不同降水對(duì)荒漠灌叢土壤理化性質(zhì)和地表植被分布的影響

郭志霞, 劉任濤, 馮永宏, 王文帆, 蔣嘉瑜

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 寧夏 銀川 750021)

在中國(guó)干旱、半干旱地區(qū)，由于不合理的人類活動(dòng)以及氣候變化，導(dǎo)致荒漠化極速擴(kuò)張，生態(tài)退化、環(huán)境惡化，嚴(yán)重威脅到人類社會(huì)的生存及可持續(xù)發(fā)展[1]。人工灌木林的建植在沙漠化防治及土壤改良中發(fā)揮著重要作用[2]。由于檸條、油蒿具有極強(qiáng)的生命力和抗逆性，具有防風(fēng)固沙等生態(tài)功能，被認(rèn)為是北方干旱、半干旱區(qū)進(jìn)行防風(fēng)固沙區(qū)的常用樹種，得到大面積推廣應(yīng)用[3]。隨著灌叢林的建植與發(fā)育，群落結(jié)構(gòu)由單一的灌木、半灌木組成演變成一年生草本逐漸占優(yōu)勢(shì)的復(fù)雜灌草復(fù)合系統(tǒng)[4]。并且，灌叢通過遮蔭和增加地表粗糙度來改變植被區(qū)的微氣候、土壤理化性質(zhì)，同時(shí)微生境改善又為近地面種子萌發(fā)、種子庫(kù)維持、植物定居和生長(zhǎng)提供適宜環(huán)境[4]。因此，研究人工固沙灌木林土壤理化性質(zhì)和地表植被的變化規(guī)律，可以反映人工灌木林的固沙效果及對(duì)土壤—植被系統(tǒng)恢復(fù)的生態(tài)作用。

研究表明，植物覆蓋的土壤顆粒較細(xì)，含有較高的碳、氮含量[3]，同時(shí)不同生境下土壤資源的積累、分布、循環(huán)與植物分布密切相關(guān)[5]。牛西午等[6]在山西西北部荒漠區(qū)研究檸條對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)檸條可以改善土壤物理性狀，提高土壤酶活性、有機(jī)質(zhì)和全氮含量，從而改善土壤肥力。楊剛等[7]在寧夏鹽池荒漠草原研究區(qū)發(fā)現(xiàn)檸條灌叢種植后植物種類減少，尤其是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的豆科和禾本科牧草種類減少較多。在毛烏素沙地東南緣植被恢復(fù)過程中，研究發(fā)現(xiàn)檸條和紫穗槐兩種灌叢下植物群落總豐富度均顯著高于沙柳灌叢[8]。在荒漠化防治過程中，灌叢作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的主要景觀調(diào)劑器[9]，不同的灌叢對(duì)許多資源有不同的調(diào)節(jié)作用，這將在很大程度上導(dǎo)致形成不同的資源斑塊格局，進(jìn)而調(diào)控地面植被的資源分配和植被物種的組合和性能[10]。綜合分析發(fā)現(xiàn)，已有研究集中于不同天然灌叢或人工灌叢對(duì)土壤—植被系統(tǒng)的影響方面，但在不同降水分布區(qū)背景下，荒漠區(qū)不同灌叢如何對(duì)土壤與植被系統(tǒng)產(chǎn)生生態(tài)作用及差異，報(bào)道較少。目前，不同降水研究區(qū)檸條、油蒿灌叢對(duì)土壤植被系統(tǒng)生態(tài)作用的影響及差異，尚不清楚。

研究表明，荒漠區(qū)檸條、油蒿灌叢人工林建設(shè)對(duì)于促進(jìn)沙化土壤環(huán)境改善、植被恢復(fù)及防沙治沙具有重要的生態(tài)作用。并且，不同降水分布區(qū)條件的差異，可能將直接影響到這2種荒漠灌叢的生態(tài)效應(yīng)。鑒于此，本研究在毛烏素沙地和騰格里沙漠選擇3個(gè)研究區(qū)，以研究區(qū)共有的人工灌叢檸條和油蒿為研究對(duì)象，以灌叢周圍裸露地為對(duì)照，通過調(diào)查灌叢內(nèi)外微生境中土壤性質(zhì)和地表植被特征，旨在闡明不同降水分布條件下荒漠灌叢對(duì)土壤—植被系統(tǒng)的恢復(fù)效果及其差異性，為干旱風(fēng)沙區(qū)人工植被建設(shè)模式選擇、沙漠化防治及未來應(yīng)對(duì)氣候變化提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究樣地分別位于陜西榆林市榆陽(yáng)區(qū)、寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣和中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)境內(nèi)。本研究樣地屬于寧夏大學(xué)荒漠生態(tài)學(xué)研究組長(zhǎng)期固定樣地(建設(shè)期30 a)。陜西省榆林市榆陽(yáng)區(qū)位于毛烏素沙地東南緣(38°19′18″N，109°41′9″E，平均海拔1 079 m)，寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣位于毛烏素沙地西南緣(37°49′13″N，107°27′30″E，平均海拔1 348 m)，寧夏中衛(wèi)市位于騰格里沙漠東南緣(37°26′32″N，104°46′21″E，平均海拔1 322 m)。3個(gè)研究區(qū)域均屬于溫帶大陸性氣候，基本氣候條件與土壤類型情況見表1和張安寧等[11]研究。

表1 研究區(qū)基本氣候條件與土壤類型概況

榆陽(yáng)研究區(qū)的主要植被包括小葉楊(Populussimonii)、旱柳(Salixmatsudana)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、紫穗槐(Amorphafruticosa)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、花棒(Hedysarumscoparium)、沙蒿(Artemisiadesertorum)、檸條(Caraganakorshinskii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)[12]。鹽池研究區(qū)主要植被包括檸條、油蒿(Artemisiaordosica)等[13]。沙坡頭研究區(qū)主要天然植被包括花棒、沙米(Agriophyllumsquarrosum)為主，人工固沙造林中栽植灌叢檸條、油蒿、沙木蓼(Atraphaxisbracteata)等[14]。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 于2019年9月，在3個(gè)試驗(yàn)研究區(qū)，分別選取5株高度、大小且長(zhǎng)勢(shì)一致的檸條、油蒿灌叢，作為標(biāo)準(zhǔn)株進(jìn)行標(biāo)記(用防水標(biāo)簽、紅色條幅做標(biāo)記)，以灌叢外裸地作為空白對(duì)照，共獲得48調(diào)查樣點(diǎn)：3研究區(qū)×(2灌叢×5重復(fù)+6裸地)。相鄰樣點(diǎn)之間至少間隔20 m以上。檸條灌叢高度為126.67±1.41 cm，冠幅大小為158.07±3.00 cm，葉面積指數(shù)為89.90±4.96；油蒿灌叢高度為：71.33±1.81 cm，冠幅大小為122.87±3.03 cm，葉面積指數(shù)大小為：85.562±4.5。

1.2.2 草本植被調(diào)查 在每個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)下，布設(shè)面積為0.5 m×0.5 m的樣方1個(gè)。記錄植物個(gè)體數(shù)(株/m2)，測(cè)定植被高度(cm)，統(tǒng)計(jì)植物物種數(shù)。

1.2.3 土壤樣品采集、測(cè)定 在每個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)下，用土壤環(huán)刀(100 ml)取一個(gè)新鮮原狀土壤樣品，測(cè)定土壤容重。同時(shí)，在每個(gè)調(diào)查樣點(diǎn)按照五點(diǎn)取樣法取0—10 cm的表層混合土樣1個(gè)，帶回實(shí)驗(yàn)室。其中，取1/4混合土樣測(cè)定土壤含水量；余下3/4土樣置于室內(nèi)，在自然狀態(tài)下風(fēng)干至恒重，最后過2 mm篩，移除石塊、葉片和草根等雜質(zhì)，用于相關(guān)土壤理化性質(zhì)分析。主要測(cè)定指標(biāo)包括土壤粒徑組成、土壤含水量、容重、pH值、電導(dǎo)率、全碳、全氮。

土壤含水量(%)和土壤容重(g/cm3)采用烘干稱重法進(jìn)行測(cè)定。土壤機(jī)械組成(%)采用英國(guó)馬爾文公司的Mastersizer2 000(英國(guó))激光粒度儀測(cè)定。根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤質(zhì)地：黏粉粒(<0.05 mm)、細(xì)沙粒(0.05～0.25 mm)、粗沙粒(>0.25 mm)[15]。土壤pH值(水土比懸液為2∶1)和土壤電導(dǎo)率(水土比浸提液為5∶1，μS/m)用P4多功能測(cè)定儀器(Muiti-line P4 Universal Meter，WTM公司，Germany)測(cè)定。土壤全碳(g/kg)采用元素分析儀(意大利DK6，UDK140分析儀)測(cè)定，土壤全氮(g/kg)用凱氏定氮法(意大利DK6，UDK140分析儀)測(cè)定，具體測(cè)定方法參照參考文獻(xiàn)[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Jaccard相似性系數(shù)來分析不同微生境間草本植物群落的相似性，公式為：

(1)

對(duì)3個(gè)研究區(qū)不同灌叢微生境下地表草本物種數(shù)、個(gè)體數(shù)、高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

計(jì)算群落間的相似性系數(shù)[17]，式中：A，B分別為2個(gè)微生境下植物種數(shù)，C為2個(gè)微生境共有物種數(shù)。根據(jù)Jaccard相似性系數(shù)的原理，當(dāng)q為0.00～0.25時(shí)為極不相似，q為0.25～0.50時(shí)為中等不相似，q為0.50～0.75時(shí)為中等相似，q為0.75～1.00時(shí)為極相似[18]。

富集率(enrichment ratio,E)，又叫相對(duì)響應(yīng)比率(Relative response tatio,RR)[2]

E(RR)=A/B

(2)

式中：A為灌叢內(nèi)平均值；B為灌叢外平均值。其中,當(dāng)B=0,而A≠0時(shí),該公式將無表達(dá)意義；E(RR)不存在;當(dāng)B≠0,而A=0時(shí)；E(RR)=0;當(dāng)A=B時(shí)；E(RR)=1;當(dāng)B>A時(shí)；E(RR)<1;當(dāng)B1,表示灌叢對(duì)土壤養(yǎng)分具有富集作用[2]。

用SPSS 22軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)、雙因素方差分析(two-ways ANOVA)、Duncan方差分析方法比較不同數(shù)據(jù)間的差異。采用Pearson法和多元逐步回歸分析方法對(duì)地面植物群落、環(huán)境因子間進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌叢微生境土壤理化性質(zhì)

由表2可知，土壤黏粉粒、粗沙粒含量既受到研究區(qū)的影響(p<0.05)，亦受到研究區(qū)與微生境共同作用的影響(p<0.05)。土壤細(xì)沙粒、土壤全碳和全氮含量均受到微生境和研究區(qū)的顯著影響，同時(shí)亦受到二者共同作用的影響。土壤含水量和土壤電導(dǎo)率則僅受到研究區(qū)的顯著影響。

表2 研究區(qū)和灌叢微生境對(duì)土壤理化性質(zhì)的雙因素方差分析

2.1.1 土壤粒徑組成 整體來看，沙坡頭研究區(qū)3種微生境中土壤粒徑分布僅有土壤細(xì)沙粒，而不含土壤黏粉粒和土壤粗沙粒。但榆陽(yáng)和鹽池研究區(qū)3種微生境中土壤粒徑分布包括土壤黏粉粒、土壤細(xì)沙粒和土壤粗沙粒，并且以土壤細(xì)沙粒為主要成分。

由圖1可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤黏粉粒表現(xiàn)為油蒿最高，裸地次之，而檸條最低；鹽池研究區(qū)土壤黏粉粒表現(xiàn)為檸條最高，裸地次之，而油蒿最低。并且在檸條、裸地微生境中，土壤黏粉粒含量為鹽池研究區(qū)顯著高于榆陽(yáng)研究區(qū)(p<0.05)，但油蒿微生境中2個(gè)研究區(qū)間無顯著差異。

由圖1可知，榆陽(yáng)、沙坡頭研究區(qū)土壤細(xì)沙粒含量表現(xiàn)為不同微生境間均無顯著差異，鹽池研究區(qū)土壤細(xì)沙粒含量則表現(xiàn)為檸條顯著低于油蒿和裸地(p<0.05)。3種微生境中土壤細(xì)沙粒含量均表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)顯著高于榆陽(yáng)研究區(qū)和鹽池研究區(qū)(p<0.05)。

由圖1可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤粗沙粒含量表現(xiàn)為檸條顯著高于油蒿和裸地，而鹽池研究區(qū)土壤粗沙粒含量在3種微生境間無顯著差異性。并且，檸條灌叢微生境土壤粗沙粒含量表現(xiàn)為榆陽(yáng)研究區(qū)顯著高于鹽池研究區(qū)，而油蒿灌叢和裸地微生境在2個(gè)研究區(qū)間均無顯著差異。

注：不同小寫字母表示不同微生境的差異顯著(p<0.05)。下同。

2.1.2 土壤含水量和土壤容重 由圖2可知，3個(gè)研究區(qū)土壤含水量均表現(xiàn)為3種微生境間無顯著差異。在3種微生境中土壤含水量均表現(xiàn)為鹽池研究區(qū)顯著高于沙坡頭研究區(qū)，而榆陽(yáng)研究區(qū)居中。

由圖2可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤容重表現(xiàn)為油蒿最高，裸地次之，而檸條最低；鹽池、沙坡頭研究區(qū)土壤容重表現(xiàn)為3種微生境間無顯著差異。并且，檸條和裸地微生境土壤容重均表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)最高，鹽池研究區(qū)次之，而榆陽(yáng)研究區(qū)最低，而在油蒿微生境土壤容重表現(xiàn)為3個(gè)研究區(qū)間無顯著差異。

圖2 不同灌叢微生境土壤含水量和容重

2.1.3 土壤pH值和電導(dǎo)率 由圖3可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤pH值表現(xiàn)為油蒿和裸地顯著高于檸條(p<0.05)；鹽池、沙坡頭研究區(qū)土壤pH值均表現(xiàn)為3種微生境間無顯著差異。3種微生境土壤pH值均表現(xiàn)為鹽池、沙坡頭研究區(qū)顯著高于榆陽(yáng)研究區(qū)(p<0.05)。

由圖3可知，榆陽(yáng)、鹽池研究區(qū)土壤電導(dǎo)率在3種微生境間均無差異性；沙坡頭研究區(qū)土壤電導(dǎo)率表現(xiàn)為油蒿最高，裸地次之，而檸條最低。3種微生境土壤電導(dǎo)率均表現(xiàn)為沙坡頭和鹽池研究區(qū)顯著高于榆陽(yáng)研究區(qū)(p<0.05)。

圖3 不同灌叢微生境土壤pH值和電導(dǎo)率

2.1.4 土壤全碳、全氮 由圖4可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤全碳表現(xiàn)為油蒿顯著高于檸條和裸地(p<0.05)；鹽池研究區(qū)土壤全碳表現(xiàn)為檸條高于油蒿和裸地(p<0.05)；沙坡頭研究區(qū)3種微生境間無顯著差異。并且，3種微生境土壤全碳均表現(xiàn)為鹽池研究區(qū)最高，榆陽(yáng)研究區(qū)次之，而沙坡頭研究區(qū)最低。

圖4 不同灌叢微生境土壤全碳、全氮

從圖4可知，榆陽(yáng)研究區(qū)土壤全氮表現(xiàn)為油蒿顯著高于檸條和裸地(p<0.05)；鹽池研究區(qū)土壤全氮表現(xiàn)為檸條顯著高于油蒿和裸地(p<0.05)；沙坡頭研究區(qū)3種微生境間無顯著差異。并且，檸條微生境土壤全氮表現(xiàn)為鹽池最高，榆陽(yáng)次之，而沙坡頭最低；油蒿和裸地微生境土壤全氮均表現(xiàn)為榆陽(yáng)研究區(qū)最高，鹽池研究區(qū)次之，而沙坡頭研究區(qū)最低。

2.1.5 灌叢微生境土壤屬性的富集率 土壤屬性的富集程度可用土壤富集率表示。由表3看出，在不同降水研究區(qū)檸條、油蒿灌叢下土壤屬性均表現(xiàn)出不同程度的富集。在榆陽(yáng)、沙坡頭研究區(qū)油蒿灌叢對(duì)土壤細(xì)沙粒、全碳的富集要高于檸條灌叢；鹽池研究區(qū)檸條灌叢對(duì)土壤黏粉粒、細(xì)沙粒、土壤全碳、全氮的富集要高于油蒿灌叢。檸條灌叢微生境下對(duì)土壤黏粉粒、細(xì)沙粒、粗沙粒、全碳富集最高為鹽池研究區(qū)，油蒿灌叢微生境下對(duì)土壤細(xì)沙粒、全碳、全氮富集最高為沙坡頭研究區(qū)。

表3 研究區(qū)不同降水灌叢下土壤屬性的富特征

2.2 灌叢微生境地表植被分布

由表4可知，榆陽(yáng)研究區(qū)微生境間相似性系數(shù)分別為0.50，0.45，0.50，說明在榆陽(yáng)研究區(qū)檸條與油蒿、檸條與裸地、油蒿與裸地微生境間物種相似性均表現(xiàn)為中等相似；鹽池研究區(qū)檸條與油蒿、檸條與裸地、油蒿與裸地微生境間相似性系數(shù)分別為0.20，0.31，0.62，說明在鹽池研究區(qū)檸條與油蒿、裸地間物種相似性分別為極不相似和中等不相似，而油蒿與裸地間物種相似性為中等相似；沙坡頭研究區(qū)檸條與油蒿、檸條與裸地、油蒿與裸地微生境間物種相似性系數(shù)分別為0.00，1.00，0.00，說明在沙坡頭研究區(qū)油蒿與檸條、裸地間物種相似性為極不相似，而檸條與裸地相似性為極相似。

表4 灌叢微生境地表草本物種的Jaccard系數(shù)

整體來看，榆陽(yáng)和鹽池研究區(qū)3種微生境有草本植被分布，而沙坡頭研究區(qū)僅檸條和裸地微生境中有草本植被分布。由表5可知，草本植物物種數(shù)既受到微生境的顯著影響，亦受到研究區(qū)的顯著影響。草本植物個(gè)體數(shù)受到微生境的顯著影響，而受到研究區(qū)的影響較小。草本植物高度受到研究區(qū)的顯著影響較大，而受到微生境的影響較小。

表5 研究區(qū)和微生境對(duì)地表草本物種數(shù)、個(gè)體數(shù)和高度的雙因素方差分析

由圖5可知，榆陽(yáng)研究區(qū)植物物種數(shù)表現(xiàn)為油蒿顯著低于檸條和裸地(p<0.05)；鹽池研究區(qū)植物物種數(shù)表現(xiàn)為檸條、油蒿無顯著差異，但均顯著低于裸地；沙坡頭研究區(qū)植物物種數(shù)表現(xiàn)為檸條、裸地間無顯著差異。并且，檸條微生境中植物物種數(shù)表現(xiàn)為沙坡頭顯著低于榆陽(yáng)、鹽池(p<0.05)；而油蒿、裸地微生境表現(xiàn)為鹽池>榆陽(yáng)>沙坡頭(p<0.05)。

由圖5可知，榆陽(yáng)研究區(qū)植物個(gè)體數(shù)表現(xiàn)為檸條顯著高于油蒿、裸地(p<0.05)；鹽池研究區(qū)植物個(gè)體數(shù)在3種微生境間無顯著差異；沙坡頭研究區(qū)檸條與裸地間無顯著差異。并且，檸條微生境植物個(gè)體數(shù)表現(xiàn)為3個(gè)研究區(qū)間無顯著差異；油蒿微生境則表現(xiàn)為：鹽池>榆陽(yáng)>沙坡頭(p<0.05)；裸地微生境植物個(gè)體數(shù)表現(xiàn)為榆陽(yáng)顯著低于鹽池、沙坡頭(p<0.05)。

由圖5可知，榆陽(yáng)研究區(qū)植物高度在3種微生境間無顯著差異；鹽池研究區(qū)植物高度表現(xiàn)為檸條顯著高于油蒿和裸地(p<0.05)；沙坡頭研究區(qū)植物高度表現(xiàn)為檸條和裸地?zé)o顯著差異。并且，3種微生境間植物高度均表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)顯著低于榆陽(yáng)、鹽池研究區(qū)(p<0.05)。

圖5 不同研究區(qū)灌叢微生境地表草本植物物種數(shù)、個(gè)體數(shù)及高度分布

2.3 植物群落與土壤性質(zhì)間的關(guān)系

由表6可知，榆陽(yáng)研究區(qū)植物物種數(shù)與土壤粗沙粒含量(p<0.05)呈正相關(guān)關(guān)系，而與土壤pH值(p<0.05)、電導(dǎo)率(p<0.01)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。植物個(gè)體數(shù)與土壤粗沙粒含量呈正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，而與土壤容重(p<0.05)，pH值(p<0.01)，電導(dǎo)率(p<0.05)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。植物高度與土壤細(xì)沙粒含量(p<0.01)，土壤含水量(p<0.05)呈正相關(guān)關(guān)系，而與土壤黏粉粒、全碳、全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

表6 不同研究區(qū)植物群落數(shù)量特征、土壤性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)

鹽池研究區(qū)植物物種數(shù)與土壤細(xì)沙粒含量、容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而與土壤黏粉粒含量、電導(dǎo)率、全碳、全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。植物個(gè)體數(shù)與土壤細(xì)沙粒含量、容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而與土壤黏粉粒含量、電導(dǎo)率、全碳、全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。植物高度與土壤全碳呈正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，而與土壤含水量(p<0.05)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

沙坡頭研究區(qū)植物物種數(shù)與土壤細(xì)沙粒含量、容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。植物個(gè)體數(shù)與細(xì)沙粒含量、容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)，而與土壤pH值、全氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。植物高度與土壤容重(p<0.01)、細(xì)沙粒含量(p<0.05)呈正相關(guān)關(guān)系，而與土壤pH值、全氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。

3 討 論

人工栽植固沙灌叢的生長(zhǎng)過程中對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，但不同土壤性質(zhì)間存在較大差異[19]。土壤粒徑分布影響土壤肥力狀況和土壤侵蝕等，是土壤重要的物理性質(zhì)之一[20]。本研究中，3種微生境在3個(gè)研究區(qū)間土壤粒徑組成分布存在顯著差異。榆陽(yáng)和鹽池研究區(qū)微生境中土壤粒徑分布包括土壤黏粉粒、細(xì)沙粒、粗沙粒，這與楊帆等[21]研究結(jié)果相似。但在沙坡頭研究區(qū)沒有土壤黏粉粒和粗沙粒，只有細(xì)沙粒，這與李超等[22]的研究結(jié)果相似，在騰格里沙漠研究發(fā)現(xiàn)，沙丘沙粒的總體結(jié)構(gòu)是細(xì)沙粒，黏粉粒含量很少，不含粗沙粒。并且，在榆陽(yáng)研究區(qū)油蒿顯著增加了土壤黏粉粒含量，而檸條中土壤粗沙粒含量較高。該研究區(qū)油蒿較檸條低矮[23]，近地層分支多，表層極細(xì)物質(zhì)容易積累，使得土壤黏粉粒含量較高。在鹽池研究區(qū)油蒿降低土壤黏粉粒含量，這是由于油蒿灌叢根系淺且不發(fā)達(dá)，土壤易粗?；?，導(dǎo)致土壤黏粉粒含量減少[23-24]。在沙坡頭研究區(qū)只含有土壤細(xì)沙粒，因此灌叢微生境間土壤粒徑無顯著差異。從灌叢微生境來看，檸條和裸地對(duì)土壤黏粉粒表現(xiàn)為榆陽(yáng)研究區(qū)低于鹽池研究區(qū)，而油蒿土壤黏粉粒則表現(xiàn)為兩個(gè)研究區(qū)間無顯著差異性。說明油蒿灌叢低矮，淺層土壤根系較多，這對(duì)降雨的侵蝕作用會(huì)起到一定緩沖作用，使得油蒿下土壤黏粉粒在研究區(qū)間差異縮小。

本研究中，灌叢微生境對(duì)土壤含水量的影響并不顯著，這劉任濤等[25]、李新榮等[4]的研究結(jié)果不同。原因是本研究樣地屬于封育多年的灌叢林地，從而導(dǎo)致土壤含水量相對(duì)均勻性分布的緣故。但不同微生境下土壤含水量在3個(gè)研究地區(qū)間存在顯著差異，均表現(xiàn)為鹽池最高，榆陽(yáng)次之，沙坡頭最低，這與3個(gè)研究地區(qū)的降水量和潛在蒸散量(表1)密切相關(guān)。榆陽(yáng)研究區(qū)檸條顯著降低了土壤容重。這主要是檸條近地表分支較油蒿少[26]，受風(fēng)吹影響較大，從而使檸條灌叢下土壤相對(duì)疏松，使得土壤容重降低。鹽池、沙坡頭研究區(qū)不同微生境間無顯著差異，說明在鹽池、沙坡頭研究區(qū)灌叢的栽植對(duì)土壤容重的影響很小，這與鹽池、沙坡頭研究區(qū)土壤容重本身變異效果較小有關(guān)[27]。微生境下土壤容重在3個(gè)研究區(qū)間存在一定差異，檸條和裸地土壤容重表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)高于榆陽(yáng)、鹽池研究區(qū)，這與3個(gè)研究區(qū)的土壤粒徑有一定的關(guān)系。有研究表明，土壤黏粉粒含量越高，則土壤容重越??；土壤沙粒含量越高，土壤容重越高[27]。

這是因?yàn)闄帡l為深根系灌木，植物冠幅大，樹體光滑，其較容易產(chǎn)生樹干徑流，較多的樹干徑流流向土壤，同時(shí)大氣沉降物含有一些酸性物質(zhì)附著于冠層，降雨后受雨水洗脫而進(jìn)入土壤[28]。3種微生境在3個(gè)研究區(qū)對(duì)土壤pH值的影響均表現(xiàn)為榆陽(yáng)顯著低于鹽池、沙坡頭。榆陽(yáng)研究區(qū)土壤為灰褐土[12]，土壤中偏酸性[28]；鹽池、沙坡頭研究區(qū)分別為灰鈣土、灰漠土[13,14]，土壤均中偏堿性[28]。本研究結(jié)果中，土壤電導(dǎo)率受灌叢微生境的影響較小。僅沙坡頭研究區(qū)檸條顯著降低了土壤電導(dǎo)率，這與檸條灌叢可降低土壤中含鹽量，進(jìn)而導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率較低密切相關(guān)。不同灌叢微生境土壤電導(dǎo)率在3個(gè)研究區(qū)均表現(xiàn)為榆陽(yáng)研究區(qū)小于鹽池、沙坡頭研究區(qū)。原因在于榆陽(yáng)研究區(qū)降雨量比鹽池、沙坡頭研究區(qū)高(表1)，土壤鹽分隨水分下滲，表層土壤鹽含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致電導(dǎo)率降低[12-14,29]，同時(shí)鹽池、沙坡頭研究區(qū)的地帶性土壤類型分別為灰鈣土、灰漠土(表1)，這些土壤易鹽化、堿化，使得土壤電導(dǎo)率要高于榆陽(yáng)。

在榆陽(yáng)研究區(qū)均表現(xiàn)為油蒿顯著提高土壤全碳、全氮含量，而鹽池研究區(qū)表現(xiàn)為檸條顯著提高土壤全碳、全氮含量。常海濤等[29]研究得出土壤全碳、全氮含量與土壤黏粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，黏粉粒越高，土壤全碳、全氮越高。沙坡頭研究區(qū)土壤全碳、全氮在不同微生境間無差異，主要是沙坡頭研究區(qū)只含有土壤細(xì)沙，且3種微生境間土壤細(xì)沙粒無顯著差異，而土壤細(xì)沙粒與土壤全碳、全氮呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[30]，從而導(dǎo)致土壤全碳、全氮含量無顯著差異。灌叢微生境下土壤全碳、全氮在3個(gè)研究區(qū)均表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)最低[31]。研究表明土壤全碳、全氮含量隨降水梯度遞減呈遞減趨勢(shì)，而沙坡頭研究區(qū)較榆陽(yáng)、鹽池研究區(qū)降水量為最低(表1)。說明隨降雨量減少，灌叢對(duì)土壤養(yǎng)分改善作用逐漸降低。

在灌叢土壤表層(0—20 cm)，灌叢下土壤屬性受到植被和大氣沉降以及降雨的淋溶作用的影響，檸條和油蒿土壤粒徑和養(yǎng)分均有向灌叢下聚集的表現(xiàn)〔E(RR)>1〕，該研究中不同降水下檸條、油蒿對(duì)土壤屬性的富集效果不同?？傮w上榆陽(yáng)、沙坡頭研究區(qū)油蒿灌叢的土壤屬性富集高于檸條灌叢，相對(duì)檸條灌叢(高度：126.67±1.41 cm)，油蒿灌叢的高度低、矮(高度：71.33±1.81 cm)，灌叢的遮蔽和凋落物的捕獲積累作用更為明顯[3]。鹽池研究區(qū)檸條灌叢的土壤屬性富集高于油蒿灌叢，這與之前研究結(jié)果有所差異。油蒿灌叢側(cè)根將周圍土壤中的養(yǎng)分吸收后，一部分供植物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，一部分通過凋落物的形式聚集到冠層下形成養(yǎng)分庫(kù)，同時(shí)油蒿灌叢的主根分布在土壤表層[32]，這可能導(dǎo)致油蒿對(duì)土壤屬性的富集較檸條灌叢少的重要原因。檸條灌叢下對(duì)土壤黏粉粒、細(xì)沙粒、粗沙粒、全碳富集在鹽池研究區(qū)富集相對(duì)較高，這是因?yàn)樵邴}池研究區(qū)檸條灌叢對(duì)土壤具有正向促進(jìn)作用；油蒿下沙坡頭研究區(qū)對(duì)土壤細(xì)沙粒、全碳、全氮富集相對(duì)較高，這是因?yàn)楦珊蛋敫珊倒鄥病胺蕧u”效應(yīng)的發(fā)育程度隨干旱程度的增加而增加[33]，而沙坡頭研究區(qū)降水最少，灌叢“肥島”效應(yīng)較強(qiáng)。

除了對(duì)土壤性質(zhì)產(chǎn)生較大影響外，灌叢對(duì)草本植物分布特征亦產(chǎn)生較大影響。通過灌叢微生境地表草本物種的Jaccard系數(shù)表明，檸條、油蒿、裸地間植物組成在榆陽(yáng)相似度表現(xiàn)為中等不相似。說明榆陽(yáng)研究區(qū)檸條、油蒿灌叢與裸地相比物種更替率均低。在鹽池3種微生境間植物組成表現(xiàn)為不相似，而油蒿與裸地間植物組成表現(xiàn)為中等相似，說明和榆陽(yáng)研究區(qū)相比，鹽池研究區(qū)檸條與油蒿、裸地間植物物種更替率較高。在沙坡頭研究區(qū)油蒿灌叢與檸條、裸地間植物組成表現(xiàn)為極不相似，而檸條與裸地間表現(xiàn)為極相似，說明油蒿與檸條、裸地相比物種更替率較高。不同降水研究區(qū)灌叢微生境間表現(xiàn)的物種相似性不同，這是因?yàn)殡S著降水梯度變化，灌叢微生境對(duì)降雨截留量不同，進(jìn)而對(duì)植被的影響也不同。有研究表明，降雨量過大時(shí)，灌叢截流量少，而降雨量少時(shí)，灌叢截留量多[33]。本研究榆陽(yáng)研究區(qū)降雨量高，可能導(dǎo)致不同灌叢結(jié)構(gòu)對(duì)降雨截留量的影響較少，導(dǎo)致在榆陽(yáng)研究區(qū)灌叢微生境間土壤水分差異較小而導(dǎo)致草本植物物種組成分布差異較??；但鹽池、沙坡頭研究區(qū)降水量少，不同灌叢截留量對(duì)降雨的影響較大，因此在鹽池、沙坡頭研究區(qū)灌叢微生境間物種存在較大差異。

地表草本植物物種數(shù)既受到研究區(qū)的影響又受到灌叢微生境的影響，在榆陽(yáng)研究區(qū)植物物種數(shù)油蒿顯著低于裸地和檸條。因?yàn)橛荜?yáng)研究區(qū)油蒿灌叢下土壤pH比裸地和檸條高(見圖2)，而在榆陽(yáng)研究區(qū)土壤pH與地表草本物種數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表7)，這與前人的研究結(jié)果相一致[34-35]。鹽池研究區(qū)檸條、油蒿生境中植物物種數(shù)均顯著低于裸地，因?yàn)辂}池降水量較少(表1)，灌叢對(duì)降水有一定截留，從而與地表草本形成一定競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系降低草本植物物種分布[36]。沙坡頭研究區(qū)油蒿下植物物種數(shù)顯著低于檸條和裸地，這與沙坡頭研究區(qū)降水量低密切相關(guān)(表1)。在沙坡頭研究區(qū)，灌叢對(duì)降水截留性嚴(yán)重，灌叢與植被間競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，加之油蒿在秋季比檸條含有較高排他性物質(zhì)，如單酚、單寧物質(zhì)[34]，促使油蒿下植物物種數(shù)極少甚至沒有。同一灌叢微生境下不同研究區(qū)均表現(xiàn)為沙坡頭研究區(qū)物種數(shù)最少，這與研究區(qū)間降水量分布差異密切有關(guān)。

地表草本植物個(gè)體數(shù)僅受到灌叢微生境影響。在榆陽(yáng)檸條灌叢下草本植物個(gè)體數(shù)顯著多于油蒿、裸地。這與榆陽(yáng)研究區(qū)土壤pH值有一定關(guān)系。相關(guān)分析表明，植物個(gè)體數(shù)與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與裴世芳等[35]研究結(jié)果相同。說明土壤pH值越低，植物個(gè)體數(shù)越多。本研究中土壤pH值在榆陽(yáng)均表現(xiàn)為檸條顯著低于油蒿、裸地。在鹽池、沙坡頭研究區(qū)植物個(gè)體數(shù)在不同微生境間無顯著差異，這與土壤容重密切相關(guān)[36]。本研究結(jié)果中土壤容重在鹽池、沙坡頭在灌叢微生境間無顯著差異。地表草本植物高度表征了植物個(gè)體的生長(zhǎng)狀況[37]。在榆陽(yáng)研究區(qū)3個(gè)微生境間草本植物高度無顯著差異，原因是干旱區(qū)土壤水分條件對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用[38]，3個(gè)灌叢間土壤含水量分布相似決定了植物生長(zhǎng)高度呈現(xiàn)出相似性。在鹽池研究區(qū)草本植物高度表現(xiàn)為檸條顯著高于油蒿、裸地，這與灌叢微生境間土壤全碳含量分布密切相關(guān)[35]。本試驗(yàn)中鹽池土壤全碳含量表現(xiàn)為檸條灌叢顯著高于油蒿灌叢、裸地。從表6中可知，植物高度在同一灌叢微生境下不同研究區(qū)均表現(xiàn)為沙坡頭最低。沙坡頭降水量為最低(表1)，說明供植物生長(zhǎng)所需提供的水分最低，從而導(dǎo)致草本植物高度較低。

4 結(jié) 論

(1) 榆陽(yáng)研究區(qū)檸條灌叢可降低土壤容重，油蒿灌叢下土壤黏粉粒增加，土壤養(yǎng)分增加，說明這兩種灌叢對(duì)土壤均有一定的正向作用，同時(shí)檸條灌叢可提高植物物種數(shù)和個(gè)體數(shù)，因此檸條、油蒿栽植可作為該研究區(qū)重要的固沙灌叢選擇。

(2) 鹽池研究區(qū)檸條灌叢下土壤容重較低，有機(jī)質(zhì)含量較高，說明檸條灌叢對(duì)鹽池研究區(qū)土壤修復(fù)具有正向作用，同時(shí)檸條灌叢下草本植物高度增高，因此檸條可作為該研究區(qū)的最佳固沙灌叢。

(3) 沙坡頭研究區(qū)檸條、油蒿灌叢均對(duì)土壤理化性質(zhì)也有一定的影響，但油蒿下無草本植被分布，因此檸條可作為該研究區(qū)的最佳固沙灌叢選擇。

(4) 綜合表明，隨降水量增加，灌叢微生境土壤細(xì)沙粒含量、土壤容重和土壤電導(dǎo)率降低，而土壤養(yǎng)分相對(duì)增加，草本植物物種數(shù)、個(gè)體數(shù)、高度均相對(duì)增加。說明降水量對(duì)灌叢的生態(tài)功能具有重要調(diào)控作用。