陳 婧, 崔向新, 丁延龍, 王則宇, 劉宗奇, 石 濤

(1.內蒙古農業(yè)大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010018; 2.鄂爾多斯林業(yè)規(guī)劃設計院, 內蒙古 鄂爾多斯 017000; 3.內蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院, 呼和浩特 010010)

在干旱荒漠區(qū)植被—土壤生態(tài)系統(tǒng)中，研究灌木等植被引起的土壤養(yǎng)分的變化，對了解土壤養(yǎng)分動態(tài)變化，植被演替與種間競爭以及植被與土壤間的生態(tài)學效應有著積極的影響[1]。灌木等植被通過攔截空氣中的塵埃和自身凋落物及根部分泌等方式將灌叢周圍的土壤養(yǎng)分向灌叢中心聚集，從而改變灌木周圍土壤養(yǎng)分含量及結構的現(xiàn)象，稱為灌叢“肥島”效應[2-3]。近年來，圍繞“肥島”效應的形成機制、作用機理及時空變化特征展開了大量研究[4]。Fuhlendorf等[5]認為灌木下“肥島”效應的形成，對其自身的生存發(fā)展和恢復更新有著積極影響。也有研究表明干旱區(qū)“肥島”形成和發(fā)展與灌木擴散之間存在著反饋效應[6]。Schlesinger[7]認為灌叢群落“肥島”效應發(fā)展時間越長，土壤養(yǎng)分空間自相關越明顯，反之越弱。因此“肥島”效應被大量學者認為是天然草地退化以及干旱、半干旱環(huán)境荒漠化的重要標志[8]。

目前，干旱荒漠區(qū)生態(tài)恢復主要通過人工營建以灌木為主的防風固沙植被[9-10]，而對于本就植被稀少、貧瘠缺水、風蝕嚴重的荒漠化地區(qū)的土壤環(huán)境，灌木植物的這種“肥島”效應則可以通過自身和外界對土壤養(yǎng)分的積累使養(yǎng)分聚集到灌叢下，從而改變局部生態(tài)環(huán)境，使周圍植物生物量、植物組成、植物化學成分、土壤資源的空間分布格局發(fā)生變化，使灌叢下土壤養(yǎng)分升高，進而促進草本植被生長，因此荒漠區(qū)灌叢“肥島”效應是干旱荒漠區(qū)土壤養(yǎng)分高度異質性的表現(xiàn)，對于干旱荒漠區(qū)的植被恢復有著積極影響[11-13]。梭梭(Haloxylonammodendron)是一種典型的荒漠化灌木，多生長于干旱、半干旱地區(qū)，其由于具備良好的耐鹽堿、耐干旱、防風固沙及改良土壤的特性，成為優(yōu)良的干旱荒漠區(qū)防風固沙造林樹種，并在我國干旱荒漠地帶分布較廣[14-16]。因此本文選取烏蘭布和沙漠西南緣不同發(fā)育年限人工梭梭防護林為研究對象，分析不同發(fā)育年限人工梭梭不同部位及不同土層深度土壤養(yǎng)分含量差異及其根部及灌叢內外對土壤養(yǎng)分的富集程度，揭示不同林齡人工梭梭防護林土壤養(yǎng)分的“肥島”效應強度，從而發(fā)現(xiàn)梭梭林下土壤養(yǎng)分時空演變趨勢，旨在為干旱荒漠區(qū)人工梭梭防護林的合理建設及可持續(xù)發(fā)展，植被恢復及保護重建提供理論依據及科學支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在內蒙古自治區(qū)阿拉善盟吉蘭泰鎮(zhèn)，位于烏蘭布和沙漠西南緣，地理位置為105°35′—105°46′E，39°38′—39°49′N，海拔1 030～1 474 m。該地區(qū)屬于典型的大陸性干旱季風氣候，年均氣溫7.5～8.6℃，年均降水量為117.1 mm，且年內分布多集中于7—8月份，年潛在蒸發(fā)量為3 005.2 mm，該地區(qū)以西北風為主，年均風速3.7 m/s，多年平均揚沙日數>30 d。該區(qū)具有典型荒漠植被特點，主要荒漠植物種有梭梭、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、白刺(Nitrariatangutoum)等灌木、半灌木以及蘆葦(Phragmitesaustralis)、苦馬豆(Sphaerophysasalsula)、沙米(Agriophyllumpungens)、沙蒿(Artemisiarenaria)等草本植物。

2 材料與方法

2.1 樣地選取與土壤樣品采集

試驗于2018年7月初在研究區(qū)選擇通過植苗建立的不同生長年限(2，5，10，15，30 a)人工梭梭林為研究對象。在每種發(fā)育年限梭梭林中分別建立3個10 m×10 m的研究樣地，每個樣地間隔10 m。在每個樣地內選取地形特征、冠幅、株高、基徑等生長情況基本一致的3株梭梭，調查其生長指標，并對選好的梭梭以根部為中心按5，50，150 cm作為根部、灌叢內以及株間空地的取樣位置，向外延伸進行土壤樣品的采集(30 a梭梭為5，50，250 cm)，每株梭梭均按東南西北4個方位采集樣品并混合成一個樣品進行測定，每個方向設置取樣點3個，每棵植株共設置采樣點12個，每個采樣點按0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm土層深度進行取樣(圖1)。取樣梭梭生長發(fā)育狀況見表1。

注：A 不同營建年限梭梭；B 樣方布設示意圖；C 樣方剖面示意圖。
圖1 試驗樣地選取布設示意圖

表1 不同林齡人工梭梭的形態(tài)特征

注：不同小寫字母代表不同林齡同一指標差異顯著(p<0.05)。

2.2 樣品測定

土壤樣品取回后在實驗室內自然風干，除去殘留的枯落物后，研磨過2 mm篩待測。土壤有機質(Organic matter)采用重鉻酸鉀外加熱法測定，土壤堿解氮(Alkaline nitrogen)采用堿解擴散法測定，土壤速效磷(Available P)采用NaHCO3提取法測定，土壤速效鉀(Available K)采用NH4OAc浸提火焰光度法測定。

2.3 數據處理與分析

利用Excel對數據進行初步處理，數據分析在SPSS 17.0軟件下進行，采用Origin 2017進行作圖。人工梭梭根部、灌叢內、株間空地3個不同取樣部位土壤養(yǎng)分含量差異、不同土層深度土壤養(yǎng)分含量差異和不同林齡人工梭梭同一取樣部位土壤養(yǎng)分差異及其富集率差異均采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行比較；采用相關分析，分析人工梭梭土壤養(yǎng)分富集率與梭梭生長指標間的相關性。

利用富集率(enrichment ratio，E)來表征梭梭根部及灌叢內土壤養(yǎng)分的富集程度[17]。其中，植被根部土壤養(yǎng)分富集率分別為根部和株間空地土壤養(yǎng)分含量比值，表示為EA=A/C；灌叢內的土壤養(yǎng)分富集率分別為灌叢內和株間空地土壤養(yǎng)分含量比值，表示為EB=B/C，其中A，B，C分別為根部、灌叢內及株間空地土壤養(yǎng)分含量。

3 結果與分析

3.1 不同林齡人工梭梭土壤養(yǎng)分垂向分布特征

由圖2可知，土壤有機質及速效養(yǎng)分含量在不同林齡梭梭根部均表現(xiàn)為0—10 cm，10—20 cm顯著高于20—40 cm。整體來看，0—10 cm較10—20 cm土壤有機質平均高65.6%，堿解氮平均高71.3%，速效磷平均高71.0%，速效鉀平均高25.1%，10—20 cm較20—40 cm土壤有機質平均高17.6%，堿解氮平均高96.6%，速效磷平均高71.8%，速效鉀平均高10.5%，0—10 cm較20—40 cm土壤有機質平均高82.0%，堿解氮平均高228.2%，速效磷平均高172.7%，速效鉀平均高39.0%。其中，在2，5，10 a不同土層深度土壤有機質含量均表現(xiàn)出顯著差異，由大到小依次為0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm，其余林齡梭梭根部土壤有機質含量在0—10 cm與10—20 cm沒有顯著差異；灌叢內土壤有機質含量在5 a之后0—10 cm，10—20 cm顯著高于20—40 cm，其余林齡梭梭灌叢內土壤有機質含量均無顯著差異；株間空地土壤有機質含量除2 a和30 a各土層之間均表現(xiàn)出顯著差異外，其余林齡均為0—10 cm，10—20 cm含量顯著高于20—40 cm含量，0—10 cm含量與10—20 cm含量無顯著差異。梭梭根部土壤堿解氮含量在5 a之前表現(xiàn)出0—10 cm，10—20 cm顯著高于20—40 cm，而0—10 cm與10—20 cm含量無顯著差異，在5 a之后各土層之間堿解氮含量表現(xiàn)出顯著差異，由大到小依次為0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm；灌叢內和株間空地土壤堿解氮表現(xiàn)出相同的趨勢，均是在10 a和30 a各土層之間含量表現(xiàn)出顯著差異，其余林齡0—10 cm與10—20 cm堿解氮含量無顯著差異。土壤速效磷含量在不同林齡梭梭(除10 a)根部和灌叢內的各土層之間均表現(xiàn)出顯著差異，由大到小依次為0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm，株間空地的土壤速效磷含量在5 a之前各土層之間存在顯著差異，在5 a之后則表現(xiàn)出0—10 cm，10—20 cm顯著高于20—40 cm，0—10 cm與10—20 cm之間不存在顯著差異。不同林齡梭梭根部土壤速效鉀含量均表現(xiàn)出0—10 cm顯著高于20—40 cm，灌叢內和株間空地的土壤速效鉀含量無顯著差異。

3.2 不同林齡人工梭梭土壤養(yǎng)分水平分布特征

如圖2所示，各土層土壤在15～30 a各取樣部位均表現(xiàn)出顯著差異性，由大到小依次為根部>灌叢內>株間空地，根部有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀分別比灌叢內高30.8%，196.7%，22.5%，56.4%，灌叢內比株間空地分別高38.0%，15.6%，8.3%，10.6%。其余林齡各取樣部位含量無顯著差異。其中，人工梭梭在10 a前，表層(0—10 cm)土壤有機質含量均表現(xiàn)為株間空地>灌叢內>根部，其中在2 a株間空地含量顯著高于灌叢內和根部，在15 a表現(xiàn)出根部含量顯著高于灌叢內和株間空地，灌叢內與株間空地含量差異不顯著，在30 a各取樣部位均表現(xiàn)出顯著差異性，由大到小依次為根部>灌叢內>株間空地。其余林齡各取樣部位含量無顯著差異。10—20 cm土層土壤有機質含量在10 a前根部與灌叢內無顯著差異，除2 a以外各林齡根部含量均顯著高于株間空地。20—40 cm土層土壤有機質含量在30 a表現(xiàn)出根部與灌叢內顯著高于株間空地，其余林齡無明顯規(guī)律；土壤各土層堿解氮含量均在15 a之后表現(xiàn)出顯著差異，由大到小依次為根部>灌叢內>株間空地，表層含量在2 a和10 a表現(xiàn)出根部顯著低于株間空地,在5 a根部顯著高于株間空地，10—20 cm和20—40 cm土層堿解氮含量在10 a之前均表現(xiàn)出灌叢內低于根部與株間空地；15 a和30 a梭梭土壤速效磷含量在0—10 cm與10—20 cm土層中表現(xiàn)出根部>灌叢內>株間空地的變化趨勢，其中根部顯著高于株間空地，其余林齡表層土壤含量隨距根部距離的增加養(yǎng)分增加，10—20 cm則表現(xiàn)出與表層相反的趨勢。20—40 cm除30 a根部與灌叢內含量顯著高于株間空地以外，其余林齡無明顯規(guī)律；各林齡梭梭土壤速效鉀含量在3個土層中均表現(xiàn)出隨距根部距離增加養(yǎng)分降低的趨勢，在15 a各土層土壤根部含量均顯著高于灌叢內和株間空地含量，而灌叢內與株間空地含量差異不顯著。在30 a表層土壤速效鉀含量顯著高于灌叢內和株間空地，其余土層無顯著差異。

富集率是反映植被對土壤養(yǎng)分聚集程度的一種度量方式。由于各方面的影響，不同林齡人工梭梭土壤基底值可能存在差異，因此利用富集率這個相對指標對不同林齡人工梭梭土壤養(yǎng)分的富集程度進行比較。如圖3所示，根部土壤有機質、堿解氮富集率(除5 a)均隨營建年限增加而升高，且在10～30 a有顯著升高，其中5，10 a富集率較低，其余林齡土壤富集率之間差異不顯著。而速效磷和速效鉀富集率均表現(xiàn)出15 a顯著高于其他林齡的趨勢，且10 a的富集率最低。深層(0—10 cm，10—20 cm)土壤根部有機質、堿解氮富集率均表現(xiàn)出10～30 a顯著升高的趨勢。各土層土壤速效磷、速效鉀富集率均表現(xiàn)出15 a顯著高于其他林齡的現(xiàn)象，且均在10 a出現(xiàn)最低值；如圖4所示，灌叢內表層土壤有機質、堿解氮富集率均表現(xiàn)出15～30 a顯著高于其他林齡，且在10 a最低。其中，土壤有機質、堿解氮富集率均表現(xiàn)為15～30 a顯著高于其他林齡的趨勢。其中，表層速效磷、速效鉀富集率均表現(xiàn)出10 a顯著低于其他林齡，其他林齡富集率差異不顯著，其中，5 a富集率最高。速效磷、速效鉀富集率在深層則表現(xiàn)出15 a和30 a顯著高于其他林齡，其他林齡無顯著差異，但富集率在10 a最低。除2，5 a土壤有機質富集率與2，10 a土壤堿解氮富集率根部低于灌叢內以外，其余林齡各土壤養(yǎng)分根部富集率均大于冠幅內富集率，說明林齡越高，其根部養(yǎng)分富集率與冠幅內養(yǎng)分富集率差異越明顯。

注：不同大寫字母表示不同土層深度養(yǎng)分含量差異顯著(p<0.05)，不同小寫字母表示相同土層不同取樣位置土壤養(yǎng)分含量差異顯著(p<0.05)，下圖同。
圖2 不同林齡人工梭梭不同取樣部位土壤養(yǎng)分差異

3.4 土壤養(yǎng)分富集率與梭梭生長發(fā)育指標的相關性

由表2可知，通過分析不同林齡梭梭土壤養(yǎng)分富集率及其生長發(fā)育指標相關關系發(fā)現(xiàn)，梭梭根部土壤有機質富集率與基徑、株高、冠幅均呈極顯著的正相關關系(p<0.01)，灌叢內有機質富集率與基徑、株高呈顯著正相關關系(p<0.05)，與冠幅呈極顯著正相關關系(p<0.01)，根部堿解氮富集率與基徑、株高呈顯著正相關關系(p<0.05)，與冠幅無顯著關系(p>0.05)。灌叢內堿解氮富集率與梭梭各生長指標間均無顯著關系。速效磷、速效鉀根部與灌叢內富集率與梭梭各生長指標間均無顯著關系。

圖3 不同林齡人工梭梭根部土壤養(yǎng)分富集率比較

圖4 不同林齡人工梭梭灌叢內土養(yǎng)分富集率比較

4 討 論

4.1 人工梭梭土壤養(yǎng)分空間分布特征

土壤養(yǎng)分的空間分布特征能夠反映土壤養(yǎng)分與環(huán)境因子間的關系，在土壤—植被系統(tǒng)中，植被生長發(fā)育狀況與植被分布情況與土壤養(yǎng)分空間變異情況密切相關[17]。本研究對吉蘭泰地區(qū)不同營建年限梭梭林下土壤養(yǎng)分的空間變異性進行研究，結果表明：在垂直方向上，不同種植年限梭梭土壤有機質以及能被植物吸收的速效養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為表層土壤養(yǎng)分高于深層，且根部各土層之間差異更為顯著(p<0.05)，這與張珂等[18]對荒漠綠洲區(qū)不同種植年限人工梭梭土壤化學計量特征的研究中不同林齡土壤養(yǎng)分垂直分布特征的結果基本一致。這說明葉子的分泌物以及植物枯落物等在灌叢下的聚集會使小部分養(yǎng)分隨徑流與雨水滲透到下層土壤中，而大部分則保存在表層土壤中[19-20]。因此，表層土壤更容易積累較高的養(yǎng)分，且由于灌木擁有較大的冠幅，其較好的防風固沙作用也有效防止灌叢下表層土壤養(yǎng)分風蝕的損耗，使大量的枯枝落葉得以保留在灌叢下，大大提高了養(yǎng)分在灌叢下土壤表層儲存的可能，因此，土壤表層的土壤養(yǎng)分含量相對較高，是土層中最肥沃的部分[21]。

表2 土壤養(yǎng)分富集率與人工梭梭生長指標的相關性

注：*表示顯著相關(p<0.05),**表示極顯著相關(p<0.01)。

在水平方向上，人工梭梭根部、灌叢內、株間空地的養(yǎng)分含量存在顯著差異。2～10 a的梭梭表層土壤有機質與堿解氮含量基本均表現(xiàn)為株間空地>灌叢內>根部，深層含量則為根部高于株間空地，土壤速效磷、速效鉀均在15 a和30 a表現(xiàn)出根部顯著高于株間空地的趨勢。從整體來看，在15 a和30 a，梭梭各土層土壤有機質及速效養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為根部>灌叢內>株間空地，說明梭梭在10 a后對土壤養(yǎng)分的富集作用趨于明顯，即距根部由遠及近土壤養(yǎng)分逐漸增加的趨勢趨于明顯，在10 a后表現(xiàn)出顯著的富集效應。由于梭梭在2～10 a植被生長緩慢，相對于10 a后植物形態(tài)來說，其冠幅，株高，基徑均較小，導致枯落物較少，從而使養(yǎng)分在灌叢內積累較少[5,22]。而10 a后植物生長旺盛，其基徑、株高、冠幅的增長有利于其對土壤風蝕物質、降塵和凋落物等的截獲，并通過發(fā)達的根系以根際沉積的方式將大量的養(yǎng)分輸入到土壤中，從而形成良好的根際富集效應，冠幅的增長也大大減弱了由風蝕導致的土壤養(yǎng)分的損耗，致使根部養(yǎng)分較高[23]。而這與Wezel等[24]對尼日爾荒漠草原休耕地的變化一致，其研究表明至少要花15 a的時間才能探測到灌木下與株間空地土壤養(yǎng)分水平的明顯變化。Schlesinger[7]研究發(fā)現(xiàn)，灌叢群落平均年齡越大，即其對土壤養(yǎng)分的富集作用時間越長，土壤養(yǎng)分的空間自相關越明顯。因此，灌木對土壤養(yǎng)分的富集效應的形成與發(fā)育是一個長期過程，不僅與多種生物非生物因子有關，與時間也有必然關聯(lián)。

4.2 人工梭梭土壤養(yǎng)分時間分布特征

土壤養(yǎng)分是具有高度變異性的時空連續(xù)體，植物的生長發(fā)育時間是影響土壤養(yǎng)分累積的重要因素之一[25]。對不同營建年限人工梭梭土壤養(yǎng)分的研究結果表明：不同林齡人工梭梭之間的土壤養(yǎng)分富集率存在顯著差異，整體表現(xiàn)為15，30 a土壤有機質及速效養(yǎng)分富集率顯著高于其他林齡，但均在10 a出現(xiàn)富集率最低值，且根部養(yǎng)分富集率大于灌叢內養(yǎng)分富集率。這說明，人工梭梭根部養(yǎng)分“肥島”效應強于灌叢內養(yǎng)分“肥島”效應，且表層的“肥島”效應更為明顯。而在10 a出現(xiàn)較低的富集率的現(xiàn)象，是由于5～10 a為梭梭生長旺盛期，所需養(yǎng)分較大，而植被枯落物殘體的分解和累計過程發(fā)生在人工梭梭建立20年以后[26]。這與劉耘華等[27]對北疆荒漠植被梭梭立地土壤養(yǎng)分“肥島”特征研究中所得出的結果基本一致，但與孫特生等[28]對黑河中游荒漠綠洲人工梭梭土壤養(yǎng)分動態(tài)特征的研究結果存在差異，這可能是由于研究區(qū)域的地理位置及生態(tài)環(huán)境的差異而導致，有研究表明，一些土壤化學屬性在不同的研究區(qū)域會得到不同的研究結果，說明灌木下土壤資源的空間分布特征與研究區(qū)的具體環(huán)境有關[21,29]，體現(xiàn)了對烏蘭布和沙漠西南緣人工梭梭土壤養(yǎng)分時空演變趨勢研究的重要性。

從土壤養(yǎng)分富集率與梭梭生長發(fā)育指標間的相關關系可以發(fā)現(xiàn)，除土壤根部、灌叢內有機質富集率和根部堿解氮富集率均與植株基徑、株高和冠幅顯著相關以外，其余養(yǎng)分各部位富集率均與梭梭各生長發(fā)育指標無顯著相關關系。其中，土壤根部、灌叢內有機質富集率及土壤根部堿解氮富集率均表現(xiàn)出表層(0—10 cm，10—20 cm)隨著林齡的增加明顯增長的趨勢，深層則表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(圖5)。這可能是由于土壤有機質、堿解氮除受土壤母質的影響外，還受到枯落物分解及植物吸收利用的影響，因此存在較大的時空異質性，而磷、鉀主要受土壤風化影響，而土壤風化是一個較漫長的過程，且土壤速效磷、速效鉀極易被植物吸收，從而使土壤中含量變異性較小[30]。

圖5 土壤養(yǎng)分富集率隨時間變化趨勢

表3 土壤養(yǎng)分含量隨時間變化趨勢

綜上所述，梭梭灌叢下的土壤養(yǎng)分空間分布特征、不同生境間的土壤養(yǎng)分富集率以及不同林齡間的“肥島”效應強弱差異均可以反映出不同林齡人工梭梭對養(yǎng)分的利用機制及其時空演變趨勢。而在風沙作用強烈的干旱荒漠區(qū)，植株攔截沙塵導致地表細顆粒富集，植物冠幅周圍地表顆粒的變化是否影響?zhàn)B分分布本文未涉及到，因此，風沙作用與土壤養(yǎng)分空間分布間的耦合性還亟待研究。

5 結 論

(1) 不同林齡人工梭梭土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出顯著的成層化分布特征，且表層土壤養(yǎng)分顯著高于深層土壤，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀均比深層平均高82.0%，228.2%，172.7%，39.0%，表層的養(yǎng)分積累優(yōu)于其他土層，說明土壤中的大部分養(yǎng)分是從灌叢枯落物及風蝕攔截的物質中獲得。

(2) 不同林齡人工梭梭下土壤水平方向的養(yǎng)分含量均在15～30 a表現(xiàn)為根部>灌叢內>株間空地，各林齡均表現(xiàn)出根部“肥島”效應強于灌叢內，在15 a后土壤養(yǎng)分“肥島”效應強于低林齡人工梭梭林，而在10 a左右為梭梭生長旺盛，養(yǎng)分需求量大，養(yǎng)分富集能力較弱。

(3) 通過對土壤養(yǎng)分富集率與生長指標進行相關分析，發(fā)現(xiàn)人工梭梭下主要受母質、枯落物等影響的土壤有機質、堿解氮含量時空異質性較明顯，且有機質時空異質性最明顯，而主要受風沙作用影響的土壤速效磷、速效鉀含量時空異質性較弱。