李銀科，袁宏波，劉虎俊，劉淑娟，張進(jìn)虎

(甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

內(nèi)陸沙區(qū)丘間地土壤緊實(shí)度特征及其與植被的關(guān)系

李銀科，袁宏波，劉虎俊，劉淑娟，張進(jìn)虎

(甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅 蘭州 730070)

土壤緊實(shí)度；植被；沙丘；丘間地

通過對流動(dòng)沙丘區(qū)、固定沙丘區(qū)和退耕區(qū)的迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地土壤緊實(shí)度和植物群落的調(diào)查測定，分析了土壤緊實(shí)度和植被之間的關(guān)系，結(jié)果表明：沙區(qū)土壤緊實(shí)度與植物種數(shù)、植物個(gè)體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本植物種數(shù)和草本植物個(gè)體數(shù)之間都存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而土壤緊實(shí)度與Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、灌木種數(shù)和灌木個(gè)體數(shù)沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。

近年來隨著沙漠化地區(qū)環(huán)境治理力度的加大，揭示沙漠化與植被關(guān)系的研究逐漸受到人們的重視，許多研究者從植物的種子萌發(fā)機(jī)理、土壤種子庫特征及結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)、生理與生態(tài)學(xué)特征等方面開展了詳細(xì)的研究，這些研究主要針對植物生活史、繁殖對策、種子萌發(fā)行為、種群動(dòng)態(tài)與環(huán)境因子的相互關(guān)系等[1]。在現(xiàn)有的研究中，不同的研究者對沙生植物在流動(dòng)沙丘生境中的種子萌發(fā)、生長過程、種群結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)等在時(shí)空尺度上的異質(zhì)性予以了極大的關(guān)注[2]，人們也越來越重視從土壤性質(zhì)差異分析入手對土壤退化導(dǎo)致的植被變化進(jìn)行研究[3]。

植物正常生長發(fā)育需要適宜的土壤緊實(shí)度，土壤太松或太緊對植物生長都不利[4-5]。通常人們在研究土壤緊實(shí)度對植物的影響時(shí)往往只注意高緊實(shí)度對植物的不利影響，而忽視了低緊實(shí)度對植物帶來的危害，后者在土質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松的干旱半干旱地區(qū)顯得尤為重要[5]。沙漠化地區(qū)土壤尤其是表層土壤緊實(shí)度對土地抗風(fēng)蝕能力有著重要的影響，對植物尤其是草本植物固定植株也有重要作用，因而也會(huì)影響到植被的分布。但是，在沙漠化地區(qū)，從土壤空間異質(zhì)性的角度出發(fā)探討土壤緊實(shí)度對植物群落影響的研究鮮有報(bào)道。丘間地具有良好的生境條件，是沙丘生態(tài)系統(tǒng)中生物和非生物成分間動(dòng)態(tài)作用的主要場所。本研究調(diào)查測定了巴丹吉林沙漠東南緣民勤縣西沙窩丘間地不同分布區(qū)的土壤緊實(shí)度和植被狀況，分析了其相互關(guān)系，旨在為該區(qū)嚴(yán)重沙化土地的植被恢復(fù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠的東南緣民勤縣西沙窩，選擇流動(dòng)沙丘區(qū)、固定沙丘區(qū)和退耕區(qū)3種土地退化類型進(jìn)行調(diào)查測定。用TJSD-750型土壤緊實(shí)度儀分別在前沙丘迎風(fēng)坡、前沙丘背風(fēng)坡、丘間地、后沙丘迎風(fēng)坡和后沙丘背風(fēng)坡測定0(表層)、5、20和40 cm深度的土壤緊實(shí)度，同時(shí)在沙丘相應(yīng)部位調(diào)查植被狀況，樣方大小為10 m×10 m。

選擇的流動(dòng)沙丘區(qū)丘間地為一閉合的丘間地，前沙丘為全流動(dòng)的新月形沙丘，兩翼伸展與后沙丘兩翼相接。如圖1示意，前沙丘高約6 m，后沙丘高約5 m，丘間地沿主風(fēng)向長度為50 m，垂直主風(fēng)向長度約90 m。丘間地地表為極粗砂(粒徑1～2 mm)和粗砂(粒徑0.5～1 mm)覆蓋，并含少量礫石(粒徑>2 mm)。前沙丘為全流動(dòng)性，無植被；丘間地大部分地段無植被，只在與后沙丘相接的邊緣有沙拐棗、蘆葦和少量一年生草本；后沙丘中上部為全流動(dòng)性。

圖1 研究樣地示意

固定沙丘區(qū)丘間地為一閉合的丘間地，前沙丘高約3 m，后沙丘高約5 m，丘間地沿主風(fēng)向長度為55 m，兩側(cè)固定沙壟高3～5 m，垂直主風(fēng)向長度為30 m。丘間地從形成上來看，為風(fēng)蝕活動(dòng)形成的一個(gè)風(fēng)槽，整個(gè)丘間地近似舟形。丘間地中心地表為裸露的湖積黏土層，兩端為主要由中砂(0.25～0.5 mm)、細(xì)砂(0.10～0.25 mm)構(gòu)成的砂土。前后沙丘及丘間地植被類型一致，以梭梭(人工種植)、沙拐棗、沙蒿3種灌木和多年生草本黃花磯松、蘆葦，及一年生豬毛菜、沙米等為主形成的植被群落，在丘間地呈均勻分布狀態(tài)。

退耕區(qū)丘間地是本區(qū)域綠洲邊緣比較典型的一種丘間地類型，由于耕種原因，所以丘間地邊界明顯，多數(shù)為閉合形態(tài)，丘間地地形無起伏變化，前后為半固定沙丘。本研究選擇的丘間地為一閉合形態(tài)，前沙丘高度為6 m左右，后沙丘高5 m，退耕丘間地沿主風(fēng)向長度為140 m，垂直主風(fēng)向長度約為300 m；丘間地內(nèi)部地形起伏變化小于0.5 m，地表為砂壤質(zhì)耕作土；前、后沙丘植被以白刺、檉柳為主，丘間地植被以數(shù)量龐大的五星蒿、堿蓬等形成的一年生草本為主，偶有蘆葦和檉柳分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型丘間地土壤緊實(shí)度特征

圖2顯示，流動(dòng)沙丘區(qū)丘間地不同深度土壤緊實(shí)度均明顯大于沙丘其他部位，迎風(fēng)坡土壤緊實(shí)度大于背風(fēng)坡，前沙丘大于后沙丘。這與前沙丘和迎風(fēng)坡風(fēng)較大，土粒受到較大擠壓有關(guān)。

圖2 流動(dòng)沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度變化

圖3顯示，固定沙丘區(qū)0—5 cm深度土壤緊實(shí)度迎風(fēng)坡大于背風(fēng)坡，也大于丘間地；20—40 cm深度土壤緊實(shí)度背風(fēng)坡大于迎風(fēng)坡，且與丘間地相差很小；與背風(fēng)坡和丘間地相比，迎風(fēng)坡土壤緊實(shí)度隨土層深度變化的幅度較小。

圖3 固定沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度變化

圖4顯示，退耕區(qū)表層土壤緊實(shí)度丘間地明顯大于其他部位，距地表5 cm深度土壤緊實(shí)度各部位變化很小，在20—40 cm深度丘間地土壤緊實(shí)度達(dá)5 000 kPa以上。此丘間地曾開墾為農(nóng)田，在耕作層下形成緊實(shí)的犁底層，所以20—40 cm深度土壤緊實(shí)度很大。

圖4 退耕丘間地土壤緊實(shí)度變化

3種類型丘間地的土壤緊實(shí)度均隨著土層深度增加而增大，但增加的幅度各不相同。退耕丘間地受人類活動(dòng)影響緊實(shí)度最大，丘間地兩側(cè)沙丘表層土壤緊實(shí)度為固定沙丘最大。土壤緊實(shí)度的大小會(huì)影響到植物的著生及其根系的伸展，可能會(huì)影響植物的分布。

2.2 不同類型丘間地土壤緊實(shí)度與植被特征的關(guān)系

表1為流動(dòng)沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，流動(dòng)沙丘區(qū)表面土壤緊實(shí)度與植物種數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與植物個(gè)體數(shù)和一年生草本個(gè)體數(shù)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；40 cm深度土壤緊實(shí)度與物種豐富度指數(shù)、灌木種數(shù)和灌木個(gè)體數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這說明在流動(dòng)沙丘區(qū)土壤表面緊實(shí)度越大，植物種數(shù)和個(gè)體數(shù)量就越多。一年生草本植物根系淺，需要較大緊實(shí)度的表層土壤來固定其植株；灌木根系深，其種數(shù)及個(gè)體數(shù)量與下層土壤緊實(shí)度關(guān)系更密切，也導(dǎo)致豐富度指數(shù)與40 cm深度土壤緊實(shí)度關(guān)系密切。

表1 流動(dòng)沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

注：標(biāo)“*”的表示顯著相關(guān)(P<0.05)，標(biāo)“**”的表示極顯著相關(guān)(P<0.01)，負(fù)號表示負(fù)相關(guān)，下表同。

表2為固定沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，固定沙丘區(qū)表面土壤緊實(shí)度與植物個(gè)體數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與多年生草本植物個(gè)體數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；5 cm深度土壤緊實(shí)度與灌木種數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。固定沙丘區(qū)土壤表面沙子已固定，不再流動(dòng)，表面緊實(shí)度大的土壤更適合多年生草本植物數(shù)量的增加；一年生草本植物的分布已與土壤緊實(shí)度的大小沒有直接的關(guān)系；沙區(qū)灌木大多已適應(yīng)表層疏松、常伴有風(fēng)蝕和沙埋的土壤，其種數(shù)與表層土壤緊實(shí)度大小存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 固定沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

表3為退耕區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果。分析表明，退耕區(qū)表層土壤緊實(shí)度與植物種數(shù)、植物個(gè)體數(shù)、豐富度指數(shù)、一年生草本植物種數(shù)和一年生草本個(gè)體數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；20 cm深度土壤緊實(shí)度與多年生草本個(gè)體數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系；40 cm深度土壤緊實(shí)度與植物種數(shù)和豐富度指數(shù)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。退耕區(qū)丘間地寬闊，兩側(cè)沙區(qū)為半固定沙區(qū)，丘間地一年生草本植物種數(shù)和個(gè)體數(shù)量較大，與土壤表面緊實(shí)度關(guān)系密切，從而導(dǎo)致植物種數(shù)、植物個(gè)體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤表面緊實(shí)度關(guān)系密切；多年生草本個(gè)體數(shù)量與下層土壤的密切關(guān)系對植物種數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤下層緊實(shí)度的關(guān)系有重要影響。

表3 退耕區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

將3個(gè)樣地所有樣點(diǎn)的土壤緊實(shí)度和植被特征進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果(見表4)表明，植物種數(shù)及其個(gè)體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本種數(shù)及其個(gè)體數(shù)都與不同深度土壤緊實(shí)度有著顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系，而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和灌木的種數(shù)及其個(gè)體數(shù)與土壤緊實(shí)度沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。說明沙區(qū)植物不同生活型中多年生和一年生草本植物的種數(shù)和個(gè)體數(shù)量與土壤緊實(shí)度關(guān)系密切，灌木的種數(shù)和個(gè)體數(shù)量與土壤緊實(shí)度關(guān)系不大。植物種數(shù)、植物個(gè)體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤緊實(shí)度的關(guān)系密切，主要是因?yàn)椴荼菊贾参锓N數(shù)和個(gè)體數(shù)的比例大所致。草本植物和灌木相比，根系淺，抗風(fēng)蝕和沙埋能力差，需要相對緊實(shí)的土壤才能固定其植株，所以在土壤緊實(shí)度大的地方草本植物分布多；灌木則因抗風(fēng)蝕和抗沙埋能力強(qiáng)，故其分布與土壤緊實(shí)度的關(guān)系不大。

表4 沙區(qū)土壤緊實(shí)度與植被特征的相關(guān)分析結(jié)果

3 小 結(jié)

流動(dòng)沙丘區(qū)丘間地土壤緊實(shí)度明顯大于沙丘其他部位，迎風(fēng)坡土壤緊實(shí)度大于背風(fēng)坡，前沙丘土壤緊實(shí)度大于后沙丘。土壤表面緊實(shí)度越大，越有利于一年生草本植物固定植株，其個(gè)體數(shù)量也越多；灌木根系較深，其種數(shù)及個(gè)體數(shù)量與下層土壤緊實(shí)度關(guān)系更密切，也導(dǎo)致豐富度指數(shù)與下層土壤緊實(shí)度關(guān)系密切。

固定沙丘區(qū)0—5 cm深度土壤緊實(shí)度迎風(fēng)坡大于背風(fēng)坡，也大于丘間地；20—40 cm深度土壤緊實(shí)度背風(fēng)坡大于迎風(fēng)坡，且與丘間地相差很??；迎風(fēng)坡土壤緊實(shí)度隨土層深度變化的幅度很小。固定沙丘區(qū)土壤表面已不再流動(dòng)，土壤表面緊實(shí)度越大，多年生草本植物個(gè)體數(shù)量越多，植物總個(gè)體數(shù)也越大。一年生草本植物的分布已與土壤緊實(shí)度的大小無直接的關(guān)系，灌木種數(shù)與表層土壤緊實(shí)度大小存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。固定沙丘區(qū)土壤緊實(shí)度與物種豐富度指數(shù)無直接的關(guān)系。

退耕區(qū)表層土壤緊實(shí)度丘間地明顯大于其他部位，距地表5 cm深度處各部位變化很小。丘間地曾開墾為農(nóng)田，在耕作層下形成緊實(shí)度很大的犁底層。丘間地一年生草本植物種數(shù)較多，個(gè)體數(shù)量較大，與土壤表面較大的緊實(shí)度有直接的關(guān)系，從而導(dǎo)致植物種數(shù)、植物個(gè)體數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤表面緊實(shí)度關(guān)系密切；多年生草本個(gè)體數(shù)量與下層土壤的密切關(guān)系對植物種數(shù)和豐富度指數(shù)與土壤下層緊實(shí)度的關(guān)系有重要影響。

總的來說，沙區(qū)植物種數(shù)及其個(gè)體數(shù)、豐富度指數(shù)、草本植物種數(shù)及其個(gè)體數(shù)都與不同深度土壤緊實(shí)度有密切的正相關(guān)關(guān)系，而Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和灌木的種數(shù)及其個(gè)體數(shù)與土壤緊實(shí)度沒有直接關(guān)系。草本植物在土壤緊實(shí)度大的地方分布多，灌木的分布與土壤緊實(shí)度關(guān)系不大。

[1] 常學(xué)禮,崔步禮,陳雅琳,等.流動(dòng)沙丘土壤緊實(shí)度對沙米生長狀況的影響[J].自然資源學(xué)報(bào),2006,21(2):238-244.

[2] 常學(xué)禮,劉穎茹,楊持.裸沙斑塊生境島對沙米Agriophyllumsquarrosum種群影響的研究[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2000,31(2):228-232.

[3] Qi Xiang-zhen,Lin Zhen-shan.Grassland evolution under soil degradation:numerical simulation and test[J].Pedoshere,2005,15(1):41-45.

[4] 鄒養(yǎng)軍,馬鋒旺,韓明玉,等.土壤緊實(shí)脅迫與植物抗脅迫響應(yīng)機(jī)理研究進(jìn)展[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2007,25(6):212-215,236.

[5] 劉晚茍,山侖,鄧西平.植物對土壤緊實(shí)度的反應(yīng)[J].植物生理學(xué)通訊,2001,37(3):254-360.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(096RJZH015)；甘肅省省屬科研院所科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(1207TTCA002)

S154.4；Q288

A

1000-0941(2015)02-0052-04

李銀科(1982—)，男，甘肅徽縣人，助理研究員，碩士，主要從事荒漠化防治方面的研究；通信作者袁宏波(1978—)，男，甘肅慶陽市人，助理研究員，碩士，主要從事荒漠化防治及荒漠植被生態(tài)研究。

2014-03-28