半干旱风沙草原区植被覆盖度较低，风蚀沙化造成该区域土地生产力下降、土地退化等生态问题[1]。植被可减缓近地表风速，抑制沙尘释放，增加沙面地表粗糙度，从而达到防风固沙的效果[2]。不同粒度的土壤颗粒对养分的吸附性存在差异[3]，细粒含量是影响土壤肥力的重要因素，其含量越多，土壤保肥性越强[4,5]。干涸湖底风蚀物主要是土壤中含有丰富养分的细粒物质，这些细粒物质会随着风沙流运移被地表植被拦截，从而形成土壤养分的富集体[6]。此外，植被对土壤微生态的改善也能通过自身枯落物不断积累与分解、根系酸性物质的分泌以及固氮作用来实现[7]。研究[8,9]表明，土壤养分含量与植被联系紧密，通过植被营造建设，土壤表层氮、磷、钾养分含量和有机质含量会随植被建设年限产生变化。营建植被不仅能改良土壤，也会对植被分布产生影响[10]。因此，与使用工程、化学等措施相比，通过植被营造建设措施实现防风固沙和植被恢复，可以有效防治沙害，从长远上改善区域生态环境[11]。

查干淖尔盐湖位于锡林郭勒盟半干旱风沙草原区与浑善达克沙地的过渡地带，区域内风沙活动剧烈[12]。由于气候变化、降水减少、湖泊水分的补给量不及蒸发量，使得湖泊被天然堤坝分隔为东西2个子湖，东湖由于高格斯台河水汇入而成为淡水湖，西湖由于失去水源、蒸发水位下降而成为咸水湖，并于2002年完全干涸，湖盆裸露，干涸湖底形成了大片次生盐碱地，地表松散富盐沉积物易被吹蚀，形成“化学尘暴”，已成为盐尘暴、沙尘暴的发源地，直接危害当地人、畜的正常生活，并且以惊人的速度扩大土地盐碱化的进程，威胁着周边地区乃至京、津、冀地区的生态安全[13]。为有效控制沙害，自2003年开始在盐湖营建1条自东向西的碱蓬防护带(10 km×4 km)，碱蓬防护带外围的盐碱草滩地和白刺灌丛组成盐湖植物防护体系（图1)[14]。盐湖植物防护体系建成20年后，防护体系不同地带景观呈现出明显的改变。因此，本研究将查干淖尔盐湖植物防护体系这一整体作为研究对象，探究风蚀条件下的植物措施对盐湖防护体系内不同位置土壤结构和养分的防护作用，对于了解查干淖尔盐湖的生态环境状况、加强该地区盐渍化管控十分重要。研究盐湖植物防护体系不同区域的土壤理化性质及恢复特征，以期为盐湖植物防护体系防护效应评价提供数据支撑，并为半干旱风沙草原区干涸盐湖风蚀控制和区域植被恢复重建提供科学依据。

1、材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古高原中东部锡林郭勒盟境内呼日查干淖尔盐湖（43°22′—43°29′N、114°45′—115°04′E），北邻锡林郭勒盟西部半干旱草原，南邻浑善达克沙地，为草原沙地生态交错地带（图1），行政上隶属于阿巴嘎旗。湖盆呈狭长形分布，东北到西南方向延伸，湖泊南北约5 km，东西约22 km，地势东高西低，湖底平均海拔1 010 m左右，多年平均风速约3.5 m·s-1，年蒸发量约2 100 mm,属中温带半干旱大陆性季风气候。盐湖植物防护体系建设前，即在湖心区域种植碱蓬前，湖心土壤以盐碱土和风沙土为主，主要由粘粒和粉粒组成，土壤质地轻，含盐量高，易于形成风沙流；天然形成的盐碱草滩地和白刺灌丛，其植被类型单调，群落结构简单，土壤以沼泽土和沙质草甸土为主，土壤肥力低，矿质部分以中砂为主；外围的沙地风蚀坑土壤以风沙土为主，地表以严重风蚀为显著特征[15]。由于查干淖尔盐湖地区特定的气候特征和土壤条件，导致该地区植被多为耐旱、耐碱的小灌木或草本植物[16]，主要有碱蓬(Suaeda glauca)、盐爪爪(Kalidium foliatum)、白刺(Nitraria tangutorum)、西利亚蓼(Polygonum sibiricum)、芨芨草(Achnatherum splendens)、碱蒿(Artemisia anethifolia)等。

图1 研究区植物防护体系构成及样地实景   

1.2 样地设置

试验于2022年4月在呼日查干淖尔湖进行，根据查干淖尔盐湖植物防护体系布设情况划分调查样地，从干涸湖心(dry lake center,DLC)经过碱蓬防护带(alkaline shield,AS)、盐碱草滩地(saltalkali grassland,SG)、白刺灌丛(white thorn bushes,WTB)，到达防护带最外围的沙地风蚀坑(sand wind erosion pit,SWEP)，共5种代表性样地类型（图1，表1）。分别在研究区内布设沿西北到东南方向3条样带，每条样带均具有上述5种样地类型，总计15个样地，覆盖全部植物防护体系，分别在各样地内挖取深度为30 cm的土壤剖面，按0—10、10—20、20—30 cm分层取土，共3层，做好标记，装入塑料自封袋中，带回实验室用于测定相关指标。

1.3 土壤指标测定

将土样在室内自然阴干，过2 mm土壤筛，以备测定土壤p H、电导率、速效氮、速效磷和速效钾；使用0.15 mm土壤筛过筛处理，以备测定土壤有机质。土壤p H采用p H计（PHS-3 C）测定；水溶性盐总量的测定采用土水比1∶5配置土壤浸提液，使用电导率仪（DDS-11 A）测定其电导率；土壤全盐含量通过残渣法标定[17]，标定结果如图2所示；土壤经过去盐、去有机质等处理后采用激光粒度仪（3000 MU）测定土壤机械组成[18]；速效氮含量采用碱解扩散法测定；速效磷含量采用钼锑抗比色法Na HCO3(-0.5 mol·L-1)浸提法测定；速效钾含量采用NH4OAc浸提-火焰光度计法测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定。

1.4 养分富集率测定

以干涸湖心土壤养分含量为基准，采用下列公式[19]分别计算碱蓬防护带、盐碱草滩地、白刺灌丛、沙地风蚀坑各样地的土壤养分富集率。 

表1 样地位置、地貌及植被特征  

图2 土壤电导率和含盐量的标定曲线  

式中，C为土壤养分富集率；m分别为碱蓬防护带、盐碱草滩地、白刺灌丛和沙地风蚀坑各样地土壤养分含量;m0为干涸湖心样地养分含量。

1.5 数据分析

使用Excel 2007整理试验数据，使用Origin2019制图。运用SPSS 26软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），对不同样地土壤数据进行差异显著性检验;使用Duncan多重检验方法进行多重比较，比较不同样地间和各样地不同土层深度土壤养分含量的差异性;使用Pearson相关分析方法进行相关性分析，明确土壤养分与土壤机械组成之间的相关关系。

2、结果与分析

2.1 不同下垫面土壤p H与含盐量分析

由图3可知，从干涸湖心到沙地风蚀坑，土壤p H呈现先减小后增加的趋势，在干涸湖心最高，为9.95，到达过渡带白刺灌丛时最低，为8.41，较干涸湖心降低18.31%；与干涸湖心相比，植物防护体系内各样地p H均有不同程度的降低。从干涸湖心到沙地风蚀坑，土壤含盐量整体表现为先减少后增加的趋势，其中盐碱草滩地土壤含盐量最低，为0.16 g·kg-1，白刺灌丛土壤含盐量最高，为12.83 g·kg-1；与干涸湖心相比，碱蓬防护带内土壤含盐量降低75.34%。在垂直方向上，土壤含盐量呈现随土层深度增加逐渐减少的趋势，盐分分布特征呈现表聚性。

2.2 不同下垫面土壤机械组成

由表2可知，5种样地土壤机械组成类型丰富，碱蓬防护带和干涸湖心以粉粒为主，白刺灌丛以中砂为主，沙地风蚀坑以粗砂为主，盐碱草滩地以粗砂和粉粒为主。在垂直方向上，各样地粘粒和粉粒含量均随土层深度增加呈先增加后减少趋势；干涸湖心、碱蓬防护带中砂和粗砂含量随土层深度增加呈逐渐减小趋势，盐碱草滩地、白刺灌丛、沙地风蚀坑中砂和粗砂含量随土层深度增加呈先减少后增加趋势。在0—10 cm土层，从干涸湖心到沙地风蚀坑，粉粒含量呈现先增加后减少的趋势，其中，碱蓬防护带含量最高，为44.41%，沙地风蚀坑含量最低，为5.03%；中砂含量呈现先增加后减少的趋势，其中，白刺灌丛中砂含量最高，为53.73%，沙地风蚀坑最低，为2.43%；粗砂含量表现为碱蓬防护带<白刺灌丛<干涸湖心<盐碱草滩地<沙地风蚀坑，其中，碱蓬防护带土壤粗砂含量最低，仅为9.33%，沙地风蚀坑含量最高，为71.38%；碱蓬防护带内土壤粘粒和粉粒含量增幅显著，较干涸湖心分别增加51.60%、22.14%，粗砂含量较干涸湖心显著降低72.06%。

图3 不同下垫面土壤p H与含盐量    

表2 不同下垫面土壤机械组成  

2.3 不同下垫面土壤养分分布特征分析

2.3.1 不同下垫面土壤速效钾、氮、磷含量差异

由图4和表3可知，在0—30 cm土层内，土壤速效钾、速效氮、速效磷含量均值总体表现为在干涸湖心含量最高。其他4种样地中，沙地风蚀坑土壤速效钾、速效氮、速效磷含量较低，均值分别为46.67、5.48、5.89 mg·kg-1，是干涸湖心的13%、6%、4%，碱蓬防护带土壤速效钾和速效磷含量较高，均值分别为306.63、6.19 mg·kg-1，是干涸湖心的86%、39%，白刺灌丛速效氮含量较高，均值为27.41 mg·kg-1，是干涸湖心的28%。方差分析显示，与干涸湖心相比，速效钾、速效氮、速效磷含量在碱蓬防护带、盐碱草滩地、白刺灌丛和沙地风蚀坑均表现为显著降低（P<0.05）。在垂直方向上，随着土层深度增加土壤养分含量大体表现为减少趋势，呈现一定的表聚现象。

图4 不同下垫面土壤速效养分含量    

表3 不同下垫面土壤速效养分富集  

2.3.2 不同下垫面土壤有机质含量差异由图5

和表4可知，在0—10 cm土层，土壤有机质含量表现为在干涸湖心最高。其他4个样地中，碱蓬防护带土壤有机质含量较高，为9.98 g·kg-1，是干涸湖心的55%，沙地风蚀坑有机质含量较低，仅为0.59 g·kg-1，是干涸湖心区的3%。方差分析显示，与干涸湖心相比，碱蓬防护带、盐碱草滩地、白刺灌丛、沙地风蚀坑土壤有机质含量均显著降低（P<0.05）。在垂直方向上，有机质含量大体上随土层深度的增加而降低，沙地风蚀坑有机质含量无明显变化。

2.4 土壤养分含量与机械组成的相关分析

由表5可知，土壤p H与粘粒和粉粒含量呈极显著正相关（P<0.01）；速效氮与中砂含量正相关；速效磷与粘粒和粉粒含量呈显著正相关（P<0.05）；速效钾与粘粒和粉粒含量呈极显著正相关（P<0.01）；有机质与粘粒、粉粒和中砂含量正相关。以上结果表明，土壤质地条件对土壤养分的积累具有重要影响，整体上各养分含量与粘粒、粉粒之间存在显著的相关性。

图5 不同下垫面土壤有机质含量     

表4 不同下垫面土壤有机质富集  

表5 土壤养分含量与土壤机械组成的相关性分析  

3、讨论

在半干旱风沙草原区盐湖防风固沙过程中，土壤含盐量与酸碱度是表征盐湖地区土壤条件的有力参数，且盐湖地区土壤条件与植物生长密不可分，研究其土壤含盐量与酸碱度参数对盐湖植物防护体系效果具有显著影响[18]。本研究显示，研究区土壤p H为8.41～9.95，碱蓬防护带土壤含盐量较干涸湖心显著降低，与冯亚亚等[19]研究结果一致，可能是由于在半干旱风沙草原盐湖地区，土壤中盐分的来源较为特殊[20]。一方面，在半干旱草原地区降水少、蒸发剧烈，土壤水分的运行方向以上行为主，成土母质中的可溶盐类无法淋滤下移，蒸发作用将地下水中的盐分上移聚积于表层土壤，长期累积与浓缩形成了盐化碱化的土壤；另一方面，土壤中可溶性盐分主要来源于风化物，由于湖泊源头断流不能维持湖泊的水量和盐度，导致湖泊中水分逐渐蒸发，留下水中溶解的矿物质和盐分无法淋滤下移，地表呈现出大量富盐沉积物易被风蚀，随风沙流被搬运到盐湖周围的其他区域。奚萨茹拉[21]研究发现，查干淖尔干涸盐湖的土壤p H和可溶性盐含量的平均值约为10.7和4.2 g·kg-1，但其研究是在2009—2010年进行，查干淖尔盐湖在2011年开始大面积种植碱蓬，到年底播种总面积已经达到4 000 hm2，其研究缺乏碱蓬种植后对该地区土壤环境改良的分析。本研究结果显示，查干淖尔干涸盐湖的土壤p H和可溶性盐含量平均约为10.03和3.77 g·kg-1，与奚萨茹拉[21]研究结果有所不同，其原因可能是由于本次调查是在该地区通过大面积种植碱蓬“固尘压碱”的植被营建措施后进行，防护带内种植的碱蓬具有极高的耐盐性和强大的根系，其根系的生长能从土层深处吸取大量的盐分贮藏在茎叶中，并通过茎叶上毛孔分泌盐分，以调节土壤中盐分平衡，经过长期的发展、演替过程使该区域盐碱土的土壤条件得到改善。但按照国家土壤盐渍化分级标准[22]，查干淖尔盐湖地区土壤还处于强碱性和中度盐渍化状态，仍需进一步治理。

本研究表明，沿查干淖尔主风方向也就是湖心指向沙地方向，碱蓬防护带植被覆盖度为70%～80%，土壤速效钾、速效磷、有机质含量均显著高于除干涸湖心外的其他样地，与刘进辉等[23]研究结果相比含量稍高，但整体趋势相同；并且土壤速效钾、速效磷、有机质含量与2003年碱蓬防护带营建初期[24]相比明显增长。其原因可能是由于碱蓬防护带植被覆盖程度比较高，导致土壤深层的水分蒸发量降低，而植物根系又能维持土壤中水分的平衡[25]，潮湿的土壤条件有利于枯落物的降解，促使土壤的养分含量增加；另外，碱蓬防护带历经20年的营造建设，植被盖度已由最初的40%～50%增加至70%～80%，在实地调查过程中发现碱蓬防护带内地表枯落物较丰富，由于土壤表面形成结皮层及腐殖质层，提高了枯落物的归还能力，生物小循环作用也随之增强，土壤微生物作用强烈，经腐殖化作用、矿化作用将枯落物等分解成有机质、速效养分等[26]。土壤中速效养分可通过水解、氨化、固化作用等进行转化[27]；植被作为土壤氮、磷、钾素吸收利用的主要载体和转化者，植被根系的生长及其枯落物的分解对土壤氮、磷、钾素的转化和吸收有显著影响，并且随着枯落物的分解，土壤中的有机质含量逐渐升高，而土壤中磷和钾的含量则依赖于有机质的累积和分解，因而在防护带内钾素、磷素和有机质含量都比较高，这与已有研究结论[25,26,27]相吻合，表明碱蓬防护带起到了改良土壤、促进土壤发育的作用，且随着营造年限的增加增幅明显。本研究仅通过土壤理化性质特征对查干淖尔盐湖植物防护体系20年建设效果进行客观评价，后续可获取该区域详细的植被群落特征数据，借助群落多样性等植被指标进一步评估盐湖植物防护体系的建设效果。

营造建设植被不但可以借助植被枯落物的分解及根系作用改善土壤环境，还能利用植被对风沙的阻挡效应起到改良土壤的作用[28]。植物防护体系内碱蓬防护带、盐碱草滩地、白刺灌丛近地面表现为堆积地貌，干涸湖心和沙地风蚀坑近地面表现为风蚀地貌[29]，由于植物对风沙的阻滞作用，风沙流携带的风蚀物质堆积于地表，而风蚀物多为粒径较细的颗粒，对于养分的吸附能力较强[30]。本研究中，沿查干淖尔干涸湖心下风向，植被盖度逐渐减少，土壤养分含量也随之降低，与黄娟等[31]研究结果相一致。其原因可能是由于植被覆盖程度的降低及不同下垫面地表植被构成的差异，使其对风沙的阻截效果也存在差异，植被盖度较小的区域对风沙流中细颗粒物质拦截也较少，对土壤环境的改善作用也随之减弱。因此，在植物防护体系不同位置，植被的阻截效果存在差异，降低过境风速和削弱风沙流携沙的能力不同，使得细颗粒物质在植被间的堆积量也有区别，从而不同程度的增加土壤养分。本研究发现，碱蓬防护带的土壤养分含量较其他样地显著提高，这与管雪薇等[32]防护林带体系的研究结果相一致，说明防护植被体系的建设对土壤养分积累、土壤质量改良具有很大作用。此外，干涸湖心近地面表现为风蚀地貌且地表无植被生长，但其土壤有机质及氮磷钾含量远大于其他区域，原因可能在于湖心表面的大量盐结层，阻止底层疏松沉积物与近地面空气的直接接触，防止风蚀的发生，且能够抑制土壤水分的蒸发损失，保持土壤水分[33]，使土壤中有机质及氮磷钾养分避免风蚀作用的消耗得以保存，并且植物根系生长对于土壤氮磷钾的转化和吸收有显著影响，但由于研究区湖心土壤含盐量较大，使得植被很难存活，因此可以很大限度地减少植被根系对于土壤中养分的吸收，减少土壤中有机质及氮磷钾含量的损耗，使其土壤中有机质及氮磷钾含量维持在较高水平。因此，防护植被的建设不但能通过植被的根系作用改善土壤质量，其枯落物的积累与分解也能提供一定养分，长期作用下，改良了土壤环境，提高了土壤养分含量；而且能通过营建种植的植被增加地表植被覆盖度，减弱近地表风速，降低风沙流的运移能力，减少细颗粒物质的流失，避免了土壤养分的损失，使土壤中细颗粒物质和养分不断积累。

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基金资助:国家自然科学基金项目(42067015);内蒙古自治区自然科学基金项目(2020MS03038);

文章来源:郭靖捷,任晓萌,蒙仲举等.半干旱风沙草原区盐湖植物防护体系土壤理化性状特征[J].中国农业科技导报,2024,26(01):182-192.