毛烏素沙地植被類型對生物結(jié)皮及其下伏土壤養(yǎng)分的影響

董金偉, 李宜坪, 李新凱, 李炳垠, 郭 琦, 卜崇峰2,

(1.北京中邦文旅科技發(fā)展有限公司, 北京 100083; 2.中國科學(xué)院 水利部水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 5.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

生物結(jié)皮對極度干旱、營養(yǎng)物質(zhì)匱乏的環(huán)境條件有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能通過光合作用、生物固氮增加土壤養(yǎng)分[1-3]，并通過減少土壤侵蝕而減輕土壤中的養(yǎng)分流失。生物結(jié)皮的養(yǎng)分積累作用主要表現(xiàn)在結(jié)皮層及其下伏0—5 cm土層，對深層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮及速效養(yǎng)分作用并不大[4-5]。生物結(jié)皮的覆蓋對植物的生長發(fā)育以及生態(tài)系統(tǒng)的演變具有重要的影響，能夠?yàn)榫S管束植物的生長和定居提供有利的生存條件[6-8,10]。反過來，維管植物能夠沉積足夠的黏粒和粉粒，并為結(jié)皮的生長提供適宜的水分環(huán)境[9]。同時(shí)，植物可以減少干擾并提供遮蔭條件，促進(jìn)生物結(jié)皮的生長[3]。已有研究多為植被與生物結(jié)皮的共生關(guān)系探討[9-10]，而有關(guān)植被類型及其空間分布對生物結(jié)皮土壤養(yǎng)分的影響認(rèn)識還十分缺乏，針對毛烏素沙地這一獨(dú)特的地理單元的相關(guān)研究也鮮有報(bào)道[5,11-12]。為此，本文選擇毛烏素沙地苔蘚及藻結(jié)皮發(fā)育較好的4種典型植被樣地，探討植被冠層對生物結(jié)皮及其下伏土壤養(yǎng)分特征的影響，為沙漠地區(qū)生態(tài)建設(shè)及荒漠化防治提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇毛烏素沙地樣地12個(gè)，散布在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗南部及鄂托克前旗東北部(圖1)。毛烏素沙地(37°20′—39°23′N，107°20′—111°30′E)處于鄂爾多斯高原南部向陜北黃土高原的過渡地區(qū)。地勢自西北向東南傾低，平均海拔1 300～1 600 m。地形以丘陵、梁地、洪積—沖積臺(tái)地、谷地和灘地為主。沙區(qū)大部分屬于溫帶大陸性半干旱氣候，年均溫6.0～8.5℃。年均降水量東南部為440 mm，向西遞減至250 mm，降雨主要集中在7—9月，占全年總降水量的60%～75%。年蒸發(fā)量為1 800～2 500 mm。年均日照時(shí)數(shù)西北部為3 000～3 100 h，東南部降至2 800～2 900 h，太陽輻射總量從西北部的627.6 kJ/(cm2·a)逐漸降至東南部的577.6 kJ/(cm2·a)?！?0℃積溫2 700～3 000℃。沙區(qū)盛行風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，年平均風(fēng)速4.8 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)10～40 d。氣候干燥、冷熱劇變、大風(fēng)頻繁、日照強(qiáng)烈是該地區(qū)的主要?dú)夂蛱卣鳌?/p>

毛烏素沙地沙生植被類型主要有白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)、黑沙蒿(Artemisiaordosica)、楊柴(Hedysarumlaeve)、檸條(Caraganaintermedia)、沙地柏(Sabinavulgaris)、沙柳(Salixpsammophila)、烏柳(Salixmicrostachya)，除以上集中沙生植物外在沙區(qū)東南隅還有連片的灌木叢，如小葉鼠李(Rhamnusparvifolius)、絲綿木(Euonymusbungeanus)等。

圖1典型植被群落土壤及生物結(jié)皮采集地

1.2 研究方法

基于全面野外調(diào)查，選取沙蒿、沙柳、檸條、草地4類典型植被群落。每種類型植被設(shè)3個(gè)重復(fù)，樣地大小為30 m×30 m，樣地實(shí)景如圖2所示，樣地基本概況見表1。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2，根據(jù)生物結(jié)皮類型，在每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置：主導(dǎo)植被冠層下方苔蘚及藻結(jié)皮，植被冠層間苔蘚及藻結(jié)皮，并設(shè)置裸地對照。苔蘚結(jié)皮用環(huán)刀獲取結(jié)皮層，并用微型土鉆分層取結(jié)皮層下伏0—5 cm，5—10 cm土壤；藻結(jié)皮自地表以下分層取0—5 cm，5—10 cm土壤。均為3個(gè)重復(fù)，采用五點(diǎn)采樣法取混合樣，裝入自封袋帶回室內(nèi)，土樣均過0.01 mm篩。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測定(CleverChem 200)，每個(gè)樣品均測定3個(gè)重復(fù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用樣本均值加減3倍標(biāo)準(zhǔn)差識別特異值，在此區(qū)間外的數(shù)據(jù)均定為特異值，分別用正常的最大值和最小值代替，后續(xù)計(jì)算均采用處理后的原始數(shù)據(jù)。用Microsoft Excel 2010做整理后，采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件及SigmaPlot 12.5繪圖軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和繪圖。

圖2 研究區(qū)各群落樣地實(shí)景圖

植被類型海拔高程/m坡度/(°)優(yōu)勢建群種植被蓋度/%藻結(jié)皮蓋度/%蘚結(jié)皮蓋度/%沙蒿13184黑沙蒿、沙柳、花棒692312沙柳11906沙柳、黑沙蒿、駱駝蓬1547檸條12641黃蒿、檸條3532草地12800草木樨、針茅草5585

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被群落生物結(jié)皮及其下伏土層的有機(jī)質(zhì)分布

生物結(jié)皮可以顯著增加土壤表層有機(jī)質(zhì)等土壤養(yǎng)分的含量，且不同的植被群落中發(fā)育的生物結(jié)皮，其下伏土壤有機(jī)質(zhì)等含量差異也很大[13-14]。通過對沙柳、沙蒿、檸條群落苔蘚及藻結(jié)皮的有機(jī)質(zhì)含量分布分析(圖3)，可知研究區(qū)典型植被群落對生物結(jié)皮及其下伏土壤的養(yǎng)分累積有顯著影響。其中，3類植被群落下的苔蘚結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于下伏土層，包括草地在內(nèi)的各植被群落藻結(jié)皮下伏土壤亦表現(xiàn)出隨土層加深有機(jī)質(zhì)含量下降的趨勢。生物結(jié)皮的發(fā)育位置對土壤養(yǎng)分的累積效應(yīng)也不同。沙柳冠層間苔蘚結(jié)皮及藻結(jié)皮下伏土層有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于冠層下(p<0.05)；沙蒿冠層下苔蘚結(jié)皮層及下伏土層有機(jī)質(zhì)含量也低于冠層間(p<0.05)，藻結(jié)皮則相反；檸條冠層下苔蘚結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于冠層間(p<0.05)，而5—10 cm土層苔蘚及藻結(jié)皮均為冠層下低于冠層間；較其他3種植被群落，草地苔蘚結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)最低，且隨著土層的加深，其有機(jī)質(zhì)含量總體呈現(xiàn)增加的趨勢，5—10 cm土層平均為(17.35±0.31) g/kg遠(yuǎn)高于苔蘚結(jié)皮層有機(jī)質(zhì)(3.97±0.10) g/kg，較之0—5 cm土層有機(jī)質(zhì)增加了3.97倍，且藻結(jié)皮0—5 cm，5—10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于苔蘚結(jié)皮(p<0.05)。

總體上，有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為：苔蘚結(jié)皮>藻結(jié)皮>裸土，這與生物結(jié)皮的演替規(guī)律相一致。4種植被樣地苔蘚結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量分別為：檸條(27.67 g/kg)>草地(24.81 g/kg)>沙柳(22.43 g/kg)>沙蒿(21.22 g/kg)；藻結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量則為：草地(13.61 g/kg)>檸條(12.37 g/kg)>沙蒿(9.60 g/kg)>沙柳(5.95 g/kg)。

2.2 不同植被群落生物結(jié)皮及其下伏土層的全氮分布

圖4表明，沙柳、沙蒿、檸條3種植被群落下伏土壤的全氮含量均表現(xiàn)為隨土層的加深而下降。從生物結(jié)皮發(fā)育位置來看，沙柳群落藻結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮下伏土壤全氮均為冠層間高于冠層下，冠層間苔蘚結(jié)皮層全氮為1.02 g/kg，冠層下僅為0.45 g/kg；冠層下苔蘚和藻結(jié)皮的同層下伏土壤全氮也有顯著差異，0—5 cm土壤層苔蘚結(jié)皮全氮平均為0.15 g/kg，顯著高于藻結(jié)皮同土層全氮(0.13 g/kg)，而5—10 cm土壤層苔蘚和藻結(jié)皮全氮含量相當(dāng)。沙蒿群落苔蘚結(jié)皮表現(xiàn)為冠層間全氮高于冠層下，藻結(jié)皮與之相反；垂直方向上，冠層間苔蘚結(jié)皮層及下伏土壤全氮均顯著高于冠層下同層土壤(p<0.05)，藻結(jié)皮0—5 cm，5—10 cm土層全氮?jiǎng)t表現(xiàn)為冠層下高于冠層間；對比冠層下苔蘚及藻同層土壤全氮發(fā)現(xiàn)：藻結(jié)皮下伏土壤全氮均顯著高于苔蘚結(jié)皮(p<0.05)，冠層間0—5 cm土壤亦表現(xiàn)如此，而5—10 cm土壤藻結(jié)皮遠(yuǎn)低于苔蘚結(jié)皮。檸條灌叢苔蘚與藻土壤全氮變化表現(xiàn)不一：苔蘚結(jié)皮層全氮為冠層下高于冠層間，0—5 cm土層全氮冠層下(0.34 g/kg)略高于冠層間(0.32 g/kg)，而5—10 cm土層全氮冠層下(0.22 g/kg)低于冠層間(0.35 g/kg)；藻結(jié)皮下伏0—5 cm，5—10 cm全氮變化特征與苔蘚結(jié)皮一致。草地苔蘚結(jié)皮表現(xiàn)出不同的特征，隨土層加深，苔蘚結(jié)皮下伏5—10 cm層土壤全氮(0.93 g/kg)遠(yuǎn)高于結(jié)皮層(0.20 g/kg)及0—5 cm層土壤(0.18 g/kg)，而藻結(jié)皮下伏土壤隨土層加深全氮逐漸降低。

圖3各植被樣地生物結(jié)皮及下伏土壤有機(jī)質(zhì)分布

圖4各植被樣地生物結(jié)皮及下伏土壤全氮分布

總體上，全氮含量表現(xiàn)為：苔蘚結(jié)皮>藻結(jié)皮>裸地，4種植被群落苔蘚結(jié)皮土壤全氮為：檸條(1.40 g/kg)>草地(1.31 g/kg)>沙柳(1.14 g/kg)>沙蒿(1.09 g/kg)；藻結(jié)皮土壤全氮為：草地(0.72 g/kg)>檸條(0.62 g/kg)>沙蒿(0.49 g/kg)>沙柳(0.31 g/kg)；裸地對照全氮為：草地(0.59 g/kg)>檸條(0.41 g/kg)>沙蒿(0.30 g/kg)>沙柳(0.13 g/kg)，與藻結(jié)皮表現(xiàn)出同樣的特征。

2.3 不同植被群落生物結(jié)皮及其下伏土壤的全磷分布

楊永勝等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)，沙柳及沙蒿植被苔蘚結(jié)皮均能夠顯著提高土壤全磷含量，且主要集中在表層土壤，改善程度同植被類型具有密切的關(guān)系。由本次研究中各植被群落苔蘚及藻結(jié)皮全磷分布(圖5)可知，沙柳群落生物結(jié)皮發(fā)育位置不同其全磷變化表現(xiàn)不一。冠層間苔蘚、藻結(jié)皮及下伏土層全磷均顯著高于冠層下，冠層下苔蘚結(jié)皮隨土層加深，其全磷含量逐漸增加，而冠層間表現(xiàn)出相反趨勢。沙蒿群落苔蘚和藻結(jié)皮均表現(xiàn)出隨土層加深，其全磷含量逐漸降低；冠層間苔蘚結(jié)皮層及下伏土層全磷高于冠層下，藻結(jié)皮各土層全磷含量與冠層下相當(dāng)。檸條群落冠層下與冠層間藻結(jié)皮各土層全磷含量差異不顯著；苔蘚結(jié)皮全磷表現(xiàn)出冠層下高于冠層間，冠層下隨土層加深土壤全磷呈現(xiàn)降低的態(tài)勢，而冠層間則表現(xiàn)為逐漸增加。草地苔蘚、藻結(jié)皮土壤全磷均表現(xiàn)為上層土壤高于下層土壤，其中苔蘚5—10 cm土層全磷累積量平均為(0.90±0.01) g/kg，高出0—5 cm土層磷素含量3.1倍。

圖5各植被樣地生物結(jié)皮及下伏土層全磷分布

總體上，全磷含量表現(xiàn)為苔蘚結(jié)皮>藻結(jié)皮>裸地對照。就苔蘚結(jié)皮來說，其土壤全磷為草地(1.35 g/kg)>檸條(1.02 g/kg)>沙蒿(0.63 g/kg)>沙柳(0.49 g/kg)，藻結(jié)皮土壤全磷為草地(0.55 g/kg)>檸條(0.51 g/kg)>沙蒿(0.40 g/kg)>沙柳(0.28 g/kg)，裸地對照則為草地(0.54 g/kg)>檸條(0.37 g/kg)>沙蒿(0.29 g/kg)>沙柳(0.22 g/kg)。

2.4 討 論

上述結(jié)果分析顯示，就生物結(jié)皮相對于植被灌叢的發(fā)育部位來說，冠層間生物結(jié)皮積累的土壤養(yǎng)分明顯高于冠層下方，表明植被灌叢雖可為生物結(jié)皮提供較好的水分及遮蔭條件，但生物結(jié)皮中苔蘚等植物的存在勢必與植被灌叢形成競爭關(guān)系，且植被灌叢的生長必然會(huì)消耗生物結(jié)皮積淀的碳、氮、磷等元素，而冠層間空地均在植被灌叢的根系半徑之外，結(jié)皮下方的土壤養(yǎng)分不會(huì)被植灌根部所汲取，再者沙地結(jié)皮首先在冠層下方或冠層附近形成，然后才擴(kuò)展至植物行間或空地[6]，故冠層下大多為發(fā)育初期或中期的生物結(jié)皮，而冠層間則以發(fā)育穩(wěn)定期的結(jié)皮居多，其結(jié)皮層及下伏土壤的土壤養(yǎng)分積累更多。

已有研究表明，不同植被群落中土壤養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律差異較大[16]。本研究中，除苔蘚結(jié)皮的全氮、有機(jī)質(zhì)外，各植被群落中生物結(jié)皮及下伏土壤養(yǎng)分總體上表現(xiàn)為草地最高，檸條、沙蒿次之，沙柳林最低。原因是草地土壤通常容重較大，沙土含量較少，且雨季多有積水，水分條件較好，生物結(jié)皮雖覆蓋度不高，但在草地土壤發(fā)育較為穩(wěn)定，草本植物的生長不會(huì)消耗過多表層土壤養(yǎng)分，且不易受到破壞，結(jié)皮下土壤養(yǎng)分可以較好地累積[17]；檸條樣地土壤容重同樣較大，土壤中砂粒含量較少，使生物結(jié)皮可以較穩(wěn)定的發(fā)育，且檸條的根系較發(fā)達(dá)，其固氮能力較強(qiáng)，能夠?qū)ν寥榔鸬揭欢ǖ母牧夹Ч鸞18]；沙蒿群落土壤容重較小，砂粒含量居多，植被間受干擾踩踏較嚴(yán)重，導(dǎo)致生物結(jié)皮養(yǎng)分不易累積[19]；沙柳林樣地植被蓋度均較低，冠層間少有生物結(jié)皮發(fā)育，且土壤砂粒較多，不利于結(jié)皮層的穩(wěn)定發(fā)育[20]，故土壤養(yǎng)分含量均較少。

3 結(jié) 論

本研究表明，植被類型與冠層覆蓋對生物結(jié)皮及其下伏土壤層的養(yǎng)分含量及剖面分布特征有著顯著的影響。表現(xiàn)在沙柳及檸條群落冠層間苔蘚、藻結(jié)皮層及其下伏土壤的全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)均高于冠層下，沙蒿群落冠層間的相應(yīng)養(yǎng)分亦高于冠層下，而藻結(jié)皮則為冠層間低于冠層下。沿土層剖面方向，除草地表現(xiàn)出5—10 cm層土壤養(yǎng)分顯著高于上層，其余群落生物結(jié)皮下伏土壤養(yǎng)分均隨土層加深逐漸降低。苔蘚結(jié)皮及藻結(jié)皮的養(yǎng)分富集作用主要集中在表層0—10 cm層土壤，且苔蘚結(jié)皮的養(yǎng)分富集作用優(yōu)于藻結(jié)皮。據(jù)此認(rèn)為，開展旱區(qū)荒漠的生態(tài)建設(shè)時(shí)，需充分考慮植被類型同生物結(jié)皮之間的互作效應(yīng)，盡量實(shí)現(xiàn)生物結(jié)皮、植被類型之間的最優(yōu)土壤養(yǎng)分耦合效應(yīng)。