飞播种子丸粒化技术应用对植被和土壤的影响_贾冰.pdf

第 43 卷 第 2 期2023 年 3 月中国沙漠JOURNAL OF DESERT RESEARCHVol.43 No.2Mar.2023贾冰，司建华，武志博，等.飞播种子丸粒化技术应用对植被和土壤的影响 J.中国沙漠，2023，43（2）：195-204.飞播种子丸粒化技术应用对植被和土壤的影响贾冰1，2，司建华1，武志博3，齐识1，马丽丽4，朱兴林1，2，秦洁1，2，石福年5（1.中国科学院西北生态环境资源研究院 内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.阿拉善盟生态产业发展规划中心，内蒙古 阿拉善左旗 750300；4.西南石油大学，四川 成都 610500；5.阿拉善右旗林业和草原局，内蒙古 阿拉善右旗 737300）摘要：为阐明丸粒化技术应用对植被和土壤的影响，以阿拉善左旗腾格里沙漠飞播区为研究区，采用空间替代时间方法，对比分析了20172020年种子丸粒化和未丸粒化飞播区植被生长状况、土壤水分、养分和土壤微生物的变化情况。结果表明：（1）飞播种子丸粒化技术应用后，丸粒化播区植物盖度及地上、地下和总生物量分别以13.72%、395.88%、127.97%和526.16%的年增长率增加；未丸粒化播区各项指标增量明显低于丸粒化播区；（2）每个飞播年丸粒化和未丸粒化播区土壤含水量和养分之间差异性不明显；随着生长年限增加，土壤有机碳呈增加趋势，土壤全氮含量呈减少趋势，土壤全磷含量变化不大，不同飞播年限丸粒化和未丸粒化播区土壤全磷含量分别为208.67222.5 mg kg-1和192.83213.33 mg kg-1；（3）对8个样地的土壤样本提取DNA进行微生物群落分析，其中仅采自2017年及2019年丸粒化播区的样本满足后续测序要求，相比于2019年丸粒化播区，2017年丸粒化播区土壤的Simpson指数出现了些许降低，而Sobs指数、Chao1指数和ACE指数均显著增加，分别提高了46.67%、43.73%和43.91%。总体上，飞播种子丸粒化对阿拉善左旗沙漠土壤环境具有一定的改善作用。关键词：飞播造林；种子丸粒化；植被；土壤；土壤微生物；腾格里沙漠文章编号：1000-694X（2023）02-195-10 DOI：10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00088 中图分类号：F415.2 文献标志码：A0 引言 人工造林是干旱区生态恢复的主要措施，广泛应用于全球干旱沙漠地区，是防治沙漠化的有效方法1。飞播作为中国三大造林方式之一，在20世纪50年代由西方国家传入中国，由于具有布施快、成本低、见效快、范围广、经济效益好等优势，广泛地用于北方干旱半干旱地区植被建设2。近年来，国内外已有大量的关于飞播植被建设的研究报道，结果表明，飞播造林能够改善植物群落多样性3-5，并随着植被生长年限的增加，改变土壤水分生境条件及理化性质6，逐渐形成沙地结皮，增强表层土壤持水能力7，使流动沙丘由流动到半固定和固定状态，最终达到防风固沙的效果。1982年飞播造林正式纳入中国国家计划，自此飞播造林在中国国家计划中的造林目标逐步增大，目前，中国在干旱沙区营造防风固沙林面积达121万hm2，飞播人工植被36.2万hm2 8。通过合理选择飞播植物种，实现在立地条件差、治理难度大的沙漠地区增加森林面积，以达到防沙治沙的目的9。研究发现，对飞播植物种子进行丸粒化处理能够防止飞播后种子随风漂移而聚积，飞播种子均匀度较好，有利于种子出芽10-12。许多学者就飞播造林开展了研究，包括飞播植物的选取13、飞播后植被群落演替14-16、飞播对土壤功能性的影响17-18等方面，取得了一定的成果。然而，目前针对飞播种子丸粒化对环境生态反馈影响的研究报道并不多见，因而收稿日期：2022-07-25；改回日期：2022-09-06资助项目：内蒙古自治区科技成果转化引导项目（CGZH2018118）；内蒙古自治区科技重大专项（zdzx2018057）；中国科学院创新交叉团队项目（JCTD-2019-19）；塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室开放项目（BRZD2202）；甘肃省祁连山生态环境研究中心开放项目（QLS202004）作者简介：贾冰（1985），女，宁夏银川人，硕士，工程师，主要从事干旱区生态水文的研究。E-mail：通信作者：司建华（E-mail：）中国沙漠第 43 卷还不能准确地认识飞播种子丸粒化对干旱区植被建设和生态环境改善的作用，种子丸粒化对飞播成效影响的关键时期是飞播初期，这对后期是否成林起到主导作用，目前有关飞播种子丸粒化初期对植被和土壤的影响尚不清楚。基于此，本研究以阿拉善左旗腾格里沙漠飞播区为研究区，通过对不同飞播年限飞播区植被和土壤的调查，分析种子丸粒化与未丸粒化播区植被生长变化特征、土壤理化性质和土壤微生物特征，为提高沙漠地区飞播造林成效提供依据。1 研究区概况 研究区位于内蒙古自治区阿拉善盟阿拉善左旗（3724 4152 N，10321 10651 E），南北长495 km，东西宽214 km，东接内蒙古巴彦淖尔市磴口县、乌拉特后旗，乌海市；东南与宁夏石嘴山市、银川市、青铜峡市相望；南交甘肃景泰县、古浪县，宁夏中卫市；西连甘肃武威市，内蒙古阿拉善右旗；北与蒙古国接壤，国境线长 189 km（图 1）。面积25 514 km2，地势南高北低，北端银根盆地海拔742 m，是阿拉善地区最低的地方，由沙漠、湖盆、低山、丘陵、戈壁共同组成。根据阿拉善左旗气象站19772020 年资料统计，区内多年平均降水量为216.6 mm，其中2017、2019年和2018年丸粒化播区降水量为125150 mm，2018年和2020年非丸粒化播区降水量为 100125 mm，多年平均蒸发量为2 266.5 mm。降水时间分布不均，有效降水集中在59月，该时段降水量约占全年总降水量的 80%。58 月蒸发量较大，平均月蒸发量为 282.1359.7 mm。多年平均气温为8.7，气温由南向北递减。多年平均湿度为38.8%，平均风速为2.6 m s-1，无霜期120180 d。2 研究方法 2020年9月，对20172020年飞播年不同播区（丸粒化和未丸粒化播区）植被和土壤样品进行采集，分析其理化性质及微生物的时空变化特征。2.1植被调查共调查样地 8个（表 1），调查植被物种有花棒（Hedysarum scoparium）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）和沙蒿（Artemisia desertorum），每个样地大小为20 m100 m，分为20 m20 m的5个样方，调查内容包括物种、株数、冠幅、地上生物量和地下生物量，并计算其盖度和密度（盖度=植物体地上部分垂直投影所覆盖的面积/调查面积100%，密度=植物株数/样地面积）。调查过程中记录了样地经纬度、海拔、地貌以及气候状况，围栏封育、原生植被生长状况等。种子丸粒化出苗状况的调查方法采用 内蒙古自治区飞播治沙造林技术规程 DB15/T5562013，参照出苗观测情况，播区有苗面积成数估测精度图1研究区及采样点位置图Fig.1Location of the study area and the sampling points196第 2 期贾冰等：飞播种子丸粒化技术应用对植被和土壤的影响80%、可靠性95%，计算出样方总数和间距，按播区宽度等距布设样方256个，样方面积1 m2，调查播区内苗木名称、苗木株数和分布情况等。2.2土壤样品采集挖取土壤剖面8个（4个丸粒化播区和4个未丸粒化播区），深度为100 cm。所有剖面分为6层，分别为 010、1020、2040、4060、6080 cm 和 80100 cm，获取土壤样品48个，为了避免水分损失，采样过程中迅速将样品装于聚乙烯样品袋中密封保存，同时将含水量测试样品置于铝盒中，现场测量了各土层样品的土壤湿重。利用环刀采集容重样品，采集深度分别为 020、2040 cm 和 4060 cm。样品封存后带回实验室进行土壤理化性质测定。在每个调查样方内，利用 5 点取样法（每个20 m20 m样方的对角线均匀设置3个1 m1 m的小样方，在小样方内按照4个角和中心点采集5个深度为10 cm土壤样品，3个1 m2小样方的土壤混合为1个土样），采集的土壤样品冷藏带回实验室进行土壤微生物检测。2.3土壤理化指标测定土壤含水量（SWC）用烘干称重法测定，将野外采集的样品置于恒温烘箱中，于 105 温度放置12 h，称重获得SWC；土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定，全磷含量采用钼锑抗比色法测定19。2.4土壤微生物测定将经过40目筛的土壤样品转移至50 mL聚乙烯离心管内，送至上海美吉生物有限公司进行16S rRNA基因测序。使用A.E.Z.N.A.TM土壤DNA试剂盒提取样品中DNA，每个样本3个重复，用引物341F（5-CCTACGGGNGGCWGCAG-3）和 806R（5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3）进 行 PCR扩增，并用2%的琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物，然后经切胶、回收、建立文库并通过 Illumina 公司的Miseq PE300测序平台进行文库构建和上机测序，采用Trimmomatic软件对原始DNA序列质量控制，用FLASH软件拼接得到优质序列20。通过美吉生信云分析平台进行微生物群落Alpha多样性分析、微生物群落组成分析和PICRUSt功能基因预测。2.5数据统计与分析采用 Excel 2016进行数据统计分析，使用 SigmaPlot 12.5进行绘图，使用SPSS 21.0进行t检验及方差分析。采用t检验分析同一年丸粒化与未丸粒化播区各指标是否存在差异，采用单因素方差分析（ANOVA）进行丸粒化与未丸粒化播区各指标随播种年限变化的差异性分析，多重比较采用 Duncan法，显 著 性 检 验 水 平 为 =0.05。利 用 Mothur（v1.30.2）软件计算不同随机抽样下的Alpha多样性指数和稀释曲线。3 结果与分析 3.1飞播种子丸粒化与未丸粒化植被特征对20172020年8个飞播样地（4个丸粒化和4个未丸粒化）植被生长状况进行了统计分析，结果如表2所列。丸粒化和未丸粒化播区植被密度分别为0.0211.192 株 m-2和 0.0150.832 株 m-2，2017 年和 2018表1 飞播区8个采样点的空间位置及飞播时间Table 1 Spatial location and time of 8 sampling sites in the aerial seeding area飞播时间2017年5月30日7月28日2018年5月31日7月30日2019年5月31日8月10日2020年6月6日8月6日采样区域未丸粒化播区丸粒化播区未丸粒化播区丸粒化播区未丸粒化播区丸粒化播区未丸粒化播区丸粒化播区地理位置3825 41.7 N,10442 25.8 E3820 06.9 N,10351 15.4 E3942 29.2 N,10417 58.4 E3832 10.5 N,10339 39.6 E3847 21.8 N,10418 08.4 E3846 55.8 N,10420 27.0 E4034 33.5 N,10503 46.9 E4035 22.2 N,10459 09.6 E飞播植物花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿花棒、沙拐枣、沙蒿197中国沙漠第 43 卷年丸粒化播区植被密度显著高于未丸粒化播区。2017年和2018年丸粒化播区植被盖度及地上、地下和总生物量均显著高于未丸粒化播区，2019 年和2020年丸粒化播区与未丸粒化播区各项指标差异不显著。20172020年飞播区植被盖度及地上、地下生物量的总体变化随着生长年限的延长呈现增加趋势，从第3年开始显著增加，其中丸粒化飞