烏海市幾種灌木與土壤養(yǎng)分聚集的關(guān)系

譚 錦，楊建英，侯 健

（北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083）

中國荒漠地區(qū)幅員遼闊，環(huán)境治理工作非常嚴峻。環(huán)境治理中一個非常重要的環(huán)節(jié)就是植被恢復(fù)，而植物的生長離不開土壤。植物可以通過產(chǎn)生或聚集土壤水分和養(yǎng)分來提高植物周邊土壤資源的可利用性進而影響幼苗的生長發(fā)育［1］，形成肥島效應(yīng)［2］。在干旱半干旱區(qū)，明確植被和土壤資源之間的反饋關(guān)系以及肥島效應(yīng)在生態(tài)系統(tǒng)中的生態(tài)功能非常重要［3-4］，這不僅能為土地管理者提供重要植被和土壤的信息，還能避免在今后野外實驗時采集的土壤形成空間自相關(guān)［5］。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于植物與土壤資源分布關(guān)系的研究多關(guān)注于土壤資源分布的斑塊大小與植被冠層大小的對比，以此來判斷土壤資源分布是否受到某一植物的影響。如GALLARDO［6］發(fā)現(xiàn)氮（N）和有機質(zhì)（SOM）的斑塊大小和分布格局與樹冠相吻合，并且半方差范圍與樹冠直徑相吻合，得出樹木對氮和有機質(zhì)有顯著的影響。這一方法雖然容易理解，但并不是非常準確，并且土壤資源與植被關(guān)系的一些細節(jié)不易確定。相較而言，作為一種經(jīng)典的統(tǒng)計學(xué)方法，空間點格局分析能反映多個研究對象相互之間的關(guān)聯(lián)性和關(guān)聯(lián)范圍，它常常應(yīng)用于分析各種不同尺度的種群分布格局及種間關(guān)系，以揭示植被的演替規(guī)律［7-10］，而在植被與土壤空間分布的研究中，空間點格局分析的應(yīng)用并不常見。為更深入分析內(nèi)蒙古西部干旱區(qū)植被與土壤資源格局的相互關(guān)系，了解不同植被群落條件下，不同優(yōu)勢灌木物種的土壤資源聚集效應(yīng)，本研究以內(nèi)蒙古烏海周邊地區(qū)為研究區(qū)，采用空間點格局分析方法，對不同群落條件下灌木物種與不同土壤養(yǎng)分間的點格局關(guān)系進行了分析，旨在揭示植物與不同土壤資源的聚集形式，對生態(tài)恢復(fù)中植物種的初步選擇具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

烏海市位于內(nèi)蒙古西部干旱區(qū)，地處黃河上游，東面和北面接鄂爾多斯，西接阿拉善，南部為寧夏。 研究區(qū)及樣方調(diào)查以烏海周邊地區(qū)為主（圖 1）（40°27′01″～38°35′44″N， 105°57′15″～107°48′21″E）。地勢兩邊高中間低，處在賀蘭山脈北部余端，并以此為界分為西部的草原化荒漠（1，2，3，4，5號植被群組所處區(qū)域）和東部的荒漠草原（6，7，8，9號植被群組所處區(qū)域）［11］。該地區(qū)氣候為典型的大陸性氣候，夏季炎熱高溫，冬季寒冷少雪，春秋干旱。晝夜溫差大，日照時間長，可見光照資源豐富。年平均氣溫為9.8℃，年平均降水量為157.9 mm，年平均蒸發(fā)量為3249.0 mm［12］。占比最高的3類土壤為棕鈣土（23.3%）， 灰漠土（22.0%）和風(fēng)沙土（7.1%）。

2 研究方法

2.1 灌木種選取

用于植被恢復(fù)的植物種多以鄉(xiāng)土樹種為主，菊科Asteraceae的沙蒿Artemisia desertorum和蝶形花科Papilionaceae的錦雞兒屬Caragana灌木是主要建群種，且在烏海市周邊分布廣泛，在荒漠草原和草原化荒漠均有分布，具有重要的研究價值，所以選擇沙蒿和錦雞兒屬灌木作為主要研究對象。

2.2 樣方調(diào)查

2017年8月，在烏海市周邊地區(qū)根據(jù)不同植被群落組成共選擇9個植被群組進行調(diào)查，取5 m×5 m灌木樣方3個·群組-1和1 m×1 m草本樣方3個·群組-1，樣方邊分別沿南北和東西進行布設(shè)。調(diào)查樣方中灌木和草本植物的基本組成情況后，選取其中1個最具統(tǒng)計學(xué)意義的灌木樣方，進行土樣采集和植物坐標測定。

圖1 研究區(qū)概況及樣方調(diào)查Figure 1 Survey of study area and investigation of plots

在選擇的樣方中，面朝正北，以樣方左邊朝正北設(shè)y軸，底邊朝正東設(shè)x軸，兩邊交叉點為原點建立坐標系，以樣方坐標軸原點為基準點進行土樣采集，各個采樣點間隔其他4個方向的采樣點均為100 cm（圖2），取0～20 cm土層的混合土樣1.0 kg·采樣點-1，共采集36×9=324份土樣；再在此坐標系基礎(chǔ)上對樣方中每株灌木的坐標點進行測定記錄，每株灌木坐標點位置為根與莖連接處中心。

圖2 土樣采集點分布圖Figure 2 Distribution of soil samples

2.3 土壤性質(zhì)分析

本研究選擇了有機質(zhì)（SOM）、全氮（TN）和全磷（TP）等3種土壤養(yǎng)分的代表性參數(shù)進行測定。將土樣風(fēng)干并去除雜質(zhì)，碾碎后過1 mm篩，過篩土樣進一步研磨，一部分通過60目篩，采用重鉻酸鉀稀釋熱法測定土壤有機質(zhì)；一部分過100目篩，將過篩土樣消煮后使用全自動化學(xué)分析儀（smartchm 200）測定土壤的全氮和全磷［13-14］。

2.4 點格局分析法

本研究針對植被與土壤參數(shù)之間的關(guān)系，采用二元點格局分析方法進行分析［15-16］。Ripley’s k（x）函數(shù)可分為單變量和雙變量的k函數(shù)，單變量k函數(shù)主要研究單一地理點群對象的內(nèi)在空間格局分布模式，而雙變量k函數(shù)主要用于研究一類事件點的分布模式是否依賴于另外一類事件點，或者前者是否會對后者的分布產(chǎn)生影響。對植物坐標點用k11（r）表示，對土壤采樣點用k22（r）表示，可以用下式計算灌木和土壤養(yǎng)分的個體在距離（尺度）r內(nèi)的數(shù)目其中： uij為植物坐標點（i）和土壤采樣點（j）之間的距離：當(dāng)uij≤r時，ir（uij）=1，反之則等于0；wij為以點i為圓心，uij為半徑的圓周長在樣方面積a中的比例，其中一個點可被觀察到的概率；n1和n2分別表示植物坐標點和土壤采樣點的個數(shù)。在表現(xiàn)格局關(guān)系時更有用，并且與r有線性關(guān)系。假設(shè)則當(dāng)l12（r）=0時，表明2個事件在r尺度下無關(guān)聯(lián)，l12（r）＞0時表明兩者正相關(guān)，l12（r）＜0時則為負相關(guān)。采用Monte-Carlo方法計算上下包跡線，如果在此距離尺度上研究個體的l12（r）的值位于包跡線內(nèi)，則認為研究個體屬于隨機分布，兩者無關(guān)聯(lián)；如果高于上包跡線為聚集分布，兩者正相關(guān)，低于下包跡線為均勻分布，兩者負相關(guān)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

將灌木空間分布數(shù)據(jù)和土壤空間分布數(shù)據(jù)（土壤不同養(yǎng)分含量最高的前20%點位）代入點格局模型，采用R語言中的 “ads”包進行點格局分析得出植物和土壤養(yǎng)分分布的相關(guān)性和空間格局關(guān)聯(lián)尺度r。若植物和土壤養(yǎng)分為聚集分布，則關(guān)聯(lián)尺度r表示植物和土壤養(yǎng)分聚集范圍，該范圍內(nèi)存在受植物影響的土壤養(yǎng)分斑塊。若植物和土壤養(yǎng)分為隨機分布，則植物的空間分布與土壤養(yǎng)分無關(guān)，以N表示。若植物和土壤養(yǎng)分為均勻分布，則在關(guān)聯(lián)尺度r下，植物與土壤養(yǎng)分相互排斥，植物無法聚集土壤養(yǎng)分斑塊，此種情況設(shè)定r為負值表示在該尺度下植物與土壤養(yǎng)分分布關(guān)系為顯著負相關(guān)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被情況

研究區(qū)植被以灌木或半灌木和草本為主，主要有8種灌木和半灌木（表1）。半灌木包括菊科的沙蒿；灌木包括蝶形花科的錦雞兒Caragana sinica，狹葉錦雞兒Caragana stenophylla，毛刺錦雞兒Caragana tibetica和檸條錦雞兒Caragana korshinskii；藜科Chenopodiaceae的梭梭Haloxylon ammodendron；蒺藜科Zygophyllaceae的白刺Nitraria tangutorum和霸王Sarcozygium xanthoxylon。

研究灌木主要為菊科的沙蒿和蝶形花科的錦雞兒屬灌木。沙蒿主根明顯，木質(zhì)或半木質(zhì)，側(cè)根少數(shù)，主根在0～20 cm土層生物量最多；錦雞兒主側(cè)根發(fā)達，根幅擴展較寬，并具有成層現(xiàn)象；檸條錦雞兒的根深且粗壯，可以分為獨生根和簇生根2類，前者相對后者更適合在干旱半干旱地區(qū)生長，且氮富集量更大；狹葉錦雞兒根系發(fā)達，主根和側(cè)根均較粗壯，根蘗性很強［17-19］。

表1 樣方調(diào)查情況Table 1 Investigation of the plots

3.2 灌木與全氮聚集關(guān)系

在草原化荒漠，沙蒿與全氮的關(guān)聯(lián)尺度分別為75和100 cm，相對于沙蒿，該區(qū)域錦雞兒屬的灌木與全氮的關(guān)聯(lián)尺度更大，其中以狹葉錦雞兒關(guān)聯(lián)尺度最大，為250 cm，其次為錦雞兒，關(guān)聯(lián)尺度230 cm，最后檸條錦雞兒為150 cm，表明錦雞兒屬灌木對全氮的聚集范圍大于沙蒿（表2）。根據(jù)灌木與土壤全氮的聚集關(guān)系，在該區(qū)域可以考慮采用沙蒿和錦雞兒屬灌木聚集土壤全氮，一方面灌木對全氮的聚集作用能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)組成［20］；另一方面可以根據(jù)不同灌木與土壤全氮的關(guān)聯(lián)尺度選擇出適合在不同環(huán)境下進行植被恢復(fù)的物種，比如在土地非常貧瘠的荒漠區(qū)域可以采用錦雞兒屬灌木進行植被恢復(fù)，以較少的株數(shù)治理更大的范圍；對于具有少許草本植物的荒漠區(qū)域可以采用沙蒿聚集氮素，以防止養(yǎng)分空間錯位，引起群落不穩(wěn)定從而影響草本植被生長［21］。

在荒漠草原，沙蒿＋錦雞兒，沙蒿＋檸條錦雞兒，毛刺錦雞兒和沙蒿群組中錦雞兒屬灌木和沙蒿與全氮無關(guān)聯(lián)，可能是因為研究區(qū)東部荒漠草原降水量多于西部草原化荒漠［22］，使得東部草本數(shù)量較于西部更多，這點在調(diào)查中也反映出來，而草本植物對于灌木的肥島效應(yīng)有較大的干擾［23］，由于草本對土壤養(yǎng)分分布的影響，使得荒漠草原的灌木的肥島效應(yīng)在該研究尺度下沒有草原化荒漠顯著。

表2 灌木與全氮的空間關(guān)聯(lián)尺度Table 2 Scale of spatial correlation between shrubs and TN

3.3 灌木與全磷聚集關(guān)系

土壤全磷僅與在草原化荒漠區(qū)域的錦雞兒＋白刺＋霸王群組中的錦雞兒有聚集關(guān)系，關(guān)聯(lián)尺度為50 cm，其他植被群組中灌木與全磷無聚集關(guān)系，包括生長在荒漠草原的錦雞兒在內(nèi)，均為隨機分布。這表明相較于其他錦雞兒屬灌木和沙蒿，錦雞兒在草原化荒漠中對全磷具有聚集作用，但并不能聚集荒漠草原的全磷。全磷與錦雞兒的2個關(guān)聯(lián)尺度包含了較小和較大2個聚集范圍，在草原化荒漠土壤非常貧瘠的區(qū)域或有少許草本植物的區(qū)域均可以考慮采用錦雞兒聚集全磷（表3）。

表3 灌木與全磷的空間關(guān)聯(lián)尺度Table 3 Scale of spatial correlation between shrubs and TP

3.4 灌木與有機質(zhì)聚集關(guān)系

土壤有機質(zhì)僅與沙蒿和毛刺錦雞兒表現(xiàn)關(guān)聯(lián)性。沙蒿在荒漠草原和草原化荒漠都聚集有機質(zhì)，關(guān)聯(lián)尺度分別為190和200 cm，但是聚集有機質(zhì)的群組中只有沙蒿1種灌木，可以考慮構(gòu)建沙蒿群落聚集有機質(zhì)。毛刺錦雞兒在荒漠草原區(qū)與有機質(zhì)表現(xiàn)出45 cm的關(guān)聯(lián)尺度，說明毛刺錦雞兒在荒漠草原對有機質(zhì)具有聚集作用，該區(qū)域也可以考慮采用毛刺錦雞兒聚集有機質(zhì)（表4）。

表4 灌木與有機質(zhì)的空間關(guān)聯(lián)尺度Table 4 Scale of spatial correlation between shrubs and SOM

4 討論

植物可以通過不同部位的不同功能將土壤養(yǎng)分聚集在周圍，這一系列植物根冠對土壤養(yǎng)分的聚集作用和聚集范圍通過點格局分析計算呈現(xiàn)出來。

第一，錦雞兒屬灌木通過根系與根瘤菌共生形成根瘤進行固氮［24-25］，土壤中氮質(zhì)量分數(shù)的變化與錦雞兒屬灌木的根系分布有非常密切的關(guān)系。在草原化荒漠區(qū)域，狹葉錦雞兒由于具有很強的根蘗性，往往幾株的根系連成一片，較大的根系范圍聚集了更多的土壤全氮斑塊，使得狹葉錦雞兒與全氮的關(guān)聯(lián)尺度達250 cm；而錦雞兒分布數(shù)量較多，成群分布，根系延展分布范圍較大，使得固氮范圍增大，錦雞兒與全氮的關(guān)聯(lián)尺度達230 cm；檸條錦雞兒在區(qū)域中雖然分布稀疏，但是灌叢相對較大，從與全氮的關(guān)聯(lián)尺度來看，與狹葉錦雞兒和錦雞兒多株聚集全氮不同，全氮可能更多的聚集在每株檸條錦雞兒根冠范圍內(nèi)。基于以上原因，狹葉錦雞兒和錦雞兒與全氮的關(guān)聯(lián)尺度近似，而兩者與全氮的關(guān)聯(lián)尺度大于檸條錦雞兒與全氮的關(guān)聯(lián)尺度。反觀該區(qū)域的沙蒿，與全氮也具有關(guān)聯(lián)尺度，但是沙蒿不屬于固氮植物，土壤中從植物獲取的氮素更多的來源于其枯落物的分解［26］，從2個不同沙蒿植物群中沙蒿的平均冠幅來看，沙蒿群中的沙蒿大于沙蒿＋白刺群中的沙蒿，兩者與全氮關(guān)聯(lián)尺度分別為100和75 cm，前者大于后者，表明全氮的關(guān)聯(lián)尺度可能受沙蒿冠層的影響。由于沙蒿群中的氮素主要來源于枯落物，而錦雞兒屬灌木群中的氮素還可以來源于根瘤菌固氮，荒漠地區(qū)植物根系廣深且強大［27］，相較于冠層有更大的分布范圍，所以錦雞兒屬灌木與全氮的關(guān)聯(lián)尺度整體大于沙蒿與全氮的關(guān)聯(lián)尺度。

第二，西北干旱地區(qū)的土壤全磷含量非常低，在低磷脅迫下，磷高效植物通過增加有機物的分泌，尤其是一些低分子量的有機酸來促進植物對土壤難溶性磷的活化與吸收［28］，比如蝶形花科植物在感受到磷虧缺后，根系有機酸的分泌量顯著增加，增加4.0～6.5倍，以此來活化吸收土壤難溶性磷［29］，在本研究中，草原化荒漠區(qū)域的錦雞兒表現(xiàn)出全磷的聚集作用，可能是由于貧瘠的土壤加上白刺和霸王的養(yǎng)分競爭，刺激錦雞兒根系對難溶性磷的活化吸收，使磷素聚集在錦雞兒根系周圍。錦雞兒與全磷表現(xiàn)出的關(guān)聯(lián)尺度，在該研究尺度下一定程度可以反映錦雞兒個體的根系活化磷素的范圍。

第三，土壤有機質(zhì)不僅來源于植物枯落物，同時也來源于植物根的殘體和根的分泌物，且不同植物的殘體和分泌物的養(yǎng)分也不同［30］。在與有機質(zhì)有關(guān)聯(lián)的2個沙蒿群和1個毛刺錦雞兒群中，群落中僅有1種灌木，灌木殘體與根的分泌物分解產(chǎn)生的有機質(zhì)只聚集在該種灌木周圍，使得灌木與有機質(zhì)表現(xiàn)出關(guān)聯(lián)性。沙蒿根系在0～20 cm土層生物量最多，對該層土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)有較大影響，使得沙蒿群中沙蒿與有機質(zhì)的關(guān)聯(lián)尺度達200和190 cm，沙蒿與有機質(zhì)的關(guān)聯(lián)尺度則反映了沙蒿根或冠的分布范圍。而荒漠草原的毛刺錦雞兒在多數(shù)量的草本植物的影響下聚集了有機質(zhì)，且關(guān)聯(lián)尺度與冠幅非常接近，一定程度說明該植被群有機質(zhì)受毛刺錦雞兒冠層的影響。

5 結(jié)論

在烏海市西部草原化荒漠區(qū)域，全氮與錦雞兒屬灌木和沙蒿均有聚集關(guān)系，關(guān)聯(lián)尺度狹葉錦雞兒（250 cm）＞錦雞兒（230 cm）＞檸條錦雞兒（150 cm）＞沙蒿（100 cm）＞沙蒿＋白刺群組的沙蒿（75 cm）； 與全磷存在聚集關(guān)系的僅有錦雞兒，關(guān)聯(lián)尺度為50 cm；與有機質(zhì)存在聚集關(guān)系的僅有沙蒿，關(guān)聯(lián)尺度為200 cm；在東部荒漠草原區(qū)域，全氮全磷與錦雞兒屬灌木和沙蒿均不存在聚集關(guān)系，有機質(zhì)與毛刺錦雞兒存在關(guān)聯(lián)尺度為45 cm的聚集關(guān)系，與沙蒿存在關(guān)聯(lián)尺度為190 cm的聚集關(guān)系。在較為干旱貧瘠的草原化荒漠區(qū)可以根據(jù)土壤需求考慮選擇錦雞兒屬灌木或沙蒿聚集土壤養(yǎng)分；在荒漠草原區(qū)可以考慮選擇毛刺錦雞兒或沙蒿聚集有機質(zhì)。運用點格局分析得出的灌木與土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)尺度一定程度反映了根或冠的范圍，深入揭示了植物與土壤養(yǎng)分之間的空間關(guān)系。但點格局分析僅能反映聚集范圍內(nèi)有土壤斑塊受植物影響，無法明確一株植物影響幾個土壤資源斑塊或者一個土壤資源斑塊受幾株植物影響，植物斑塊與土壤斑塊關(guān)系量化需要更深入的研究。