錫林郭勒不同草原類型土壤養分與植物群落特征

喬慧 蒙仲舉 王寧 李浩年

(內蒙古農業大學沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018)

錫林郭勒草原居于首都北京北側、內蒙古高原東南緣,作為我國4大草原之一,是京津地區和北方地區生態屏障及中國重要畜產品基地,對生態環境維護與經濟發展具有重要意義[1]。近年來,旱災、雪災和沙塵暴使得草原草場退化、沙化和生態環境惡化問題日益嚴重[2]。對錫林郭勒不同類型草原的植被特征和土壤養分進行分析,有利于深入了解草原植被和土壤現狀,有助于維護祖國北疆重要的生態安全和平衡,生態意義重大。

土壤是草地生態系統的重要組成部分,草原植物生長和發育所需的營養主要來源于此[3]。土壤中的養分能給植物生長提供營養條件與環境條件,對土地的可持續利用作用突出。碳(C)、氮(N)和磷(P)、鉀(K)作為土壤養分中的主要元素,是土壤必需養分,直接影響土壤中營養成分含量,也是生態系統結構和功能的重要指標[4,5]。有研究表明,銨態氮(NH4＋-N)、硝態氮(NO3-N)、速效氮(AN)和速效磷(AP)作為土壤有效氮和有效磷的主要存在形式,相比全量養分,其含量變化容易在土壤中得以體現,更能直觀反映出土壤中N、P養分的供需狀況[6]；除此之外,有機質也是土壤養分的主要來源之一。

在植被恢復過程中,支持植被生長的重要因子是土壤養分,同時植被恢復過程又能夠通過生態系統反饋,反作用于土壤,從而促進土壤養分積累,改善其生境條件,使群落得以發展,因此土壤養分是植被恢復治理沙化的重要特征和支撐條件,植物群落特征是土壤肥力維護的表征和環境狀況指示[7,8]。植被作為草原生態系統特別重要的組成部分,是連接土壤、大氣和水分的重要紐帶,在物質循環、能量流動以及信息傳遞中發揮著重要作用,其空間分布是對地區地形地貌、土壤、氣候等要素長期適應的結果[9],而豐富的植物多樣性是建立和諧健康生態環境的基礎,也是一個地區富有生命力和活力最直觀的體現[10]。大量研究指出,地上植被特征與土壤環境因子之間的關系對揭示生物多樣性與生態系統功能之間的關系有著重要意義[11]。

目前關于錫林郭勒不同類型草原土壤養分及植被特征研究較少,因此本文就錫林郭勒荒漠草原和典型草原的土壤養分與植被特征做研究,旨在為草原生態系統提供基礎數據支持,并對當地草原的保護管理和合理利用提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

錫林郭勒草原地處內蒙古自治區中東部,主要位于錫林郭勒盟,在溫帶草原中極具有典型性與代表性,境內自然資源豐富,地形主要以低山丘陵和平原為主,地勢大致由東南向西北傾斜,東南部多為低山和丘陵,盆地錯落有致,西北地區地形多平坦,東北部為烏珠穆沁盆地,南部分布有渾善達克沙地,整體海拔在760～1926m,氣候多為大陸性干旱半干旱氣候,年降水量在150～350mm,降水多集中在7—9月,具有夏季溫暖、冬季寒冷的明顯季節性氣候特征。植物群落主要以旱生叢生禾草和根莖禾草為主,并伴有部分混生植物以及蔥屬植物,土壤主要有黑鈣土、栗鈣土、風沙土等類型[12]。草原分為5大類,有草甸草原、典型草原、荒漠草原、沙地植被和其它草場類。典型草原主要分布于錫盟中部,是錫林郭勒草原的主體,地形以平原和低山丘陵為主,面積8933.33萬hm2,占全盟草原的63%,而且地表水比較豐富,牧草質量好,優質牧草占50%～60%。荒漠草原位于錫盟西部,面積282.87萬hm2,占全盟草地面積的20%,植物群落主要由旱生叢生小禾草組成,并混生小半灌木與蔥屬植物,適宜飼養羊和駱駝[13]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選取及土壤樣品采集

試驗于2021年8月10—20日,在錫林郭勒荒漠草原和典型草原進行植被調查及土壤樣品的采集。共布設9個樣點,在每個樣點選取一塊植被生長均勻、土壤和地形條件一致的代表性樣地,采用五點取樣法分別于樣地的中心及對角線上與中心距離相等的4個點處布設樣方進行植被調查,樣方面積1m×1m。記錄樣方內植物的種類、株數、高度和蓋度。同時,在各樣方內分別取表層土壤,將土壤樣品放于自封袋密封保存,用于測定土壤養分的相關指標。每個樣點的植被和土壤樣品均為5個重復。具體采樣點基本情況見表1。

表1 采樣點基本情況

1.2.2 土壤測定項目與方法

將自封袋的土壤樣品在室內自然陰干,過2mm土壤篩并去除雜物備用,測定土壤速效鉀、速效磷、堿解氮和有機質。本研究測定土壤養分的方法參考《土壤農化分析》[14],速效鉀(AK)采用熱硝酸溶液浸提,火焰光度法測定；速效磷(AP)碳酸氫鈉浸提,鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量；堿解氮采用堿解擴散法測定；土壤有機質(SOM)采用風干土重鉻酸鉀外加熱法測定。

1.2.3 數據計算

植物多樣性選用Simpson多樣指數(D)和Shannon-Wiener多樣性指數(H),Pielou均勻度指數(E)進行表征。計算公式如下。

Simpson多樣性指數:

Shannon-Wiener物種多樣性指數:

Pielou均勻度指數:

式中,Pj為每個物種所占比例；nj為第j個物種的個體數；N是樣方內所有個體數；S為物種數量。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2016、SPSS 26軟件對數據進行統計分析,用Pearson法對不同樣點的土壤養分和植被特征進行相關分析。Canoco5軟件分析植物群落物種多樣性指數與土壤養分因子的冗余分析。冗余分析(RDA)是約束化的主成分分析,是基于結合對應分析、多元回歸分析,計算的每一步都是和環境要素回歸,又稱多元直接梯度分析,此分析主要用來反映群落與環境因子之間的關系[15]。

2 結果與分析

2.1 植被特征分析

由表1、表2可知,不同類型草原的植被特征存在差異。自西向東從荒漠草原到典型草原,群落平均高度、地上生物量和物種數目及多樣性指數逐漸增長。荒漠草原中樣點2的植物種數目最少,僅有2種,而典型草原樣點5的植物種類多達11種。荒漠草原的植被群落平均高度為12.38cm,而典型草原的植被群落平均高度達到了29.73cm。Simpson和Shannon-Wiener多樣性指數,典型草原略高于荒漠草原,各多樣性指數在2種草原類型間變化微弱,差異均不顯著。Pielou均勻度指數典型草原比荒漠草原低0.01,典型草原和荒漠草原Pielou均勻度指數都略小且差異細微,說明其物種分布比較均勻。

表2 荒漠草原和典型草原植被特征

2.2 土壤養分分析

不同草原類型土壤速效鉀磷、堿解氮以及有機質含量特征變化見表3。荒漠草原和典型草原研究區表層土壤速效磷平均含量為0.136mg·kg-1和0.142mg·kg-1,堿解氮含量平均值分別為2.08mg·kg-1、3.63mg·kg-1,兩者含量極低均不能滿足植被生長和發育的需求,需要采取人工補給措施。而典型草原土壤中速效鉀含量在57.40～6.40mg·kg-1,一部分處于中級水平能夠滿足植被生長,剩余部分和荒漠草原需要人為干預,使鉀含量滿足植被生長所需,2個不同類型草原有機質含量平均值為14.18g·kg-1、15.69g·kg-1,均達到了中級水平,表明錫林郭勒草原有機質含量較其余4個速效養分含量高。土壤中的氮、磷、鉀等元素是植物生長的必需物質,尤其在荒漠干旱地區,氮素對植被影響明顯,而磷是植物生長必需的3大的元素之一,也是植物生長和發育過程中重要的無機成分[16],因此需多方面采取方法以提高土壤中所缺少的養分。

不同指標含量的分等評價表見表4,對不同養分含量進行分等描述,有利于為研究區土壤肥力的綜合評價打下基礎。由表3、表4可知,荒漠草原,速效鉀含量處于第5級和第6級,水平為低和極低；速效磷和堿解氮含量均為第6級,含量極低；而有機質含量為第4級,水平中等。典型草原,速效鉀含量跨4～6 3個等級,有中、低、極低3個水平；速效磷和堿解氮含量為第6級,含量極低；有機質含量處于第4級,水平中等。研究區土壤AN、AP、TN、SOM 4項指標的平均含量在2種草原類型中表現為典型草原＞荒漠草原。說明這4項養分指標含量隨著草原類型的變化具有相似的分布特點,即由東向西隨著水分的遞減氣溫的遞增呈現遞減的趨勢。

表3 荒漠草原和典型草原土壤養分含量變化特征

表4 不同養分含量分等評價體系

2.3 土壤養分與植被特征的相關性

對不同類型草原的土壤養分和植被特征進行Pearson相關分析,結果表明,部分草原類型植被均勻度指數與土壤速效鉀為顯著正相關關系,而土壤養分中堿解氮含量和植被多樣性指數與均勻度指數均為負相關關系。

冗余性分析中的排序圖,環境因子用藍色箭頭表示,群落多樣性因子用紅色箭頭表示,因子與排序軸間的正負關系用箭頭所在的象限表示,環境因子與多樣性指數的相關程度用環境因子從原點開始到箭頭的連線長度表示,連接線越短,相關性越小,反之越大。排序軸與箭頭連線的夾角、各箭頭之間連線的夾角表示兩因子之間的相關性,角度呈頓角時,表明負相關關系,反之為正相關關系,夾角越大,相關性越小[15]。表6表明在排序軸的第1軸和第4軸,土壤養分因子可以很好地解釋植物群落多樣性與均勻度,其中2個軸的解釋率高達96%。由圖1可知,土壤速效磷和速效鉀與2個多樣性指數和均勻度指數都是正相關,其中速效鉀對其影響更大,這一結果也支持了相關性分析。對群落多樣性和均勻度影響的土壤養分因子排序為AK＞AP＞SOM＞AN。

表5 植被特征與土壤養分之間的相關系數

圖1 土壤養分因子與植物群落特征之間的冗余性分析

表6 土壤養分因子與植物群落特征之間的冗余性分析

3 討論

土壤中的養分能夠不斷地供應和協調植物生長發育所必需的要素,在本研究中不同草原類型表層土壤所含的速效鉀、速效磷、堿解氮與有機質均是典型草原較高于荒漠草原,這與史激光[17]的研究結果相似。在常帥等[18]研究中表明,錫林郭勒草原土壤堿解氮存在顯著的空間分異規律,水平方向上各土層深度AN含量均呈條帶狀分布并具有從東至西逐漸減少的趨勢；垂直方向上,隨著土層深度的增加,土壤AN含量逐層遞減,漸趨穩定。在尹萍[19]研究中,隨土層深度的增加不同草地類型養分含量順序不同,錫林郭勒草地土壤養分從2006年監測迄今有逐年上升的趨勢,與圍欄封育、圍封休牧、禁牧、補播、適宜載畜量、生態移民等一系列有關草原保護和建設的工程有關,良好的管理措施不僅使土壤養分逐步增加,而且使退化草地的植被生產力得以恢復。因此,合理利用草地資源與良好的管理措施是保護草原生態系統可持續文明發展的長久之計。錫林郭勒草原草地類型多樣并且地域廣闊,土壤樣本采集具有一定的局限性,本文中所涉及的土壤營養成分是否具有普遍性還有待進一步深入研究。

本研究中,從典型草原到荒漠草原,植物豐富度、群落平均高度、多樣性指數逐漸減小,沿草地資源水熱條件的地帶性分布差異變化,自西向東水分條件越來越好,植物生長發育所受限制減少,群落均勻度指數荒漠草原與典型草原變化不明顯。這與李想[20]研究結果相一致,由于水分是干旱、半干旱地區草原生態系統植物生長和發育的重要限制因素,而錫林郭勒草原物種多樣性主要受水分和海拔條件制約,導致此種結果,而這也正符合潘學標等[21]研究結論,草地植物生物多樣性與樣地區域的多年平均年降水量呈正相關,與溫度呈負相關。水、熱因子不僅是影響內蒙古錫林河流域草原群落植物多樣性和生產力的主要因素,同時也是影響群落植物功能群多樣性和成的主要生態因子[22]。植被多樣性除受這些條件影響外,還受緯度影響,張戴新月等[23]研究表明,生物多樣性和生物豐富度會隨著緯度的增加而減少。除此之外,植物多樣性指數還與海拔、土壤、坡度、坡向、高度等因素以及人為活動(如放牧、旅游業等)相關[10]。

土壤作為生態系統中生物與環境相互作用的基質,貯存著大量的碳、氮、磷等營養物質,土壤養分對植物的生長至關重要,會直接影響植物群落的組成,決定生態系統的結構和功能[24]。本研究中,錫林郭勒荒漠草原與典型草原土壤中速效鉀和速效磷含量與植被多樣性指數呈正相關,對群落多樣性有影響的土壤養分因子排序為AK＞AP＞SOM＞AN,這與曾睿欽[25]研究結果相同,土壤氮、磷、鉀3種元素被稱之為“土壤養分三要素”,其含量與分布受多種因素影響,包括成土母質、土壤質地及氣候條件等因素的影響,也受到所處地形和坡度等影響,而有機質對于植物多樣性的影響P值大于0.05,這與其結論有所差異,研究區位于放牧區,而放牧時間、放牧方式、放牧強度等都會引起草地植物群落特征的變化,其對放牧強度的響應尤為顯著[26]。據楊晨晨[27]研究可知,放牧干擾會使植物群落穩定性發生改變,植物群落結構改變,物種多樣性隨之變化。因此,應注意合理放牧,適度放牧可以給植物群落中未被牲畜采食的部分植物提供更好的生長條件和更大的生存空間,促進植物的生長發育促使草原植物群落的正向演替[28]。

4 結論

荒漠草原與典型草原植被平均高度分別為12.38cm和29.73cm,差異明顯,多樣性指數典型草原較高于荒漠草原,均勻度指數二者相差不大。

荒漠草原土壤養分含量均較低于典型草原土壤養分含量,其中,速效鉀含量變化范圍分別為5.60～44.60mg·kg-1、6.40～57.40mg·kg-1；速效磷含量變化 范 圍 分 別 為0.111～0.172mg·kg-1、0.113～0.178mg·kg-1；堿解氮含量變化范圍分別為0.42～11.55mg·kg-1、0.51～15.90mg·kg-1；有機質含量變化范圍分別為11.10～18.50g·kg-1、12.30～19.20g·kg-1。

2個多樣性指數和均勻度指數與土壤速效磷和速效鉀都是正相關,其中速效鉀對其影響更大,對群落多樣性和均勻度影響的土壤養分因子排序為AK＞AP＞SOM＞AN。

錫林郭勒荒漠草原和典型草原土壤養分存在差異,研究區表層土壤中氮、磷、鉀元素含量都未達到植物生長需求,不同類型草原表層土壤均具有有機質含量高于其他養分含量的特征。典型草原植被狀況優于荒漠草原,土壤速效鉀對植被多樣性影響較大,建議在進行草地管理時適量補充鉀素含量。