荒漠草原2種典型群落類型下土壤含水量與土壤粒徑分布的關(guān)系

馬生花，謝應(yīng)忠，胡海英，倪 彪

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

適宜的土壤水分是保證植物正常生長發(fā)育的關(guān)鍵，而土壤結(jié)構(gòu)決定著土壤水分含量及其動態(tài)變化[1]。寧夏荒漠草原地處農(nóng)牧交錯區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，植被稀少且多呈斑塊狀分布，土地風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤貧瘠且基質(zhì)穩(wěn)定性差[2]。近年來，氣溫的逐漸上升和封育措施實(shí)施后荒漠草原地區(qū)植物種類和植被覆蓋面積的逐漸增加[3]，加劇了土壤水分赤字趨勢。

降水是荒漠草原地區(qū)土壤水分補(bǔ)給的主要方式，而降水能否轉(zhuǎn)化為土壤有效水分，主要與水分入滲有關(guān)。土壤質(zhì)地即土壤機(jī)械組成體現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)、肥力等土壤理化特性，不僅會影響土壤水分的入滲能力，還在起沙天氣下墊面因子中扮演著重要角色[4]，從而影響土壤抗風(fēng)蝕、持水等能力。研究發(fā)現(xiàn)，土壤顆粒大小與入滲能力間呈對數(shù)遞減關(guān)系[5]，雨水入滲速率與直徑小于0.001 mm的黏粒含量間呈顯著的冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系[6]，土壤各層含水量的變化差異主要與土壤密度和土壤粉塵的成分含量有關(guān)[7]。土壤分形維數(shù)是土壤顆粒大小的表征，反映土壤結(jié)構(gòu)、肥力和土壤退化程度等[8]，被廣泛用于揭示土壤粒徑分布的變異特征。因此，研究荒漠草原地區(qū)典型植物群落區(qū)域土壤水分和土壤粒度的變化規(guī)律及其之間的關(guān)系，對于控制荒漠草原的退化，解決恢復(fù)重建過程中土壤水分供給與植物耗水間的矛盾，進(jìn)行土壤水分調(diào)控，提高水分的利用效率具有重要的指導(dǎo)意義。

目前的研究多集中在土壤粒度與土壤理化性質(zhì)，以及土壤水分與植被生長狀況之間的相互關(guān)系上[9]，而對土壤水分與土壤粒度特征之間的相關(guān)關(guān)系研究較少。本研究通過研究荒漠草原區(qū)典型群落的土壤水分和土壤粒度特征，揭示土壤水分與土壤粒徑在土層不同深度的分布規(guī)律及其之間的關(guān)系，以期為風(fēng)沙環(huán)境下的草地恢復(fù)與生態(tài)系統(tǒng)重建提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣，地理位置106°43′～107°21′E、37°55′～38°10′N[10]，北接內(nèi)蒙古自治區(qū)，東臨山西省，南靠甘肅省，西與寧夏同心縣、靈武市相接。地勢南高北低，北接毛烏素沙漠，屬鄂爾多斯臺地，南靠黃土高原，是典型的過渡地帶[11]。屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，晝夜溫差大，全年晴天多，日照充足；降雨少，年降水量250～350 mm，主要集中在5—9月，期間降水量占年降水量的60%以上。土壤類型為灰鈣土和風(fēng)沙土，土壤肥力低下。屬歐亞草原區(qū)，是我國溫帶草原向荒漠草原的過渡地帶，群落呈現(xiàn)出旱生植物與典型草原建群種多年生禾草的鑲嵌式分布格局[12]，物種以賴草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、短花針茅(StipabrevifloraGriseb.)、蒙古冰草(AgropyronmongolicumKeng)、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)等多年生草本植物為主，其中蒙古冰草群落和短花針茅群落是寧夏荒漠草原的典型植物群落，在土地沙漠化防治中起著積極作用。

1.2 樣地選擇與樣品采集

試驗(yàn)樣地位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣高沙窩鎮(zhèn)草原資源生態(tài)監(jiān)測站的圍封草地。選擇蒙古冰草和短花針茅2種典型植被群落為試驗(yàn)樣地，蒙古冰草群落土壤類型為灰鈣土，短花針茅群落土壤類型為風(fēng)沙土。于2017年8月2日(旱雨季結(jié)束后)和9月3日(豐雨季結(jié)束后)，分別在每塊樣地中按“S”形設(shè)置5個土壤采樣點(diǎn)，設(shè)計采樣深度160 cm(由于8月2日采集樣品時突遇降雨，因此當(dāng)日數(shù)據(jù)只有0～120 cm土層的)，按每20 cm一層進(jìn)行分層采樣。采集的土樣一部分裝入干凈的鋁盒，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤含水量測定；另一部分置于塑封袋內(nèi)，用于土壤粒度測定分析。采樣土層按深度分為淺土層(0～40 cm)、中土層(40～80 cm)和深土層(80～160 cm)。

1.3 測定方法

(1)土壤含水量測定。采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量，計算公式為

土壤質(zhì)量含水量=(原土質(zhì)量-烘干土質(zhì)量)/

烘干土質(zhì)量×100%

(1)

(2)土壤粒度分析。采用Mastersizer 2000激光粒度儀測定土壤粒徑分布(PSD)[13]，測量范圍為0.02～2 000 μm，重復(fù)測量誤差≤2%。土壤粒徑分級采用美國制的土粒分級標(biāo)準(zhǔn)(USDA)，即分為黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)和砂粒(50～2 000 μm)[14]。

(3)土壤分型維數(shù)(D)計算。采用TYLER et al.[15]提出的體積分形模型進(jìn)行計算，計算公式為

V(r

(2)

式中：r為土壤粒徑；Ri為土壤粒徑劃分中的第i級粒徑；V(r

將式(2)兩邊取對數(shù)，通過對數(shù)曲線的擬合斜率可求得D值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2018整理數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。所有數(shù)據(jù)均至少為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物群落土壤含水量的差異

研究區(qū)夏季月降雨量不均衡，7月降雨量46.8 mm，顯著小于8月的97.9 mm；月均溫7月為25.22 ℃，大于8月的20.76 ℃。土壤平均含水量旱雨季(7月)為6.89%，小于豐雨季(8月)的10.38%。2個群落間土壤含水量差異表現(xiàn)為：旱雨季蒙古冰草群落在20～40和80～120 cm土層土壤含水量高于短花針茅群落；豐雨季2種典型群落土壤含水量均有所增加，但相對而言，蒙古冰草群落土壤含水量增加量整體上高于短花針茅群落(表1)。

表1 研究區(qū)2種典型群落土壤含水量

注：同一行不同大寫字母表示同一樣地不同土層之間土壤含水量差異顯著(P<0.05)，同一列相同時間不同小寫字母表示相同土層深度不同群落土壤含水量差異顯著(P<0.05)。

土壤含水量隨土層深度的垂直變化見表1。旱雨季，隨土層深度增加，2種典型群落土壤含水量均表現(xiàn)為“增加—降低—增加”的變化趨勢，短花針茅群落土壤含水量在淺、中土層大于蒙古冰草群落，在深土層小于蒙古冰草群落，其中0～40和60～100 cm土層是土壤含水量變化波動較大的土層。豐雨季，蒙古冰草群落土壤含水量隨土層深度增加呈現(xiàn)“增加—降低—增加”的變化趨勢，0～20 cm土層土壤含水量最低，顯著低于20～40、80～160 cm土層，140～160 cm土壤含水量最高，顯著高于0～80 cm土層(P<0.05)；短花針茅群落土壤含水量變化呈“增加—降低—增加—降低”的“M”形，在60～80 cm土層最低，顯著低于0～40、80～160 cm土層；在20～40 cm土層最高，顯著高于0～20、40～100、120～160 cm土層(P<0.05)。

豐雨季2個群落間土壤含水量的顯著性差異分析見表1。在0～160 cm土層短花針茅群落土壤含水量均低于蒙古冰草群落，除0～40 cm土層外，在其他土層均表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。在淺、中土層，2種典型群落土壤含水量均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，并均在20～40 cm土層土壤含水量最大；深土層，蒙古冰草群落土壤含水量隨土層深度增加持續(xù)增加，短花針茅群落土壤含水量隨土層深度增加先增加后減少。

2.2 不同群落類型下土壤粒徑分布狀況

不同群落類型、不同土層深度，土壤粒徑分布和土壤分形維數(shù)不同(表2)。蒙古冰草群落土壤黏粒和粉粒含量隨土層深度增加呈現(xiàn)“增加—降低—增加”的變化趨勢，土壤黏粒含量在0～20 cm土層最低，僅為2.86%，顯著低于20～40、60～160 cm土層，在140～160 cm土層最高，為11.50%，顯著高于0～80 cm土層；土壤粉粒含量0～20 cm土層最低，顯著低于100～160 cm土層，在140～160 cm土層最高，顯著高于0～20、40～60 cm土層(P<0.05)。短花針茅群落土壤黏粒和粉粒含量隨土層深度增加呈現(xiàn)“增加—降低—增加—降低”的變化趨勢，土壤黏粒含量在0～20 cm土層最低，為2.38%， 顯著低于80～120 cm土層，在100～120 cm土層最高，為11.89%，顯著高于0～60、120～160 cm土層(P<0.05)；土壤粉粒含量在0～20 cm土層最低，為23.73%，顯著低于20～60、80～160 cm土層，在100～120 cm土層最高，為53.30%，顯著高于0～20、60～100 cm土層(P<0.05)。2種典型群落土壤砂粒含量隨土層深度變化均表現(xiàn)出與黏粒和粉粒相反的變化趨勢。2種典型群落土壤分形維數(shù)與其土壤粉粒含量變化趨勢一致。

2個典型群落土壤粒徑分布和分形維數(shù)的差異性分析表明：淺、中土層，2個群落的土壤粒徑分布無明顯差異；深土層，蒙古冰草群落黏粒和粉粒含量在120～160 cm深度均顯著高于短花針茅群落(P<0.05)，砂粒含量在80～100 cm深度高于短花針茅群落，在100～160 cm深度低于短花針茅群落，其中120～160 cm土層差異具有顯著性(P<0.05)。2種典型群落的土壤分形維數(shù)在1.14～1.88之間，蒙古冰草群落土壤分形維數(shù)平均為1.47，短花針茅群落平均為1.49，兩者無顯著性差異。

表2 不同群落類型土壤粒徑及分形維數(shù)分布

注：同一列同一群落數(shù)據(jù)后大寫字母不同表示不同土層土壤粒徑含量差異顯著(P<0.05)；同一列同一土層數(shù)據(jù)后小寫字母不同表示不同群落土壤粒徑含量差異顯著(P<0.05)。

2.3 土壤含水量、土壤粒徑分布、土壤分型維數(shù)間的相關(guān)關(guān)系

土壤含水量、土壤粒徑分布、土壤分形維數(shù)之間，以及土壤各粒徑含量間均存在一定的相關(guān)性(表3)。其中：土壤含水量與土壤分形維數(shù)為正相關(guān)關(guān)系；土壤含水量和土壤分形維數(shù)均與土壤黏粒和粉粒含量成正相關(guān)關(guān)系，與土壤砂粒含量成負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤黏粒含量與粉粒含量之間成正相關(guān)關(guān)系，黏粒和粉粒含量與砂粒含量之間均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。蒙古冰草群落中各相關(guān)關(guān)系均極為顯著(P<0.01)，短花針茅群落僅土壤粉粒含量與砂粒含量間表現(xiàn)出極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，其余各相關(guān)關(guān)系均不顯著。

3 討 論

水是限制植物生長發(fā)育的主要因子之一，在氣候干旱、生態(tài)環(huán)境脆弱的荒漠草原地區(qū)，植物群落特征及其分布對水分的響應(yīng)十分敏感[16]。對比分析7、8月降雨量、氣溫和土壤含水量，7月為高溫天氣，降雨在地表層未轉(zhuǎn)化為土壤有效含水量便蒸發(fā)了，而長期高溫使植物蒸騰失水變多，需要從土壤中吸收更多的水分維持自身的生長代謝，因此旱雨季土壤含水量虧缺未得到有效緩解；8月降雨量和連續(xù)降雨量分別為97.9和85.8 mm，均是7月的2倍左右，氣溫又較7月降低了4 ℃，在降雨量加大、氣溫降低的情況下，植物蒸騰和地面蒸發(fā)失水減少，使得雨水下滲量增加，因此豐雨季土壤含水量較旱雨季有明顯的增加。0～20 cm土層直接與大氣接觸，受地表蒸發(fā)影響強(qiáng)烈，因此即使豐雨季降雨量有明顯的增加，2個群落的表層土壤含水量仍較低。隨土層深度增加，2種典型群落土壤顆粒中砂粒含量減少，粉粒和黏粒含量增加，土壤機(jī)械組成由粗變細(xì)，雨水入滲能力降低[5]，降雨對土壤含水量的補(bǔ)給作用減弱，因此2個群落樣地淺、中層土壤含水量在旱雨季和豐雨季的差異較大，但深土層土壤含水量差異不大，說明降雨對這兩種典型群落淺、中層土壤含水量有一定的補(bǔ)給作用，但對深層土壤的補(bǔ)給作用不明顯。相比而言，降雨對蒙古冰草群落土壤含水量的影響高于短花針茅群落，說明蒙古冰草淺、中層土壤顆粒組成比例更有利于雨水入滲。

表3 土壤含水量、土壤粒徑、土壤分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：標(biāo)“**”表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)。

土壤含水量還和土壤結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。土壤中較小顆粒物質(zhì)的含量越大，土壤顆粒的表面積就越大，進(jìn)而黏結(jié)性就越強(qiáng)，對水分的吸附和固定能力也越強(qiáng)[17]；而較大粒徑的砂粒相對不活潑，它對土壤水分的影響較小。淺、中土層，2種典型群落中土壤各粒徑顆粒含量無明顯的差異，但蒙古冰草群落土壤平均含水量較短花針茅群落高，這與本研究前期植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)蒙古冰草群落植被覆蓋度大于短花針茅群落，較高的植被覆蓋度減少了土壤蒸發(fā)量有關(guān)。深土層，蒙古冰草土壤含水量較短花針茅群落高，并逐漸表現(xiàn)出顯著差異，這與隨土層深度增加蒙古冰草群落土壤粉粒含量持續(xù)增加、砂粒含量持續(xù)減少，高的粉粒含量提高了對水分的吸附和固定能力，減少了土壤水分的流失有關(guān)。因此，在淺土層影響土壤含水量的主要因素為地表蒸發(fā)、植被覆蓋度、降水、氣候等，在深土層則主要為土壤結(jié)構(gòu)。相比而言，蒙古冰草樣地土壤持水性能較為良好。

土壤粒徑分布與植被類型、土壤類型均有關(guān)。較大的植被覆蓋度可以有效降低近地表風(fēng)速，減少細(xì)顆粒物質(zhì)受風(fēng)雨侵蝕、雨水滲透等的影響而流失，提高土壤固持能力。本試驗(yàn)中，前期植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)蒙古冰草群落植被覆蓋度相對較大，因此其土壤黏粒和粉粒含量高于短花針茅群落；但在垂直方向，由于細(xì)粒物質(zhì)受風(fēng)雨侵蝕、雨水滲透等影響流失，所以0～20 cm土層2種群落土壤黏粒和粉粒含量均較20～40 cm土層低。本研究中，蒙古冰草群落土壤質(zhì)地為灰鈣土，富含的CaCO3為良好的膠結(jié)劑，可以同細(xì)顆粒物質(zhì)進(jìn)行結(jié)合，提高其抗風(fēng)蝕和水蝕能力，減少土壤中細(xì)粒物質(zhì)的流失，對土壤起保護(hù)作用[18]，而短花針茅群落土壤質(zhì)地為風(fēng)沙土，質(zhì)地松散，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，蓄水保水能力較差[19]，所以蒙古冰草群落中黏粒和粉粒含量隨土層深度增加逐漸增加，而短花針茅群落中土壤黏粒和粉粒含量隨土層深度增加先增加后減少。

土壤中的黏粒和粉粒含量與土壤含水量呈正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量和土壤含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與土壤含水量和土壤粒徑隨土層深度的變化趨勢一致的試驗(yàn)結(jié)果相符。類似于土壤水分，土壤分形維數(shù)與土壤顆粒組成之間也表現(xiàn)出同樣的相關(guān)性，即土壤中黏粒和粉粒含量越大，土壤含水量和土壤分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)越好；土壤中砂粒含量越大，土壤含水量和土壤分形維數(shù)越小，土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定。所以，可以用土壤分形維數(shù)和土壤含水量來表征土壤顆粒的大小和土壤性能。但2種典型群落土壤粒徑分布與土壤含水量、土壤分形維數(shù)相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)出不一致性，相比短花針茅群落，蒙古冰草群落中各相關(guān)關(guān)系極顯著。這可能與土壤類型有關(guān)，蒙古冰草群落土壤為灰鈣土，土壤中粉粒含量較多，粉粒是與有機(jī)質(zhì)膠結(jié)的主要無機(jī)膠體，可以為膠結(jié)作用提供膠結(jié)環(huán)境和動力，對土壤良好的結(jié)構(gòu)性能起到一定的保護(hù)作用[20]；而短花針茅群落為風(fēng)沙土，土壤中砂粒含量較多，土壤顆粒易流失。同時也說明，相對于短花針茅群落，蒙古冰草群落降風(fēng)滯塵、防風(fēng)固沙的作用較強(qiáng)，能有效截獲和聚集土壤細(xì)小顆粒及植被的凋落物，使土壤的粉粒、黏粒所占比例明顯增高，從而使土壤結(jié)構(gòu)得到改善。

4 結(jié) 論

不同深度的土壤含水量受降雨影響不同，其中表層0～20 cm最大，20～60 cm土層次之，降雨量較小時深土層幾乎不受影響。2個群落0～80 cm淺、中土層之間的含水量無顯著差異，深土層(80～160 cm)含水量具有顯著差異。雨水入滲與土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，蒙古冰草群落土壤結(jié)構(gòu)較短花針茅群落更有利于土壤入滲，其深層土壤含水量顯著高于短花針茅群落。

土壤顆粒中，黏粒和粉粒含量隨土層深度增加而增加，砂粒含量隨土層深度增加而減少。土壤含水量、土壤分形維數(shù)與土壤黏粒和粉粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與土壤砂粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。相比而言，蒙古冰草群落具有較好的灰鈣土結(jié)構(gòu)，可以有效截留入滲降水并進(jìn)行儲存，使得深層土壤水分虧缺不嚴(yán)重；而短花針茅群落呈現(xiàn)典型風(fēng)沙土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，表層蒸發(fā)強(qiáng)烈，入滲的降水不能有效儲存，深層土壤水分得不到有效補(bǔ)給，處于長期虧缺狀態(tài)。

土壤分形維數(shù)受顆粒大小影響較大，即土壤顆粒越小其分形維數(shù)越大。2種典型群落類型間的土壤分形維數(shù)有差異但不顯著，不同群落間差異大于不同土層之間。