錫林郭勒不同草原類型土壤養(yǎng)分與植物群落特征

喬慧 蒙仲舉 王寧 李浩年

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

錫林郭勒草原居于首都北京北側(cè)、內(nèi)蒙古高原東南緣,作為我國(guó)4大草原之一,是京津地區(qū)和北方地區(qū)生態(tài)屏障及中國(guó)重要畜產(chǎn)品基地,對(duì)生態(tài)環(huán)境維護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。近年來(lái),旱災(zāi)、雪災(zāi)和沙塵暴使得草原草場(chǎng)退化、沙化和生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題日益嚴(yán)重[2]。對(duì)錫林郭勒不同類型草原的植被特征和土壤養(yǎng)分進(jìn)行分析,有利于深入了解草原植被和土壤現(xiàn)狀,有助于維護(hù)祖國(guó)北疆重要的生態(tài)安全和平衡,生態(tài)意義重大。

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,草原植物生長(zhǎng)和發(fā)育所需的營(yíng)養(yǎng)主要來(lái)源于此[3]。土壤中的養(yǎng)分能給植物生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)條件與環(huán)境條件,對(duì)土地的可持續(xù)利用作用突出。碳(C)、氮(N)和磷(P)、鉀(K)作為土壤養(yǎng)分中的主要元素,是土壤必需養(yǎng)分,直接影響土壤中營(yíng)養(yǎng)成分含量,也是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)[4,5]。有研究表明,銨態(tài)氮(NH4＋-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、速效氮(AN)和速效磷(AP)作為土壤有效氮和有效磷的主要存在形式,相比全量養(yǎng)分,其含量變化容易在土壤中得以體現(xiàn),更能直觀反映出土壤中N、P養(yǎng)分的供需狀況[6]；除此之外,有機(jī)質(zhì)也是土壤養(yǎng)分的主要來(lái)源之一。

在植被恢復(fù)過(guò)程中,支持植被生長(zhǎng)的重要因子是土壤養(yǎng)分,同時(shí)植被恢復(fù)過(guò)程又能夠通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)反饋,反作用于土壤,從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分積累,改善其生境條件,使群落得以發(fā)展,因此土壤養(yǎng)分是植被恢復(fù)治理沙化的重要特征和支撐條件,植物群落特征是土壤肥力維護(hù)的表征和環(huán)境狀況指示[7,8]。植被作為草原生態(tài)系統(tǒng)特別重要的組成部分,是連接土壤、大氣和水分的重要紐帶,在物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)以及信息傳遞中發(fā)揮著重要作用,其空間分布是對(duì)地區(qū)地形地貌、土壤、氣候等要素長(zhǎng)期適應(yīng)的結(jié)果[9],而豐富的植物多樣性是建立和諧健康生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ),也是一個(gè)地區(qū)富有生命力和活力最直觀的體現(xiàn)[10]。大量研究指出,地上植被特征與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系對(duì)揭示生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系有著重要意義[11]。

目前關(guān)于錫林郭勒不同類型草原土壤養(yǎng)分及植被特征研究較少,因此本文就錫林郭勒荒漠草原和典型草原的土壤養(yǎng)分與植被特征做研究,旨在為草原生態(tài)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持,并對(duì)當(dāng)?shù)夭菰谋Ｗo(hù)管理和合理利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒草原地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部,主要位于錫林郭勒盟,在溫帶草原中極具有典型性與代表性,境內(nèi)自然資源豐富,地形主要以低山丘陵和平原為主,地勢(shì)大致由東南向西北傾斜,東南部多為低山和丘陵,盆地錯(cuò)落有致,西北地區(qū)地形多平坦,東北部為烏珠穆沁盆地,南部分布有渾善達(dá)克沙地,整體海拔在760～1926m,氣候多為大陸性干旱半干旱氣候,年降水量在150～350mm,降水多集中在7—9月,具有夏季溫暖、冬季寒冷的明顯季節(jié)性氣候特征。植物群落主要以旱生叢生禾草和根莖禾草為主,并伴有部分混生植物以及蔥屬植物,土壤主要有黑鈣土、栗鈣土、風(fēng)沙土等類型[12]。草原分為5大類,有草甸草原、典型草原、荒漠草原、沙地植被和其它草場(chǎng)類。典型草原主要分布于錫盟中部,是錫林郭勒草原的主體,地形以平原和低山丘陵為主,面積8933.33萬(wàn)hm2,占全盟草原的63%,而且地表水比較豐富,牧草質(zhì)量好,優(yōu)質(zhì)牧草占50%～60%?；哪菰挥阱a盟西部,面積282.87萬(wàn)hm2,占全盟草地面積的20%,植物群落主要由旱生叢生小禾草組成,并混生小半灌木與蔥屬植物,適宜飼養(yǎng)羊和駱駝[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取及土壤樣品采集

試驗(yàn)于2021年8月10—20日,在錫林郭勒荒漠草原和典型草原進(jìn)行植被調(diào)查及土壤樣品的采集。共布設(shè)9個(gè)樣點(diǎn),在每個(gè)樣點(diǎn)選取一塊植被生長(zhǎng)均勻、土壤和地形條件一致的代表性樣地,采用五點(diǎn)取樣法分別于樣地的中心及對(duì)角線上與中心距離相等的4個(gè)點(diǎn)處布設(shè)樣方進(jìn)行植被調(diào)查,樣方面積1m×1m。記錄樣方內(nèi)植物的種類、株數(shù)、高度和蓋度。同時(shí),在各樣方內(nèi)分別取表層土壤,將土壤樣品放于自封袋密封保存,用于測(cè)定土壤養(yǎng)分的相關(guān)指標(biāo)。每個(gè)樣點(diǎn)的植被和土壤樣品均為5個(gè)重復(fù)。具體采樣點(diǎn)基本情況見(jiàn)表1。

表1 采樣點(diǎn)基本情況

1.2.2 土壤測(cè)定項(xiàng)目與方法

將自封袋的土壤樣品在室內(nèi)自然陰干,過(guò)2mm土壤篩并去除雜物備用,測(cè)定土壤速效鉀、速效磷、堿解氮和有機(jī)質(zhì)。本研究測(cè)定土壤養(yǎng)分的方法參考《土壤農(nóng)化分析》[14],速效鉀(AK)采用熱硝酸溶液浸提,火焰光度法測(cè)定；速效磷(AP)碳酸氫鈉浸提,鉬銻抗比色法測(cè)定土壤有效磷含量；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)采用風(fēng)干土重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

植物多樣性選用Simpson多樣指數(shù)(D)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H),Pielou均勻度指數(shù)(E)進(jìn)行表征。計(jì)算公式如下。

Simpson多樣性指數(shù):

Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù):

Pielou均勻度指數(shù):

式中,Pj為每個(gè)物種所占比例；nj為第j個(gè)物種的個(gè)體數(shù)；N是樣方內(nèi)所有個(gè)體數(shù)；S為物種數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2016、SPSS 26軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,用Pearson法對(duì)不同樣點(diǎn)的土壤養(yǎng)分和植被特征進(jìn)行相關(guān)分析。Canoco5軟件分析植物群落物種多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分因子的冗余分析。冗余分析(RDA)是約束化的主成分分析,是基于結(jié)合對(duì)應(yīng)分析、多元回歸分析,計(jì)算的每一步都是和環(huán)境要素回歸,又稱多元直接梯度分析,此分析主要用來(lái)反映群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被特征分析

由表1、表2可知,不同類型草原的植被特征存在差異。自西向東從荒漠草原到典型草原,群落平均高度、地上生物量和物種數(shù)目及多樣性指數(shù)逐漸增長(zhǎng)?；哪菰袠狱c(diǎn)2的植物種數(shù)目最少,僅有2種,而典型草原樣點(diǎn)5的植物種類多達(dá)11種?；哪菰闹脖蝗郝淦骄叨葹?2.38cm,而典型草原的植被群落平均高度達(dá)到了29.73cm。Simpson和Shannon-Wiener多樣性指數(shù),典型草原略高于荒漠草原,各多樣性指數(shù)在2種草原類型間變化微弱,差異均不顯著。Pielou均勻度指數(shù)典型草原比荒漠草原低0.01,典型草原和荒漠草原Pielou均勻度指數(shù)都略小且差異細(xì)微,說(shuō)明其物種分布比較均勻。

表2 荒漠草原和典型草原植被特征

2.2 土壤養(yǎng)分分析

不同草原類型土壤速效鉀磷、堿解氮以及有機(jī)質(zhì)含量特征變化見(jiàn)表3?；哪菰偷湫筒菰芯繀^(qū)表層土壤速效磷平均含量為0.136mg·kg-1和0.142mg·kg-1,堿解氮含量平均值分別為2.08mg·kg-1、3.63mg·kg-1,兩者含量極低均不能滿足植被生長(zhǎng)和發(fā)育的需求,需要采取人工補(bǔ)給措施。而典型草原土壤中速效鉀含量在57.40～6.40mg·kg-1,一部分處于中級(jí)水平能夠滿足植被生長(zhǎng),剩余部分和荒漠草原需要人為干預(yù),使鉀含量滿足植被生長(zhǎng)所需,2個(gè)不同類型草原有機(jī)質(zhì)含量平均值為14.18g·kg-1、15.69g·kg-1,均達(dá)到了中級(jí)水平,表明錫林郭勒草原有機(jī)質(zhì)含量較其余4個(gè)速效養(yǎng)分含量高。土壤中的氮、磷、鉀等元素是植物生長(zhǎng)的必需物質(zhì),尤其在荒漠干旱地區(qū),氮素對(duì)植被影響明顯,而磷是植物生長(zhǎng)必需的3大的元素之一,也是植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程中重要的無(wú)機(jī)成分[16],因此需多方面采取方法以提高土壤中所缺少的養(yǎng)分。

不同指標(biāo)含量的分等評(píng)價(jià)表見(jiàn)表4,對(duì)不同養(yǎng)分含量進(jìn)行分等描述,有利于為研究區(qū)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)打下基礎(chǔ)。由表3、表4可知,荒漠草原,速效鉀含量處于第5級(jí)和第6級(jí),水平為低和極低；速效磷和堿解氮含量均為第6級(jí),含量極低；而有機(jī)質(zhì)含量為第4級(jí),水平中等。典型草原,速效鉀含量跨4～6 3個(gè)等級(jí),有中、低、極低3個(gè)水平；速效磷和堿解氮含量為第6級(jí),含量極低；有機(jī)質(zhì)含量處于第4級(jí),水平中等。研究區(qū)土壤AN、AP、TN、SOM 4項(xiàng)指標(biāo)的平均含量在2種草原類型中表現(xiàn)為典型草原＞荒漠草原。說(shuō)明這4項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)含量隨著草原類型的變化具有相似的分布特點(diǎn),即由東向西隨著水分的遞減氣溫的遞增呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

表3 荒漠草原和典型草原土壤養(yǎng)分含量變化特征

表4 不同養(yǎng)分含量分等評(píng)價(jià)體系

2.3 土壤養(yǎng)分與植被特征的相關(guān)性

對(duì)不同類型草原的土壤養(yǎng)分和植被特征進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,結(jié)果表明,部分草原類型植被均勻度指數(shù)與土壤速效鉀為顯著正相關(guān)關(guān)系,而土壤養(yǎng)分中堿解氮含量和植被多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)均為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

冗余性分析中的排序圖,環(huán)境因子用藍(lán)色箭頭表示,群落多樣性因子用紅色箭頭表示,因子與排序軸間的正負(fù)關(guān)系用箭頭所在的象限表示,環(huán)境因子與多樣性指數(shù)的相關(guān)程度用環(huán)境因子從原點(diǎn)開(kāi)始到箭頭的連線長(zhǎng)度表示,連接線越短,相關(guān)性越小,反之越大。排序軸與箭頭連線的夾角、各箭頭之間連線的夾角表示兩因子之間的相關(guān)性,角度呈頓角時(shí),表明負(fù)相關(guān)關(guān)系,反之為正相關(guān)關(guān)系,夾角越大,相關(guān)性越小[15]。表6表明在排序軸的第1軸和第4軸,土壤養(yǎng)分因子可以很好地解釋植物群落多樣性與均勻度,其中2個(gè)軸的解釋率高達(dá)96%。由圖1可知,土壤速效磷和速效鉀與2個(gè)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)都是正相關(guān),其中速效鉀對(duì)其影響更大,這一結(jié)果也支持了相關(guān)性分析。對(duì)群落多樣性和均勻度影響的土壤養(yǎng)分因子排序?yàn)锳K＞AP＞SOM＞AN。

表5 植被特征與土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)

圖1 土壤養(yǎng)分因子與植物群落特征之間的冗余性分析

表6 土壤養(yǎng)分因子與植物群落特征之間的冗余性分析

3 討論

土壤中的養(yǎng)分能夠不斷地供應(yīng)和協(xié)調(diào)植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的要素,在本研究中不同草原類型表層土壤所含的速效鉀、速效磷、堿解氮與有機(jī)質(zhì)均是典型草原較高于荒漠草原,這與史激光[17]的研究結(jié)果相似。在常帥等[18]研究中表明,錫林郭勒草原土壤堿解氮存在顯著的空間分異規(guī)律,水平方向上各土層深度AN含量均呈條帶狀分布并具有從東至西逐漸減少的趨勢(shì)；垂直方向上,隨著土層深度的增加,土壤AN含量逐層遞減,漸趨穩(wěn)定。在尹萍[19]研究中,隨土層深度的增加不同草地類型養(yǎng)分含量順序不同,錫林郭勒草地土壤養(yǎng)分從2006年監(jiān)測(cè)迄今有逐年上升的趨勢(shì),與圍欄封育、圍封休牧、禁牧、補(bǔ)播、適宜載畜量、生態(tài)移民等一系列有關(guān)草原保護(hù)和建設(shè)的工程有關(guān),良好的管理措施不僅使土壤養(yǎng)分逐步增加,而且使退化草地的植被生產(chǎn)力得以恢復(fù)。因此,合理利用草地資源與良好的管理措施是保護(hù)草原生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)文明發(fā)展的長(zhǎng)久之計(jì)。錫林郭勒草原草地類型多樣并且地域廣闊,土壤樣本采集具有一定的局限性,本文中所涉及的土壤營(yíng)養(yǎng)成分是否具有普遍性還有待進(jìn)一步深入研究。

本研究中,從典型草原到荒漠草原,植物豐富度、群落平均高度、多樣性指數(shù)逐漸減小,沿草地資源水熱條件的地帶性分布差異變化,自西向東水分條件越來(lái)越好,植物生長(zhǎng)發(fā)育所受限制減少,群落均勻度指數(shù)荒漠草原與典型草原變化不明顯。這與李想[20]研究結(jié)果相一致,由于水分是干旱、半干旱地區(qū)草原生態(tài)系統(tǒng)植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要限制因素,而錫林郭勒草原物種多樣性主要受水分和海拔條件制約,導(dǎo)致此種結(jié)果,而這也正符合潘學(xué)標(biāo)等[21]研究結(jié)論,草地植物生物多樣性與樣地區(qū)域的多年平均年降水量呈正相關(guān),與溫度呈負(fù)相關(guān)。水、熱因子不僅是影響內(nèi)蒙古錫林河流域草原群落植物多樣性和生產(chǎn)力的主要因素,同時(shí)也是影響群落植物功能群多樣性和成的主要生態(tài)因子[22]。植被多樣性除受這些條件影響外,還受緯度影響,張戴新月等[23]研究表明,生物多樣性和生物豐富度會(huì)隨著緯度的增加而減少。除此之外,植物多樣性指數(shù)還與海拔、土壤、坡度、坡向、高度等因素以及人為活動(dòng)(如放牧、旅游業(yè)等)相關(guān)[10]。

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)中生物與環(huán)境相互作用的基質(zhì),貯存著大量的碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),土壤養(yǎng)分對(duì)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要,會(huì)直接影響植物群落的組成,決定生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[24]。本研究中,錫林郭勒荒漠草原與典型草原土壤中速效鉀和速效磷含量與植被多樣性指數(shù)呈正相關(guān),對(duì)群落多樣性有影響的土壤養(yǎng)分因子排序?yàn)锳K＞AP＞SOM＞AN,這與曾睿欽[25]研究結(jié)果相同,土壤氮、磷、鉀3種元素被稱之為“土壤養(yǎng)分三要素”,其含量與分布受多種因素影響,包括成土母質(zhì)、土壤質(zhì)地及氣候條件等因素的影響,也受到所處地形和坡度等影響,而有機(jī)質(zhì)對(duì)于植物多樣性的影響P值大于0.05,這與其結(jié)論有所差異,研究區(qū)位于放牧區(qū),而放牧?xí)r間、放牧方式、放牧強(qiáng)度等都會(huì)引起草地植物群落特征的變化,其對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)尤為顯著[26]。據(jù)楊晨晨[27]研究可知,放牧干擾會(huì)使植物群落穩(wěn)定性發(fā)生改變,植物群落結(jié)構(gòu)改變,物種多樣性隨之變化。因此,應(yīng)注意合理放牧,適度放牧可以給植物群落中未被牲畜采食的部分植物提供更好的生長(zhǎng)條件和更大的生存空間,促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育促使草原植物群落的正向演替[28]。

4 結(jié)論

荒漠草原與典型草原植被平均高度分別為12.38cm和29.73cm,差異明顯,多樣性指數(shù)典型草原較高于荒漠草原,均勻度指數(shù)二者相差不大。

荒漠草原土壤養(yǎng)分含量均較低于典型草原土壤養(yǎng)分含量,其中,速效鉀含量變化范圍分別為5.60～44.60mg·kg-1、6.40～57.40mg·kg-1；速效磷含量變化 范 圍 分 別 為0.111～0.172mg·kg-1、0.113～0.178mg·kg-1；堿解氮含量變化范圍分別為0.42～11.55mg·kg-1、0.51～15.90mg·kg-1；有機(jī)質(zhì)含量變化范圍分別為11.10～18.50g·kg-1、12.30～19.20g·kg-1。

2個(gè)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)與土壤速效磷和速效鉀都是正相關(guān),其中速效鉀對(duì)其影響更大,對(duì)群落多樣性和均勻度影響的土壤養(yǎng)分因子排序?yàn)锳K＞AP＞SOM＞AN。

錫林郭勒荒漠草原和典型草原土壤養(yǎng)分存在差異,研究區(qū)表層土壤中氮、磷、鉀元素含量都未達(dá)到植物生長(zhǎng)需求,不同類型草原表層土壤均具有有機(jī)質(zhì)含量高于其他養(yǎng)分含量的特征。典型草原植被狀況優(yōu)于荒漠草原,土壤速效鉀對(duì)植被多樣性影響較大,建議在進(jìn)行草地管理時(shí)適量補(bǔ)充鉀素含量。