吳惠敏，黨曉宏,2，翟 波，魏亞娟，李小樂

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古杭錦荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400）

內(nèi)蒙古自治區(qū)西鄂爾多斯國家級自然保護區(qū)地處荒漠化草原向草原化荒漠過渡的生態(tài)脆弱區(qū)，其地質(zhì)歷史古老、生境復雜多樣。隨荒漠化程度的加劇該地區(qū)生物的生存條件不斷降低，荒漠灌叢以其強耐旱、耐寒能力成為當?shù)刂饕脖活愋停?-2］，并在維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及改良土壤理化性質(zhì)中扮演重要角色［3-4］。灌叢特性直接影響對沙物質(zhì)的攔截能力，進而改變土壤粒度組成及養(yǎng)分積累效果［5］。灌叢不同退化程度對沙堆土壤理化性質(zhì)影響顯著，民勤綠洲的灌叢沙堆土壤理化性質(zhì)隨檉柳的退化出現(xiàn)衰退現(xiàn)象［6］。不同類型的灌叢對土壤元素積累及吸收利用率均存在顯著差異［7-8］，巴丹吉林沙漠中檉柳灌叢沙堆的土壤有機質(zhì)、全碳和全氮含量顯著高于泡泡刺和檸條錦雞兒灌叢沙堆，主要原因是檉柳枝條茂密，攔截面積大且凋落物量大，因此，沙物質(zhì)攔截和養(yǎng)分積累能力強于其他兩種灌叢［9］。同一植物受環(huán)境影響，其土壤養(yǎng)分富集程度差異明顯，白音恩格爾自然保護區(qū)內(nèi)背風側(cè)的紅砂灌叢沙堆土壤養(yǎng)分含量較迎風側(cè)更高［10］，是由于土壤養(yǎng)分隨背風側(cè)沉積物含量的增加而增加。

粒度組成是土壤的基本屬性之一，粒度分析作為風沙地貌學的基本研究方法，可反演環(huán)境變遷過程，反映土壤肥力條件和侵蝕現(xiàn)狀［11］。土壤中黏粒含量越多，吸附性越強，土壤所吸附的養(yǎng)分就越豐富［12］。風蝕作用強烈的荒漠地區(qū)，灌叢可有效降沉風沙流中細粒物質(zhì)并沉積于灌叢下，改變灌叢的土壤粒度組成。因此，探明荒漠地區(qū)不同灌叢植被類型下土壤粒度特征，進而判斷灌叢衰退原因及進程，對保護與合理利用植物資源至關重要。古爾班通古特沙漠西南緣檉柳沙堆土壤粒度組成以細粒物質(zhì)為主［13］。不同生境下灌叢土壤粒度組成存在顯著差異，鹽池檸條灌叢顯著提高了中砂含量，降低了土壤黏粒；烏拉特檸條灌叢顯著提高了極細砂和細砂含量，降低了土壤黏粒含量［14］。同一生境下不同種類灌叢的粒度組成不同，西鄂爾多斯地區(qū)四合木、沙冬青和霸王灌叢的土壤黏粒、粉粒、極細砂的含量依次減小。

前人已經(jīng)就單一灌叢對土壤微環(huán)境的影響進行了深入探討并取得豐富成果，但關于復合灌叢群落對土壤特性影響的相關研究則較少。沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）作為西鄂爾多斯地區(qū)特有的瀕危孑遺植物，在改良土壤、防風固沙、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。作為沙冬青伴生種之一的霸王（Sarcozygium xanthoxylon），常出現(xiàn)在沙冬青群落附近。基于此，本文選取沙冬青群落、沙冬青-霸王混生群落為研究對象，對比分析單一群落與復合群落的土壤粒度及養(yǎng)分變化特征，以期揭示伴生種在復合群落影響土壤微環(huán)境時的作用效果，為保護瀕危物種資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西鄂爾多斯白音恩格爾自然保護區(qū)（107°02′～107°19′E；40°08′～40°23′N）（圖1），保護區(qū)深居內(nèi)陸，跨越荒漠化草原、草原化荒漠兩個植被地帶，屬溫帶荒漠化草原向草原化荒漠的過渡區(qū)。該區(qū)年均氣溫7.6 ℃，晝夜溫差大，年均日照時數(shù)3192.5 h，日照充足，年均降水量144.6 mm，降水量地域差異性明顯，自西北向東南遞增；年均風速4.1 m·s-1，風大沙多，風向多為西南、東南風。受燕山運動及烏蘭布和沙漠的風蝕作用，研究區(qū)所處地帶屬波狀高原地貌。土壤類型多為地帶性灰漠土、非地帶性風沙土。保護區(qū)建群種多為強旱生灌木，其中沙冬青、霸王、四合木（Tetraena mon?golica）、半日花（Helianthemum songaricum）等珍稀瀕危植物共58種，占保護區(qū)植物種的17.8%［15］。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Locations of the study area

1.2 樣地選擇及植被調(diào)查

于2021 年4 月中旬對白音恩格爾自然保護區(qū)進行實地踏查，選取以沙冬青群落和沙冬青的伴生種-霸王群落為代表性灌叢的地勢平坦無明顯起伏的區(qū)段為試驗樣地，布設1個100 m×100 m的樣方，對樣方內(nèi)沙冬青和霸王灌叢的分布、數(shù)量、株高、冠幅（東西向和南北向）4個指標進行調(diào)查（表1）。

表1 灌叢群落分布及生長現(xiàn)狀Tab.1 Distribution and growth status of shrubland communities

1.3 樣品采集及測定

在對樣方內(nèi)灌叢植被調(diào)查的基礎上，選取3 株形態(tài)相似、長勢良好、無衰退現(xiàn)象的單株沙冬青和3株與霸王根系相接、冠層相混的沙冬青-霸王為研究對象，以灌叢中心為圓心、冠幅為半徑的同心圓邊緣，利用土鉆對邊緣東南西北4 個方向進行分層取樣，取樣深度為0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，分別將每株灌叢各土層內(nèi)4個方向的土樣混合均勻，兩種分布類型各3株灌叢為3次重復；隨機選取3處距灌叢中心2倍冠幅距離的無植物覆蓋的裸沙地為空白對照（CK），取樣深度同上。

將采集的土樣帶回實驗室，置于陰涼通風處風干后過篩，以供土壤粒度組成及土壤養(yǎng)分測定。土壤粒度組成采用激光衍射法分析測定［16］；土壤有機質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進行測定；速效氮（AN）采用NaOH堿解擴散法進行測定；速效磷（AP）通過NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進行測定；速效鉀（AK）采用NH4Oac 浸提-火焰光度法進行測定［17］。

1.4 土壤粒度參數(shù)模型

依據(jù)美國制土壤粒度分級標準［18］，將土壤粒徑劃分為極粗砂、粗砂、中砂、細砂、極細砂、粉粒、黏粒7 個粒級，其標準分別是1000～2000 μm、500～1000 μm、250～500 μm、100～250 μm、50～100 μm、2～50 μm、<2 μm，且均對不同粒徑體積分數(shù)進行統(tǒng)計。通過粒徑Φ值代表粒度參數(shù)，分別對平均粒徑（d0）、分選系數(shù)（δ）、偏度（SK）、峰度（Kg）進行計算。

依據(jù)Udden-Wenworth粒級標準，采用Kumdein［19］方法利用如下公式進行轉(zhuǎn)換：

式中：d表示沙粒粒徑（mm）。

相關粒度參數(shù)的計算采用Folk-Ward圖解法［20］。

平均粒徑：

偏度：

土壤顆粒分形維數(shù)由土壤顆粒體積分形模型計算，其公式為：

式中：r表示土壤顆粒直徑（mm）；Ri表示某一粒級土壤顆粒直徑（mm）；小于Ri級的土壤顆粒的體積分數(shù)（%）用V（r

1.5 土壤養(yǎng)分積累特征

采用相對相互作用強度（Relative Interaction In?tense，RII）［21］表示灌叢沙堆土壤富集情況。

式中：Xn和Xi分別表示灌叢根系周圍和空白對照不同深度土壤養(yǎng)分含量。當RII>0 時，表示灌叢對該養(yǎng)分含量有富集效應；當RII<0時，表示灌叢對該養(yǎng)分含量有降低效應。RII 距離0 值越遠表示效應影響越強。

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2010對樣地調(diào)查結(jié)果進行整理，并計算土壤平均粒徑、分選系數(shù)、偏差、峰態(tài)和分形維數(shù)等指標。利用SPSS 26 對土壤粒度組成、各參數(shù)指標及速效養(yǎng)分含量的平均值進行單因素方差分析（One-way ANOVA），并運用OriginPro 2021繪制計算所得數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌叢分布類型土壤粒度特征

2.1.1 不同灌叢分布類型土壤粒度組成 由表2可知，研究區(qū)土壤粒度組成以砂粒為主，其中細砂（44.25%～62.11%）含量最高；黏粒、粉粒則相對較少，二者總平均含量均小于10%，不同灌叢分布情況下，沙冬青-霸王土壤黏粒、粉?？偤孔畹停?1.28%），沙冬青土壤黏粒、粉?？偤孔罡撸?2.89%），裸沙地土壤黏粒、粉?？偤浚?2.77%）較沙冬青略低（P<0.05）。對砂粒進一步分析發(fā)現(xiàn)，細砂平均體積百分含量最高，均大于52%，其中沙冬青土壤細砂平均體積百分含量顯著高于沙冬青-霸王、裸沙地（P<0.05）。

表2 不同灌叢分布下土壤粒度組成Tab.2 Composition of soil particles on different shrub distribution

2.1.2 不同灌叢分布類型土壤粒度參數(shù) 研究區(qū)內(nèi)沙冬青、裸沙地各土層間平均粒徑差異顯著（P<0.05），波動范圍由小到大為：沙冬青-霸王（0.04）<沙冬青（0.44）<裸沙地（0.93）。不同灌叢分布情況下，各土層分選系數(shù)范圍處于1.27～1.94，分選性均較差。除5～10 cm土層為極負偏外，沙冬青-霸王偏度在其他土層均為近對稱；沙冬青、裸沙地峰度范圍在-0.20～0.40，結(jié)合表2可知，土壤中細砂、中砂含量較多，極粗砂含量最少，其顆粒分布不對稱。峰度值越大，粒度分布越集中，由表3可知，沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地分別屬于尖窄（1.52）、很尖窄（1.76）、很尖窄（2.06）類型。土壤黏粒含量越高，分形維數(shù)越大［22］，分形維數(shù)浮動范圍在2.80～2.96，由大到小分別為：沙冬青-霸王（2.92）>沙冬青（2.91）>裸沙地（2.84）。

表3 不同灌叢分布下土壤粒度參數(shù)Tab.3 Soil particle parameters on different shrub distribution

2.2 不同灌叢分布類型土壤養(yǎng)分變化特征

研究區(qū)內(nèi)不同灌叢分布下土壤SOM、AN 含量存在顯著性差異（P<0.05）（圖2），各土層內(nèi)含量由高到低依次為：沙冬青-霸王（5.36 g·kg-1、19.39 mg·kg-1）>沙冬青（4.20 g·kg-1、16.00 mg·kg-1）>裸沙地（3.51 g·kg-1、11.21 mg·kg-1）。隨土層深度增加，沙冬青-霸王AP含量逐漸低于沙冬青。0～20 cm土層內(nèi)裸沙地AK 含量顯著大于沙冬青-霸王、沙冬青（P<0.05）。沙冬青-霸王、沙冬青土壤內(nèi)SOM、AN、AK 含量均隨土層深度增加而下降，AP 含量則呈先減后增的變化趨勢；裸沙地內(nèi)SOM、AK含量隨土層深度增加而下降，AN、AP含量則呈先減后增的變化趨勢。

圖2 不同灌叢分布下土壤養(yǎng)分垂向分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil nutrients on different shrub distributions

沙冬青-霸王、沙冬青對土壤SOM、AN、AP積累有明顯正效應（圖3）。隨土層深度增加，沙冬青-霸王對SOM、AP 的富集作用低于沙冬青，沙冬青-霸王對AN的積累效果較沙冬青更好。沙冬青-霸王、沙冬青在0～20 cm土層內(nèi)AK的RII<0，表明其對AK未形成養(yǎng)分富集現(xiàn)象。

圖3 不同灌叢分布下土壤養(yǎng)分積累特征Fig.3 Soil nutrient accumulation characteristics on different shrub distribution

2.3 土壤粒度組成與養(yǎng)分的關系

如圖4a 所示，沙冬青-霸王土壤SOM、AN、AK與黏砂、粉粒含量呈正相關關系，AP 則與之為負相關關系，其中AP與細砂呈顯著正相關（P<0.05）。圖4b 中沙冬青土壤SOM、AN、AK 與黏砂呈正相關關系，SOM、AN、AP 與粉粒呈負相關關系，AK 與粉粒無顯著相關性，沙冬青土壤AN、AK與粗砂呈顯著正相關關系（P<0.05）。

圖4 不同灌叢分布下土壤養(yǎng)分、粒徑相關性分析Fig.4 Correlation analysis of soil nutrient and particle size on different shrub distribution

3 討論

3.1 不同灌叢分布類型土壤粒度特征

西鄂爾多斯屬溫帶大陸性季風氣候，地表土壤粒度組成除與風沙活動密切相關外，植被的存在也具有極大的影響。隨著地上植被的出現(xiàn)，地表粗糙程度增大［23］，從而擾動地表流場。本研究中灌叢群落及裸沙地土壤粒度組成皆以砂粒為主，砂粒中又以細砂含量最多。這是由于風蝕作用下土壤流失的多為細粒物質(zhì)［24］。樣地內(nèi)沙冬青-霸王灌叢0～5 cm土層內(nèi)細砂含量高于裸沙地細砂含量，是因為灌叢的存在避免了灌下細粒物質(zhì)受到吹蝕，且風沙流運移過程中，地上部分可對近地表風速產(chǎn)生阻擋、分解、疏散作用［25］，使其風速降低、攜沙能力減弱、部分顆粒發(fā)生降沉，導致地表沉積物粒度分布發(fā)生變化［26］。不同植被類型灌叢由于自身高度、枝條疏密度和形態(tài)結(jié)構(gòu)等差異導致土壤粒度組分存在明顯的差異［27-28］，隨植被的生長發(fā)育、種群的演替變化，植被的阻沙能力也隨之發(fā)生改變［29］。沙冬青-霸王混生灌叢的冠幅面積、密度大于單株沙冬青，故0～5 cm土層內(nèi)沙冬青-霸王土壤細砂含量高于沙冬青土壤細砂含量。0～5 cm 土層內(nèi)裸沙地細砂含量大于沙冬青土壤細砂含量，與李小樂等［10］研究結(jié)果相悖，分析原因可能是由于研究區(qū)內(nèi)沙冬青灌叢出現(xiàn)衰退現(xiàn)象而導致其對風沙流的攔截能力減弱，風蝕作用將灌叢下土壤細粒物質(zhì)遷移損失，降低細粒物質(zhì)含量。

土壤粒度特征不僅是風力對源區(qū)物質(zhì)搬運和分選作用的反映，同時也體現(xiàn)障礙物對風沙流運移的影響［13］。沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地的分選系數(shù)依次增大，分選性較差，說明盡管灌叢對沉積物的分選作用較弱，但沙冬青-霸王、沙冬青的分選性略優(yōu)于裸沙地，灌叢對風力侵蝕仍起到一定的防護作用。偏度反映土壤顆粒粒度頻率曲線的對稱性，表示土壤顆粒的粗細分布特征［30］。峰態(tài)尖窄程度越強，表明樣品粒度分布越集中。本研究中沙冬青-霸王粒度分布較另兩者更對稱，峰度較另兩者寬平，表明其顆粒分布不對稱，整體集中分布在某一區(qū)間，其在改變土壤粒度組成方面的性能較另兩者更強。

3.2 不同灌叢分布類型土壤養(yǎng)分含量變化特征

植被的生長、發(fā)展、演替過程影響著土壤養(yǎng)分的積累、分布與循環(huán)［31］，本研究中沙冬青-霸王、沙冬青灌下0～30 cm 土層內(nèi)AN、AP、SOM 含量均顯著高于裸沙地，表現(xiàn)為養(yǎng)分積累正效應。土壤養(yǎng)分集中于細粒物質(zhì)內(nèi)［32］，灌叢冠幅通過攔截風沙流中細粒物質(zhì)［33］進而對地表土壤資源進行了再分配，大量細粒物質(zhì)沉積于灌叢下，對養(yǎng)分的空間分布和循環(huán)產(chǎn)生影響，使灌叢下土壤養(yǎng)分含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，與之對應的無植被覆蓋的裸沙地養(yǎng)分含量則較低［4］。本實驗中沙冬青-霸王、沙冬青根際各土層內(nèi)土壤AN含量均高于裸沙地的含量，其對AN的富集程度大于AP、AK、SOM，不同灌叢土壤養(yǎng)分指標富集程度不同，而土壤養(yǎng)分與植物根系的分泌物有很大的相關性［28］，沙冬青作為豆科固氮植物，其根系分泌物可有效提高土壤AN 含量。0～20 cm 土層內(nèi)裸沙地AK含量顯著高于荒漠灌下，但AK未表現(xiàn)出富集效應，這可能是由于沙冬青、霸王灌叢對土壤養(yǎng)分元素的選擇性吸收有關。植被種類、枯枝落葉的分解利用等因素也是導致土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化的原因。本研究中沙冬青屬常綠闊葉灌木，枯落物遠少于其他物種，而霸王作為荒漠地區(qū)第一批落葉的灌木，其灌下枯落物遠大于沙冬青，因此沙冬青-霸王、沙冬青灌叢下土壤養(yǎng)分存在較大垂向變異性。而20～30 cm 土層內(nèi)AK 出現(xiàn)養(yǎng)分積累正效應的原因，則是因為裸沙地AK更易垂直擴散，從而加劇了淋溶下滲［34］。本研究中0～20 cm 土層內(nèi)，灌下土壤AN、AP、AK、SOM含量均呈隨土層深度的增加而減少的趨勢，導致出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能因為沙冬青、霸王都屬于深根系荒漠灌木植物，其土壤養(yǎng)分消耗量在深層土壤中較大；此外，土壤表層累積的枯枝落葉經(jīng)微生物分解后使表層SOM 含量增加［35］，但表層SOM 無法進入土壤深處，故而土壤養(yǎng)分隨土層深度的增加而減少［36］。沙冬青-霸王、沙冬青對土壤肥力的提高表現(xiàn)出顯著作用，但伴生種霸王的存在降低了沙冬青對有機質(zhì)和速效磷的富集作用，白音恩格爾自然保護區(qū)內(nèi)出現(xiàn)沙冬青灌叢逐漸衰退消失、霸王灌叢數(shù)量激增并生長旺盛的原因可能與此相關。

4 結(jié)論

通過對西鄂爾多斯白音恩格爾自然保護區(qū)不同灌叢分布類型地表（0～30 cm）土壤的粒度組成與養(yǎng)分含量進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)內(nèi)細砂顆粒含量最高，平均體積百分含量大于52%，黏粒、粉粒含量較少，兩者總含量均小于10%，其中單株沙冬青土壤黏粒、粉粒、細砂的體積百分含量均大于與伴生種霸王混生的沙冬青。沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地土壤粒徑依次變細，分選性變差，分形維數(shù)變小，土壤顆粒分布逐漸不對稱，顆粒組成向細粒物質(zhì)集中。

（2）土壤SOM、AN含量隨灌叢種類的增加逐漸升高。單株沙冬青對SOM、AP的富集作用高于沙冬青-霸王，沙冬青-霸王對AN 的積累效果較沙冬青更好。

（3）土壤SOM、AN、AP、AK含量與黏砂、粉粒具有相關性，沙冬青-霸王土壤AP與細砂呈顯著正相關（P<0.05），沙冬青土壤AN、AK與粗砂呈顯著正相關關系（P<0.05）。