希拉穆仁草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下植被-土壤響應(yīng)特征

王 琴,蒙仲舉,汪 季,*,黨曉宏,張曉娜,王則宇,趙 青,張吉祥

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010018 3 臨策鐵路有限責(zé)任公司,呼和浩特 010018

希拉穆仁草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下植被-土壤響應(yīng)特征

王 琴1,蒙仲舉1,汪 季1,*,黨曉宏1,張曉娜1,王則宇1,趙 青2,張吉祥3

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010018 3 臨策鐵路有限責(zé)任公司,呼和浩特 010018

通過對內(nèi)蒙古陰山北麓圍封區(qū)域草原近自然狀態(tài)下植被群落特征及其土壤顆粒物理特性的研究,探討草地群落與土壤顆粒物理特性在自然風(fēng)蝕條件下的特征。結(jié)果表明：(1)草地全覆蓋時以羊草、賴草為優(yōu)勢種,當(dāng)草地蓋度下降為40%以下時以指示草地退化的冷蒿為優(yōu)勢種;且隨著植被蓋度的降低,草地植物群落生物量呈降低趨勢,Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢;(2)草地植被覆蓋度對地表土壤顆粒分形維數(shù)有顯著影響(P<0.05),隨著蓋度的降低,其地表土壤顆粒分形維數(shù)呈顯著降低趨勢,地表土壤顆粒粗化明顯;(3)在近自然狀態(tài)下,草地植被覆蓋較低時,地表0—1 cm土壤顆粒粗?；F(xiàn)象尤為顯著,粒度累計差異達到1 mm,垂直結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為由3—5 cm、1—3 cm土層至0—1 cm土層,土壤顆粒粗粒化程度加重,粗顆粒粒度累積差異分別出現(xiàn)在0.1、0.25、1 mm;(4)在近自然狀態(tài)下,隨著草地植被蓋度增加,表層土壤受植物遮蔽,得到有效保護,土壤顆粒逐漸細(xì)化,容重也緩慢下降。在近自然狀態(tài)下,草地及土壤環(huán)境發(fā)生有層次且多樣性的變化,草地植被的斑塊狀變化使得希拉穆仁圍封區(qū)草原在近原始狀態(tài)下出現(xiàn)自然風(fēng)蝕現(xiàn)象成為可能。

圍封草原; 近自然狀態(tài);分形維數(shù);粒度特征

內(nèi)蒙古陰山北麓低山丘陵草原區(qū)域不僅是內(nèi)蒙古重要的生態(tài)屏障,更是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民生產(chǎn)和生活資料的來源,支撐了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,其生態(tài)功能的正常發(fā)揮對區(qū)域乃至整個北方地區(qū)的發(fā)展有著不可替代的作用。一定時間的圍封能夠幫助退化草原恢復(fù)至一個近自然的狀態(tài)[1],從而有效降低土壤風(fēng)蝕率及風(fēng)蝕量[2]。黃蓉[3]等對圍封草地群落結(jié)構(gòu)及多樣性的研究發(fā)現(xiàn),在圍封的過程中,植被蓋度的變化尤為顯著且會對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。在常年圍封后,干旱及半干旱區(qū)草地的群落特征也會出現(xiàn)一定的波動,草地植被為了適應(yīng)環(huán)境不斷進行自我調(diào)節(jié)[4]、生物量、蓋度、高度發(fā)生顯著變化[5]。由于草地生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和放牧歷史、環(huán)境因子等的迭加作用,退化草地群落圍封后出現(xiàn)3種可能的演替模式,即單穩(wěn)態(tài)模式、多穩(wěn)態(tài)模式和滯后模式,使得圍封對草地出現(xiàn)兩面性,正面及負(fù)面[6]。這種負(fù)面作用,可能使草地由植被繁茂、分布均一的草地,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閹в猩倭恐脖幌∈?、低矮的斑塊草地[7],在長期風(fēng)力侵蝕的作用下,地表呈現(xiàn)粗粒化。

地上植被與地下土壤之間關(guān)系密切[8],土壤含水量、粘粉粒等與物種豐富度指數(shù)、植被蓋度等呈顯著正相關(guān)關(guān)系[9],且與地表的粗糙度緊密相連,是生態(tài)學(xué)上的重點研究領(lǐng)域[10]。當(dāng)?shù)乇砑?xì)顆粒物質(zhì)在缺乏植被的有效保護下,逐步分移出去,致使地表出現(xiàn)粗?；F(xiàn)象,土壤顆粒粒度分布發(fā)生變化[11]。目前,采用土壤顆粒分形特征對土壤粒度特征進行拓展研究應(yīng)用較廣,土壤顆粒分形維數(shù)不但能夠表征土壤粒徑的大小組成,對于土壤質(zhì)地、土壤肥力以及土壤通透性等也能夠很好的反映[12-13]。并且利用土壤粒徑的體積分布描述土壤顆粒的分形維數(shù)的研究已經(jīng)比較完善了,結(jié)果精準(zhǔn)簡單,表征性強。因此利用分形維數(shù),結(jié)合土壤顆粒機械組成能夠有效說明土壤粗?；F(xiàn)象[14]。因此,在草地圍封多年后,且達到近自然狀態(tài)時,通過對不同植被蓋度下土壤粒度特征的研究,對于揭示近自然狀態(tài)下草地表層風(fēng)蝕特征有重要意義。

本研究以內(nèi)蒙古希拉穆仁草原為研究對象,通過對圍封13a的草原地表覆蓋度、分形維數(shù)、土壤粒度參數(shù)的測定,分析了在草原恢復(fù)到近自然狀態(tài)之下后不同植被蓋度之下的土壤風(fēng)蝕粗粒化情況及特征。為該區(qū)域草原進行合理的開發(fā)、放牧以及制定可行的圍封禁牧策略提供一定的依據(jù),確保當(dāng)?shù)夭莸厣鷳B(tài)、經(jīng)濟平衡的可持續(xù)利用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)達茂旗希拉穆仁草原(111°00′—111°20′ E、41°12′—41°31′ N)。該區(qū)域?qū)僦袦貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候,年平均降雨量約281 mm,多集中于夏季,冬季寒冷干燥;年平均風(fēng)速為4.5 m/s,年大風(fēng)日數(shù)為65 d,風(fēng)沙天氣多發(fā)于春、冬兩季。希拉穆仁草原以風(fēng)蝕為主,伴有水蝕,為風(fēng)水復(fù)合侵蝕區(qū)。風(fēng)蝕和水蝕的交替作用造成地表水土流失和地表顆粒粗化,是當(dāng)?shù)赝寥劳嘶闹饕憩F(xiàn)形式。土壤質(zhì)地主要為砂質(zhì)壤土,土壤養(yǎng)分含量較低,該區(qū)域的主要建群種植物為克氏針茅(Stipakrylovii),草地群落以羊草(Leymuschinensis)+克氏針茅為主,冷蒿(Artemisiafrigida)、銀灰旋花(ConvolvulusammanniiDesr.)、賴草(Leymussecalinus)等分布的范圍也較廣,零星分布的有阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等,植被類型呈現(xiàn)為典型草原特征。受旅游業(yè)的破壞性擴張以及挖礦等人為強力擾動,該區(qū)域草地嚴(yán)重退化。2002年開始圍封,完全排除放牧等人為干擾,至2015年已圍封13a,圍封面積達到133hm2。

1.2 樣地選擇和樣品采集

為了研究希拉穆仁草原圍封區(qū)不同蓋度草地在自然風(fēng)蝕狀態(tài)下的特征,2015年8月16日—18日,選擇圍封13a的草地,對植物和土壤進行取樣。8月份是植被生長累積的高點,生物量達到最大,也是草地生態(tài)功能發(fā)揮最大的時候[15]。半干旱區(qū)的希拉穆仁草原在圍封過程中,經(jīng)過多年演替,植被為了適應(yīng)環(huán)境進行自我調(diào)節(jié),在空間分布上呈現(xiàn)出斑塊狀分布格局[16],在干旱區(qū)及半干旱區(qū)是一種比較常見的且相對穩(wěn)定的植被生存形式[17-18]。因此在圍封區(qū)域內(nèi),按照植被蓋度約為0%,5%,20%,40%,60%,80%,100%,選取地勢平坦、立地條件基本相似的30 m×30 m典型取樣區(qū),每種蓋度的取樣區(qū)布設(shè)3個重復(fù),每個取樣區(qū)內(nèi)布設(shè)5個草本樣方,樣方面積為1 m×1 m。采用計數(shù)法獲取每種的株數(shù),用直尺測量每種植物的高度。將樣方內(nèi)植物地上部分全部刈割,活體部分、立枯以及地上凋落物分裝于信封中,現(xiàn)場稱量鮮重,并帶回實驗室,在80℃條件下烘干至恒重,分別稱量其干重。

完成地上群落的調(diào)查后,在相應(yīng)位置挖取土壤剖面,首先將0—5 cm分為0—1;1—3;3—5 cm 3層取樣,用于分析土壤表層的粗?；潭?其次,按照0—5;5—10;10—20;20—30 cm分層,20—30 cm將用于證明樣地在圍封前無差異性。采用鋼制環(huán)刀進行取樣,帶回實驗室陰干備用。采用烘干法測量容重;采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀分析其土壤粒度組成。

1.3 研究方法

1.3.1 重要值及植被群落多樣性指數(shù)

重要值=(相對高度+相對蓋度+相對頻度+相對多度)/4

植被群落多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)進行分析,其公式如下[19]:

(1) Shannon-Wiener多樣性指數(shù):

SW=∑PiInPi(Pi=Ni/N)

式中,Ni為樣方中第i種植物的重要值;N為樣方植物重要值總和。

(2) Simpson優(yōu)勢度指數(shù):

(3)Pielou均勻度指數(shù)：

Jsw=H/InS

1.3.2 粒度參數(shù)

根據(jù)美國土壤質(zhì)地分類系統(tǒng),將土壤粒徑分為以下7個級別：0—0.002mm,0.002—0.05mm,0.05—0.1mm,0.1—0.25mm,0.25—0.5mm,0.5—1mm,1—2mm,2—2.85mm。

(1)土壤顆粒體積分形維數(shù)

大量的研究表明,土壤顆粒也同樣具有分形特征,Dv可以作為一個反映土壤的粒級組成和質(zhì)地信息的函數(shù)[20],運用分形理論建立土壤顆粒的分形模型,其分形維數(shù)的表達式為[21]：

lg(V(r

式中,Ri為兩篩分粒級Ri與Ri+1間粒徑的平均值,Rmax為最大粒級土粒的平均直徑,V(r

在計算不同蓋度下各層土壤顆粒的體積分形維數(shù)時,獲得兩邊的對數(shù)值,利用origin8.0對其進行線性擬合,得到擬合直線的斜率3-Dv,從而求得土壤顆粒的分形維數(shù)。

(2)土壤粒度參數(shù)計算公式[22]

1)粒徑采用Ф標(biāo)尺表示,Ф=-log2d,式中d為以mm計算的顆粒直徑。

2)中值粒徑(d50),是指對應(yīng)于體積百分?jǐn)?shù)為50的粒徑。

3)平均粒徑(d0)=1/3(Ф16+Ф50+Ф84),反應(yīng)沙物質(zhì)粒度的平均情況。

4)峰態(tài)(Kg)=(Ф95-Ф5)/2.44(Ф75-Ф25)

式中,p為某一樣地土壤粒度累積頻率;p為7個樣地土壤粒度累積頻率平均值;k-1為自由度,k=7。

1.4 數(shù)據(jù)與分析

利用excel進行數(shù)據(jù)的初步整理,采用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析對各個樣地上植物的各項指標(biāo)進行差異性檢驗。植被特征和生物量、土壤顆粒分形維數(shù)、容重采用one-way ANOVA方法進行單因素方差分析,并對其進行LSD方法多重比較、Pearson相關(guān)系數(shù)相關(guān)分析,最后利用origin 8.0進行數(shù)據(jù)作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上植被變化特征

2.1.1 植被覆蓋狀況

從表1中可以看出,在經(jīng)過13a的圍封之后,該區(qū)域草地已經(jīng)恢復(fù)至一個近原生群落類型[23],隨著植被蓋度的變化,樣方中植被優(yōu)勢種從羊草、賴草變化到以克氏針茅再到克氏針茅、冷蒿為優(yōu)勢種的草地類型,呈現(xiàn)出典型草原在自然狀態(tài)之下的一種演替形態(tài)。

不同蓋度之下,草地地上群落生物量及枯落物變化顯著(P<0.05)。隨著蓋度的降低,生物量、枯落物呈顯著降低趨勢。但5%與20%蓋度下,生物量、枯落物無顯著差異。以40%為界限值,出現(xiàn)生物量、枯落物的急劇降低。經(jīng)調(diào)查,植被蓋度在100%時,出現(xiàn)的植物種為13種,主要有羊草、賴草等。隨著植被蓋度的降低,羊草、賴草等優(yōu)勢建群種不再出現(xiàn),具有指示草地退化的銀灰旋花、冷蒿等開始出現(xiàn),冷蒿在樣方中所占比重逐漸增大,銀灰旋花在蓋度為40%中的重要值達到最大,狼毒(EuphorbiafischerianaSteud.)等適口性差的植物的重要值在蓋度較低的樣方中比重也逐漸增大。

表1 圍封條件下草地植被狀況

同行不同字母表示不同植被蓋度下在0.05水平存在顯著性差異

2.1.2 植被多樣性的變化特征

在多年圍封狀態(tài)下,草地植被蓋度對研究區(qū)草原植物群落多樣性、均勻度及優(yōu)勢度有影響較大。Shannon-Wiener指數(shù)綜合了均勻度和豐富度,是表述物種多樣性最好的指數(shù)。由表2可知,隨著草地蓋度的降低,植被的多樣性、優(yōu)勢度指數(shù)及均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)出現(xiàn)增加后降低的趨勢。說明當(dāng)草地蓋度在60%—40%時,物種的多樣性最高,群落組成最為復(fù)雜,且穩(wěn)定性最高。而植被覆蓋度達到全覆蓋時,其Shannon-Wiener指數(shù)反而較其他蓋度低,說明近原始狀態(tài)下植被覆蓋度過高會造成群落組成單一、穩(wěn)定性降低。以40%、20%的蓋度為界限值,物種多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)以及均勻度指數(shù)出現(xiàn)中間高、兩邊低的趨勢。在40%蓋度及20%蓋度時,優(yōu)勢度指數(shù)相對更高,表明該蓋度條件下優(yōu)勢種明顯,而該蓋度范圍以冷蒿具有明顯的優(yōu)勢。由此可知,由蓋度100%至5%,去除0%條件下,當(dāng)蓋度為100%時,3個多樣性指數(shù)均為最低值,說明該區(qū)域植被覆蓋并不是越大越好,植被蓋度過高反而會減低群落的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由40%、20%蓋度可知,在這兩者蓋度之下,物種分布均勻,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,且多樣性為指數(shù)為最高的植被覆蓋度。

表2 不同植被蓋度下植被多樣性指數(shù)

2.2 不同蓋度土壤顆粒的分形維數(shù)表現(xiàn)特征

從表3的數(shù)據(jù)上看,不同蓋度下底層土壤分形維數(shù)差異不顯著(P<0.05)。因為隨著蓋度的增加,底層土壤顆粒的分形維數(shù)減幅并不明顯,在利用origin 8.0對不同蓋度之下的20—30層土壤顆粒的分形維數(shù)進行單因素方差分析,結(jié)果顯示底層土壤分形維數(shù)無顯著差異。即在不同蓋度之下,各樣地在退化圍封前具有相近的生境條件,擁有相似的母質(zhì)層。

植被覆蓋度對表層土壤的分形維數(shù)有顯著影響,隨著蓋度的降低,表層土壤顆粒出現(xiàn)粗?；F(xiàn)象(P<0.05)。利用origin8.0對不同蓋度之下的0—1、1—3、3—5 cm土壤顆粒的分形維數(shù)進行單因素方差分析,結(jié)果呈顯著相關(guān),差異顯著,且這3層之間亦有顯著的差異。由于分形維數(shù)與土壤粘粒和粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此在蓋度增加后,分形維數(shù)呈逐漸增大的趨勢。說明,研究區(qū)植被蓋度下分形維數(shù)緩增,土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)含量也在不斷增加,土壤經(jīng)歷著一個逐漸細(xì)化的過程。表層無植被或是少植被時,分形維數(shù)相對較低,說明這些蓋度的表層出現(xiàn)了粗?；默F(xiàn)象。從垂直土層維度來看,100%蓋度下,0—1、1—3、3—5cm與20—30cm土層的分形維數(shù)無差異,80%及60%蓋度下3—5cm土層的分形維數(shù)與底層有顯著差異,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐漸下降趨勢(P<0.05);40%、20%及5%蓋度下的呈現(xiàn)出波動性變化; 當(dāng)無植被時,0—1、1—3、3—5 cm之間無差異,與20—30 cm有差異性,且由0—1 cm至3—5 cm逐漸降低。

表3 不同植被蓋度下土壤分形維數(shù)

小寫字母表示不同植被蓋度下在0.05水平上差異性,大寫字母代表不同土層之間在0.05水平上差異性;在分析過程中發(fā)現(xiàn),5—10cm及10—20cm土層分形維數(shù)差異不顯著,固在此表中并未列出及分析

2.3 表層土壤粒度參數(shù)特征

蓋度與風(fēng)蝕之間有一定的關(guān)聯(lián),蓋度的增加能夠減弱土壤顆粒的粗?；乃缴w度分布不同、垂直土層深度兩個維度進行評判土壤表層風(fēng)蝕粗化的程度。隨著植被覆蓋面積的降低,土壤的平均粒徑0—1、1—3、3—5 cm呈現(xiàn)出不斷粗化的趨勢,裸沙地的平均粒徑最粗,植被覆蓋度大于60%及以上的較細(xì)。0—1 cm層顆粒粗化速率在蓋度為20%至5%、0%的速率最大,平均為28.5%,1—3、3—5 cm粗化在蓋度5%時有所降低。平均粒徑在垂直分布上,顆粒大致上呈現(xiàn)出由0—1 cm表層往下逐漸細(xì)化,但整體不明顯。

由圖1曲線圖可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現(xiàn)在1 mm處左右,說明表層整體差異在1 mm時較大。由圖1的柱狀圖可知,樣地中土壤小于1 mm粒度組分隨著蓋度的降低,呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,表層>1 mm的粗顆粒逐漸增多,增加擬合曲線為Y=0.86x2-1.5x+13.27(R2=0.82)。

表4 不同植被蓋度下土壤粒度參數(shù)

圖1 0—1cm土壤粒度特征Fig.1 Soil particle size characteristics in 0—1cm soil layer

由圖2曲線圖可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現(xiàn)在0.25 mm處。由其柱狀圖可知,樣地中以蓋度為橫坐標(biāo),土壤小于0.25的細(xì)顆粒呈遞減趨勢,大于0.25 mm的粗顆粒逐漸緩增。由>0.25 mm的擬合曲線可知,R2=0.87擬合效果較好,粗顆粒增加的斜率為3.4,增加率較高。1—3 cm土層的粗顆粒表現(xiàn)為由0—1 cm土層的1 mm累積間距最大值降低到0.25 mm。

圖2 1—3cm土壤粒度特征Fig.2 Soil particle size characteristics in 1—3cm soil layer

由圖3可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現(xiàn)在0.1 mm處左右。由圖3的柱狀圖可知,樣地中土壤大于0.1 mm粒度組分隨著蓋度的降低,呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。比較與0—1、1—3 cm土層,土壤顆粒累積差異在0.1 mm處出現(xiàn)明顯的差異,土層越深,整體粗粒的粒徑更細(xì)。

圖3 3—5cm層土壤粒度特征Fig.3 Soil particle size characteristics in 3—5cm soil layer

將表層0—5 cm的土層細(xì)分為0—1、1—3、3—5 cm后,由以上數(shù)據(jù)可知,不同植被蓋度下整體粒度累積頻率差異分別出現(xiàn)在1 mm處、0.25 mm處及0.1 mm,以石礫、粗砂粒、極細(xì)沙粒為代表,說明土壤表層的粗?；潭雀用黠@。以0—1cm土層為例,在蓋度遮蔽的作用下,細(xì)顆粒物質(zhì)逐漸增加;在蓋度>40%時,粗顆粒的增加幅度為5.63%。當(dāng)植被蓋度<40%后,粗顆粒的增加幅度達到11.78%。因此,植被蓋度對顆粒的保護作用非常大。

2.4 土壤容重與植被覆蓋度之間的關(guān)系

土壤容重在一定程度上,能夠表征影響土壤結(jié)構(gòu)狀況。對植被蓋度與表層土壤容重進行相關(guān)性分析(圖4)。土壤容重與植被蓋度之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.964,P<0.001)。從圖中可看出,隨著草地蓋度的不斷增加,土壤容重逐漸降低,即草地在圍封多年后,土壤的肥力、結(jié)構(gòu)等逐漸的恢復(fù)趨近一個原生的狀態(tài),同時草地的抗蝕能力顯著增加。

圖4 蓋度與0—5cm土壤容重的關(guān)系 Fig.4 Relationship between vegetation coverage and 0—5cm soil bulk density

3 討論

謝賢健[24]等研究了蔣家溝泥石流頻發(fā)區(qū),在草地覆蓋度不同時,由于粒徑分布的差異性,其草地分形維數(shù)表現(xiàn)為：低蓋度草地>高蓋度草地>中蓋度草地。在本研究中發(fā)現(xiàn),隨著草地蓋度的降低,土壤表層分形維數(shù)隨之下降,兩者呈正相關(guān)關(guān)系,底層土壤20—30 cm分形維數(shù)無顯著差異。主要原因是兩地土壤類型有所差異,研究區(qū)草地土壤類型為砂質(zhì)壤土。大量的研究表明,土壤顆粒分形維數(shù)能夠很好的反應(yīng)土壤質(zhì)地,其中分形維數(shù)與中粗沙含量、細(xì)沙含量呈顯著負(fù)相關(guān),與粉粒及粘粒含量呈顯著正相關(guān),且能夠重點反應(yīng)粘粒的含量[25-27]。相同植被蓋度對于分形維數(shù)的影響,從垂直土層維度來看,100%蓋度下,0—1、1—3、3—5 cm與20—30 cm土層的分形維數(shù)無差異,80%及60%蓋度下3—5cm土層的分形維數(shù)與底層有顯著差異,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐漸下降趨勢(P<0.05),說明在長時間圍封后,高覆蓋植被蓋度對于土壤的恢復(fù)已經(jīng)達到了完善的效果,且已經(jīng)完全恢復(fù),與閆玉春等人對草地圍封時間的探究一致[6]。而40% 20%及5%蓋度下的變化差異一致,呈現(xiàn)波動性變化;當(dāng)無植被遮蔽時,0—1、1—3、3—5 cm之間無差異,與20—30 cm有差異性,并呈由土表至下層逐漸增加的趨勢。在圍封10年以上后,植被在演替過程中,土壤結(jié)構(gòu)已經(jīng)恢復(fù),但是由于蓋度的斑塊狀變化使得蓋度較少的地表出現(xiàn)了風(fēng)蝕的現(xiàn)象[17,28]。即相同蓋度下垂直土層結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)上說明,無論蓋度面積為多大,圍封對于草地土壤結(jié)構(gòu)的恢復(fù)都起到了良好的作用。不同植被蓋度與土壤顆粒分形維數(shù)之間的關(guān)系可以從正、負(fù)兩個方向來分析,首先隨著蓋度的降低,分形維數(shù)逐漸降低,土壤質(zhì)地逐漸變粗,在自然風(fēng)的作用下,土壤表層粗顆粒物質(zhì)增多,地表出現(xiàn)自然風(fēng)蝕現(xiàn)象,當(dāng)植被蓋度為自然裸地時,地表粗?；^有植被蓋度時粗?；鼑?yán)重,為負(fù)方向。其次,隨著植被蓋度下分形維數(shù)的緩增,土壤中細(xì)顆粒物質(zhì)含量也在不斷增加、粗顆粒在減少,說明土壤經(jīng)歷著一個逐漸細(xì)化的過程,為正方向[29]。即草原在禁牧圍封的條件下,隨著植被蓋度的變化演替,地表粗?；默F(xiàn)象明顯。

通常,在土壤粗?；芯糠矫?取表層0—10 cm土層進行研究[11],本研究中取土方式更加精細(xì),選擇將表層0—5 cm的土層細(xì)分為0—1、1—3、3—5 cm進行取樣分析。本研究中,發(fā)現(xiàn)在5%蓋度下其1—3、3—5 cm平均粒徑較20%蓋度下低,可能和5%蓋度下結(jié)皮較厚有關(guān),因為結(jié)皮以下的土壤會有細(xì)化趨勢[30],但具體原因有待于進一步深究。在研究過程中發(fā)現(xiàn),3層土壤顆粒分形維數(shù)出現(xiàn)顯著差異且與植被蓋度呈顯著正相關(guān)關(guān)系,其粒度累積差異分別出現(xiàn)在1 mm處、0.25 mm處及0.1 mm,以石礫、粗砂粒、極細(xì)沙粒為代表,從土壤垂直分層上說明土壤表層的粗?；?—5、1—3 cm至0—1 cm處,逐漸變得明顯,且0—1 cm處粗?；顕?yán)重。從水平結(jié)構(gòu)上來看,隨著蓋度的降低,以0—1 cm為例,土壤顆粒粒度分配1 mm顆粒與蓋度擬合曲線Y=0.86x2-1.54x+13.3(R2=0.82),表層土壤粗顆粒逐漸增加,在蓋度>40%時,粗顆粒的增加幅度為5.63%。當(dāng)植被蓋度<40%后,粗顆粒的增加幅度達到11.78%。由此可見,圍封后,植被蓋度及不同土壤層次對顆粒的保護作用非常大,具有植被蓋度的遮蔽保護時,表層土壤中的細(xì)粒物質(zhì)得以保存和恢復(fù),使得土壤結(jié)構(gòu)逐步細(xì)化[23]。

草地圍封后,恢復(fù)趨勢整體好轉(zhuǎn),植被蓋度高于80%樣地,優(yōu)勢種為羊草、克氏針茅等禾本科植物,群落較為穩(wěn)定,但多樣性指數(shù)低,與邵慶新等人對圍封10a的典型草原的研究結(jié)果一致,且土壤質(zhì)地較好,地表和底層土壤分形維數(shù)并無顯著差異。但是,由于草地演替過程中,冷蒿、銀灰旋花等退化指示種植物易聚集生長,使圍封草地蓋度呈現(xiàn)斑塊化的狀態(tài)[7],從而導(dǎo)致植被稀疏。此時,在自然風(fēng)蝕的過程中,地表植被較少或無的區(qū)域,其表層的細(xì)顆粒物質(zhì)易被分選出去,致使地表顆粒粗?；?引起土體風(fēng)散、結(jié)構(gòu)破壞等,從而導(dǎo)致容重也有所增加[25]。

4 結(jié)論

希拉穆仁草原在圍封15a后,達到一個近自然的狀態(tài),植被恢復(fù)良好,植被類型呈現(xiàn)為典型草原特征,以克氏針茅為優(yōu)勢種。圍封后的草地地上植物群落發(fā)生明顯的變化,隨著植被蓋度的遞減生物量呈逐漸降低趨勢,Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢現(xiàn)象。在近自然狀態(tài)下,該區(qū)域草地也會出現(xiàn)自然風(fēng)蝕現(xiàn)象。圍封多年的草地,地表因植被差異明顯粗化,在垂直結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為由3—5、1—3 cm土層至0—1 cm土層,土壤顆粒粗粒化程度加重,粗顆粒粒度累積差異分別出現(xiàn)在0.1、 0.25、1 mm,地表呈現(xiàn)出自然風(fēng)蝕面貌。

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Response of the vegetation soil under almost-natural restoration in the Xilamuren grassland

WANG Qin1, MENG Zhongju1,WANG Ji1,*, DANG Xiaohong1,ZHANG Xiaona1,WANG Zeyu1, ZHAO Qing2, ZHANG Jixiang3

1CollegeofDesertscienceandEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China2CollegeofGrassland,ResourcesandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China3Linhe-cekeRailwayCo.,Ltd,Hohhot010018,China

We studied the soil physical properties and characteristics of plant communities under almost-natural states in enclosed grasslands at the northern foot of the Yinshan Mountain in Inner Mongolia. The objective was to explore the characteristics of grassland communities and soil particles under natural erosion conditions. The results showed that (1) the dominant species in full coverage grassland wereLeymuschinensisandLeymussecalinus. The indicator species of grassland degradation,Artemisiafrigid, was the dominant species when the vegetation coverage was <40%. The biomass of the grassland community decreased with the vegetation coverage, and the Shannon-Wiener and Simpson indexes firstly increased and then decreased; (2) the fractal dimension was significantly influenced by the grassland coverage at the surface soil; it decreased significantly with decreasing coverage(P<0.05), and the sand content obviously increased in the surface soil; (3) when the coverage was lower, coarse-grained soil particles were dominant in the 0—1 cm layer, and the accumulative particle difference was up to 1 mm. This showed that the degree of coarse-grained particles increased from the 3—5 cm layer and 1—3 cm layer to the 0—1 cm layer in the vertical soil structure. The cumulative differences of coarse particles were 0.1, 0.25, and 1 mm in the 3—5, 1—3 cm, and 0—1 cm layers, respectively; and (4) with increased coverage, surface soil was covered and effectively protected, and soil particles gradually become finer and the bulk density slowly reduced. Under the almost-natural state, the grassland and soil environment changed hierarchically and diversely, and the patchy changes of grassland vegetation resulted in natural erosion in the enclosed meadow in the Xilamuren grassland.

enclosed grassland; almost-natural state; fractal dimension; soil-particle size

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項目(2014XYQ- 8);中國科學(xué)院西部之光“內(nèi)蒙古中西部荒漠草原地表粗?；^程研究”

2016- 06- 15;

2016- 09- 12

10.5846/stxb201606151154

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangji1957@163.com

王琴,蒙仲舉,汪季,黨曉宏,張曉娜,王則宇,趙青,張吉祥.希拉穆仁草原近自然恢復(fù)狀態(tài)下植被-土壤響應(yīng)特征.生態(tài)學(xué)報,2017,37(4):1159- 1167.

Wang Q, Meng Z J,Wang J, Dang X H, Zhang X N,Wang Z Y, Zhao Q, Zhang J X.Response of the vegetation soil under almost-natural restoration in the Xilamuren grassland.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1159- 1167.