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半干旱黄土高原不同景观位置弃耕地引入豆科植物对植物群落和土壤属性的影响

袁自强  
【摘要】:由于自然的和人为的原因,黄土高原半干旱区已成为我国乃至全世界水土流失最严重的地区。恢复和重建植被是该地区控制水土流失、改善生态环境的重要措施。豆科植物在黄土高原农业生态系统的可持续发展中具有重要作用,不仅能固定大气中的氮,改良土壤,还能提供高质量饲料。通过引入豆科植物,在弃耕地中增加豆科植物,有望能快速增加植被覆盖,有益于控制水土侵蚀,改善土壤质量,还能提供一部分优质牧草,发展畜牧业。尽管如此,对弃耕地植被恢复中引入豆科植物后植被和土壤动态仍缺少有效评估,特别是长期定位的研究更显缺乏。为评价豆科植物长期种植后对植被及土壤变化动态的影响,我们于2003年在黄土高原半干旱区选择了三种景观位置的坡地农田进行植被重建,研究了不同景观位置下引入豆科植物进行弃耕地植被重建对植物群落的地上生物量、盖度、物种组成、功能群和生活型,以及土壤的有机碳、轻组有机碳、重组有机碳、氮素、磷素及水分动态的影响,旨在为黄土高原半干旱区设计和优化植被重建提供参考。所选景观位置均为农作物适合性较低的中上坡位,分别为(1)东北方向(样地Ⅰ,坡度10-14度);(2)东南方向(样地Ⅱ,12-16度);(3)偏东南方向坡顶(样地Ⅲ,坡度4-8度)。植被重建方式分别为(1)弃耕地自然撂荒;(2)弃耕地种植紫花苜蓿(Medicago sativa L.);(3)弃耕地种植草木樨(Melilotus suaveolens L.)。取得结果如下:自然撂荒样地的总地上生物量在各景观位置均低于2000 kg/ha,并没有随弃耕年限的增加而有明显的增加趋势。土壤1.4-5 m的土壤水分含量在各景观位置随弃耕时间的增加呈现逐渐下降的趋势,尤其在坡度较大且为阳坡的样地Ⅱ中最明显,但仍高于土壤萎蔫点。0-20 cm土层的土壤有机碳和全氮含量随弃耕时间增加而有略微增加的趋势。土壤全磷和速效磷含量在各景观位置并没有随时间增加而有明显的变化。紫花苜蓿样地的总地上生物量在各景观位置随种植时间增加均呈现先增加后下降趋势(在前六年逐渐增加,之后逐渐下降),而半阴坡位的样地Ⅰ明显高于样地Ⅱ和样地Ⅲ,最高地上生物量出现在种植后第六年,为8956 kg/ha。0-1.4 m的土壤水分含量随年份变化波动明显。1.4-5 m的土壤水分含量随紫花苜蓿种植年限的增加逐渐下降,至种植后11年,半阴坡位的样地Ⅰ已逐渐接近土壤萎蔫点,阳坡的样地Ⅱ和坡顶的样地Ⅲ已达到土壤萎蔫点。紫花苜蓿种植在各景观位置均能明显提升土壤有机碳和全氮含量,在半阴坡提升的幅度最大;阳坡和坡顶的样地土壤有机碳和全氮从第七年开始有逐渐下降的趋势。土壤全磷含量在各景观位置均有略微增加的趋势,而速效磷均有先降低后增加的趋势。草木樨样地的总地上生物量在各景观位置均是前两年最高,之后随年份增加逐渐下降,样地Ⅱ和样地Ⅲ的总地上生物量高于样地Ⅰ。1.4-5 m的土壤水分含量随年份增加在各景观位置下均有逐渐下降的趋势,且阳坡的样地Ⅱ和坡顶的样地Ⅲ下降的最明显,但仍远高于土壤萎蔫点。草木樨种植能明显提升0-20 cm土层土壤有机碳和全氮含量,特别是在半阴坡的样地Ⅰ。土壤全磷和速效磷含量在各景观位置均没有明显变化。三种植被重建方式相比,紫花苜蓿处理具有最高的地上生物量、植被盖度、土壤有机碳、轻组有机碳、重组有机碳、全氮和矿物氮含量,最低的植株密度和物种丰富度,消耗更多的土壤速效磷和1.4-5 m的土壤水分。紫花苜蓿种植能通过促进土壤有机碳从易变的轻组组分向稳定的重组组分转变,提升土壤有机碳贮存。紫花苜蓿处理的0-1.5 m土层的有机碳含量在2012和2013年间的平均值分别高于同期自然撂荒处理和草木樨处N52.8并44.8 Mg ha-1。在紫花苜蓿、草木樨和自然撂荒处理整个11年实验期的0-20 cm土层,土壤有机碳的固存率分别为0.27,0.22和-0.07 Mg ha-1 year-1;轻组有机碳的固存率分别为0,26,0.28并0.07 Mg ha-1 year-1;重组有机碳的固存率分别为0.23,0.15和.-0.03 Mg ha-1 year-1.使用数量生态学中的排序技术,研究了植被重建进程中植物群落物种多度变化和环境因子的关系,发现在弃耕地中引入豆科植物能强烈地影响植物群落本土次生物种建植,改变植物群落的演替轨迹。时间、坡位、植被重建方式、土壤水分、年际问降水,坡度以及坡向是影响植物物种演替和多度变化的关键性因子,影响大小为:时间坡位植被重建方式土壤水分年际间降水坡度/坡向。综合以上结果,我们认为紫花苜蓿应作为黄土高原半干旱区退耕还草工程中首选的植被重建物种。弃耕地的自然恢复和草木樨引入不是该地区有效的植被重建方式。阳坡和坡顶景观位置下的紫花苜蓿,应在其种植后约十年采取适当的管理措施,以延长其高植被覆盖的年限,并有利于改良土壤。


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