烏蘭布和沙漠東北緣白刺群落與油蒿群落土壤養(yǎng)分特征分析

黃雅茹,馬迎賓,郝玉光,辛智鳴,董雪,劉禹廷,馬媛,張冉浩

烏蘭布和沙漠東北緣白刺群落與油蒿群落土壤養(yǎng)分特征分析

黃雅茹,馬迎賓,郝玉光*,辛智鳴,董雪,劉禹廷,馬媛,張冉浩

中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實驗中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200

在烏蘭布和沙漠采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析的方法，研究了白刺群落與油蒿群落土壤養(yǎng)分特征，并對土壤養(yǎng)分進行了綜合評價。結(jié)果表明：有機質(zhì)含量、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、速效鉀、有效磷分別為(2.70±0.43) g·kg-1、(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值為(9.37±0.09)，土壤各養(yǎng)分指標均屬于弱變異。土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、速效鉀、有效磷表現(xiàn)為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。白刺群落與油蒿群落有機質(zhì)在20~40 cm、40~60 cm層差異顯著（﹤0.05），在0~20 cm、60~80 cm、80~100 cm土層差異不顯著（﹥0.05）；堿解氮、全鉀在20~40 cm差異顯著（﹤0.05），0~20 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差異不顯著（﹥0.05）；各土層全氮、速效鉀、全磷、有效磷差異均不顯著（﹥0.05）。白刺群落與油蒿群落土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀隨著土層深度的增加呈下降趨勢，呈現(xiàn)表聚性特點。土壤養(yǎng)分綜合評價的排序為白刺群落(0.566)﹥油蒿群落(0.423)﹥裸沙地(0.249)。

土壤養(yǎng)分; 白刺群落; 油蒿群落; 烏蘭布和沙漠

在生態(tài)系統(tǒng)中，植被和土壤相互依存、相輔相成[1,2]。植物通過根系與土壤連成一個統(tǒng)一整體，植物與土壤進行著各種物質(zhì)代謝與能量流動，這些均對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，土壤是植物生存及生長發(fā)育的重要保障，土壤通過調(diào)節(jié)分配水、肥、氣、熱，為植物的生長發(fā)育源源不斷地提供所需營養(yǎng)物質(zhì)于能量，而植物生長發(fā)育同時也可以改善土壤養(yǎng)分[3-7]。土壤養(yǎng)分在生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中起著主導(dǎo)作用[8]。

烏蘭布和沙漠處于中國北方半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶，植被生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，植物群落中的建群種均為旱生植物，群落中最主要的生活型是灌木與半灌木，其次是旱生多年生草本植物，也有比較豐富的一年生植物[4-5]。灌木是烏蘭布和沙漠東北部最重要的植被類型，而白刺（）與油蒿（）是烏蘭布和沙漠東北部典型的灌木植被，其特點是抗逆性強，穩(wěn)定性好，對保護綠洲免受風沙危害發(fā)揮著非常重要的生態(tài)防護作用[9]。因此，研究灌木植物對土壤養(yǎng)分的影響、土壤養(yǎng)分的空間分布特征及土壤養(yǎng)分的綜合評價，對揭示灌木對生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分的保護與有效利用機制具有重要意義。

近年來，關(guān)于白刺與油蒿的形態(tài)特征[10,11]、群落物種組成、物種多樣性、群落相似性[12-14]等方面有專家學(xué)者進行了研究，也有學(xué)者研究了白刺群落的土壤養(yǎng)分特征，例如玉蘇甫·買買提[15]對焉耆盆地白刺灌叢沙堆不同演化階段和沙堆間低地土壤理化性質(zhì)進行分析，而劉學(xué)東[16]對油蒿灌叢的3種生境(冠下、冠緣和灌叢間地)的灌叢土壤養(yǎng)分“肥島”效應(yīng)進行分析，而對于烏蘭布和沙漠地區(qū)白刺群落與油蒿群落土壤養(yǎng)分的比較及綜合評價未見報道。

本文采用野外調(diào)查與室內(nèi)分析相結(jié)合的方法，對烏蘭布和沙漠東北緣白刺群落與油蒿群落土壤養(yǎng)分進行對比分析，對土壤養(yǎng)分進行綜合評價，探討不同灌木群落土壤養(yǎng)分的特征，為植被恢復(fù)及改良荒漠化地區(qū)土壤質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭布和沙漠地處我國西部荒漠地帶東緣，地理位置介于N39°40′~41°00′，E 106°00′~107°20′，屬于草原化荒漠地帶。沙漠北部與狼山山地的西端相毗鄰，向西進入阿拉善典型荒漠區(qū)，東側(cè)瀕臨黃河，與著名的河套平原接壤。行政區(qū)劃包括阿拉善左旗、烏海市、磴口縣、杭錦后旗與烏拉特后旗的部分地區(qū)。烏蘭布和沙漠東北緣屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，冬、春季受西伯利亞-蒙古冷高壓控制，夏秋季為東南季風所影響，氣候干旱，雨量稀少，分配不均，溫濕同期，光照充足，熱量豐富，多年平均降水量約140.3 mm(1954~2005年)，全年降水季節(jié)分配不均，降水多集中于6~9月，研究區(qū)多年平均氣溫7.8 ℃，晝夜溫差大，年日照時間為3229.9 h，是我國日照時數(shù)最多的地區(qū)之一。風沙季節(jié)在11月至翌年5月之間，主風為西風和西北風，起沙風次數(shù)每年200~250次以上。烏蘭布和沙漠東北部土壤類型較為多樣，主要有灌淤土、灰漠土、鹽土、風沙土、淡棕鈣土5個土類。

1.2 研究方法

樣地選擇在烏蘭布和沙漠東北部，以天然植被為主，植被分布均勻，沒有人為干擾且長勢較好。每個樣地均使用GPS標記，作好記錄。油蒿、白刺群落的樣方大小為5 m×5 m，每個典型群落設(shè)置5個樣地，每個樣地設(shè)置5個樣方。群落基本特征如表1所示。

表 1 樣地基本情況

調(diào)查指標包括植被種類、個體數(shù)量、蓋度、密度、高度、冠幅等指標。在每個樣方內(nèi)對土壤進行取樣，取樣深度依次為0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm，6個重復(fù)，風干，除去礫石和枯落物，過2 mm篩，分析土壤養(yǎng)分。設(shè)置裸沙地為對照。土壤有機質(zhì)的測定用重鉻酸鉀容量法；堿解氮的測定用堿解擴散法；有效磷的測定用分光光度計法；速效鉀的測定用火焰光度計法；全氮的測定用半微量開氏蒸餾法；全鉀的測定用NaOH熔融火焰光度法；全磷的測定用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法；pH值測定用電位法[6]。

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft excel和SPSS17.0軟件數(shù)據(jù)處理和土壤養(yǎng)分因子的相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以平均數(shù)±標準誤表示，采用單因素方差分析（ANOVE）進行多重比較，顯著水平為＜0.05。

本文選取了土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全鉀、全磷、pH值8個指標，采取隸屬函數(shù)及土壤綜合質(zhì)量指數(shù)進行綜合評價[7]。

首先運用隸屬函數(shù)將8個土壤養(yǎng)分指標數(shù)據(jù)進行標準化，應(yīng)用公式（1）。

式中，(X)為各土壤養(yǎng)分指標的隸屬度值；X為土壤養(yǎng)分指標值；Xmax、Xmin分別為第項土壤養(yǎng)分指標的最大值和最小值。

各個養(yǎng)分指標的權(quán)重確定采用標準差系數(shù)法，首先用公式（2）計算標準差系數(shù)V，將公式歸一化后得到各指標的權(quán)重W，然后通過公式（4）求出土壤綜合質(zhì)量指數(shù)，越大，土壤質(zhì)量越高[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計

土壤養(yǎng)分均值是將所有土樣的8項養(yǎng)分指標分別進行算術(shù)平均，計算結(jié)果如表2，有機質(zhì)含量為(2.70±0.43) g·kg-1，全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷、有效磷分別為(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值為(9.37±0.09)。一般認為變異系數(shù)﹥100%為強變異，10%~100%為中等變異，﹤10%為弱變異[7]。土壤各養(yǎng)分指標均屬于弱變異，其中pH值變異系數(shù)僅為2.99%，變異性非常小。

表 2 土壤養(yǎng)分統(tǒng)計

2.2 土壤酸堿性

土壤pH值對土壤微生物的活性、礦物質(zhì)及有機質(zhì)、養(yǎng)分在土壤中的轉(zhuǎn)化、利用起著非常重要的作用[19]。由表3可以看出，油蒿群落與白刺群落的土壤pH值隨著土層深度的增加呈下降趨勢。土壤pH值的大小順序為：油蒿群落﹥白刺群落﹥裸沙地。

2.3 土壤有機質(zhì)

由表3可知，兩種群落土壤有機質(zhì)隨著土層深度的增加呈下降趨勢，不同植物群落有機質(zhì)含量存在差異，就表層有機質(zhì)來看，白刺群落的有機質(zhì)含量最高，是裸沙地的6.1倍，是油蒿群落的1.4倍，在0~20 cm土層，白刺群落有機質(zhì)與油蒿群落有機質(zhì)差異不顯著（﹥0.05），均與裸沙地差異顯著（﹤0.05）。20~40 cm、40~60 cm白刺群落有機質(zhì)與油蒿群落有機質(zhì)差異顯著（﹤0.05），60~80 cm、80~100 cm差異不顯著（﹥0.05）。土壤有機質(zhì)平均含量大小順序為：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。

2.4 土壤全氮和堿解氮

由表3可知，隨著土層深度的增加全氮含量呈下降趨勢，白刺群落、油蒿群落0~20 cm層的全氮含量分別是80~100 cm層的2.5倍、5.0倍。全氮含量變化幅度較小，白刺群落全氮含量變化范圍在(0.16±0.02) g·kg-1~(0.40±0.01) g·kg-1之間，油蒿群落全氮含量變化范圍在(0.10±0.01) g·kg-1~(0.50±0.09) g·kg-1之間。土壤全氮為土壤肥力重要指標之一，它與土壤有機質(zhì)存在極大的相關(guān)性，一般而言，土壤全氮的95%來源于有機質(zhì)，全氮含量為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，其大小順序與有機質(zhì)變化順序一致。白刺群落與油蒿群落各土層差異均不顯著（﹥0.05）。

白刺群落土壤堿解氮含量變化范圍在(11±1.48) mg·kg-1~(37±0.89) mg·kg-1之間，油蒿群落變化范圍在(11±1.32) mg·kg-1~(30±1.20) mg·kg-1之間，大小順序為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm差異不顯著（﹥0.05），20~40 cm差異顯著（﹤0.05），40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差異不顯著（﹥0.05）。

2.5 土壤全鉀和速效鉀

由表3可知，白刺群落與油蒿群落土壤全鉀含量和速效鉀含量隨著土層深度的增加呈下降趨勢，白刺群落全鉀含量變化范圍在(15.9±1.44) g·kg-1~(23.6±1.88) g·kg-1之間，平均全鉀含量最高的白刺群落，是裸沙地的1.1倍，速效鉀含量變化范圍在(80±12.36)mg·kg-1~(110±13.26) mg·kg-1之間，平均速效鉀含量最高的白刺群落，是裸沙地的1.3倍。土壤全鉀含量大小順序為：白刺群落﹥裸沙地﹥油蒿群落。速效鉀含量大小順序為：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm全鉀差異不顯著（﹥0.05），20~40 cm差異顯著（﹤0.05），40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差異不顯著（﹥0.05）。

2.6 土壤全磷和有效磷

由表3可知，白刺群落與油蒿群落隨著土層深度的增加，全磷含量與有效磷含量呈下降趨勢，白刺群落全磷含量變化范圍在(0.25±0.03) g·kg-1~(0.45±0.06) g·kg-1之間，油蒿群落全磷含量變化范圍在(0.18±0.08) g·kg-1~(0.32±0.01) g·kg-1之間，全磷含量為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，有效磷含量為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm白刺群落與油蒿群落全磷與有效磷差異不顯著（﹥0.05）。

表 3 油蒿群落與白刺群落土壤養(yǎng)分

注：同行不同小寫字母表示同一土層不同樣地的差異顯著（﹤0.05）。

Note: Values with different capital letters show significant differences at 0.05 level among different plots.

2.7 土壤養(yǎng)分綜合評價

本研究選了8項土壤養(yǎng)分指標，分別計算出不同群落土壤養(yǎng)分綜合評價值，如表4所示，根據(jù)綜合評價值，土壤養(yǎng)分綜合評價順序為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。

表 4 土壤養(yǎng)分綜合評價

注：表中(1)~(8)分別表示有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全鉀、速效鉀、全磷、有效磷及pH值的隸屬函數(shù)值。

Note: The data(1)~(8) in the table respectively denote the subordinative function value of organic matter, total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen, total potassium, available potassium, total phosphorus, available phosphorus, pH value.

3 討論

3.1 不同植物群落土壤養(yǎng)分變化

土壤有機質(zhì)對提高土壤的保肥性及改良土壤結(jié)構(gòu)有積極作用，也是土壤氮、磷的主要來源[18]。本研究顯示土壤有機質(zhì)平均含量大小順序為：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。土壤全氮含量變化幅度較小，全氮含量、堿解氮含量為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，其大小順序與有機質(zhì)變化順序一致。全鉀和速效鉀含量均是白刺群落最高，白刺群落全磷、有效磷含量最高。白刺群落及油蒿群落土壤有機質(zhì)、土壤全氮、堿解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀隨著土層深度的增加呈下降趨勢。許多學(xué)者對土壤養(yǎng)分特征進行研究，也表明隨著土層深度增加土壤養(yǎng)分含量呈減小趨勢，土壤養(yǎng)分呈現(xiàn)表聚性特點[19-23]。這與趙心苗等[24]、魏強[25]等的研究結(jié)果相同。陳瑩[26]認為不同灌叢草地土壤養(yǎng)分含量隨著土層深度的增加呈降低趨勢，這可能與微生物的作用和土壤酶活性有關(guān)。微生物可將有機物分解成簡單的無機物，然后被植被直接吸收利用[27,28]。土壤表層具有豐富的微生物，相對較高的土壤酶活性，導(dǎo)致凋落物經(jīng)微生物等的活動歸還給土壤的養(yǎng)分主要集中在土壤上層，這與趙錦梅等[29]的研究結(jié)果一致。荒漠化地區(qū)隨著植被的重建與恢復(fù)，能夠加速土壤有機質(zhì)的形成，但是只有土壤表層存在腐殖化作用，下層土壤受其影響較小[30]。凋落物及植物根系分解形成的有機碳首先進入表層，植被枯落物的歸還與分解是土壤氮素和磷素的主要來源[30]，土壤鉀素的表聚性可能與土壤蒸發(fā)和根系吸收有關(guān)[31]。

土壤pH值的大小順序為：油蒿群落﹥白刺群落﹥裸沙地。土壤pH值隨著土層深度的增加呈下降趨勢。潘開文等[32]研究認為土壤中的酸堿度是由植被群落凋落物的差異而引起的，從而不同類型的灌叢草地其土壤pH值不同。灌叢草地不同植被根系分泌物不同，也會導(dǎo)致其土壤pH值發(fā)生變化，隨著土壤養(yǎng)分的增加，可以不斷的為植物根部微生物提供豐富的養(yǎng)分，改變了灌叢周圍的微環(huán)境。影響土壤pH值變化的因素較多，如地下水鹽類的成分和含量、降雨量、蒸發(fā)量、植物生長狀況、土壤類型等[33]。本研究樣地的土壤類型一致。

3.2 土壤養(yǎng)分綜合評價

土壤養(yǎng)分肥力大小受土壤養(yǎng)分含量的影響，而且還受植物對養(yǎng)分吸收能力的影響，但更取決于各因子的協(xié)調(diào)程度[34]。本文結(jié)果顯示，裸沙地、油蒿群落、白刺群落的土壤養(yǎng)分綜合評價值分別為0.249，0.423，0.566。這可能是由于白刺植物自成群落并且枝葉茂密，積累大量枯枝落葉和腐殖質(zhì)，從而增加土壤有機質(zhì)含量，改善立地土壤的理化結(jié)構(gòu)，使土壤養(yǎng)分肥力增加。

4 結(jié)論

（1）有機質(zhì)含量、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、速效鉀、有效磷分別為(2.70±0.43) g·kg-1、(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值為(9.37±0.09)，土壤各養(yǎng)分指標均屬于弱變異。

（2）土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、速效鉀、有效磷表現(xiàn)為白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。白刺群落與油蒿群落有機質(zhì)在20~40 cm、40~60 cm層差異顯著（﹤0.05），在0~20 cm、60~80 cm、80~100 cm土層差異不顯著（﹥0.05）；堿解氮、全鉀在20~40 cm差異顯著（﹤0.05），0~20 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差異不顯著（﹥0.05）；各土層全氮、速效鉀、全磷、有效磷差異均不顯著（﹥0.05）。

（3）白刺群落與油蒿群落土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀隨著土層深度的增加呈下降趨勢。

（4）土壤養(yǎng)分綜合評價的排序為白刺群落(0.566)﹥油蒿群落(0.423)﹥裸沙地(0.249)。

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Soil Nutrient Characteristics Analysis ofandCommunities in Ulanbuh Desert

HUANG Ya-ru, MA Ying-bin, HAO Yu-guang*, XIN Zhi-ming, DONG Xue, LIU Yu-ting, MA Yuan, ZHANG Ran-hao

015200,

With the method of representative investigation and laboratory analysis, we study the characteristics of soil nutrient ofandcommunities in Ulanbuh Desert and evaluate the soil nutrient characteristics. The contents of organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus in soil samples were (2.70±0.43) g·kg-1, (0.30±0.04) g·kg-1, (20.80±3.38) mg·kg-1, (19.29±1.23) g·kg-1, (93.00±3.00) mg·kg-1, (0.30±0.02)g·kg-1, (3.74±0.38) mg·kg-1, respectively, the soil pH value was (9.37±0.09). All soil nutrient indexes are weak variation. Soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus show ascommunity﹥community﹥bare sandy land. There were significant differences in organic matter ofcommunity andcommunity in 20~40 cm and 40~60 cm layers (<0.05), no significant difference in 0~20 cm, 60~80 cm, 80~100 cm soil layer (>0.05). Alkali-hydrolyzable nitrogen and total potassium were significantly different at 20~40 cm (< 0.05), but not significant at 0~20cm, 40~60cm, 60~80cm and 80~100cm (>0.05). There was no significant difference in total nitrogen, available potassium, total phosphorus and available phosphorus in each soil layer.The soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, available potassium in thecommunity andcommunity had a downward trend with the increase of soil depth, showing the characteristics of surface aggregation. Soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium incommunity andcommunity showed a decreasing trend with the increase of soil depth. The comprehensive evaluation ranking of soil nutrients wascommunity (0.566)﹥community (0.423)﹥bare sand (0.249).community (0.566)>community (0.423) > bare sandy land (0.249).

Soil nutrients;community;community; the Ulanbuh Desert

S151.9+3

A

1000-2324(2019)04-0559-07

2018-04-08

2018-05-07

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(CAFYBB2017MB026)

黃雅茹(1987-),女,碩士,工程師,主要從事荒漠化防治方面的研究工作. E-mail:hu_angyaru@126.com

Author for correspondence. E-mail:hyuguang@163.com