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      寧夏鹽池縣草地沙化對(duì)植被與土壤特征的影響

      2014-09-13 10:06:18毛思慧謝應(yīng)忠許冬梅
      水土保持通報(bào) 2014年1期
      關(guān)鍵詞:鹽池縣沙化中度

      毛思慧, 謝應(yīng)忠,2, 許冬梅,2

      (1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué) 草業(yè)科學(xué)研究所, 寧夏 銀川 750021)

      鹽池縣是寧夏唯一被中國(guó)農(nóng)業(yè)部確定的牧區(qū)縣,草原面積和養(yǎng)羊數(shù)量均居全區(qū)之首,畜牧業(yè)收入占全縣農(nóng)業(yè)收入的1/2以上[1]。該縣草原嚴(yán)重沙化使草原植被發(fā)生逆向演替,牧草產(chǎn)量和品質(zhì)下降,草原經(jīng)濟(jì)動(dòng)物減少,鼠蟲(chóng)害加重,嚴(yán)重制約了草原畜牧業(yè)的發(fā)展,并且也影響了種植業(yè)和整個(gè)農(nóng)業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定性。草原沙化的加劇發(fā)展,使生態(tài)環(huán)境條件進(jìn)一步惡化,主要表現(xiàn)為風(fēng)沙天數(shù)增多,地下水位下降,蒸發(fā)量加劇,干旱周期縮短等。據(jù)統(tǒng)計(jì),至2004年鹽池縣草地沙化面積達(dá)486 932 hm2,占該縣土地總面積的68.3%[2]。因此,沙化草地的研究和防治具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,研究鹽池縣不同沙化程度下草地植被群落特征及土壤理化性質(zhì)的變化,為該地區(qū)草地沙化程度定量評(píng)價(jià)和沙化治理措施提供科學(xué)依據(jù)。

      1 材料與方法

      1.1 研究區(qū)概況

      鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部,地理坐標(biāo)為106°3′—107°47′E,37°4′—38°10′N(xiāo)。鹽池縣東鄰陜西省定邊縣,南接甘肅省環(huán)縣,北靠?jī)?nèi)蒙古鄂托克前旗,西連靈武、同心縣,屬陜、甘、寧、蒙4省(區(qū))交界地帶。該區(qū)地理位置上屬于典型過(guò)渡地帶,即自南向北,地形上是從黃土丘陵向鄂爾多斯緩坡丘陵過(guò)渡,氣候上是從半干旱向干旱過(guò)渡,植被類(lèi)型則是從干草原向荒漠草原過(guò)渡[3],這種空間上的過(guò)渡性造成了鹽池縣自然條件資源的多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的極端脆弱性。

      鹽池縣屬典型中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,干旱少雨,光能豐富,日照充足。年平均氣溫8.1 ℃,各月平均氣溫-13.0~22.7 ℃,極端最高溫度34.9 ℃,極端最低溫度-25.3 ℃。年無(wú)霜期165 d,年降水量250~350 mm,年平均風(fēng)速1.8 m/s,冬春風(fēng)沙天氣較多。該縣土壤類(lèi)型主要是灰鈣土,其次是黑壚土和風(fēng)沙土,其中南部黃土高原丘陵區(qū)以黑壚土為主,其次為灰鈣土,北部鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)以風(fēng)沙土、灰鈣土為主。鹽池縣植被上屬亞歐草原,植被類(lèi)型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠化草原植被[4]。

      1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

      2011年7—8月,在寧夏鹽池沙化草地區(qū)選擇存在一定沙化梯度的多個(gè)樣地,在樣地中沿著沙漠化梯度設(shè)立固定規(guī)格的樣帶(100 m×100 m),然后按照植被生長(zhǎng)狀況和地面風(fēng)蝕沙化程度將樣帶劃分為輕度、中度、重度、極度沙化4種沙化草地類(lèi)型。在每個(gè)樣帶內(nèi)按一定間隔設(shè)置數(shù)個(gè)1 m×1 m樣方,在各樣方內(nèi)測(cè)定群落組成及各物種的高度、蓋度、頻度、密度、地上生物量。

      在測(cè)定植被的每個(gè)樣方內(nèi)設(shè)3個(gè)取樣點(diǎn),按“V”形分別在0—5,5—20,20—50,50—100 cm土層取樣,將同層的3個(gè)土樣混合均勻裝袋風(fēng)干后,用研缽磨細(xì),分別過(guò)1.00和0.25 mm篩,儲(chǔ)存?zhèn)溆?。在?shí)驗(yàn)室對(duì)各樣品進(jìn)行化學(xué)分析,具體測(cè)定方法為[5]:土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法;土壤全氮量測(cè)定用凱氏定氮法;土壤水解氮測(cè)定用堿解擴(kuò)散法;土壤速效磷測(cè)定用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法;土壤速效鉀測(cè)定用NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法;土壤pH值(H2O 1∶5)測(cè)定用PHS—25酸度計(jì);土壤鹽分測(cè)定用電導(dǎo)法;土壤容重測(cè)定用環(huán)刀法。

      1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

      1.3.1 重要值[6]重要值=(相對(duì)頻度+相對(duì)高度+相對(duì)蓋度+相對(duì)多度)/4

      1.3.2 多樣性指數(shù)[7]

      (1)豐富度指數(shù)(R):R=S

      式中:S——樣方內(nèi)的物種總數(shù)。下同。

      (2)均勻度指數(shù)(E):E=H/lnS

      式中:H——多樣性指數(shù)。

      式中:Pi=Ni/N,Ni——物種i的絕對(duì)重要值;N——物種i所在樣方的所有物種的重要值之和。

      1.3.3 群落相似性系數(shù)Cj[8]:

      Cj=j/(a+b-j)

      式中:j——樣地A和B中共有種數(shù);a,b——樣地 A,B中的物種數(shù)。

      數(shù)據(jù)采用Excel和DPS 7.05統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 草地沙化對(duì)植被特征的影響

      2.1.1 草地沙化對(duì)植物物種組成的影響 在研究區(qū)調(diào)查樣地內(nèi)共出現(xiàn)41種植物(表1),分屬13科。其中豆科9種,占總物種數(shù)的21.6%;菊科8種,禾本科7種,分別占19.5%和17.6%;藜科6種,占14.6%。以上4大類(lèi)共占試區(qū)植物物種總數(shù)的73.3%。隨著沙化程度的加重,多年生草本植物所占物種百分比數(shù)逐漸降低,由67.74%降低到46.15%,而一年生草本植物所占物種百分比數(shù)逐漸增加,由16.13%增加到42.31%。由此可見(jiàn),草地沙化演替過(guò)程中,多年生草本植物逐漸被一年生植物替代。由表1可以看出,在沙化起始階段,輕度沙化草地群落組成中,優(yōu)勢(shì)種和主要伴生種仍為草原成分,如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等。隨著沙化程度加劇,一年生雜類(lèi)草開(kāi)始增加,如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫(huà)眉草等,同時(shí)出現(xiàn)了一些對(duì)草原沙漠化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等,且呈增加趨勢(shì)。到重度沙化階段,上述的草原成分明顯消退,代之而起的優(yōu)勢(shì)種是適合在覆沙地生長(zhǎng)的白草、賴(lài)草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類(lèi)草。

      2.1.2 草地沙化對(duì)植物群落特征的影響 由表2可以看出,豐富度指數(shù)變化趨勢(shì)是自輕度沙化草地到中度沙化草地顯著增加(p<0.05),自中度沙化草地至極度沙漠化草地,隨著沙化程度的增加又顯著降低(p<0.05),說(shuō)明這兩個(gè)時(shí)期是物種數(shù)變化最快的時(shí)期。均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)為輕度沙化草地到中度沙化草地增加,自中度沙化草地至極度沙化草地,隨沙化程度的增加先降低后又增加,這說(shuō)明中度沙化階段草地是植物群落特征變化的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期。

      表1 不同沙化程度草地的植物群落組成及其重要值

      表2 不同沙化程度草地植物群落特征

      2.1.3 草地沙化對(duì)植物群落間相似性系數(shù)的影響 群落β多樣性是反映群落物種沿某一環(huán)境梯度的替代程度,其實(shí)質(zhì)是反映生境的變化程度或指示生境被物種分隔的程度[9]。相似性系數(shù)是測(cè)度群落或生境物種多樣性的最簡(jiǎn)便方法。從表3分析得,輕度沙化草地與中度沙化草地之間的群落相似性系數(shù)最大,相似系數(shù)為0.823 5,中度沙化草地與重度沙化草地之間的相似性系數(shù)為0.729 7,重度沙化草地與極度沙化草地之間的相似性系數(shù)為0.638 8,可見(jiàn),隨著草地沙化程度差異增加,植物群落之間的相似性指數(shù)逐漸減小,異質(zhì)性增大。

      表3 不同沙化程度草地植物群落相似性系數(shù)

      2.2 草地沙化對(duì)土壤特性的影響

      2.2.1 草地沙化對(duì)土壤物理特性的影響 土壤水分是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因子,水分含量及其空間分布直接影響著植被恢復(fù)效果。從土壤水分含量的垂直分布看(圖1),隨著土層深度的增加土壤水分含量逐漸增加,但不同沙化程度草地的各層土壤水分含量變化有差異。0—5 cm土層為中度沙化草地>輕度沙化草地>重度沙化草地>極度沙化草地,5—20,20—50,50—100 cm土層均為中度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>重度沙化草地。0—5 cm土層土壤水分含量較低,最高達(dá)2.18%,主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)氣候干燥而且表層土壤風(fēng)蝕積沙,水分蒸發(fā)快,土壤表面水分入滲速度快。各不同沙化草地類(lèi)型的各層土壤水分含量均表現(xiàn)顯著差異(p<0.05)。中度沙化草地的5—20與20—50 cm土層土壤水分含量較同層的其他沙化草地類(lèi)型差異顯著(p<0.05)。

      土壤容重大小可以反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低。很多研究表明[10-12],隨著草地沙化程度加劇,土壤容重總體呈逐漸增加趨勢(shì),變化范圍在1.22~1.36 g/cm3。由圖1的土壤容重可以看出,0—5 cm土層容重顯著高于5—20 cm土層(p<0.05)。

      圖1 不同沙化程度草地土壤物理特性的差異

      2.2.2 草地沙化對(duì)土壤化學(xué)特性的影響 由表4可以看出,土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著沙化程度的加劇呈逐漸下降的趨勢(shì),輕度沙化與極度沙化草地相比,有機(jī)質(zhì)含量下降了41.78%。在0—5 cm土層,重度到極度沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異顯著高于輕度到重度沙化草地(p<0.05),說(shuō)明重度沙化階段是有機(jī)質(zhì)含量變化的轉(zhuǎn)折期。在極度沙化階段,有機(jī)質(zhì)含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05),這是由于牲畜的過(guò)度采食使草地植物的地上部分返還到土壤中的有機(jī)質(zhì)大量減少,在極度沙化下,植物極少生長(zhǎng),枯枝落葉已不再是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源,植物的根系及其分泌物成為土壤有機(jī)質(zhì)的主要來(lái)源,所以在極度沙化下,有機(jī)質(zhì)含量在0—5 cm土層顯著低于5—20 cm土層(p<0.05)。

      隨著沙化程度加劇土壤全氮含量呈逐漸降低趨勢(shì),且差異顯著(p<0.05)。土壤水解氮含量在垂直土層序列上的變化為隨著土層的加深,輕度和中度沙化草地的水解氮含量逐漸減小且存在顯著差異(p<0.05),重度和極度沙化草地的水解氮含量逐漸增加且差異顯著(p<0.05)。不同沙化程度草地土壤速效鉀含量存在顯著差異(p<0.05),變化范圍在105.92~139.85 mg/kg,0—20 cm土層速效鉀含量變化趨勢(shì)為重度沙化草地>輕度沙化草地>極度沙化草地>中度沙化草地。隨著草地沙化程度加劇,同層間土壤速效磷含量無(wú)顯著差異(p>0.05),0—5與5—20 cm土層含量變化較大,由5.22 mg/kg下降到2.29 mg/kg。0—5 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而逐漸上升,在極度沙化草地階段又下降到比輕度沙化階段低,5—20 cm土層速效磷含量隨著草地沙化程度的加劇而呈逐漸增加的趨勢(shì)。

      表4 不同沙化程度草地土壤化學(xué)特性的差異

      pH值常用來(lái)表示土壤酸堿度,它是土壤最重要的化學(xué)性質(zhì)之一,它與有機(jī)質(zhì)的合成與分解、土壤微生物的活動(dòng)、各種營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化與釋放及有效性、土壤保持養(yǎng)分的能力都有關(guān)系。研究區(qū)土壤多屬于沙質(zhì)土,pH值在9以上,呈偏堿性。隨著草地沙化的加劇,同一土層的pH值變化無(wú)顯著差異(p>0.05);隨著沙化草地土層的加深,土壤全鹽含量升高,5—20 cm土層含量顯著高于0—5 cm土層(p<0.05)。這主要是因?yàn)榻邓果}基離子從上層土壤淋溶,在下層土壤聚集,致使上層土壤含量值低于下層土壤。

      3 結(jié) 論

      (1)草原沙化主要是植被和土地退化的過(guò)程,草原植被群落不同的退化階段與土壤沙化不同的發(fā)展階段是相一致的,盡管其他一些指標(biāo)直接或間接地影響著沙化的進(jìn)程,但它們都可以歸結(jié)到植被的發(fā)展變化過(guò)程而得到具體的反映[13-14]。隨著草地沙化程度的加劇,植被組成發(fā)生變化,多年生草本植物呈逐漸減少,一年生草本植物呈逐漸增加的趨勢(shì)。在沙化起始階段,輕度沙化草地群落組成中,優(yōu)勢(shì)種和主要伴生種仍為草原成分,如短花針茅、糙隱子草、牛枝子等,隨著沙化程度加劇,一年生雜類(lèi)草開(kāi)始增加,如蒺藜、地錦、刺沙蓬、小畫(huà)眉草等,同時(shí)出現(xiàn)了一些對(duì)草原沙化具指示意義的表征植物刺蓬、老瓜頭等,且呈增加趨勢(shì)。到重度沙化階段,以上的草原成分明顯消退,代之而起的優(yōu)勢(shì)種是適合在覆沙地生長(zhǎng)的白草、賴(lài)草等多年生禾草和老瓜頭、甘草、刺蓬、地錦等雜類(lèi)草。可見(jiàn),隨著沙化程度的加劇,土壤地表粗化,原有的草原物種失去了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),逐步讓位于一些耐干旱、抗風(fēng)蝕的一年生和多年生草本,并最終被一些耐風(fēng)蝕沙埋的沙生植物取代。因此,隨著沙化的加重,這些草原物種由優(yōu)勢(shì)種逐漸變?yōu)閬唭?yōu)勢(shì)種直至極度沙化草地完全消失;同時(shí),一些耐風(fēng)蝕沙埋的沙生植物種隨著沙化的加劇而逐漸增加,并最終成為極度沙化草地的優(yōu)勢(shì)物種。

      (2)草原沙化過(guò)程其實(shí)質(zhì)是一個(gè)物種消亡的過(guò)程,也是一個(gè)物種多樣性衰減的過(guò)程[15]。物種多樣性表征著生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性,體現(xiàn)了群落的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度和生境差異。本研究中在輕度到中度沙化草地階段,物種多樣性指數(shù)增加,自中度至極度沙化草地,呈先降低后又增加的趨勢(shì),說(shuō)明中度沙化階段是草地植物群落特征變化的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期,這與前人研究一致[15-16]。隨著草地沙化程度差異增加,植物群落之間的相似性指數(shù)逐漸減小,且相似性系數(shù)變化范圍不大,說(shuō)明自輕度沙化草地至極度沙化草地過(guò)程,物種替代不明顯,相鄰草地群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出漸變特征。

      (3)土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過(guò)程的參與者和載體,土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一[17]。土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷是土壤重要的組成部分和營(yíng)養(yǎng)元素,它們對(duì)土壤肥力的調(diào)節(jié)和土壤物理性狀的改善起著非常重要的作用[18]。隨著沙化程度的加劇,土壤水分含量從垂直分布看,表層土壤含水量最低,隨著土層深度的增加而增大;土壤容重隨著沙化程度的加劇,總體呈逐漸增加的趨勢(shì),大小隨著土層深度的增加而降低;表層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量呈降低趨勢(shì);速效磷、速效鉀含量隨著土層深度的增加而降低,其整體變化具有波動(dòng)性,沒(méi)有明顯的規(guī)律可循,是由于外界干擾還是土壤本身特性的體現(xiàn),有待進(jìn)一步探討??傮w來(lái)看,研究區(qū)土壤緊實(shí),水分含量低,養(yǎng)分貧瘠,pH值高。

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