固沙灌木配置模式对宁夏东部...土壤生态化学计量特征的影响_李海泉.pdf

GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6 固沙灌木配置模式对 宁夏东部风沙区土壤生态化学计量特征的影响李海泉1，邱开阳1*，谢应忠1，何毅1，苗虎1，刘王锁1，2，黄业芸1（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏葡萄酒与防沙治沙职业技术学院，宁夏 银川 750199）摘要：为探讨宁夏东部风沙区不同固沙灌木配置模式对土壤养分含量及其生态化学计量比的影响，以宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区典型固沙灌木样地为研究对象，分析 5种固沙灌木配置模式（柠条纯林、杨柴纯林、柠条花棒混交、柠条沙拐枣混交、花棒沙拐枣混交）下土壤碳、氮、磷含量及其生态化学计量比。结果表明：010 cm 土层，柠条花棒混交、柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式的土壤全氮含量和 N P 均显著高于其他 3 种固沙灌木配置模式，但土壤 C N 显著低于其他 3 种；1020 cm 土层，柠条纯林、柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式土壤 C N 显著高于其他 3种，柠条纯林固沙灌木配置模式土壤 C P显著高于其他 4种；2030 cm 土层，柠条纯林固沙灌木配置模式土壤全氮含量显著高于其他 4种，柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式土壤有机碳含量和 C P均显著低于其他 4种。C N 和 N P 主要限制因素均为全氮，C P 主要限制因素为有机碳。柠条花棒混交、柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式有利于表层土壤氮矿化，提高土壤全氮含量，促进沙地土壤养分的平衡。关键词：固沙灌木；土壤；生态化学计量；沙地恢复；草方格造林中图分类号：S714.5 文献标志码：A 文章编号：1009-5500（2022）06-0028-11 DOI：10.13817/ki.cyycp.2022.06.004我国是世界上土地沙漠化较为严重的国家，沙漠化已成为制约我国经济社会发展的重要因素，我国在沙漠化治理方面形成了诸多技术1。草方格协同种植不同固沙灌木作为沙漠化防治过程中最为常见的工程措施，被称为草方格造林2。在实践中采用的固沙灌木，有时为一种，有时是两种灌木进行混交，具有一定的随意性。有研究表明，不同灌木对降水的再分配3对地上-地下生物量分配4会产生不同的影响。同时，不同固沙灌木的凋落物含量及分解速率也不相同5，进而，会对土壤养分的积累产生不同的影响。罗雅曦等6在宁夏风沙区不同人工固沙灌丛林的研究发现，相比其他灌木类型，油蒿林地对土壤养分的提高最为显著；而张立欣等7对库布齐沙漠不同人工固沙灌木林的研究发现，几种灌木类型下油蒿+杨柴混交林对土壤养分的提高最为显著；董雪等8对科尔沁沙地 4种典型灌木灌丛下土壤碳、氮、磷化学计量特征研究表明，东北木蓼和小叶锦鸡儿更有利于土壤养分的积累。这些研究表明，不同固沙灌木对土壤养分的提高存在一定的差异。沙地松软，沙粒之间排列疏松，孔隙较大，因此沙地是个良好的碳库。沙地经常掩埋各种枯落物而增加其碳储量。同时，沙地土壤易渗漏，可溶性的氮磷养分也经常由于渗漏或风蚀而流失。因此，沙地土壤的碳、氮、磷含量易于变化，而这方面的研究较少，尤其是沙地不同固沙灌木配置模式对土壤碳、氮、磷含量及其化学计量比的影响尚不明确。收稿日期：2021-07-16；修回日期：2021-09-30基金项目：宁夏重点研发项目（引才专项）（2019BEB04011）；高层次留学人才回国资助项目（人社厅函2019 160 号）；宁夏自然科学基金（2020AAC03273）作者简介：李海泉（1993-），男，宁夏吴忠人，硕士研究生。E-mail：*通信作者。Email：28第 42 卷 第 6 期草 原 与 草 坪 2022 年生态化学计量学是通过结合多学科的基本原理，形成对生态系统 C、N、P 等化学元素平衡以及 C、N、P等化学元素对生态系统交互作用影响研究的一种理论方法9，C、N、P 元素之间互相作用是土壤系统中的重要过程10，同时土壤 C、N、P 作为生态化学计量学领域研究的主要对象，土壤 C、N、P生态化学计量比是评价土壤质量的重要指标之一11。近年来生态化学计量学方面的研究主要集中在农田12、森林13、草原14等陆地生态系统，相比而言沙漠地区的相关研究较少。许多研究表明土壤 C N P 的生态化学计量比受温度15和降水16等气候因素、海拔17和纬度18等地形因子的影响。但在沙地生态恢复过程中不同固沙灌木配置模式的影响尚不清楚。宁夏是我国沙漠化最为严重的地区之一，草方格造林作为该地区主要的固沙措施，已有多年的应用。宁夏也是全国最早开始应用草方格耦合灌木进行固沙的地区，利用固沙灌木进行沙地恢复在该区域的应用也非常广泛。白芨滩国家级自然保护区是中国草方格固沙的典范。但是，草方格灌木固沙过程中种植不同灌木对土壤化学计量特征，尤其是 C N P比值的影响尚不明确。因此，本研究以宁夏白芨滩国家级自然保护区使用最广泛的 5 种固沙灌木配置模式：柠条纯林、杨柴纯林、柠条花棒混交、柠条沙拐枣混交、花棒沙拐枣混交为研究对象，研究不同固沙灌木配置模式对土壤 C、N、P 含量及其生态化学计量比的影响。5种固沙灌木中柠条作为深根性树种，耐寒、耐旱、耐瘠薄、抗高温，根系发达、具根瘤、保水性能好，这些特性使得柠条可以高度适应干旱的沙地，并且具有较强的再生能力，被沙埋之后，依然可以产生不定根，生长出新的枝条，有很好的固沙作用。花棒为沙生、耐旱、喜光树种，耐干旱，抗风蚀，喜适度沙压，生长迅速，根生长快，侧根发达，根幅大，易繁殖，种子萌发率高、枝条及根易萌生新芽，形成无性繁殖体，可平茬复壮，是防风固沙的优良树种。花棒全株几乎无小叶或小叶极少，完全以绿色的叶轴代替小叶进行光合作用。杨柴是多年生落叶半灌木，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、抗风沙的特点，适应性强。杨柴是多年生落叶半灌木，具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、抗风沙的特点。柠条、花棒和杨柴都属于豆科固沙灌木，根系发达，有根瘤菌，能固定空气中的游离氮，增加土壤氮含量，从而使土壤肥力得到提高和改善。沙拐枣是蓼科沙拐枣属灌木，具有抗风蚀、耐沙埋、抗干旱、耐瘠薄等特点，能适应条件极端严酷的干旱荒漠区环境，是荒漠区典型的沙生植物。不同固沙灌木的生活习性不同，凋落物的数量和质量也存在不同的差异，柠条比较高大，枝叶茂盛，凋落物比较多，而花棒、杨柴和沙拐枣相对矮小一些，枝叶也较为稀疏，凋落物相对较少。探究宁夏东部风沙区不同固沙灌木配置模式下土壤生态化学计量变化规律，寻求最佳的固沙灌木种植模式，为宁夏沙地恢复提供理论依据。1材料和方法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，该地区位于宁夏东部风沙区，属于宁夏毛乌素沙地南缘，地 理 坐 标 E 10621 33 10637 00，N 3748 28 3820 12，研究区气候类型属于典型的大陆性季风气候，降水的季节变化和年际变化均较大，多年平均降水量 230.49 mm，降水量季节分布不均，以 7-9 月最多，占全年降水量的 60%以上。该地区多年平均气温为 10.24，10 的时间段分布在 4-10月，年平均无霜期为 154 d。研究区位于我国内陆高原地区，属于多风地区，全年大风（17 m/s 以上）日数为 63 d；年沙暴日数为 35 d。土壤类型主要为灰钙土和风沙土。研究区主要固沙灌木为柠条（Caragana korshinskii）、花棒（Corethrodendron scoparium）、沙拐枣（Calligonum mongolicum）、杨柴（C.fruticosum var.mongolicum 等，植被多数是沙生植被，如黑沙蒿（Artemisia ordosica）、沙木蓼（Atraphaxi sbracteata）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、烛台虫实（Corispermum candelabrumIljin）等。研究区 5 种典型固沙灌林基本信息见表 1。1.2试验设计于 2019 年 7 月在白芨滩国家级自然保护区内以2002 年建立的固沙恢复区为研究对象，分别选取 5 种不同固沙灌木配置模式（表 2）样地各 3个，每个样地面积 100 m100 m，各样地之间具有相同的地形条件。在每个样地内设置 1 条 50 m 长的样线，在每条样线29GRASSLAND AND TURF（2022）Vol.42 No.6 上，每 10 m 设置 1 个 10 m10 m 的灌木样方，5 种固沙灌木配置模式共设置 75 个样方。在每个样方内采用 5 点法分别采集 010 cm、1020 cm 和 2030 cm的土样，把同一个样方内 5 个点采集的同一土层的样品均匀混合形成一个样品，装入自封袋并带回实验室。将土壤样品放置在阴凉干燥通风且无特殊气体和尘土污染的室内，经过自然风干后用镊子拣出枯枝落叶和植物根等杂质，然后采用四分法对土样进行过筛保存，过筛具体步骤：将风干土壤过 2 mm 筛后，取出一半继续过 1 mm 筛，之后再取出一半继续过 0.15 mm 筛，无法通过的土壤进一步研磨，直至全部土样通过 0.15 mm 筛。将通过 0.15 mm 筛的土壤样品充分混匀装入自封袋保存，本研究中土壤有机碳、全氮和全磷均采用过 0.15 mm 筛后的土样进行测定。每一种固沙灌木配置模式的土壤有机碳、全氮和全磷含量均通过测定 15 个重复求其平均值。1.3土壤样品分析方法土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定19。1.4数据处理与分析分别使用土壤有机碳含量、全氮含量和全磷含量代表土壤的 C、N、P 含量。采用 Excel 2016 对数据进行录入和初步整理，剔除异常数据。利用 SPSS 22.0进行单因素方差分析（OneWay ANOVA）和 Duncan 多重检验，对各个土层下 5 种固沙灌木配置模式的土壤样品 C、N、P 含量及 C N、C P 和 N P 生态化学计量比分别进行差异性检验，显著性水平为=0.05；运用 Pearson Correlation 分析土壤 C、N、P 含量与其化学计量比的相关性；根据相关分析结果，进一步采用一元线性回归模型分析化学计量比与土壤 C、N、P 含量之间的关系；利用 Matlab 软件进行作图，图中数据均为平均值标准误。2结果与分析2.1不同固沙灌木配置模式对土壤 C、N、P 含量的影响在 010 cm 土层，柠条花棒混交与柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式下土壤全氮含量显著高于其他 3种固沙灌木配置模式（P0.05）（图 1、3）。在 1020 cm 土层，柠条和杨柴固沙灌木配置模式有机碳含量显著高于其他 3 种固沙灌木配置模式（P0.05）（图 1），柠条沙拐枣混交固沙灌木配置模式全氮含量显著低于其他 4种固沙灌木配置模式（P0.05），而杨柴固沙灌木配置模式全氮含量显著高于其他 4种固沙灌木配表 25种固沙灌木配置模式概况Table 2Overview of 5 different sand-fixing shrub configuration patterns配置模式灌木组成柠条杨柴柠条花棒混交柠条沙拐枣混交花棒沙拐枣混交种植时间/年20022002200220022002株距/m11111行距/m22222种植方式人工栽植人工栽植人工栽植人工栽植人工栽植表 1研究区 5种典型固沙灌木样地基本信息Table 1Basic information of five typical sand-fixing shrub plots in the study area灌木组成柠条杨柴柠条花棒混交柠条沙拐枣混交花棒沙拐枣混交1989-2018年年均降水量/mm232.7048.76a230.9948.46a230.8748.61a228.8848.71a229.0048.80a1989-2018年年均气温/10.190.58a10.210.58a10.200.57a10.290.57a10.310.57a地上生物量/（gm-2）15.483.73b57.227.38a5