內(nèi)陸沙區(qū)丘間地土壤緊實度特征及其與植被的關(guān)系

李銀科，袁宏波，劉虎俊，劉淑娟，張進虎

(甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

內(nèi)陸沙區(qū)丘間地土壤緊實度特征及其與植被的關(guān)系

李銀科，袁宏波，劉虎俊，劉淑娟，張進虎

(甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

土壤緊實度；植被；沙丘；丘間地

通過對流動沙丘區(qū)、固定沙丘區(qū)和退耕區(qū)的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地土壤緊實度和植物群落的調(diào)查測定，分析了土壤緊實度和植被之間的關(guān)系，結(jié)果表明：沙區(qū)土壤緊實度與植物種數(shù)、植物個體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本植物種數(shù)和草本植物個體數(shù)之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而土壤緊實度與Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、灌木種數(shù)和灌木個體數(shù)沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

近年來隨著沙漠化地區(qū)環(huán)境治理力度的加大，揭示沙漠化與植被關(guān)系的研究逐漸受到人們的重視，許多研究者從植物的種子萌發(fā)機理、土壤種子庫特征及結(jié)構(gòu)與動態(tài)、生理與生態(tài)學(xué)特征等方面開展了詳細的研究，這些研究主要針對植物生活史、繁殖對策、種子萌發(fā)行為、種群動態(tài)與環(huán)境因子的相互關(guān)系等[1]。在現(xiàn)有的研究中，不同的研究者對沙生植物在流動沙丘生境中的種子萌發(fā)、生長過程、種群結(jié)構(gòu)與動態(tài)等在時空尺度上的異質(zhì)性予以了極大的關(guān)注[2]，人們也越來越重視從土壤性質(zhì)差異分析入手對土壤退化導(dǎo)致的植被變化進行研究[3]。

植物正常生長發(fā)育需要適宜的土壤緊實度，土壤太松或太緊對植物生長都不利[4-5]。通常人們在研究土壤緊實度對植物的影響時往往只注意高緊實度對植物的不利影響，而忽視了低緊實度對植物帶來的危害，后者在土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松的干旱半干旱地區(qū)顯得尤為重要[5]。沙漠化地區(qū)土壤尤其是表層土壤緊實度對土地抗風(fēng)蝕能力有著重要的影響，對植物尤其是草本植物固定植株也有重要作用，因而也會影響到植被的分布。但是，在沙漠化地區(qū)，從土壤空間異質(zhì)性的角度出發(fā)探討土壤緊實度對植物群落影響的研究鮮有報道。丘間地具有良好的生境條件，是沙丘生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物成分間動態(tài)作用的主要場所。本研究調(diào)查測定了巴丹吉林沙漠東南緣民勤縣西沙窩丘間地不同分布區(qū)的土壤緊實度和植被狀況，分析了其相互關(guān)系，旨在為該區(qū)嚴重沙化土地的植被恢復(fù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠的東南緣民勤縣西沙窩，選擇流動沙丘區(qū)、固定沙丘區(qū)和退耕區(qū)3種土地退化類型進行調(diào)查測定。用TJSD-750型土壤緊實度儀分別在前沙丘迎風(fēng)坡、前沙丘背風(fēng)坡、丘間地、后沙丘迎風(fēng)坡和后沙丘背風(fēng)坡測定0(表層)、5、20和40 cm深度的土壤緊實度，同時在沙丘相應(yīng)部位調(diào)查植被狀況，樣方大小為10 m×10 m。

選擇的流動沙丘區(qū)丘間地為一閉合的丘間地，前沙丘為全流動的新月形沙丘，兩翼伸展與后沙丘兩翼相接。如圖1示意，前沙丘高約6 m，后沙丘高約5 m，丘間地沿主風(fēng)向長度為50 m，垂直主風(fēng)向長度約90 m。丘間地地表為極粗砂(粒徑1～2 mm)和粗砂(粒徑0.5～1 mm)覆蓋，并含少量礫石(粒徑>2 mm)。前沙丘為全流動性，無植被；丘間地大部分地段無植被，只在與后沙丘相接的邊緣有沙拐棗、蘆葦和少量一年生草本；后沙丘中上部為全流動性。

圖1 研究樣地示意

固定沙丘區(qū)丘間地為一閉合的丘間地，前沙丘高約3 m，后沙丘高約5 m，丘間地沿主風(fēng)向長度為55 m，兩側(cè)固定沙壟高3～5 m，垂直主風(fēng)向長度為30 m。丘間地從形成上來看，為風(fēng)蝕活動形成的一個風(fēng)槽，整個丘間地近似舟形。丘間地中心地表為裸露的湖積黏土層，兩端為主要由中砂(0.25～0.5 mm)、細砂(0.10～0.25 mm)構(gòu)成的砂土。前后沙丘及丘間地植被類型一致，以梭梭(人工種植)、沙拐棗、沙蒿3種灌木和多年生草本黃花磯松、蘆葦，及一年生豬毛菜、沙米等為主形成的植被群落，在丘間地呈均勻分布狀態(tài)。

退耕區(qū)丘間地是本區(qū)域綠洲邊緣比較典型的一種丘間地類型，由于耕種原因，所以丘間地邊界明顯，多數(shù)為閉合形態(tài)，丘間地地形無起伏變化，前后為半固定沙丘。本研究選擇的丘間地為一閉合形態(tài)，前沙丘高度為6 m左右，后沙丘高5 m，退耕丘間地沿主風(fēng)向長度為140 m，垂直主風(fēng)向長度約為300 m；丘間地內(nèi)部地形起伏變化小于0.5 m，地表為砂壤質(zhì)耕作土；前、后沙丘植被以白刺、檉柳為主，丘間地植被以數(shù)量龐大的五星蒿、堿蓬等形成的一年生草本為主，偶有蘆葦和檉柳分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型丘間地土壤緊實度特征

圖2顯示，流動沙丘區(qū)丘間地不同深度土壤緊實度均明顯大于沙丘其他部位，迎風(fēng)坡土壤緊實度大于背風(fēng)坡，前沙丘大于后沙丘。這與前沙丘和迎風(fēng)坡風(fēng)較大，土粒受到較大擠壓有關(guān)。

圖2 流動沙丘區(qū)土壤緊實度變化

圖3顯示，固定沙丘區(qū)0—5 cm深度土壤緊實度迎風(fēng)坡大于背風(fēng)坡，也大于丘間地；20—40 cm深度土壤緊實度背風(fēng)坡大于迎風(fēng)坡，且與丘間地相差很小；與背風(fēng)坡和丘間地相比，迎風(fēng)坡土壤緊實度隨土層深度變化的幅度較小。

圖3 固定沙丘區(qū)土壤緊實度變化

圖4顯示，退耕區(qū)表層土壤緊實度丘間地明顯大于其他部位，距地表5 cm深度土壤緊實度各部位變化很小，在20—40 cm深度丘間地土壤緊實度達5 000 kPa以上。此丘間地曾開墾為農(nóng)田，在耕作層下形成緊實的犁底層，所以20—40 cm深度土壤緊實度很大。

圖4 退耕丘間地土壤緊實度變化

3種類型丘間地的土壤緊實度均隨著土層深度增加而增大，但增加的幅度各不相同。退耕丘間地受人類活動影響緊實度最大，丘間地兩側(cè)沙丘表層土壤緊實度為固定沙丘最大。土壤緊實度的大小會影響到植物的著生及其根系的伸展，可能會影響植物的分布。

2.2 不同類型丘間地土壤緊實度與植被特征的關(guān)系

表1為流動沙丘區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，流動沙丘區(qū)表面土壤緊實度與植物種數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與植物個體數(shù)和一年生草本個體數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；40 cm深度土壤緊實度與物種豐富度指數(shù)、灌木種數(shù)和灌木個體數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這說明在流動沙丘區(qū)土壤表面緊實度越大，植物種數(shù)和個體數(shù)量就越多。一年生草本植物根系淺，需要較大緊實度的表層土壤來固定其植株；灌木根系深，其種數(shù)及個體數(shù)量與下層土壤緊實度關(guān)系更密切，也導(dǎo)致豐富度指數(shù)與40 cm深度土壤緊實度關(guān)系密切。

表1 流動沙丘區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

注：標(biāo)“*”的表示顯著相關(guān)(P<0.05)，標(biāo)“**”的表示極顯著相關(guān)(P<0.01)，負號表示負相關(guān)，下表同。

表2為固定沙丘區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，固定沙丘區(qū)表面土壤緊實度與植物個體數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與多年生草本植物個體數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；5 cm深度土壤緊實度與灌木種數(shù)呈顯著負相關(guān)關(guān)系。固定沙丘區(qū)土壤表面沙子已固定，不再流動，表面緊實度大的土壤更適合多年生草本植物數(shù)量的增加；一年生草本植物的分布已與土壤緊實度的大小沒有直接的關(guān)系；沙區(qū)灌木大多已適應(yīng)表層疏松、常伴有風(fēng)蝕和沙埋的土壤，其種數(shù)與表層土壤緊實度大小存在負相關(guān)關(guān)系。

表2 固定沙丘區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

表3為退耕區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，退耕區(qū)表層土壤緊實度與植物種數(shù)、植物個體數(shù)、豐富度指數(shù)、一年生草本植物種數(shù)和一年生草本個體數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；20 cm深度土壤緊實度與多年生草本個體數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；40 cm深度土壤緊實度與植物種數(shù)和豐富度指數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。退耕區(qū)丘間地寬闊，兩側(cè)沙區(qū)為半固定沙區(qū)，丘間地一年生草本植物種數(shù)和個體數(shù)量較大，與土壤表面緊實度關(guān)系密切，從而導(dǎo)致植物種數(shù)、植物個體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤表面緊實度關(guān)系密切；多年生草本個體數(shù)量與下層土壤的密切關(guān)系對植物種數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤下層緊實度的關(guān)系有重要影響。

表3 退耕區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

將3個樣地所有樣點的土壤緊實度和植被特征進行相關(guān)分析，結(jié)果(見表4)表明，植物種數(shù)及其個體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本種數(shù)及其個體數(shù)都與不同深度土壤緊實度有著顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和灌木的種數(shù)及其個體數(shù)與土壤緊實度沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。說明沙區(qū)植物不同生活型中多年生和一年生草本植物的種數(shù)和個體數(shù)量與土壤緊實度關(guān)系密切，灌木的種數(shù)和個體數(shù)量與土壤緊實度關(guān)系不大。植物種數(shù)、植物個體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤緊實度的關(guān)系密切，主要是因為草本占植物種數(shù)和個體數(shù)的比例大所致。草本植物和灌木相比，根系淺，抗風(fēng)蝕和沙埋能力差，需要相對緊實的土壤才能固定其植株，所以在土壤緊實度大的地方草本植物分布多；灌木則因抗風(fēng)蝕和抗沙埋能力強，故其分布與土壤緊實度的關(guān)系不大。

表4 沙區(qū)土壤緊實度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

3 小 結(jié)

流動沙丘區(qū)丘間地土壤緊實度明顯大于沙丘其他部位，迎風(fēng)坡土壤緊實度大于背風(fēng)坡，前沙丘土壤緊實度大于后沙丘。土壤表面緊實度越大，越有利于一年生草本植物固定植株，其個體數(shù)量也越多；灌木根系較深，其種數(shù)及個體數(shù)量與下層土壤緊實度關(guān)系更密切，也導(dǎo)致豐富度指數(shù)與下層土壤緊實度關(guān)系密切。

固定沙丘區(qū)0—5 cm深度土壤緊實度迎風(fēng)坡大于背風(fēng)坡，也大于丘間地；20—40 cm深度土壤緊實度背風(fēng)坡大于迎風(fēng)坡，且與丘間地相差很小；迎風(fēng)坡土壤緊實度隨土層深度變化的幅度很小。固定沙丘區(qū)土壤表面已不再流動，土壤表面緊實度越大，多年生草本植物個體數(shù)量越多，植物總個體數(shù)也越大。一年生草本植物的分布已與土壤緊實度的大小無直接的關(guān)系，灌木種數(shù)與表層土壤緊實度大小存在負相關(guān)關(guān)系。固定沙丘區(qū)土壤緊實度與物種豐富度指數(shù)無直接的關(guān)系。

退耕區(qū)表層土壤緊實度丘間地明顯大于其他部位，距地表5 cm深度處各部位變化很小。丘間地曾開墾為農(nóng)田，在耕作層下形成緊實度很大的犁底層。丘間地一年生草本植物種數(shù)較多，個體數(shù)量較大，與土壤表面較大的緊實度有直接的關(guān)系，從而導(dǎo)致植物種數(shù)、植物個體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤表面緊實度關(guān)系密切；多年生草本個體數(shù)量與下層土壤的密切關(guān)系對植物種數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤下層緊實度的關(guān)系有重要影響。

總的來說，沙區(qū)植物種數(shù)及其個體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本植物種數(shù)及其個體數(shù)都與不同深度土壤緊實度有密切的正相關(guān)關(guān)系，而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和灌木的種數(shù)及其個體數(shù)與土壤緊實度沒有直接關(guān)系。草本植物在土壤緊實度大的地方分布多，灌木的分布與土壤緊實度關(guān)系不大。

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[2] 常學(xué)禮,劉穎茹,楊持.裸沙斑塊生境島對沙米Agriophyllumsquarrosum種群影響的研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2000,31(2):228-232.

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[4] 鄒養(yǎng)軍,馬鋒旺,韓明玉,等.土壤緊實脅迫與植物抗脅迫響應(yīng)機理研究進展[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007,25(6):212-215,236.

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(責(zé)任編輯 徐素霞)

甘肅省自然科學(xué)基金項目(096RJZH015)；甘肅省省屬科研院所科技創(chuàng)新團隊項目(1207TTCA002)

S154.4；Q288

A

1000-0941(2015)02-0052-04

李銀科(1982—)，男，甘肅徽縣人，助理研究員，碩士，主要從事荒漠化防治方面的研究；通信作者袁宏波(1978—)，男，甘肅慶陽市人，助理研究員，碩士，主要從事荒漠化防治及荒漠植被生態(tài)研究。

2014-03-28