延慶區荒灘地土壤理化性質及其對植物多樣性的影響

李曉娜， 張微微， 趙春橋， 宋進庫， 史瑞雙， 薛瑞彬， 王 超

(1.北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心， 北京100097； 2. 河北省懷來縣農牧局， 河北 懷來 075400)

延慶區位于北京的西北部，處于內蒙古高原和河北壩上地區與北京平原區的過渡地帶，是北京西北部的重要生態屏障[1]。2019年世園會和2022年冬奧會申辦的成功，給這一地區的生態環境提出了更高的要求。近20年來，延慶區開展了大規模的荒灘生態恢復工程，植被狀況得到了明顯改善。但是在鄉村周邊仍然存在部分卵石灘和沙坑，該區域土層淺薄，立地條件惡劣，因經常堆積建筑垃圾或生活垃圾，土壤理化性質差異極大，地上部植被呈斑禿狀分布，快速植被恢復技術研究成為當前亟需解決的問題。植被-土壤系統是不可分割的整體[2-3]，其相互作用機理是控制生態系統過程的重要機制[4-5]。土壤作為植物生長的重要物質基礎，為植物生長提供必須的礦質營養和水分，土壤條件的差異會直接影響著植物的生長發育，從而影響物種多樣性[6]，通過對特定環境條件下生態系統中土壤理化性質變化進行研究，探討植物多樣性指數和土壤理化指標的相關關系，探索植被-土壤系統的作用機理，對延慶荒灘地植被恢復中的物種選擇與配置具有較高的理論價值與現實意義。

在前人的研究中，土壤理化性質對地上部植被生物多樣性影響的結論不盡相同。龔艷賓等[7]研究表明土壤全鉀、pH值、速效磷對草本植物多樣性格局具有明顯影響。盛茂銀等[8]研究表明土壤有機質、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度與植物多樣性具有明顯的正相關關系。姚喜喜等[9]在祁連山高寒牧區的研究則表明草地平均生物量、蓋度與土壤有機質、全氮、全磷、速效鉀含量呈負相關關系。張雪妮等[10]研究了不同水鹽梯度下荒漠植物多樣性與土壤理化性質的關系，結果表明不同水鹽梯度條件下，土壤因子對植物多樣性影響不同。在前人的研究中，也有結論認為土壤營養對生物多樣性沒有影響[11]。

本研究以北京市延慶區大榆樹鎮荒灘地為研究對象，分析土壤理化性質與植物多樣性特征及兩者之間的相關性，探討荒灘地植被恢復模式，以期為延慶區乃至整個北京郊區荒灘地生態系統恢復重建提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域位于北京市延慶區大榆樹鎮姜家臺村與陳家營村之間。該地區所在地理位置為東經116°0′30″～116°1′30″，北緯40°26′30″～40°27′30″平均海拔492 m，屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，氣候冬冷夏涼，年平均氣溫8.4℃，降雨少且主要集中在7—9月，1998—2018年的年平均降雨量為459 mm。土壤母質層主要以石灰巖為主，土壤類型主要為石灰性褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 樣方設置 研究區域共占地面積26.7 ha，通過對研究區詳細探查，初步根據地表覆蓋度、地形、地表植物生長情況將其分為27塊樣地，每塊樣地采用等距取樣法[12]設置3個1 m×1 m的樣方。于2018年6月23—25日進行調查取樣。記錄每個樣方內蓋度、植物種類、各種植物個體數等指標，在每個樣方內按照5點取樣法[12]分層(表層：0～10 cm，亞表層10～20 cm)采集土壤樣本，每層5個點的土壤混合均勻作為1個土壤樣本，帶回實驗室后一部分立即測定土壤水分，之后過2 mm篩，通過稱重法計算石礫含量(Gravel content，GC)，另一部分先風干過1 mm孔徑篩后測土壤pH和有效態養分含量，從過1 mm孔徑篩的土樣中按照四分法取部分過0.15 mm孔徑篩，用于測定土壤有機質、全氮、全磷含量；同時在每個樣方內按照5點取樣法用環刀、塑料盒采集表層(0～10 cm)土壤原狀土，帶回實驗室測定土壤物理性質。

1.2.2 土壤理化指標測定 采用環刀法[13]測定土壤容重(Bulk density，BD)、田間持水量(Field water holding capacity，FWHC)、最大持水量(Maximum water holding capacity，MWHC)、毛管持水量(Capillary water holding capacity，MWHC)和總孔隙度(Total porosity，TP)；鋁盒稱重法[13]測定土壤水分(Soil water，SW)；電位計法測定土壤pH值(水土質量比2.5∶1)，電導法測定土壤可溶性鹽總量(Electrical conductivity，EC)，重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量(Organic matter content，OMC)，半微量凱氏定氮法測定土壤全氮含量(Total nitrogen content，TNC)，氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量(Total phosphorus content，TPC)，堿解擴散法測定土壤堿解氮含量(Alkali-hydrolyzable nitrogen content，AHNC)，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量(Available phosphorus content，APC)，乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計法測定速效鉀含量(Exchangeable potassium content，EKC)，乙酸銨交換法測定土壤陽離子交換量(Cation exchange capacity，CEC)[14]。

1.2.3 植物多樣性指數[15-16]計算

物種豐富度Margalef指數：

(1)

生態優勢度Simpson指數：

(2)

信息多樣性Shannon-Wiener指數：

(3)

均勻度Pielou指數：

(4)

式中，S為物種數，Ni、N為某物種、所有物種株數，Pi=Ni/N

1.3 數據處理

利用Excel 2010軟件計算植物多樣性指數與變異系數，利用SPSS 20.0軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 延慶荒灘地土壤理化性質

表1為研究區土壤理化性質，根據全國第二次土壤普查養分分級標準[17]，該區域表層、亞表層平均土壤有機質含量、全氮含量、堿解氮含量均處于最低級別，說明整個區域土壤養分含量均處于較低水平。采用變異系數(Coefficient of variation，CV)來表征土壤理化性質空間變異程度，CV≤10%時為弱變異性，10%

該區域土壤中石礫含量較多，且亞表層石礫含量高于表層，亞表層土壤石礫含量最大值達到48%，土壤平均含水量僅為8.5%，平均田間持水量為26.34%，說明整個區域土層淺薄且有效土壤較少從而導致土壤承載水分能力不足。

表1 研究區域土壤理化性質特征分析Table 1 Analyses of the physical and chemical characteristics of soil in the study area

注：表層指0～10 cm土壤，亞表層指10～20 cm土壤

Note:The surface layer is the 0～10 cm soil and the subsurface layer is the 10～20 cm soil

2.2 延慶荒灘地植物物種組成及生物多樣性

2.2.1 物種組成 表2為研究區域植物物種組成，研究區域共調查草本植物49種，隸屬于18科41屬。其中菊科、禾本科、豆科、藜科含物種數較多，分別含10，10，5和4種。旋花科、茄科、牻牛兒苗科、蓼科、唇形科含物種數2～3種，其余莧科、?？频?科為單科單種生活型，占總科數的50%。所有物種中59.2%為一年生晚春型草本植物，在延慶區生育期較短，一般為6—9月。在所有樣地中禾本科中的狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)，藜科中的藜(ChenopodiumalbumL.)，菊科中的大籽蒿(ArtemisiasieversianaEhrhart ex Willd.)出現頻次最高，為優勢種。

表2 研究區域植物物種組成Table 2 Species of vegetation community of the study area

2.2.2 植物群落多樣性 表3為研究區域內植物群落多樣性特征，群落多樣性由物種豐富度指數(Margalef指數)、多樣性指數(Shannon-Wiener指數和Simpson指數)和均勻度指數(Pielou指數)來表征?？梢钥闯鲅芯繀^域內植物群落多樣性的4種指數數值均較低，Shannon-Wiener指數、Pielou均勻度指數、Simpson指數最小值僅為0.07，0.05，0.03，表示該區域植物生態系統退化嚴重。各多樣性指數的CV值大小為Sim>Pie>Sha> Mar，并且介于10%～100%之間，均屬于中等變異性，其中Shannon-Wiener指數、Pielou均勻度指數、Simpson指數的變異系數均達到了58%以上，同時該區域植物蓋度變異系數為49.38%，也屬于中等變異性，表明該區域植物群落的物種多樣性、均勻度和蓋度空間差異較大。

表3 研究區域植物群落多樣性特征Table 3 Plantcommunity diversity indexes of the study area

2.3 延慶荒灘地土壤理化性質與植物多樣性的關系

研究結果表明(表4、5)表層與亞表層土壤理化性質與植物多樣性之間存在不同程度相關關系。其中Margalef指數與表層、亞表層土壤有機質含量之間均存在顯著正相關關系，與表層土壤全氮、堿解氮含量之間呈顯著正相關關系，與表層土壤總孔隙度之間呈極顯著正相關關系；Simpson指數與表層土壤總孔隙度呈顯著正相關關系，與亞表層土壤有機質、全氮含量呈顯著正相關關系；Shannon-Wiener指數與亞表層土壤全氮含量呈顯著正相關關系。表明土壤中有機質、氮素含量越高、總孔隙度越大，地上部植被物種豐富度、多樣性越高。

植被蓋度與土壤有機質、全氮、堿解氮含量均呈正相關關系，其中與表層土壤有機質、氮素含量呈顯著正相關關系，與土壤全磷含量呈顯著負相關關系，與有效磷含量呈極顯著負相關關系。表明土壤有機質、氮素含量越高，地上部植被蓋度越高；同時隨著植被蓋度的增加，土壤磷素含量下降。

表4 表層土壤理化性質與植物多樣性關系Table 4 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of the surface layer soil

注：*表示相關性顯著(P<0.05)，**表示相關性極顯著(P<0.01)，下同

Note:*indicate significant correlation at the 0.05 level,**indicate significant correlation at the 0.01 level. The same as below

表5 亞表層土壤理化性質與植物多樣性關系Table 5 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of subsurface layer

3 討論

3.1 延慶區荒灘地土壤理化性質空間變異特征

土壤理化性質在大尺度上的變異性主要受土壤母質、地形地貌、氣候條件等影響，在小尺度區域則多受人類活動的影響[20]。目前關于土壤理化性質空間變異性的研究多關注耕地養分的變化，或對不同環境條件的土壤理化性質進行比較[20-22]，而對較小空間尺度，同一環境內部土壤理化性質空間變異性的研究較少。本研究結果表明研究區域表層、亞表層土壤化學與物理性質均存在較大的空間變異性，土壤化學性質空間變異程度大于物理性質，尤其是土壤有機質、有效磷與電導率，其中表層、亞表層土壤有機質、有效磷空間變異系數均達45%以上，亞表層電導率空間變異系數達74.32%。在小尺度上，土壤理化性質的變異性受人類活動的影響較大，本研究區域原為媯水河支流的廢棄河道，土壤母質、氣候、水文、地形條件基本一致，因臨近村莊，經常堆積建筑或生活垃圾，區域內土壤理化性質斑塊特征明顯，垃圾堆積區域表層土壤有機質含量，亞表層土壤電導率高于自然發育土壤。人類的強烈干擾活動增加了土壤理化性質的空間變異性，這與曾曉玲等[23]在古爾班通古特沙漠的研究，劉靖朝等[22]在林地的研究結果相同。

3.2 延慶區荒灘地植物群落組成及其影響因素

該區域內植被優勢種群為狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物，僅在6—9月雨季快速生長，根系較淺，對土壤環境、降雨、溫度變化比較敏感，植物群落穩定性差[24]。物種豐富度、多樣性和均勻度能全面反映群落物種組成的結構水平。研究結果顯示區域內物種豐富度、多樣性及均勻度指數均存在較大的空間變異性，這與區域內土壤理化性質空間變異性大有關。

土壤理化性能直接影響地面植被特征、結構和功能，植被與土壤相互耦合、相互發展，同時也相互制約[25]。本研究表明土壤有機質、氮素含量對研究區域荒灘地植物群落多樣性及蓋度產生正相關影響。統計分析發現土壤有機質含量與Margalef指數、Simpson指數均存在顯著正相關關系，土壤氮素含量與Margalef指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數也存在顯著正相關關系。這一結果與楊祥祥等[26]在沙地土壤碳氮含量對植物群落多樣性影響的研究結果一致，均表明在土壤退化嚴重區域碳氮含量能夠影響植物群落的物種多樣性，且對植物生產力和物種多樣性具有正向的促進作用，因此土壤有機質和氮素成為該區域植物群落正向演替的關鍵因子。

在本研究中，研究區域內土壤磷含量與植物群落物種多樣性、蓋度呈現顯著負相關關系，這與劉洋等[12]的研究結果一致，但與楊祥祥等[26]的研究結果并不一致。究其原因可能是本研究樣地中磷含量水平與楊祥祥研究樣地中磷的含量不一致所致。本研究區域內土壤速效磷平均含量為15.26 mg·kg-1，全磷平均含量為0.05%，根據全國第二次土壤普查養分分級標準[17]，屬于3級水平，磷含量可以滿足植物生長。而磷的補給主要來源于凋落物的礦化以及土壤礦質顆粒的風化，因此該區域內土壤磷素含量與植物群落物種多樣性和蓋度呈負相關關系主要是因為植物對磷的吸收速度大于凋落物磷的礦化速度所致。

4 結論

延慶區荒灘地土壤理化性質與地上部植物群落多樣性空間變異程度均較大，土壤養分含量處于較低水平，地上部植物以狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物為主，物種多樣性指數與豐富度指數均較低。植物群落多樣性指數與土壤有機質、氮素含量呈顯著正相關關系，與土壤磷素含量呈顯著負相關關系，土壤有機質和氮素含量成為該區域植物生長和分布的限制因素。