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陕北农牧交错带荒漠化土地植被恢复重建过程土壤效应研究

张静  
【摘要】: 本研究以陕北农牧交错带毛乌素沙地荒漠化土地为研究对象,应用土壤发生学、土地资源学和恢复生态学的基本原理,基于野外调查资料和室内分析测试,对沙地植被恢复重建模式下土壤的质量特点及其变化进行系统分析,探讨不同植被恢复措施下土壤肥力质量的形成机理和演化模式,取得以下研究结果: (1)植被自然恢复过程中植被盖度和植物地上生物量显著增加。植物物种数和物种多样性指数在整个过程中也呈增加趋势,但是植物均匀度指数随物种的增加而减少。土壤的主导粒级由粗砂变为细砂和粉粘粒的混合体。土壤有机质及其它土壤养分随之增加,分形维数增高。回归分析表明,土壤分形维数与土壤砂粒含量呈显著的负相关关系,与粘粒、粉粒含量,以及土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、CEC、和CaCO3含量呈现极显著的正相关关系,而pH与分维数之间没有显著的相关关系。通径分析结果表明土壤有机质、有效钾和碳酸钙通过直接和间接效应成为影响脲酶活性的主要因素,有机质、全氮、碱解氮和CEC成为影响土壤碱性磷酸酶活性的主要因素,土壤有效磷、有机质、速效钾和CEC是影响转化酶活性的重要因素。主成分分析的表明,随着植被的自然恢复,土壤质量逐渐改善,荒漠化的程度逐渐减弱。 (2)植被人工恢复过程中裸地砂粒含量最高,灌木林地细砂粒含量最高,粉粒含量乔木林地最高,草地粘粒含量最高。土壤剖面不同层次有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾含量均为乔木草地灌木裸地,且它们之间的差异达到显著水平。土壤矿质土体中K2O、Al2O3含量差异不大,MgO表现为乔木林地稍高,无植被裸地最低,灌木林地和草地次之,Fe2O3、TiO2表现为乔木林地草地灌木林地无植被裸地, MnO、CaO表现为乔木林地和草地较高,灌木林地次之,无植被裸地最低。其中硅铁率表现为乔木最低,无植被裸地最高,草地和灌木林地次之。过氧化氢酶立体剖面平均活性表现为:乔木草地≈灌木,碱性磷酸酶活性基本表现为:灌木乔木草地,脲酶活性基本表现为:乔木灌木草地,土壤蔗糖酶活性平均表现为:乔木草地灌木。土壤碱性磷酸酶与有机质、全氮、碱解氮和全钾含量呈显著正相关关系,土壤脲酶活性与土壤有机质、全氮、速效磷和CEC含量呈显著相关关系,土壤蔗糖酶活性同过氧化氢酶活性的规律类似,相关系数较大的也为有机质、全氮、碱解氮和CEC,脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶3种水解酶之间存在极显著正相关性。 (3)植被恢复5、10、15、25、30、40和50年,土壤细砂含量分别增加了12.3%,21.6%,30.5%,37.6%,67.4%,77.0%和86.4%;植被恢复过程土壤各养分含量随植被恢复时间的增加呈逐渐增加的趋势,而同一年限植被恢复区随土层深度的增加呈逐渐降低的趋势,表现出垂直方向的变异。土壤有机碳,全氮,全磷,速效磷,全钾,速效钾,细砂和粉粘粒含量随植被恢复时间的增加呈增长趋势,而砂粒含量随植被恢复时间的增加降低,其相关系数均达到显著水平(P0.05)。 (4)不同林龄柠条林地以11年生中龄柠条林地土壤有机质及其它养分含量最高,成年油松林和刺槐林土壤有机质提高幅度较大,同龄的油松和刺槐林比较以刺槐林的有机质和养分含量较高。 (5)以沙地中心区为起点,沿东南方向土壤质地逐渐细化,有机质及养分含量增加,土壤质量逐渐提高。 (6)随着植被盖度的增加,土壤砂粒含量逐渐减少,粉粒和粘粒含量逐渐增加。当被盖度为90%时,土壤砂粒含量相对于植被盖度为0%的流动流沙减少了229.1%;土壤粉粒和粘粒含量分别增加了28.3倍和4.65倍;土壤有机质高出14.53倍,土壤其它养分如全氮、碱解氮、有效钾、有效磷,CEC和CaCO3也分别高出16.75倍、21.1倍、3.5倍、32.6倍、12.4倍和1.02倍;土壤有机质及养分与植被盖度呈幂数增长,其曲线拟合度较高,说明土壤有机质及养分与植被盖度有显著的相关关系。 (7)不同封育方式以连续多年的放牧草地(CK)研究封育2年(2EX)和封育6年(6EX)的草场为研究对象,研究土壤理化性质的变化,结果表明封育能够显著的改善土壤理化性质,提高土壤肥力水平,对控制荒漠化的发展有显著作用。 (8)不同植被恢复模式之间土壤差异明显。0-20 cm土层,小叶锦鸡儿纯林地土壤粉粒含量比对照荒地高出289.2%,刺槐紫穗槐混交林地土壤粘粒含量比对照荒地高出55.6%。刺槐紫穗槐混交林地表层土壤有机质、全氮,碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾改善最显著。土壤过氧化氢酶和脲酶活性以刺槐紫穗槐混交林地最高,而土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶活性以油松紫穗槐混交林地最强。土壤碱性磷酸酶,脲酶和蔗糖酶与土壤砂粒呈显著负相关关系,与土壤粉粒呈显著正相关关系,土壤过氧化氢酶和脲酶与土壤粘粒呈显著正相关关系。土壤碱性磷酸酶,脲酶和蔗糖酶与土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾、速效钾、CEC和CaCO3均呈显著正相关关系,而土壤过氧化氢酶与有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾呈显著正相关关系,与CEC和CaCO3相关关系不明显。土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶3种水解酶之间存在极显著正相关性,而土壤过氧化氢酶除与脲酶呈显著正相关关系外,与其它酶相关关系不显著。 通过研究,得到如下结论:随着植被的自然恢复,土壤质量逐渐改善,荒漠化的程度逐渐减弱;植被人工恢复过程中,乔木林地对土壤的培肥效果最好,灌木林地次之,草地最差;随着植被恢复年限和盖度的增加,土壤质地细化,养分增加且均与植被恢复年限和盖度呈显著相关关系;中龄纯林地对土壤的培肥效果优于其幼龄及成熟林地,混交林地对土壤的培肥效果优于纯林地,以刺槐紫穗槐混交林最优,而刺槐纯林地则好于油松纯林地;封育能够显著改善土壤性质,有效控制荒漠化。


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