半固定沙地改良措施对草地土壤微环境的影响

半固定沙地改良措施对草地土壤微环境的影响

土地荒漠化是影响人类生存和发展的全球环境问题之一。我国沙地面积达到1.72×10常用的沙地生态恢复方式是以工程措施为主，辅以生物措施。然而，由于材料成本高并存在潜在二次污染的危害，所以并未被大面积的应用，寻求价格低廉的环境友好型沙地生态恢复材料成为了研究的重点。目前市场上常用的生态环境友好型生态恢复材料包括栲胶类材料、废塑料改性类材料、木质素类材料和树脂类材料等(锡林郭勒盟草原是我国北方地区一道重要的绿色屏障，在草原生物多样性的保护方面占有重要的位置(1研究领域和方法1.1试验地区立地条件本试验于2018年在中国科学院内蒙古锡林郭勒草原生态系统国家野外科学观测研究站沙地生态恢复实验平台进行，试验地区属于温带半干旱草原气候，四季分明，冬寒夏热，春季多风，年平均气温2.3℃，最冷月(1月)平均温度为-21.2℃，最热月(7月)平均温度达到19.3℃。年平均降雨量350mm左右，降雨量年际变化较大，变化幅度常在30%以上，全年降雨主要集中于6—9月，约占全年降水量的80%。1.2不同材料的综合处理本试验共设置2个处理:立体措施(LT)、综合措施(ZH)以及对照(CK)(图1)。这里我们将添加保水剂和木质素类结皮两种材料的试验处理，其中保水剂具有强大的吸水能力，可以反复吸水释水达到蓄水的作用，木质素类结皮可以抵御土壤风蚀，而且具有减缓土壤水分蒸发，对植物的发芽、生长及生物量累积具有良好的促进作用，对沙地土壤浅层和表层实现立体调控的处理定义为立体措施。综合措施是在立体措施的基础上，增加撒种的处理。其中CK处理:仅在土壤表面喷洒清水2.5L·m1.3样品测定及分析方法木质素和纤维素吸附地表沙土形成的结皮层厚度在0.5～1cm，聚丙烯酰胺高吸水树脂埋深为5cm,而草本植物根系主要分布在地下0～10cm处，土壤温湿度仪探针埋深分别为1、5、10和20cm。土壤温湿度变化利用土壤温度湿度仪(DH8902)进行连续观测。于2018年8月底进行取样及相关指标的测定。土壤容重采用环刀法测定。土壤团聚体采用湿筛法测定。土壤蒸发的观测采用蒸渗仪法测定，土壤入渗采用单环入渗仪测定土壤表层水分入渗特征。在每个处理区分别设置调查样方(1m×1m),8月底采用刈割法调查植物地上生物量，采用根钻法测定地下生物量。1.4验结果分析数据采用MicrosoftExcel2007软件进行整理;试验结果采用SPSSStatistics23.0软件进行分析，其中不同处理间的差异采用最小显著差数法(LSD法)进行显著性检验(P<0.05);图表制作采用OriginPro2018完成。2结果与分析2.1不同土层条件下土壤深度对粒径团聚体分布的影响与对照相比，LT和ZH改良措施均显著降低土壤容重(P<0.05),ZH改良措施的降低幅度大于LT改良措施。在0～10cm土层，LT和ZH改良措施下土壤容重分别降低了12.66%和20.25%;在5～10cm土层，分别降低了3.66%和14.90%;在10～20cm土层，分别降低了10.91%、12.73%(图2)。且随着土壤深度的增加，土壤容重降低量越小，LT和ZH改良措施后的土壤容重随着土壤深度的增加，10～20cm土壤深度的土壤容重相较于表层土壤(0～5cm)分别增加了9.76%、13.41%。在3个不同土层中，LT和ZH改良措施对土壤粒径团聚体分布的影响均表现出相同的变化趋势:与CK相比，LT和ZH改良措施均降低了粒径小于0.5mm的团聚体分布(P<0.05);但显著提高了粒径大于0.5mm的团聚体在各土层的分布(P<0.05)。其中，ZH改良措施下，不同土层土壤深度内水稳性大团聚体的比重均为最高。将土壤团聚体进行平均处理(图2)，与对照相比，LT和ZH改良措施均显著降低了粒径小于0.5mm的团聚体分布(P<0.05)，其中ZH措施降低效果最为明显;但该措施却显著提高了粒径大于2mm的团聚体在各土层的分布(P<0.05)。综上可知，LT和ZH改良措施显著提高了水稳性大团聚体的比重，其中ZH措施对水稳性大团聚体的比重影响最大(图2)。2.2不同处理土壤水分的日蒸发量和湿度变化相比于对照，LT和ZH改良措施均能够显著增加水分的初渗速率和稳渗速率(P<0.05)，表现为ZH>LT(图3)。ZH改良措施下，土壤水分初渗速率及稳渗速率最高能达到14.73和2.8mm·min从9月14日开始，连续测6天土壤水分日蒸发量发现不同处理之间土壤蒸发趋势一致，将6天土壤水分蒸发进行平均处理，改良措施能够显著减小土壤水分的日蒸发量(P<0.05)，按照3种处理的日蒸发量的强弱排序为CK>LT>ZH(图3)。没有做任何处理的CK土壤日蒸发量是最大的，ZH改良措施的土壤日蒸发量则最低。将2018年6月、7月、8月和9月4个月的土壤湿度进行处理发现，不同月份以及不同土层中土壤湿度变化趋势一致，将不同月份及不同土壤深度湿度进行平均处理，图3为土壤0～20cm土壤湿度变化。与对照相比，LT和ZH改良措施的使用会增加土壤的含水量。2.3改性剂的差异在不同土层中，土壤温度月变化趋势一致(图4)。2018年6月开始收集土壤温度的数据(ZH改良措施2018年11月后的探头数据丢失)。与对照相比，7月和8月，LT及ZH改良措施显著降低了土壤月均温(P<0.05)，但两种改良措施之间并没有显著差异。在6月及9月时，LT及ZH改良措施相比于对照无任何显著性差异。从2019年4和5月的图中则可以看出，LT改良措施相比于对照尽管在4月与对照相比无任何显著性差异，5月相比与对照则显著提高了土壤月均温(P<0.05)。将2018年6月、7月、8和9月每个时间段的温度进行处理发现，不同土层中一日土壤温度变化趋势一致，将不同土壤深度温度进行平均处理，图4为土壤0～20cm一日土壤温度变化。各处理的一日土壤温度随时间变化整体均表现出单峰趋势。一天中，凌晨到清晨时间段，改良措施使土壤温度降低速率变慢，4:00时，综合改良措施的土壤温度显著高于对照(P<0.05)。8:00时土壤温度出现交汇，随着气温的逐渐升高，土壤温度也在逐渐升高，相比于对照，LT和ZH改良措施并没有显著改变土壤温度(P<0.05)。15:00土壤温度是一天中土壤温度最高的时刻，LT和ZH改良措施的土壤温度显著低于对照，且二者之间没有显著性差异(P<0.05)。2.4不同改良措施对植物地下生物量的影响如图5所示，与对照相比，LT和ZH改良措施显著提高了植物的地上生物量(P<0.05)。通过LT和ZH改良措施的调控，地上生物量相较于对照分别显著提高188.36%、219.62%。与对照相比，ZH改良措施显著提高了植物的地下生物量(P<0.05)。通过LT和ZH改良措施的调控，地下生物量相较于对照分别显著提高了58.98%、96.96%。综合改良措施显著提高了植物地下生物量(P<0.05),LT改良措施相比于对照的地下生物量则没有显著性差异。通过对比，不同改良措施显著提高了植物群落的地上及地下生物量，其中ZH改良措施对植物生长的调控效果最优。3讨论3.1土壤结构的改善土壤容重和土壤团聚体是衡量土壤微环境状态的重要指标之一(3.2木质素类结皮木质素和纤维素为生物质材料，二者本身就是高分子亲水材料，具有较强的吸水性，所以木质素类结皮具有改变土壤水分入渗过程的作用(不同改良措施的应用能够显著影响沙地土壤水分的蒸发量。以往研究发现，木质素类结皮施用于沙地表面，沙地辐射强度高，保蓄在表层的水分易于蒸发;但也有研究表明，结皮可以阻塞土壤孔隙从而抑制土壤水分的蒸发(改良措施通过改良土壤物理性状，增大土壤水分含量，为种子萌发生长提供一个良好的环境，提高了沙地生态环境的初级生产力。而植物的生长又会再改善表层土壤物理性状，植被有效地减少水分的蒸发，同时植物根系也可以较好地涵养水源，保持土壤水分(3.3立体及综合改良措施本研究结果表明，两种改良措施均降低了夏季日均温，这可能是因为改良措施改变了土壤的物理结构(土壤容重及土壤团聚体)，水分入渗量增加，减少了土壤水分的过度下渗，土壤水分蒸发减少，使得土壤含水量增加，从而增大土壤比热容(单位质量或原状体积土壤温度升高1℃所需的热量)。立体及综合改良措施在早春时土壤日均温高于对照，主要是因为木质素类结皮颜色较深，能够更好地吸收太阳辐射。另外，积雪融化后，保水剂大量吸水，造成土壤的隆起和恢复，切段了土壤水分的蒸发通道，土壤热传导通道被破坏，使得破损的土体形成由气体组成的一个个隔热层，从而减小了土壤的热导率(4改变土壤结构，提高生产力本研究所采用的立体及综合改良措施使撒种措施、保水剂措施及结皮措施优缺互补，相互补充，在土地沙化修复的初期改变了:(1)土壤结构，(2)水分循环过程，实现了对土壤水分的调控，(3)土壤的比热容，降低了夏季日均温以及温度的日变化。具体来讲，立体及综合改良措施均显著降低土壤容重，增大水稳性大团聚体的比重，对于土壤结构的改善具有重要作用。撒种增加了土壤中能萌发的种子数量;土壤中保水剂的施用，增加了土壤吸水释水的能力，减少了土壤中水分的过度下渗;土壤表层的结皮增加了水分的入渗能力，阻挡了因保水剂造成的地表隆起而造成水分的过度蒸发，提高了土壤含水量。这三种措施优缺互补，相互补充，在土地沙化修复的初期改变了水分循环过程，实现