寧夏荒漠草原短花針茅叢“肥島”效應研究

張玉萍， 宋乃平， 王 興

(1.寧夏大學 新華學院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏大學 農(nóng)學院，寧夏 銀川 750021； 3.寧夏大學 西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地/西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

荒漠草原屬于荒漠向草原的過渡帶，是我國北方生態(tài)屏障的前沿，在國家生態(tài)格局中具有極其重要的作用.荒漠草原為干旱、半干旱氣候，降水量少，蒸發(fā)大，植被稀疏，長期形成了其特有的破碎化景觀.灌叢化是干旱、半干旱地區(qū)的重要植被類型[1—2]，灌叢斑塊通過改變土壤溫度、濕度、微生物生物量及微環(huán)境，將優(yōu)質(zhì)土壤資源聚集在灌叢之下，從而形成“肥島”.張生楹將“肥島”效應定義為，在荒漠、干旱、半干旱地區(qū)，由于草叢、灌叢或喬木植物的生長以及土壤養(yǎng)分、水分、動物、微生物和非生物因素的相互作用，使其冠幅下限制性土壤資源顯著富集或聚集的情況[3].研究表明，灌叢“肥島”是荒漠植被和生態(tài)環(huán)境信息交流的樞紐，是荒漠植被在有限的養(yǎng)分及水分資源環(huán)境中穩(wěn)定生存的基礎(chǔ).研究表明，灌叢內(nèi)土壤中的有機碳、氮、磷等含量比灌叢外的高，表現(xiàn)出灌叢“肥島”效應[4—8]，且灌叢具有防風固沙及降風滯塵作用，能夠改變周圍的小環(huán)境[9]，可為種子提供儲存場所，減輕牲畜對新生植物的啃食，保護灌叢下植物的生長，促進生物多樣性恢復[4].“肥島”效應對于維持草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展有利[10].目前，對于“肥島”效應的研究主要集中于灌木，而對于荒漠草原地區(qū)草本植物與土壤的相互作用、荒漠草原地區(qū)小尺度上草本植物的研究不多.

短花針茅作為荒漠草原地區(qū)最具代表性的植物，在荒漠草原中大量存在，呈破碎化分布，使荒漠草原表現(xiàn)出典型的退化現(xiàn)象.研究短花針茅叢的“肥島”效應，是對荒漠草原土壤養(yǎng)分分布現(xiàn)狀的揭示，是對荒漠草原生態(tài)環(huán)境的分析.筆者以荒漠草原短花針茅叢為研究對象，通過對短花針茅叢由中心向邊緣空地不同距離土壤中有機碳、總氮、總磷、堿解氮及速效磷含量分布規(guī)律的研究，分析土壤中養(yǎng)分的變化規(guī)律及其富集程度，從而揭示短花針茅叢形成的“肥島”效應.研究小尺度上短花針茅叢對土壤的作用，可為荒漠草原區(qū)退化草地的恢復研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)

研究區(qū)位于寧夏鹽池縣皖記溝行政村(λN=37°04′～38°10′，φE=106°30′～107°47′)，海拔1 300～1 350 m.北部與毛烏素沙地相連，東南部與黃土高原相連，屬于典型的中溫帶大陸性氣候，年平均氣溫8.4 ℃，7月(最熱)平均氣溫22.4 ℃，1月(最冷)平均氣溫8.7 ℃，大于等于10 ℃年積溫為2 751.7 ℃，大于等于0 ℃年積溫為3 430.3 ℃，無霜期160 d.多年平均降水292 mm，主要集中在7—9月，且占全年的60%以上，年際降水變化大，蒸發(fā)量為2 710 mm.土壤以灰鈣土、風沙土及鹽堿土為主.土壤主要為砂壤、粉砂壤和沙土.主要植物物種有建群種短花針茅，伴生種牛枝子、糙隱子草、遠志、草木樨狀黃芪、黑沙蒿、白草和豬毛菜等.

1.2 研究方法

2019年9月，在寧夏鹽池荒漠草原選取以短花針茅為優(yōu)勢種的地勢平坦樣地，設(shè)置1個50 m×50 m的實驗區(qū).隨機選擇冠幅大小一致的短花針茅叢9株，選擇短花針茅叢水平和垂直方向不同間隔的土壤.水平方向，從短花針茅叢中心向外間隔5 cm，分別在中心(w0)、距離中心5 cm(w1)、距離中心10 m(w2)、距離中心15 m(w3)處；垂直方向，從中心向下0～5，5～10，10～15 cm 3個土層，分別采集3個土層w0，w1，w2，w3處的土樣.將采集的樣品帶回實驗室，測定土壤中有機碳、總氮、總磷、速效磷、堿解氮的質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量含量.土壤中有機碳的質(zhì)量分數(shù)通過重鉻酸鉀法測定，土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)通過凱氏定氮法測定，土壤中堿解氮的質(zhì)量含量通過堿解擴散法測定，土壤中總磷的質(zhì)量分數(shù)通過氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法測定,通過碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷的質(zhì)量分數(shù)[11].

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過Excel整理數(shù)據(jù)，并通過SPSS 21.0進行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤中有機碳的質(zhì)量分數(shù)

水平方向：在0～5 cm土層，短花針茅叢由中心向外(圖1)，土壤中有機碳的質(zhì)量分數(shù)呈遞減趨勢，w0處顯著高于w1,w2,w3,w4處的(P<0.05)；在5～10，10～15 cm土層，w0處有機碳的質(zhì)量分數(shù)分別為0.76%，0.70%，顯著高于w1，w2，w3，w4處的(P<0.05).垂直方向:在w0，w1，w2處、0～5，5～10，10～15 cm 3個土層土壤中，有機碳的質(zhì)量分數(shù)均隨深度的增加遞減，且0～5 cm土層中的顯著高于5～10，10～15 cm土層中的(P<0.05)；在w3，w4處、0～5，5～10，10～15 cm 3個土層，土壤中有機碳的質(zhì)量分數(shù)差異不顯著(P>0.05).

注：大寫字母表示垂直方向存在顯著差異(P<0.05)，小寫字母表示水平方向存在顯著差異(P<0.05)(圖2～圖5中相同).

圖1 土壤中有機碳的質(zhì)量分數(shù)變化

2.2 土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)

土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)(圖2)，除個別點波動外，在水平方向，從短花針茅叢的中心向外呈遞減趨勢，在垂直方向，隨土壤深度的增加而遞減.在0～5 cm土層，w0處土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)為0.08%，顯著高于w1，w2，w3，w4處的(P<0.05)；在5～10 cm土層，w0處土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)為0.06%，高于w1處的(0.01%)，呈顯著性差異(P<0.05)，w1，w2，w3，w4處土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)差異不顯著(P>0.05)；在10～15 cm土層，w0，w1，w2，w3，w4處土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)差異不顯著(P>0.05)，遞減幅度小于0～5 cm土層中的，且在20 cm處無明顯趨勢.

圖2 土壤中總氮的質(zhì)量分數(shù)變化

2.3 土壤中總磷的質(zhì)量分數(shù)

土壤中總磷的質(zhì)量分數(shù)(圖3)，在垂直方向和水平方向都不存在顯著性差異(P>0.05).在0～5 cm土層，土壤中總磷的質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為,從短花針茅叢的中心向外呈遞減趨勢，中心處總磷的質(zhì)量分數(shù)為0.43%，高于w4(0.03%)處的；在5～10 cm 土層，總磷的質(zhì)量分數(shù)沒有變化，在20 cm處降低；在10～15 cm土層土壤中，總磷的質(zhì)量分數(shù)由短花針茅叢中心向外隨距離的增加變化趨勢不明顯.

圖3 土壤中總磷的質(zhì)量分數(shù)變化

2.4 土壤中堿解氮的質(zhì)量含量

土壤中堿解氮的質(zhì)量含量(圖4)，除個別點波動外，在水平方向，從短花針茅叢中心向外呈遞減趨勢，在垂直方向，隨土壤深度的增加而遞減.在0～5 cm土層，堿解氮的質(zhì)量含量為52.28 mg/kg，短花針茅叢中心5，10 cm處分別為38.23，29.46 mg/kg，土壤中堿解氮的質(zhì)量含量隨距離的增加而減低，呈現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)，隨后變化緩慢.在5～10 cm土層，中心w0處堿解氮的質(zhì)量含量為33.73 mg/kg，顯著高于w1,w2,w3,w4處的(P<0.05)；在10～15 cm土層，土壤中堿解氮的質(zhì)量含量隨距離的增加而降低，在20 cm處增高為24.30 mg/kg，低于中心w0處(7.9 mg/kg).在垂直方向，在w0,w1處、0～5 cm土層中，堿解氮的質(zhì)量含量顯著高于5～10，10～15 cm土層中的(P<0.05)，w2,w3處堿解氮的質(zhì)量含量隨土壤深度的增加而降低，無顯著性差異(P>0.05).

圖4 土壤中堿解氮的質(zhì)量含量變化

2.5 土壤中速效磷的質(zhì)量含量

在0～5 cm土層，w0處速效磷的質(zhì)量含量為3.23 mg/kg(圖5)，顯著高于同一水平方向w1,w2,w3,w4處的(P<0.05)，且w1,w2,w3,w4處的速效磷的質(zhì)量含量無明顯變化；在5～10 cm土層，土壤中速效磷的質(zhì)量含量表現(xiàn)為，從短花針茅叢的中心向外隨距離的增加而遞減，w0處的顯著高于w2,w3,w4處的；在10～15 cm土層，土壤中速效磷的質(zhì)量含量呈遞減趨勢，且呈顯著性差異(P<0.05).在垂直方向，w0,w1,w2,w3,w4處速效磷的質(zhì)量含量表現(xiàn)為，0～5 cm土層中的顯著高于5～10，10～15 cm土層中的(P<0.05)，且5～10，10～15 cm土層中速效磷的質(zhì)量含量無顯著性差異(P>0.05).

圖5 土壤中速效磷的質(zhì)量含量變化

3 討論

“肥島”是干旱、半干旱地區(qū)生物作用與非生物作用共同驅(qū)動的產(chǎn)物[1—3].該實驗結(jié)果表明，在水平方向，短花針茅叢中心處養(yǎng)分的含量最高；土壤中有機碳、總氮、速效磷和堿解氮含量的差異性顯著(P<0.05)，均由短花針茅叢中心向外呈遞減趨勢，且在距離短花針茅叢5 cm處下降最大;土壤中有機碳、總氮、速效磷和堿解氮表現(xiàn)出“肥島”效應.在垂直方向，土壤中有機碳、總氮、速效磷和堿解氮的含量表現(xiàn)出，0～5 cm土層中的顯著高于5～10，10～15 cm土層中的(P<0.05)，且隨土壤深度的增減而遞減，表現(xiàn)出“表聚”效應；總磷的質(zhì)量分數(shù)在水平和垂直方向均沒有顯著差異(P>0.05)，說明短花針茅叢對總磷沒有“肥島”效應.這與短花針茅叢的生物與非生物作用相關(guān)，表現(xiàn)為短花針茅叢截獲了沉降、風蝕土壤細顆粒和枯枝落葉等外界帶來的養(yǎng)分，促使其叢下土壤養(yǎng)分含量積累，印證了學者的“肥島”效應研究[4—8].生物作用主要表現(xiàn)為，短花針茅叢根系吸收養(yǎng)分，向上運輸?shù)街参锷喜?，再以凋落物的形式回落到表層土壤的過程.短花針茅叢“肥島”的形成與發(fā)育促進根系養(yǎng)分的利用，促使產(chǎn)生更多的根際沉積，而根系的活動又會促進“肥島”的發(fā)育.短花針茅叢和“肥島”相互促進,有利于改良土壤，也有助于土壤肥力的保護.

4 結(jié)論

1)土壤中有機碳、總氮、速效磷和堿解氮的含量，由短花針茅叢中心向外隨水平距離的增加而遞減，隨土壤深度的增加而遞減，分別表現(xiàn)出“肥島”效應和“表聚”效應.

2)土壤中總磷的含量在垂直和水平方向變化趨勢不明顯，沒有“肥島”效應.

3)短花針茅叢“肥島”效應有利于荒漠草原土壤肥力的保護，也有助于荒漠草原退化草地的恢復.