特征進(jìn)行分析，旨在闡明榆中盆地不同人工植被類型與土壤養(yǎng)分季節(jié)變化動(dòng)態(tài)及其相互關(guān)系，以期為西北黃土高原脆弱區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

甘肅省榆中盆地地處西北黃土高原，介于東經(jīng)103°49′15″～104°34′20″、北緯35°34′20″～36°26′30″，總面積3 301.6 km2，海拔1 432～3 670 m，地勢(shì)南高北低，中部呈“凹”狀，山多川少，自南至北地形呈“馬鞍型”分布。榆中盆地屬于典型溫帶半干旱大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒，夏季炎熱，氣溫年較差、日較差大，四季分明。年平均降水量350 mm，全年無(wú)霜期159 d，年平均氣溫6.57 ℃。主要植被類型為落葉喬木、落葉灌木、常綠喬木和草地，分布較為密集，土壤主要由亞高山草甸土和灰褐土構(gòu)成[8‐10]。

1.2 樣品采集

分別于2019年4月和11月采集土壤樣品，采集時(shí)以盡量不破壞采集區(qū)為前提，并保證樣點(diǎn)選取的均勻性、科學(xué)性和可比性，各采集區(qū)取樣方法、時(shí)間、位置和處理方法保持一致。在4 種典型的人工植被類型（草地、落葉林、針葉林、灌木林）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹(shù)、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、牡丹、月季、丁香）樣地（30 m×30 m）內(nèi)采用S形采樣法選取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，每個(gè)樣點(diǎn)自上而下分別采集A（0～10 cm）、B（10～20 cm）、C（20～30 cm）3 個(gè)土層深度的土壤樣品。將每個(gè)土層深度的5個(gè)樣品組成1 個(gè)混合樣品，并用四分法分取至1 kg 左右。將采得的土樣放入專用樣品袋中作好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室。將土壤樣品置于陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，利用瓷研缽將其研細(xì)，通過(guò)孔徑為0.15 mm 的尼龍網(wǎng)篩去除樣品中的石頭、雜草及其他雜質(zhì)，裝入密封袋中備用。

1.3 樣品指標(biāo)測(cè)定

采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量；采用乙酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定土壤速效鉀含量；采用土壤養(yǎng)分速測(cè)儀（OK-Q，鄭州歐柯奇儀器制造有限公司）測(cè)定土壤銨態(tài)氮含量；采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用pH 計(jì)[pHBJ-260 型，上海儀電控股（集團(tuán)）公司]測(cè)定土壤pH 值；采用農(nóng)業(yè)環(huán)境測(cè)定儀（HL-2000，石家莊世亞科技有限公司）連接土壤鹽分傳感器測(cè)定土壤電導(dǎo)率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用SPSS 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，采用雙變量相關(guān)分析法分析土壤各養(yǎng)分之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘肅省榆中盆地土壤養(yǎng)分概況

甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹(shù)、牡丹、月季、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、丁香）樣地土壤主要養(yǎng)分指標(biāo)變異系數(shù)最低為2.15%，最高達(dá)44.34%。變異系數(shù)的大小反映了指標(biāo)變異程度，一般認(rèn)為，變異系數(shù)<10%為弱強(qiáng)度變異，10%≤變異系數(shù)≤100%為中等強(qiáng)度變異，變異系數(shù)>100%為強(qiáng)度變異[11]。由表1 可知，土壤速效磷含量和pH值的變異系數(shù)分別為9.83%、2.15%，屬于弱強(qiáng)度變異；土壤銨態(tài)氮含量、速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率的變異系數(shù)分別為44.34%、30.49%、28.81%、33.33%，介于10%～100%，為中等強(qiáng)度變異。上述結(jié)果表明，在不考慮空間分布的前提下，單從土壤養(yǎng)分的隨機(jī)性上看，各養(yǎng)分含量總體上比較分散。銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)平均含量分別為50.04 mg/kg、76.16 mg/kg、130.62 mg/kg、18.15 g/kg；pH 值、電導(dǎo)率平均值則分別為8.39、0.36 mS/cm。

2.2 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分含量空間與時(shí)間分布特征

由表2 可知，甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹(shù)、牡丹、月季、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、丁香）樣地土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量均隨著土層深度增加而減少，且同一植物樣地不同土層的土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量均存在顯著性差異（P<0.05）。土壤銨態(tài)氮含量介于25.79～100.99 mg/kg。其中，丁香樣地0～10 cm 土層銨態(tài)氮含量最高，達(dá)100.99 mg/kg，且其不同土層深度的銨態(tài)氮含量均高于其他7種植物樣地；銀杏樣地20～30 cm 土層銨態(tài)氮含量最低，為25.79 mg/kg。土壤速效磷含量介于59.42～93.65 mg/kg。其中，月季樣地0～10土層速效磷含量最高，達(dá)93.65 mg/kg；銀杏樣地20～30 cm 土層速效磷含量最低，為59.42 mg/kg。土壤速效鉀含量介于74.17～218.13 mg/kg。其中，梨樹(shù)樣地0～10 cm 土層速效鉀含量最高，達(dá)218.13 mg/kg，是柏樹(shù)樣地20～30 cm 土層速效鉀含量（74.17 mg/kg）的2.9 倍。土壤有機(jī)質(zhì)含量介于9.33～29.92 g/kg。其中，苜蓿樣地0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)29.92 g/kg；梨樹(shù)樣地20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量最低，為9.33 g/kg。

表2 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下土壤養(yǎng)分含量的空間與時(shí)間分布特征Tab.2 Spatial and temporal distribution characteristics of soil nutrients content under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

從季節(jié)變化來(lái)看，不同人工植被類型下8 種植物樣地在同一土層深度中，土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量均為春季顯著高于冬季（P<0.05）。其中，春季丁香樣地土壤銨態(tài)氮平均含量最高，達(dá)95.81 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤銨態(tài)氮平均含量最低，為29.06 mg/kg。春季月季樣地土壤速效磷平均含量最高，達(dá)86.15 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤速效磷平均含量最低，為65.54 mg/kg。春季梨樹(shù)樣地土壤速效鉀平均含量最高，達(dá)197.16 mg/kg；冬季銀杏樣地土壤速效鉀平均含量最低，為84.05 mg/kg。土壤有機(jī)質(zhì)含量為冬季顯著高于春季（P<0.05）。其中，春季銀杏樣地土壤有機(jī)質(zhì)平均含量最低，為12.18 g/kg；冬季苜蓿樣地土壤有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)26.60 g/kg。

2.3 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤理化因子空間與時(shí)間分布特征

由表3 可知，甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹(shù)、牡丹、月季、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、丁香）樣地土壤pH 值和土壤電導(dǎo)率在不同土層深度存在顯著性差異（P<0.05）。土壤pH 值介于7.84～8.68。其中，柏樹(shù)樣地10～20 cm 土層pH值最高，達(dá)8.68；月季樣地0～10 cm 土層pH 值最低，為7.84。土壤電導(dǎo)率介于0.20～0.70 mS/cm。其中，銀杏樣地20～30 cm 土層電導(dǎo)率最高，達(dá)0.70 mS/cm；丁香樣地0～10 cm 土層電導(dǎo)率最低，為0.20 mS/cm。

表3 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下土壤理化因子的空間與時(shí)間分布特征Tab.3 Spatial and temporal distribution characteristics of soil physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

從季節(jié)變化來(lái)看，不同人工植被類型下8 種植物樣地在同一土層深度中，土壤pH 值和土壤電導(dǎo)率在不同季節(jié)具有顯著性差異（P<0.05）。其中，春季柏樹(shù)樣地土壤pH 值平均值最高，達(dá)8.63；冬季苜蓿樣地土壤pH值平均值最低，為8.17。土壤電導(dǎo)率在同一土層深度表現(xiàn)為春季顯著高于冬季（P<0.05）。春季銀杏樣地土壤電導(dǎo)率平均值最高，達(dá)0.67 mS/cm；冬季丁香樣地土壤電導(dǎo)率平均值最低，為0.23 mS/cm。

2.4 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分間相關(guān)性分析

甘肅省榆中盆地4 種典型的人工植被類型（針葉林、落葉林、灌木林、草地）下分布較為廣泛的8種植物（苜蓿、梨樹(shù)、牡丹、月季、銀杏、松樹(shù)、柏樹(shù)、丁香）樣地土壤各養(yǎng)分間Pearson 相關(guān)分析結(jié)果（表4）表明，8 種植物樣地的土壤銨態(tài)氮含量與速效磷含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.42；土壤銨態(tài)氮含量與土壤pH 值呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；土壤銨態(tài)氮含量與速效鉀含量、電導(dǎo)率之間均呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤銨態(tài)氮含量與有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤速效磷含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為0.44；土壤速效磷含量與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.42；土壤速效磷含量與土壤pH 值呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）；土壤速效磷含量與速效鉀含量無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤速效鉀含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；土壤速效鉀含量與土壤電導(dǎo)率、pH值均呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。土壤有機(jī)質(zhì)含量與電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.54；土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤pH 值無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05）。土壤pH值與電導(dǎo)率無(wú)顯著相關(guān)性（P>0.05）。

表4 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分含量與理化因子間的相關(guān)性Tab.4 Correlation between soil nutrients content and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

本研究利用多元線性逐步回歸法對(duì)土壤養(yǎng)分與理化因子進(jìn)行了分析，得到土壤速效鉀含量（Y）與銨態(tài)氮含量（X1）、有機(jī)質(zhì)含量（X2）、pH 值（X3）及電導(dǎo)率（X4）的最優(yōu)方程（表5）。表5顯示，在苜蓿樣地，速效鉀含量與銨態(tài)氮含量、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率呈線性數(shù)量關(guān)系，表明苜蓿對(duì)土壤速效鉀含量、銨態(tài)氮含量、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合性的影響。在梨樹(shù)樣地，土壤速效鉀含量與pH 值和電導(dǎo)率存在線性關(guān)系，表明梨樹(shù)對(duì)土壤速效鉀、pH 值和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合性影響。在銀杏樣地，表現(xiàn)為土壤速效鉀含量?jī)H與銨態(tài)氮含量存在線性數(shù)量關(guān)系，表明銀杏對(duì)土壤速效鉀含量和銨態(tài)氮含量產(chǎn)生了綜合影響。在松樹(shù)、柏樹(shù)、月季及丁香樣地，土壤速效鉀含量與銨態(tài)氮含量和電導(dǎo)率存在線性數(shù)量關(guān)系，表明松樹(shù)、柏樹(shù)、月季及丁香4 種植物對(duì)土壤速效鉀含量、銨態(tài)氮含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合影響。在牡丹樣地，土壤速效鉀含量與有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率存在線性數(shù)量關(guān)系，表明牡丹對(duì)土壤速效鉀含量、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率產(chǎn)生了綜合影響。

表5 甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下的土壤養(yǎng)分與理化因子間的多元線性回歸關(guān)系Tab.5 Multiple linear regression relationship between soil nutrients and physical and chemical factors under different artificial vegetation types in Yuzhong Basin，Gansu Province

3 結(jié)論與討論

甘肅省榆中盆地作為西北黃土高原的典型區(qū)域，水土流失嚴(yán)重、植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱[5]。人工植物種植既是改善該區(qū)域脆弱生態(tài)環(huán)境的有效方法，也是改良土壤品質(zhì)、適應(yīng)惡劣環(huán)境的綜合體現(xiàn)。本研究針對(duì)榆中盆地不同人工植被類型下土壤養(yǎng)分的時(shí)空特征進(jìn)行了分析，從土壤的空間垂直分布上看，隨著土層深度（0～30 cm）的增加，土壤中銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低。其中，土壤銨態(tài)氮含量、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量在不同土層深度及季節(jié)下變異系數(shù)分別為44.34%、30.49%、28.81%，均表現(xiàn)為中等強(qiáng)度變異；速效磷含量變異系數(shù)為9.83%，表現(xiàn)為弱強(qiáng)度變異。變異系數(shù)值越小，表明不同土層之間土壤養(yǎng)分含量差別越小。本研究中，銨態(tài)氮、速效鉀及有機(jī)質(zhì)含量，尤其是速效磷含量在不同土層中較穩(wěn)定。趙鵬等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，檉柳和黑果枸杞樣地土壤養(yǎng)分含量（有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、速效磷、速效鉀）隨土層深度的增加而降低，與本研究結(jié)果一致，這可能與植物凋落物的分解有關(guān)[6]。植物凋落物的分解是土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源，其含量的高低，在一定程度上直接影響土壤養(yǎng)分分解和循環(huán)的速率，故深層土壤中養(yǎng)分含量較低[13]。從季節(jié)變化動(dòng)態(tài)來(lái)看，除有機(jī)質(zhì)外，不同人工植被類型下8種植物樣地，春季土壤銨態(tài)氮、速效磷、速效鉀含量顯著高于冬季（P<0.05）。甘肅省榆中盆地春季溫度回升，土壤微生物種類和數(shù)量增加，土壤表層的凋落物分解速率加快，加之該季節(jié)降雨量增加，土壤表面的養(yǎng)分隨水分下滲，經(jīng)夏秋2個(gè)季節(jié)植物吸收與利用后，土壤養(yǎng)分逐漸減少。進(jìn)入冬季后榆中盆地氣溫急劇下降，降雨量稀少，土壤微生物數(shù)量和種類減少，導(dǎo)致冬季土壤養(yǎng)分顯著低于春季（P<0.05）。不同人工植被類型下8種植物樣地，冬季土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于春季（P<0.05），其原因可能是該研究區(qū)域每年冬季有大量的植物凋落物堆積，這些堆積的凋落物逐步轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，使土壤中的有機(jī)物含量增加[14‐15]。

土壤pH 值是反映土壤酸堿度的重要指標(biāo)，pH值過(guò)高（過(guò)堿）或過(guò)低（過(guò)酸）均不利于植物生長(zhǎng)[16‐17]。本研究結(jié)果表明，甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下8 種植物樣地土壤pH 值在不同季節(jié)各土層變化不大，維持在7.84～8.68，表明8種植物對(duì)榆中盆地土壤的酸堿性改良作用不明顯，土壤整體上呈偏堿性，這也可能與該區(qū)域干旱少雨有關(guān)。本研究中土壤電導(dǎo)率隨著土層深度增加而增加，這可能與該區(qū)域地質(zhì)條件及人工灌溉方式等因素有較大關(guān)系，具體原因仍需進(jìn)一步研究和分析。

本研究通過(guò)線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)苜蓿樣地土壤銨態(tài)氮含量、有機(jī)質(zhì)含量和電導(dǎo)率與速效鉀含量存在線性數(shù)量關(guān)系，而其他植物樣地則沒(méi)有這種關(guān)系，由此可推斷苜蓿種植對(duì)于綜合改良土壤理化性質(zhì)的效果優(yōu)于其他植物，其原因可能是苜蓿為豆科植物，具有固氮作用。

本研究通過(guò)對(duì)甘肅省榆中盆地不同人工植被類型下8 種植物樣地的土壤養(yǎng)分含量進(jìn)行分析，揭示了土壤養(yǎng)分含量對(duì)其地上植物生長(zhǎng)及季節(jié)變化的響應(yīng)，表明土壤養(yǎng)分與人工植被存在一定的同步性，呈現(xiàn)出一定的線性相關(guān)關(guān)系，亦即土壤養(yǎng)分含量與植物是協(xié)同互作的有機(jī)整體。