賈榮，蘭登明，郭威星，王玉婕，溫靜

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020

寧夏生態(tài)本底脆弱，是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)，人為活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾處于中國的中等水平，且呈增加趨勢（幸贊品等，2018）?；哪菰菍幭拿娣e最大的天然草地類型，其總面積約為11495.66 km2。眾多學(xué)者在寧夏荒漠草原植物群落結(jié)構(gòu)、多樣性、封育對植物群落和土壤的影響等方面進行了較多的研究，結(jié)果表明，寧夏東部風(fēng)沙區(qū)荒漠草原植物群落的種間關(guān)聯(lián)性較弱，群落結(jié)構(gòu)簡單化，群落種間關(guān)系松散（李朝等，2013）；植物優(yōu)勢種在群落中的地位明顯，土壤水分是影響植物群落分布的決定性環(huán)境因子（秦建蓉等，2015）；群落生產(chǎn)力受物種多樣性、物種本身特征和環(huán)境資源的影響，功能群蓋度與群落初級生產(chǎn)力無顯著的相關(guān)關(guān)系（杜茜等，2006）。此外，植物群落呈異速生長模式，植物葉片平均C含量低于全球水平（楊陽，2015），植物群落的空間變異性在不同坡向、坡位存在差異（魏樂等，2014）。人工灌叢的引入加速了退化荒漠草地0—40 cm土層SOC的累積與固定，加劇了土壤表層 SOC空間異質(zhì)性、破碎化（Zhao et al.，2019），加速土壤水分利用和深層水分消耗，對深層土壤水分作用更強（Zhao et al.，2018）。封育對荒漠草原有很好的作用，有利于土壤團聚體的形成（王國會等，2017），能顯著改善10—40 cm土層的飽和持水量，對表層土壤的容重和孔隙度有一定改善作用，有利于土壤有機碳的固存和積累（胡鑰等，2016）。隨著封育時間的增加，土壤種子庫的密度增加（劉華等，2011），土壤中可萌發(fā)種子的數(shù)量不增加（劉華等，2016），封育9年的草地高度和生物量顯著高于其他封育年限及未封育草地，荒漠草原植被自然恢復(fù)演替在封育9年時出現(xiàn)轉(zhuǎn)折（陶利波等，2018）。然而，在植物群落多樣性、土壤狀況的研究中，關(guān)于影響植物多樣性的土壤因子的研究較少，土壤pH值、全氮、全磷、有機質(zhì)對植物多樣性指數(shù)的影響程度不明確。因此，以寧夏東北部荒漠草原為研究區(qū)，對研究區(qū)的植物群落和土壤養(yǎng)分進行調(diào)查，明確研究區(qū)的植物群落物種組成、土壤養(yǎng)分以及植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系，以期為中國的荒漠治理、生物資源保護與可持續(xù)性利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)，35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，屬溫帶大陸性干旱、半干旱氣候，海拔1100—1200 m，地勢從西南向東北逐漸傾斜，全區(qū)年降水量150—600 mm，年日照時數(shù)2250—3100 h，年平均氣溫5.6—10.1 ℃，土壤類型主要有灰鈣土、灰漠土、黑壚土、灰褐土。主要植被類型有黑沙蒿(Artemisia ordosica)+沙鞭(Psammochloa villosa)、檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)+苦豆子(Sophora alopecuroides)、黑沙蒿+泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)、短花針茅(Stipa breviflora)+冰草(Agropyron cristatum)等。

1.2 研究方法

采用統(tǒng)一的公里網(wǎng)格（10 km×10 km）對寧夏東北部典型荒漠草原的植物群落進行系統(tǒng)網(wǎng)格化，選定調(diào)查點共11個（見表1），調(diào)查點分布情況見圖1。利用GPS定位，在每個選定的調(diào)查點上，設(shè)置1個100 m×100 m的樣方。在樣方內(nèi)，采用系統(tǒng)法設(shè)置5個10 m×10 m的灌木樣方，9個1 m×1 m的草本樣方，1個土壤剖面調(diào)查點（如圖2），灌木樣方內(nèi)調(diào)查灌木的種類、密度、高度、冠幅，草本樣方內(nèi)調(diào)查群落物種組成、密度、高度。對樣地內(nèi)進行踏查，每個樣方進行詳查。在每個樣點的土壤剖面取樣點上，按照寬1 m，長1.5 m的規(guī)格，挖掘1個土壤剖面。采集0—10 cm土層的土樣（3個重復(fù)），將土樣送至內(nèi)蒙古瑞普精準(zhǔn)檢驗檢測有限責(zé)任公司進行檢測，采用《土壤分析技術(shù)規(guī)范》的常規(guī)檢測方法測定土樣的pH、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）和有機質(zhì)（soil organic carbon，SOC）。

表1 調(diào)查點情況Table 1 Survey situation

圖1 調(diào)查點分布示意圖Fig.1 Survey point distribution

圖2 調(diào)查樣方設(shè)置示意圖Fig.2 Schematic maps of survey plot settings

本文選取 4個植物多樣性指數(shù)，分別是Margalef豐富度指數(shù)（R）、Simpson指數(shù)（D）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）和Pielou均勻度指數(shù)（E），計算公式如下（張金屯，2004）：

式中，S為樣方中物種總數(shù)；N為樣方中記錄的個體總數(shù)；Pi=Ni/N，Ni為樣方中第i個物種的個體數(shù)。

運用Excel 2010進行植物科、屬、種的統(tǒng)計分析及植物多樣性指數(shù)的計算，采用 SPSS 19.0的Pearson相關(guān)性分析進行植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落物種組成分析

經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)共有86種植物，隸屬61屬21科，其中以禾本科、豆科、菊科和藜科植物為主。根據(jù)各科所含種種數(shù)，將 21科分為≥10種、4—9種、2—3種、僅1種4個類別，并將各科所含屬數(shù)、種數(shù)列舉如下（表2、表3）。

從表2、表3可以看出，含10種及以上的科有4個，分別是禾本科（18種）、豆科（16種）、菊科（13種）和藜科（11種），這4科共計有植物58種，科數(shù)占總科數(shù)的19.05%，種數(shù)占總種數(shù)的67.44%；僅含1種的科有9個，占總科數(shù)的42.86%，種數(shù)占總種數(shù)的10.47%，由此看出禾本科、豆科、菊科和藜科的優(yōu)勢明顯。

表2 植物科的數(shù)量結(jié)構(gòu)分析Table 2 Quantitative structure analysis of plant families

表3 植物各科所含屬、種數(shù)統(tǒng)計（屬/種）Table 3 Statistics on the genus and species of plants in various families (genus/species)

2.2 土壤養(yǎng)分特征分析

由表4可知，研究區(qū)內(nèi)土壤平均pH值為8.81，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.07—0.54 g·kg-1，全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16—0.51 g·kg-1，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.51—6.24 g·kg-1，這說明研究區(qū)土壤總體上呈堿性，土壤全氮、全磷、有機質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著低于全球及中國陸地土壤平均值（青燁等，2015；Tian et al.，2010；王紹強等，2000）。

表4 各樣地土壤養(yǎng)分特征Table 4 Soil nutrient characteristic

2.3 植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分特征的相關(guān)性分析

由表5可知，研究區(qū)內(nèi)Margalef豐富度指數(shù)平均值為 2.49，Simpson指數(shù)平均值為 0.24，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)平均值為 1.84，Pielou均勻度指數(shù)平均值為0.76。

表5 各樣地植物多樣性指數(shù)Table 5 Plant diversity index of each site

對研究區(qū)內(nèi)的植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性分析表明（見表6），Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與全氮、全磷、有機質(zhì)呈正相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系未達到顯著水平；Simpson指數(shù)與pH值呈正相關(guān)，與全氮、全磷、有機質(zhì)呈負(fù)相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均未達到顯著水平；Pielou均勻度指數(shù)與pH值呈負(fù)相關(guān)，與全氮、全磷、有機質(zhì)呈正相關(guān)，但相關(guān)關(guān)系均未達到顯著水平。

3 討論

3.1 寧夏東北部荒漠草原植物群落物種組成特征

荒漠草原在生存環(huán)境、物種組成、群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)功能等方面體現(xiàn)了生態(tài)學(xué)上的獨特性（韓國棟等，2005），植物種主要由禾本科、菊科、百合科、藜科、蒺藜科、豆科等植物組成（杜茜等，2006）。本研究區(qū)內(nèi)植物共86種，隸屬61屬21科，禾本科、豆科等優(yōu)勢突出，含多數(shù)的屬、種。秦建蓉等（2015）對寧夏東部風(fēng)沙區(qū)荒漠草原植物群落及物種多樣性進行研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)沙區(qū)荒漠草原植物物種較為單一，多集中在6—13種。周蘭萍等（2012）研究發(fā)現(xiàn)騰格里沙漠東南緣綠洲荒漠過渡帶天然群落結(jié)構(gòu)簡單，豐富度指數(shù)較高，多樣性指數(shù)較低，群落間的均勻度指數(shù)相差不大，這與本研究結(jié)果一致，說明荒漠區(qū)的天然植物群落物種單一。同時，pH值對Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的影響較大，在植被恢復(fù)選擇植物種時可以優(yōu)先考慮禾本科、豆科、菊科、藜科等耐鹽植物種。

3.2 寧夏東北部荒漠草原土壤養(yǎng)分特征

土壤養(yǎng)分狀況是土壤物理、化學(xué)、生物等因素綜合作用的結(jié)果，是土壤從環(huán)境條件和營養(yǎng)條件兩方面供應(yīng)和協(xié)調(diào)作物生長發(fā)育的能力（蔣文偉等，2004）。由于荒漠地區(qū)降水量少和相對較低的分解速度，故其礦質(zhì)風(fēng)化速率較低，土壤存儲有機物質(zhì)的能力較低，導(dǎo)致養(yǎng)分可利用性顯著降低（李從娟等，2014）。在荒漠區(qū)中進行比較，本研究的土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.23 g·kg-1）低于黃土丘陵地區(qū)（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015），與準(zhǔn)格爾荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.32 g·kg-1）低于黃土丘陵地區(qū)（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015），與準(zhǔn)格爾荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于黃土丘陵地區(qū)（朱秋蓮等，2013）、黃土高原（曾全超等，2015）、準(zhǔn)格爾荒漠地區(qū)（陶冶等，2016）。可以看出，研究區(qū)內(nèi)土壤的養(yǎng)分條件較其他荒漠區(qū)差，在植被恢復(fù)選擇植物種時要考慮植物種的耐貧瘠性。

3.3 寧夏東北部荒漠草原植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分相關(guān)性

植物與土壤的關(guān)系復(fù)雜，不同學(xué)者在不同區(qū)域的研究結(jié)果不一致。趙景學(xué)等（2011）研究表明，植物多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù)與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和速效氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，均勻度指數(shù)與所有環(huán)境因子之間的關(guān)系均未達到顯著水平。保婭等（2015）研究表明，全氮、全鉀、pH值對Simpson指數(shù)的影響較大，全氮、pH值對Shannon-Wiener指數(shù)的影響較大，全氮、全磷、全鉀及pH值對Pielou指數(shù)的影響不明顯。陳平等（2010）研究表明，植物豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分呈顯著相關(guān)關(guān)系，并且都與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)。黃雅茹等（2018）研究表明，植物豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)及多樣性指數(shù)與全氮、全磷、全鉀、全鹽量、有效磷、速效鉀、堿解氮、有機質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，而與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Baer et al.（2005）研究發(fā)現(xiàn)，植物物種多樣性與養(yǎng)分異質(zhì)性之間無直接的關(guān)系，但與生產(chǎn)力和植被蓋度呈正相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，與其他土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系未達到顯著水平，Simpson指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系均未達到顯著水平。綜上可以看出，在土壤全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)低、堿性大的地區(qū)，植物多樣性與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)，與 pH值呈負(fù)相關(guān)。而植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系在不同研究區(qū)域所得出的結(jié)果不一致，這與不同群落類型、不同海拔、水熱條件等有關(guān)。本文僅對研究區(qū)內(nèi)土壤的 pH、全氮、全磷、有機質(zhì)與植物群落多樣性指數(shù)進行了分析，更多的土壤因子與植物群落多樣性指數(shù)的相關(guān)關(guān)系有待于進一步的研究。

表6 植物多樣性指數(shù)與土壤養(yǎng)分相關(guān)性系數(shù)Table 6 Correlation coefficient between plant diversity index and soil nutrient

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)內(nèi)植物種類少，豆科、禾本科植物優(yōu)勢明顯，結(jié)合 Margalef豐富度指數(shù)和 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，可以看出研究區(qū)內(nèi)物種的豐富度低。

（2）研究區(qū)土壤總體上呈堿性，土壤養(yǎng)分條件差。

（3）研究區(qū)內(nèi)影響 Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的主要土壤因子是 pH值，土壤的全氮、全磷和有機質(zhì)對植物多樣性指數(shù)的影響不大。