1、科尔沁沙地植被恢复及其对土壤的改良效应蒋德明 1,曹成有 2,李雪华 1,周全来 1,2,李明 1,21. 中国科学院沈阳应用生态研究所,辽宁 沈阳 110016;2. 东北大学,辽宁 沈阳 110004;3. 中国科学院研究生院,北京 100049摘要:探讨了对科尔沁沙地乌兰敖都地区流动沙丘采取生物和工程措施建立起人工固沙植被的相关配套技术,并就植被恢复程度对土壤改良效应进行了对比研究。结果表明:在流动沙丘进行人工固沙时采用 1.0 m1.0 m 草方格内播种小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)种子的措施具有较好的固沙效果,一般经过 2 年可使沙丘表面得到固定。在围栏封育条
2、件下实施适宜的植被恢复措施,一般可在 23 年获得明显的固沙效果。小叶锦鸡儿人工固沙群落内土壤养分随着群落的生长发育而发生变化,在 030 cm 土层中,有机质、速效钾、全氮、水解性氮、全磷、有效磷含量都表现为:11 年生群落6 年生群落流动沙丘;小叶锦鸡儿人工群落的建立可大幅度提高土壤微生物生物量,并随着年龄的增加,微生物生物量 C、N、P的含量均呈现增加趋势。关键词:流动沙丘;草方格;小叶锦鸡儿;围封;人工固沙群落;植被恢复;土壤改良;科尔沁沙地 中图分类号:S156.5 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2008)03-1135-05科尔沁沙地(119 15123 45E,4
3、2 1545 47N) 地处东北平原与内蒙古高原过渡区域,属于半湿润和半干旱气候区。它是 我 国 北 方 典 型 的 农牧 交 错 地 区 , 总 面 积 约 有 5.17104 km2,主要分布在内 蒙 古 东 部 的 赤 峰 和 通 辽 地 区 。 历史上的科尔沁沙地曾是湖泊众多、林草繁茂的森林-草原景观,是传统的宜牧地区,但从上世纪以来由于受干旱多风等气候和“ 三滥” 等人为活动的影响,生态环境发生了急剧变化,土地沙漠化现象十分突出 1,2。特别是近 40 年来,随着人口和牲畜数量的急剧增加,生态环境不断恶化,干旱、洪水等自然灾害频繁发生,造成大面积草场退化,流动、半流动沙丘呈明显扩大趋
4、势,其中沙地面积(流动沙地、半固定沙地和固定沙地)占总土地面积的 43.1%3。恢复与重建植被是土地沙漠化综合防治中最主要和最基本的措施。流动沙丘是沙地植被退化的极点,其特点是植被覆盖度极低,风蚀严重、土壤极度贫瘠且基质极不稳定。对这样极度退化的生态系统来说,植被的自我恢复能力十分微弱,必须要辅以人工手段才能在短时期内得以恢复。采用草方格结合播种豆科植物是固定流动沙丘比较成功的方法之一 3。近几十年来,我国对科尔沁沙地进行了长期、大量的植被恢复试验示范和定位观测,在科尔沁沙地退化的原因、特征及恢复重建的可行途径等方面取得了大量的科研成果 4-6。中国科学院沈阳应用生态研究所于 20 世纪 70
5、年代在科尔沁沙地沙漠化最严重的翁牛特旗建立荒漠化防治试验站,开始系统研究生物和工程相结合的固沙配套技术 4。本文研究了生物与工程措施相结合的流动沙丘固沙技术及在围栏封育条件下不同生长年限小叶锦鸡儿人工固沙林的防风效能、土壤理化性质和生物活性的变化特征,揭示沙地植被恢复过程中土壤与植被发育过程的相互关系,为本地区大规模开展植被恢复工程提供一定的理论指导。1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况本研究选择了位于科尔沁沙地西部沙漠化严重的乌兰敖都地区,海拔高度约 479 m,该地区属温带半干旱气候型。年平均降雨量 330 mm,夏季68 月降雨量占全年的 70%以上,潜在蒸发量是降雨量的 67
6、倍,干燥系数在 1.01.8 之间;季节变化明显;年均温度为 5.86.4 ;10 的年积温为 30003200 ,无霜期 140160 d;年均风速 4.5 m/s,每年起风日数 200 d 以上,冬春季大风发生频率约占全年的 69%81%。地带性土壤主要为沙质栗钙土,沙丘起伏,坨甸相间,为广阔的沙地景观,沙丘和甸子地呈东西排列。主要生境类型可分为:流动和半流动沙丘、固定沙丘、沙沼地、丘间低地和石质残丘。土壤类型主要有:风沙土、草甸土和盐碱土。其原生植被属于森林向草原的过度类型。原生植被已被破坏殆尽。目前植被表现出强烈的次生性,大部分已演变为沙生植被和草甸植被 1,2,7。区系分布上,为蒙古
7、植物区系、华北植物区系和长白植物区系的交接地带,其中分布最广、种类最多的是蒙古植物区系植物。本区代表性的植物有:小黄柳(Salix flavida)、小红柳(S.microstachya)、小叶锦鸡儿( Caragana microphylla)、麻黄(Ephedra distachya)、白草(Pennisetum flaecidum) 、雾冰草(Bassia dasyphyllum)、羊草(Aneurolepdium chinense)、沙蓬(Agriophyllum arenarium)、差巴嘎蒿(Artemisia halodendron)等。1.2 研究方法野外固沙试验:在中国科学院
8、沈阳应用生态研究所乌兰敖都荒漠化实验站固定试验地内进行。在 流 动 沙 丘 表 面 设 置 0.7 m0.7 m、1.0 m1.0 m、1.0 m1.5 m、1.5 m1.5 m 和 2.0 m2.0 m 共 5种 不 同 规 格 的 草方格,在草方格内栽植固沙植物小叶锦鸡儿,定期观察植被生长与固沙效果;对小黄柳、蒙古柳(S.mongolica)和小红柳三种固沙植物群落进行人工封育 23 年后分别进行灌丛生长、生物生产力、灌丛内草本状况和群落生物量调查;选择流动沙丘及毗邻的 6 年及 11 年生的小叶锦鸡儿人工群落(初植密度 1.0 m 1.0 m) ,查明人工固沙植被对土壤的改良效应。土壤样
9、品采集:每个样地的土壤取样点在沙丘中部距灌丛 0.5 m 外随机布设,按多点混合法 (同一地点采集 5 个样品,采用四分法就地混合为1 个样品) 分别采集 010,1020,2030 cm 的土壤样品,4 次重复,每个样地共 12 个样品。土壤类型为风沙土。每个土壤样品分成 2 份,一份风干后用于测定理化性质,另一份装于密闭自封袋,取回后于 4 冰箱保存,用于测定土壤微生物生物量和各种酶的活性。实验室分析:土样风干后磨碎,过 100 目土筛,供土壤 C、N、P 、K 含量分析。土壤有机质采用重铬酸钾法;全 N(TN)采用半微量凯氏定N 法,有效 N(AN)采用碱解扩散法测定;土壤水分含量采用烘
10、干法;全 P(TP )采用 Na2CO3 熔融法,有效 P( AP)采用 NaHCO3 法;有效K(AK)采用火焰光度计法测定电导率采用电导仪法测定;阳离子交换量采用乙酸铵法测定 8。鲜土样除去植物残体等杂物,过100目不锈钢筛,置于4 冰箱中冷藏,供土壤微生物生物量和酶活性分析。土壤微生物生物量C、N( MBC、MBN)的测定:样品用氯仿熏蒸后,以0.5 mol/LK2SO4浸提,用滴定法测C,用凯氏法定N,转换系数KC和KN分别是 0.45和0.57 8。土壤微生物生物量P(MBP)的测定:氯仿熏蒸培养后采用NaHCO 3提取法测定,同时用外加无机P的方法测定P的提取回收率,以熏蒸土样与不
11、熏蒸土样提取P的差值并校正提取回收率后,除以转换系数KP(0.4)计算MBP 9。数据采用 SPSS11.0 统计软件处理,Microsoft Excel 2000 作图。2 结果与分析2.1 生物与工程措施相结合的固沙效果在 流 动 沙 丘 表 面 采 用 生 物 与 工 程 措 施 , 设 置 5 种不 同 规 格 的 草 方 格 , 在 草 方 格 内 栽 植 固 沙 植 物 小 叶 锦鸡 儿 , 流 动 沙 丘 不 同 规 格 草 方 格 防 风 固 沙 效 果 见 表1。试验结果表明,对流动沙丘进行生物与工程相结合的固沙措施两年后,从固沙效果来看,1.0 m1.0 m 的草方格可以将
12、流动沙丘基本固定,而0.7 m0.7 m 的草方格则可以将流动沙丘完全固定。草方格间距的增大使固沙效果明显下降,2.0 m2.0 m 的草方格甚至出现被流沙再次侵蚀的现象。从防风效果来看,草方格间距大,其降低风速效果较弱,如实施 2.0 m2.0 m 和 1.5 m1.5 m 的草方格生物固沙措施后,在距沙丘表面 1 m 和 0.3 m高度处的风速均较强,但 0.7 m0.7 m 和 1.0 m1.0 m 的草方格在近地表 0.3 m 处的风速显著较低,但二者之间并无显著差异,说明草方格设置密集有利于降低近地风速、减少地表起沙,但密集程度达到 1.0 m1.0 m 后,防风效果没有明显提高,反
13、而增加固沙成本。根据对流动沙丘生物固沙的监测结果表明,1.0 m1.0 m 的草方格固定的沙丘出现了风蚀和积沙两种现象,且二者之间基本可以互相抵消,0.7 m0.7 m 规格的草方格由于过密,出现了积沙现象,不利于沙丘固定,而其它规格草方格固定的沙丘都出现了严重的风蚀现象。由此可以证明,虽然1.0 m1.0 m 规格的草方格成本相对较高,但其防风固沙效果较好,可在二年内将流沙固定,从而降低了反复固沙的高昂费用。表 1 流动沙丘不同规格草方格防风固沙效果对比Table 1 comparison of wind break and sand stabilizing effect of differ
14、ent size straw checkboards in mobile sand dune草方格规格(mm) 0.70.7 1.01.0 1.01.5 1.51.5 2.02.0固沙效果(二年后) 完全固定 基本固定 不完全固定 吹蚀,倒伏 流沙侵埋1 m 高度风速 /(ms-1) 5.75 5.76 5.97 6.47 7.980.3 m 高度风速/(ms -1) 1.31 1.37 4.79 5.46 5.45蚀积情况/(cma -1) +2 +2-2 -11 -23 -47用草量 /(kghm-2) 10200 8400 7200 6150 4800固沙成本 /(元hm -2) 132
15、5 1020 850 720 585注:+表示积沙程度,表示风蚀程度2.2 封育对促进沙地植被恢复的作用对沙区天然植被采取围栏封育措施是保护和恢复沙地植被的有效方法之一。对三种固沙植物小黄柳、蒙古柳和小红柳固沙群落进行人工封育23 年后灌丛生长及生物生产力调查结果见表 2。从表 2 可见,与未封育的对照相比,封育 2年后沙地小黄柳灌丛保存株数比未封育区增加15% 38.7%,每公顷生物量(鲜物质量)是未封育区的 2.54.8 倍;封育 2 年后沙地蒙古柳灌丛保存株数比未封育区增加 133.8%、每公顷生物量(鲜重)是未封育区的 5.3 倍;封育 3 年后沙地小红柳灌丛保存株数未封育区增加 11
16、1.3%倍,每公顷生物量(鲜重)是未封育区的 8.7 倍。结果表明,围封措施可使灌丛的平均高度与平均地径有明显增加,生物量成倍增长;灌丛内的草本植物盖度、平均高及产草量均有明显提高,总生物量(灌木层和草本层)也明显提高。由此可见,围栏封育措施对促进沙地植被恢复的作用是非常显著的,同时沙地天然植被总生物量的显著提高可增加植被的防护效益和经济效益。通过对本地区半流动沙丘进行围栏封育再辅助人工措施促进沙地植被恢复的试验,结果也表明一般可在 23 年时间获得较明显的固沙效果。特别是在几种生物措施和工程措施调控的共同实施下,固沙植物的生物量、沙地植被盖度和侵入的植物种类要比单一措施作用下的效果好得多,同
17、时人工固沙植被自身也具有较强的抗干扰能力。在应用相同措施的条件下,实施封育内的植被恢复速度一般要比没有封育条件下的植被恢复快35 年时间。2.3 人工固沙植被对土壤的改良效应2.3.1 沙地植被恢复对土壤养分的影响应用草方格工程措施结合播种小叶锦鸡儿植物,建立沙地人工固沙植物群落是固定流动沙丘的一种重要途径。它不但可以通过植物在不断生长过程中对沙丘表面加以固定,还可以通过植物地下庞大的根系和地上部的枯枝落叶对沙地土壤养分及化学性质具有一定的改良与提高作用。由表 3 可见,在流动沙丘上建立起来的小叶锦鸡儿人工植被不同发育时期对土壤养分的作用表 3 不同年龄小叶锦鸡儿固沙林土壤养分及化学性质Tab
18、le 3 Soil nutrients and chemical properties of Caragana microphylla plantation at different age土层深度/cm 样地有机质/(mgkg-1)速效K /(mgkg-1)全N/(mgkg-1)水解性N /(mgkg-1)全P /(mgkg-1)有效P /(mgkg-1)电导率/(Scm-1)CEC/(cmolkg-1)流动沙丘 0.198a 73.526a 62.688a 1.291a 5.549a 0.412a 13.3a 4.732a6年生 0.249b 106.437b 75.775ab 1.715
19、ab 7.247b 0.453a 21.6b 5.137b01011年生 0.337c 156.314c 84.963b 2.018b 9.231c 0.625b 28.2b 5.955b流动沙丘 0.159a 63.703a 53.550a 0.998a 5.000a 0.376a 12.9a 4.429a6年生 0.233b 80.994b 64.575a 1.291ab 6.271b 0.370a 18.4b 4.776a102011年生 0.261b 120.870c 76.825c 1.693b 7.253c 0.496b 26.0c 5.512b流动沙丘 0.147a 58.013
20、a 50.138a 0.726a 4.514a 0.351a 11.6a 4.099a6年生 0.157a 62.006b 52.850a 0.945ab 5.382b 0.291a 17.2b 4.169a203011年生 0.175a 97.718c 62.038b 1.323b 6.307c 0.419a 22.8c 5.019b注:表中同一层次同一列不同字母表示差异显著,P fixed sand dune have been fixed for 6 yearsmobile sand dune; the building of artificial community could imp
21、rove the soil microbe biomass, and the content of microbe C, N, P increased with the development of caragana microphylla shrubs. Key words: mobile sand dune; straw checkboard; caragana microphylla; enclosure; artificial sand-fixed community; vegetation restoration; soil improvement; Horqin sandy land