希拉穆仁草原近自然恢復狀態下植被-土壤響應特征

王 琴,蒙仲舉,汪 季,*,黨曉宏,張曉娜,王則宇,趙 青,張吉祥

1 內蒙古農業大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010018 2 內蒙古農業大學草原與資源環境學院,呼和浩特 010018 3 臨策鐵路有限責任公司,呼和浩特 010018

希拉穆仁草原近自然恢復狀態下植被-土壤響應特征

王 琴1,蒙仲舉1,汪 季1,*,黨曉宏1,張曉娜1,王則宇1,趙 青2,張吉祥3

1 內蒙古農業大學沙漠治理學院, 呼和浩特 010018 2 內蒙古農業大學草原與資源環境學院,呼和浩特 010018 3 臨策鐵路有限責任公司,呼和浩特 010018

通過對內蒙古陰山北麓圍封區域草原近自然狀態下植被群落特征及其土壤顆粒物理特性的研究,探討草地群落與土壤顆粒物理特性在自然風蝕條件下的特征。結果表明：(1)草地全覆蓋時以羊草、賴草為優勢種,當草地蓋度下降為40%以下時以指示草地退化的冷蒿為優勢種;且隨著植被蓋度的降低,草地植物群落生物量呈降低趨勢,Shannon-Wiener指數、Simpson指數均呈現出先升高后降低的趨勢;(2)草地植被覆蓋度對地表土壤顆粒分形維數有顯著影響(P<0.05),隨著蓋度的降低,其地表土壤顆粒分形維數呈顯著降低趨勢,地表土壤顆粒粗化明顯;(3)在近自然狀態下,草地植被覆蓋較低時,地表0—1 cm土壤顆粒粗粒化現象尤為顯著,粒度累計差異達到1 mm,垂直結構上表現為由3—5 cm、1—3 cm土層至0—1 cm土層,土壤顆粒粗粒化程度加重,粗顆粒粒度累積差異分別出現在0.1、0.25、1 mm;(4)在近自然狀態下,隨著草地植被蓋度增加,表層土壤受植物遮蔽,得到有效保護,土壤顆粒逐漸細化,容重也緩慢下降。在近自然狀態下,草地及土壤環境發生有層次且多樣性的變化,草地植被的斑塊狀變化使得希拉穆仁圍封區草原在近原始狀態下出現自然風蝕現象成為可能。

圍封草原; 近自然狀態;分形維數;粒度特征

內蒙古陰山北麓低山丘陵草原區域不僅是內蒙古重要的生態屏障,更是當地農牧民生產和生活資料的來源,支撐了當地經濟的可持續發展,其生態功能的正常發揮對區域乃至整個北方地區的發展有著不可替代的作用。一定時間的圍封能夠幫助退化草原恢復至一個近自然的狀態[1],從而有效降低土壤風蝕率及風蝕量[2]。黃蓉[3]等對圍封草地群落結構及多樣性的研究發現,在圍封的過程中,植被蓋度的變化尤為顯著且會對區域生態系統產生重要的影響。在常年圍封后,干旱及半干旱區草地的群落特征也會出現一定的波動,草地植被為了適應環境不斷進行自我調節[4]、生物量、蓋度、高度發生顯著變化[5]。由于草地生態系統本身的復雜性和放牧歷史、環境因子等的迭加作用,退化草地群落圍封后出現3種可能的演替模式,即單穩態模式、多穩態模式和滯后模式,使得圍封對草地出現兩面性,正面及負面[6]。這種負面作用,可能使草地由植被繁茂、分布均一的草地,逐漸轉變為帶有少量植被稀疏、低矮的斑塊草地[7],在長期風力侵蝕的作用下,地表呈現粗粒化。

地上植被與地下土壤之間關系密切[8],土壤含水量、粘粉粒等與物種豐富度指數、植被蓋度等呈顯著正相關關系[9],且與地表的粗糙度緊密相連,是生態學上的重點研究領域[10]。當地表細顆粒物質在缺乏植被的有效保護下,逐步分移出去,致使地表出現粗粒化現象,土壤顆粒粒度分布發生變化[11]。目前,采用土壤顆粒分形特征對土壤粒度特征進行拓展研究應用較廣,土壤顆粒分形維數不但能夠表征土壤粒徑的大小組成,對于土壤質地、土壤肥力以及土壤通透性等也能夠很好的反映[12-13]。并且利用土壤粒徑的體積分布描述土壤顆粒的分形維數的研究已經比較完善了,結果精準簡單,表征性強。因此利用分形維數,結合土壤顆粒機械組成能夠有效說明土壤粗粒化現象[14]。因此,在草地圍封多年后,且達到近自然狀態時,通過對不同植被蓋度下土壤粒度特征的研究,對于揭示近自然狀態下草地表層風蝕特征有重要意義。

本研究以內蒙古希拉穆仁草原為研究對象,通過對圍封13a的草原地表覆蓋度、分形維數、土壤粒度參數的測定,分析了在草原恢復到近自然狀態之下后不同植被蓋度之下的土壤風蝕粗粒化情況及特征。為該區域草原進行合理的開發、放牧以及制定可行的圍封禁牧策略提供一定的依據,確保當地草地生態、經濟平衡的可持續利用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地位于內蒙古自治區達茂旗希拉穆仁草原(111°00′—111°20′ E、41°12′—41°31′ N)。該區域屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候,年平均降雨量約281 mm,多集中于夏季,冬季寒冷干燥;年平均風速為4.5 m/s,年大風日數為65 d,風沙天氣多發于春、冬兩季。希拉穆仁草原以風蝕為主,伴有水蝕,為風水復合侵蝕區。風蝕和水蝕的交替作用造成地表水土流失和地表顆粒粗化,是當地土壤退化的主要表現形式。土壤質地主要為砂質壤土,土壤養分含量較低,該區域的主要建群種植物為克氏針茅(Stipakrylovii),草地群落以羊草(Leymuschinensis)+克氏針茅為主,冷蒿(Artemisiafrigida)、銀灰旋花(ConvolvulusammanniiDesr.)、賴草(Leymussecalinus)等分布的范圍也較廣,零星分布的有阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等,植被類型呈現為典型草原特征。受旅游業的破壞性擴張以及挖礦等人為強力擾動,該區域草地嚴重退化。2002年開始圍封,完全排除放牧等人為干擾,至2015年已圍封13a,圍封面積達到133hm2。

1.2 樣地選擇和樣品采集

為了研究希拉穆仁草原圍封區不同蓋度草地在自然風蝕狀態下的特征,2015年8月16日—18日,選擇圍封13a的草地,對植物和土壤進行取樣。8月份是植被生長累積的高點,生物量達到最大,也是草地生態功能發揮最大的時候[15]。半干旱區的希拉穆仁草原在圍封過程中,經過多年演替,植被為了適應環境進行自我調節,在空間分布上呈現出斑塊狀分布格局[16],在干旱區及半干旱區是一種比較常見的且相對穩定的植被生存形式[17-18]。因此在圍封區域內,按照植被蓋度約為0%,5%,20%,40%,60%,80%,100%,選取地勢平坦、立地條件基本相似的30 m×30 m典型取樣區,每種蓋度的取樣區布設3個重復,每個取樣區內布設5個草本樣方,樣方面積為1 m×1 m。采用計數法獲取每種的株數,用直尺測量每種植物的高度。將樣方內植物地上部分全部刈割,活體部分、立枯以及地上凋落物分裝于信封中,現場稱量鮮重,并帶回實驗室,在80℃條件下烘干至恒重,分別稱量其干重。

完成地上群落的調查后,在相應位置挖取土壤剖面,首先將0—5 cm分為0—1;1—3;3—5 cm 3層取樣,用于分析土壤表層的粗粒化程度;其次,按照0—5;5—10;10—20;20—30 cm分層,20—30 cm將用于證明樣地在圍封前無差異性。采用鋼制環刀進行取樣,帶回實驗室陰干備用。采用烘干法測量容重;采用Mastersizer 3000激光粒度分析儀分析其土壤粒度組成。

1.3 研究方法

1.3.1 重要值及植被群落多樣性指數

重要值=(相對高度+相對蓋度+相對頻度+相對多度)/4

植被群落多樣性指數采用Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數、Pielou均勻度指數進行分析,其公式如下[19]:

(1) Shannon-Wiener多樣性指數:

SW=∑PiInPi(Pi=Ni/N)

式中,Ni為樣方中第i種植物的重要值;N為樣方植物重要值總和。

(2) Simpson優勢度指數:

(3)Pielou均勻度指數：

Jsw=H/InS

1.3.2 粒度參數

根據美國土壤質地分類系統,將土壤粒徑分為以下7個級別：0—0.002mm,0.002—0.05mm,0.05—0.1mm,0.1—0.25mm,0.25—0.5mm,0.5—1mm,1—2mm,2—2.85mm。

(1)土壤顆粒體積分形維數

大量的研究表明,土壤顆粒也同樣具有分形特征,Dv可以作為一個反映土壤的粒級組成和質地信息的函數[20],運用分形理論建立土壤顆粒的分形模型,其分形維數的表達式為[21]：

lg(V(r

式中,Ri為兩篩分粒級Ri與Ri+1間粒徑的平均值,Rmax為最大粒級土粒的平均直徑,V(r

在計算不同蓋度下各層土壤顆粒的體積分形維數時,獲得兩邊的對數值,利用origin8.0對其進行線性擬合,得到擬合直線的斜率3-Dv,從而求得土壤顆粒的分形維數。

(2)土壤粒度參數計算公式[22]

1)粒徑采用Ф標尺表示,Ф=-log2d,式中d為以mm計算的顆粒直徑。

2)中值粒徑(d50),是指對應于體積百分數為50的粒徑。

3)平均粒徑(d0)=1/3(Ф16+Ф50+Ф84),反應沙物質粒度的平均情況。

4)峰態(Kg)=(Ф95-Ф5)/2.44(Ф75-Ф25)

式中,p為某一樣地土壤粒度累積頻率;p為7個樣地土壤粒度累積頻率平均值;k-1為自由度,k=7。

1.4 數據與分析

利用excel進行數據的初步整理,采用SPSS 17.0軟件進行單因素方差分析對各個樣地上植物的各項指標進行差異性檢驗。植被特征和生物量、土壤顆粒分形維數、容重采用one-way ANOVA方法進行單因素方差分析,并對其進行LSD方法多重比較、Pearson相關系數相關分析,最后利用origin 8.0進行數據作圖分析。

2 結果與分析

2.1 地上植被變化特征

2.1.1 植被覆蓋狀況

從表1中可以看出,在經過13a的圍封之后,該區域草地已經恢復至一個近原生群落類型[23],隨著植被蓋度的變化,樣方中植被優勢種從羊草、賴草變化到以克氏針茅再到克氏針茅、冷蒿為優勢種的草地類型,呈現出典型草原在自然狀態之下的一種演替形態。

不同蓋度之下,草地地上群落生物量及枯落物變化顯著(P<0.05)。隨著蓋度的降低,生物量、枯落物呈顯著降低趨勢。但5%與20%蓋度下,生物量、枯落物無顯著差異。以40%為界限值,出現生物量、枯落物的急劇降低。經調查,植被蓋度在100%時,出現的植物種為13種,主要有羊草、賴草等。隨著植被蓋度的降低,羊草、賴草等優勢建群種不再出現,具有指示草地退化的銀灰旋花、冷蒿等開始出現,冷蒿在樣方中所占比重逐漸增大,銀灰旋花在蓋度為40%中的重要值達到最大,狼毒(EuphorbiafischerianaSteud.)等適口性差的植物的重要值在蓋度較低的樣方中比重也逐漸增大。

表1 圍封條件下草地植被狀況

同行不同字母表示不同植被蓋度下在0.05水平存在顯著性差異

2.1.2 植被多樣性的變化特征

在多年圍封狀態下,草地植被蓋度對研究區草原植物群落多樣性、均勻度及優勢度有影響較大。Shannon-Wiener指數綜合了均勻度和豐富度,是表述物種多樣性最好的指數。由表2可知,隨著草地蓋度的降低,植被的多樣性、優勢度指數及均勻度指數均呈現出現增加后降低的趨勢。說明當草地蓋度在60%—40%時,物種的多樣性最高,群落組成最為復雜,且穩定性最高。而植被覆蓋度達到全覆蓋時,其Shannon-Wiener指數反而較其他蓋度低,說明近原始狀態下植被覆蓋度過高會造成群落組成單一、穩定性降低。以40%、20%的蓋度為界限值,物種多樣性指數、優勢度指數以及均勻度指數出現中間高、兩邊低的趨勢。在40%蓋度及20%蓋度時,優勢度指數相對更高,表明該蓋度條件下優勢種明顯,而該蓋度范圍以冷蒿具有明顯的優勢。由此可知,由蓋度100%至5%,去除0%條件下,當蓋度為100%時,3個多樣性指數均為最低值,說明該區域植被覆蓋并不是越大越好,植被蓋度過高反而會減低群落的結構穩定性。由40%、20%蓋度可知,在這兩者蓋度之下,物種分布均勻,結構穩定,且多樣性為指數為最高的植被覆蓋度。

表2 不同植被蓋度下植被多樣性指數

2.2 不同蓋度土壤顆粒的分形維數表現特征

從表3的數據上看,不同蓋度下底層土壤分形維數差異不顯著(P<0.05)。因為隨著蓋度的增加,底層土壤顆粒的分形維數減幅并不明顯,在利用origin 8.0對不同蓋度之下的20—30層土壤顆粒的分形維數進行單因素方差分析,結果顯示底層土壤分形維數無顯著差異。即在不同蓋度之下,各樣地在退化圍封前具有相近的生境條件,擁有相似的母質層。

植被覆蓋度對表層土壤的分形維數有顯著影響,隨著蓋度的降低,表層土壤顆粒出現粗粒化現象(P<0.05)。利用origin8.0對不同蓋度之下的0—1、1—3、3—5 cm土壤顆粒的分形維數進行單因素方差分析,結果呈顯著相關,差異顯著,且這3層之間亦有顯著的差異。由于分形維數與土壤粘粒和粉粒含量呈顯著正相關關系,與砂粒含量呈負相關關系。因此在蓋度增加后,分形維數呈逐漸增大的趨勢。說明,研究區植被蓋度下分形維數緩增,土壤中細顆粒物質含量也在不斷增加,土壤經歷著一個逐漸細化的過程。表層無植被或是少植被時,分形維數相對較低,說明這些蓋度的表層出現了粗粒化的現象。從垂直土層維度來看,100%蓋度下,0—1、1—3、3—5cm與20—30cm土層的分形維數無差異,80%及60%蓋度下3—5cm土層的分形維數與底層有顯著差異,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐漸下降趨勢(P<0.05);40%、20%及5%蓋度下的呈現出波動性變化; 當無植被時,0—1、1—3、3—5 cm之間無差異,與20—30 cm有差異性,且由0—1 cm至3—5 cm逐漸降低。

表3 不同植被蓋度下土壤分形維數

小寫字母表示不同植被蓋度下在0.05水平上差異性,大寫字母代表不同土層之間在0.05水平上差異性;在分析過程中發現,5—10cm及10—20cm土層分形維數差異不顯著,固在此表中并未列出及分析

2.3 表層土壤粒度參數特征

蓋度與風蝕之間有一定的關聯,蓋度的增加能夠減弱土壤顆粒的粗粒化。從水平蓋度分布不同、垂直土層深度兩個維度進行評判土壤表層風蝕粗化的程度。隨著植被覆蓋面積的降低,土壤的平均粒徑0—1、1—3、3—5 cm呈現出不斷粗化的趨勢,裸沙地的平均粒徑最粗,植被覆蓋度大于60%及以上的較細。0—1 cm層顆粒粗化速率在蓋度為20%至5%、0%的速率最大,平均為28.5%,1—3、3—5 cm粗化在蓋度5%時有所降低。平均粒徑在垂直分布上,顆粒大致上呈現出由0—1 cm表層往下逐漸細化,但整體不明顯。

由圖1曲線圖可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現在1 mm處左右,說明表層整體差異在1 mm時較大。由圖1的柱狀圖可知,樣地中土壤小于1 mm粒度組分隨著蓋度的降低,呈現出逐漸下降的趨勢,表層>1 mm的粗顆粒逐漸增多,增加擬合曲線為Y=0.86x2-1.5x+13.27(R2=0.82)。

表4 不同植被蓋度下土壤粒度參數

圖1 0—1cm土壤粒度特征Fig.1 Soil particle size characteristics in 0—1cm soil layer

由圖2曲線圖可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現在0.25 mm處。由其柱狀圖可知,樣地中以蓋度為橫坐標,土壤小于0.25的細顆粒呈遞減趨勢,大于0.25 mm的粗顆粒逐漸緩增。由>0.25 mm的擬合曲線可知,R2=0.87擬合效果較好,粗顆粒增加的斜率為3.4,增加率較高。1—3 cm土層的粗顆粒表現為由0—1 cm土層的1 mm累積間距最大值降低到0.25 mm。

圖2 1—3cm土壤粒度特征Fig.2 Soil particle size characteristics in 1—3cm soil layer

由圖3可知,7個不同植被覆蓋度土壤粒度累積頻率之間的平均距離的最大值出現在0.1 mm處左右。由圖3的柱狀圖可知,樣地中土壤大于0.1 mm粒度組分隨著蓋度的降低,呈現出逐漸增加的趨勢。比較與0—1、1—3 cm土層,土壤顆粒累積差異在0.1 mm處出現明顯的差異,土層越深,整體粗粒的粒徑更細。

圖3 3—5cm層土壤粒度特征Fig.3 Soil particle size characteristics in 3—5cm soil layer

將表層0—5 cm的土層細分為0—1、1—3、3—5 cm后,由以上數據可知,不同植被蓋度下整體粒度累積頻率差異分別出現在1 mm處、0.25 mm處及0.1 mm,以石礫、粗砂粒、極細沙粒為代表,說明土壤表層的粗粒化程度更加明顯。以0—1cm土層為例,在蓋度遮蔽的作用下,細顆粒物質逐漸增加;在蓋度>40%時,粗顆粒的增加幅度為5.63%。當植被蓋度<40%后,粗顆粒的增加幅度達到11.78%。因此,植被蓋度對顆粒的保護作用非常大。

2.4 土壤容重與植被覆蓋度之間的關系

土壤容重在一定程度上,能夠表征影響土壤結構狀況。對植被蓋度與表層土壤容重進行相關性分析(圖4)。土壤容重與植被蓋度之間呈極顯著負相關(r=-0.964,P<0.001)。從圖中可看出,隨著草地蓋度的不斷增加,土壤容重逐漸降低,即草地在圍封多年后,土壤的肥力、結構等逐漸的恢復趨近一個原生的狀態,同時草地的抗蝕能力顯著增加。

圖4 蓋度與0—5cm土壤容重的關系 Fig.4 Relationship between vegetation coverage and 0—5cm soil bulk density

3 討論

謝賢健[24]等研究了蔣家溝泥石流頻發區,在草地覆蓋度不同時,由于粒徑分布的差異性,其草地分形維數表現為：低蓋度草地>高蓋度草地>中蓋度草地。在本研究中發現,隨著草地蓋度的降低,土壤表層分形維數隨之下降,兩者呈正相關關系,底層土壤20—30 cm分形維數無顯著差異。主要原因是兩地土壤類型有所差異,研究區草地土壤類型為砂質壤土。大量的研究表明,土壤顆粒分形維數能夠很好的反應土壤質地,其中分形維數與中粗沙含量、細沙含量呈顯著負相關,與粉粒及粘粒含量呈顯著正相關,且能夠重點反應粘粒的含量[25-27]。相同植被蓋度對于分形維數的影響,從垂直土層維度來看,100%蓋度下,0—1、1—3、3—5 cm與20—30 cm土層的分形維數無差異,80%及60%蓋度下3—5cm土層的分形維數與底層有顯著差異,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐漸下降趨勢(P<0.05),說明在長時間圍封后,高覆蓋植被蓋度對于土壤的恢復已經達到了完善的效果,且已經完全恢復,與閆玉春等人對草地圍封時間的探究一致[6]。而40% 20%及5%蓋度下的變化差異一致,呈現波動性變化;當無植被遮蔽時,0—1、1—3、3—5 cm之間無差異,與20—30 cm有差異性,并呈由土表至下層逐漸增加的趨勢。在圍封10年以上后,植被在演替過程中,土壤結構已經恢復,但是由于蓋度的斑塊狀變化使得蓋度較少的地表出現了風蝕的現象[17,28]。即相同蓋度下垂直土層結構整體表現上說明,無論蓋度面積為多大,圍封對于草地土壤結構的恢復都起到了良好的作用。不同植被蓋度與土壤顆粒分形維數之間的關系可以從正、負兩個方向來分析,首先隨著蓋度的降低,分形維數逐漸降低,土壤質地逐漸變粗,在自然風的作用下,土壤表層粗顆粒物質增多,地表出現自然風蝕現象,當植被蓋度為自然裸地時,地表粗粒化較有植被蓋度時粗粒化更嚴重,為負方向。其次,隨著植被蓋度下分形維數的緩增,土壤中細顆粒物質含量也在不斷增加、粗顆粒在減少,說明土壤經歷著一個逐漸細化的過程,為正方向[29]。即草原在禁牧圍封的條件下,隨著植被蓋度的變化演替,地表粗粒化的現象明顯。

通常,在土壤粗粒化研究方面,取表層0—10 cm土層進行研究[11],本研究中取土方式更加精細,選擇將表層0—5 cm的土層細分為0—1、1—3、3—5 cm進行取樣分析。本研究中,發現在5%蓋度下其1—3、3—5 cm平均粒徑較20%蓋度下低,可能和5%蓋度下結皮較厚有關,因為結皮以下的土壤會有細化趨勢[30],但具體原因有待于進一步深究。在研究過程中發現,3層土壤顆粒分形維數出現顯著差異且與植被蓋度呈顯著正相關關系,其粒度累積差異分別出現在1 mm處、0.25 mm處及0.1 mm,以石礫、粗砂粒、極細沙粒為代表,從土壤垂直分層上說明土壤表層的粗粒化由3—5、1—3 cm至0—1 cm處,逐漸變得明顯,且0—1 cm處粗粒化最嚴重。從水平結構上來看,隨著蓋度的降低,以0—1 cm為例,土壤顆粒粒度分配1 mm顆粒與蓋度擬合曲線Y=0.86x2-1.54x+13.3(R2=0.82),表層土壤粗顆粒逐漸增加,在蓋度>40%時,粗顆粒的增加幅度為5.63%。當植被蓋度<40%后,粗顆粒的增加幅度達到11.78%。由此可見,圍封后,植被蓋度及不同土壤層次對顆粒的保護作用非常大,具有植被蓋度的遮蔽保護時,表層土壤中的細粒物質得以保存和恢復,使得土壤結構逐步細化[23]。

草地圍封后,恢復趨勢整體好轉,植被蓋度高于80%樣地,優勢種為羊草、克氏針茅等禾本科植物,群落較為穩定,但多樣性指數低,與邵慶新等人對圍封10a的典型草原的研究結果一致,且土壤質地較好,地表和底層土壤分形維數并無顯著差異。但是,由于草地演替過程中,冷蒿、銀灰旋花等退化指示種植物易聚集生長,使圍封草地蓋度呈現斑塊化的狀態[7],從而導致植被稀疏。此時,在自然風蝕的過程中,地表植被較少或無的區域,其表層的細顆粒物質易被分選出去,致使地表顆粒粗粒化,引起土體風散、結構破壞等,從而導致容重也有所增加[25]。

4 結論

希拉穆仁草原在圍封15a后,達到一個近自然的狀態,植被恢復良好,植被類型呈現為典型草原特征,以克氏針茅為優勢種。圍封后的草地地上植物群落發生明顯的變化,隨著植被蓋度的遞減生物量呈逐漸降低趨勢,Shannon-Wiener指數、Simpson優勢度指數均呈現出先升高后降低的趨勢現象。在近自然狀態下,該區域草地也會出現自然風蝕現象。圍封多年的草地,地表因植被差異明顯粗化,在垂直結構上表現為由3—5、1—3 cm土層至0—1 cm土層,土壤顆粒粗粒化程度加重,粗顆粒粒度累積差異分別出現在0.1、 0.25、1 mm,地表呈現出自然風蝕面貌。

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Response of the vegetation soil under almost-natural restoration in the Xilamuren grassland

WANG Qin1, MENG Zhongju1,WANG Ji1,*, DANG Xiaohong1,ZHANG Xiaona1,WANG Zeyu1, ZHAO Qing2, ZHANG Jixiang3

1CollegeofDesertscienceandEngineering,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China2CollegeofGrassland,ResourcesandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010018,China3Linhe-cekeRailwayCo.,Ltd,Hohhot010018,China

We studied the soil physical properties and characteristics of plant communities under almost-natural states in enclosed grasslands at the northern foot of the Yinshan Mountain in Inner Mongolia. The objective was to explore the characteristics of grassland communities and soil particles under natural erosion conditions. The results showed that (1) the dominant species in full coverage grassland wereLeymuschinensisandLeymussecalinus. The indicator species of grassland degradation,Artemisiafrigid, was the dominant species when the vegetation coverage was <40%. The biomass of the grassland community decreased with the vegetation coverage, and the Shannon-Wiener and Simpson indexes firstly increased and then decreased; (2) the fractal dimension was significantly influenced by the grassland coverage at the surface soil; it decreased significantly with decreasing coverage(P<0.05), and the sand content obviously increased in the surface soil; (3) when the coverage was lower, coarse-grained soil particles were dominant in the 0—1 cm layer, and the accumulative particle difference was up to 1 mm. This showed that the degree of coarse-grained particles increased from the 3—5 cm layer and 1—3 cm layer to the 0—1 cm layer in the vertical soil structure. The cumulative differences of coarse particles were 0.1, 0.25, and 1 mm in the 3—5, 1—3 cm, and 0—1 cm layers, respectively; and (4) with increased coverage, surface soil was covered and effectively protected, and soil particles gradually become finer and the bulk density slowly reduced. Under the almost-natural state, the grassland and soil environment changed hierarchically and diversely, and the patchy changes of grassland vegetation resulted in natural erosion in the enclosed meadow in the Xilamuren grassland.

enclosed grassland; almost-natural state; fractal dimension; soil-particle size

內蒙古農業大學優秀青年科學基金資助項目(2014XYQ- 8);中國科學院西部之光“內蒙古中西部荒漠草原地表粗粒化過程研究”

2016- 06- 15;

2016- 09- 12

10.5846/stxb201606151154

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wangji1957@163.com

王琴,蒙仲舉,汪季,黨曉宏,張曉娜,王則宇,趙青,張吉祥.希拉穆仁草原近自然恢復狀態下植被-土壤響應特征.生態學報,2017,37(4):1159- 1167.

Wang Q, Meng Z J,Wang J, Dang X H, Zhang X N,Wang Z Y, Zhao Q, Zhang J X.Response of the vegetation soil under almost-natural restoration in the Xilamuren grassland.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1159- 1167.