古爾班通古特沙漠南緣梭梭根區土壤養分的分布特征研究

茍博文，魏 博，馬松梅,聶迎彬

(1.石河子大學生命科學學院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學理學院，新疆 石河子 832000;3.新疆農墾科學院作物研究所，新疆 石河子 832000)

【研究意義】梭梭(Haloxylonammodendron)，藜科(Chenopodiaceae)梭梭屬(Haloxylon)小喬木或大灌木，是重要的防風固沙植物，是中亞荒漠中分布最廣的荒漠植被類型之一[1]。準噶爾盆地是我國梭梭分布最集中的區域，約占全國梭梭林總面積的68.2 %[2]。梭梭為古爾班通古特沙漠植被群落中主要的建群種，具有耐貧瘠、抗旱和防風固沙等特點優勢[3]，在保持生物多樣性和維護區域生態平衡中起著非常重要的生態作用。但是，由于自然作用和人為因素對荒漠植被的嚴重破壞，造成大面積的天然梭梭林衰退甚至死亡，已被列為國家三級瀕危保護植物[4]。植被與土壤是一個相互作用、相互影響、相互制約、協調發展的體系[5]。土壤為植被提供必要的物質基礎，其理化特性深刻影響植被群落的發生、發育和演替，而植被的生長也深刻影響著土壤養分的積累、分布與循環。干旱荒漠景觀環境下，灌叢“肥島”的形成和有機物質的沉淀是灌木植物適應貧瘠沙質環境的主要機制和有效利用養分的主要對策，對荒漠灌木植物的存活及荒漠生態系統的維持都具有重要的生態意義。【前人研究進展】近年來，相關學者對不同地區荒漠建群植物梭梭根區土壤的理化性質及養分特征的空間分布開展了一系列研究。對艾比湖湖區邊緣不同沙丘下梭梭主根周圍土壤養分特征的差異性研究表明，三種沙丘土壤養分的空間分布整體上都呈一定集聚趨勢，形成“肥島”[6]；對古爾班通古特沙漠南緣梭梭“肥島”的初步探討表明沙漠區的風沙土和綠洲區的灰漠土中均存在“肥島”效應，且隨土層深度增加而減弱[7]；對古爾班通古特沙漠梭梭和白梭梭主根周圍土壤養分的梯度分布研究表明，梭梭和白梭梭根際微區均有顯著的養分聚集現象[8]。【本研究切入點】上述研究初步揭示了古爾班通古特沙漠南緣不同齡階、不同沙丘和不同種群梭梭根區土壤養分特征及其分布規律。但是，對于古爾班通古特沙漠南緣梭梭與白梭梭的同域分布區，梭梭根區周圍土壤養分分布的水平與垂直特征與規律還缺乏研究，成為深入理解荒漠區梭梭根區養分分布與運移規律的瓶頸。 本研究選擇古爾班通古特沙漠南緣新疆生產建設兵團第八師149團、甘家湖梭梭自然保護區及克拉瑪依農業綜合技術開發區外圍荒漠區的自然梭梭種群，采用野外原位分層取土樣的方法，對梭梭根區周圍及不同土層深度的土壤含水量、pH值、電導率、有機質和速效磷進行測定與分析。【擬解決的關鍵問題】明晰不同地區梭梭主根附近、冠幅中間和冠幅邊緣的土壤含水量、pH值、電導率、有機質和速效磷的水平分布特征與規律；探究不同地區梭梭根區0～60 cm土層土壤養分的垂直分布特征與規律。本研究的結果可以為干旱荒漠區梭梭林的生態恢復與管理提供基礎數據與理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

新疆生產建設兵團第八師149團、克拉瑪依農業綜合技術開發區和甘家湖梭梭自然保護區位于新疆準噶爾盆地古爾班通古特沙漠南緣。研究區屬典型干旱荒漠氣候，年平均氣溫6.6 ℃，年降水量114.89 mm，約31.6 % 的降雨集中在3-5月，年平均潛在蒸發量1500～2000 mm。研究區盛行西北風，5-6月大風(風速>20 m/s)頻繁發生。荒漠植物以低矮的灌木、半灌木為主，除了短命植物和一年生植物以外，幾乎全是旱生、超旱生植物，主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(Haloxylonpersicum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、檉柳(Tamarixchinensis)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與土樣采集 2017年5月，分別在古爾班通古特沙漠南緣新疆生產建設兵團第八師149團、克拉瑪依農業綜合技術開發區、甘家湖梭梭自然保護區，利用樣方繩與GPS定位選擇地形相對平坦，梭梭長勢均勻一致，病蟲害較少的區域，設置研究樣地。利用野外原位分層進行土壤采樣(圖1)，在每個樣區內選擇長勢基本一致的3株梭梭，在梭梭主根附近、冠幅中間和冠幅邊緣分別取0～60 cm深的土壤剖面，設置0～20、20～40和40～60 cm 3個土層深度，每株共9個土樣。每個土樣，選擇相互間成90°夾角的4個采樣方向，再將位于同一采樣點上不同方向的土樣混合成一個土樣，用四分法取土樣裝袋帶回實驗室備用。

圖1 梭梭根區土壤采樣點

1.2.2 土樣分析 將采集的土壤樣品放在陰涼干燥通風處自然風干，揀出枯枝落葉、植物根系等雜質，研磨過篩后待測，參照鮑士旦[9]土壤養分指標測定方法進行室內分析。采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定有機質；采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提―鉬銻抗比色法測定速效磷；采用烘干法(105 ℃下持續烘干8 h)測定土壤含水量；采用水土比5∶1待測液測定土壤電導率和pH值。

1.2.3 數據處理及統計 采用富集率E表征土壤養分富集程度[10]，E值越大表示土壤養分富集程度越高，反之則越小。在本研究中，主根附近、冠幅中間、冠幅邊緣的富集率分別采用如下方法換算：E1=B/A，E2=C/A。其中，E1，E2代表富集率，A表示主根附近養分含量，B表示冠幅中間養分含量，C表示冠幅邊緣養分含量，如果E1>1，E2>1，說明該土壤屬性值在冠幅中間和冠幅邊緣富集，相反則在主根附近富集。采用單因素方差(One-way ANOVA)進行差異顯著性分析，采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS16.0對數據進行處理，同時利用 Orgin8.0進行制圖。

2 結果與分析

2.1 土壤速效磷和有機質的分布特征

在水平方向上，不同地區梭梭主根附近到冠幅邊緣速效磷含量均表現為冠幅中間>主根附近>冠幅邊緣(圖2)。其中，甘家湖梭梭自然保護區內梭梭冠幅中間0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤速效磷含量均顯著高于同一深度土層主根附近和冠幅邊緣，但主根附近和冠幅邊緣0～20 cm土層的土壤速效磷含量無顯著差異。克拉瑪依農業綜合技術開發區和149團研究區內梭梭冠幅中間土壤速效磷含量均顯著高于冠幅邊緣。在垂直方向，不同地區梭梭根區土壤速效磷含量均隨土層深度的增加而減少，但0～20 cm 土層顯著高于40～60 cm土層。

圖2 不同地區梭梭根區土壤速效磷的變化

不同地區梭梭根區土壤有機質含量整體變化規律具有一致性(圖3)，在水平方向上，不同地區土壤有機質含量均表現為主根附近>冠幅中間>冠幅邊緣，且顯著差異。在垂直方向，土壤有機質含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢。

圖3 不同地區梭梭根區土壤有機質的變化

2.2 土壤 pH值、電導率和土壤含水量的分布特征

不同地區，梭梭根區土壤pH值在水平方向整體呈增大趨勢(圖4)，表現為主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣。在垂直方向，土壤pH隨土層深度的增加而增大。

圖4 不同地區梭梭根區土壤pH值的變化

不同地區梭梭根區土壤電導率在空間分布上表現出和速效磷相似的規律(圖5)，在水平方向，土壤電導率均表現為冠幅中間>主根附近>冠幅邊緣，并且差異顯著。在垂直方向，土壤電導率隨土層深度增加總體呈降低趨勢，但在0～20和40～60 cm土層的土壤電導率存在顯著差異。

不同地區，梭梭根區土壤含水量在水平方向整體呈增大趨勢(圖6)，表現為主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣，但在40～60 cm土層，不同地區均存在顯著差異。在垂直方向，土壤含水量隨土層深度增加顯著增大。

圖6 不同地區梭梭根區土壤含水量的變化

2.3 不同地區梭梭根區土壤養分富集率的分布特征

不同地區梭梭根區土壤養分表現出不同的水平與垂直方向富集的特征(表1)。不同地區，梭梭根區土壤含水量均有向冠幅邊緣聚集的趨勢(E1>1，E2>1且E11，E2<1且E1>E2)，而土壤有機質表現為向主根附近聚集的趨勢(E1<1，E2<1且E1>E2)。

表1 不同地區梭梭根區土壤養分富集率

從土壤垂直剖面看，土壤養分(速效磷、有機質)富集率隨土層深度的增加呈遞減趨勢。

3 討 論

相關研究表明土壤含水量變化與荒漠植被根系在土壤中的分布范圍和數量緊密相關[11]。梭梭具有粗壯而垂直的主根系，使之較其它植物更容易獲取地下水分[12]，而梭梭分布區表層土壤主要受自然降水的影響，研究區自然降水量很低，但蒸發強烈，因此梭梭根區土壤含水量表現出隨土層深度增加而增大的趨勢，該結果與朱雅娟等[13]、格日樂等[14]的研究結果一致；水平方向上，不同地區梭梭根區土壤含水量表現冠幅邊緣高于主根附近和冠幅中間，土壤含水量分布格局不僅和相應根系區域分布范圍、數量相關[15]，也和地形密不可分[16]。任雪[17]，李從娟[18]等關于梭梭“肥島”效應的研究中也表明梭梭根際周圍出現養分聚集的趨勢。在本研究中，不同地區梭梭主根周圍土壤有機質和速效磷含量出現了不同程度的聚集，表現出荒漠區典型的“肥島”效應，其中，土壤速效磷在梭梭冠幅中間大約0～40 cm土層以內聚集，而土壤有機質的“肥島”作用范圍發生在距主根附近大約 0～20 cm土層以內，隨土層深度增加而減弱，到約40 cm土層深度后 “肥島”逐漸降低[19]。

植物根際pH值的降低不僅能促進土壤某些養分的轉化，也能提高抗病蟲害能力，對植物的生長有一定的促進能力[20]。在本研究中，土壤pH在不同地區均表現出主根附近低于冠幅中間和冠幅邊緣，在梭梭主根中心形成了低pH的環境，這對于梭梭根際土壤的養分的改善具有重要作用，已有研究表明植被冠下土壤pH不僅受植被的影響，也可能受其他環境因子的影響[21]，有待進一步研究。電導率在梭梭根區周圍土壤的整個區域內表現為梭梭冠幅中間表層土壤有稍微的聚集，不同地區梭梭冠幅中間土壤電導率均高于冠幅邊緣和主根附近，0～20 cm土層的土壤電導率顯著高于40～60 cm土層，這與沈其榮[22]、弋良朋等[23]對植物根際鹽分狀況的研究結果一致。這也可能是因為梭梭是泌鹽植物，在植物根系和土壤含水量的綜合影響下，可溶性鹽離子有向根系運移的現象影響[8]。

4 結 論

本實驗對新疆生產建設兵團第八師149團、甘家湖梭梭自然保護區和克拉瑪依農業綜合技術開發區外圍荒漠區自然分布的梭梭根區土壤的 pH值、電導率、含水量、有機質和速效磷的空間分布特征與規律進行分析研究發現：①不同地區梭梭根區周圍土壤含水量和pH值在水平與垂直方向上整體呈增加趨勢，即主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣，0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm。②不同地區梭梭根區周圍土壤有機質、速效磷含量和土壤電導率在水平與垂直方向上總體呈降低趨勢。綜合考慮3個不同地區梭梭根區土壤養分的空間分布特征，發現其土壤均存在“肥島”效應，最大聚集范圍在0～40 cm土層。