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半干旱黄土高原地区不同干预方式下撂荒地演替植被生物量与土壤物化性质变化

郭志彬  
【摘要】: 退耕还草是半干旱黄土高原地区改善生态环境的重要途径,但如何还草促进植被恢复是一个重要的科学问题。我们对退耕后的撂荒地进行了不同的人工辅助恢复手段以探讨寻求有效途径来促进生态环境的恢复和改善。从2003年4月起对退耕撂荒地进行3个处理:(1)撂荒地自然恢复;(2)在撂荒地中引入两年生豆科植物草木樨(Melilotus officianalis);(3)在撂荒地中引入多年生的豆科植物紫花苜蓿(Medicago sativa)。 实验期间(2003-2008),自然恢复的地上生物量不稳定,年际间波动很大,0-500 cm土壤含水量显著增加。到了2008年,土壤pH值和土壤容重(0-20 cm和20-40 cm)显著下降,水稳性团聚体含量和颗粒直径0.25mm的土壤团聚体含量显著增加。在大(0.25 mm)、中(0.05mm0.25mm)、小(0.05 mm)团聚体组分中,土壤有机碳(SOC)含量均表现为增加趋势,土壤全氮(TN)和全磷(TP)含量变化不显著,速效磷(AP)含量明显降低。2003-2008年表层0-20cm的土壤SOC、轻组碳(LFOC)和TN的含量成增加趋势,并与自然恢复年限成正相关(R=0.659**,R=0.939***,R=0.709**)。土壤TN与LFOC呈显著正相关(R=0.515*)。土壤碳磷比(C/P)(土壤有机碳与和速效磷的比值)和土壤微生物碳含量(MBC)显著增加。其中,MBC与SOC(R=0.832*)和LFOC (R=0.839*)表现为正相关性,与AP(P=—0.826*)含量呈负相关。 引入两年生豆科植物草木樨的撂荒地地上生物量在2005年显著低于实验期间其他年份。实验期间,土壤0-500 cm含水量呈增加趋势。土壤pH值和容重(0-20cm和20-40 cm)与实验初期相比呈下降趋势。水稳性团聚体含量增加显著。除速效磷含量外,不同组分团聚体中土壤有机碳、全氮呈增加趋势。2003-2008期间每年4月份土壤SOC和TN表现出先增长后下降的趋势,且在2005年达到最大值。LFOC呈增长趋势并与草木樨地年限成正相关性(R=0.702**)。土壤C/N比在2005年显著下降,其他年份间差异不显著。在耕地中引入两年生豆科植物之后,MBC含量增加显著并与SOC (R=0.838*)、TN (R=0.831*)呈显著正相关性。 在紫花苜蓿人工草地中,地上生物量表现为增加趋势,并且与生长年限呈正相关性(R=0.817*)。试验期间,苜蓿地0-500 cm的土壤含水量下降非常显著,其中100cm以下的土壤含水量与苜蓿生长年限呈负相关(R=—0.79***)并形成土壤干层;苜蓿地的土壤pH值和土壤容重(0-20 cm和20-40 cm)均显著下降。此外,水稳性团聚体百分含量和直径0.25 mm范围内的土壤团聚体含量均呈显著增长。在不同团聚体组分中,除了AP含量显著下降外,SOC和TN含量都显著增加。实验期间,苜蓿地每年4月0-20cm的土壤SOC和LFOC含量显著增加,且与苜蓿生长年限成正相关性(R=0.654**,R=0.920***);土壤TN显著增加,并与苜蓿生长年限以及LFOC成显著正相关(R=0.576*,R=0.562*),土壤碳氮比(C/N)无显著变化;AP含量下降非常显著,土壤中C/P显著增加。种植紫花苜蓿后,MBC显著增加且与SOC(R=0.949**,P0.01)、LFOC(R=0.966***)和TN(R=0.838*)含量呈正相关,与土壤速效磷(R=—0.986**)含量呈显著负相关性。 2003-2008年期间,自然恢复下0-500 cm的土壤水分含量显著高于草木樨地和苜蓿草地;同草木樨地不同,自然恢复和苜蓿草地土壤SOC和TN在实验期间表现为稳定增长,且随着实验年限的增加自然恢复和苜蓿草地土壤SOC和TN含量均高于草木樨地。总之,在撂荒地中引入豆科植物,地上植被生物量以及土壤物理性质均能显著改善,但苜蓿在生长过程中对土壤深层水分消耗过大并在100cm以下形成土壤干层不利于草地的可持续性,草木樨对土壤水分、养分的改善效果不显著。因此,同引入豆科植物的撂荒地相比,自然恢复有利于改善土壤深层水分和土壤养分,进而促进黄土高原农业的可持续发展。


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