全球气候变暖、温室气体增加以及人类过度放牧、开垦会导致干旱、半干旱区草原灌丛化现象发生,使植被组成由草本向灌木转变[1,2,3,4,5,6]。原植被生态系统的结构和功能发生改变是全球干旱半干地区面临的重要生态问题[7,8]。草原灌丛化造成草本盖度减少,裸地面积增加,当有风沙流经过时,灌丛能发挥防风固沙的作用,促使灌丛沙堆形成,进而塑造了草原区典型的风沙堆积地貌[2,8,9]。灌丛不仅可以降低风速,拦截风沙流中的沙物质后沉积在灌丛下,减轻风沙侵蚀[9],而且能够使沙物质颗粒重新分配,从而改变灌丛下土壤分形维数。灌丛在发挥防风固沙作用的同时使土壤资源局部聚集表现出明显的“肥岛”效应[10,11],这对土壤中水分和养分有聚集和保护作用,从而与灌木生长和扩散存在正反馈效应[12,13],有助于提高草地生产力。运用土壤的分形特征与养分关系研究干旱、半干旱荒漠草原区出现灌丛化现象后,灌丛植被在退化生态系统中发挥的保育功能和防风固沙作用。分形维数不仅可以定量表征土壤颗粒分布对土壤结构均一性和稳定性的影响[14,15,16],也能指示土壤养分状况与植物重要值显著相关关系[16,17],评价监测沙化土地的治理效果[18]。分形维数与土壤颗粒粒级组成分布有显著相关性,风蚀强度和植被特征影响分形特征,一般土壤中粘粉粒含量越高,质地越细,分形维数越高[19],并且土壤分形维数与土壤中有机质、全N含量存在显著正相关,对预防治理荒漠化土地有指示意义[20,21,22]。因此,本研究通过比较浑善达克沙地3种典型植物灌丛下土壤粒径分布及粒级含量差异,研究不同植物灌丛下土壤分形维数特征及与养分(有机质、全氮和全磷)含量的相关性,探讨草原灌丛化后形成的不同物种斑块状分布对土壤结构和肥力状况的影响,揭示不同植被类型对灌丛化草原土壤肥力和土壤结构稳定性的维持机制,为该地区的退化草原生态系统更新、恢复和重建提供科学依据。

1、材料与方法

1.1研究区自然条件

研究区位于浑善达克沙地西缘苏尼特右旗境内,属于典型的干草原向荒漠草原过渡地段,地理位置为东经112.42°,北纬42.56°,海拔1238m。该地区为中温带大陆性季风气候,年平均气温3.4～4.5℃;年平均降水量170～190mm,降水量分配不均匀,主要集中在植物生长季6-8月;潜在蒸发量2300～2500mm;年平均风速5.5m·s-1,风大沙多,主要盛行西北风,大风日数可达50～80d。该区风沙活动强烈,土壤类型以覆沙的棕钙土为主,广泛形成了灌丛化荒漠草原景观,斑块状分布着柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿3种典型灌木,草本主要以无芒隐子草、小针茅、冷蒿、沙生冰草、蒙古葱为主。

1.2试验方法

本试验于2018年8月,选择浑善达克沙地荒漠草原灌丛化明显的区域,植被总盖度12%左右,主要是以柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿灌木为主的天然植被群落,该分布区东西方向长约15km,南北方向长约10km,面积约50km2。每种植物分别选取大小具有梯度性且外形均匀一致的10个独立单株灌丛作为研究对象,所选灌丛周围3～5m半径范围内均无其他灌木植被。以灌丛基部为中心,0.25倍冠幅为半径的同心圆边缘分东南西北4个方向进行土壤分层采样,取样深度分0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm共6层,同时采集裸沙地土壤作对照。将相同层次土壤样品混合,带回实验室用于粒径分析。风干后过0.15mm筛,再经四分法取样用于土壤有机质、全氮、全磷含量的测定。采用重铬酸钾氧化外加热法测定有机质含量;用凯氏定氮法测定全氮含量;用钼锑抗比色法测定全磷含量[23]。

采用土壤粒子特性分析系统(EyeTech,荷兰)测定不同粒径下土壤颗粒的体积含量,依据中国沙物质粒径划分标准,即:极粗沙(2～1mm)、粗沙(1～0.5mm)、中沙(0.5～0.25mm)、细沙(0.25～0.1mm)、极细沙(0.1～0.05mm)、粘粉沙(<0.05mm),并计算各粒级范围的土壤颗粒体积百分含量。土壤颗粒分形维数按照Tyler等[14]提出的用粒径的体积分布表征的土壤分形模型来计算。即:

(RiRmax)3−D=V(r<Ri)VT

式中:r表示测量土粒直径,Rmax为最大粒级土粒的直径,V(r<Ri)为小于Ri的累积土粒体积,VT为土壤各粒级体积的总和,D是土壤颗粒分布分形维数。计算方法为:首先求出土壤样品不同粒径(Ri)的体积比对数lg[V(r<Ri)VT]和粒径比对数lg(RiRmax)。然后以前者为纵坐标、后者为横坐标作散点图并进行线性拟合,拟合后的直线回归方程的斜率K=3-D,求出土壤颗粒的分形维数D。

1.3数据处理

采用Excel2016和SPSS17.0软件对数据进行统计分析,对不同植物灌丛下土壤分形维数和养分含量的平均值进行单因素方差分析(One-wayANOVA),同时采用LSD多重比较进行物种间和土层间的差异显著性检验。通过相关分析掌握3种典型灌丛下土壤机械组成、土壤分形维数与土壤养分含量的关系,评价3种典型灌丛在半干旱荒漠草原区发挥的防风固沙作用以及对土壤的保育功能。

2、结果与分析

2.13种典型灌木灌丛下土壤粒度特征

草原灌丛化形成的灌丛沙堆与裸沙地的土壤颗粒组成存在差异。由方差分析结果表明,研究区内不同粒级土壤颗粒体积百分含量差异性显著(P<0.05)。与裸沙地相比,3种植物灌丛0～60cm土层深度均以极粗沙体积百分比含量最低,仅为2.01%～2.79%,小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿以极细沙含量最高,分别为44.47%和43.43%,柄扁桃以细沙含量最高,为47.80%(表1)。3种植物类型各灌丛下粘粉沙含量差异均显著(P<0.05),且随着土层深度的增加呈下降趋势。粘粉沙含量为小叶锦鸡儿(11.64%)>狭叶锦鸡儿(7.97%)>柄扁桃(5.39%)>裸沙地(3.64%)。灌丛植被可以拦截风沙流中的细粒物质及空气中的降尘,使其不断沉积形成灌丛沙堆,因此灌丛下土壤的粘粉沙含量明显高于裸沙地。不同物种灌丛防风固沙能力差异,造成各物种间除极细沙外,灌丛下土壤颗粒各粒级的百分含量均存在显著差异(P<0.05)。

2.23种典型灌木灌丛下土壤分形维数

3种典型灌木高度与枝条疏密度不同,造成对过境风速的降低程度不同,因此沉积到灌丛下的土壤颗粒组成不同,造成不同物种灌丛下土壤0～60cm土层深度的土壤分形维数存在显著差异(P<0.05),且同一土层不同物种间差异性也显著(P<0.05)。如图1所示,3种典型灌木灌丛下0～60cm土层深度土壤分形维数平均值在2.149～2.346,显著大于裸沙地土壤分形维数2.057。3种植物灌丛下土壤分形维数随着土层深度的增加呈下降趋势,由多重比较结果可知,同一物种0～10cm、10～20cm和20～30cm各土层间的土壤分形维数差异均显著(P<0.05),且显著高于其他各土层,随着土层深度的增加,差异性减弱表现为30～40cm、40～50cm和50～60cm各土层间的土壤分形维数差异不显著(P>0.05)。总体上由高到低依次为小叶锦鸡儿(2.346)>狭叶锦鸡儿(2.259)>柄扁桃(2.149)>裸沙地(2.057)。

表1不同灌木类型灌丛下土壤颗粒机械组成体积百分含量的垂直分布变化

注:不同大写字母表示同一土层不同典型灌木之间的显著性差异,不同小写字母表示同一典型灌木不同土层之间的显著性差异(P<0.05)。

2.3土壤分形维数与土壤粒径组成的关系

由图2可知,土壤分形维数与粘粉沙(r<0.05mm)和极细沙(0.05mm<r<0.1mm)百分含量呈极显著正相关(P<0.01),与细沙(0.1mm<r<0.25mm)百分含量呈极显著负相关(P<0.01),但与中沙(0.25mm<r<0.5mm)、粗沙(0.5mm<r<1mm)和极粗沙(1mm<r<2mm)百分含量关系不显著(P>0.05)。土壤分形维数大小主要是由粒径小于0.25mm的各粒级土壤颗粒体积百分含量决定,而0.1mm的颗粒是分形维数变化的分界粒径,即土壤中小于0.1mm的细颗粒物质含量越多,土壤分形维数越高。

图1不同灌木类型灌丛下土壤分形维数的垂直分布变化

图2土壤分形维数与土壤各粒级颗粒百分含量的关系

2.43种典型灌木灌丛下土壤养分特征

由图3可知,浑善达克沙地3种典型植物灌丛下0～60cm土层有机质、全氮和全磷平均含量分别为6.87～9.20g·kg-1、0.21～0.34g·kg-1和0.31～0.32g·kg-1,显著高于裸沙地3.16g·kg-1、0.11g·kg-1和0.24g·kg-1,小叶锦鸡儿的有机质和全氮含量最高,狭叶锦鸡儿次之,柄扁桃最低,且各植物类型间土壤有机质和全氮含量差异均达显著水平(P<0.05),但全磷含量差异不显著(P>0.05)。3种植物灌丛下土壤有机质含量均随土层深度的增加呈下降趋势,且0～30cm各土层间均差异显著(P<0.05),随土层深度的增加,差异性减弱,30～60cm各土层间差异不显著(P>0.05)。另外,不同灌木类型土壤表层0～10cm有机质、全氮和全磷含量均显著大于其他各土层(P>0.05)。3种植物灌丛下土壤全氮和全磷含量随土层深度的变化表现出较大的波动性且无明显变化规律。

图3不同灌木类型灌丛下土壤养分的垂直分布变化

2.5土壤体积分形维数、粒径组成与土壤养分的关系

从表2可以看出,土壤有机质和全氮含量与土壤体积分形维数、粘粉沙、极细沙体积百分含量均呈极显著正相关(P<0.01),但与细沙体积百分含量呈极显著负相关(P<0.01),而与其他颗粒机械组成均未达到显著水平(P>0.05)。土壤全磷含量除与细沙体积百分含量呈负相关,与分形维数和其他颗粒机械组成均呈正相关,但均未达到显著水平(P>0.05)。

表23种灌木灌丛下土壤体积分形维数、粒径机械组成与土壤养分的相关系数

注:*表示在P<0.05水平;**表示在P<0.01水平。

3、讨论

一般而言,沙物质分选性越好,其颗粒分形维数越大,反之越小,因此分形维数能很好地反映地表风蚀程度[17,24]。由此可知,有植被覆盖的地表,分形维数较大,风蚀程度较小,因此植物措施具有很明显的防风固沙作用[25,26,27,28]。土壤分形维数越大,土壤中所含的粘粉粒含量越多,而沙粒含量越少[28]。分形维数能够很好地反映地表风蚀程度与土壤结构状况[15,29],从而可以评价植物拦截风沙后形成灌丛沙堆的固沙能力以及对土壤结构的改良作用。本研究结果表明,3种植物灌丛下土壤颗粒粒径集中分布在0.05～0.25mm范围内,占总体积百分含量70%以上,粒径小于0.05mm的粘粉粒体积百分含量虽然较低,但各物种间差异显著。小叶锦鸡儿作为浑善达克沙地荒漠草原区分布面积最广泛的主要固沙灌木,草原灌丛化现象使得原土壤结构性能发生改变,植被灌丛的生长使细颗粒物质免遭吹蚀,有效拦截大气中的粉尘物质,在灌丛下堆积形成沙堆,不同植被类型对土壤粒径重新分布后产生显著性差异,从而间接影响土壤结构与水肥特征[30,31]。同一物种灌丛下土层间在一定深度范围内(30～60cm)对土壤分形维数的影响不大,而不同物种在0～30cm各土层间对土壤分形维数的影响差异显著。与裸沙地相比,3种植物灌丛下土壤分形维数显著增大,因此植物可以充分发挥防风固沙作用。不同物种由于灌丛高度、枝条疏密度和形态结构差异,对风沙拦截能力不同,因此灌丛下土壤颗粒组成不同。决定土壤分形维数大小的主要是粒径小于0.25mm的各粒级土壤颗粒体积百分含量,而大于0.25mm颗粒土壤体积百分含量对分形维数影响程度相对较小,其中0.1mm粒径是决定本研究区灌丛下土壤分形维数的临界粒径,即小于0.1mm粒径的细颗粒含量越多,土壤分形维数越高,同时植物灌丛下土壤有机质和全氮含量越高。以前的研究结果显示,土壤分形维数不仅对土壤结构和养分含量会产生影响,且与植物生长的环境条件密切相关[27,28]。在沙源一致的小尺度研究范围内,植物种类和灌丛大小是影响沙堆形成后沉积物质的关键因子,本研究结果显示,小叶锦鸡儿灌丛下沉降下来的粘粉沙粒物质含量显著高于狭叶锦鸡儿和柄扁桃,且3种植物灌丛下粘粉粒所占土壤机械组成均显著大于裸沙地,表明灌丛下土壤颗粒之间形成的微小孔隙较多,土壤结构具有明显优势,土壤分形维数也越大,土壤有机质、全氮和全磷含量也越大。

退化草原灌丛化过程中,由于风力和水力侵蚀造成土壤结构和肥力状况发生改变,灌木充分发挥防风固沙作用而形成灌丛沙堆,使灌丛下土壤养分含量呈现增加趋势,而无植被覆盖的裸沙地养分含量较低,从而导致3种植物灌丛均出现了“肥岛”效应,同时造成养分含量出现这种空间异质性还会随着灌丛沙堆的增大而增强[32]。本研究以柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿3种典型灌木形成大小形态各异的灌丛沙堆为研究对象,分析灌丛下土壤颗粒组成特征、分形维数和养分含量变化以及三者间的关系。结果表明,3种典型灌木灌丛下表层土壤有机碳、全氮和全磷的含量均有显著差异,但随着土层深度的增加而减弱。这说明,在浑善达克沙地不同物种凋落物和灌丛下土壤颗粒组成的不同对土壤的改良作用有所差异,灌丛下土壤养分具有明显的“表聚”特征。土壤的粘粉沙和极细沙、分形维数与有机质和全氮之间呈极显著正相关,细粒物质可以增强颗粒之间胶结力,从而对维持土壤结构稳定性和提高肥力起到一定的改良作用[15,33]。土壤体积分形维数的变化综合反映了土壤结构变化、土壤肥力特征和土地荒漠化程度[34]。3种典型灌木相比,小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿属于豆科固氮植物,根系分泌物对提高土壤全氮含量具有明显作用,且0～60cm土层全氮平均含量显著高于柄扁桃。合理开发和利用当地乡土固沙豆科植物,可以更加快速有效地补充退化荒漠草原生态系统中的氮元素。灌丛下土壤有机质和全氮含量受植被类型、枯落物分解、根系分泌物和植物吸收利用的影响,因而存在着较大的空间变异性。土壤全磷含量在不同物种间无显著差异,但均显著大于裸沙地。随着土层深度的增加,有机质含量呈下降趋势,而全氮和全磷无明显规律,均局部出现波动。在荒漠草原的生存与扩展过程中,灌丛对防风固沙以及土壤结构改良和保育具有显著作用,不同灌丛下土壤有机质和全氮含量顺序为小叶锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>柄扁桃>裸沙地。小叶锦鸡儿作为当地分布面积最广泛且对土壤肥力提高最显著的物种,表现出极强的适应性,因此在浑善达克沙地形成了以小叶锦鸡儿为主的灌丛化草原景观。

4、结论

浑善达克沙地荒漠草原区3种典型灌丛下土壤分形维数和养分存在显著差异,0.1mm粒径作为土壤分维数变化的临界值,小于该粒径的细颗粒物质体积百分含量越大,土壤体积分形维数越大。灌丛下土壤粘粉沙体积百分含量、分形维数、有机质和全氮含量均表现为:小叶锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>柄扁桃>裸沙地。灌丛在退化的草原生态系统中可以发挥防风固沙和保育功能,改善土壤结构和肥力,为退化草原生态系统的恢复、重建提供物质保障。

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基金:“十三五”国家重点研发计划(2016YFC0500904);国家自然科学基金项目(31600581)资助.