全 文 ：荒漠草原区柠条人工固沙林生长过程中
地表植被鄄土壤的变化*
刘任涛**摇 柴永青摇 徐摇 坤摇 朱摇 凡
(宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室, 银川 750021)
摘摇 要摇 研究荒漠草原区柠条人工林生长过程中土壤鄄植被系统演变特征,对于揭示柠条人
工固沙林对沙化草地生态系统恢复产生的生态效应具有重要的科学意义. 以 6、15、24 和 36
年生柠条人工林为对象,通过调查每个样地的土壤性质和地表植被特征,分析了荒漠草原区
柠条人工林生长过程中土壤鄄地表植被的变化.结果表明: 随着柠条人工林的发育,柠条的冠
幅、树高、分枝数和基径极显著增加,土壤粗沙粒和细沙粒含量显著降低,极细沙和粘粉粒含
量显著增加,土壤有机碳、全 N和全 P 含量呈现线性增加,而土壤 pH 值则显著下降;地表植
被物种数和密度显著增加,地表植被盖度和高度均表现为 24 年生>15 年生>6 年生>36 年生
林地.相关分析表明,土壤质地、容重、土壤养分与 pH 值是影响柠条林地地表植被物种数、个
体数和盖度分布的主要因素.在荒漠草原区,柠条人工固沙林发育过程有利于土壤条件改善
和地表植被恢复,促进沙化草地生态系统的恢复.
关键词摇 荒漠草原摇 人工林摇 土壤性质摇 地表植被摇 生态系统恢复
文章编号摇 1001-9332(2012)11-2955-06摇 中图分类号摇 S152. 3, S153摇 文献标识码摇 A
Variations of ground vegetation and soil properties during the growth process of artificial
sand鄄fixing Caragana intermedia plantations in desert steppe. LIU Ren鄄tao, CHAI Yong鄄qing,
XU Kun, ZHU Fan (Ministry of Education Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of De鄄
graded Ecosystem in Northwestern China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2012,23(11): 2955-2960.
Abstract: To study the variation characteristics of ground vegetation and soil properties during the
growth process of Caragana intermedia plantations in desert steppe is of scientific significance in re鄄
vealing the ecological effect of the plantations on the restoration of desertified grassland ecosystem.
In this paper, an investigation was conducted on the ground vegetation and soil properties in 6鄄,
15鄄, 24鄄, and 36鄄yr artificial sand鄄fixing C. intermedia plantations in desert steppe of Ningxia,
Northwest China, with the variation characteristics of the ground vegetation and soil properties dur鄄
ing the growth process of the C. intermedia plantations analyzed. With the growth and development
of the plantations, the shrub crown width, height, sprout number, and basal diameter all increased
significantly, the contents of soil coarse sand and fine sand had significant decrease while those of
very fine sand and clay silt were in adverse, the soil organic carbon, total N, and total P contents
increased linearly, and the soil pH decreased significantly. During the growth process of the planta鄄
tions, the species number and individual number of ground vegetation increased significantly, and
the vegetation coverage and height presented the order of 24鄄 > 15鄄 > 6鄄 > 36鄄yr plantation. The
soil texture, bulk density, nutrient contents, and pH value were the main factors affecting the spe鄄
cies and individual number as well as the coverage of ground vegetation in C. intermedia planta鄄
tions. It was suggested that in desert steppe, the growth process of artificial sand鄄fixing C. interme鄄
dia plantation benefited the improvement of soil conditions and the recovery of ground vegetation,
and promoted the restoration of degraded grassland ecosystem in desert steppe.
Key words: desert steppe; artificial plantation; soil property; ground vegetation; ecosystem resto鄄
ration.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目(2011BAC07B03)、国家自然科学基金项目(41101050)和宁夏回族自治区高等学校科学研究项目
(NJY2011021)资助.
**通讯作者. E鄄mail: nmcasnw@ 126. com
2012鄄04鄄08 收稿,2012鄄08鄄28 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 11 月摇 第 23 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2012,23(11): 2955-2960
摇 摇 宁夏中东部荒漠草原处于农牧交错带,环境脆
弱,土壤基质极不稳定,再加上干旱的气候条件和人
为活动的影响,草地沙化、土壤退化问题十分严
重[1-2],严重制约了该地区农牧业和社会经济的可
持续发展.豆科灌丛柠条(Caragana intermedia)可以
挡滞降雪,固沙阻尘,其根系的固氮作用不仅给周围
植物提供丰富的氮素,还可以使其周围牧草生长良
好[3-4],有利于植被恢复和流动沙地的固定[5-7],在
沙区退化草地植被恢复过程中起到重要作用[2] . 柠
条林生长发育过程中,地表草本植物群落结构发生
演替变化,土壤性质发生改变,二者共同作用于林地
生态系统恢复过程及其结构与功能[1-4] .因此,研究
该区域柠条人工林生长过程中土壤鄄植被特征的变
化,对准确评价荒漠草原种植人工柠条林的生态效
应和制订合理的管理措施,均具有重要的理论与实
践意义.
目前关于柠条固沙过程中土壤鄄植被系统变化
的研究,主要集中于干旱与半干旱沙地[5-8]和半湿
润与半干旱的黄土高原地区[9-11] .在沙地生境中,曹
成有等[4]、Zhang等[5]和 Su等[6]研究了流动沙丘采
用草方格固沙结合播种小叶锦鸡儿(Caragana mi鄄
crophylia)后,在小叶锦鸡儿人工群落形成和发展过
程中,土壤的颗粒组成、容重、孔隙度、持水性、透水
性、养分和水分含量以及土壤酶活性等理化性质的
变化.在黄土高原区,韩天丰等[9]和郭忠升[10]研究
了柠条林不同配置模式对植被修复的作用;张飞
等[11]研究了不同林龄柠条人工林地土壤物理性质
和有机质的变化. 研究表明,在流动沙地上种植柠
条,可以降低土壤粗砂粒成分,提高极细砂粒和粘粉
粒含量,增加土壤肥力[6-8],促进地表植被的恢复,
增加草本植物密度和盖度[7-9] . 但在宁夏荒漠草原
区,仅见不同种植密度柠条人工林对土壤鄄植被性状
影响的研究[1,3,12],有关柠条人工林生长过程中地表
植被鄄土壤特征变化规律的研究报道较少.
鉴于此,本研究选择 6、15、24 和 36 年生的柠条
人工林为研究对象,通过调查每种林分土壤性质和
地表草本植被特征,分析荒漠草原区柠条人工林生
长过程中土壤鄄地表植被的变化特征,旨在揭示人工
柠条林生长过程中沙化草地生态系统恢复过程及其
机理,评价柠条人工林种植对退化荒漠草原恢复的
生态效应,为采取科学合理的人工林管理和利用措
施提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于宁夏回族自治区盐池县东北部
10 km处 ( 37毅 49忆 N, 107毅 30忆 E ),海拔 1411 ~
1435 m. 该区属于中温带半干旱区,年均气温
3. 5 益,最热月(7 月)平均气温 22. 4 益,最冷月(1
月) 平均气温 - 8. 7 益; 逸 10 益 的年积温为
2751. 7 益 .年均降水量为 280 mm,降雨主要集中在
7—9 月,占全年降水量的 60%以上,且年际变率大,
年均蒸发量2710 mm. 年无霜期约 120 d,年平均风
速2. 8 m·s-1,冬、春季风沙天气较多,每年5 m·s-1
以上的扬沙达 323 次[12] .
该区属鄂尔多斯台地向黄土高原过渡地带,地
势南高北低. 地带性土壤主要有黄绵土和灰钙土
(淡灰钙土);非地带性土壤主要有风沙土、盐碱土
和草甸土等,其中风沙土在中北部分布广泛.土壤质
地多为轻壤土、沙壤土和沙土,结构松散,肥力较低.
该区植被类型有灌丛、草原、草甸、沙地植被和荒漠
植被,其中灌丛、草原、沙地植被数量较大,分布
也广.
研究区土壤为风沙土,植被类型为种植人工柠
条林后形成的半人工草地. 柠条林带间距 5 ~ 7 m,
株距 1 m. 主要草本植物有:猪毛菜( Salsola colli鄄
na)、山苦荬( Ixeris chinensis)、白草(Pennisetum cen鄄
trasiaticum)和牛枝子(Lespedeza potaninii)等.
1郾 2摇 样地设置及取样
选择 6、15、24 和 36 年生柠条人工林地,每种林
分 3 个重复样地,样地面积 80 m伊150 m.在每个样
地中设置 12 个 1 m伊1 m样方,调查地表草本植被,
林带下和林带间各随机设置 6 个草本样方,共计
144 个.同时,在每个样地中设置 5 个 10 m伊10 m样
方,调查柠条灌丛的密度及其灌丛形态特征.
调查指标:草本植物种类、密度、盖度和平均高
度;柠条灌丛的密度、高度、冠幅、分枝数和基径.其
中,6 年生柠条的平均密度为 29 株·100 m-2,冠幅
较小(0. 50 m2),灌丛较矮(平均高度 41 cm);15、24
和 36 年生柠条灌丛的冠幅较大,灌丛高度均在
90 cm以上,平均密度介于 35 ~ 45 株·100 m-2 .
同时,在每个草本样方内采用五点取样法取混
合土样,取样深度 0 ~ 20 cm. 将混合土样带回室内
风干后,进行物理和化学性状的测定. 另外,用环刀
(200 cm3)取相同的土样进行土壤容重测定.调查与
取样时间为 2011 年 8—9 月.
6592 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
土壤测定指标:土壤容重(g·m-3)采用环刀法
测定.土壤机械组成采用 MS2000 激光粒度仪鄄马尔
文法.土壤 pH(2. 5 颐 1 水土比悬液)和电导率(5 颐 1
水土比浸提液;EC,滋S·cm-1)用 P4 多功能测定仪
测定(Multiline P4 Universal Meter,WTW 公司,Ger鄄
many).土壤有机碳(g·kg-1)用重铬酸钾氧化外加
热法测定;土壤 N、P 含量采用文献 [13]的测定
方法.
1郾 3摇 数据处理
所有数据均采用 SPSS软件进行统计分析.采用
回归分析研究不同指标随林龄的变化,利用单因素
方差分析(one鄄way ANOVA)和多重比较法比较不同
数据组间的显著性差异(琢 = 0. 05),采用 Pearson 进
行相关性分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 柠条人工林地的土壤机械组成
由表 1 可以看出,柠条人工林生长过程对土壤
颗粒组成产生了极显著的影响. 从 6 年生柠条林地
到 15 年生柠条林地,土壤粗沙粒( >0. 25 mm)含量
显著增加,细沙(0. 25 ~ 0. 10 mm)和极细沙(0. 10 ~
0. 05 mm)含量显著减少,而粘粉粒(<0. 05 mm)含
量无明显变化.但是从 15 年生到 24 年生柠条林地,
土壤粗沙粒和细沙粒含量显著降低,极细沙和粘粉
粒含量显著增加;到 36 年生林地,土壤极细沙含量
减少,而粘粉粒含量显著增加.这说明与 6 年生林地
相比,15 年生林地的土壤质地并没有明显改善;但
此后,土壤质地显著改善,土壤极细沙和粘粉粒含量
显著增加,尤其是 36 年生林地的土壤粘粉粒含量达
到 22. 5% .
柠条林生长过程对土壤容重没有产生显著影
响,不同林龄柠条林地间土壤容重无显著差异,但随
着柠条林龄增加,土壤容重整体上呈现下降趋势.
2郾 2摇 柠条人工林地的土壤养分含量
由图 1 可以看出,随着柠条林龄的增加,土壤有
机碳、全 N、全 P 含量均呈线性增加. 其中,36 年生
林地土壤有机碳和全 N 含量均显著高于 6 年生和
15 年生林地;24 年生林地居中,与前 3 种林地间均
无显著差异. 24 年生和 36 年生林地土壤全 P 含量
显著高于 6 年生林地,15 年生林地居中,与前 3 种
林地间均无显著差异.随着林龄增加,不同林龄间土
壤 C / N 无显著差异,但呈现出逐渐降低趋势. 这说
明随着柠条生长,林地土壤有机碳积累量要低于全
N积累量.
表 1摇 不同年龄林地土壤机械组成和土壤容重
Table 1摇 Soil texture and bulk density of artificial planta鄄
tions at different ages
年龄
Age
(a)
土壤机械组成 Soil texture (% )
>0. 25 mm 0. 25 ~
0. 10 mm
0. 10 ~
0. 05 mm
<0. 05 mm
土壤容重
Bulk density
(g·m-3)
6 14. 7依1. 6b 33. 4依1. 5a 41. 7依0. 8c 10. 2依0. 4c 1. 48依0. 03a
15 25. 5依2. 2a 30. 9依1. 3b 34. 3依1. 5d 9. 3依1. 4c 1. 43依0. 07a
24 1. 2依0. 3c 19. 1依3. 1c 63. 6依1. 6a 16. 1依2. 2b 1. 31依0. 07a
36 6. 4依1. 0d 21. 2依0. 9d 49. 9依1. 5b 22. 5依1. 2a 1. 34依0. 05a
F 53. 35*** 13. 70*** 84. 25*** 17. 27*** 1. 82
*** P<0. 001. 同列不同小写字母表示差异显著(P<0. 05) Different letters
in the same column meant significant difference at 0. 05 level. 下同 The same be鄄
low.
图 1摇 不同年龄林地土壤养分
Fig. 1摇 Soil nutrient of artificial plantations at different ages.
不同小写字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters meant significant difference at 0郾 05 level. 下同 The same below.
759211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘任涛等: 荒漠草原区柠条人工固沙林生长过程中地表植被鄄土壤的变化摇 摇 摇
2郾 3摇 柠条人工林地的土壤 pH和电导率
由图 2 可以看出,柠条林龄对土壤 pH 产生极
显著影响,表现为 6 年生林地土壤 pH 值显著高于
24 年生和 36 年生林地;而 15 年生林地居中,且与 6
年生、24 年生和 36 年生林地间无显著差异.但不同
年龄柠条人工林的土壤电导率无显著差异.
2郾 4摇 柠条人工林中的植被特征
2郾 4郾 1柠条灌丛的形态特征摇 随着林龄增加,柠条灌
丛的冠幅、平均高度、分枝数和地径均发生了极显著
变化(图 3). 15年生柠条的冠幅、高度、分枝数和地径
均显著高于 6 年生柠条. 从 15 年生到 36 年生柠条
林,除分枝数外,柠条的冠幅、高度和地径均先降低再
增加;而柠条的分枝数则呈先增加后降低的趋势.
图 2摇 不同年龄林地土壤 pH和电导率(EC)
Fig. 2 摇 Soil pH and electrical conductivity ( EC) of artificial
plantations at different ages.
2郾 4郾 2 地表植被特征 摇 由图 4 可以看出,柠条林生
长过程对地表植被的物种数、密度、盖度和高度均存
在显著影响. 36 年生柠条林的地表植被物种数极显
著高于 6、15 和 24 年生柠条林;15、24 和 36 年生柠
条林密度均显著高于 6 年生柠条林;24 年生柠条林
盖度极显著高于 6、15 和 36 年生柠条林;24 年生柠
条林高度显著高于 6 年生和 36 年生柠条林,而 15
年生柠条林和其他 3 种林地间均无显著差异. 这说
明地表植物物种数和个体数均随柠条生长而显著增
加;而地表植物盖度和高度先增加后降低,且在 24
年生柠条林出现峰值.
2郾 5摇 柠条人工林地土壤与地表植被的关系
由表 2 可以看出,地表植物物种数与土壤粘粉
粒成分含量呈显著正相关,而与土壤pH呈显著负
表 2摇 土壤因子与地表植被特征间的相关系数
Table 2 摇 Correlation coefficients between soil and ground
vegetation properties
土壤因子
Soil parameter
地表植被特征
Ground vegetation characteristic
物种数
Species
richness
密度
Density
盖度
Coverage
高度
Height
粒级摇 摇 摇 >0. 25 -0. 169 -0. 198 -0. 354 0. 059
Fraction摇 摇 0. 25 ~ 0. 10 -0. 200 -0. 405* -0. 418* -0. 092
(mm)摇 摇 0. 10 ~ 0. 05 0. 010 0. 195 0. 591** 0. 169
摇 摇 摇 摇 摇 <0. 05 0. 486* 0. 441* -0. 018 -0. 289
容重 Bulk density -0. 107 -0. 476* -0. 025 0. 181
有机碳 Organic carbon 0. 391 0. 489* 0. 064 -0. 342
全 N Total N 0. 322 0. 503* -0. 020 -0. 338
C / N -0. 102 -0. 339 0. 274 0. 240
全 P Total P 0. 295 0. 372 0. 180 0. 153
pH -0. 475* -0. 279 -0. 194 -0. 081
电导率 EC 0. 081 -0. 026 0. 297 0. 331
* P<0. 05; ** P<0. 01.
图 3摇 不同林龄柠条的形态特征
Fig. 3摇 Morphological characteristics of an age sequence of Caragana intermedia.
8592 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 4摇 不同林龄林地地表的植被特征
Fig. 4摇 Ground vegetation characteristics of artificial plantations at different ages.
相关.地表植物密度与粘粉粒成分含量、土壤有机碳
和全 N含量呈显著正相关,而与细沙粒成分含量和
土壤容重呈显著负相关. 地表植被盖度与极细沙粒
成分含量呈极显著正相关,而与细沙粒成分含量呈
显著负相关.但是地表植被高度与土壤因子间无显
著相关关系.这说明地表植被的物种数、个体数和盖
度与土壤细沙、极细沙和粘粉粒成分、土壤容重、土
壤有机碳和全 N 以及土壤 pH 有关,而地表植被高
度与土壤因子间无明显相关性.
3摇 讨摇 摇 论
在荒漠草原区沙化草地生境中,随着柠条人工
固沙林的生长发育与其冠幅、高度、分枝数和地径的
增加(图 1),土壤性质和地表草本植被均发生显著
变化[12,14-15] .本研究中,从 6 年生到 36 年生柠条林
地,土壤粗沙和细沙粒显著减少,而土壤极细沙和粘
粉粒含量急剧增加,特别是在 36 年生柠条林地土壤
粘粉粒含量达到最高. 说明柠条林生长发育过程中
改变了土壤机械组成,改善土壤质地.这与固沙区内
风速降低而植被盖度较大,致使大量的风积物质沉
降在土壤表层有关[6,8,11] . 另外,固沙区内土壤根系
活动(根系分泌物和微生物活动)亦有利于促进柠
条林地土壤表层发育,土壤结构变得疏松而导致土
壤容重降低(表 1).
土壤有机碳和 N、P 含量被认为是土壤肥力和
生产力的主要指示性指标[11,16] .随着柠条林的生长
以及土壤质地的改善(表 1),土壤有机碳、全 N和全
P的含量均呈现出线性增加(图 1). 分析原因主要
两种:一是柠条林生长发育过程中,柠条林植被盖度
增大而导致风沙流活动减弱,空气中的尘埃及细粒
物质逐渐沉积到土壤表层[11-12];其二是每年有大量
的枯枝落叶的输入以及土壤微生物和土壤动物的作
用,土壤表层发生物理化学变化,逐渐形成了灰褐色
的结皮层[12] .经过长时间的腐殖质化过程,土壤有
机质、全 N 和全 P 含量明显提高,土壤的养分状况
显著改善[17] .但是随着柠条林龄的增加,土壤 C / N
呈下降趋势,说明土壤 N 的积累量高于土壤有机碳
的积累量.柠条作为豆科植物,其本身的固氮作用以
及枯落物分解过程的氮释放是土壤 N 积累量较高
的重要原因[14] .
随着柠条林地土壤环境改善,土壤 pH 呈现下
降趋势,特别是在 15 年生之后土壤 pH 值显著降
低,而土壤电导率变化不明显 (图 2). 这与文献
[11-12]的研究结果相吻合.在柠条林发育过程中,
根系有机酸的分泌及其与微生物的相互作用均可能
导致土壤 pH下降[11-12] .而土壤电导率的增加,可能
与柠条林地枯落物中可溶性盐的积累和沉积有
关[12] .但是由于土壤电导率值在相对较低(75 ~ 132
滋S·cm-1)的范围内变化,这种枯落物中盐分的积
累并没有导致土壤盐渍化.
柠条生长过程中林地土壤性质的改变和土壤肥
力提高,对地表草本植被亦产生了显著的影响.本研
究中,6 年生到 36 年生柠条林地的地表植被物种数
和密度均显著增加,与柠条林生长过程中土壤质地
改善、土壤有机碳和全 N含量增加,以及土壤 pH降
低有关[18](表 1、图 1 和图 2).随着人工林生长和林
959211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘任涛等: 荒漠草原区柠条人工固沙林生长过程中地表植被鄄土壤的变化摇 摇 摇
龄的增加,土壤条件改善有利于地表植物存活和生
长[19-20],对于沙化草地生态系统的恢复有重要意
义.其中,6 年生到 24 年生柠条林地中地表植被盖
度和高度显著增加,与已有研究成果相吻合[7,20];其
后 36 年生柠条林地中地表植被盖度和高度均显著
降低,可能是 36年生柠条林存在老化现象,严重影响
地表植被盖度和高度的提高.说明 36 年生柠条林需
要采取一定的管理措施(如平茬) [16],才能促使地表
植被盖度和高度的增加,具体原因尚需进一步分析.
综合分析表明,在沙化草地生境中,随着柠条人
工林生长,土壤性质和地表草本植被特征均发生显
著变化.从 6 年生到 36 年生柠条林地中,土壤粗沙
粒成分减少,粘粉粒成分增加,土壤肥力(土壤有机
碳和全 N)提高,土壤碱性降低;地表草本植被物种
数和密度显著增加(P<0. 05),盖度和高度均表现为
24 年生>15 年生>6 年生>36 年生林地. 土壤质地、
容重、有机碳和全 N 含量以及土壤 pH 影响地表草
本植被物种数、个体数和盖度的分布.随着柠条林生
长和林龄增加,土壤条件改善和地表草本植被共同
作用,有利于促进沙化草地生态系统的恢复和环境
的改善.
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作者简介 摇 刘任涛,男,1980 年生,博士,助理研究员. 主要
从事干旱区土壤动物和恢复生态学研究,发表论文 30 余篇.
E鄄mail: nmcasnw@ 126. com
责任编辑摇 李凤琴
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