寧夏鹽池縣草地沙化對植被與土壤特征的影響

毛思慧， 謝應忠，2， 許冬梅，2

(1.寧夏大學 農學院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學 草業科學研究所， 寧夏 銀川 750021)

鹽池縣是寧夏唯一被中國農業部確定的牧區縣，草原面積和養羊數量均居全區之首，畜牧業收入占全縣農業收入的1/2以上[1]。該縣草原嚴重沙化使草原植被發生逆向演替，牧草產量和品質下降，草原經濟動物減少，鼠蟲害加重，嚴重制約了草原畜牧業的發展，并且也影響了種植業和整個農業環境的穩定性。草原沙化的加劇發展，使生態環境條件進一步惡化，主要表現為風沙天數增多，地下水位下降，蒸發量加劇，干旱周期縮短等。據統計，至2004年鹽池縣草地沙化面積達486 932 hm2，占該縣土地總面積的68.3%[2]。因此，沙化草地的研究和防治具有重要的現實意義。本文通過野外調查和室內分析相結合的方法，研究鹽池縣不同沙化程度下草地植被群落特征及土壤理化性質的變化，為該地區草地沙化程度定量評價和沙化治理措施提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部，地理坐標為106°3′—107°47′E，37°4′—38°10′N。鹽池縣東鄰陜西省定邊縣，南接甘肅省環縣，北靠內蒙古鄂托克前旗，西連靈武、同心縣，屬陜、甘、寧、蒙4省(區)交界地帶。該區地理位置上屬于典型過渡地帶，即自南向北，地形上是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵過渡，氣候上是從半干旱向干旱過渡，植被類型則是從干草原向荒漠草原過渡[3]，這種空間上的過渡性造成了鹽池縣自然條件資源的多樣性和生態系統的極端脆弱性。

鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風氣候，干旱少雨，光能豐富，日照充足。年平均氣溫8.1 ℃，各月平均氣溫-13.0～22.7 ℃，極端最高溫度34.9 ℃，極端最低溫度-25.3 ℃。年無霜期165 d，年降水量250～350 mm，年平均風速1.8 m/s，冬春風沙天氣較多。該縣土壤類型主要是灰鈣土，其次是黑壚土和風沙土，其中南部黃土高原丘陵區以黑壚土為主，其次為灰鈣土，北部鄂爾多斯緩坡丘陵區以風沙土、灰鈣土為主。鹽池縣植被上屬亞歐草原，植被類型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠化草原植被[4]。

1.2 測定內容與方法

2011年7—8月，在寧夏鹽池沙化草地區選擇存在一定沙化梯度的多個樣地，在樣地中沿著沙漠化梯度設立固定規格的樣帶(100 m×100 m)，然后按照植被生長狀況和地面風蝕沙化程度將樣帶劃分為輕度、中度、重度、極度沙化4種沙化草地類型。在每個樣帶內按一定間隔設置數個1 m×1 m樣方，在各樣方內測定群落組成及各物種的高度、蓋度、頻度、密度、地上生物量。

在測定植被的每個樣方內設3個取樣點，按“V”形分別在0—5，5—20，20—50，50—100 cm土層取樣，將同層的3個土樣混合均勻裝袋風干后，用研缽磨細，分別過1.00和0.25 mm篩，儲存備用。在實驗室對各樣品進行化學分析，具體測定方法為[5]：土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤全氮量測定用凱氏定氮法；土壤水解氮測定用堿解擴散法；土壤速效磷測定用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定用NH4OAc浸提—火焰光度計法；土壤pH值(H2O 1∶5)測定用PHS—25酸度計；土壤鹽分測定用電導法；土壤容重測定用環刀法。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 重要值[6]重要值=(相對頻度+相對高度+相對蓋度+相對多度)/4

1.3.2 多樣性指數[7]

(1)豐富度指數(R)：R=S

式中：S——樣方內的物種總數。下同。

(2)均勻度指數(E)：E=H/lnS

式中：H——多樣性指數。

式中：Pi=Ni/N，Ni——物種i的絕對重要值；N——物種i所在樣方的所有物種的重要值之和。

1.3.3 群落相似性系數Cj[8]：

Cj=j/(a+b-j)

式中：j——樣地A和B中共有種數；a，b——樣地 A，B中的物種數。

數據采用Excel和DPS 7.05統計軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 草地沙化對植被特征的影響

2.1.1 草地沙化對植物物種組成的影響 在研究區調查樣地內共出現41種植物(表1)，分屬13科。其中豆科9種，占總物種數的21.6%；菊科8種，禾本科7種，分別占19.5%和17.6%；藜科6種，占14.6%。以上4大類共占試區植物物種總數的73.3%。隨著沙化程度的加重，多年生草本植物所占物種百分比數逐漸降低，由67.74%降低到46.15%，而一年生草本植物所占物種百分比數逐漸增加，由16.13%增加到42.31%。由此可見，草地沙化演替過程中，多年生草本植物逐漸被一年生植物替代。由表1可以看出，在沙化起始階段，輕度沙化草地群落組成中，優勢種和主要伴生種仍為草原成分，如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等。隨著沙化程度加劇，一年生雜類草開始增加，如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫眉草等，同時出現了一些對草原沙漠化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等，且呈增加趨勢。到重度沙化階段，上述的草原成分明顯消退，代之而起的優勢種是適合在覆沙地生長的白草、賴草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類草。

2.1.2 草地沙化對植物群落特征的影響 由表2可以看出，豐富度指數變化趨勢是自輕度沙化草地到中度沙化草地顯著增加(p<0.05)，自中度沙化草地至極度沙漠化草地，隨著沙化程度的增加又顯著降低(p<0.05)，說明這兩個時期是物種數變化最快的時期。均勻度指數、多樣性指數變化趨勢為輕度沙化草地到中度沙化草地增加，自中度沙化草地至極度沙化草地，隨沙化程度的增加先降低后又增加，這說明中度沙化階段草地是植物群落特征變化的重要轉折時期。

表1 不同沙化程度草地的植物群落組成及其重要值

表2 不同沙化程度草地植物群落特征

2.1.3 草地沙化對植物群落間相似性系數的影響 群落β多樣性是反映群落物種沿某一環境梯度的替代程度，其實質是反映生境的變化程度或指示生境被物種分隔的程度[9]。相似性系數是測度群落或生境物種多樣性的最簡便方法。從表3分析得，輕度沙化草地與中度沙化草地之間的群落相似性系數最大，相似系數為0.823 5，中度沙化草地與重度沙化草地之間的相似性系數為0.729 7，重度沙化草地與極度沙化草地之間的相似性系數為0.638 8，可見，隨著草地沙化程度差異增加，植物群落之間的相似性指數逐漸減小，異質性增大。

表3 不同沙化程度草地植物群落相似性系數

2.2 草地沙化對土壤特性的影響

2.2.1 草地沙化對土壤物理特性的影響 土壤水分是植物生長發育的重要因子，水分含量及其空間分布直接影響著植被恢復效果。從土壤水分含量的垂直分布看(圖1)，隨著土層深度的增加土壤水分含量逐漸增加，但不同沙化程度草地的各層土壤水分含量變化有差異。0—5 cm土層為中度沙化草地>輕度沙化草地>重度沙化草地>極度沙化草地，5—20，20—50，50—100 cm土層均為中度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>重度沙化草地。0—5 cm土層土壤水分含量較低，最高達2.18%，主要是因為研究區氣候干燥而且表層土壤風蝕積沙，水分蒸發快，土壤表面水分入滲速度快。各不同沙化草地類型的各層土壤水分含量均表現顯著差異(p<0.05)。中度沙化草地的5—20與20—50 cm土層土壤水分含量較同層的其他沙化草地類型差異顯著(p<0.05)。

土壤容重大小可以反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力的高低。很多研究表明[10-12]，隨著草地沙化程度加劇，土壤容重總體呈逐漸增加趨勢，變化范圍在1.22～1.36 g/cm3。由圖1的土壤容重可以看出，0—5 cm土層容重顯著高于5—20 cm土層(p<0.05)。

圖1 不同沙化程度草地土壤物理特性的差異

2.2.2 草地沙化對土壤化學特性的影響 由表4可以看出，土壤有機質含量隨著沙化程度的加劇呈逐漸下降的趨勢，輕度沙化與極度沙化草地相比，有機質含量下降了41.78%。在0—5 cm土層，重度到極度沙化草地土壤有機質含量變化差異顯著高于輕度到重度沙化草地(p<0.05)，說明重度沙化階段是有機質含量變化的轉折期。在極度沙化階段，有機質含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05)，這是由于牲畜的過度采食使草地植物的地上部分返還到土壤中的有機質大量減少，在極度沙化下，植物極少生長，枯枝落葉已不再是土壤有機質的主要來源，植物的根系及其分泌物成為土壤有機質的主要來源，所以在極度沙化下，有機質含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05)。

隨著沙化程度加劇土壤全氮含量呈逐漸降低趨勢，且差異顯著(p<0.05)。土壤水解氮含量在垂直土層序列上的變化為隨著土層的加深，輕度和中度沙化草地的水解氮含量逐漸減小且存在顯著差異(p<0.05)，重度和極度沙化草地的水解氮含量逐漸增加且差異顯著(p<0.05)。不同沙化程度草地土壤速效鉀含量存在顯著差異(p<0.05)，變化范圍在105.92～139.85 mg/kg，0—20 cm土層速效鉀含量變化趨勢為重度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>中度沙化草地。隨著草地沙化程度加劇，同層間土壤速效磷含量無顯著差異(p>0.05)，0—5與5—20 cm土層含量變化較大，由5.22 mg/kg下降到2.29 mg/kg。0—5 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而逐漸上升，在極度沙化草地階段又下降到比輕度沙化階段低，5—20 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而呈逐漸增加的趨勢。

表4 不同沙化程度草地土壤化學特性的差異

pH值常用來表示土壤酸堿度，它是土壤最重要的化學性質之一，它與有機質的合成與分解、土壤微生物的活動、各種營養元素的轉化與釋放及有效性、土壤保持養分的能力都有關系。研究區土壤多屬于沙質土，pH值在9以上，呈偏堿性。隨著草地沙化的加劇，同一土層的pH值變化無顯著差異(p>0.05)；隨著沙化草地土層的加深，土壤全鹽含量升高，5—20 cm土層含量顯著高于0—5 cm土層(p<0.05)。這主要是因為降水使鹽基離子從上層土壤淋溶，在下層土壤聚集，致使上層土壤含量值低于下層土壤。

3 結 論

(1)草原沙化主要是植被和土地退化的過程，草原植被群落不同的退化階段與土壤沙化不同的發展階段是相一致的，盡管其他一些指標直接或間接地影響著沙化的進程，但它們都可以歸結到植被的發展變化過程而得到具體的反映[13-14]。隨著草地沙化程度的加劇，植被組成發生變化，多年生草本植物呈逐漸減少，一年生草本植物呈逐漸增加的趨勢。在沙化起始階段，輕度沙化草地群落組成中，優勢種和主要伴生種仍為草原成分，如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等，隨著沙化程度加劇，一年生雜類草開始增加，如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫眉草等，同時出現了一些對草原沙化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等，且呈增加趨勢。到重度沙化階段，以上的草原成分明顯消退，代之而起的優勢種是適合在覆沙地生長的白草、賴草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類草。可見，隨著沙化程度的加劇，土壤地表粗化，原有的草原物種失去了競爭優勢，逐步讓位于一些耐干旱、抗風蝕的一年生和多年生草本，并最終被一些耐風蝕沙埋的沙生植物取代。因此，隨著沙化的加重，這些草原物種由優勢種逐漸變為亞優勢種直至極度沙化草地完全消失；同時，一些耐風蝕沙埋的沙生植物種隨著沙化的加劇而逐漸增加，并最終成為極度沙化草地的優勢物種。

(2)草原沙化過程其實質是一個物種消亡的過程，也是一個物種多樣性衰減的過程[15]。物種多樣性表征著生物群落和生態系統的結構復雜性，體現了群落的結構類型、發展階段、穩定程度和生境差異。本研究中在輕度到中度沙化草地階段，物種多樣性指數增加，自中度至極度沙化草地，呈先降低后又增加的趨勢，說明中度沙化階段是草地植物群落特征變化的重要轉折時期，這與前人研究一致[15-16]。隨著草地沙化程度差異增加，植物群落之間的相似性指數逐漸減小，且相似性系數變化范圍不大，說明自輕度沙化草地至極度沙化草地過程，物種替代不明顯，相鄰草地群落結構表現出漸變特征。

(3)土壤是生態系統中諸多生態過程的參與者和載體，土壤結構和養分狀況是度量生態系統生態功能維持的關鍵指標之一[17]。土壤有機質、氮、磷是土壤重要的組成部分和營養元素，它們對土壤肥力的調節和土壤物理性狀的改善起著非常重要的作用[18]。隨著沙化程度的加劇，土壤水分含量從垂直分布看，表層土壤含水量最低，隨著土層深度的增加而增大；土壤容重隨著沙化程度的加劇，總體呈逐漸增加的趨勢，大小隨著土層深度的增加而降低；表層土壤有機質和全氮含量呈降低趨勢；速效磷、速效鉀含量隨著土層深度的增加而降低，其整體變化具有波動性，沒有明顯的規律可循，是由于外界干擾還是土壤本身特性的體現，有待進一步探討。總體來看，研究區土壤緊實，水分含量低，養分貧瘠，pH值高。

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