寧夏東北部典型荒漠草原植物群落與土壤養分特征

賈榮，蘭登明，郭威星，王玉婕，溫靜

內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010020

寧夏生態本底脆弱，是中國典型的生態脆弱區，人為活動對生態系統的干擾處于中國的中等水平，且呈增加趨勢（幸贊品等，2018）。荒漠草原是寧夏面積最大的天然草地類型，其總面積約為11495.66 km2。眾多學者在寧夏荒漠草原植物群落結構、多樣性、封育對植物群落和土壤的影響等方面進行了較多的研究，結果表明，寧夏東部風沙區荒漠草原植物群落的種間關聯性較弱，群落結構簡單化，群落種間關系松散（李朝等，2013）；植物優勢種在群落中的地位明顯，土壤水分是影響植物群落分布的決定性環境因子（秦建蓉等，2015）；群落生產力受物種多樣性、物種本身特征和環境資源的影響，功能群蓋度與群落初級生產力無顯著的相關關系（杜茜等，2006）。此外，植物群落呈異速生長模式，植物葉片平均C含量低于全球水平（楊陽，2015），植物群落的空間變異性在不同坡向、坡位存在差異（魏樂等，2014）。人工灌叢的引入加速了退化荒漠草地0—40 cm土層SOC的累積與固定，加劇了土壤表層 SOC空間異質性、破碎化（Zhao et al.，2019），加速土壤水分利用和深層水分消耗，對深層土壤水分作用更強（Zhao et al.，2018）。封育對荒漠草原有很好的作用，有利于土壤團聚體的形成（王國會等，2017），能顯著改善10—40 cm土層的飽和持水量，對表層土壤的容重和孔隙度有一定改善作用，有利于土壤有機碳的固存和積累（胡鑰等，2016）。隨著封育時間的增加，土壤種子庫的密度增加（劉華等，2011），土壤中可萌發種子的數量不增加（劉華等，2016），封育9年的草地高度和生物量顯著高于其他封育年限及未封育草地，荒漠草原植被自然恢復演替在封育9年時出現轉折（陶利波等，2018）。然而，在植物群落多樣性、土壤狀況的研究中，關于影響植物多樣性的土壤因子的研究較少，土壤pH值、全氮、全磷、有機質對植物多樣性指數的影響程度不明確。因此，以寧夏東北部荒漠草原為研究區，對研究區的植物群落和土壤養分進行調查，明確研究區的植物群落物種組成、土壤養分以及植物多樣性指數與土壤養分的相關關系，以期為中國的荒漠治理、生物資源保護與可持續性利用提供依據。

1 研究區和方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區，35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，海拔1100—1200 m，地勢從西南向東北逐漸傾斜，全區年降水量150—600 mm，年日照時數2250—3100 h，年平均氣溫5.6—10.1 ℃，土壤類型主要有灰鈣土、灰漠土、黑壚土、灰褐土。主要植被類型有黑沙蒿(Artemisia ordosica)+沙鞭(Psammochloa villosa)、檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)+苦豆子(Sophora alopecuroides)、黑沙蒿+泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)、短花針茅(Stipa breviflora)+冰草(Agropyron cristatum)等。

1.2 研究方法

采用統一的公里網格（10 km×10 km）對寧夏東北部典型荒漠草原的植物群落進行系統網格化，選定調查點共11個（見表1），調查點分布情況見圖1。利用GPS定位，在每個選定的調查點上，設置1個100 m×100 m的樣方。在樣方內，采用系統法設置5個10 m×10 m的灌木樣方，9個1 m×1 m的草本樣方，1個土壤剖面調查點（如圖2），灌木樣方內調查灌木的種類、密度、高度、冠幅，草本樣方內調查群落物種組成、密度、高度。對樣地內進行踏查，每個樣方進行詳查。在每個樣點的土壤剖面取樣點上，按照寬1 m，長1.5 m的規格，挖掘1個土壤剖面。采集0—10 cm土層的土樣（3個重復），將土樣送至內蒙古瑞普精準檢驗檢測有限責任公司進行檢測，采用《土壤分析技術規范》的常規檢測方法測定土樣的pH、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）和有機質（soil organic carbon，SOC）。

表1 調查點情況Table 1 Survey situation

圖1 調查點分布示意圖Fig.1 Survey point distribution

圖2 調查樣方設置示意圖Fig.2 Schematic maps of survey plot settings

本文選取 4個植物多樣性指數，分別是Margalef豐富度指數（R）、Simpson指數（D）、Shannon-Wiener多樣性指數（H）和Pielou均勻度指數（E），計算公式如下（張金屯，2004）：

式中，S為樣方中物種總數；N為樣方中記錄的個體總數；Pi=Ni/N，Ni為樣方中第i個物種的個體數。

運用Excel 2010進行植物科、屬、種的統計分析及植物多樣性指數的計算，采用 SPSS 19.0的Pearson相關性分析進行植物多樣性指數與土壤養分的相關性分析。

2 結果與分析

2.1 植物群落物種組成分析

經調查，研究區共有86種植物，隸屬61屬21科，其中以禾本科、豆科、菊科和藜科植物為主。根據各科所含種種數，將 21科分為≥10種、4—9種、2—3種、僅1種4個類別，并將各科所含屬數、種數列舉如下（表2、表3）。

從表2、表3可以看出，含10種及以上的科有4個，分別是禾本科（18種）、豆科（16種）、菊科（13種）和藜科（11種），這4科共計有植物58種，科數占總科數的19.05%，種數占總種數的67.44%；僅含1種的科有9個，占總科數的42.86%，種數占總種數的10.47%，由此看出禾本科、豆科、菊科和藜科的優勢明顯。

表2 植物科的數量結構分析Table 2 Quantitative structure analysis of plant families

表3 植物各科所含屬、種數統計（屬/種）Table 3 Statistics on the genus and species of plants in various families (genus/species)

2.2 土壤養分特征分析

由表4可知，研究區內土壤平均pH值為8.81，全氮質量分數為 0.07—0.54 g·kg-1，全磷質量分數為0.16—0.51 g·kg-1，有機質質量分數為0.51—6.24 g·kg-1，這說明研究區土壤總體上呈堿性，土壤全氮、全磷、有機質的質量分數均顯著低于全球及中國陸地土壤平均值（青燁等，2015；Tian et al.，2010；王紹強等，2000）。

表4 各樣地土壤養分特征Table 4 Soil nutrient characteristic

2.3 植物多樣性指數與土壤養分特征的相關性分析

由表5可知，研究區內Margalef豐富度指數平均值為 2.49，Simpson指數平均值為 0.24，Shannon-Wiener多樣性指數平均值為 1.84，Pielou均勻度指數平均值為0.76。

表5 各樣地植物多樣性指數Table 5 Plant diversity index of each site

對研究區內的植物多樣性指數與土壤養分的相關性分析表明（見表6），Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數均與pH值呈顯著負相關，與全氮、全磷、有機質呈正相關，但相關關系未達到顯著水平；Simpson指數與pH值呈正相關，與全氮、全磷、有機質呈負相關，但相關關系均未達到顯著水平；Pielou均勻度指數與pH值呈負相關，與全氮、全磷、有機質呈正相關，但相關關系均未達到顯著水平。

3 討論

3.1 寧夏東北部荒漠草原植物群落物種組成特征

荒漠草原在生存環境、物種組成、群落結構和生態系統功能等方面體現了生態學上的獨特性（韓國棟等，2005），植物種主要由禾本科、菊科、百合科、藜科、蒺藜科、豆科等植物組成（杜茜等，2006）。本研究區內植物共86種，隸屬61屬21科，禾本科、豆科等優勢突出，含多數的屬、種。秦建蓉等（2015）對寧夏東部風沙區荒漠草原植物群落及物種多樣性進行研究，發現風沙區荒漠草原植物物種較為單一，多集中在6—13種。周蘭萍等（2012）研究發現騰格里沙漠東南緣綠洲荒漠過渡帶天然群落結構簡單，豐富度指數較高，多樣性指數較低，群落間的均勻度指數相差不大，這與本研究結果一致，說明荒漠區的天然植物群落物種單一。同時，pH值對Margalef豐富度指數和Shannon-Wiener多樣性指數的影響較大，在植被恢復選擇植物種時可以優先考慮禾本科、豆科、菊科、藜科等耐鹽植物種。

3.2 寧夏東北部荒漠草原土壤養分特征

土壤養分狀況是土壤物理、化學、生物等因素綜合作用的結果，是土壤從環境條件和營養條件兩方面供應和協調作物生長發育的能力（蔣文偉等，2004）。由于荒漠地區降水量少和相對較低的分解速度，故其礦質風化速率較低，土壤存儲有機物質的能力較低，導致養分可利用性顯著降低（李從娟等，2014）。在荒漠區中進行比較，本研究的土壤氮質量分數（0.23 g·kg-1）低于黃土丘陵地區（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015），與準格爾荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤磷質量分數（0.32 g·kg-1）低于黃土丘陵地區（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015），與準格爾荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤有機質質量分數低于黃土丘陵地區（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015）、準格爾荒漠地區（陶冶等，2016）。可以看出，研究區內土壤的養分條件較其他荒漠區差，在植被恢復選擇植物種時要考慮植物種的耐貧瘠性。

3.3 寧夏東北部荒漠草原植物多樣性指數與土壤養分相關性

植物與土壤的關系復雜，不同學者在不同區域的研究結果不一致。趙景學等（2011）研究表明，植物多樣性指數及豐富度指數與土壤有機質、全氮、全磷和速效氮質量分數呈極顯著的正相關關系，均勻度指數與所有環境因子之間的關系均未達到顯著水平。保婭等（2015）研究表明，全氮、全鉀、pH值對Simpson指數的影響較大，全氮、pH值對Shannon-Wiener指數的影響較大，全氮、全磷、全鉀及pH值對Pielou指數的影響不明顯。陳平等（2010）研究表明，植物豐富度指數和多樣性指數與土壤養分呈顯著相關關系，并且都與全氮質量分數呈正相關，與pH值呈負相關。黃雅茹等（2018）研究表明，植物豐富度指數、均勻度指數及多樣性指數與全氮、全磷、全鉀、全鹽量、有效磷、速效鉀、堿解氮、有機質呈正相關關系，而與pH值呈負相關關系。Baer et al.（2005）研究發現，植物物種多樣性與養分異質性之間無直接的關系，但與生產力和植被蓋度呈正相關。本研究結果顯示，Margalef豐富度指數和Shannon-Wiener多樣性指數與pH值呈顯著負相關，與其他土壤養分的相關關系未達到顯著水平，Simpson指數和Pielou均勻度指數與土壤養分的相關關系均未達到顯著水平。綜上可以看出，在土壤全氮質量分數低、堿性大的地區，植物多樣性與全氮質量分數呈正相關，與 pH值呈負相關。而植物多樣性指數與土壤養分之間的關系在不同研究區域所得出的結果不一致，這與不同群落類型、不同海拔、水熱條件等有關。本文僅對研究區內土壤的 pH、全氮、全磷、有機質與植物群落多樣性指數進行了分析，更多的土壤因子與植物群落多樣性指數的相關關系有待于進一步的研究。

表6 植物多樣性指數與土壤養分相關性系數Table 6 Correlation coefficient between plant diversity index and soil nutrient

4 結論

（1）研究區內植物種類少，豆科、禾本科植物優勢明顯，結合 Margalef豐富度指數和 Shannon-Wiener多樣性指數，可以看出研究區內物種的豐富度低。

（2）研究區土壤總體上呈堿性，土壤養分條件差。

（3）研究區內影響 Margalef豐富度指數和Shannon-Wiener多樣性指數的主要土壤因子是 pH值，土壤的全氮、全磷和有機質對植物多樣性指數的影響不大。