延慶區(qū)荒灘地土壤理化性質(zhì)及其對(duì)植物多樣性的影響

李曉娜， 張微微， 趙春橋， 宋進(jìn)庫(kù)， 史瑞雙， 薛瑞彬， 王 超

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心， 北京100097； 2. 河北省懷來縣農(nóng)牧局， 河北 懷來 075400)

延慶區(qū)位于北京的西北部，處于內(nèi)蒙古高原和河北壩上地區(qū)與北京平原區(qū)的過渡地帶，是北京西北部的重要生態(tài)屏障[1]。2019年世園會(huì)和2022年冬奧會(huì)申辦的成功，給這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境提出了更高的要求。近20年來，延慶區(qū)開展了大規(guī)模的荒灘生態(tài)恢復(fù)工程，植被狀況得到了明顯改善。但是在鄉(xiāng)村周邊仍然存在部分卵石灘和沙坑，該區(qū)域土層淺薄，立地條件惡劣，因經(jīng)常堆積建筑垃圾或生活垃圾，土壤理化性質(zhì)差異極大，地上部植被呈斑禿狀分布，快速植被恢復(fù)技術(shù)研究成為當(dāng)前亟需解決的問題。植被-土壤系統(tǒng)是不可分割的整體[2-3]，其相互作用機(jī)理是控制生態(tài)系統(tǒng)過程的重要機(jī)制[4-5]。土壤作為植物生長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，為植物生長(zhǎng)提供必須的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分，土壤條件的差異會(huì)直接影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，從而影響物種多樣性[6]，通過對(duì)特定環(huán)境條件下生態(tài)系統(tǒng)中土壤理化性質(zhì)變化進(jìn)行研究，探討植物多樣性指數(shù)和土壤理化指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，探索植被-土壤系統(tǒng)的作用機(jī)理，對(duì)延慶荒灘地植被恢復(fù)中的物種選擇與配置具有較高的理論價(jià)值與現(xiàn)實(shí)意義。

在前人的研究中，土壤理化性質(zhì)對(duì)地上部植被生物多樣性影響的結(jié)論不盡相同。龔艷賓等[7]研究表明土壤全鉀、pH值、速效磷對(duì)草本植物多樣性格局具有明顯影響。盛茂銀等[8]研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度與植物多樣性具有明顯的正相關(guān)關(guān)系。姚喜喜等[9]在祁連山高寒牧區(qū)的研究則表明草地平均生物量、蓋度與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效鉀含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。張雪妮等[10]研究了不同水鹽梯度下荒漠植物多樣性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，結(jié)果表明不同水鹽梯度條件下，土壤因子對(duì)植物多樣性影響不同。在前人的研究中，也有結(jié)論認(rèn)為土壤營(yíng)養(yǎng)對(duì)生物多樣性沒有影響[11]。

本研究以北京市延慶區(qū)大榆樹鎮(zhèn)荒灘地為研究對(duì)象，分析土壤理化性質(zhì)與植物多樣性特征及兩者之間的相關(guān)性，探討荒灘地植被恢復(fù)模式，以期為延慶區(qū)乃至整個(gè)北京郊區(qū)荒灘地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供理論與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于北京市延慶區(qū)大榆樹鎮(zhèn)姜家臺(tái)村與陳家營(yíng)村之間。該地區(qū)所在地理位置為東經(jīng)116°0′30″～116°1′30″，北緯40°26′30″～40°27′30″平均海拔492 m，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，氣候冬冷夏涼，年平均氣溫8.4℃，降雨少且主要集中在7—9月，1998—2018年的年平均降雨量為459 mm。土壤母質(zhì)層主要以石灰?guī)r為主，土壤類型主要為石灰性褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方設(shè)置 研究區(qū)域共占地面積26.7 ha，通過對(duì)研究區(qū)詳細(xì)探查，初步根據(jù)地表覆蓋度、地形、地表植物生長(zhǎng)情況將其分為27塊樣地，每塊樣地采用等距取樣法[12]設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方。于2018年6月23—25日進(jìn)行調(diào)查取樣。記錄每個(gè)樣方內(nèi)蓋度、植物種類、各種植物個(gè)體數(shù)等指標(biāo)，在每個(gè)樣方內(nèi)按照5點(diǎn)取樣法[12]分層(表層：0～10 cm，亞表層10～20 cm)采集土壤樣本，每層5個(gè)點(diǎn)的土壤混合均勻作為1個(gè)土壤樣本，帶回實(shí)驗(yàn)室后一部分立即測(cè)定土壤水分，之后過2 mm篩，通過稱重法計(jì)算石礫含量(Gravel content，GC)，另一部分先風(fēng)干過1 mm孔徑篩后測(cè)土壤pH和有效態(tài)養(yǎng)分含量，從過1 mm孔徑篩的土樣中按照四分法取部分過0.15 mm孔徑篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量；同時(shí)在每個(gè)樣方內(nèi)按照5點(diǎn)取樣法用環(huán)刀、塑料盒采集表層(0～10 cm)土壤原狀土，帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤物理性質(zhì)。

1.2.2 土壤理化指標(biāo)測(cè)定 采用環(huán)刀法[13]測(cè)定土壤容重(Bulk density，BD)、田間持水量(Field water holding capacity，F(xiàn)WHC)、最大持水量(Maximum water holding capacity，MWHC)、毛管持水量(Capillary water holding capacity，MWHC)和總孔隙度(Total porosity，TP)；鋁盒稱重法[13]測(cè)定土壤水分(Soil water，SW)；電位計(jì)法測(cè)定土壤pH值(水土質(zhì)量比2.5∶1)，電導(dǎo)法測(cè)定土壤可溶性鹽總量(Electrical conductivity，EC)，重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量(Organic matter content，OMC)，半微量凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮含量(Total nitrogen content，TNC)，氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤全磷含量(Total phosphorus content，TPC)，堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮含量(Alkali-hydrolyzable nitrogen content，AHNC)，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量(Available phosphorus content，APC)，乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量(Exchangeable potassium content，EKC)，乙酸銨交換法測(cè)定土壤陽(yáng)離子交換量(Cation exchange capacity，CEC)[14]。

1.2.3 植物多樣性指數(shù)[15-16]計(jì)算

物種豐富度Margalef指數(shù)：

(1)

生態(tài)優(yōu)勢(shì)度Simpson指數(shù)：

(2)

信息多樣性Shannon-Wiener指數(shù)：

(3)

均勻度Pielou指數(shù)：

(4)

式中，S為物種數(shù)，Ni、N為某物種、所有物種株數(shù)，Pi=Ni/N

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010軟件計(jì)算植物多樣性指數(shù)與變異系數(shù)，利用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 延慶荒灘地土壤理化性質(zhì)

表1為研究區(qū)土壤理化性質(zhì)，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]，該區(qū)域表層、亞表層平均土壤有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、堿解氮含量均處于最低級(jí)別，說明整個(gè)區(qū)域土壤養(yǎng)分含量均處于較低水平。采用變異系數(shù)(Coefficient of variation，CV)來表征土壤理化性質(zhì)空間變異程度，CV≤10%時(shí)為弱變異性，10%

該區(qū)域土壤中石礫含量較多，且亞表層石礫含量高于表層，亞表層土壤石礫含量最大值達(dá)到48%，土壤平均含水量?jī)H為8.5%，平均田間持水量為26.34%，說明整個(gè)區(qū)域土層淺薄且有效土壤較少?gòu)亩鴮?dǎo)致土壤承載水分能力不足。

表1 研究區(qū)域土壤理化性質(zhì)特征分析Table 1 Analyses of the physical and chemical characteristics of soil in the study area

注：表層指0～10 cm土壤，亞表層指10～20 cm土壤

Note:The surface layer is the 0～10 cm soil and the subsurface layer is the 10～20 cm soil

2.2 延慶荒灘地植物物種組成及生物多樣性

2.2.1 物種組成 表2為研究區(qū)域植物物種組成，研究區(qū)域共調(diào)查草本植物49種，隸屬于18科41屬。其中菊科、禾本科、豆科、藜科含物種數(shù)較多，分別含10，10，5和4種。旋花科、茄科、牻牛兒苗科、蓼科、唇形科含物種數(shù)2～3種，其余莧科、桑科等9科為單科單種生活型，占總科數(shù)的50%。所有物種中59.2%為一年生晚春型草本植物，在延慶區(qū)生育期較短，一般為6—9月。在所有樣地中禾本科中的狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)，藜科中的藜(ChenopodiumalbumL.)，菊科中的大籽蒿(ArtemisiasieversianaEhrhart ex Willd.)出現(xiàn)頻次最高，為優(yōu)勢(shì)種。

表2 研究區(qū)域植物物種組成Table 2 Species of vegetation community of the study area

2.2.2 植物群落多樣性 表3為研究區(qū)域內(nèi)植物群落多樣性特征，群落多樣性由物種豐富度指數(shù)(Margalef指數(shù))、多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù))和均勻度指數(shù)(Pielou指數(shù))來表征?？梢钥闯鲅芯繀^(qū)域內(nèi)植物群落多樣性的4種指數(shù)數(shù)值均較低，Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)最小值僅為0.07，0.05，0.03，表示該區(qū)域植物生態(tài)系統(tǒng)退化嚴(yán)重。各多樣性指數(shù)的CV值大小為Sim>Pie>Sha> Mar，并且介于10%～100%之間，均屬于中等變異性，其中Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)的變異系數(shù)均達(dá)到了58%以上，同時(shí)該區(qū)域植物蓋度變異系數(shù)為49.38%，也屬于中等變異性，表明該區(qū)域植物群落的物種多樣性、均勻度和蓋度空間差異較大。

表3 研究區(qū)域植物群落多樣性特征Table 3 Plantcommunity diversity indexes of the study area

2.3 延慶荒灘地土壤理化性質(zhì)與植物多樣性的關(guān)系

研究結(jié)果表明(表4、5)表層與亞表層土壤理化性質(zhì)與植物多樣性之間存在不同程度相關(guān)關(guān)系。其中Margalef指數(shù)與表層、亞表層土壤有機(jī)質(zhì)含量之間均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，與表層土壤全氮、堿解氮含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與表層土壤總孔隙度之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；Simpson指數(shù)與表層土壤總孔隙度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與亞表層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；Shannon-Wiener指數(shù)與亞表層土壤全氮含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。表明土壤中有機(jī)質(zhì)、氮素含量越高、總孔隙度越大，地上部植被物種豐富度、多樣性越高。

植被蓋度與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮含量均呈正相關(guān)關(guān)系，其中與表層土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤全磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量越高，地上部植被蓋度越高；同時(shí)隨著植被蓋度的增加，土壤磷素含量下降。

表4 表層土壤理化性質(zhì)與植物多樣性關(guān)系Table 4 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of the surface layer soil

注：*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)，**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)，下同

Note:*indicate significant correlation at the 0.05 level,**indicate significant correlation at the 0.01 level. The same as below

表5 亞表層土壤理化性質(zhì)與植物多樣性關(guān)系Table 5 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of subsurface layer

3 討論

3.1 延慶區(qū)荒灘地土壤理化性質(zhì)空間變異特征

土壤理化性質(zhì)在大尺度上的變異性主要受土壤母質(zhì)、地形地貌、氣候條件等影響，在小尺度區(qū)域則多受人類活動(dòng)的影響[20]。目前關(guān)于土壤理化性質(zhì)空間變異性的研究多關(guān)注耕地養(yǎng)分的變化，或?qū)Σ煌h(huán)境條件的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行比較[20-22]，而對(duì)較小空間尺度，同一環(huán)境內(nèi)部土壤理化性質(zhì)空間變異性的研究較少。本研究結(jié)果表明研究區(qū)域表層、亞表層土壤化學(xué)與物理性質(zhì)均存在較大的空間變異性，土壤化學(xué)性質(zhì)空間變異程度大于物理性質(zhì)，尤其是土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷與電導(dǎo)率，其中表層、亞表層土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷空間變異系數(shù)均達(dá)45%以上，亞表層電導(dǎo)率空間變異系數(shù)達(dá)74.32%。在小尺度上，土壤理化性質(zhì)的變異性受人類活動(dòng)的影響較大，本研究區(qū)域原為媯水河支流的廢棄河道，土壤母質(zhì)、氣候、水文、地形條件基本一致，因臨近村莊，經(jīng)常堆積建筑或生活垃圾，區(qū)域內(nèi)土壤理化性質(zhì)斑塊特征明顯，垃圾堆積區(qū)域表層土壤有機(jī)質(zhì)含量，亞表層土壤電導(dǎo)率高于自然發(fā)育土壤。人類的強(qiáng)烈干擾活動(dòng)增加了土壤理化性質(zhì)的空間變異性，這與曾曉玲等[23]在古爾班通古特沙漠的研究，劉靖朝等[22]在林地的研究結(jié)果相同。

3.2 延慶區(qū)荒灘地植物群落組成及其影響因素

該區(qū)域內(nèi)植被優(yōu)勢(shì)種群為狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物，僅在6—9月雨季快速生長(zhǎng)，根系較淺，對(duì)土壤環(huán)境、降雨、溫度變化比較敏感，植物群落穩(wěn)定性差[24]。物種豐富度、多樣性和均勻度能全面反映群落物種組成的結(jié)構(gòu)水平。研究結(jié)果顯示區(qū)域內(nèi)物種豐富度、多樣性及均勻度指數(shù)均存在較大的空間變異性，這與區(qū)域內(nèi)土壤理化性質(zhì)空間變異性大有關(guān)。

土壤理化性能直接影響地面植被特征、結(jié)構(gòu)和功能，植被與土壤相互耦合、相互發(fā)展，同時(shí)也相互制約[25]。本研究表明土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量對(duì)研究區(qū)域荒灘地植物群落多樣性及蓋度產(chǎn)生正相關(guān)影響。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)含量與Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)均存在顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤氮素含量與Margalef指數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)也存在顯著正相關(guān)關(guān)系。這一結(jié)果與楊祥祥等[26]在沙地土壤碳氮含量對(duì)植物群落多樣性影響的研究結(jié)果一致，均表明在土壤退化嚴(yán)重區(qū)域碳氮含量能夠影響植物群落的物種多樣性，且對(duì)植物生產(chǎn)力和物種多樣性具有正向的促進(jìn)作用，因此土壤有機(jī)質(zhì)和氮素成為該區(qū)域植物群落正向演替的關(guān)鍵因子。

在本研究中，研究區(qū)域內(nèi)土壤磷含量與植物群落物種多樣性、蓋度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與劉洋等[12]的研究結(jié)果一致，但與楊祥祥等[26]的研究結(jié)果并不一致。究其原因可能是本研究樣地中磷含量水平與楊祥祥研究樣地中磷的含量不一致所致。本研究區(qū)域內(nèi)土壤速效磷平均含量為15.26 mg·kg-1，全磷平均含量為0.05%，根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[17]，屬于3級(jí)水平，磷含量可以滿足植物生長(zhǎng)。而磷的補(bǔ)給主要來源于凋落物的礦化以及土壤礦質(zhì)顆粒的風(fēng)化，因此該區(qū)域內(nèi)土壤磷素含量與植物群落物種多樣性和蓋度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系主要是因?yàn)橹参飳?duì)磷的吸收速度大于凋落物磷的礦化速度所致。

4 結(jié)論

延慶區(qū)荒灘地土壤理化性質(zhì)與地上部植物群落多樣性空間變異程度均較大，土壤養(yǎng)分含量處于較低水平，地上部植物以狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物為主，物種多樣性指數(shù)與豐富度指數(shù)均較低。植物群落多樣性指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、氮素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤磷素含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，土壤有機(jī)質(zhì)和氮素含量成為該區(qū)域植物生長(zhǎng)和分布的限制因素。