羊草及芨芨草草原和西北針茅草原土壤質量評價

張麗星，海春興，常耀文，高曉媚，高文邦，解云虎

（1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特010022；2.內蒙古自治區高原環境與全球變化實驗室，內蒙古 呼和浩特010022；3.北京師范大學地理科學學部，北京100093；4.內蒙古科技大學包頭師范學院，內蒙古 包頭014030）

在草地生態系統中，植被群落組成的不同會直接影響累積在地表的凋落物及輸入土壤的營養物質，進而改變土壤中養分儲量及物質能量流動［1-2］。羊草（Leymus chinensis）及芨芨草（Achnatherum splendens）具有耐旱、耐堿的特性，由于其生長區水熱條件差，常出現土壤鹽堿化現象［3］。西北針茅（Stipa sareptana）具有較強的抗旱性［4］，對土壤鹽分的反應很敏感，即使在輕度鹽化的土壤上，也難以見到它的生長。植被群落結構以及生物多樣性發生改變，使得土壤性質也發生了微妙的變化［5］。不同植物種類對土壤化學性質存在顯著影響［6-7］，土壤pH值、有機質含量和其他養分含量與植被群落均表現出不同程度的相關性［8-9］。

土壤是植被生長發育的物質基礎，植被群落結構與土壤質量狀況密切相關。在土壤生態系統范圍內，土壤質量在維持生物生產能力、保護環境質量及促進動植物健康等方面具有重要作用［10］。目前土壤質量指數（soil quality index，SQI）廣泛用于土壤質量評價。土壤質量指數通常由土壤指標的選取、指標評分及將指標評分合并成綜合指數這3個部分組成［11-12］。許多土壤質量評價僅是基于表層（0～30 cm）土壤性質［11-13］，使用整個剖面的數據進行研究的很少。雖然表層土壤容易采集、測量和評估，但是卻提供不了完整的信息［14］。草原土壤剖面由于淋溶層和鈣積層的存在，空間差異較強［15］。能夠反映土壤質量的指標繁多，選取少量且代表性強的指標是科學評價草原土壤質量的基礎［16］。因此，為更好地了解羊草及芨芨草群落與西北針茅群落的土壤質量，本研究選擇鑲黃旗典型草原區羊草及芨芨草草原和西北針茅草原土壤為研究對象，按照土壤發生層采樣，選擇適宜的10項土壤指標進行測驗，旨在分析兩類不同草原A1～C層土壤性質的差異；并建立土壤質量指數（SQI）模型，揭示兩種不同草原植被群落下A1～C層土壤質量狀況，可為草原土壤質量調控，退化草原改良和合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況與樣地布設

研究區選擇在內蒙古自治區中部、錫林郭勒盟西南端鑲黃旗，處于蒙古高原南部邊緣，北部為波狀起伏的高原，常出現地表基巖裸露；南部為起伏較大的丘陵和盆地。該區屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，雨熱同期，光能充足，降水少蒸發大，氣候干燥，年均溫3.6℃，穩定通過10℃的年積溫為2333.9℃，年均降水量264.9 mm，年均日照時數3024.8 h，年均風速4.4 m·s-1［17］。

試驗區具體設置在距鑲黃旗市區北偏東6 km處，選擇了兩種草原植被群落，以羊草及芨芨草為主的羊草+芨芨草群落（羊草+芨芨草草原）和以西北針茅為主的西北針茅群落（西北針茅草原）（圖1，表1）。為保證兩類草原利用強度一致，均選擇未受干擾的圍封區（大約從2003年開始圍封）。在兩類草原樣地中進行隨機植被群落樣方調查（1 m×1 m），羊草及芨芨草草原內植被主要有羊草、芨芨草、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）、木地膚（Kochia prostrate）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、駱駝蓬（Peganum harmala）和冷蒿（Artemisia frigida）；西北針茅草原內植被主要有西北針茅、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、木地膚、野韭菜（Allium japonicurn）、蒙古韭（Allium mongolicum）、尖齒糙蘇（Phlomis dentosa）、寸苔草（Carex duriuscula）。試驗地土壤為栗鈣土（圖2），參考《中國土壤發生與系統分類》［18］以及《野外土壤描述與采樣手冊》［19］完成土壤剖面發生層劃分，為腐殖質層（humus horizon，A1）、淋溶層（eluvial horizon，A2）、過渡層（transition horizon of humus and illuviation，AB）、鈣積層（calcic horizon，Bk）、埋藏層（buried horizon，Bb）和母質層（parent material horizon，C）。

圖1 研究區植被狀況Fig.1 Vegetation of study area

表1 樣地位置及群落信息Table 1 Plot location and information of plant community about sampling sites

1.2 樣品采集及指標測定

2018年10月在兩類草原樣地分別挖取土壤剖面并對其分層（圖2）。隨后采用梅花形布點法，采樣工具為荷蘭產EK0105型根鉆（內徑8 cm，高15 cm），在兩類草原按照土壤發生層采樣，每個樣地設置5個采樣點，每個土樣分別做3個重復，各共計165個土樣。利用烘干法測定土壤含水量，采用環刀法測定土壤容重，采用pH計測定pH（水土比為2.5∶1），利用電導率儀測定電導率（水土比為5∶1）。采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定土壤有機質含量，采用半自動凱氏定氮儀測定土壤速效氮含量，采用0.5 mol·L-1NaHCO3比色法測定土壤速效磷含量，采用火焰光度計測定土壤速效鉀含量［20］。利用J200激光光譜元素分析儀測定土壤全氮、全磷含量［21］。

圖2 研究區土壤樣點分布及土壤剖面Fig.2 Distribution of soil sampling sites and soil profile in the study area

1.3 土壤質量評價方法

土壤質量指數可以綜合評價土壤特性，土壤質量指數越大，土壤質量越高。為了更好地量化土壤質量，使用總數據集和最小數據集方法計算土壤質量指數（SQI）。本研究一共測量了10個土壤指標，總數據集包含測量的所有土壤數據，最小數據集選擇主成分分析篩選后的數據。

運用SPSS 25.0對評價指標進行主成分分析，提取特征值≥1的主成分，將同一主成分載荷≥0.5的指標分為1組，若某土壤指標同時在兩個主成分中載荷都≥0.5，則將其劃分到與其他土壤指標相關性較低的那一組［12］。分組后，各組內選取與最高Norm值相差10%范圍內，且相關性較高（Pearson相關系數≥0.6）的土壤指標，只有1個可以入選最小數據集，其余將被剔除［22］。Norm值的計算公式為：

式中：Nik為第i個變量在特征值≥1的前k個主成分上的綜合載荷；uik為第i個變量在第k個主成分上的載荷，反映了第i個變量在第k個主成分的相對重要性；λk是第k個主成分的特征值。

每個土壤指標數據通過非線性賦分方程被轉換為0～1變化的無量綱分數，公式如下：

式中：SNL是介于0～1的土壤指標得分；a為最大得分，在這里被確定為1；x是土壤實測指標值；x0為相應的指標平均值；b為方程的斜率，“越多越好”型指標被確定為-2.5，“越少越好”型指標被確定為2.5［23］。

總數據集和最小數據集方法的SQI值通過以下公式計算：

式中：Si為指標得分；n為指標數量；Wi為指標權重值，通過主成分分析法計算，等于各指標的公因子方差占所有指標公因子方差之和的比例［12］。

1.4 數據處理

采用Excel 2010對原始數據進行整理，應用SPSS 25.0對數據進行相關性分析、主成分分析和顯著性檢驗。兩類草原各土壤指標之間顯著性檢驗采用配對T檢驗。應用Origin 9.0進行線性回歸分析以及繪制柱狀圖。

2 結果與分析

2.1 羊草及芨芨草草原與西北針茅草原土壤理化性質對比分析

兩類草原土壤容重最低值均出現在A1層，在A1、AB和Bk層差異顯著，其他層無顯著差異（表2）。羊草及芨芨草草原土壤在A1、AB和Bk層容重顯著低于西北針茅草原（P＜0.05），分別低了7.89%、6.25%和10.71%。羊草及芨芨草草原土壤水分隨土壤深度增加先增加后減少，西北針茅草原土壤水分隨土壤深度增加而減少，二者在A2～Bk層差異顯著（P＜0.05），其他層無顯著差異。羊草及芨芨草草原土壤在A2、AB和Bk層水分顯著高于西北針茅草原（P＜0.05），分別高了34.34%、54.67%和335.06%。

羊草及芨芨草草原土壤剖面pH介于8.09～9.29，為堿性和強堿性土壤；西北針茅草原土壤剖面pH介于7.91～8.35，為堿性土壤（表2）。隨著土壤深度增加pH增大（除C層外），兩類草原土壤在A1～C層pH差異顯著。羊草及芨芨草草原土壤在A2和AB層pH比西北針茅草原顯著低2.97%和2.47%（P＜0.05），在A1、Bk和C層pH比西北針茅草原顯著高3.65%、6.70%和6.41%（P＜0.05）。土壤電導率隨土壤深度增加均先增加后減小，羊草及芨芨草草原土壤電導率在0.12～1.52 dS·m-1，西北針茅草原土壤電導率在0.06～0.13 dS·m-1。在A1～Bk層羊草及芨芨草草原土壤電導率顯著高于西北針茅草原（P＜0.05），土壤電導率均值相當于西北針茅草原的8倍。由此表明羊草及芨芨草草原中下層土壤鹽堿化較為嚴重。

土壤有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、全氮和全磷多在土壤A1層出現最大值，整體呈現隨土壤深度增加而降低的趨勢（表2）。兩類草原土壤有機質在A1層無顯著差異，羊草及芨芨草草原土壤有機質在A2和AB層比西北針茅草原顯著高24.5%和12.9%（P＜0.05），在Bk和C層比西北針茅草原顯著低31.5%和85.3%（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤速效氮、速效磷和速效鉀在A1層比西北針茅草原顯著高2.8%、6.2%和15.5%（P＜0.05），兩類草原土壤在A2～C層速效氮和速效磷無顯著差異，羊草及芨芨草草原土壤速效鉀在Bk和C層顯著低于西北針茅草原（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤在A1層全氮和全磷分別比西北針茅草原顯著高20.9%和4.9%（P＜0.05），在A2、AB和Bk層全氮比西北針茅草原顯著低5.9%、48.8%和35.8%（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤Bb層和C層土壤各指標在數值上雖有差異，但結果并不顯著。

2.2 土壤質量評價

2.2.1 基于最小數據集的土壤質量評價 前3個主成分特征根值＞1，且累計貢獻率達到了83.35%（表3），表明這3個主成分解釋研究區土壤質量能力較強。根據各主成分載荷因子大小，將土壤指標分為3組，再通過計算Norm值，選取與最高Norm值10%范圍內的指標，確定以下土壤指標為初選結果：有機質、速效氮、速效磷、速效鉀、電導率、土壤水分和容重。然后通過Pearson相關性分析，比較同組內指標相關系數（表4），最終確定最小數據集（minimum data set，MDS）土壤質量指標為有機質、電導率和容重。

最小數據集再次通過主成分分析獲得的公因子方差計算權重（表5），有機質、電導率和容重的權重分別為0.39、0.16和0.45。利用非線性賦分方程將最小數據集指標轉化為0～1的分數，數值越大土壤質量越好（表6）。本研究中，有機質表征了土壤中養分含量的多少，適用于“越多越好”型。電導率可以表示土壤全鹽量［24］，鹽度過高會影響植物的正常生長發育，所以適用于“越少越好”型。容重也適用“越少越好”型，因為土壤容重越大，孔隙數量越少，透氣性越差，透水性能也越差［25］。

基于最小數據集的非線性土壤質量評價（圖3），在A1層羊草+芨芨草草原SQI值（0.72）＞西北針茅草原（0.70），在A2、AB、Bk和C層，通過T檢驗表明羊草+芨芨草草原SQI值顯著低于西北針茅草原（P＜0.05），分別低了15%、17%、30%和29%。在植被根系主要集中區A1和A2層（0～32 cm），羊草+芨芨草草原SQI均值（0.62）＜西北針茅草原（0.66），說明整體上西北針茅草原土壤質量優于羊草+芨芨草草原。由于西北針茅草原沒有Bb層，因此兩類草原土壤SQI值對比分析時Bb層不參與，而羊草+芨芨草草原中Bb層和C層SQI值近似相等，二者之間無顯著差異。

2.2.2 基于最小數據集的土壤質量評價方法的適用驗證 最小數據集的土壤質量評價方法是對總數據集的土壤質量評價方法的簡化，具有試驗分析簡單化、省時省力等特點，但可能會導致評估準確度下降，因此一般會使用總數據集的土壤質量評價方法進行驗證。與最小數據集方法一樣，總數據集通過主成分分析獲得的公因子方差計算權重（表5），各土壤指標平均值以及非線性賦分方程將各評價指標數據標準化（表6），然后對基于總數據集的土壤質量評價進行分析。

表2 羊草及芨芨草草原和西北針茅草原土壤剖面各發生層土壤指標分析TableTable 2 Analysis of soil indicators in the soil profiles of L.chinensis and A.splendens grassland and S.sareptana grassland

總數據集土壤質量指數和最小數據集土壤質量指數二者雖然在數值上存在差異（圖3），但二者在A1～C層變化趨勢完全相同，均隨土層深度增加而減小，在Bk層降到最低。進一步對總數據集土壤質量指數和最小數據集土壤質量指數進行一元線性回歸（圖4）分析，二者呈極顯著正相關關系。回歸方程為：y=1.266x-0.104（R2=0.947，P＜0.05），其中y代表最小數據集，x代表總數據集。由此說明建立的草原土壤質量評價的最小數據集能夠較好地反映總數據集對草原土壤質量評價的信息，且評價結果具有較好的代表性。

3 討論

在草地生態系統中，氣候、植被、土壤屬性及土地利用方式是影響土壤性質的主要因素［26］。本研究中，羊草及芨芨草草原與西北針茅草原距離不超過1000 m，氣候、圍封時間及土地利用方式均一致。羊草及芨芨草草原土壤A層（0～32 cm）養分含量大于西北針茅草原，而在Bk～C層土壤有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量均值均低于西北針茅草原。深層土壤養分主要來源于死亡根系，兩類草原鈣積層出現的位置和厚度不同，且鈣積層是其分布區的主要障礙層，會阻礙根系的延伸和生長，進而導致二者深層土壤養分含量產生差異［27-28］。羊草及芨芨草草原土壤在A1～C層土壤水分和電導率顯著大于西北針茅草原（P＜0.05），在A2和AB層pH顯著小于西北針茅草原（P＜0.05），這與植被群落關聯密切。羊草及芨芨草草原的優勢種主要是羊草和芨芨草，西北針茅草原的優勢種是西北針茅。西北針茅不具有耐鹽性［29］，而羊草及芨芨草作為耐旱、耐鹽堿植物，其強大的根系從底層吸收水分和鹽分，再以殘落物的形式以及死亡根系被

分解將鹽分返還到土壤表層［30］。長此以往，羊草及芨芨草生態習性會加劇土壤鹽堿化［31-32］。

表3 土壤指標主成分分析的結果及公因子方差和Norm值及分組Table 3 Results of principal component analysis of the soil indicators and their Norm values and groups

表5 土壤指標的公因子方差及權重Table 5 Communality and weight of soil quality indicators

表6 各土壤指標平均值以及非線性賦分方程Table 6 Mean of soil quality indicators and normalization equations of the scoring curves

圖3 最小數據集和總數據集土壤質量指數Fig.3 Soil quality index of minimum data set（MDS）and total data set（TDS）同一土壤發生層不同小寫字母表示羊草及芨芨草草原與西北針茅草原土壤質量指數差異顯著（P＜0.05）；不同大寫字母表示羊草及芨芨草草原Bb層和C層差異顯著（P＜0.05）。Different lowercase letters indicate significant difference between L.chinensis and A.splendens grassland and S.sareptana grassland soil quality index in the same soil horizon at the 0.05 level，and different capital letters indicate significant difference between Bb and C horizon in the L.chinensis and A.splendens grassland at the 0.05 level.

圖4 最小數據集（MDS）和總數據集（TDS）之間的關系Fig.4 Relationship between minimum data set（MDS）and total data set（TDS）

土壤質量是由物理、化學、生物特征決定的，土壤質量評價需要測定大量的指標。然而，對大量土壤指標進行試驗分析是比較困難的。研究人員試圖通過選取分析方法簡單、測試費用少的土壤物理化學指標進行土壤質量的評價［16］。由于土壤類型復雜，土地利用方式多樣，不同類型土壤組分也不盡相同，目前對于土壤質量評價尚未建立統一的指標體系。土壤質量評價的對象不同，指標選取也存在差異。雖然土壤微生物、動物等生物指標對土壤環境具有一定的指示作用，但其與植被一樣主要依賴于土壤環境生存，而且與土壤理化性質存在相關性［33］，故未將其納入羊草及芨芨草草原與西北針茅草原土壤質量評價的指標范圍。本研究選用了土壤有機質、全氮、速效磷、容重、土壤水分、pH和電導率等10項土壤性質作為總數據集評價指標，涵蓋了與土壤孔隙結構和滲透性具有緊密關系的物理指標、與土壤肥力直接相關的化學指標，以及根據羊草及芨芨草和西北針茅植被的生態習性差異選用的土壤堿度和鹽度指標。張曉娜等［34］在研究荒漠草原土壤質量時選用的是土壤物理性質、土壤養分和土壤鹽分這三方面的土壤指標，本研究選用的土壤指標與之類似。有學者研究發現［12］，土壤容重和pH是土壤質量評價中必須考慮的指標，使用頻率高達90%，全氮、有機質和速效磷使用頻率分別為70%、60%和50%。本研究10個評價指標有5個進入土壤質量評價指標前10位，這說明該評價指標具有較好的代表性，適宜評價草原土壤質量。

土壤質量評價是草地可持續利用的一個重要思想。本研究將單指標的評價通過主成分分析轉化為多指標評價，綜合反映草地土壤質量水平。通過主成分分析以及Norm值，最后確定土壤有機質、容重和電導率這3個指標。土壤有機質和容重有助于土壤吸收、保持和釋放水分和養分，并具有對土壤管理做出反應和抵抗土壤退化的能力［35］，土壤有機質也是土壤肥力評價的重要指標。電導率可以直接反映土壤中鹽分含量的大小和作物受鹽分脅迫的程度［24］，這一因素在維持植物根系正常生長以及提供土壤養分方面具有重要作用。總的來說，本研究選取的指標能夠綜合反映土壤質量，可為草地土壤質量評價指標篩選提供科學依據。土壤質量指數計算結果表明，羊草及芨芨草草原土壤質量指數只有在A1層略高于西北針茅草原，在A2～C層顯著低于西北針茅草原（P＜0.05）。這與土壤電導率密切相關，羊草及芨芨草草原土壤電導率在A2～Bk層大于或接近1 dS·cm-1，屬于極高鹽度（表7）［36］。土壤鹽分過高會直接影響土壤的生物活性，降低土壤肥力和有機質含量，造成土壤中植物養分缺乏［37］，進而對土壤質量產生消極影響。

表7 電導率和等級［31］Table 7 Electrical conductivity and class

4 結論

1）羊草及芨芨草草原和西北針茅草原的土壤性質存在差異，在A2～Bk層二者土壤水分、電導率和pH差異顯著（P＜0.05），在A1、AB和Bk層土壤容重差異顯著（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤在A層（0～32 cm）養分含量顯著高于西北針茅草原（P＜0.05），在Bk～C層有機質、速效氮、速效磷和速效鉀含量均值均低于西北針茅草原。

2）草原土壤質量評價最小數據集由土壤有機質、電導率和容重組成，最小數據集可以較好反映兩類草原土壤質量優劣；對同一類草原而言，最小數據集與總數據集土壤質量指數之間存在差異，但二者呈極顯著相關關系（R2=0.947），說明最小數據集能夠綜合反映草地土壤質量信息。

3）土壤質量指數表明兩類草原土壤質量存在差異，羊草及芨芨草草原土壤在A1層土壤質量指數略高于西北針茅草原，在A2～C層土壤質量指數顯著低于西北針茅草原（P＜0.05）。綜上所述，羊草及芨芨草草原土壤存在鹽堿化趨勢，對土壤質量產生消極影響。針茅草原土壤質量整體上優于羊草及芨芨草草原。在草地管理實踐中應注重土壤質量的改善，羊草及芨芨草草原土壤質量低，建議采取低放牧強度，避免干擾破壞表層土壤，自然恢復為主。或通過水肥等調控措施降低土壤鹽堿度，提高土壤質量。