吳惠敏，黨曉宏,2，翟 波，魏亞娟，李小樂(lè)

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)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(guó)家定位觀測(cè)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(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)地處荒漠化草原向草原化荒漠過(guò)渡的生態(tài)脆弱區(qū)，其地質(zhì)歷史古老、生境復(fù)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(qiáng)耐旱、耐寒能力成為當(dāng)?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(duì)沙物質(zhì)的攔截能力，進(jìn)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(duì)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(duì)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(jī)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(qiáng)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(hù)區(qū)內(nèi)背風(fēng)側(cè)的紅砂灌叢沙堆土壤養(yǎng)分含量較迎風(fēng)側(cè)更高［10］，是由于土壤養(yǎng)分隨背風(fēng)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(fēng)沙地貌學(xué)的基本研究方法，可反演環(huán)境變遷過(guò)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(qiáng)，土壤所吸附的養(yǎng)分就越豐富［12］。風(fēng)蝕作用強(qiáng)烈的荒漠地區(qū)，灌叢可有效降沉風(fēng)沙流中細(xì)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(jìn)而判斷灌叢衰退原因及進(jìn)程，對(duì)保護(hù)與合理利用植物資源至關(guān)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(xì)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(xì)砂和細(xì)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(xì)砂的含量依次減小。

前人已經(jīng)就單一灌叢對(duì)土壤微環(huán)境的影響進(jìn)行了深入探討并取得豐富成果，但關(guān)于復(fù)合灌叢群落對(duì)土壤特性影響的相關(guān)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(fēng)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(duì)象，對(duì)比分析單一群落與復(fù)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(fù)合群落影響土壤微環(huán)境時(shí)的作用效果，為保護(hù)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(hù)區(qū)（107°02′～107°19′E；40°08′～40°23′N）（圖1），保護(hù)區(qū)深居內(nèi)陸，跨越荒漠化草原、草原化荒漠兩個(gè)植被地帶，屬溫帶荒漠化草原向草原化荒漠的過(guò)渡區(qū)。該區(qū)年均氣溫7.6 ℃，晝夜溫差大，年均日照時(shí)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(fēng)速4.1 m·s-1，風(fēng)大沙多，風(fēng)向多為西南、東南風(fēng)。受燕山運(yùn)動(dòng)及烏蘭布和沙漠的風(fēng)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(fēng)沙土。保護(hù)區(qū)建群種多為強(qiáng)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(hù)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(duì)白音恩格爾自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行實(shí)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(shì)平坦無(wú)明顯起伏的區(qū)段為試驗(yàn)樣地，布設(shè)1個(gè)100 m×100 m的樣方，對(duì)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(gè)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查（表1）。

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

1.3 樣品采集及測(cè)定

在對(duì)樣方內(nèi)灌叢植被調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取3 株形態(tài)相似、長(zhǎng)勢(shì)良好、無(wú)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(duì)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(duì)邊緣東南西北4 個(gè)方向進(jìn)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(gè)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(fù)；隨機(jī)選取3處距灌叢中心2倍冠幅距離的無(wú)植物覆蓋的裸沙地為空白對(duì)照（CK），取樣深度同上。

將采集的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干后過(guò)篩，以供土壤粒度組成及土壤養(yǎng)分測(cè)定。土壤粒度組成采用激光衍射法分析測(cè)定［16］；土壤有機(jī)質(zhì)（SOM）采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法進(jìn)行測(cè)定；速效氮（AN）采用NaOH堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定；速效磷（AP）通過(guò)NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定；速效鉀（AK）采用NH4Oac 浸提-火焰光度法進(jìn)行測(cè)定［17］。

1.4 土壤粒度參數(shù)模型

依據(jù)美國(guó)制土壤粒度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［18］，將土壤粒徑劃分為極粗砂、粗砂、中砂、細(xì)砂、極細(xì)砂、粉粒、黏粒7 個(gè)粒級(jí)，其標(biāo)準(zhǔn)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(duì)不同粒徑體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過(guò)粒徑Φ值代表粒度參數(shù)，分別對(duì)平均粒徑（d0）、分選系數(shù)（δ）、偏度（SK）、峰度（Kg）進(jìn)行計(jì)算。

依據(jù)Udden-Wenworth粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用Kumdein［19］方法利用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中：d表示沙粒粒徑（mm）。

相關(guān)粒度參數(shù)的計(jì)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(jì)算，其公式為：

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

1.5 土壤養(yǎng)分積累特征

采用相對(duì)相互作用強(qiáng)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(duì)照不同深度土壤養(yǎng)分含量。當(dāng)RII>0 時(shí)，表示灌叢對(duì)該養(yǎng)分含量有富集效應(yīng)；當(dāng)RII<0時(shí)，表示灌叢對(duì)該養(yǎng)分含量有降低效應(yīng)。RII 距離0 值越遠(yuǎn)表示效應(yīng)影響越強(qiáng)。

1.6 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2010對(duì)樣地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行整理，并計(jì)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(biāo)。利用SPSS 26 對(duì)土壤粒度組成、各參數(shù)指標(biāo)及速效養(yǎng)分含量的平均值進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），并運(yùn)用OriginPro 2021繪制計(jì)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(xì)砂（44.25%～62.11%）含量最高；黏粒、粉粒則相對(duì)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、粉粒總含量最低（11.28%），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(duì)砂粒進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，細(xì)砂平均體積百分含量最高，均大于52%，其中沙冬青土壤細(xì)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(dòng)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(fù)偏外，沙冬青-霸王偏度在其他土層均為近對(duì)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(xì)砂、中砂含量較多，極粗砂含量最少，其顆粒分布不對(duì)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(dòng)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(shì)；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(shì)。

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(duì)土壤SOM、AN、AP積累有明顯正效應(yīng)（圖3）。隨土層深度增加，沙冬青-霸王對(duì)SOM、AP 的富集作用低于沙冬青，沙冬青-霸王對(duì)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(duì)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(guān)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(guān)關(guān)系，AP 則與之為負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中AP與細(xì)砂呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。圖4b 中沙冬青土壤SOM、AN、AK 與黏砂呈正相關(guān)關(guān)系，SOM、AN、AP 與粉粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，AK 與粉粒無(wú)顯著相關(guān)性，沙冬青土壤AN、AK與粗砂呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。

圖4 不同灌叢分布下土壤養(yǎng)分、粒徑相關(guān)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(fēng)氣候，地表土壤粒度組成除與風(fēng)沙活動(dòng)密切相關(guān)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(dòng)地表流場(chǎng)。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(xì)砂含量最多。這是由于風(fēng)蝕作用下土壤流失的多為細(xì)粒物質(zhì)［24］。樣地內(nèi)沙冬青-霸王灌叢0～5 cm土層內(nèi)細(xì)砂含量高于裸沙地細(xì)砂含量，是因?yàn)楣鄥驳拇嬖诒苊饬斯嘞录?xì)粒物質(zhì)受到吹蝕，且風(fēng)沙流運(yùn)移過(guò)程中，地上部分可對(duì)近地表風(fēng)速產(chǎn)生阻擋、分解、疏散作用［25］，使其風(fēng)速降低、攜沙能力減弱、部分顆粒發(fā)生降沉，導(dǎo)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(dǎo)致土壤粒度組分存在明顯的差異［27-28］，隨植被的生長(zhǎng)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(xì)砂含量高于沙冬青土壤細(xì)砂含量。0～5 cm 土層內(nèi)裸沙地細(xì)砂含量大于沙冬青土壤細(xì)砂含量，與李小樂(lè)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(dǎo)致其對(duì)風(fēng)沙流的攔截能力減弱，風(fēng)蝕作用將灌叢下土壤細(xì)粒物質(zhì)遷移損失，降低細(xì)粒物質(zhì)含量。

土壤粒度特征不僅是風(fēng)力對(duì)源區(qū)物質(zhì)搬運(yùn)和分選作用的反映，同時(shí)也體現(xiàn)障礙物對(duì)風(fēng)沙流運(yùn)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(shuō)明盡管灌叢對(duì)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(duì)風(fēng)力侵蝕仍起到一定的防護(hù)作用。偏度反映土壤顆粒粒度頻率曲線的對(duì)稱性，表示土壤顆粒的粗細(xì)分布特征［30］。峰態(tài)尖窄程度越強(qiáng)，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(duì)稱，峰度較另兩者寬平，表明其顆粒分布不對(duì)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(qiáng)。

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(zhǎng)、發(fā)展、演替過(guò)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(yīng)。土壤養(yǎng)分集中于細(xì)粒物質(zhì)內(nèi)［32］，灌叢冠幅通過(guò)攔截風(fēng)沙流中細(xì)粒物質(zhì)［33］進(jìn)而對(duì)地表土壤資源進(jìn)行了再分配，大量細(xì)粒物質(zhì)沉積于灌叢下，對(duì)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(shì)，與之對(duì)應(yīng)的無(wú)植被覆蓋的裸沙地養(yǎng)分含量則較低［4］。本實(shí)驗(yàn)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(duì)AN的富集程度大于AP、AK、SOM，不同灌叢土壤養(yǎng)分指標(biāo)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(guān)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(yīng)，這可能是由于沙冬青、霸王灌叢對(duì)土壤養(yǎng)分元素的選擇性吸收有關(guān)。植被種類、枯枝落葉的分解利用等因素也是導(dǎo)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(yuǎn)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(yuǎn)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(yīng)的原因，則是因?yàn)槁闵车谹K更易垂直擴(kuò)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(shì)，導(dǎo)致出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能因?yàn)樯扯唷酝醵紝儆谏罡祷哪嗄局参?，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(wú)法進(jìn)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(duì)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(duì)有機(jī)質(zhì)和速效磷的富集作用，白音恩格爾自然保護(hù)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(zhǎng)旺盛的原因可能與此相關(guān)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西鄂爾多斯白音恩格爾自然保護(hù)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(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)內(nèi)細(xì)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(xì)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(xì)，分選性變差，分形維數(shù)變小，土壤顆粒分布逐漸不對(duì)稱，顆粒組成向細(xì)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(duì)SOM、AP的富集作用高于沙冬青-霸王，沙冬青-霸王對(duì)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(guān)性，沙冬青-霸王土壤AP與細(xì)砂呈顯著正相關(guān)（P<0.05），沙冬青土壤AN、AK與粗砂呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）。