烏拉特荒漠區(qū)植被類型及土壤特征

馮 霜，趙宏勝，郭建英，蘭登明，趙杏花*

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010010；2 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所 呼和浩特 010020)

烏拉特荒漠位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部，草原面積達(dá)5.09×104km2，可利用面積4.139×104km2，其中86.6%屬于荒漠半荒漠草場。烏拉特荒漠地處半干旱區(qū)與干旱區(qū)的過渡帶[1]，生物多樣性極高，生物資源豐富，且蘊(yùn)藏著許多珍稀瀕危物種，如華北駝絨藜(Ceratoidesarborescens)、內(nèi)蒙亞菊(Ajaniaalabasica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等均為中國珍稀瀕危植物[2]。由于該區(qū)的環(huán)境特殊，植被由旱生灌木和多年生草本共同構(gòu)成較穩(wěn)定的荒漠生態(tài)系統(tǒng)[3]。有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)烏拉特荒漠草原有野生木本植物85種，隸屬于27科，46屬[4]；小針茅(Stipaklemenzii)群落的植被蓋度高于芨芨草(Achnatherumsplendens)和紅砂(Reaumuriasongarica)群落[5]；強(qiáng)旱生灌木、半灌木通常在群落中為優(yōu)勢物種或建群種，其中以紅砂為建群種的植物群落具有更高的穩(wěn)定性[6-7]等。目前，對于烏拉特荒漠區(qū)植被及其土壤因子相關(guān)性分析研究較少，鑒于此，本研究對該區(qū)植被資源現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，整理植物名錄，研究該區(qū)植物組成、生活型、水分生態(tài)類型、植被類型及其與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)關(guān)系，從而明確荒漠區(qū)域的范圍，為中國荒漠植物群落類型數(shù)據(jù)庫的更新，以及中國荒漠植物群落各類型分布圖集的編制提供數(shù)據(jù)支撐，還可以對烏拉特荒漠區(qū)植被經(jīng)營管理提供依據(jù)和基礎(chǔ)資料，進(jìn)而合理地保護(hù)和利用該區(qū)的植被。

1 研究區(qū)概況

烏拉特荒漠位于陰山北麓，成條帶狀分布，北與蒙古國接壤，南靠陰山，西連阿拉善盟，東臨包頭市。主要包括烏拉特中旗和烏拉特后旗，年均氣溫2～5 ℃，具有強(qiáng)烈的大陸性氣候特點(diǎn)，年平均降水量15～230 mm，土壤類型為棕鈣土和灰棕漠土。植被以荒漠為主，主要建群種為珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂、梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)，廣布伴生草本層片主要植物種有短花針茅(Stipabreviflora)、堿韭(Alliumpolyrhizum)、小針茅等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查點(diǎn)布設(shè)原則

為全面掌握研究區(qū)植物種類組成、生境條件，以及植被類型現(xiàn)狀，以1∶100萬中國植被圖和區(qū)域群落記載資料為基礎(chǔ)，對比MODIS 250 m×250 m數(shù)據(jù)集與《中國植被分布圖》，采用10 km×10 km網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)查點(diǎn)位布設(shè)，確保研究區(qū)中每一種主要自然植被類型都能得到調(diào)查，調(diào)查植物群落樣點(diǎn)合計120個。

2.2 群落調(diào)查

調(diào)查時間為2018年和2019年的8-9月，利用GPS定位到每個選定的調(diào)查點(diǎn)上，選擇目標(biāo)植物群落，在中心位置布設(shè)一個100 m×100 m的大樣方，大樣方內(nèi)設(shè)置5個10 m×10 m的灌木樣方和9個1 m×1 m的草本樣方(圖1)，共計120個大樣方，600個灌木樣方，1 080個草本樣方。通過調(diào)查分析樣方內(nèi)灌木的種類、密度、高度、冠幅，以及在草本樣方內(nèi)調(diào)查群落物種組成、密度、高度等指數(shù)值，依次在樣地內(nèi)對每個樣方詳查，展開對植物群落的調(diào)查記錄。同時在樣地內(nèi)近中心點(diǎn)挖取一個1.5 m×1.1 m×1.2 m的土壤剖面,利用環(huán)刀分6層進(jìn)行取樣,每層設(shè)置3個重復(fù),分層方法為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm，共計720個土樣。同時每層自上而下均勻取1 kg土樣裝于密封袋內(nèi)，帶回實(shí)驗室測定土壤相關(guān)因子。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

群落類型的確定采用重要值法。重要值是用來表示某個種在群落中的地位和作用的綜合數(shù)量指標(biāo)。在計算、評估物種多樣性時，以綜合數(shù)值表示植物物種在群落中的相對重要性。公式如下所示：

(1)重要值=(CR+HR+DR)/3

式中：CR表示相對蓋度；HR表示相對高度；DR表示相對密度。

(2)物種多樣性計算

植被群落多樣性指數(shù)采用Margalef豐富度指數(shù)(R)、Pielou均勻度指數(shù)(E)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)進(jìn)行分析[8]，其計算公式為[9-10]：

R=(S-1)/lnN

E=H/lnS

Pi=Ni/N

S.灌木樣方；H.草本樣方圖1 野外實(shí)地調(diào)查樣地布設(shè)示意圖S.Shrub sample plot；H.Herb sample plotFig.1 Diagram of field survey sample plot

式中：S為樣地植物種數(shù)，N為總體個數(shù)，Ni為第i個種的個數(shù)。

(3)土壤理化性質(zhì)測定方法

土壤有機(jī)質(zhì)的測定用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮的測定用半微量開氏蒸餾法，土壤全磷的測定用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法，物理性質(zhì)數(shù)據(jù)測定參考《土壤農(nóng)化分析》[11]。

(4)植被與土壤的相關(guān)性分析

數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行整理，利用 SPSS 19.0軟件進(jìn)行群落多樣性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析[12-13]。

3 結(jié)果與分析

3.1 烏拉特荒漠植物種類及其組成

烏拉特荒漠植被主要由超旱生灌木和多年生草本植物組成，木本植物44種，如細(xì)枝鹽爪爪(Kalidiumgracile)、白刺(Nitrariatangutorum)、木本豬毛菜(Salsolaarbuscula)、細(xì)枝巖黃芪(Hedysarumscoparium)等；草本93種，以苦豆子(Sophoraalopecuroides)、賴草(Leymussecalinus)、駱駝蓬(Peganumharmala)等多年生草本為主[14-19]。

由表1可知，研究區(qū)植物25科80屬137種，植物種數(shù)大小排序依次為藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)等。其中，藜科14屬23種、菊科13屬23種、禾本科12屬23種，3科均占總物種數(shù)的16.79%，3科植物總種數(shù)所占比例達(dá)到研究區(qū)總植物種數(shù)的50%以上，為該區(qū)的優(yōu)勢科。豆科6屬18種，占總物種數(shù)的13.14%，蒺藜科(Zygophyllaceae)5屬9種，另十字花科(Crueiferae)、百合科(Liliaceae)各包括5種植物；蓼科(Polygonaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)均占總物種數(shù)的2.92%；薔薇科(Rosaceae)、鳶尾科(Iridaceae)各含3種植物；紫草科(Boraginaceae)、檉柳科(Tamaricaceae)、旋花科(Convolvulaceae)均含有2種植物，均占研究區(qū)的1.46%；其他科均只有1屬1種，共計11科，均占研究區(qū)植物總種數(shù)的0.73%。

表1 烏拉特荒漠植物物種科屬組成Table 1 Family and genus composition of plant species in Wulat desert

3.2 生活型及水分生態(tài)類型

根據(jù)《中國植被》中生活型分類法，將烏拉特荒漠的137種植物可劃分為半灌木和小半灌木、灌木、多年生草本和一年生草本植物4類生活型(圖2)。其中，半灌木與小半灌木共有28種植物，以藜科和菊科植物居多，占總數(shù)的20.44%；灌木植物共16種，以豆科和蒺藜科植物居多，占總數(shù)的11.68%；多年生草本最多，主要由禾本科、菊科和豆科植物組成，占總數(shù)的43.80%；一年生草本植物33種，占總數(shù)的24.09%。

根據(jù)《內(nèi)蒙古植被》[1]將烏拉特荒漠植物種的水分生態(tài)類型劃分為5種類型，分別為典型中生、旱中生、中旱生、典型旱生和強(qiáng)旱生植物。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，旱生植物共105種，其中典型旱生最多，隸屬于19科34屬，占總數(shù)的36.50%，如沙生針茅(Stipaglareosa)、宿根亞麻(Linumperenne)、灰葉黃芪(Astragalusdiscolor)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)等；強(qiáng)旱生植物43種，隸屬于12科31屬，如沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、木本豬毛菜、紅砂、綿刺(Potaniniamongolica)等；中旱生植物12種，隸屬于6科10屬，如少花棘豆(Oxytropispauciflora)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和甘蒙錦雞兒(Caraganaopulens)，占區(qū)系總種數(shù)的8.76%。中生植物32種，其中典型中生18種，如狗尾草(Setariaviridis)、畫眉草(Eragrostispilosa)、地錦等(Euphorbiahumifusa)；旱中生植物14種，占區(qū)系總種數(shù)的10.22%。

3.3 烏拉特荒漠植被類型

根據(jù)《中國植被》中的植物群落學(xué)分類原則劃分研究區(qū)植被，可將研究區(qū)植被分為小喬木荒漠、灌木荒漠和半灌木、小半灌木荒漠3種植被亞型5種群系組，分別為典型灌木荒漠，草原化灌木荒漠，鹽柴類半灌木、小半灌木荒漠，多汁鹽柴類半灌木、小半灌木荒漠和蒿類半灌木、小半灌木荒漠，14個群系包括62個群叢(表2)。

表2 烏拉特荒漠植被類型Table 2 Vegetation types in Wulat desert

3.4 荒漠土壤養(yǎng)分特征

烏拉特荒漠區(qū)各植被類型所含樣點(diǎn)數(shù)各不同，以珍珠豬毛菜荒漠所含樣點(diǎn)數(shù)最多，占全部荒漠樣點(diǎn)數(shù)的16.35%，墊狀錦雞兒荒漠占全部荒漠樣點(diǎn)的14.42%，紅砂荒漠占全部荒漠樣點(diǎn)數(shù)13.46%，檸條錦雞兒樣點(diǎn)數(shù)占全部荒漠樣點(diǎn)數(shù)的6.73%，黑沙蒿荒漠所含樣點(diǎn)數(shù)占全部荒漠樣點(diǎn)數(shù)的4.81%，5種主要植被類型全部樣點(diǎn)數(shù)達(dá)到55.77%，為該區(qū)域主要群系，故選取以上區(qū)系做研究。

Ⅰ.半灌木和小半灌木;Ⅱ.灌木;Ⅲ.多年生草本;Ⅳ.一年生草本；A.典型中生;B.旱中生;C.中旱生;D.典型旱生;E.強(qiáng)旱生圖2 烏拉特荒漠植物生活型和水分生態(tài)型譜Ⅰ.Semi shrub and small semi shrub;Ⅱ.Shrub;Ⅲ.Perennial herb;Ⅳ.Annual herb;A.Typical mesophyte;B.Xerophytic;C.Medium xerophyte;D.Typical xerophytes;E.Strong xerophytesFig.2 Life forms and water ecotype spectrum of plants in Wulat desert

經(jīng)測定研究區(qū)土壤含水率為1.80%～21.60%，容重為1.60～1.72 g·cm-3，土壤孔隙度為31.54%～37.73%，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13～0.64 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19～0.38 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.90～7.11 g·kg-1(表3)。

表3 不同植被類型土壤主要性狀Table 3 Main soil properties of different vegetation types

3.5 荒漠多樣性指數(shù)與土壤特征的關(guān)系

由表4可知，研究區(qū)內(nèi)Margalef豐富度指數(shù)平均值為1.77，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值為1.49，Pielou均勻度指數(shù)平均值為0.64，各植被類型中均以建群種的重要值最高，植物種數(shù)分布在5～25種之間，物種較為單一。

表4 烏拉特荒漠區(qū)典型植被類型物種多樣性指數(shù)Table 4 Species diversity index of typical vegetation types in Wulat desert

對研究區(qū)內(nèi)的植物多樣性指數(shù)與土壤主要性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表5)表明Pielou均勻度指數(shù)與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均未達(dá)到顯著水平；Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與土壤容重、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)也均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均未達(dá)到顯著水平。

表5 植物多樣性指數(shù)與土壤主要性狀相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient between plant diversity index and main soil properties

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

騰格里沙漠[20]共有天然種子植物60科201屬382種，以多年生草本為主要植物生活型；寧夏東部風(fēng)沙區(qū)荒漠草原植物物種較為單一[21]，多集中在6～13種，這與本研究結(jié)果一致，物種數(shù)居于5～25種之間?；哪貐^(qū)由于降水量少蒸發(fā)量大，故植被稀少、物種單一。該區(qū)域植物組成簡單且以草本為主要生活型，氣候環(huán)境僅適合部分植物生存。

本研究發(fā)現(xiàn)烏拉特荒漠區(qū)植被有3個植被亞型、5個群系組、14個群系、62個群叢，而烏蘭布和沙漠有9個植被(亞)型、21個群系[22]，庫姆塔格沙漠植被有10個植被亞型、23個植被群系[23-25]，形成這一差別的原因在于烏拉特荒漠區(qū)地處陰山北麓中部地區(qū)，相對于烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠而言，騰格里沙漠地處干旱半干旱氣候類型區(qū)，烏拉特荒漠地處半干旱向干旱區(qū)過渡區(qū)，本研究區(qū)區(qū)域植物群落結(jié)構(gòu)變化不明顯，部分強(qiáng)旱生植物才能成為優(yōu)勢種形成穩(wěn)定層片。

土壤理化性質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要體現(xiàn)，是植物生長繁殖的重要支撐[26]。本研究結(jié)果顯示，土壤容重為1.60～1.72 g·cm-3，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.13～0.64 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19～0.38 g·kg-1，3種土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于中國西部地區(qū)土壤平均值，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.90～7.11 g·kg-1，該質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于西部地區(qū)土壤平均值[27-28]，這與該區(qū)降水少、近兩年偶遇蝗災(zāi)以及人為放牧產(chǎn)生的影響有關(guān)，土壤隨著外界壓力的增加，各土壤養(yǎng)分指數(shù)均有不同變化。

庫布齊沙漠不同植被類型的生產(chǎn)力受林分特征和土壤養(yǎng)分共同制約[29]，土壤含水量的差異會導(dǎo)致群落物種多樣性的變化。吳昊[30]對秦嶺松櫟林建群種形態(tài)及物種多樣性與土壤物理性質(zhì)的影響展開研究，發(fā)現(xiàn)容重與Patrick豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)及Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均呈顯著正相關(guān)，毛管持水量與Pielou均勻度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。烏蘭布和沙漠東北緣典型灌木群落植物豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)及多樣性指數(shù)與其土壤全氮、全磷、全鉀、全鹽量、有效磷、速效鉀、堿解氮、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系[31]，而與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[32]。本研究結(jié)果為Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均與土壤容重、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均未達(dá)到顯著水平，Pielou均勻度指數(shù)與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)關(guān)系也未達(dá)到顯著水平，與烏蘭布和沙漠的研究結(jié)果不一致，造成這一結(jié)果的原因可能與本研究區(qū)的放牧情況有關(guān)，且近兩年出現(xiàn)蝗災(zāi)情況，使得大部分植物并不能生長，土壤環(huán)境發(fā)生改變。

4.2 結(jié) 論

(1)烏拉特荒漠區(qū)共137種植物，隸屬于25科80屬，藜科、菊科、禾本科為研究區(qū)優(yōu)勢科。植物生活型以多年生草本為主，水分生態(tài)類型以典型旱生最多，占總數(shù)的36.50%。

(2)研究區(qū)植被以荒漠居多，占總數(shù)的82.5%，其中以半灌木、小半灌木荒漠最多，呈現(xiàn)出明顯的荒漠化趨向，荒漠化程度大。

(3)群落物種單一，均勻度指數(shù)與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)，豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)與土壤容重、全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)均呈負(fù)相關(guān)。土壤含水率是影響該區(qū)植物豐富度指數(shù)的決定性因子，與該區(qū)干旱少雨的環(huán)境相吻合。