科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林土壤理化性狀的變化

科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林土壤理化性狀的變化

1干旱/半干旱區(qū)的土地恢復(fù)手段目前，世界干旱面積超過世界總面積的1.3%。由于嚴(yán)重的氣候條件和持續(xù)增加的人口壓力，這些地區(qū)的土壤侵蝕和沙化問題日益嚴(yán)重。作為干旱的重要生態(tài)恢復(fù)工具，造林對世界范圍引起了關(guān)注。在干旱半干旱地區(qū)，每年將大量廢棄耕地或退化草地改造成種植林。例如，在美國巴塔哥尼亞干旱半干旱地區(qū)，每年建設(shè)70000h2米的美國黃松，每年增加5000h2米。1985年至2000年，在中國科爾沁沙帶及其周邊地區(qū)約28.30萬hm的草坪已轉(zhuǎn)化為種植林。干旱半干旱地區(qū)的造林不僅可以改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，防止風(fēng)、沙和水土流失，提高生產(chǎn)力，而且成為重要的陸地碳儲量。在未來的50年里，干旱半干旱地區(qū)每年固定1.0pg。然而，土地改良、地下水位和有機(jī)碳儲量的損失會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一些負(fù)面影響，如土壤氧化、地下水位和有機(jī)碳儲量的損失、土壤生物群落結(jié)構(gòu)和活性的變化等。因此，關(guān)于造林作為干旱和半干旱地區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)手段的討論已被擱置，引起了政府管理者、科學(xué)家和土壤恢復(fù)工作者的注意。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是我國“三北”地區(qū)的一個主要造林樹種,在科爾沁、毛烏素和渾善達(dá)克等沙地以及我國多數(shù)的沙漠邊緣地區(qū)營造有大面積的樟子松固沙林.以往有關(guān)樟子松人工固沙林的研究主要集中在固沙林經(jīng)營與管理、生態(tài)效益評價以及樟子松固沙林的衰退機(jī)制等方面,而干旱/半干旱區(qū)沙質(zhì)退化草地營造樟子松人工固沙林對該地區(qū)土壤質(zhì)量影響的研究鮮見報道,限制了對我國干旱/半干旱區(qū)營造大面積樟子松人工林措施合理性的正確認(rèn)識.為此,本文以科爾沁沙地退化草地和32年生樟子松人工林為研究對象,研究在半干旱區(qū)沙質(zhì)退化草地營造樟子松人工固沙林32年后土壤理化性狀、土壤生物數(shù)量以及土壤酶的活性特征,旨在為正確評價干旱/半干旱區(qū)沙地造林的合理性,以及該地區(qū)生態(tài)恢復(fù)建設(shè)提供理論依據(jù).2研究領(lǐng)域和方法2.1研究對象研究區(qū)位于科爾沁沙地大青溝國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(42°45′—42°48′N,122°13′—122°15′E).該自然保護(hù)區(qū)總面積約8180hm2,平均海拔約240m,年均降水量450mm,年均蒸發(fā)量1300～1800mm,屬半干旱區(qū)氣候類型,年均氣溫6.4℃,最高氣溫32.4℃,最低氣溫-23.2℃.土壤類型主要為風(fēng)沙土.保護(hù)區(qū)內(nèi)主要植被類型除天然的落葉闊葉林外,主要為樟子松人工林、榆樹疏林草地和部分退化草地.20世紀(jì)60年代中期以來,在退化草地上營造了大面積樟子松人工林,現(xiàn)有不同年齡樟子松人工林面積約5000hm2.在研究區(qū)內(nèi)選擇32年生樟子松人工林和未造林的草地為研究對象.32年生樟子松人工林平均樹高8.9m,胸徑13.3cm,林分密度1100株·hm-2.林下植被稀疏,主要有狗尾草(Setariaviridis)、細(xì)葉益母草(Leonurussibiricus)、胡枝子(Lespedezabicolor)和抑莖苦荬菜(Ixerissonchifolia)等.林地覆蓋一層凋落物,厚度約3～5cm.草地由于過度放牧、割草等人為干擾影響,成為沙質(zhì)退化草地,主要植被為豬毛蒿(Artemisiascoparia)、牦牛兒苗(Erodiumstephanianum)、白草(Pennisetumflaccidum))和蘆葦(Phragmitesaustralis)等.2.2試驗土樣的測定在32年生樟子松人工林和草地,各設(shè)立4個10m×10m的樣方,分別于2006年5、8和11月在每個樣方內(nèi)用土鉆(直徑=2.5cm)取0～10cm表層土壤,每個樣方隨機(jī)取5鉆土壤,然后充分混合為1個混合土樣,帶回實驗室進(jìn)行分析.將每份土樣分成2份,其中1份土樣保存在4℃冰箱內(nèi),用于土壤含水量、土壤微生物量碳、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和土壤碳氮礦化率測定;另外1份土樣在室溫條件下風(fēng)干,用于測定土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、pH值和土壤酶活性.此外,在每個樣方內(nèi)選取3個點,用環(huán)刀法測0～10cm土層土壤容重.土壤有機(jī)碳測定采用K2Cr2O4容量法;土壤全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用流動注射分析儀(Bran+Luebbe,Germany)測定;土壤氮礦化率測定采用室內(nèi)有氧培養(yǎng)法,首先稱取25g新鮮土樣,放入1個小燒杯內(nèi),調(diào)整土壤含水量至田間持水量的60%～75%,在杯口蓋上保鮮膜,放在25℃條件下培養(yǎng)15d,然后測定土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量,根據(jù)培養(yǎng)前后土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的差值計算土壤氮礦化率;土壤有機(jī)碳礦化率用靜態(tài)堿液吸收法測定,分別在培養(yǎng)的第1天、第3天、第7天、第15天和第31天測定土壤有機(jī)碳礦化釋放出的CO2量;土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定;土壤脲酶活性測定采用靛酚藍(lán)比色法,土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法,土壤過氧化氫酶活性采用容量法;土壤含水量采用烘干法測定;土壤pH值采用pH儀測定,其中土水比為1∶2.5.2.3統(tǒng)計分析1-w數(shù)據(jù)經(jīng)Excel整理后,利用SPSS13.0軟件包進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和單因素方差(one-wayANOVA)分析;此外,對各項指標(biāo)進(jìn)行Person相關(guān)性分析,同時進(jìn)行雙尾顯著性檢驗.3結(jié)果與分析3.1科爾循環(huán)濾充物4-5月由表1可以看出,科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林32年后,土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量分別下降了21%、42%和45%,其中全氮和全磷差異達(dá)到顯著性水平(P=0.019;P=0.001).該研究結(jié)果與Groenendijk等研究結(jié)果相一致.他們分析了新西蘭草地營造輻射松(Pinusradiata)人工林后土壤C、N、S元素含量的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn),17～19年生輻射松人工林土壤有機(jī)碳和全氮含量比草地低15%～43%.Zhao等研究半干旱區(qū)沙地造林對土壤磷素循環(huán)過程影響時發(fā)現(xiàn),造林后土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、總有機(jī)P和總無機(jī)P含量均下降.科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林后土壤pH值下降.Alfredsson等研究發(fā)現(xiàn),草地營造人工林能夠引起土壤交換性酸、交換性鋁含量增加,土壤酸化加劇.與草地相比,32年生樟子松人工林土壤容重下降,說明樹木根系生長以及林地覆蓋凋落物有利于改善0～10cm表層土壤容重.草地造林后土壤C、N、P養(yǎng)分含量與分布格局的變化受人工林年齡、樹種、土壤質(zhì)地以及氣候條件等多種因素影響.棄耕地或草地轉(zhuǎn)變成人工林后,初期土壤有機(jī)碳含量降低,隨后人工林土壤有機(jī)碳能夠逐漸恢復(fù)平衡態(tài),同時,由于地區(qū)和樹種的差異,達(dá)到新的土壤有機(jī)碳平衡所需要的時間不同.草地造林后土壤有機(jī)碳的迅速降低,主要是造林過程中整地等措施對土壤的干擾造成的.隨著人工林的生長,一部分有機(jī)碳通過凋落物等形式歸還到土壤之中,因此草地造林后土壤有機(jī)碳能夠逐漸恢復(fù)到造林前土壤有機(jī)碳含量水平.本研究結(jié)果表明:科爾沁沙質(zhì)退化草地營造樟子松人工林32年后土壤有機(jī)碳含量沒有恢復(fù)到未造林草地土壤有機(jī)碳含量的水平.其主要原因可能是該地區(qū)處于半干旱氣候區(qū)域,土壤沙質(zhì)化嚴(yán)重,生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程相對比較緩慢,草地造林后土壤有機(jī)碳積累和恢復(fù)過程緩慢.由于土壤有機(jī)碳和土壤N、P等養(yǎng)分含量存在著顯著的正相關(guān)性(表2),科爾沁沙質(zhì)草地營造樟子松人工林后土壤有機(jī)碳的損耗和恢復(fù)必然伴隨著土壤N、P等元素含量的相應(yīng)變化.同時,隨著樟子松人工林的生長,土壤中的一部分N、P等養(yǎng)分積累到地上生物量中,因此,樟子松人工林土壤N、P養(yǎng)分含量比草地顯著降低.說明人工林土壤N、P等元素含量受土壤養(yǎng)分歸還量、養(yǎng)分吸收量和轉(zhuǎn)化量等因素的綜合影響.本研究發(fā)現(xiàn),5月的樟子松人工林土壤含水量比草地低,而8和11月土壤含水量反而比草地高(圖1).土壤含水量和分配格局受土壤質(zhì)地、地形特征、植被類型以及土地利用變化等多種因素的影響.植被類型的改變可使整個生態(tài)系統(tǒng)蒸散、蒸發(fā)耗水、植被冠層截流、地表徑流以及植被對地下水的吸收利用方式等發(fā)生改變.5月科爾沁沙質(zhì)退化草地尚未開始生長,通過植被蒸散、蒸發(fā)的耗水量比樟子松人工林低,因此,草地0～10cm表層土壤含水量比32年生樟子松人工林土壤含水量高;8月份,由于氣溫升高,植被蒸散、蒸發(fā)耗水增加,草地和樟子松人工林表層土壤含水急劇下降.然而,樟子松人工林土壤含水量比草地高,可能是由于樟子松人工林地上植被以及林下覆被的凋落物層較厚,地上植被和林下覆被的凋落物層能夠減少人工林表層土壤水分的消耗.由圖1可以看出,5和11月樟子松人工林土壤NH4+-N顯著高于草地(P=0.001;P=0.019);而5、8和11月草地土壤NO3--N含量顯著高于樟子松人工林(P<0.001;P=0.048;P=0.031).不同土地利用和土地覆蓋條件下,土壤環(huán)境、植物對土壤無機(jī)氮吸收形式和效率、土壤無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化過程等發(fā)生改變,因此,草地造林后土壤無機(jī)氮存在形式和含量發(fā)生改變.32年生樟子松人工林以吸收利用土壤中NH4+-N為主,而退化沙質(zhì)草地則以土壤中NO3--N為主要吸收利用形式.另一方面,由于草地土壤氮礦化速率較高,土壤中積累的NH4+-N超過植被生長需求,一部分NH4+-N通過硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3--N.樟子松人工林和草地土壤NH4+-N和NO3--N具有不同的季節(jié)動態(tài)特征.5—11月,樟子松人工林和草地土壤NH4+-N不斷下降,其中,8月樟子松人工林土壤NH4+-N比5月降低64.0%,11月比8月降低29.3%;而草地土壤NH4+-N分別下降6.9%和87.0%.樟子松人工林土壤NO3--N在不同季節(jié)不斷增加,而草地土壤NO3--N表現(xiàn)出高-低-高的動態(tài)特征.科爾沁沙質(zhì)退化草地營造樟子松人工林后,不同季節(jié)草地和樟子松人工林土壤氮素轉(zhuǎn)化過程各異,因此,樟子松人工林和草地土壤無機(jī)氮含量和主要存在形式的季節(jié)性動態(tài)特征不同.3.2樟子松人工林土壤礦化率動物源學(xué)研究發(fā)現(xiàn),不同季節(jié)樟子松人工林土壤有機(jī)碳日礦化釋放的CO2-C量均高于草地(圖2).本研究結(jié)果與吳建國等研究結(jié)果相一致.他們在研究不同土地利用方式對土壤碳礦化影響時發(fā)現(xiàn),13、18和25年生落葉松(Larixgmelinii)人工林分別比草地土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2-C量高9%、30%和12%,草地造林后土壤有機(jī)碳礦化釋放的CO2-C量升高的主要原因是落葉松人工林土壤碳輸入的增加以及土壤擾動減少.Chen等研究發(fā)現(xiàn),在晚春和夏季草地土壤呼吸釋放CO2-C量比森林土壤高,而秋、冬季比森林土壤低.土壤有機(jī)碳質(zhì)量、穩(wěn)定性、土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)以及土壤生物活性等是影響土壤有機(jī)碳礦化釋放CO2-C量的重要因素.32年生樟子松人工林土壤有機(jī)碳日礦化釋放CO2-C量比沙質(zhì)退化草地高,可能是由于樟子松人工林通過凋落物向表層土壤中輸入的活性有機(jī)碳量比沙質(zhì)退化草地多,尤其在5和11月,樟子松根系和凋落物同樣能將一部分活性有機(jī)碳?xì)w還到土壤中.此外,樟子松人工林土壤有機(jī)碳礦化率較高可能是導(dǎo)致樟子松人工林土壤有機(jī)碳含量比草地低的一個原因,在一定程度上限制了干旱/半干旱區(qū)人工林作為全球一個潛在碳庫的作用.科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林后土壤氮礦化率差異不顯著(P>0.05)(圖3).草地造林后,由于地上植被發(fā)生改變,土壤N礦化過程也發(fā)生改變.O’Connell等比較研究了澳大利亞31組草地與桉樹人工林土壤N礦化能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于桉樹人工林土壤有機(jī)碳、氮含量,土壤水分含量較低,桉樹人工林土壤N礦化能力較低.Saggar等發(fā)現(xiàn),與草地相比,輻射松人工林土壤氮礦化能力較低.土壤有機(jī)碳質(zhì)量、土壤活性N庫、土壤濕度等是影響土壤N礦化能力高低的重要因素.本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤有機(jī)碳、氮含量,土壤微生物量、土壤含水量與土壤N礦化速率存在顯著的正相關(guān)性(表2).科爾沁沙地退化草地造林后土壤氮礦化率的變化受土壤養(yǎng)分和水分含量以及土壤生物活性等多個因素的影響.樟子松人工林土壤氮礦化率在不同季節(jié)基本相同,而草地土壤氮礦化率季節(jié)性動態(tài)特征明顯,5—11月土壤氮礦化率逐漸降低.樟子松人工林為常綠針葉林,地表常年覆蓋一層凋落物,因此樟子松人工林0～10cm表層土壤有效養(yǎng)分供應(yīng)能力、土壤溫濕等環(huán)境條件在不同季節(jié)變化幅度相對較小,土壤N礦化率季節(jié)性變化不大.3.3土壤微生物量與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全磷、全磷、全磷、土壤酶活性的關(guān)系樟子松人工林土壤微生物量碳在11月顯著高于草地(P<0.001),而5和8月差異不顯著.5—11月,樟子松人工林和草地土壤微生物量碳含量均呈不斷下降的趨勢.與5月相比,11月樟子松人工林土壤微生物量碳含量下降14.7%,而草地土壤微生物量碳含量下降68.5%(圖4a).土壤微生物量和活性受多種因素的影響,其中包括養(yǎng)分有效性、根系生長、微生物競爭和群落結(jié)構(gòu)、難分解和毒性物質(zhì)的抑制效應(yīng)等.此外,土壤水分含量等土壤環(huán)境因素也是影響森林土壤微生物量的重要因子.本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),土壤微生物量碳與土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和土壤含水量呈顯著正相關(guān)性(表2),表明科爾沁沙地土壤養(yǎng)分含量和土壤水分含量是影響土壤微生物量碳含量變化的重要影響因素.土壤酶主要來源于土壤微生物代謝過程,也能由土壤動物、植物殘體分解產(chǎn)生.土壤生化反應(yīng)基本上都是在土壤酶參與下進(jìn)行的,因此,土壤酶活性能反映土壤生物活性和土壤生化反應(yīng)強(qiáng)度.科爾沁沙地退化草地營造樟子松人工林32年后土壤酶活性發(fā)生顯著變化(圖4b—d).與草地相比,樟子松人工林土壤脲酶和蔗糖酶活性顯著下降(P<0.05),表明科爾沁沙質(zhì)草地營造樟子松人工林后土壤生物活性與生化反應(yīng)強(qiáng)度降低.樟子松人工林土壤過氧化氫酶活性較草地升高,在