荒漠植被区土壤的生态恢复与沙化土地的形成

荒漠植被区土壤的生态恢复与沙化土地的形成

中国总面积为262.2万公里，占总面积的27.3%。土壤作为荒漠生态系统的重要组成部分,对构建稳定的荒漠生态系统具有举足轻重的作用。干旱区沙化土地的治理与恢复一直是人们关注的重点,尽管我国在荒漠化研究方面,特别在应用技术和综合治理领域取得了很大成绩,但在基础理论研究方面显得十分薄弱,而关于荒漠化土壤生态恢复的研究更显不足。以往的研究主要集中在毛乌素沙地、科尔沁沙地和腾格里沙漠等区域,研究内容多侧重于成土因素与土壤发生性质的相关性、生物地理群落与土壤的关系以及农田土壤生态研究等方面。笔者探讨了降尘、生物土壤结皮和土壤微生物对土壤恢复的影响,分析土壤的发育与人工植被演替的相互作用,为干旱、半干旱地区荒漠生态系统恢复机理的研究奠定基础,也为沙区生态环境治理提供理论依据。1固沙植物的种植腾格里沙漠东南缘的宁夏沙坡头地区(37°32′N,105°02′E)属草原化荒漠地带,气候干旱而多风;该区格状沙丘群由西北向东南倾斜呈阶梯状分布,沙丘主梁呈新月形沙丘链形态,走向为西北\_东南方向,相对高差15～20m;土壤基质为疏松、贫瘠的流沙,沙层稳定含水量仅2%～3%。为保障包兰铁路沙坡头沙漠地段畅通无阻,中国科学院和铁道部等单位于1956年首先在铁路沿线设置防护带。根据风沙流活动的特点,在防护带内流动沙丘表面采用1m×1m的草方格沙障来降低近地面风速、减少气流中的含沙量;在无灌溉的条件下,选择较适宜的固沙植物栽植在障内,起固定沙面的作用;由于铁路北侧起沙风占全年的55%,铁路南侧起沙风占全年的26%,铁路路基两侧固沙带的宽度与起沙风时间长短相适应,约为2.2∶1,即接近2.5∶1,据此确定铁路北侧固沙带宽度为500m,铁路南侧为200m,整个防护体系长度16km;在固沙带的外侧采用立式阻沙栅栏,拦积外来流沙,从而形成了“以固为主、固阻结合”的植被固沙防护体系。人工植被建立后经过50余年的演变,使该区的生态环境得到了改善。沙面的固定为许多一年生植物繁衍创造了条件,沙面形成了生物结皮,有真菌类约9种,大量的微生物得到发育。植物种除了人工种植的灌木柠条(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscoparium)、中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)、沙木蓼(Atraphaxisbracteata)、油蒿(Artemisiaordosica)和沙拐枣(Calligonumarborescens)外,有天然繁衍的雾冰藜(Bassiadasyphylla)、小画眉草(Erag-rostispoaeoides)、狗尾草(Setariaviridis)、苣荬菜(Sonchusbrachyotus)和油蒿等。此外,鸟类数目多达65种,其他动物30余种。大量物种的繁殖和定居,使原有的流沙演变成一个复杂的人工-天然复合的荒漠生态系统(图1)。在人工植被向天然植被的演替过程中,成土环境的改善、生物地球化学循环过程的加强、生物作用特别是根系分泌物及有机残体的积累,使土壤的物理和化学性质发生了变化,流动风沙土向地带性土方向发展。2土壤修复研究2.1沙面沙面细粒物质的累积腾格里沙漠东南缘沙坡头地区流动沙丘在草方格沙障与人工植被的作用下,根本上改变了地域内的蚀积环境,地表粗糙度由流沙表面的0.007～0.093cm提高至1.517～2.398cm,近地表1m以下风速减弱明显,人工植被覆盖度为10%时,风速可降低10%～20%,盖度达到10%～20%时,风速降低率为20%～40%。地面粗糙度的增加和风速的降低,不仅保证了沙面免受风蚀,而且把外来的流沙阻滞于外围,使悬移高度较大的细粒物质在带内得以沉积。这种过程不断继续,导致带内沙面细粒物质的不断累积,从而使粉粒和粘粒的含量相对增加。沙面不断沉降大气中的粉尘,这些粉尘本身含有土壤微生物以及为植物生长所需的营养元素,以支持植物生长,为成土过程和生物土壤结皮发育提供了细粒物质。Li等研究表明,草方格沙障对降尘具有明显捕获作用,并且每年的降尘沉积量随固沙年代的增加而增加。陈世雄的研究结果也表明,固沙植被区1m高处的空气粉尘含量,最小为流沙区的31.7%,最高为流沙区的67.5%,这为植物捕获降尘创造了有利条件。还有研究表明,生物土壤结皮对降尘也具有捕获作用,但随固沙年代的增加,沙丘表面发育结皮种类和盖度发生变化,结皮对降尘的捕获能力也会发生相应的变化。2.2藻类组成和组成生物土壤结皮是苔类、叶苔、蓝绿藻、地衣类、真菌和细菌以及许多景观中常见的非维管束植物成分相结合形成的十分复杂的聚合体。它不仅在温带和热带荒漠有分布,而且在潮湿地区甚至在极地也有发现,约占国土面积的27.3%。沙坡头流沙区防护体系的建立使沙表面的物理环境得到稳定,微生物分泌大量的粘液,使细的沙粒和微生物及其分泌物紧密地结合在一起,构成复杂而具有一定韧性的结合体,使沙土表层形成皮壳状结皮。Bailey等研究表明土壤微生物能够增强土壤团聚体的稳定性,Greene等提供了微生态学证据,土壤微生物能把非结晶粘胶状的有机物密切粘结在一起,而有机物又将矿物细粒进一步粘结,形成球面表面团聚,使土表的稳定性增强从而避免水蚀和风蚀。沙坡头地区结皮的发育可分为3个阶段。第一阶段是早期尘结皮阶段,是风积物沉积和降水过程雨滴作用形成的,形成于人工植被建立的最初10a左右,以非生物成分降尘为主,表面呈灰色,厚度约2mm,稍具抗风蚀能力。第二阶段是藻结皮广泛发展阶段,形成于人工植被建立10～20a左右。藻类生物的个体相当小,但数量大,它们多聚集在0.02～2.5mm的层次内,该层又被称为富澡层。随着人工植被防护体系建植时间的延长,藻类的数量在增多。初建的人工植被区只有堇色水鞘藻(Hydrocoleusviolacens)、嗜钙马氏鞘丝藻(Lyngbyamartensianavar.calcerea)等4种蓝藻,而在1956\_1965年建立的人工植被区,蓝藻达11种之多,包括伪双点颤藻(Oscillateriapseudogeminata)、不明显颤藻(Oscillateriaabscura)和似镰头颤藻(Oscillateriasubbrevis)等。藻类分泌的多糖和藻丝粘结,捆绑沙粒和土粒,形成厚度2～3mm的结皮层,厚度较薄,硬而脆,它是生物土壤结皮发育的相对成熟阶段。第三阶段是苔藓结皮形成阶段。藓类植物是生物土壤结皮层的优势成分。王世冬等曾报道沙坡头自然和人工固沙区共有藓类2科、5属、13种。银叶针藓(Bryumargenteum)等在植丛下方密集生长,植丛间裸露地上则成不连续的斑块状生长。苔藓的假根和径是组成结皮的重要成分,随着苔藓植物的不断繁衍,逐渐形成了毡状生物结皮。在这一发育阶段,会有少量的地衣结皮斑块镶嵌出现。苔藓结皮的厚度较大,一般在8～20mm之间,结皮颜色以绿色为主,夹有褐色、黑色成分。随着生物土壤结皮演替的进行,结皮中的有机生物量和多聚糖含量增加了,并且导致了微地形的复杂性,促使了土壤溶解水分能力的提高,增加了更多有机体的生长和生物量的生产。这一过程中结皮及表土层的厚度和养分增加,为沙面土壤的进一步发育创造了条件。2.3微生物群落及生物活性流动沙丘上有机质含量低、水分不足,限制了微生物的生长。人工植被的生长减轻了土壤风蚀作用,土壤向细粒化演变,养分含量增加。土壤结构的优化和有机质的增加使土壤微生物赖以生存的基质条件和营养基础变优,微生物数量显著增多,且人工植被区土壤微生物中细菌的比例增大。上述研究结果一方面显示了人工固沙区藻类丰富的现状,另一方面也显示出从流沙区到人工植被区,微生物群系从初级向高级的演化(表1)。同时,人工植被区中各类微生物生理功能群的数量大于流动沙丘,氨化细菌、纤维素分解菌和硝化细菌分别为流动沙丘的3倍、4倍和2倍多,自生固氮菌和硅酸盐细菌在流动沙丘中没有出现。从流沙区到人工植被区,微生物生化活性大大增强,氨化作用和纤维素分解作用分别增加1.25倍和1.41倍(表2)。土壤微生物是土壤中最活跃的部分,它直接推动了土壤物质循环,参与了硝化、氨化、分解和固氮等主要的生物地球化学循环过程,促进了矿物的风化和有机物的合成。一方面改善了固定沙面的土壤结构,使其具有容重低、孔隙度高、持水力强、渗透性慢等特点;另一方面其生化活性的增强,加速了土壤中有机质的分解和养分的循环,丰富了植物的营养条件,特别是提供了植物生长所需的氮元素,土壤中的菌根类真菌还有助于植物较好地吸收土壤中的养分。研究表明微生物的演变和土壤条件的改善是一个相互作用的过程,微生物类群数量与流动沙丘的固定程度呈正向关系。3人工固沙植被区土壤水分运动规律腾格里沙漠南缘沙坡头地区年均降水仅为180mm,地下水埋深80m,不能为植物所利用,浅层覆沙层的沙积潜水成为影响植物生存与分布的关键因子。沙丘表面固定后,大气降尘的大量累积和枯枝落叶积聚及生物过程的(细菌、放线菌和真菌的繁殖)加强,促进了沙面表层土壤的成土过程。人工植被固沙区内,土壤逐渐分化出结皮层、腐殖质染色层和下伏风沙沉积层。新的土体构型导致了水分再分配过程的本质变化。首先表现在生物结皮对降水显著的拦截作用,几毫米的降水可使隐花植物从休眠状态中恢复生长。一般一次小于10mm的降水可被结皮完全截留至结皮和表土层,生物结皮的水分消耗占年降水量的50%左右。其次,土壤表层质地组成中粘粒百分含量的增加,提高了表土层的持水能力,土壤有效水分从5.51%增加到21.96%,导致50cm以下土层逐渐丧失了有限降水的水分补给,深层土壤水分的干旱随固沙时间的持续而加剧。植被与土壤是一个相互作用的过程,随着土壤水分的减少,物种间的水分竞争加剧,使得一些深根系的灌木从固沙植被中退出。由于表土的持水能力增加,浅根系的草本植物对水分利用的增加,固沙植被演变过程中逐渐形成以草本植物为优势种的格局特点。人工固沙植被从单一的灌木层片结构的群落演变成由灌木层、草本层和藻类、苔藓等隐花植物结皮层组成的结构复杂的群落。已有的研究表明,土壤水分的空间分布和随时间的变化动态既是制约区域植被分布的原因,同时又受到植被存在的影响,是植物根系吸水作用与土壤表面蒸发共同作用的结果。当荒漠地区土壤-植被系统形成以后,该系统对土壤水分运动产生尤为明显的制约作用。在沙坡头人工固沙植被区,油蒿与柠条植丛区终年未监测到土壤水分深层渗漏,表明荒漠灌丛植物的生长已经完全适应其定居环境,植物根系有效地吸收土壤水分,阻止了降水条件下土壤深层渗漏的发生。降水入渗是补充荒漠人工植被区土壤有效水分的主要水资源,从而加重深层土壤干旱化。土壤发育过程实质上就是水分浅层化的再分配过程。伴随植被的演变,土壤质地和土壤养分等亦在不断的改善和积累(表3)。与流动沙丘相比,固沙植被建立46a后,表层土壤中沙粒的含量由99.67%下降到66.40%,粉粒和粘粒的含量分别由0.12%和0.21%提高到22.60%和11.00%,沙土已经发展成为沙壤土;土壤颗粒分形研究也得出类似结果。固沙46a后土壤容重由1.53下降到1.44,土壤容重随固沙时间的增加呈减小的趋势。随着固沙区细粒物质的不断积累、大量草本植物的生息繁衍及微生物活动的加强,土壤养分状况改善,有机质由流沙的0.06%增加到1.34%,N、P2O5和K2O的含量由0.17%、0.11%和0.91%分别增加到1.02%、1.59%和1.76%;尽管土壤pH值显现出随着固沙年代的增加而增加的趋势,但是在不同年代建立的固沙区之间并无显著差异(P<0.01);土壤可溶盐的含量从0.04%增加到0.11%,相对可溶性盐而言,碳酸钙的积累较高,46a后达到了2.39%,在结皮层较深厚的背风坡已见碳酸钙的白色沉积。植被区地表层温度变幅小于流沙区,而深层温度波动显著。在5cm深度处,植被区地温降至最低值的时间滞后于流沙区2h以上,20cm处植被区地温达到最大值的时间比流沙区提前2～4h。人工固沙植被区土壤呼吸速率因水分、温度和植物群落发育类型和发育阶段而不同。由以上分析可以看出,人工植被对土壤理化性状的改善作用是显著的。流沙固定后干旱砂质新成土经过40多年演变倾向于一种区域性的土壤类型-简育正常干旱土。Sala等提出一个概念模型,认为干旱、半干旱地区灌木和草本在群落中的优势度与土壤质地相关,大多数土壤类型支持的植物群落以草本为主,只有粗质土壤质地支持以灌木为主的群落。在沙地植被组成中木本植物主要分布在土壤质地粗糙的基质上,而草本植物主要分布在质地较细的基质上。沙坡头人工固沙植被区伴随着表土层土壤质地细质化,以灌木为主的固沙植被逐渐演替到以草本植物为主,验证了土壤质地与植物优势种关系的概念模型。多数研究认为,草地原生植被(以草本植物为主的植物群落)被以灌丛为优势的群落所替代是草地退化或草地荒漠化的显著特征[70,71,72,73,74,75],一些研究者通过对沃岛效应的形成机理分析来解释这一生态过程[70,73,75,76,77,78]。Lal以缀块状分布的灌丛植被为切入点并从恢复生态学的角度出发,认为缀块状分布的灌丛植被是干旱、半干旱地区植被恢复的基础。李新荣通过沙坡头地区人工固沙植被近50a的演变与区域生境的恢复实践验证了该理论,并提出了干旱区植被恢复或草地荒漠化逆转的概念模型。研究认为,人工植被的建立是以设置防风固沙沙障和种植旱生灌木开始的,但在降水不足200mm的无灌溉条件下,由于灌木植被的作用,使原来质地相对均一的流沙发生了资源分布的空间异质性变化,增加了土壤的空间异质性,促进了土壤成土过程,为沙土表层隐花植物(藻类、苔藓和地衣)结皮的形成和一年生及多年生草本植物的入侵与定居创造了条件。而这一过程却减少降水向土壤深层的入渗量,使固沙植被区灌木主要根系分布层(100～300cm)的土壤含水量减少,导致了灌木种在群落中的优势和盖度降低,土壤资源分布的空间异质性程度也相应地减弱,固沙植被趋于以草本植物为优势的、与邻近草原化荒漠和荒漠化草原类似的原生植被类型演变和恢复。因此,土壤空间异质性的变化