兩種飛播植物對結皮土壤顆粒組成和有機質的影響

中圖分類號：S154 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0864（2025）07-0172-10

EffectsofTwoAerial Plantson SoilParticle Compositionand Organic Matter in Crust Soil

ZHANGRan1，GAO Yong1*，LIANG Yumei1，DANG Xiaohong2，GAO Miaomiao ¹ LIU Hongyi3，GAO Xueqin3 （1.SchoolofDesertManagement，nnerMongoliaAgriculturalUniversityHohhotOO18，China;.BaotouForestryand GrasslandBureau，InnerMongoliaBaotouO1403O，China；3.AlxaZuoqiForestryWorkstation，InnerMongoliaAlxa 750300，China）

Abstract：In order to explore theeffects and differences of 2plantsof Hedysarum scopariumand Calligonum mongolicum oncrust soil particlecompositionand organic matter after 3O years of aerialseeding，andto clarify the relationship between crust soil particle composition andorganic mater duringplant growth，theaerial seeding afrestation area inthenortheastern margin ofthe Tenggerdesert was takenas the researcharea，and the lower crust of Hedysarum scoparium and Calligonum mongolicum was taken as the research object，and the non-plant crust was takenas thecontrol（CK）.The effcts of different plant sizeson the particlecomposition and organic matter content ofcrustsoilat different positions were analyzed.Theresults showed that the fine sand content of Hedysarum scoparium and Calligonum mongolicum was higher than thatof CK，andthecoarse sand content was lower.Whenthe plant size was the same，the accumulation effect of fine sand under the crust of Calligonum mongolicum was more obvious.As theplantbecamelargerand closerto theroot，theeffctofcrustsonfinesandretentionwas stronger.The content of organic matter in the crusts of Hedysarum scoparium and Callgonum mongolicum was higher than that of CK，and was positively correlated with plant size.The content of organic mater in the crusts of Hedysarum scoparium was higherthan thatof Callgonum mongolicum.When the plant sizewas thesame，the organic mater contentof the crust at O.5 m from the root was higher than that at 1.0m .The content of crust organic matter in the 2 plants was significantlypositivelycorrelatedwiththecontentoffineparticles，andwassignificantlynegativelycoelatedwith the content of coarse particles.Very fine sand and very coarse sand were the key fractions for the accumulation of crust organic mater.To sum up，after 3O years of aerial seeding in Tengger desert，Hedysarum scoparium had a beter effectontheaccumulationoforganic matter inlocal crusts，and Calligonum mongolicumhadabeter ffecton themaintenanceoffinesand incrusts.Aboveresultsprovided theoreticalbasis and scientific basisfor the prevention and restoration of desert wind erosion and the selection ratio of aerial seeding in arid aerial seeding area.

Keywords：soil crust；granularitycharacteristics；organic matter；aerial seedingafrestation；Tenggerdesert

騰格里沙漠地處干旱荒漠區，干旱少雨、風大沙多，是我國荒漠化最嚴重的地區之一。經過多年的飛播造林后，當地生態環境得到極大改善，飛播區內分布著大面積的結皮，且種類豐富。結皮是指由苔類、藻類、真菌和細菌以及許多景觀中常見的非維管束植物成分與其下較薄的土層復合形成的復雜生物土壤層3。結皮的發育階段主要包括微生物結皮、藻結皮、地衣結皮、蘚類結皮4個階段[4。不同階段和種類的結皮理化性質存在較大差異，且對結皮下土壤的影響也不同[-8]

結皮作為生態脆弱區植被演替的重要基礎，在防止水土流失、調節水文過程等方面發揮著重要作用9-，其顯著增加了土壤中有機碳的累積，改善了土壤理化性質，提高了土壤穩定性[12-13]，減輕了沙地土壤的風蝕及水蝕[14]。研究發現，灌叢的種類、覆蓋度、分布都會在一定尺度上影響結皮的生長和分布[15-16]。人工林的建設有利于流動沙地結皮的形成、發育和結皮下表土性狀的改善；隨著人工林的生長發育，結皮覆蓋度、厚度、硬度、粘粉粒及有機質和養分含量均明顯增加。人工植被建設對沙地結皮形成發育和下層表土成土過程的作用機制一方面源于人工植被具有降風滯塵、維護沙面穩定、增加地表粘粉粒含量的作用;另一方面源于大量凋落物的生產和沉降，以及對局部水熱環境的改善，這增加了結皮與表土的有機質和養分含量，促進了微生物和微管植物的侵入[7]。同時，結皮對土壤養分有強烈富集作用[18-20]，土壤有機質是土壤養分的主要來源和存在形式，其含量是退化生態系統恢復程度的重要參考指標，表土顆粒組成對了解土壤風蝕、土壤肥力變化具有重要參考價值。目前，針對不同種類結皮及其對下層土壤影響的研究較多21，但對于不同種植株對其下生長結皮的影響的研究甚少，研究區飛播植物下主要分布著地衣結皮，在植物生長過程中，結皮土壤顆粒組成和有機質是否發生變化，二者之間存在怎樣的關系尚未明確。

基于此，本研究以阿拉善左旗騰格里沙漠東北緣飛播造林區典型飛播沙生灌木花棒（Hedysarumscoparium）、沙拐棗（Calligonummongolicum）下結皮為研究對象，對其土壤粒度特征和有機質特征進行分析，探究飛播30年后2種植物對結皮土壤顆粒組成和有機質的影響及差異，探究植物對結皮的改良作用，以期為干旱飛播區荒漠風蝕防治和恢復以及飛播選種配比提供理論基礎和科學依據。

1材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區阿拉善盟阿拉善左旗境內 （39^°11^′-39^°18^′N，104^°53^′-104^°57^′E） 的騰格里沙漠東北緣的1992年飛播造林區（簡稱92播區），該區屬典型的溫帶大陸性干燥氣候，盛行西北風，以干旱多風、溫差大、蒸發量大、日照強、降雨稀少為主要特征。年均降水量 80～200mm ，年均蒸發量 2900～3300mm 。土壤類型主要為風沙土，天然植被以沙生植物為主，主要為霸王（Sarcozygiumxanthoxylon）、貓頭刺（Oxytropisaciphylla）、白刺（Nitrariatangutorum）等，飛播植被為花棒（Hedysarumscoparium）、沙拐棗（Calligonummongolicum）籽蒿（Artemisia sphaerocephala）[22]，研究區分布著大面積的結皮，蓋度達 60% 以上。

1.2試驗材料

研究區飛播植物為花棒、沙拐棗及籽蒿，由于研究區內籽蒿生長狀況較差，且存活率較低，因此選擇長勢良好的飛播區典型沙生灌木花棒、沙拐棗為研究材料。測量樣方內每株花棒、沙拐棗的株高和冠幅，并計算平均值，將樣方內花棒、沙拐棗根據平均值按形態分為大、中、小株。冠幅在140～210cm 、株高在 130～170cm 記為大株；冠幅在 90～140cm 、株高在 90～130cm 記為中株；冠幅在 70～90cm. 株高在 70～90cm 記為小株。

1.3試驗設計與樣品采集

試驗于2022年8月進行，樣地內設置3條1 000m×300m 的樣帶，在每條樣帶上將長、寬等間距分成3份，共選取9個樣點，每個樣點布設1個 20m×20m 樣方，1條樣帶9個樣方，3條樣帶共27個（圖1）。在每個樣方內選取大、中、小株的花棒和沙拐棗各1株。為減小空間異質性，選定的樣方坡度、坡向相近，選取的植株在同一規格，大小相近。以植株根部為原點，為避免研究區內風對土壤樣品的影響，在每株植物的背風處（東南方向）距植株根部0.5和 1.0m 處各取1塊大小為5cm×5cm 的結皮，在每個樣方內選取1塊無植物生長的表層結皮（ 5cm×5cm 作為對照（CK），為避免飛播植物對CK的影響，CK的選擇距離取樣植株 10m 以上，且周圍無其他植物生長。將同一條樣帶上同一行3個樣方內同類型植株土樣混合，裝人塑封袋帶回實驗室進行處理。

1.4測定指標及方法

1.4.1土壤粒度級配特征結皮土壤顆粒組成用激光粒度儀（MalvernMastersizer30oO）測量體積分數，王壤粒度級配依據美國制土壤粒度分級標準[23]，依據土壤顆粒直徑 （d） 進行劃分，即極粗砂0 1000 ）、標準偏差 （σ） 、偏度（SK）、峰態（ ?Kg? ，計算公式如下。

?=-log2d

式中， ? 為粒徑; d 為土壤顆粒直徑， mm 。

1.4.3土壤有機質含量測定有機質含量采用常規重鉻酸鉀容量法[25]進行測定。

1.5 數據分析

采用 Excel2022 進行數據統計和處理，運用SPSS25軟件的單因素方差分析對飛播植物下結皮有機質含量進行分析，利用Person相關分析檢驗結皮土壤顆粒組成和有機質的相關關系，采用Origin2019進行繪圖。

2 結果與分析

2.12種飛播植物下結皮土壤粒度極配特征及頻率分布

由表1可知，結皮土壤的顆粒組成主要以粗砂和細砂為主，花棒、沙拐棗下結皮的細砂含量整體高于CK，粗砂含量反之。CK的細、粗砂含量分別為 28.70%.25.15% 。花棒下結皮細砂含量在大、中、小株依次為 29.23%～29.85% / 23.57% 232.18%.30.73%～35.94% ，粗砂含量依次為 24.48% ）25.34%.15.98%-24.94%.20.00%-23.59% 。同規格花棒植株中，距離植株根部 0.5m 處的結皮整體細砂含量高于 1.0m 處。沙拐棗下結皮細砂含量按大、中、小株依次為 26.17%～30.34%.22.54% 31.83% 、 28.87%～32.58% ，粗砂含量依次為18.39%-28.69%.22.92%-35.82%.13.38%-22.70% 同規格沙拐棗植株中，大株和小株在距離植株根部 0.5m 處的結皮細砂含量高于 1.0m 處，中株反之。

由圖2可知，2種飛播植物下結皮土壤的顆粒頻率分布曲線總體走向一致且均為雙峰，但個別存在差異，分布曲線在 250，1000μm 附近均出現波峰。在 250μm 處，大株花棒、沙拐棗下 0.5m 處的土壤體積百分含量均高于CK，在 1.0m 處反之，其中沙拐棗下 0.5m 處最高；在中株和小株中，沙拐棗下0.5和 1.0m 處的土壤體積百分含量整體高于CK，中株沙拐棗下 0.5m 處最高，小株沙拐棗下1.0m 處最高。在 250～500μm 范圍內，2種飛播植物下結皮王壤顆粒頻率分布曲線均有明顯減小趨勢，但其含量存在一定差異，且有一定規律，具體表現為在 250μm 附近波峰越高下降越快。在500～1000μm 范圍內，整體又呈上升趨勢，在1000μm 左右達到頂峰，其中CK的土壤體積百分含量最高。在 1000～2000μm 范圍內，整體呈下降趨勢。

綜合分析表明，同一種植物，隨著植株體型變大，距植株根部越近，結皮對細砂的保持效果越強；沙拐棗對結皮土壤顆粒組成的影響更強，對細砂的累積效應明顯。

2.22種飛播植物下結皮土壤粒度參數

按Folk等[24的標準，花棒及沙拐棗下 0.5m 處結皮的平均粒徑分別為1.294＼～2.429、0.956＼～

7.020μm ， 1.0m 處分別為 1.181～6.832，1.086～ 6.196μm ，均高于 CK 。CK的標準偏差為 1.586～ 1.814μm ，偏度為正偏；花棒及沙拐棗下 0.5m 處結皮的分別為 1.127～1.890，1.152～2.895μm 1.0m 處分別為 1.338～3.013，1.131～4.497μm 分選普遍較差，偏度跨度較大，正偏、負偏均有。CK的峰態值較寬，花棒和沙拐棗結皮的峰態從寬到窄均有分布。由圖3可知，CK的平均粒徑低于花棒、沙拐棗，在大、中、小株植物中，結皮的平均粒徑分別表現為沙拐棗下 0.5m 處、花棒下 1.0m 處、沙拐棗下 1.0m 處最高；結皮土壤顆粒組成的標準偏差按大、中、小植株分別表現為沙拐棗下 0.5m 處、花棒下 1.0m 處、沙拐棗下1.0m 處最高，該趨勢與平均粒徑的趨勢相同；結皮土壤顆粒組成的偏度變化則相反，平均粒徑高、分選性高的反而偏度更低，按大、中、小植株分別表現為沙拐棗下 1.0m 處、沙拐棗下0.5m 處、花棒下 1.0m 處最高；結皮土壤顆粒組成的峰態在不同大小植株中的波動均較劇烈，在大株植物中，花棒下 1.0m 處最高，在中株和小株植物中，CK峰態均低于同規格下其他結皮，中株沙拐棗下 1.0m 處最高，小株沙拐棗下0.5m 處最高。

注：A一花棒下 0.5m 處結皮；B—花棒下 1.0m 處結皮；C一沙拐棗下 0.5m 處結皮；D一沙拐棗下 1.0m 處結皮。 Note：A—The crust O.5 mbelow the Hedysarum scoparium；B—The crust 1.0m below the Hedysarum scoparium;C—The crust O.5mbelow the Calligonum mongolicum;D-The crust 1.0m below the Calligonum mongolicum.

2.32種飛播植物下結皮有機質特征

由表2可知，2種飛播植物下結皮的有機質含量在 8.30～15.38g?kg^-1 ，且存在顯著差異。花棒在距根部0.5和 1.0m 處的大株結皮中有機質含量均顯著高于小株結皮；在距根部 0.5m 范圍內，花棒、沙拐棗結皮有機質含量整體顯著高于CK。在距根部 1.0m 范圍內，大株花棒、沙拐棗結皮有機質含量均顯著高于CK，中株花棒結皮有機質含量顯著高于CK，小株花棒、沙拐棗結皮有機質含量均與CK差異不顯著。整體來看，不論植株種類和大小，距根部 0.5m 處的結皮有機質含量普遍高于1.0m 處；在距植株根部距離相同的情況下，隨著植株體型增大，其結皮有機質含量也普遍增加。花棒下結皮有機質含量普遍高于沙拐棗，并且花棒、沙拐棗下結皮有機質含量高于CK，且與植株大小呈正相關。

2.42種飛播植物下結皮土壤顆粒組成與有機質的相關性分析

從表3可知，2種飛播植物不同大小的植株下結皮有機質和結皮土壤粒級含量存在顯著相關性。其中，小株花棒的有機質含量和粉粒呈顯著正相關，相關系數為0.724，和極細砂呈極顯著正相關，相關系數為0.852。大株沙拐棗的有機質含量和黏粒、極細砂呈顯著正相關，相關系數分別為0.736、0.753；和中砂呈顯著負相關，相關系數為-0.686；和極粗砂呈極顯著負相關，相關系數為-0.826 。由此可知，結皮有機質含量和細顆粒含量呈顯著正相關，和粗顆粒含量呈顯著負相關；研究區內極細砂和極粗砂是花棒、沙拐棗結皮有機質積累與否的關鍵粒級。由此推斷，隨著植物的生長發育，植物下結皮的有機質含量增加，對應點的沙粒越細。

3討論

3.12種飛播植物對結皮土壤粒度特征的影響

土壤侵蝕對土壤粒度的影響十分嚴重，在沒有保護措施的情況下，土攘受侵蝕的時間越長，王壤細顆粒含量越低。在流動沙丘上，由于表土穩定性差且沒有植物遮擋，風蝕、水蝕的作用會帶走表土大量黏粒、粉粒及細沙，同時結皮也很難形成[26-28]。但受到外力干預，在飛播造林的作用下風沙活動減弱，表土趨于穩定，有植物遮擋并提供營養結皮便會逐漸形成。在飛播植物30年后，飛播優勢種花棒、沙拐棗長勢良好，分布面積占研究區 80% 左右。隨著固沙年限增長，在時間尺度上植物下結皮逐漸由物理結皮發育成地衣結皮、苔蘚結皮和藻類結皮，植株下結皮以植株根部為起點，在植物四周呈擴散狀分布。研究表明，與無結皮覆蓋的土壤相比，生物結皮覆蓋可以顯著提高其下層土壤的細粒物質含量，而結皮本身的細砂和養分含量相較于無結皮土壤也隨之增長[29-31]，這與本研究結果一致，在花棒和沙拐棗下的結皮細砂含量均高于CK，這是因為生物結皮的存在可以起到保護土壤表面免受風蝕搬運活動，減緩地表徑流，防止水土流失的作用，進而增加土壤細顆粒含量，而細顆粒的增加會促進養分積累，對結皮發育、植被恢復同樣有積極作用。本研究中，2種飛播植物下結皮土壤顆粒頻率分布曲線在250、1 000μm 處出現波峰，說明結皮土壤粒度在這2個范圍內含量較多。在大株植物中，花棒和沙拐棗下 0.5m 處的結皮細砂含量均高于 1.0m 處，中株植物中 0.5m 處細砂含量略高于 1.0m 處，小株植物中差異不明顯，說明隨著植株體型變大，距離植株根部越近，結皮對細砂的凝聚和保持效果越強。這是由于植株枝干對風的衰減作用，使得黏粒、粉粒在近根部聚集，且隨著植株體型變大，對風沙運動的攔截效果更強，其下枯落物增多，養分累積增多，對細顆粒的積累效果也會增強，這也說明飛播植物的建設和生長促進了結皮的發育[2]。在 250μm 處沙拐棗下結皮的細砂含量普遍高于花棒，在 1000μm 處沙拐棗下結皮的粗砂含量普遍低于花棒，由此推斷，沙拐棗對結皮土壤顆粒組成的影響更強，對細砂的累積效果更明顯。不同大小的植株，大株下結皮在 250μm 范圍距植株根部 0.5m 處的細砂含量最高，再次說明隨著植株體型變大，距離植株根部越近，植物下結皮對細砂的凝聚和保持效果越強。

3.22種飛播植物對結皮有機質變化的影響

植物有助于結皮的發育和養分的累積，隨著結皮的發育，其厚度和硬度都有明顯增加，且養分含量也不斷改善，和對照相比植物下結皮有機質含量隨植物的生長而增加[32，這與本研究結果一致，花棒和沙拐棗下結皮的有機質含量均高于CK，同一種植物的不同大小植株，在距植株根部距離相同的情況下，花棒和沙拐棗下結皮有機質含量與植株大小呈正相關，不論植株種類和大小，在距離植株根部 0.5m 處的結皮有機質含量普遍大于距離植株根部 1.0m 處的結皮。由此推斷，植株越大、距離植株根部越近對于植株下結皮有機質含量的聚集累積效果越強。在距植株根部距離相同的情況下，花棒下結皮有機質含量整體高于沙拐棗，說明花棒對于結皮有機質的累積效果更強，可能是由于研究區花棒的植株更茂盛，枯落物更多，對于其下結皮有機質的供應更充足，導致整體有機質含量高于沙拐棗。由此表明，不同植被下結皮有機質含量與積累情況有所不同。毛烏素沙地油蒿植冠下結皮土壤機械組成以砂粒為主，占 81.51% ，其次是粉粒，黏粒含量最少，有機質平均含量 4.52g?kg^-1[33] ，其結皮的細物質含量和有機質含量均遠低于本研究區內花棒、沙拐棗下結皮，這可能是由于不同立地條件的影響，也有可能是植被本身差異所致，油蒿的平均株高、形態相較于花棒、沙拐棗更小，枝干更柔軟，因此對風的攔截效果可能相對較弱，對于細物質和枯落物等的積累也較弱，這可能是影響其下結皮有機質含量低的原因。

3.32種飛播植物下結皮土壤粒級與有機質之間的關系

粒度分布和有機質含量是保證結皮結構穩定性的重要組成部分，它們之間存在一定關聯。隨著植物的生長發育，結皮的蓋度、厚度、細砂含量、有機質及養分含量均有增加[34-35]，并且有機質含量相對偏高，對應點的沙粒偏細，細顆粒含量越多，越有利于有機質的積累3，這與本研究結論相同。本研究表明，隨著植株體型變大，植物下結皮對細砂的凝聚和保持效果越強，同種植物下結皮的有機質含量也會隨該植株增大而增加，說明結皮的有機質含量和細顆粒含量呈顯著正相關，和粗顆粒含量呈顯著負相關。但是，不同的立地條件下其粒度組成和有機質的相關性可能存在一定差異。

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