王春杰,朱志梅,張仁慧,楊梅煥

(西北大學環(huán)境科學系,陜西西安710127)

沙漠化是當前人類面臨的重大環(huán)境問題之一,對人民的生產生活和社會經濟的發(fā)展造成了嚴重的危害。我國是世界上受沙漠化影響最嚴重的國家之一[1],有效地解決沙漠化問題,實現(xiàn)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建已迫在眉睫。生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶是沙漠化的前沿陣地,因此是防止沙漠化的最關鍵部位。陜北長城沿線區(qū)地處毛烏素風沙區(qū)向陜北黃土丘陵區(qū)的過渡地帶,隨著人口的持續(xù)增加、煤炭等礦產資源開發(fā)力度加大、以及不合理的土地利用方式對生態(tài)環(huán)境壓力的不斷增強,該地區(qū)土地沙漠化擴展迅速,且退化程度不斷加劇,目前已發(fā)展成為我國北方農牧交錯地區(qū)土地退化最典型和最嚴重的地區(qū)之一[2]。

沙漠化的產生、發(fā)展過程首先表現(xiàn)為土壤—植物系統(tǒng)的退化,對沙漠化過程中土壤理化性質的變化[3-10]、土壤酶活性特征[11-13],國內外學者均做了相關研究。不同沙漠化階段土壤與植物的關系研究也已很多[14-19],但對自然狀態(tài)下土壤理化性質、土壤酶活性以及與植物總有機C、全N的相關性研究報道較少。本文對陜北長城沿線沙漠化過程中各土壤因子間以及土壤因子與土壤脲酶、過氧化氫酶、植物有機C、全N的相關性進行分析,旨在探討沙漠化過程中土壤與植物的內在關系,為沙漠化地區(qū)土壤—植被系統(tǒng)的修復提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣沙質草原地帶沙漠化程度明顯的區(qū)域,地處陜西榆林地區(qū),轄神木縣、榆陽區(qū)、橫山縣、靖邊縣和定邊縣4縣1區(qū),位于東經107°15′—110°54′,北緯 36°49′—39°27′,海拔 1 015～1 400 m;以長城沿線為界,地貌上可分為北部風沙灘地,屬溫帶半干旱和栗鈣土干草原地帶。南部為黃土丘陵溝壑區(qū),是陜北黃土高原的北緣,屬溫帶半干旱半濕潤地帶。

該區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風氣候,盛行西北風,年均溫7.6℃,年、日較差大,年均降雨量250～440 mm,降水少且多集中在7—9月,占全年降水的60%～75%,雨量年際變化大,水資源匱乏;年平均無霜期136～155 d。區(qū)內土壤主要為淡栗鈣土、栗鈣土,丘間低地主要為草甸土和風沙土等。植被主要以針茅(Stipacapillata),油蒿(Artemisia ordosica)等植物為主,沙生植被,草原、草甸、鹽生植被,鹽生草甸等群落類型均易見。

2 研究方法

2.1 樣地的選擇

本文在結合野外調查和圖像資料的基礎上將沙漠化過程分為5個階段(表1)。在神木縣、橫山縣和靖邊縣具有明顯沙漠化的區(qū)域各選取3個樣地,每個樣地基本包括5個沙漠化階段,在每個階段隨機選取3個1 m×1 m的樣方。

2.2 取樣方法

在2008年和2009年7月中旬植物生長旺盛期采樣。將在所選各區(qū)域以植被覆蓋度與植物類型為依據確定沙漠化空間梯度(表1)。在每個沙漠化階段按照“隨機”、“等量”和“多點混合”的原則[20],選擇原始的且植被長勢好的樣地布點采集植物樣和土樣,每個樣地根據沙漠化梯度不同取1 m×1 m樣方做生態(tài)學調查。

表1 沙質草原不同沙漠化階段群落類型和建群種

(1)植物樣采集。樣方內隨機采集新鮮植物葉片(中部),分種,同種混合,然后清洗、烘干稱重,最后用研缽磨碎過100目篩測定C和N。

(2)土樣采集。分別在每個樣地取一個土壤剖面,分 0—5,5—10,10—15,15—20,25—30 cm 這 5層,測定土壤含水量、土壤容重并進行土壤顆粒組成分析。在每個樣地重復取樣3次,將土壤過100目篩測土壤有機C,全N和土壤酶活性。

2.3 測定項目與方法

土壤顆粒組成采用比重計法[21];土壤含水量和容重測定采用烘干稱重法;土壤pH值的測定采用電位法(1 mol/L的氯化鉀溶液與土為5∶1)[22];土壤和植物有機C測定采用K2Cr2O7容量法—外加熱法[21];土壤和植物全N測定采用凱氏定氮法[21]。土壤脲酶活性用靛酚藍比色法[23]測定,以每克土24 h產生的NH3—N毫克數(shù)表示;過氧化氫酶活性用高錳酸鉀滴定法[23]測定,以每克土消耗 0.1 mol/L KMnO4毫升數(shù)表示。

2.4 數(shù)據分析

綜合2008,2009年的測定數(shù)據,利用 Excel和SPSS16.0軟件對實驗數(shù)據進行方差分析和相關性分析。

3 結果與分析

3.1 不同沙漠化階段土壤理化性質及相關性分析

3.1.1 不同沙漠化階段土壤理化性質 研究區(qū)不同沙漠化過程中土壤理化性狀變化如表2所示。可以看出,隨研究區(qū)沙漠化程度增加,表層土壤含水量減少,土壤容重變異性不大。在0—30 cm土壤剖面中,表層土壤含水量和容重偏低,各沙漠化階段隨深度增加土壤含水量和容重均有增加趨勢,且沙漠化越嚴重區(qū)域隨深度增加其含水量增長幅度越大;隨沙漠化梯度增大,砂粒含量呈線性增加(y=13.734x+30.954,R2=0.987 4,x:沙漠化梯度,y:土壤粒度含量),黏粒含量呈指數(shù)性減少(y=28.249e-0.6143x,R2=0.992 9,同上),粉粒含量也逐漸變小,土壤逐漸以砂粒為主。

研究區(qū)不同沙漠化階段土壤pH值變化于8.10～8.71之間,屬堿性土壤,同一沙漠化階段不同土層的pH值隨深度增加基本呈增加趨勢,但變化不大;沙漠化過程中,土壤有機C和全N含量降低,表層變化最大,各階段有機C和全N含量隨土壤剖面深度增加而減少;隨沙漠化程度加劇,土壤C/N整體呈增加趨勢,隨深度增加呈先增加后降低趨勢。

表2 不同沙漠化階段土壤因子的變化 %

3.1.2 土壤因子間相關性分析 沙漠化過程總是伴隨著土壤因子的有規(guī)律變化,而沙漠化土壤各理化性質間也存在著密切的內在聯(lián)系,如黏粒含量較多的土壤,其有機C和全N含量也相應較高;有機質含量較高的土壤其結構和物理性質也相對穩(wěn)定[19]。

用研究區(qū)每個土層的數(shù)據,對應做相關性分析發(fā)現(xiàn),結果有差異且相關性規(guī)律不明顯(表3)。對不同土層的土壤因子求平均值,再做相關性分析發(fā)現(xiàn)相關性明顯,且有一定的規(guī)律性:土壤pH值與其它土壤因子相關性不大(p＞0.05);除土壤容重和C/N與其它指標存在負相關關系外,其它指標間均存在正相關關系;土壤容重與黏粒含量、有機C含量和C/N均呈顯著性相關(p＜0.05),與土壤含水量、全N呈極顯著相關(p＜0.01),其中,土壤容重與含水量2者相關系數(shù)最大,達0.994,取土壤容重作自變量,含水量作因變量,得 2者的擬合曲線為:y=-1.392 4x2+2.450 5x+1.708 4,R2=0.993 1;土壤含水量與有機C,全N和C/N均呈顯著性相關(p＜0.05);土壤黏粒,有機C和全N這3者間互呈極顯著正相關(p＜0.01)。

表3 不同沙漠化階段土壤各因子間相關性分析

3.2 不同沙漠化階段土壤酶活性及相關性分析

3.2.1 土壤脲酶、過氧化氫酶的活性 土壤酶是一類具有生物化學催化活性的特殊物質,參與土壤中許多重要的生物化學過程[23],也是評價土壤肥力和土壤生態(tài)環(huán)境質量的重要生物學指標之一[24-25]。其中脲酶能促進施入土壤中的尿素分解,產生的NH3是高等植物的直接氮源,因此,可作為土壤肥力的指標之一。過氧化氫酶能使H2O2分解為O2和H2O,有效防止土壤代謝中產生的H2O2對生物體造成的毒害,其活性高低表征了土壤解毒能力的強弱。

由圖1和圖2可以看出,隨沙漠化程度加劇,這2種酶活性均減弱,土壤脲酶活性在Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ很低;從垂直分布特點來看,脲酶活性與其它土壤類型基本相似,隨土層深度增加急劇減弱,Ⅰ,Ⅱ梯度尤為明顯.過氧化氫酶活性在整個剖面較高,隨剖面深入先降低后升高,在15—20 cm土層轉折。這是由于隨沙漠化程度加劇和土層加深,土壤營養(yǎng)元素狀況、熟化程度、肥力水平等不利于微生物活動與繁殖,從而導致酶活性降低。

3.2.2 土壤脲酶、過氧化氫酶的活性與土壤因子相關性分析 對研究區(qū)不同沙漠化階段的土壤因子、土壤脲酶、過氧化氫酶分別求平均值,然后做相關性分析,分析結果如表4所示。

圖1 不同沙漠化階段土壤脲酶活性的變化

圖2 不同沙漠化階段土壤過氧化氫酶活性的變化

表4 不同沙漠化階段土壤因子與土壤脲酶、過氧化氫酶活性相關性分析

相關性數(shù)據顯示,這2種土壤酶活性與pH值相關性很小,與土壤容重、C/N均呈負相關性,其中與土壤容重達顯著水平,而與C/N未達到;土壤脲酶活性與土壤含水量、黏粒含量、有機C、全N均為顯著的正相關關系,與有機 C,全N相關系數(shù)很高(0.956,0.934),說明土壤脲酶在土壤C,N轉化過程中作用很大;土壤過氧化氫酶活性與土壤含水量、有機C、全N均呈極顯著正相關,這與過氧化氫酶可使H2O2分解為O2和H2O的機理相吻合,可能由于有機C與全N極顯著的相關性,過氧化氫酶活性不僅與有機C有關,受全N影響也較大。

3.3 不同沙漠化階段植物有機C,全N,C/N變化及相關分析

相對不同植物的葉綠素、葉片含水量和質膜相對透性等生理指標而言,植物有機C,全N含量相對穩(wěn)定,因此對不同沙漠化階段植物有機C,全N,C/N進行分析(如表5)。由表5可知,隨沙漠化程度加劇,植物有機C,全N含量降低,C/N呈增加趨勢。對研究區(qū)不同沙漠化階段植物有機C,全N,C/N與土壤酶、土壤因子做相關性分析,結果如表6所示。

由表6可知,(1)除植物和土壤C/N、土壤容重與其它各指標存在負相關關系外,其它指標間均存在正相關關系;(2)植物有機C,C/N與2種酶相關性均達顯著性水平,植物全N與過氧化氫酶活性呈顯著性正相關,而與脲酶未達到顯著性水平;(3)植物有機C,全N,C/N與土壤pH值相關性均很小,植物有機C與除pH值外的其它土壤因子相關性均達顯著性水平;(4)植物全N與土壤容重、含水量、黏粒含量和有機C呈顯著性相關(p＜0.05),與土壤全N呈極顯著正相關;(5)植物C/N與土壤容重呈顯著正相關,與黏粒含量、有機C和全N達極顯著負相關性。

表5 不同沙漠化階段植物有機C,全N,C/N變化

表6 不同沙漠化階段植物有機C含量,全N含量,C/N與土壤酶、土壤因子的相關性分析

4 結論

(1)陜北榆林地區(qū)沙漠化演化過程伴隨著土壤物理性狀、養(yǎng)分含量和土壤酶活性的變化。土壤脲酶、過氧化氫酶活性對反映土壤肥力水平、指示土壤肥力的變化有重要意義。

(2)沙漠化過程伴隨著土壤因子的有規(guī)律變化。隨沙漠化加劇,同一沙漠化梯度不同剖面的pH值隨深度基本呈增加趨勢;隨沙漠化程度加劇和深度加深,土壤脲酶活性急劇降低;過氧化氫酶活隨剖面深入先降低后升高,在15—20 cm土層轉折。

(3)相關性分析表明,研究區(qū)土壤pH值與其它因子相關性均不大,除pH值外的其它各因子間存在著密切的相關性,除植物和土壤C/N、土壤容重與其它各指標存在負相關關系外,其它指標間均存在正相關關系。

(4)土壤含水量與有機C、全N和C/N均呈顯著性相關,土壤黏粒、有機C和全N這3者間呈極顯著正相關;土壤脲酶和過氧化氫酶活性均與土壤含水量,有機C,全N呈顯著正相關性;植物有機C,C/N與2種酶相關性均達顯著性水平,植物全N與過氧化氫酶活性呈顯著性正相關,與脲酶未達到顯著性水平。

土壤理化性質、土壤酶活性和植物有機C,全N都隨沙漠化過程有不同程度的變化,有關不同沙漠化階段土壤和植物演變的內在機理以及土壤替變閾值的研究至今較少,在對該區(qū)的研究中將進一步探討這些問題,以便運用到實際治沙工作中。

[1]朱震達.中國沙漠、沙漠化、荒漠化及其治理的對策[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,1999:10-12.

[2]劉彥隨,倪紹祥,查勇.陜北風沙灘地區(qū)土地退化機理與治理對策[J].自然資源學報,1997,12(4):357-362.

[3]劉穎茹,楊持,朱志梅,等.我國北方草原沙漠化過程中土壤碳、氮變化規(guī)律研究[J].應用生態(tài)學報,2004,15(9):1064-1066.

[4]朱志梅,楊持,曹明明,等.多倫草原土壤理化性質在沙漠化過程中的變化[J].水土保持通報,2007,27(1):1-5.

[5]蘇永中,趙哈林,文海燕.退化沙質草地開墾和封育對土壤理化性狀的影響[J].水土保持學報,2002,16(4):5-8.

[6]蘇永中,趙哈林,張銅會,等.不同強度放牧后自然恢復的沙質草地土壤性狀特征[J].中國沙漠,2002,22(4):333-338.

[7]Su Y Z,Zhao H L.Fractal features of soil particle size distribution and the implication for indicating desertification[J].Geoderma,2004,122(1):43-49.

[8]徐麗恒,王繼和,李毅,等.騰格里沙漠南緣沙漠化逆轉過程中的土壤物理性質變化特征[J].中國沙漠,2008,28(4):690-695.

[9]Zhou R L,Li Y Q.Desertification effects on C and N content of sandy soils under grassland in Horqin,northern China[J].Geoderma,2008,145(3-4):370-375.

[10]Wang G P,Zhai Z L,Liu J S.Forms and profile distribution of soil phosphorus in four wetlands across gradients of sand desertification in Northeast China[J].Geoderma,2008,145(1/2):50-59.

[11]白春明,賀學禮,山寶琴,等.漠境沙打旺根圍AM 真菌與土壤酶活性的關系[J].西北農林科技大學學報:自然科學版,2009,37(1):84-90.

[12]王銳,常慶瑞,孫權,等.黃土高原植被恢復過程中土壤酶活性特征研究[J].安徽農業(yè)科學,2008,36(25):11005-11007.

[13]胡亞林,曾德慧,范志平,等.半干旱區(qū)沙質退化草地造林對土壤質量的影響[J].應用生態(tài)學報,2007,18(11):2391-2397.

[14]楊曉暉,張克斌,侯瑞萍,等.半干旱沙地封育草場的植被變化及其土壤因子間的關系[J].生態(tài)學報,2005,25(12):3212-3219.

[15]馮偉,張萬軍,馮學贊.接壩農牧交錯區(qū)沙化地生態(tài)恢復過程中土壤因子與植被特征分析[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究,2006,24(3):130-224.

[16]Yang X H,Zhang K B,Hou R P,et al.Vegetation variations under different exclusion measures and their correlation to soil factors[J].Acta Ecologica Sinica,2005,25(12):3212-3219.

[17]郝占慶,郭水良.長白山北坡草本植物分布與環(huán)境關系的典范對應分析[J].生態(tài)學報,2003,23(10):2000-2008.

[18]朱志梅,楊持,曹明明,等.草原沙漠化過程中土壤因素分析及其植物的生理響應[J].生態(tài)學報,2007,27(1):48—57.

[19]Zhu Z M,Yang C.Searches on stress resistant types of the plants during the grassland sandy desertification process[J].Acta Ecologica Sinica,2004,24(6):1093-1100.

[20]呂英華,秦雙月.測土與施肥[M].北京:中國農業(yè)出版社,2002:25-27.

[21]南京農業(yè)大學.土壤農化分析[M].2版.北京:農業(yè)出版社,1986:31-52.

[22]P.F.勞[美].土壤物理化學[M].北京:農業(yè)出版社,1985:23-27.

[23]關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:中國農業(yè)出版社,1986:1-13.

[24]Iker M,Roberto P.Effects of fertilization and tillage on soil biological parameters[J].Enzyme and Microbial Technology,2006,40:100-106.

[25]Nannipieri P,Kandeler E,Ruggiero P.Enzyme activities and microbiological and biochemical process in soil[C]∥Bums R G,Dick R P.Enzymes in the environment:Activity,ecology and applications.N Y:Marcel Dekker,Inc,2002:1-33.