毛烏素沙地油蒿植冠下表層土壤粒徑特征分析

張軍紅 ，徐義萍，王文鑫 ，何 季 ，彭煒峰

（1.重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶 402160；2.西南大學 資源環(huán)境學院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715；3.貴州大學 農學院，貴州 貴陽 550025）

地處農牧業(yè)交錯帶的毛烏素沙地是我國北方重要的生態(tài)屏障，油蒿群落是毛烏素沙地最主要的群落類型。油蒿以其耐干旱、耐沙埋、抗風蝕、易繁殖的特征，在維持毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中起著重要作用[1]。在毛烏素沙地，油蒿群落的演替經歷著一個不斷循環(huán)的過程：流動沙地先鋒物種階段—半固定沙地稀疏階段—固定沙地建成階段—退化的流動沙地[2]。油蒿群落防風固沙的能力與其演替階段密切相關，已有的研究表明：隨著油蒿群落由先鋒物種階段向半固定階段、固定階段的演替，群落中生物結皮（Biological soil crusts, BSCs）開始逐漸發(fā)育并日益成為沙地固定的重要標志之一，生物結皮的發(fā)育能有效阻止地表風蝕[3-4]。生物結皮是由苔蘚、地衣、藻類、細菌、真菌等低等生物與土壤顆粒相互作用，在土壤表層形成的一層復雜的有機復合體[5]。受油蒿植株形態(tài)結構與當地盛行風向（西北方向）等因素影響，油蒿植株冠幅下生物結皮的發(fā)育在不同方向、距植株根部不同距離處存在差異[6]，油蒿群落的不同演替階段及油蒿植冠下生物結皮發(fā)育程度不同，表層土壤理化性質也存在較大的差異[7-8]。通常情況下土壤養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而降低，土壤養(yǎng)分的“表聚”現象在養(yǎng)分貧瘠地區(qū)更為顯著，與上層植被的關系也更為密切[9]。

土壤顆粒作為土壤結構的基本單元，與土壤養(yǎng)分間存在密切關系[10]，在一定程度上決定了土壤的結構和性質，并間接影響著土壤的水分特征、肥力狀況及抗侵蝕能力等[11]。土壤微團聚體分形維數是反映土壤微團粒結構幾何形狀的參數，通常表現為粘粒含量越高，其分形維數越高，小粒級微團聚體有助于土壤養(yǎng)分離子的吸附和保存，大粒級微團聚體則有助于土壤養(yǎng)分的解析供應[12]。土壤微團聚體狀況與土壤的抗侵蝕能力密切相關，目前關于毛烏素沙地土壤理化性質的研究較多，但是對油蒿群落生物結皮層發(fā)育的表層土壤粒徑特征的研究較少[13]，本研究擬通過分析毛烏素沙地油蒿植冠下生物結皮層發(fā)育的表層土壤粒徑特征，探討油蒿植冠下的微環(huán)境特征，毛烏素沙地油蒿群落的恢復重建及沙地的科學管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于我國北方農牧業(yè)交錯帶，行政區(qū)劃上處于內蒙古自治區(qū)、陜西省和寧夏回族自治區(qū)交界地帶，總面積約4萬km2，屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，西北部以農牧業(yè)為主，東南部部分草地被開墾為農田，畜牧業(yè)與農業(yè)并存。研究區(qū)位于毛烏素沙地腹地的鄂爾多斯市烏審旗陶利鎮(zhèn)，海拔約1 200 m，年均降水量300～350 mm，其中7—9月降水量占全年降水量的60%～70%，降水量年際變化大，多雨年的降水量為少雨年的2～4倍；年均蒸發(fā)量1 800～2 500 mm。土壤為風沙土，地表物質疏松，沙源物質豐富，加之當地風大且頻，風沙活動強烈。植被以稀疏、低矮的沙生植物為主，油蒿是沙地最主要的建群植物，油蒿群落生物結皮分布廣泛，固定沙地生物結皮蓋度大于80%[14]。

2 研究方法

2015年8月，在研究區(qū)油蒿群落固定沙地隨機選取12株壯齡油蒿植株，所選植株相對獨立（與臨近植株間距≥1.5 m，以避免其他植株對采樣產生影響），以油蒿植株根部位置為中心點，測量每株油蒿的高度及與當地盛行風向（西北方向）平行和垂直的4個方向（東南、東北、西南、西北）上的冠幅半徑，測量油蒿冠幅下東南、東北、西南、西北4個方向上的生物結皮分布半徑；以油蒿植株根部為中心，在上述4個方向上，分別取油蒿植冠下面距油蒿植株根部10 cm、20 cm、40 cm、60 cm處生物結皮發(fā)育的表層土壤樣品（0～5 cm），每個采樣點重復3次取樣，混合均勻后帶回實驗室，經自然風干處理后取部分原狀土過80目篩，除去土樣中的植物殘體及雜物，經研磨處理后，用重絡酸鉀容量法測定土壤有機質含量，用半微量開氏法測定土壤全氮；另取部分原狀土用激光粒度儀（Mastersize 2000；Malvern Instruments Ltd.）分析土壤顆粒組成。根據土壤粒徑的大小，將土壤微團聚體分為5個級別，分別是：0.2～2 mm、0.05～ 0.2 mm、0.02～ 0.05 mm、0.002～0.02 mm、＜ 0.002 mm，計算土壤分形維數，土壤分形維數的計算方法采用楊培玲等[15]推導的公式：

式中：di是第i個粒級土粒的平均直徑； dmax是最大粒級土粒的平均直徑；D 是土壤顆粒表面的分形維數；δ是表示測量土粒直徑大小的碼尺；W(δ＜di) 是土粒直徑小于di累積的質量；W0是全部各粒級土粒的重量。將式（1）取對數，線性化后代入顆粒組成分析數據，即可求得土壤顆粒的分形維數。用Excel 2010，SPSS 19.0 軟件對相關數據進行處理、分析及制圖。

3 結果與分析

3.1 油蒿植冠及植冠下生物結皮分布基本特征

調查的12株油蒿平均高度71.6 cm，平均植冠半徑東南方向最長，為69.1 cm，西北方向最短，為59.2 cm，東北和西南方向植冠半徑略小于東南方向，均顯著大于西北方向。油蒿植冠下生物結皮分布半徑以東南方向最長，均值為88.6 cm，西北方向最短，為64.3 cm，東北和西南方向均值分布為77.5 cm 和 78.9 cm，均顯著大于西北方向。

3.2 油蒿植冠下表層土壤理化性質基本特征

油蒿植冠下表層土壤機械組成以砂粒為主（表1），占總數的81.51%，其次是粉粒，占16.66%，粘粒含量最少，占1.83%；有機質平均含量4.52 g/kg，總氮平均含量0.19 g/kg。距植株根部10 cm處，東南方向砂粒含量最低，為81.75%，顯著低于西北方向，粉粒和粘粒含量均最高，分別為13.28%和1.60%；西北方向砂粒含量顯著高于其他3個方向；粉粒顯著低于其他3個方向，粘粒含量西北方西最低，與其他方向上差異不顯著；東北、西南兩個方向上3種顆粒含量均介于東南、西北兩個方向之間；有機質和總氮含量也以東南方向最高，不同方向間差異均不顯著。距植株根部20 cm處，砂粒含量西北方向最高，東南方向最低，不同方向間差異不顯著；粉粒含量東南方向最高，為17.80%，西北方向最低，為14.08%，不同方向間無顯著差異，粘粒含量西北方向顯著低于其他3個方向；有機質和總氮含量東南方向最高，分別為5.66 g/kg和0.22 g/kg，不同方向間差異不顯著。距植株根部40 cm處，砂粒含量西北方向最高，為82.73%，顯著高于東北、東南方向，東南方向最低，為76.34%；粉粒、粘粒含量均表現為東南方向最高，西北方向最低，差異顯著；有機質和總氮含量東南方向最高，分別為2.49 g/kg、0.22 g/kg，有機質東南方向顯著高于西北方向。距植株根部60 cm處，砂粒含量西北方向最高，為89.91%，顯著高于其他3個方向，東南方向最低，為77.27%；粉粒和粘粒含量均是西北方向顯著低于其他3個方向，有機質和總氮含量東南方向最高，分別為4.59 g/kg、0.21 g/kg，西北方向最低，分別為3.75 g/kg、0.17 g/kg，不同方向間差異不顯著。

表1 油蒿植冠下表層土壤的基本理化性質?Table 1 Surface soil physical and chemical properties under the canopy of Artemisia ordosica

4個方向上砂粒含量均呈現隨距植株根部距離增加逐漸下降的趨勢，以東南和東北方向最為顯著，下降的回歸方程分別為：y=-1.751x+83.32(R2=0.78)、y=-1.410x+84.015(R2=0.97)。4個 方 向上粉粒含量均呈現隨距植株根部距離的增加而增加的趨勢，以東南、東北方向上最為顯著，回歸方程分別為：y=1.634x + 14.98 (R2=0.79)、y=1.272x+14.475 (R2=0.97)。4個方向上粘粒含量呈現隨距植株根部距離的增加而增加的趨勢，以東北、東南兩個方向上最為顯著，回歸方程分別為：y=0.141x+1.505(R2=0.96)、y=0.118x+1.70(R2=0.61)。4個方向上有機質和總氮含量均呈現出隨距植株根部距離的增加而降低的現象，有機質以西南、東南兩個方向上最為顯著，回歸方程分別為：y=-0.222x+4.940(R2=0.74)、y=-0.306x+6.125(R2=0.59)，總氮以東南方向下降最為顯著，回歸方程分別為：y=-0.009x+0.245(R2=0.85)。

3.3 油蒿植冠下表層土壤顆粒分形特征及其影響因素

油蒿植冠下不同方向距植株根部不同距離處表層土壤微團聚體組成及分形維數見表2。

表2 油蒿植冠下表層土壤微團聚體組成及分形維數?Table 2 Composition and fractal dimension of surface soil micro–aggregates under the canopy of Artemisia ordosica

距油蒿植株根部10 cm處，東南方向0.2～ 2 mm 團聚體含量顯著低于西北方向（P＜0.05），東北、西南方向值介于前兩者之間，且與兩者均無顯著差異；0.05～0.2 mm、0.02～0.05 mm、＜ 0.002 mm級別的微團聚體含量西南方向最高，西北方向含量最低，不同方向間差異不顯著；分形維數大小順序是：東南＞西南＞東北＞西北。距油蒿植株根部20 cm處，0.2～2 mm團聚體含量顯西北方向最低、東北方向最高，4個方向上均無顯著差異；0.05～0.2 mm級別的微團聚體含量東南方向最高，西北方向含量最低，兩者之間者差異顯著；0.02～0.05 mm微團聚體含量東南方向最高，東北方向最低，不同方向上差異不顯著， 0.002～0.02 mm微團聚體含量西南方向最高，不同方向間無顯著差異，＜ 0.002 mm微團聚體含量西南方向顯著高于東北方向；20 cm處土壤分形維數大小順序是：西南＞西北＞東南＞東北。距油蒿植株根部40 cm處，西南方向0.2～2 mm 團聚體含量顯著高于東南方向；0.05～0.2 mm、0.02～0.05 mm 2個級別的微團聚體含量均是東南方向最高，西南方向含量最低，差異顯著；0.002～0.02 mm微團聚體含量西北方向最高，東北方向最低；＜0.002 mm 微團聚體含量東南、西北兩個方向顯著高于西南方向；分形維數大小順序是：西北＞東南＞東北＞西南。距油蒿植株根部60 cm處，西北方向0.2～2 mm 團聚體含量顯高于其他3個方向；0.05～ 0.2 mm、0.02～ 0.05 mm、0.002～0.02 mm 3個級別的微團聚體含量均是東北方向最高，西北方向最低，差異顯著；＜ 0.002 mm微團聚體含量西北方向顯著高于西南方向；分形維數大小順序是：西北＞東北＞東南＞西南。

回歸分析表明：油蒿植冠下表層土壤分形維數與砂粒含量呈負相關關系、與粉粒含量呈正相關關系，但是相關性均不顯著（P＞0.05）。表層土壤分形維數與粘粒含量呈顯著正相關關系（P＜0.05），與土壤有機質、總氮含量顯著負相關。油蒿植冠下表層土壤分形維數與土壤理化性質的相關關系見表3。

表3 油蒿植冠下表層土壤分形維數與土壤理化性質的關系Table 3 Relationship between fractal dimension and physical and chemical properties of surface soil under the canopy of Artemisia ordosica

4 結論與討論

（1）研究區(qū)土壤機械組成以砂粒為主，所占比例超過80%，而粘粒含量極低，約占總質量的1.83%，與之對應的是生物結皮發(fā)育的表層土壤養(yǎng)分含量也較低，有機質平均含量4.52 g/kg，總氮平均含量0.19 g/kg，充分反映了研究區(qū)風沙土貧瘠、沙源物質豐富的特征。研究區(qū)除夏季外，其他3個季節(jié)主導風向均為西北風，導致油蒿植株形態(tài)與結構出現方向上差異，表現為西北方向植冠半徑及郁閉度明顯低于其他3個方向[8]。由于油蒿植株形態(tài)近似以根部為中心的半球體，植冠半徑的差異，導致其抗風蝕、富集調落物的能力也不相同，從而影響到油蒿植冠下表層土壤理化性質[6]。本研究發(fā)現油蒿植冠下砂粒、粉粒、粘粒及有機質含量在不同方向、同一方向不同距離處均存在一定的差異，這種差異表明油蒿植株形態(tài)結構對植冠下微環(huán)境存在不可忽略的影響[16]。

（2）油蒿植冠下不同方向、不同距離處土壤顆粒分形維數介于1.694至1.876之間，相關系數均大于0.9，結果與賈曉紅等[17]在騰格里沙漠測得的土壤顆粒分形維數一致，但是明顯低于種植土、森林土壤的數值[18]。已有的研究發(fā)現：土壤顆粒分形特征可以定量表征土壤顆粒大小、數量及分布均勻度，對評價不同土地利用方式及土壤生態(tài)環(huán)境變化有重要的指導意義。本研究中，砂粒含量與土壤分析維數呈負相關，粉粒、粘粒含量與土壤分維呈正相關，只有粘粒含量與分形維數相關性顯著，研究結果再次證明，粘粒含量越高，分形維數越大[19]。土壤顆粒分形維數除了能表征土粒直徑的大小和質地組成均勻程度外，還能表征土壤理化性質的變化趨勢，毛烏素沙地油蒿植冠下生物結皮層土壤分形維數與有機質、總氮含量均呈負相關關系，與楊婷等[11]的研究結論一致，說明油蒿植冠下養(yǎng)分的分布與粘粒的分布存在不一致性，油蒿植冠的特殊結構特征導致植冠下調落物的分布近似以植株根部為中心向外遞減[6]，油蒿植冠下有機質和總氮的分布與掉落物的分布一致。

毛烏素沙地是我國北方重要的生態(tài)屏障，油蒿作為毛烏素沙地最重要的建群種之一，油蒿群落生物結皮分布廣泛，生物結皮的發(fā)育能有效阻止地表風蝕[4]，研究油蒿植冠下生物結皮發(fā)育的表層土壤粒徑分形特征及其影響因素，對于深入了解油蒿群落的抗風蝕能力具有一定的指導意義，有助于毛烏素沙地油蒿群落的恢復重建及當地制定合理的農牧利用策略。

本研究是針對固定沙地油蒿植冠下表層土壤展開的，而在毛烏素沙地，流動沙地上存在點狀分布的油蒿植株（植株群），固定沙地上的油蒿植株群落隨著植被蓋度的增加，土壤水分競爭日益劇烈，呈現出植株老化、群落退化、植被蓋度降低，甚至退化至半固定、流動沙地階段[2]。因此，為了更好的了解毛烏素沙地油蒿群落整個演替階段土壤特征變化，今后的研究應充分考慮油蒿群落不同演替階段間的差異。

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