半固定沙地改良措施對草地土壤微環(huán)境的影響

半固定沙地改良措施對草地土壤微環(huán)境的影響

土地荒漠化是影響人類生存和發(fā)展的全球環(huán)境問題之一。我國沙地面積達(dá)到1.72×10常用的沙地生態(tài)恢復(fù)方式是以工程措施為主，輔以生物措施。然而，由于材料成本高并存在潛在二次污染的危害，所以并未被大面積的應(yīng)用，尋求價(jià)格低廉的環(huán)境友好型沙地生態(tài)恢復(fù)材料成為了研究的重點(diǎn)。目前市場上常用的生態(tài)環(huán)境友好型生態(tài)恢復(fù)材料包括栲膠類材料、廢塑料改性類材料、木質(zhì)素類材料和樹脂類材料等(錫林郭勒盟草原是我國北方地區(qū)一道重要的綠色屏障，在草原生物多樣性的保護(hù)方面占有重要的位置(1研究領(lǐng)域和方法1.1試驗(yàn)地區(qū)立地條件本試驗(yàn)于2018年在中國科學(xué)院內(nèi)蒙古錫林郭勒草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站沙地生態(tài)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行，試驗(yàn)地區(qū)屬于溫帶半干旱草原氣候，四季分明，冬寒夏熱，春季多風(fēng)，年平均氣溫2.3℃，最冷月(1月)平均溫度為-21.2℃，最熱月(7月)平均溫度達(dá)到19.3℃。年平均降雨量350mm左右，降雨量年際變化較大，變化幅度常在30%以上，全年降雨主要集中于6—9月，約占全年降水量的80%。1.2不同材料的綜合處理本試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)處理:立體措施(LT)、綜合措施(ZH)以及對照(CK)(圖1)。這里我們將添加保水劑和木質(zhì)素類結(jié)皮兩種材料的試驗(yàn)處理，其中保水劑具有強(qiáng)大的吸水能力，可以反復(fù)吸水釋水達(dá)到蓄水的作用，木質(zhì)素類結(jié)皮可以抵御土壤風(fēng)蝕，而且具有減緩?fù)寥浪终舭l(fā)，對植物的發(fā)芽、生長及生物量累積具有良好的促進(jìn)作用，對沙地土壤淺層和表層實(shí)現(xiàn)立體調(diào)控的處理定義為立體措施。綜合措施是在立體措施的基礎(chǔ)上，增加撒種的處理。其中CK處理:僅在土壤表面噴灑清水2.5L·m1.3樣品測定及分析方法木質(zhì)素和纖維素吸附地表沙土形成的結(jié)皮層厚度在0.5～1cm，聚丙烯酰胺高吸水樹脂埋深為5cm,而草本植物根系主要分布在地下0～10cm處，土壤溫濕度儀探針埋深分別為1、5、10和20cm。土壤溫濕度變化利用土壤溫度濕度儀(DH8902)進(jìn)行連續(xù)觀測。于2018年8月底進(jìn)行取樣及相關(guān)指標(biāo)的測定。土壤容重采用環(huán)刀法測定。土壤團(tuán)聚體采用濕篩法測定。土壤蒸發(fā)的觀測采用蒸滲儀法測定，土壤入滲采用單環(huán)入滲儀測定土壤表層水分入滲特征。在每個(gè)處理區(qū)分別設(shè)置調(diào)查樣方(1m×1m),8月底采用刈割法調(diào)查植物地上生物量，采用根鉆法測定地下生物量。1.4驗(yàn)結(jié)果分析數(shù)據(jù)采用MicrosoftExcel2007軟件進(jìn)行整理;試驗(yàn)結(jié)果采用SPSSStatistics23.0軟件進(jìn)行分析，其中不同處理間的差異采用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05);圖表制作采用OriginPro2018完成。2結(jié)果與分析2.1不同土層條件下土壤深度對粒徑團(tuán)聚體分布的影響與對照相比，LT和ZH改良措施均顯著降低土壤容重(P<0.05),ZH改良措施的降低幅度大于LT改良措施。在0～10cm土層，LT和ZH改良措施下土壤容重分別降低了12.66%和20.25%;在5～10cm土層，分別降低了3.66%和14.90%;在10～20cm土層，分別降低了10.91%、12.73%(圖2)。且隨著土壤深度的增加，土壤容重降低量越小，LT和ZH改良措施后的土壤容重隨著土壤深度的增加，10～20cm土壤深度的土壤容重相較于表層土壤(0～5cm)分別增加了9.76%、13.41%。在3個(gè)不同土層中，LT和ZH改良措施對土壤粒徑團(tuán)聚體分布的影響均表現(xiàn)出相同的變化趨勢:與CK相比，LT和ZH改良措施均降低了粒徑小于0.5mm的團(tuán)聚體分布(P<0.05);但顯著提高了粒徑大于0.5mm的團(tuán)聚體在各土層的分布(P<0.05)。其中，ZH改良措施下，不同土層土壤深度內(nèi)水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的比重均為最高。將土壤團(tuán)聚體進(jìn)行平均處理(圖2)，與對照相比，LT和ZH改良措施均顯著降低了粒徑小于0.5mm的團(tuán)聚體分布(P<0.05)，其中ZH措施降低效果最為明顯;但該措施卻顯著提高了粒徑大于2mm的團(tuán)聚體在各土層的分布(P<0.05)。綜上可知，LT和ZH改良措施顯著提高了水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的比重，其中ZH措施對水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的比重影響最大(圖2)。2.2不同處理土壤水分的日蒸發(fā)量和濕度變化相比于對照，LT和ZH改良措施均能夠顯著增加水分的初滲速率和穩(wěn)滲速率(P<0.05)，表現(xiàn)為ZH>LT(圖3)。ZH改良措施下，土壤水分初滲速率及穩(wěn)滲速率最高能達(dá)到14.73和2.8mm·min從9月14日開始，連續(xù)測6天土壤水分日蒸發(fā)量發(fā)現(xiàn)不同處理之間土壤蒸發(fā)趨勢一致，將6天土壤水分蒸發(fā)進(jìn)行平均處理，改良措施能夠顯著減小土壤水分的日蒸發(fā)量(P<0.05)，按照3種處理的日蒸發(fā)量的強(qiáng)弱排序?yàn)镃K>LT>ZH(圖3)。沒有做任何處理的CK土壤日蒸發(fā)量是最大的，ZH改良措施的土壤日蒸發(fā)量則最低。將2018年6月、7月、8月和9月4個(gè)月的土壤濕度進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，不同月份以及不同土層中土壤濕度變化趨勢一致，將不同月份及不同土壤深度濕度進(jìn)行平均處理，圖3為土壤0～20cm土壤濕度變化。與對照相比，LT和ZH改良措施的使用會增加土壤的含水量。2.3改性劑的差異在不同土層中，土壤溫度月變化趨勢一致(圖4)。2018年6月開始收集土壤溫度的數(shù)據(jù)(ZH改良措施2018年11月后的探頭數(shù)據(jù)丟失)。與對照相比，7月和8月，LT及ZH改良措施顯著降低了土壤月均溫(P<0.05)，但兩種改良措施之間并沒有顯著差異。在6月及9月時(shí)，LT及ZH改良措施相比于對照無任何顯著性差異。從2019年4和5月的圖中則可以看出，LT改良措施相比于對照盡管在4月與對照相比無任何顯著性差異，5月相比與對照則顯著提高了土壤月均溫(P<0.05)。將2018年6月、7月、8和9月每個(gè)時(shí)間段的溫度進(jìn)行處理發(fā)現(xiàn)，不同土層中一日土壤溫度變化趨勢一致，將不同土壤深度溫度進(jìn)行平均處理，圖4為土壤0～20cm一日土壤溫度變化。各處理的一日土壤溫度隨時(shí)間變化整體均表現(xiàn)出單峰趨勢。一天中，凌晨到清晨時(shí)間段，改良措施使土壤溫度降低速率變慢，4:00時(shí)，綜合改良措施的土壤溫度顯著高于對照(P<0.05)。8:00時(shí)土壤溫度出現(xiàn)交匯，隨著氣溫的逐漸升高，土壤溫度也在逐漸升高，相比于對照，LT和ZH改良措施并沒有顯著改變土壤溫度(P<0.05)。15:00土壤溫度是一天中土壤溫度最高的時(shí)刻，LT和ZH改良措施的土壤溫度顯著低于對照，且二者之間沒有顯著性差異(P<0.05)。2.4不同改良措施對植物地下生物量的影響如圖5所示，與對照相比，LT和ZH改良措施顯著提高了植物的地上生物量(P<0.05)。通過LT和ZH改良措施的調(diào)控，地上生物量相較于對照分別顯著提高188.36%、219.62%。與對照相比，ZH改良措施顯著提高了植物的地下生物量(P<0.05)。通過LT和ZH改良措施的調(diào)控，地下生物量相較于對照分別顯著提高了58.98%、96.96%。綜合改良措施顯著提高了植物地下生物量(P<0.05),LT改良措施相比于對照的地下生物量則沒有顯著性差異。通過對比，不同改良措施顯著提高了植物群落的地上及地下生物量，其中ZH改良措施對植物生長的調(diào)控效果最優(yōu)。3討論3.1土壤結(jié)構(gòu)的改善土壤容重和土壤團(tuán)聚體是衡量土壤微環(huán)境狀態(tài)的重要指標(biāo)之一(3.2木質(zhì)素類結(jié)皮木質(zhì)素和纖維素為生物質(zhì)材料，二者本身就是高分子親水材料，具有較強(qiáng)的吸水性，所以木質(zhì)素類結(jié)皮具有改變土壤水分入滲過程的作用(不同改良措施的應(yīng)用能夠顯著影響沙地土壤水分的蒸發(fā)量。以往研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素類結(jié)皮施用于沙地表面，沙地輻射強(qiáng)度高，保蓄在表層的水分易于蒸發(fā);但也有研究表明，結(jié)皮可以阻塞土壤孔隙從而抑制土壤水分的蒸發(fā)(改良措施通過改良土壤物理性狀，增大土壤水分含量，為種子萌發(fā)生長提供一個(gè)良好的環(huán)境，提高了沙地生態(tài)環(huán)境的初級生產(chǎn)力。而植物的生長又會再改善表層土壤物理性狀，植被有效地減少水分的蒸發(fā)，同時(shí)植物根系也可以較好地涵養(yǎng)水源，保持土壤水分(3.3立體及綜合改良措施本研究結(jié)果表明，兩種改良措施均降低了夏季日均溫，這可能是因?yàn)楦牧即胧└淖兞送寥赖奈锢斫Y(jié)構(gòu)(土壤容重及土壤團(tuán)聚體)，水分入滲量增加，減少了土壤水分的過度下滲，土壤水分蒸發(fā)減少，使得土壤含水量增加，從而增大土壤比熱容(單位質(zhì)量或原狀體積土壤溫度升高1℃所需的熱量)。立體及綜合改良措施在早春時(shí)土壤日均溫高于對照，主要是因?yàn)槟举|(zhì)素類結(jié)皮顏色較深，能夠更好地吸收太陽輻射。另外，積雪融化后，保水劑大量吸水，造成土壤的隆起和恢復(fù)，切段了土壤水分的蒸發(fā)通道，土壤熱傳導(dǎo)通道被破壞，使得破損的土體形成由氣體組成的一個(gè)個(gè)隔熱層，從而減小了土壤的熱導(dǎo)率(4改變土壤結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)力本研究所采用的立體及綜合改良措施使撒種措施、保水劑措施及結(jié)皮措施優(yōu)缺互補(bǔ)，相互補(bǔ)充，在土地沙化修復(fù)的初期改變了:(1)土壤結(jié)構(gòu)，(2)水分循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)了對土壤水分的調(diào)控，(3)土壤的比熱容，降低了夏季日均溫以及溫度的日變化。具體來講，立體及綜合改良措施均顯著降低土壤容重，增大水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的比重，對于土壤結(jié)構(gòu)的改善具有重要作用。撒種增加了土壤中能萌發(fā)的種子數(shù)量;土壤中保水劑的施用，增加了土壤吸水釋水的能力，減少了土壤中水分的過度下滲;土壤表層的結(jié)皮增加了水分的入滲能力，阻擋了因保水劑造成的地表隆起而造成水分的過度蒸發(fā)，提高了土壤含水量。這三種措施優(yōu)缺互補(bǔ)，相互補(bǔ)充，在土地沙化修復(fù)的初期改變了水分循環(huán)過程，實(shí)現(xiàn)