内蒙古阴山北麓低山丘陵草原区域不仅是内蒙古重要的生态屏障,更是当地农牧民生产和生活资料的来源,支撑了当地经济的可持续发展,其生态功能的正常发挥对区域乃至整个北方地区的发展有着不可替代的作用。一定时间的围封能够帮助退化草原恢复至一个近自然的状态^[1],从而有效降低土壤风蚀率及风蚀量^[2]。黄蓉^[3]等对围封草地群落结构及多样性的研究发现,在围封的过程中,植被盖度的变化尤为显著且会对区域生态系统产生重要的影响。在常年围封后,干旱及半干旱区草地的群落特征也会出现一定的波动,草地植被为了适应环境不断进行自我调节^[4]、生物量、盖度、高度发生显著变化^[5]。由于草地生态系统本身的复杂性和放牧历史、环境因子等的迭加作用,退化草地群落围封后出现3种可能的演替模式,即单稳态模式、多稳态模式和滞后模式,使得围封对草地出现两面性,正面及负面^[6]。这种负面作用,可能使草地由植被繁茂、分布均一的草地,逐渐转变为带有少量植被稀疏、低矮的斑块草地^[7],在长期风力侵蚀的作用下,地表呈现粗粒化。

地上植被与地下土壤之间关系密切^[8],土壤含水量、粘粉粒等与物种丰富度指数、植被盖度等呈显著正相关关系^[9],且与地表的粗糙度紧密相连,是生态学上的重点研究领域^[10]。当地表细颗粒物质在缺乏植被的有效保护下,逐步分移出去,致使地表出现粗粒化现象,土壤颗粒粒度分布发生变化^[11]。目前,采用土壤颗粒分形特征对土壤粒度特征进行拓展研究应用较广,土壤颗粒分形维数不但能够表征土壤粒径的大小组成,对于土壤质地、土壤肥力以及土壤通透性等也能够很好的反映^[12-13]。并且利用土壤粒径的体积分布描述土壤颗粒的分形维数的研究已经比较完善了,结果精准简单,表征性强。因此利用分形维数,结合土壤颗粒机械组成能够有效说明土壤粗粒化现象^[14]。因此,在草地围封多年后,且达到近自然状态时,通过对不同植被盖度下土壤粒度特征的研究,对于揭示近自然状态下草地表层风蚀特征有重要意义。

本研究以内蒙古希拉穆仁草原为研究对象,通过对围封13a的草原地表覆盖度、分形维数、土壤粒度参数的测定,分析了在草原恢复到近自然状态之下后不同植被盖度之下的土壤风蚀粗粒化情况及特征。为该区域草原进行合理的开发、放牧以及制定可行的围封禁牧策略提供一定的依据,确保当地草地生态、经济平衡的可持续利用。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验地位于内蒙古自治区达茂旗希拉穆仁草原(111°00′—111°20′ E、41°12′—41°31′ N)。该区域属中温带半干旱大陆性季风气候,年平均降雨量约281 mm,多集中于夏季,冬季寒冷干燥;年平均风速为4.5 m/s,年大风日数为65 d,风沙天气多发于春、冬两季。希拉穆仁草原以风蚀为主,伴有水蚀,为风水复合侵蚀区。风蚀和水蚀的交替作用造成地表水土流失和地表颗粒粗化,是当地土壤退化的主要表现形式。土壤质地主要为砂质壤土,土壤养分含量较低,该区域的主要建群种植物为克氏针茅(Stipa krylovii),草地群落以羊草(Leymus chinensis )+克氏针茅为主,冷蒿(Artemisia frigida )、银灰旋花(Convolvulus ammannii Desr.)、赖草(Leymus secalinus )等分布的范围也较广,零星分布的有阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus )等,植被类型呈现为典型草原特征。受旅游业的破坏性扩张以及挖矿等人为强力扰动,该区域草地严重退化。2002年开始围封,完全排除放牧等人为干扰,至2015年已围封13a,围封面积达到133hm²。

1.2 样地选择和样品采集

为了研究希拉穆仁草原围封区不同盖度草地在自然风蚀状态下的特征,2015年8月16日—18日,选择围封13a的草地,对植物和土壤进行取样。8月份是植被生长累积的高点,生物量达到最大,也是草地生态功能发挥最大的时候^[15]。半干旱区的希拉穆仁草原在围封过程中,经过多年演替,植被为了适应环境进行自我调节,在空间分布上呈现出斑块状分布格局^[16],在干旱区及半干旱区是一种比较常见的且相对稳定的植被生存形式^[17-18]。因此在围封区域内,按照植被盖度约为0%,5%,20%,40%,60%,80%,100%,选取地势平坦、立地条件基本相似的30 m×30 m典型取样区,每种盖度的取样区布设3个重复,每个取样区内布设5个草本样方,样方面积为1 m×1 m。采用计数法获取每种的株数,用直尺测量每种植物的高度。将样方内植物地上部分全部刈割,活体部分、立枯以及地上凋落物分装于信封中,现场称量鲜重,并带回实验室,在80℃条件下烘干至恒重,分别称量其干重。

完成地上群落的调查后,在相应位置挖取土壤剖面,首先将0—5 cm分为0—1;1—3;3—5 cm 3层取样,用于分析土壤表层的粗粒化程度;其次,按照0—5;5—10;10—20;20—30 cm分层,20—30 cm将用于证明样地在围封前无差异性。采用钢制环刀进行取样,带回实验室阴干备用。采用烘干法测量容重;采用Mastersizer 3000激光粒度分析仪分析其土壤粒度组成。

1.3 研究方法 1.3.1 重要值及植被群落多样性指数

植被群落多样性指数采用Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数进行分析,其公式如下^[19]:

(1) Shannon-Wiener多样性指数:

式中,N_i为样方中第i种植物的重要值;N为样方植物重要值总和。

(2) Simpson优势度指数:

(3) Pielou均匀度指数：

1.3.2 粒度参数

根据美国土壤质地分类系统,将土壤粒径分为以下7个级别：0—0.002 mm,0.002—0.05 mm,0.05—0.1 mm,0.1—0.25 mm,0.25—0.5 mm,0.5—1 mm,1—2 mm,2—2.85 mm。

(1) 土壤颗粒体积分形维数

大量的研究表明,土壤颗粒也同样具有分形特征,D_v可以作为一个反映土壤的粒级组成和质地信息的函数^[20],运用分形理论建立土壤颗粒的分形模型,其分形维数的表达式为^[21]：

式中,R_i为两筛分粒级R_i与R_i+1间粒径的平均值,R_max为最大粒级土粒的平均直径,V(r＜R_i)为小于R_i的累积土粒体积。V_t为土壤各粒级体积的总和。

在计算不同盖度下各层土壤颗粒的体积分形维数时,获得两边的对数值,利用origin8.0对其进行线性拟合,得到拟合直线的斜率3-D_v,从而求得土壤颗粒的分形维数。

(2) 土壤粒度参数计算公式^[22]

1) 粒径采用Ф标尺表示,Ф=-log₂d,式中d为以mm计算的颗粒直径。

2) 中值粒径(d₅₀),是指对应于体积百分数为50的粒径。

3) 平均粒径(d₀)=1/3(Ф₁₆+Ф₅₀+Ф₈₄),反应沙物质粒度的平均情况。

4) 峰态(K_g)=(Ф₉₅-Ф₅)/2.44(Ф₇₅-Ф₂₅)

5) 各样地土壤粒度累积频率间平均距离：

式中,p为某一样地土壤粒度累积频率;p为7个样地土壤粒度累积频率平均值;k-1为自由度,k=7。

1.4 数据与分析

利用excel进行数据的初步整理,采用SPSS 17.0软件进行单因素方差分析对各个样地上植物的各项指标进行差异性检验。植被特征和生物量、土壤颗粒分形维数、容重采用one-way ANOVA方法进行单因素方差分析,并对其进行LSD方法多重比较、Pearson相关系数相关分析,最后利用origin 8.0进行数据作图分析。

2 结果与分析 2.1 地上植被变化特征 2.1.1 植被覆盖状况

从表 1中可以看出,在经过13a的围封之后,该区域草地已经恢复至一个近原生群落类型^[23],随着植被盖度的变化,样方中植被优势种从羊草、赖草变化到以克氏针茅再到克氏针茅、冷蒿为优势种的草地类型,呈现出典型草原在自然状态之下的一种演替形态。

不同盖度之下,草地地上群落生物量及枯落物变化显著(P＜0.05)。随着盖度的降低,生物量、枯落物呈显著降低趋势。但5%与20%盖度下,生物量、枯落物无显著差异。以40%为界限值,出现生物量、枯落物的急剧降低。经调查,植被盖度在100%时,出现的植物种为13种,主要有羊草、赖草等。随着植被盖度的降低,羊草、赖草等优势建群种不再出现,具有指示草地退化的银灰旋花、冷蒿等开始出现,冷蒿在样方中所占比重逐渐增大,银灰旋花在盖度为40%中的重要值达到最大,狼毒(Euphorbia fischeriana Steud.)等适口性差的植物的重要值在盖度较低的样方中比重也逐渐增大。

2.1.2 植被多样性的变化特征

在多年围封状态下,草地植被盖度对研究区草原植物群落多样性、均匀度及优势度有影响较大。Shannon-Wiener指数综合了均匀度和丰富度,是表述物种多样性最好的指数。由表 2可知,随着草地盖度的降低,植被的多样性、优势度指数及均匀度指数均呈现出现增加后降低的趋势。说明当草地盖度在60%—40%时,物种的多样性最高,群落组成最为复杂,且稳定性最高。而植被覆盖度达到全覆盖时,其Shannon-Wiener指数反而较其他盖度低,说明近原始状态下植被覆盖度过高会造成群落组成单一、稳定性降低。以40%、20%的盖度为界限值,物种多样性指数、优势度指数以及均匀度指数出现中间高、两边低的趋势。在40%盖度及20%盖度时,优势度指数相对更高,表明该盖度条件下优势种明显,而该盖度范围以冷蒿具有明显的优势。由此可知,由盖度100%至5%,去除0%条件下,当盖度为100%时,3个多样性指数均为最低值,说明该区域植被覆盖并不是越大越好,植被盖度过高反而会减低群落的结构稳定性。由40%、20%盖度可知,在这两者盖度之下,物种分布均匀,结构稳定,且多样性为指数为最高的植被覆盖度。

2.2 不同盖度土壤颗粒的分形维数表现特征

从表 3的数据上看,不同盖度下底层土壤分形维数差异不显著(P＜0.05)。因为随着盖度的增加,底层土壤颗粒的分形维数减幅并不明显,在利用origin 8.0对不同盖度之下的20—30层土壤颗粒的分形维数进行单因素方差分析,结果显示底层土壤分形维数无显著差异。即在不同盖度之下,各样地在退化围封前具有相近的生境条件,拥有相似的母质层。

植被覆盖度对表层土壤的分形维数有显著影响,随着盖度的降低,表层土壤颗粒出现粗粒化现象(P＜0.05)。利用origin8.0对不同盖度之下的0—1、1—3、3—5 cm土壤颗粒的分形维数进行单因素方差分析,结果呈显著相关,差异显著,且这3层之间亦有显著的差异。由于分形维数与土壤粘粒和粉粒含量呈显著正相关关系,与砂粒含量呈负相关关系。因此在盖度增加后,分形维数呈逐渐增大的趋势。说明,研究区植被盖度下分形维数缓增,土壤中细颗粒物质含量也在不断增加,土壤经历着一个逐渐细化的过程。表层无植被或是少植被时,分形维数相对较低,说明这些盖度的表层出现了粗粒化的现象。从垂直土层维度来看,100%盖度下,0—1、1—3、3—5cm与20—30cm土层的分形维数无差异,80%及60%盖度下3—5cm土层的分形维数与底层有显著差异,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐渐下降趋势(P＜0.05);40%、20%及5%盖度下的呈现出波动性变化; 当无植被时,0—1、1—3、3—5 cm之间无差异,与20—30 cm有差异性,且由0—1 cm至3—5 cm逐渐降低。

2.3 表层土壤粒度参数特征

盖度与风蚀之间有一定的关联,盖度的增加能够减弱土壤颗粒的粗粒化。从水平盖度分布不同、垂直土层深度两个维度进行评判土壤表层风蚀粗化的程度。随着植被覆盖面积的降低,土壤的平均粒径0—1、1—3、3—5 cm呈现出不断粗化的趋势,裸沙地的平均粒径最粗,植被覆盖度大于60%及以上的较细。0—1 cm层颗粒粗化速率在盖度为20%至5%、0%的速率最大,平均为28.5%,1—3、3—5 cm粗化在盖度5%时有所降低。平均粒径在垂直分布上,颗粒大致上呈现出由0—1 cm表层往下逐渐细化,但整体不明显。

由图 1曲线图可知,7个不同植被覆盖度土壤粒度累积频率之间的平均距离的最大值出现在1 mm处左右,说明表层整体差异在1 mm时较大。由图 1的柱状图可知,样地中土壤小于1 mm粒度组分随着盖度的降低,呈现出逐渐下降的趋势,表层>1 mm的粗颗粒逐渐增多,增加拟合曲线为Y=0.86x²-1.5x+13.27(R²=0.82)。

由图 2曲线图可知,7个不同植被覆盖度土壤粒度累积频率之间的平均距离的最大值出现在0.25 mm处。由其柱状图可知,样地中以盖度为横坐标,土壤小于0.25的细颗粒呈递减趋势,大于0.25 mm的粗颗粒逐渐缓增。由>0.25 mm的拟合曲线可知,R²=0.87拟合效果较好,粗颗粒增加的斜率为3.4,增加率较高。1—3 cm土层的粗颗粒表现为由0—1 cm土层的1 mm累积间距最大值降低到0.25 mm。

由图 3可知,7个不同植被覆盖度土壤粒度累积频率之间的平均距离的最大值出现在0.1 mm处左右。由图 3的柱状图可知,样地中土壤大于0.1 mm粒度组分随着盖度的降低,呈现出逐渐增加的趋势。比较与0—1、1—3 cm土层,土壤颗粒累积差异在0.1 mm处出现明显的差异,土层越深,整体粗粒的粒径更细。

将表层0—5 cm的土层细分为0—1、1—3、3—5 cm后,由以上数据可知,不同植被盖度下整体粒度累积频率差异分别出现在1 mm处、0.25 mm处及0.1 mm,以石砾、粗砂粒、极细沙粒为代表,说明土壤表层的粗粒化程度更加明显。以0—1cm土层为例,在盖度遮蔽的作用下,细颗粒物质逐渐增加;在盖度>40%时,粗颗粒的增加幅度为5.63%。当植被盖度＜40%后,粗颗粒的增加幅度达到11.78%。因此,植被盖度对颗粒的保护作用非常大。

2.4 土壤容重与植被覆盖度之间的关系

土壤容重在一定程度上,能够表征影响土壤结构状况。对植被盖度与表层土壤容重进行相关性分析(图 4)。土壤容重与植被盖度之间呈极显著负相关(r=-0.964,P＜0.001)。从图中可看出,随着草地盖度的不断增加,土壤容重逐渐降低,即草地在围封多年后,土壤的肥力、结构等逐渐的恢复趋近一个原生的状态,同时草地的抗蚀能力显著增加。

3 讨论

谢贤健^[24]等研究了蒋家沟泥石流频发区,在草地覆盖度不同时,由于粒径分布的差异性,其草地分形维数表现为：低盖度草地>高盖度草地>中盖度草地。在本研究中发现,随着草地盖度的降低,土壤表层分形维数随之下降,两者呈正相关关系,底层土壤20—30 cm分形维数无显著差异。主要原因是两地土壤类型有所差异,研究区草地土壤类型为砂质壤土。大量的研究表明,土壤颗粒分形维数能够很好的反应土壤质地,其中分形维数与中粗沙含量、细沙含量呈显著负相关,与粉粒及粘粒含量呈显著正相关,且能够重点反应粘粒的含量^[25-27]。相同植被盖度对于分形维数的影响,从垂直土层维度来看,100%盖度下,0—1、1—3、3—5 cm与20—30 cm土层的分形维数无差异,80%及60%盖度下3—5cm土层的分形维数与底层有显著差异,且由0—1 cm至1—3 cm呈逐渐下降趋势(P＜0.05),说明在长时间围封后,高覆盖植被盖度对于土壤的恢复已经达到了完善的效果,且已经完全恢复,与闫玉春等人对草地围封时间的探究一致^[6]。而40% 20%及5%盖度下的变化差异一致,呈现波动性变化;当无植被遮蔽时,0—1、1—3、3—5 cm之间无差异,与20—30 cm有差异性,并呈由土表至下层逐渐增加的趋势。在围封10年以上后,植被在演替过程中,土壤结构已经恢复,但是由于盖度的斑块状变化使得盖度较少的地表出现了风蚀的现象^{[17, 28]}。即相同盖度下垂直土层结构整体表现上说明,无论盖度面积为多大,围封对于草地土壤结构的恢复都起到了良好的作用。不同植被盖度与土壤颗粒分形维数之间的关系可以从正、负两个方向来分析,首先随着盖度的降低,分形维数逐渐降低,土壤质地逐渐变粗,在自然风的作用下,土壤表层粗颗粒物质增多,地表出现自然风蚀现象,当植被盖度为自然裸地时,地表粗粒化较有植被盖度时粗粒化更严重,为负方向。其次,随着植被盖度下分形维数的缓增,土壤中细颗粒物质含量也在不断增加、粗颗粒在减少,说明土壤经历着一个逐渐细化的过程,为正方向^[29]。即草原在禁牧围封的条件下,随着植被盖度的变化演替,地表粗粒化的现象明显。

通常,在土壤粗粒化研究方面,取表层0—10 cm土层进行研究^[11],本研究中取土方式更加精细,选择将表层0—5 cm的土层细分为0—1、1—3、3—5 cm进行取样分析。本研究中,发现在5%盖度下其1—3、3—5 cm平均粒径较20%盖度下低,可能和5%盖度下结皮较厚有关,因为结皮以下的土壤会有细化趋势^[30],但具体原因有待于进一步深究。在研究过程中发现,3层土壤颗粒分形维数出现显著差异且与植被盖度呈显著正相关关系,其粒度累积差异分别出现在1 mm处、0.25 mm处及0.1 mm,以石砾、粗砂粒、极细沙粒为代表,从土壤垂直分层上说明土壤表层的粗粒化由3—5、1—3 cm至0—1 cm处,逐渐变得明显,且0—1 cm处粗粒化最严重。从水平结构上来看,随着盖度的降低,以0—1 cm为例,土壤颗粒粒度分配1 mm颗粒与盖度拟合曲线Y=0.86x²-1.54x+13.3(R²=0.82),表层土壤粗颗粒逐渐增加,在盖度>40%时,粗颗粒的增加幅度为5.63%。当植被盖度＜40%后,粗颗粒的增加幅度达到11.78%。由此可见,围封后,植被盖度及不同土壤层次对颗粒的保护作用非常大,具有植被盖度的遮蔽保护时,表层土壤中的细粒物质得以保存和恢复,使得土壤结构逐步细化^[23]。

草地围封后,恢复趋势整体好转,植被盖度高于80%样地,优势种为羊草、克氏针茅等禾本科植物,群落较为稳定,但多样性指数低,与邵庆新等人对围封10a的典型草原的研究结果一致,且土壤质地较好,地表和底层土壤分形维数并无显著差异。但是,由于草地演替过程中,冷蒿、银灰旋花等退化指示种植物易聚集生长,使围封草地盖度呈现斑块化的状态^[7],从而导致植被稀疏。此时,在自然风蚀的过程中,地表植被较少或无的区域,其表层的细颗粒物质易被分选出去,致使地表颗粒粗粒化,引起土体风散、结构破坏等,从而导致容重也有所增加^[25]。

4 结论

希拉穆仁草原在围封15a后,达到一个近自然的状态,植被恢复良好,植被类型呈现为典型草原特征,以克氏针茅为优势种。围封后的草地地上植物群落发生明显的变化,随着植被盖度的递减生物量呈逐渐降低趋势,Shannon-Wiener指数、Simpson优势度指数均呈现出先升高后降低的趋势现象。在近自然状态下,该区域草地也会出现自然风蚀现象。围封多年的草地,地表因植被差异明显粗化,在垂直结构上表现为由3—5、1—3 cm土层至0—1 cm土层,土壤颗粒粗粒化程度加重,粗颗粒粒度累积差异分别出现在0.1、 0.25、1 mm,地表呈现出自然风蚀面貌。