生态学报  2016, Vol. 36 Issue (4): 979-990

文章信息

刘进辉, 王雪芹, 马洋
LIU Jinhui, WANG Xueqin, MA Yang
沙漠绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆-丘间地系统土壤养分空间异质性
Spatial variation of soil nutrients of Tamarix ramosissima nebkhas and interdune areas in a desert-oasis ecotone
生态学报, 2016, 36(4): 979-990
Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(4): 979-990
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201406031141

文章历史

收稿日期: 2014-06-03
沙漠绿洲过渡带柽柳灌丛沙堆-丘间地系统土壤养分空间异质性
刘进辉1, 2, 3, 王雪芹1 , 马洋1, 2, 3    
1. 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011;
2. 新疆策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站, 策勒 848300;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 以塔克拉玛干沙漠南缘策勒沙漠绿洲过渡带为研究区,选取植被盖度依次为30%、15%-20%、10%和 <5%的4个典型样地,对各样地的柽柳灌丛沙堆-丘间地系统典型部位0-10 cm和10-20 cm土壤进行系统采样,分析土壤枯落物、有机质、全效N、P、K和速效N、P、K含量,从风沙地貌的角度研究过渡带沙漠化进程中土壤养分分布特征。结果表明:(1)随着植被总盖度的降低,灌丛沙堆表层0-10 cm土壤的枯落物、有机质、全N、全K、速效K含量呈降低趋势,平均降幅为69.3%、37.0%、35.3%、8.3%和24.5%。全P含量没有明显的变化,速效N和速效P含量呈先减小后增大的趋势;(2)从灌丛下→沙堆边缘→丘间地→风影区,土壤枯落物、有机质、全N、全P、速效N、速效P、速效K含量表现出先减小后增大的趋势,最大值位于灌丛下部位,最小值位于丘间地,但在植被盖度 <5%的样地,沙堆-丘间地系统各部位之间养分含量无显著性差异;(3)与0-10 cm土层相比,10-20 cm土层的枯落物、有机质、全N、全P和速效P含量显著降低,平均降幅为40.0%、27.0%、25.0%、4.5%和2.0%,全K、速效N和速效K含量明显增加,平均增幅为4.8%、103.3%和12.1%。随着植被盖度的降低,10-20 cm土层的养分含量具有与0-10 cm土层相对一致的变化趋势;(4)灌丛的生物反馈作用使得灌丛下部位具有明显的养分富集效应,但随着植被总盖度的降低和风沙活动不断加剧,非生物因素逐渐占据主导,灌丛的养分富集效应趋于减弱和消失。
关键词: 沙漠绿洲过渡带    柽柳灌丛沙堆    枯落物    土壤养分    
Spatial variation of soil nutrients of Tamarix ramosissima nebkhas and interdune areas in a desert-oasis ecotone
LIU Jinhui1, 2, 3, WANG Xueqin1 , MA Yang1, 2, 3    
1. Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Ürümqi 830011, China;
2. Cele National Station of Observation & Research for Desert Grassland Ecosystem, Cele 848300, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: In this study four kinds of typical plots, with vegetation cover of 30%, 15%-20%, 10%, and <5%, respectively, were selected to investigate the spatial variation of soil nutrients in Tamarix ramosissima nebkhas and interdune areas in a Qira oasis-desert ecotone at the southern rim of the Taklimakan desert. Soil samples from two layers (0-10 cm and 10-20 cm) of the nebkha and interdune in the four plots were collected for analysis of the litter, soil organic matter, total N, total P, total K, available N, available P, and available K content. The following results were obtained: First, with decreasing vegetation cover from Plot 1 to Plot 4, litter content, soil organic matter content, total N content, total K content, and available K content in the top (0-10 cm) layer of the nebkhas decreased by 69.3%, 37.0%, 35.3%, 8.3%, and 24.5%, respectively. The available N and available P content decreased at first, and then increased with decrease in vegetation cover, while total P content showed no obvious change. Second, the litter content, soil organic matter content, total N content, total P content, available N content, available P content, and available K content in the top layer first decreased, and then increased from under shrub to the margin of the nebkha, to the interdune, to the leeward shadow. The maximum values were mainly found under shrub, while the minimum values were mainly found in the interdune regions. For each soil nutrient index, there was no significant difference between the four positions in Plot 4 (vegetation cover is <5%). Third, compared with the top soil layer, there was a significant reduction in litter content, organic matter content, total N content, total P content, total K content, available P content, and available K content in the bottom (10-20 cm) soil layer. The above corresponding mean values were lower by 40.0%, 27.0%, 25.0%, 4.5%, and 2.0%, respectively, while total K content, available N content, and available K content were higher by 4.8%,103.3%, and 12.1%, respectively. With decreasing vegetation coverage, the changes in soil nutrient content in the two soil layers showed a consistent trend. Fourth, in non-desertified and lightly desertified areas of the oasis-desert ecotone, the biological feedback of shrubs led to obvious nutrient enrichment effects around them. However, as the total vegetation cover decreased and the intensity of desertification increased, non-biological factors began to play leading roles, and the nutrient enrichment effects of shrubs tended to disappear gradually.
Key words: desert-oasis ecotone    Tamarix ramosissima nebkhas    litter content    soil nutrient    

灌丛沙堆是风沙流遇到灌丛阻拦,沙物质在灌丛及其周围堆积而成的生物地貌类型[1],广泛分布于世界干旱、半干旱及半湿润沙地和部分沙质海岸带[2,3,4,5]。它的形成演化是风成沙与灌丛相互作用的结果[6],如在塔里木盆地,柽柳灌丛沙堆受植物和风沙活动的共同作用[7],形成沙物质与枯落物互层的交错层理[8]。因此凡是能提供沙包形成基本条件的地区都有它的分布[9],也是沙地和沙漠的重要组成部分[10]

Klemmedson和Barth[11]在对荒漠生态系统中植物生物量与养分分配关系研究时,首次提出了“肥岛”的概念。陈广生等[12]将其定义为干旱、半干旱区灌木冠幅下限制性土壤资源的显著聚集现象,其中的资源是指土壤水分、养分、微生物、动物及其由灌木或乔木等带来的非生物环境等的总和。肥岛现象在很多区域及其不同种类的灌丛下被发现[13,14,15],普遍的研究都认为灌丛沙堆相比周围空地具有较强的资源富集性[13,16,17]。在干旱区,水分及/或氮是最常见的限制植物生长的非生物因素[18],养分资源的空间分布对干旱环境中植被格局的确定具有重要的作用[19],养分有效性的提高对群落动态将产生深远的影响[20]。Gibbens[21]对奇瓦瓦沙漠植物根系进行了研究,证实了该沙漠植物根系对上层土壤水分与养分存在激烈的竞争。虽然在干旱区表层土壤的含水量极低,但当水分较充分时,土壤养分会快速地变成限制沙漠生物过程的主要因素[22]。有研究发现,沙漠化逆转与较高的土壤养分水平相关[23]。肥岛是沙漠生态系统结构与功能的一个重要组成部分,因此有关肥岛土壤养分特点的研究对于了解区域环境变化具有非常重要的意义[24]。尹传华[25]研究发现,当生态系统退化为沙漠或半沙漠时,肥岛效应趋于削弱。Okin等[26]的研究则认为,人为干扰导致干旱的灌木地土壤结皮和植被破坏,进而引发肥岛的解体,而肥岛的解体会对相邻地区形成间接干扰。

塔克拉玛干沙漠南缘气候极端干旱,风沙活动频繁,不同植被条件下灌丛沙堆具有不同的蚀积特点。虽然对绿洲-沙漠过渡带灌木引起的资源岛现象已有报道[25,27],但基于沙漠化进程中不同植被覆盖条件下灌丛沙堆-丘间地系统土壤养分分异规律尚无系统的观测和研究。鉴于此,本项研究以策勒绿洲沙漠过渡带为研究区,在对不同植被覆盖条件下柽柳灌丛沙堆-丘间地系统蚀积特征有所认识的前提下,重点研究土壤养分的空间异质性变化,揭示过渡带沙漠化进程中柽柳灌丛沙堆-丘间地系统土壤养分分异规律,从风沙地貌的角度探讨灌丛沙堆蚀积过程对土壤养分分布的影响。研究结果有助于深入理解绿洲-沙漠过渡带土地退化成因和过程,可为绿洲外围灌丛沙堆的科学保育和生态安全提供理论依据。

1 区域概况

研究区位于塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲西部过渡带,介于80°03′—82°10′ E,35°17′—39°30′ N之间。该区域气候极端干旱,年均降水量35 mm,蒸发量2595.3 mm,干燥度20.8,属暖温带大陆性荒漠气候。多年平均气温11.9 ℃,1月平均气温-5.8 ℃,7月平均气温25.1 ℃,极端最高气温41.9 ℃,极端最低气温-23.9 ℃。这里风沙活动频繁,以西风为主,其频率占62.43%—76.25%,年平均风速1.9 m/s,最大可达12.1 m/s。春季多大风,年平均3—9次,8级以上大风年平均40 d。土壤以风沙土和棕漠土为主,主要由极细沙和粉沙组成,土壤质地轻,含水量低,易于形成风沙流。天然植被类型单调,群落结构简单,疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima)和花花柴(Karelinia caspic)为主要建群种,部分可形成大小不等的植物沙包[28]。该区域沙漠化问题在绿洲西部有集中体现,受不同程度人类活动的影响,形成植物组合与盖度呈现明显差异的4种植被类型(表1),分别与不同程度的沙漠化土地相对应,其间均有柽柳灌丛沙堆分布。杨帆等人[29]通过详细的灌丛沙堆蚀积分布研究发现,不同植被覆盖条件下柽柳灌丛沙堆-丘间地系统地表蚀积过程也出现明显差异:在植被覆盖较好的非沙漠化区域,地表以微弱积沙过程为主,主要是由于良好的植被拦截了相当一部分远程输送的沙尘;在植被条件居中的轻度和中度沙漠化区域,则出现地表物质的原地再分配,沙堆迎风坡和沙堆两侧局部发生风蚀,其它部位以积沙为主;在植被遭受严重破坏的重度沙漠化区域,除沙堆中上部外的大部分地表均以严重风蚀为显著特点。不同程度沙漠化地表植被状况和蚀积特征描述见表1

表1 不同植被类型中柽柳灌丛沙堆地表蚀积特征描述 Table 1 The description of Tamarix ramosissima nebkha surface erosion feature in different vegetation types
植被与土地类型 Vegetation and land type植被特征描述 Vegetation characteristics description沙堆形态 Sand dune morphology沙堆-丘间地系统蚀积强度与分布 The intensity of erosion and distribution in sand dune-interdune system
疏叶骆驼刺群落(轻度沙漠化土地) Alhagi sparsifolia (Slight sandy desertification)植被盖度30%左右,以疏叶骆驼刺为主,灌丛沙堆稀疏散布呈半球体状地表以微弱积沙过程为主,受降尘影响表层土壤物质组成细化;灌丛下普遍积沙,年累积积沙厚度< 1 cm;沙堆边缘和丘间地积沙,累积积沙厚度<2 cm
疏叶骆驼刺-多枝柽柳群落 (中度沙漠化土地) Alhagi sparsifolia-Tamarix ramosissima (Moderate sandy desertification)植被盖度15%—20%左右,以疏叶骆驼刺和柽柳灌丛为主,伴随有少量花花柴分布呈半椭球体状,顺风向拉伸灌丛下呈积沙状态,年积沙厚度<1 cm;沙堆迎风坡边缘风蚀,年风蚀深度为1—3 cm;丘间地微弱侵蚀,年累计风蚀深度<1 cm;沙堆背风坡及风影区呈积沙状态,年积沙厚度<3 cm
多枝柽柳-疏叶骆驼刺-花花 柴群落(重度沙漠化土地) Tamarix ramosissima-Alhagi sparsifolia-Karelinia caspic (Severe sandy desertification)植被盖度10%,以柽柳灌丛为主,柽柳沙堆丘间地稀疏分布有疏叶骆驼刺和花花柴呈半椭球体状,出现顺风向拉伸的风影沙尾灌丛下呈积沙状态,年积沙厚度1 cm左右;沙堆迎风坡风蚀,年风蚀深度>2 cm;丘间地发生侵蚀,年侵蚀深度为3—5 cm;沙堆两侧丘间地出现5—7 cm的风蚀深度;沙堆背风坡及风影区积沙,年累积积沙厚度<5 cm
多枝柽柳群落 (严重沙漠化土地) Tamarix ramosissima (Very severe sandy desertification)植被盖度<5%,大面积流沙地表,稀疏散布有柽柳灌丛沙堆,沙堆周边有植物残根出露圆锥体状,伴随明显的风影沙尾灌丛下呈积沙状态,年积沙厚度<3 cm;沙堆边缘、丘间地及风影区呈强烈风蚀状态,年累积风蚀深度>5 cm,局部位置可出现7—9 cm的风蚀,最大的风蚀深度达到20 cm;受风蚀影响地表组成物质粗化迹象明显
2 研究方法 2.1 实验设计

基于大范围野外调查,在策勒绿洲西部过渡带确定4种不同植被类型的典型样地,各样地分别选择一个大小适中、相对独立的柽柳灌丛沙堆。其中,沙堆A位于植被盖度为30%左右的疏叶骆驼刺群落中,沙堆B位于植被盖度为15%—20%左右的疏叶骆驼刺-多枝柽柳群落中,沙堆C位于植被盖度为10%的多枝柽柳-疏叶骆驼刺-花花柴群落中,沙堆D位于植被盖度<5%的多枝柽柳群落中。根据主风向、沙堆部位及蚀积分布状况,将各灌丛沙堆-丘间地划分为4个部位,依次为沙堆灌丛下(Under shrub)、沙堆边缘区(Margin of nebkha)、沙堆风影区(Leeward shadow)和丘间地(Interdune)。其中沙堆灌丛下包括1、2、3、4、5号共5个采样点,沙堆边缘区包括6、8、9号共3个采样点,沙堆风影区包括7、11、14号共3个采样点,丘间地包括10、12、13、15、16、17、18号共7个采样点(图1)。

图1 土壤采样点位置 Fig.1 The location of soil sampling 灌丛沙堆:是指丛下积土的范围;灌丛下:是指灌丛基部分布(或影响)范围
2.2 土样采集

各样点分0—10 cm和10—20 cm两层取样。将直径50 mm、高100 mm的环刀垂直压入土中,使环刀与土壤表层相平齐,用环刀托取出环刀后将土样装入自封袋,每个样点土样为3次环刀取样混合而成。10—20 cm土样采集时,用铁锹铲去表层10 cm厚土壤,按相同方法采集10—20 cm的土样。所有土样带回实验室进行测试和分析。

2.3 指标测定

将各土样过0.5 mm的筛子,称取枯落物的重量,根据环刀尺寸计算沙堆各部位枯落物百分含量。过筛后的土样全部送实验室进行有机质、全N、全P、全K、速效N、速效P和速效K共7个指标的测定。有机质采用重铬酸钾法测定,全氮采用凯氏法利用FOSS全自动定氮仪测定,全磷用DU800紫外分光光度计测定、全钾用火焰光度计测定,速效氮用碱解扩散法测定,速效磷用钼锑抗比色法测定,速效钾用中性醋酸铵浸提法测定。

2.4 数据分析

用SPSS 21.0软件对各项指标进行描述统计分析和数据正态性检验(one sample Kolomogorov-Semimov,即K-S检验)。对同一灌丛沙堆不同部位之间以及不同沙堆相同部位之间的枯落物含量及土壤养分各指标数据进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD),并用Excel软件进行分析和作图。

3 研究结果 3.1 枯落物含量变化规律

随着植被盖度的下降,0—10 cm土层枯落物含量总体呈降低的趋势,而沙堆不同部位降低幅度又有不同(图2)。对于沙堆灌丛下部位,沙堆A枯落物含量为2.21%,到沙堆D降低至0.94%,降幅达到57%;对于沙堆边缘区,沙堆A枯落物含量为1.16%,至沙堆D则降低到0.38%,降幅达到67%;对于丘间地,枯落物含量在沙堆A为0.53%,到沙堆D则降至0.13%,最大降幅为75%;对于沙堆风影区,则从沙堆A的0.5%降至沙堆D的0.11%,最大降幅为78%。就单个沙堆不同部位而言,沙堆枯落物含量以灌丛下最大,其次为沙堆边缘区,丘间地和风影区较差,其中沙堆灌丛下显著高于其它3个部位。将4个沙堆丘间地枯落物与灌丛下相比,沙堆A、B、C和D的降幅依次为为77%、81%、91%和81%。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层枯落物含量普遍降低,降幅为40%左右,其中灌丛下变化最为明显。无论是不同沙堆间还是同一沙堆不同部位间,10—20 cm土层与0—10 cm土层相比,均具有相对一致的变化趋势。

图2 土壤枯落物含量变化规律 Fig.2 The changes of soil litter content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区 Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆
3.2 土壤有机质含量变化规律

随着植被盖度的下降,0—10 cm土层有机质含量总体呈逐渐降低的趋势,而沙堆不同部位降低幅度又有不同(图3)。对于沙堆灌丛下部位,沙堆A有机质含量为4.67 g/kg,到沙堆D降低至2.26 g/kg,降幅达到52%;对于沙堆边缘区,沙堆A有机质含量为3.62 g/kg,至沙堆D则降低到2.31 g/kg,降幅达到36%;对于丘间地,有机质含量在沙堆A为2.50 g/kg,到沙堆D则降至1.93 g/kg,最大降幅为23%;对于沙堆风影区,有机质含量先降低后升高,最小值位于沙堆C,含量为1.93 g/kg。就单个沙堆不同部位而言,沙堆有机质含量以灌丛下最大,其次为沙堆边缘区和风影区,丘间地最小,其中沙堆灌丛下显著高于其它3个部位。与0—10 cm土层相比,沙堆A、B、C各部位10—20 cm土层有机质含量普遍降低,其中以灌丛下和沙堆边缘两部位比较明显,平均降幅分别为23.3%和30.75%。沙堆D各部位10—20 cm土层较0—10 cm有所增加,平均增幅为9.66%。无论是不同沙堆间还是同一沙堆不同部位间,10—20 cm土层与0—10 cm土层相比,差异显著性较枯落物含量均有减弱。

图3 土壤有机质含量变化规律 Fig.3 The changes of soil organic matter content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆
3.3 土壤全N、全P、全K含量变化规律

随着植被盖度的下降,0—10 cm土层土壤全N和全K含量在灌丛下、沙堆边缘、丘间地3部位呈逐渐降低的趋势,而不同部位降低幅度又有不同(图4图5图6)。对于沙堆灌丛下部位,沙堆A全N和全K含量分别为0.26 g/kg和16.27 g/kg,到沙堆D分别降低至0.13 g/kg和14.73 g/kg,降幅分别为50%和9.4%;对于沙堆边缘区,沙堆A全N和全K含量分别为0.20 g/kg和15.94 g/kg,至沙堆D则降低到0.14 g/kg和14.53 g/kg,降幅为30%和8.8%;对于丘间地,全N和全K含量在沙堆A分别为0.15 g/kg和15.39 g/kg,到沙堆D则降至0.11 g/kg和14.33 g/kg,降幅分别为26%和6.8%。对于沙堆风影区,全N含量先降低后升高,最小值位于沙堆B,含量为0.12 g/kg,沙堆D大于沙堆B和沙堆C。全K含量先升高后降低,最大值位于沙堆B,含量为16.22 g/kg。从沙堆A→沙堆B→沙堆C→沙堆D,0—10 cm土层土壤全P含量变化趋势不明显。就单个沙堆不同部位而言,沙堆A在灌丛下全N和全P含量与其它三部位之间具有显著差异,沙堆B、C、D 各部位之间差异不显著,4个沙堆各部位全N和全K含量最小值均位于丘间地。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层全N和全P含量有所降低,平均降幅分别为25%和4.5%,土层全K含量略有增加,平均增幅为4.8%。无论是不同沙堆间还是同一沙堆不同部位间,10—20 cm土层与0—10 cm土层相比,土壤全N、全P、全K含量具有相对一致的变化趋势。

图4 土壤全氮含量变化规律 Fig.4 The changes of soil total nitrogen content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区 Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆

图5 土壤全磷含量变化规律 Fig.5 The changes of soil total phosphorus content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆

图6 土壤全钾含量变化规律 Fig.6 The changes of soil total potassium content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆
3.4 土壤速效N、速效P、速效K含量变化规律

随着植被盖度的减小,0—10 cm土层土壤速效N含量在灌丛下和沙堆边缘两部位呈先减小后增大的趋 势,丘间地和风影区两部位呈先减小后增大再减小的趋势(图7图8图9)。土壤速效P含量总体呈先减小后增大的规律,沙堆A 4个部位速效P含量均大于其它3个沙堆。土壤速效K含量总体呈逐渐降低的趋势,而沙堆不同部位降低幅度又有不同。对于沙堆灌丛下部位,沙堆A土壤速效K含量为473.9 mg/kg,到沙堆D降低至311.31 mg/kg,降幅达到34.3%;对于沙堆边缘区,沙堆含量为402.5 mg/kg,至沙堆D则降低到272.84 mg/kg,降幅达到32.21%;对于丘间地,速效K含量在沙堆A为287.49 mg/kg,到沙堆D则降至235.72 mg/kg,降幅为18%;对于沙堆风影区,则从沙堆A的316 mg/kg降至沙堆D的273.9 mg/kg,降幅为13.32%。就单个沙堆而言,沙堆C灌丛下土壤速效N含量与丘间地、风影区两部位之间具有显著差异,其余沙堆各部位之间没有显著差异。土壤速效P含量4个沙堆4个部位之间均没有显著性差异。4个沙堆从灌丛下→沙堆边缘→丘间地→风影区速效K含量大体呈先减小后增大的趋势,最小值位于丘间地。

图7 土壤速效氮含量变化规律 Fig.7 The changes of soil available nitrogen content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区 Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆

图8 土壤速效磷含量变化规律 Fig.8 The changes of soil available phosphorus content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区 Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆

图9 土壤速效钾含量变化规律 Fig.9 The changes of soil available potassium content (mean±S.E.) Different lowercase letters indicate significant statistical differences(P< 0.05); U: 灌丛下Under shrub; M: 沙堆边缘Margin of nebkha; I: 丘间地Interdune; L: 风影区 Leeward shadow; A、B、C和D依次代表植被盖度为30%、15%—20%、10%和<5%的典型样地内所选的柽柳灌丛沙堆

与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层土壤速效N含量明显增加,而沙堆不同部位增加幅度又有不同。对于沙堆灌丛下部位,0—10 cm土层速效N平均含量为36.75 mg/kg,到10—20 cm土层增加至47.5 mg/kg,增幅达到29.25%;对于沙堆边缘区,0—10 cm土层含量为35 mg/kg,至10—20 cm土层增加到75 mg/kg,增幅达到114%;对于丘间地,0—10 cm土层含量为45 mg/kg,到10—20 cm土层增加至97.25 mg/kg,最大增幅为116%;对于沙堆风影区,则从0—10 cm土层的46.5 mg/kg增至10—20 cm土层的118.25 mg/kg,最大增幅为154%。10—20 cm土层速效N含量,在4个沙堆均表现出从灌丛下→沙堆边缘→丘间地→风影区土壤逐渐增大的趋势。土壤速效K含量也有所增加,平均增幅为12.06%,其中以丘间地增加比较明显,增幅为22%。土壤速效P含量略有降低,平均降幅为2%,其中沙堆A降低比较明显,降幅为11.4%。不同沙堆间土壤速效P含量与0—10 cm土层相比,具有相对一致的变化趋势。

4 讨论

本项研究发现,随着植被盖度的降低,沙堆各部位枯落物及有机质含量呈降低趋势,这主要是由于植被覆盖条件和风沙活动相互作用的结果。杨东亮等人[30]对研究区典型下垫面风沙活动的详细研究发现,骆驼刺群落分布区风沙活动强度明显比其它区域弱,一方面植被条件较好会产生较多的枯落物覆盖地表,另一方面风沙活动弱,致使枯落物和有机质能够在灌丛下大量的累积。随着植被条件变差,对风力的阻滞作用减弱,风沙活动强度增加,地表由积沙状态变为风蚀状态,势必造成枯落物和有机质累积量的减少,肥岛效应趋于消失。

有学者[31,32,33,34,35,36]对柽柳灌丛沙堆表面压力及流场分布特征研究发现,沙堆表面风蚀主要发生在沙堆迎风坡及两侧区域,而沙堆背风区域和灌丛保护的沙堆顶部是积沙发生的主要区域。本项研究发现就单个灌丛沙堆而言,枯落物和有机质含量以灌丛下最大,其次为沙堆边缘,再次为风影区和丘间地,这与沙堆各部位的蚀积状况相对应。土壤有机质、全N、全K、速效K含量与枯落物含量表现出相同的变化趋势,说明枯落物是该研究区表层土壤养分的主要来源,枯落物的累积对养分的富集有很大的影响。土壤有机质、全N、全K、速效P、速效K含量最大值都位于灌丛下部位,这除了枯落物分解的贡献外,还与灌丛对风速的降低和降尘的捕获有关。灌丛沙堆4个部位土壤有机质、全N、全P、全K、速效K含量的最小值都位于丘间地,主要是由于丘间地风蚀作用较强烈,致使土壤细粒物质和养分流失。

随着植被盖度的降低风蚀作用普遍增强,在重度沙漠化区域表现最为强烈,沙物质处于频繁的交换状态[15],所以本研究发现沙堆D土壤各养分指标4个部位之间没有显著性差异。Li 等[37]研究发现直径小于50 um的土壤微粒含有较高的有机碳和全氮,本项研究中灌丛沙堆风影区部位沙物质主要以沉积为主,细粒物质最容易在此部位沉积,灌丛沙堆土壤有机质、全N、全P、速效N、速效P、速效K含量从灌丛下→沙堆边缘→丘间地→风影区表现出先减小后增大的趋势。由于沙堆D所在区域风沙活动频繁,导致灌丛沙堆沙物质也处于频繁的交换运移状态,灌丛沙堆10—20 cm土层有机质、全N、速效N、速效P、速效K含量相比0—10 cm土层各部位之间差异性明显减弱。

在生物过程与非生物过程的交互作用下,干旱区土壤资源具有较强的空间异质性,肥岛现象正是这种异质性的充分体现[38]。生物作用大于非生物作用是荒漠生态系统中土壤资源在灌丛下富集的重要原因[39]。本研究表明,在植被覆盖较好的条件下,灌丛植物对降尘的捕获、对风速的明显降低,致使枯落物和有机质累积。随着植被的大量破坏,沙漠化程度加剧,非生物作用大于生物作用时肥岛现象则趋于消失。本项研究沙堆D养分含量的变化规律都证实了这种说法。

荒漠化土壤养分的变化是荒漠化过程中能流、物流中的重要一环[11]。土壤养分的供给与植物生长之间的平衡关系决定了生态环境演化的过程,荒漠化过程是这种平衡关系被破坏的表现。在脆弱的生态环境中,土壤养分与植被之间存在着密切的联系,土壤养分的变化直接影响荒漠化的程度与发展[40]。有学者研究指出长期的放牧会引起水分、氮及其他土壤资源的异质性,这种异质性会促进荒漠灌木的入侵,导致土壤资源在灌木下的长期累积,灌丛间裸地的土壤则因侵蚀而流失,这种物理与生物的双重作用导致灌丛岛的形成,同时会导致土地退化[16,41]。李新荣[42]研究发现灌木的定居会引起土壤资源的空间异质性变化,在流动沙地的恢复治理过程中可以利用这一原理打破流动沙地质地均一、养分贫瘠的特点,将有限的资源集中在灌木丛下,促进灌木的生长从而实现流沙地的固定。这也是在荒漠化治理过程中选择旱生灌木种作为先锋植物的原因。本项研究发现在策勒绿州沙漠过渡带荒漠化过程中,随着植被盖度的降低,风沙活动不断加剧,致使养分呈现有的这种分布规律,但是这种养分的分布对该研究区的植被将产生怎样的影响有待进一步的研究。

5 结论

(1)随着植被盖度的降低,灌丛沙堆表层0—10 cm各部位土壤枯落物和有机质呈降低趋势,平均降幅为69.3%和37.0%。就单个灌丛沙堆而言,枯落物和有机质含量以灌丛下最大,其次为沙堆边缘和风影区,丘间地最小。10—20 cm土层枯落物和有机质含量相对于0—10 cm土层明显降低,平均降幅为40.0%和27.0%,沙堆各部位之间的差异显著性均有减弱,但两个土层的变化趋势保持一致。

(2)随着植被盖度的降低,灌丛沙堆表层0—10 cm土壤全N含量在灌丛下、沙堆边缘、丘间地三部位呈逐渐降低的趋势,平均降幅为50.0%、30.0%和26.0%。在沙堆风影区全N含量呈先降低后升高的趋势。灌丛沙堆土壤全K含量呈降低趋势,平均降幅为8.3%。土壤全P含量没有明显的变化趋势。就单个灌丛沙堆而言,全N、全K含量以灌丛下最大,其次为沙堆边缘和风影区,丘间地最小。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层全N和全P含量有所降低,平均降幅为25.0%和4.5%,土层全K含量略有增加,平均增幅为4.8%。但两个土层的变化趋势保持一致。

(3)随着植被盖度的降低,灌丛沙堆表层0—10 cm土壤速效N和速效P含量各部位大体呈先减小后增大的趋势,各部位之间没有显著的差异性,土壤速效K呈降低趋势,灌丛下、沙堆边缘、丘间地和风影区各部位的降幅为34.3%、32.2%、18.0%、13.3%。与0—10 cm土层相比,10—20 cm土层土壤速效N和速效K含量明显增加,平均增幅为103.3%和12.1%,风影区速效N含量明显高于其他3个部位。土壤速效P含量略有降低,平均降幅为2%。

(4)在荒漠绿洲过渡带,轻度沙漠化和中度沙漠化区域,灌丛的生物反馈作用使得灌丛下部位具有明显的养分富集效应,但随着植被总盖度的降低,风沙活动不断加剧,导致养分富集效应逐渐减弱,肥岛效应消失。

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