寧夏鹽池縣草地沙化對(duì)植被與土壤特征的影響

毛思慧， 謝應(yīng)忠，2， 許冬梅，2

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學(xué) 草業(yè)科學(xué)研究所， 寧夏 銀川 750021)

鹽池縣是寧夏唯一被中國(guó)農(nóng)業(yè)部確定的牧區(qū)縣，草原面積和養(yǎng)羊數(shù)量均居全區(qū)之首，畜牧業(yè)收入占全縣農(nóng)業(yè)收入的1/2以上[1]。該縣草原嚴(yán)重沙化使草原植被發(fā)生逆向演替，牧草產(chǎn)量和品質(zhì)下降，草原經(jīng)濟(jì)動(dòng)物減少，鼠蟲(chóng)害加重，嚴(yán)重制約了草原畜牧業(yè)的發(fā)展，并且也影響了種植業(yè)和整個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性。草原沙化的加劇發(fā)展，使生態(tài)環(huán)境條件進(jìn)一步惡化，主要表現(xiàn)為風(fēng)沙天數(shù)增多，地下水位下降，蒸發(fā)量加劇，干旱周期縮短等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2004年鹽池縣草地沙化面積達(dá)486 932 hm2，占該縣土地總面積的68.3%[2]。因此，沙化草地的研究和防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，研究鹽池縣不同沙化程度下草地植被群落特征及土壤理化性質(zhì)的變化，為該地區(qū)草地沙化程度定量評(píng)價(jià)和沙化治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部，地理坐標(biāo)為106°3′—107°47′E，37°4′—38°10′N(xiāo)。鹽池縣東鄰陜西省定邊縣，南接甘肅省環(huán)縣，北靠?jī)?nèi)蒙古鄂托克前旗，西連靈武、同心縣，屬陜、甘、寧、蒙4省(區(qū))交界地帶。該區(qū)地理位置上屬于典型過(guò)渡地帶，即自南向北，地形上是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵過(guò)渡，氣候上是從半干旱向干旱過(guò)渡，植被類(lèi)型則是從干草原向荒漠草原過(guò)渡[3]，這種空間上的過(guò)渡性造成了鹽池縣自然條件資源的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的極端脆弱性。

鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，干旱少雨，光能豐富，日照充足。年平均氣溫8.1 ℃，各月平均氣溫-13.0～22.7 ℃，極端最高溫度34.9 ℃，極端最低溫度-25.3 ℃。年無(wú)霜期165 d，年降水量250～350 mm，年平均風(fēng)速1.8 m/s，冬春風(fēng)沙天氣較多。該縣土壤類(lèi)型主要是灰鈣土，其次是黑壚土和風(fēng)沙土，其中南部黃土高原丘陵區(qū)以黑壚土為主，其次為灰鈣土，北部鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)以風(fēng)沙土、灰鈣土為主。鹽池縣植被上屬亞歐草原，植被類(lèi)型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠化草原植被[4]。

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

2011年7—8月，在寧夏鹽池沙化草地區(qū)選擇存在一定沙化梯度的多個(gè)樣地，在樣地中沿著沙漠化梯度設(shè)立固定規(guī)格的樣帶(100 m×100 m)，然后按照植被生長(zhǎng)狀況和地面風(fēng)蝕沙化程度將樣帶劃分為輕度、中度、重度、極度沙化4種沙化草地類(lèi)型。在每個(gè)樣帶內(nèi)按一定間隔設(shè)置數(shù)個(gè)1 m×1 m樣方，在各樣方內(nèi)測(cè)定群落組成及各物種的高度、蓋度、頻度、密度、地上生物量。

在測(cè)定植被的每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn)，按“V”形分別在0—5，5—20，20—50，50—100 cm土層取樣，將同層的3個(gè)土樣混合均勻裝袋風(fēng)干后，用研缽磨細(xì)，分別過(guò)1.00和0.25 mm篩，儲(chǔ)存?zhèn)溆?。在?shí)驗(yàn)室對(duì)各樣品進(jìn)行化學(xué)分析，具體測(cè)定方法為[5]：土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤全氮量測(cè)定用凱氏定氮法；土壤水解氮測(cè)定用堿解擴(kuò)散法；土壤速效磷測(cè)定用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測(cè)定用NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法；土壤pH值(H2O 1∶5)測(cè)定用PHS—25酸度計(jì)；土壤鹽分測(cè)定用電導(dǎo)法；土壤容重測(cè)定用環(huán)刀法。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 重要值[6]重要值=(相對(duì)頻度+相對(duì)高度+相對(duì)蓋度+相對(duì)多度)/4

1.3.2 多樣性指數(shù)[7]

(1)豐富度指數(shù)(R)：R=S

式中：S——樣方內(nèi)的物種總數(shù)。下同。

(2)均勻度指數(shù)(E)：E=H/lnS

式中：H——多樣性指數(shù)。

式中：Pi=Ni/N，Ni——物種i的絕對(duì)重要值；N——物種i所在樣方的所有物種的重要值之和。

1.3.3 群落相似性系數(shù)Cj[8]：

Cj=j/(a+b-j)

式中：j——樣地A和B中共有種數(shù)；a，b——樣地 A，B中的物種數(shù)。

數(shù)據(jù)采用Excel和DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地沙化對(duì)植被特征的影響

2.1.1 草地沙化對(duì)植物物種組成的影響 在研究區(qū)調(diào)查樣地內(nèi)共出現(xiàn)41種植物(表1)，分屬13科。其中豆科9種，占總物種數(shù)的21.6%；菊科8種，禾本科7種，分別占19.5%和17.6%；藜科6種，占14.6%。以上4大類(lèi)共占試區(qū)植物物種總數(shù)的73.3%。隨著沙化程度的加重，多年生草本植物所占物種百分比數(shù)逐漸降低，由67.74%降低到46.15%，而一年生草本植物所占物種百分比數(shù)逐漸增加，由16.13%增加到42.31%。由此可見(jiàn)，草地沙化演替過(guò)程中，多年生草本植物逐漸被一年生植物替代。由表1可以看出，在沙化起始階段，輕度沙化草地群落組成中，優(yōu)勢(shì)種和主要伴生種仍為草原成分，如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等。隨著沙化程度加劇，一年生雜類(lèi)草開(kāi)始增加，如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫(huà)眉草等，同時(shí)出現(xiàn)了一些對(duì)草原沙漠化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等，且呈增加趨勢(shì)。到重度沙化階段，上述的草原成分明顯消退，代之而起的優(yōu)勢(shì)種是適合在覆沙地生長(zhǎng)的白草、賴(lài)草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類(lèi)草。

2.1.2 草地沙化對(duì)植物群落特征的影響 由表2可以看出，豐富度指數(shù)變化趨勢(shì)是自輕度沙化草地到中度沙化草地顯著增加(p<0.05)，自中度沙化草地至極度沙漠化草地，隨著沙化程度的增加又顯著降低(p<0.05)，說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)期是物種數(shù)變化最快的時(shí)期。均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)為輕度沙化草地到中度沙化草地增加，自中度沙化草地至極度沙化草地，隨沙化程度的增加先降低后又增加，這說(shuō)明中度沙化階段草地是植物群落特征變化的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。

表1 不同沙化程度草地的植物群落組成及其重要值

表2 不同沙化程度草地植物群落特征

2.1.3 草地沙化對(duì)植物群落間相似性系數(shù)的影響 群落β多樣性是反映群落物種沿某一環(huán)境梯度的替代程度，其實(shí)質(zhì)是反映生境的變化程度或指示生境被物種分隔的程度[9]。相似性系數(shù)是測(cè)度群落或生境物種多樣性的最簡(jiǎn)便方法。從表3分析得，輕度沙化草地與中度沙化草地之間的群落相似性系數(shù)最大，相似系數(shù)為0.823 5，中度沙化草地與重度沙化草地之間的相似性系數(shù)為0.729 7，重度沙化草地與極度沙化草地之間的相似性系數(shù)為0.638 8，可見(jiàn)，隨著草地沙化程度差異增加，植物群落之間的相似性指數(shù)逐漸減小，異質(zhì)性增大。

表3 不同沙化程度草地植物群落相似性系數(shù)

2.2 草地沙化對(duì)土壤特性的影響

2.2.1 草地沙化對(duì)土壤物理特性的影響 土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子，水分含量及其空間分布直接影響著植被恢復(fù)效果。從土壤水分含量的垂直分布看(圖1)，隨著土層深度的增加土壤水分含量逐漸增加，但不同沙化程度草地的各層土壤水分含量變化有差異。0—5 cm土層為中度沙化草地>輕度沙化草地>重度沙化草地>極度沙化草地，5—20，20—50，50—100 cm土層均為中度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>重度沙化草地。0—5 cm土層土壤水分含量較低，最高達(dá)2.18%，主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)氣候干燥而且表層土壤風(fēng)蝕積沙，水分蒸發(fā)快，土壤表面水分入滲速度快。各不同沙化草地類(lèi)型的各層土壤水分含量均表現(xiàn)顯著差異(p<0.05)。中度沙化草地的5—20與20—50 cm土層土壤水分含量較同層的其他沙化草地類(lèi)型差異顯著(p<0.05)。

土壤容重大小可以反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低。很多研究表明[10-12]，隨著草地沙化程度加劇，土壤容重總體呈逐漸增加趨勢(shì)，變化范圍在1.22～1.36 g/cm3。由圖1的土壤容重可以看出，0—5 cm土層容重顯著高于5—20 cm土層(p<0.05)。

圖1 不同沙化程度草地土壤物理特性的差異

2.2.2 草地沙化對(duì)土壤化學(xué)特性的影響 由表4可以看出，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著沙化程度的加劇呈逐漸下降的趨勢(shì)，輕度沙化與極度沙化草地相比，有機(jī)質(zhì)含量下降了41.78%。在0—5 cm土層，重度到極度沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異顯著高于輕度到重度沙化草地(p<0.05)，說(shuō)明重度沙化階段是有機(jī)質(zhì)含量變化的轉(zhuǎn)折期。在極度沙化階段，有機(jī)質(zhì)含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05)，這是由于牲畜的過(guò)度采食使草地植物的地上部分返還到土壤中的有機(jī)質(zhì)大量減少，在極度沙化下，植物極少生長(zhǎng)，枯枝落葉已不再是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，植物的根系及其分泌物成為土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源，所以在極度沙化下，有機(jī)質(zhì)含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05)。

隨著沙化程度加劇土壤全氮含量呈逐漸降低趨勢(shì)，且差異顯著(p<0.05)。土壤水解氮含量在垂直土層序列上的變化為隨著土層的加深，輕度和中度沙化草地的水解氮含量逐漸減小且存在顯著差異(p<0.05)，重度和極度沙化草地的水解氮含量逐漸增加且差異顯著(p<0.05)。不同沙化程度草地土壤速效鉀含量存在顯著差異(p<0.05)，變化范圍在105.92～139.85 mg/kg，0—20 cm土層速效鉀含量變化趨勢(shì)為重度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>中度沙化草地。隨著草地沙化程度加劇，同層間土壤速效磷含量無(wú)顯著差異(p>0.05)，0—5與5—20 cm土層含量變化較大，由5.22 mg/kg下降到2.29 mg/kg。0—5 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而逐漸上升，在極度沙化草地階段又下降到比輕度沙化階段低，5—20 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而呈逐漸增加的趨勢(shì)。

表4 不同沙化程度草地土壤化學(xué)特性的差異

pH值常用來(lái)表示土壤酸堿度，它是土壤最重要的化學(xué)性質(zhì)之一，它與有機(jī)質(zhì)的合成與分解、土壤微生物的活動(dòng)、各種營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放及有效性、土壤保持養(yǎng)分的能力都有關(guān)系。研究區(qū)土壤多屬于沙質(zhì)土，pH值在9以上，呈偏堿性。隨著草地沙化的加劇，同一土層的pH值變化無(wú)顯著差異(p>0.05)；隨著沙化草地土層的加深，土壤全鹽含量升高，5—20 cm土層含量顯著高于0—5 cm土層(p<0.05)。這主要是因?yàn)榻邓果}基離子從上層土壤淋溶，在下層土壤聚集，致使上層土壤含量值低于下層土壤。

3 結(jié) 論

(1)草原沙化主要是植被和土地退化的過(guò)程，草原植被群落不同的退化階段與土壤沙化不同的發(fā)展階段是相一致的，盡管其他一些指標(biāo)直接或間接地影響著沙化的進(jìn)程，但它們都可以歸結(jié)到植被的發(fā)展變化過(guò)程而得到具體的反映[13-14]。隨著草地沙化程度的加劇，植被組成發(fā)生變化，多年生草本植物呈逐漸減少，一年生草本植物呈逐漸增加的趨勢(shì)。在沙化起始階段，輕度沙化草地群落組成中，優(yōu)勢(shì)種和主要伴生種仍為草原成分，如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等，隨著沙化程度加劇，一年生雜類(lèi)草開(kāi)始增加，如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫(huà)眉草等，同時(shí)出現(xiàn)了一些對(duì)草原沙化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等，且呈增加趨勢(shì)。到重度沙化階段，以上的草原成分明顯消退，代之而起的優(yōu)勢(shì)種是適合在覆沙地生長(zhǎng)的白草、賴(lài)草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類(lèi)草。可見(jiàn)，隨著沙化程度的加劇，土壤地表粗化，原有的草原物種失去了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，逐步讓位于一些耐干旱、抗風(fēng)蝕的一年生和多年生草本，并最終被一些耐風(fēng)蝕沙埋的沙生植物取代。因此，隨著沙化的加重，這些草原物種由優(yōu)勢(shì)種逐漸變?yōu)閬唭?yōu)勢(shì)種直至極度沙化草地完全消失；同時(shí)，一些耐風(fēng)蝕沙埋的沙生植物種隨著沙化的加劇而逐漸增加，并最終成為極度沙化草地的優(yōu)勢(shì)物種。

(2)草原沙化過(guò)程其實(shí)質(zhì)是一個(gè)物種消亡的過(guò)程，也是一個(gè)物種多樣性衰減的過(guò)程[15]。物種多樣性表征著生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，體現(xiàn)了群落的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度和生境差異。本研究中在輕度到中度沙化草地階段，物種多樣性指數(shù)增加，自中度至極度沙化草地，呈先降低后又增加的趨勢(shì)，說(shuō)明中度沙化階段是草地植物群落特征變化的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期，這與前人研究一致[15-16]。隨著草地沙化程度差異增加，植物群落之間的相似性指數(shù)逐漸減小，且相似性系數(shù)變化范圍不大，說(shuō)明自輕度沙化草地至極度沙化草地過(guò)程，物種替代不明顯，相鄰草地群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出漸變特征。

(3)土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過(guò)程的參與者和載體，土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一[17]。土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷是土壤重要的組成部分和營(yíng)養(yǎng)元素，它們對(duì)土壤肥力的調(diào)節(jié)和土壤物理性狀的改善起著非常重要的作用[18]。隨著沙化程度的加劇，土壤水分含量從垂直分布看，表層土壤含水量最低，隨著土層深度的增加而增大；土壤容重隨著沙化程度的加劇，總體呈逐漸增加的趨勢(shì)，大小隨著土層深度的增加而降低；表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈降低趨勢(shì)；速效磷、速效鉀含量隨著土層深度的增加而降低，其整體變化具有波動(dòng)性，沒(méi)有明顯的規(guī)律可循，是由于外界干擾還是土壤本身特性的體現(xiàn)，有待進(jìn)一步探討?？傮w來(lái)看，研究區(qū)土壤緊實(shí)，水分含量低，養(yǎng)分貧瘠，pH值高。

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