茍博文，魏 博，馬松梅,聶迎彬

(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)理學(xué)院，新疆 石河子 832000;3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院作物研究所，新疆 石河子 832000)

【研究意義】梭梭(Haloxylonammodendron)，藜科(Chenopodiaceae)梭梭屬(Haloxylon)小喬木或大灌木，是重要的防風(fēng)固沙植物，是中亞荒漠中分布最廣的荒漠植被類型之一[1]。準(zhǔn)噶爾盆地是我國(guó)梭梭分布最集中的區(qū)域，約占全國(guó)梭梭林總面積的68.2 %[2]。梭梭為古爾班通古特沙漠植被群落中主要的建群種，具有耐貧瘠、抗旱和防風(fēng)固沙等特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)[3]，在保持生物多樣性和維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡中起著非常重要的生態(tài)作用。但是，由于自然作用和人為因素對(duì)荒漠植被的嚴(yán)重破壞，造成大面積的天然梭梭林衰退甚至死亡，已被列為國(guó)家三級(jí)瀕危保護(hù)植物[4]。植被與土壤是一個(gè)相互作用、相互影響、相互制約、協(xié)調(diào)發(fā)展的體系[5]。土壤為植被提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其理化特性深刻影響植被群落的發(fā)生、發(fā)育和演替，而植被的生長(zhǎng)也深刻影響著土壤養(yǎng)分的積累、分布與循環(huán)。干旱荒漠景觀環(huán)境下，灌叢“肥島”的形成和有機(jī)物質(zhì)的沉淀是灌木植物適應(yīng)貧瘠沙質(zhì)環(huán)境的主要機(jī)制和有效利用養(yǎng)分的主要對(duì)策，對(duì)荒漠灌木植物的存活及荒漠生態(tài)系統(tǒng)的維持都具有重要的生態(tài)意義。【前人研究進(jìn)展】近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)不同地區(qū)荒漠建群植物梭梭根區(qū)土壤的理化性質(zhì)及養(yǎng)分特征的空間分布開(kāi)展了一系列研究。對(duì)艾比湖湖區(qū)邊緣不同沙丘下梭梭主根周圍土壤養(yǎng)分特征的差異性研究表明，三種沙丘土壤養(yǎng)分的空間分布整體上都呈一定集聚趨勢(shì)，形成“肥島”[6]；對(duì)古爾班通古特沙漠南緣梭梭“肥島”的初步探討表明沙漠區(qū)的風(fēng)沙土和綠洲區(qū)的灰漠土中均存在“肥島”效應(yīng)，且隨土層深度增加而減弱[7]；對(duì)古爾班通古特沙漠梭梭和白梭梭主根周圍土壤養(yǎng)分的梯度分布研究表明，梭梭和白梭梭根際微區(qū)均有顯著的養(yǎng)分聚集現(xiàn)象[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】上述研究初步揭示了古爾班通古特沙漠南緣不同齡階、不同沙丘和不同種群梭梭根區(qū)土壤養(yǎng)分特征及其分布規(guī)律。但是，對(duì)于古爾班通古特沙漠南緣梭梭與白梭梭的同域分布區(qū)，梭梭根區(qū)周圍土壤養(yǎng)分分布的水平與垂直特征與規(guī)律還缺乏研究，成為深入理解荒漠區(qū)梭梭根區(qū)養(yǎng)分分布與運(yùn)移規(guī)律的瓶頸。 本研究選擇古爾班通古特沙漠南緣新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師149團(tuán)、甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)及克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)外圍荒漠區(qū)的自然梭梭種群，采用野外原位分層取土樣的方法，對(duì)梭梭根區(qū)周圍及不同土層深度的土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和速效磷進(jìn)行測(cè)定與分析。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】明晰不同地區(qū)梭梭主根附近、冠幅中間和冠幅邊緣的土壤含水量、pH值、電導(dǎo)率、有機(jī)質(zhì)和速效磷的水平分布特征與規(guī)律；探究不同地區(qū)梭梭根區(qū)0～60 cm土層土壤養(yǎng)分的垂直分布特征與規(guī)律。本研究的結(jié)果可以為干旱荒漠區(qū)梭梭林的生態(tài)恢復(fù)與管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師149團(tuán)、克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠南緣。研究區(qū)屬典型干旱荒漠氣候，年平均氣溫6.6 ℃，年降水量114.89 mm，約31.6 % 的降雨集中在3-5月，年平均潛在蒸發(fā)量1500～2000 mm。研究區(qū)盛行西北風(fēng)，5-6月大風(fēng)(風(fēng)速>20 m/s)頻繁發(fā)生。荒漠植物以低矮的灌木、半灌木為主，除了短命植物和一年生植物以外，幾乎全是旱生、超旱生植物，主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(Haloxylonpersicum)、沙拐棗(Calligonummongolicum)、檉柳(Tamarixchinensis)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與土樣采集 2017年5月，分別在古爾班通古特沙漠南緣新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師149團(tuán)、克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)、甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)，利用樣方繩與GPS定位選擇地形相對(duì)平坦，梭梭長(zhǎng)勢(shì)均勻一致，病蟲(chóng)害較少的區(qū)域，設(shè)置研究樣地。利用野外原位分層進(jìn)行土壤采樣(圖1)，在每個(gè)樣區(qū)內(nèi)選擇長(zhǎng)勢(shì)基本一致的3株梭梭，在梭梭主根附近、冠幅中間和冠幅邊緣分別取0～60 cm深的土壤剖面，設(shè)置0～20、20～40和40～60 cm 3個(gè)土層深度，每株共9個(gè)土樣。每個(gè)土樣，選擇相互間成90°夾角的4個(gè)采樣方向，再將位于同一采樣點(diǎn)上不同方向的土樣混合成一個(gè)土樣，用四分法取土樣裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室備用。

圖1 梭梭根區(qū)土壤采樣點(diǎn)

1.2.2 土樣分析 將采集的土壤樣品放在陰涼干燥通風(fēng)處自然風(fēng)干，揀出枯枝落葉、植物根系等雜質(zhì)，研磨過(guò)篩后待測(cè)，參照鮑士旦[9]土壤養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定方法進(jìn)行室內(nèi)分析。采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定有機(jī)質(zhì)；采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提―鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷；采用烘干法(105 ℃下持續(xù)烘干8 h)測(cè)定土壤含水量；采用水土比5∶1待測(cè)液測(cè)定土壤電導(dǎo)率和pH值。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì) 采用富集率E表征土壤養(yǎng)分富集程度[10]，E值越大表示土壤養(yǎng)分富集程度越高，反之則越小。在本研究中，主根附近、冠幅中間、冠幅邊緣的富集率分別采用如下方法換算：E1=B/A，E2=C/A。其中，E1，E2代表富集率，A表示主根附近養(yǎng)分含量，B表示冠幅中間養(yǎng)分含量，C表示冠幅邊緣養(yǎng)分含量，如果E1>1，E2>1，說(shuō)明該土壤屬性值在冠幅中間和冠幅邊緣富集，相反則在主根附近富集。采用單因素方差(One-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性分析，采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)利用 Orgin8.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤速效磷和有機(jī)質(zhì)的分布特征

在水平方向上，不同地區(qū)梭梭主根附近到冠幅邊緣速效磷含量均表現(xiàn)為冠幅中間>主根附近>冠幅邊緣(圖2)。其中，甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)內(nèi)梭梭冠幅中間0～20、20～40和40～60 cm土層的土壤速效磷含量均顯著高于同一深度土層主根附近和冠幅邊緣，但主根附近和冠幅邊緣0～20 cm土層的土壤速效磷含量無(wú)顯著差異?？死斠擂r(nóng)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)和149團(tuán)研究區(qū)內(nèi)梭梭冠幅中間土壤速效磷含量均顯著高于冠幅邊緣。在垂直方向，不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤速效磷含量均隨土層深度的增加而減少，但0～20 cm 土層顯著高于40～60 cm土層。

圖2 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤速效磷的變化

不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量整體變化規(guī)律具有一致性(圖3)，在水平方向上，不同地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量均表現(xiàn)為主根附近>冠幅中間>冠幅邊緣，且顯著差異。在垂直方向，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層深度增加呈顯著降低趨勢(shì)。

圖3 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)的變化

2.2 土壤 pH值、電導(dǎo)率和土壤含水量的分布特征

不同地區(qū)，梭梭根區(qū)土壤pH值在水平方向整體呈增大趨勢(shì)(圖4)，表現(xiàn)為主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣。在垂直方向，土壤pH隨土層深度的增加而增大。

圖4 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤pH值的變化

不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤電導(dǎo)率在空間分布上表現(xiàn)出和速效磷相似的規(guī)律(圖5)，在水平方向，土壤電導(dǎo)率均表現(xiàn)為冠幅中間>主根附近>冠幅邊緣，并且差異顯著。在垂直方向，土壤電導(dǎo)率隨土層深度增加總體呈降低趨勢(shì)，但在0～20和40～60 cm土層的土壤電導(dǎo)率存在顯著差異。

不同地區(qū)，梭梭根區(qū)土壤含水量在水平方向整體呈增大趨勢(shì)(圖6)，表現(xiàn)為主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣，但在40～60 cm土層，不同地區(qū)均存在顯著差異。在垂直方向，土壤含水量隨土層深度增加顯著增大。

圖6 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤含水量的變化

2.3 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤養(yǎng)分富集率的分布特征

不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤養(yǎng)分表現(xiàn)出不同的水平與垂直方向富集的特征(表1)。不同地區(qū)，梭梭根區(qū)土壤含水量均有向冠幅邊緣聚集的趨勢(shì)(E1>1，E2>1且E11，E2<1且E1>E2)，而土壤有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為向主根附近聚集的趨勢(shì)(E1<1，E2<1且E1>E2)。

表1 不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤養(yǎng)分富集率

從土壤垂直剖面看，土壤養(yǎng)分(速效磷、有機(jī)質(zhì))富集率隨土層深度的增加呈遞減趨勢(shì)。

3 討 論

相關(guān)研究表明土壤含水量變化與荒漠植被根系在土壤中的分布范圍和數(shù)量緊密相關(guān)[11]。梭梭具有粗壯而垂直的主根系，使之較其它植物更容易獲取地下水分[12]，而梭梭分布區(qū)表層土壤主要受自然降水的影響，研究區(qū)自然降水量很低，但蒸發(fā)強(qiáng)烈，因此梭梭根區(qū)土壤含水量表現(xiàn)出隨土層深度增加而增大的趨勢(shì)，該結(jié)果與朱雅娟等[13]、格日樂(lè)等[14]的研究結(jié)果一致；水平方向上，不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤含水量表現(xiàn)冠幅邊緣高于主根附近和冠幅中間，土壤含水量分布格局不僅和相應(yīng)根系區(qū)域分布范圍、數(shù)量相關(guān)[15]，也和地形密不可分[16]。任雪[17]，李從娟[18]等關(guān)于梭梭“肥島”效應(yīng)的研究中也表明梭梭根際周圍出現(xiàn)養(yǎng)分聚集的趨勢(shì)。在本研究中，不同地區(qū)梭梭主根周圍土壤有機(jī)質(zhì)和速效磷含量出現(xiàn)了不同程度的聚集，表現(xiàn)出荒漠區(qū)典型的“肥島”效應(yīng)，其中，土壤速效磷在梭梭冠幅中間大約0～40 cm土層以內(nèi)聚集，而土壤有機(jī)質(zhì)的“肥島”作用范圍發(fā)生在距主根附近大約 0～20 cm土層以內(nèi)，隨土層深度增加而減弱，到約40 cm土層深度后 “肥島”逐漸降低[19]。

植物根際pH值的降低不僅能促進(jìn)土壤某些養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化，也能提高抗病蟲(chóng)害能力，對(duì)植物的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)能力[20]。在本研究中，土壤pH在不同地區(qū)均表現(xiàn)出主根附近低于冠幅中間和冠幅邊緣，在梭梭主根中心形成了低pH的環(huán)境，這對(duì)于梭梭根際土壤的養(yǎng)分的改善具有重要作用，已有研究表明植被冠下土壤pH不僅受植被的影響，也可能受其他環(huán)境因子的影響[21]，有待進(jìn)一步研究。電導(dǎo)率在梭梭根區(qū)周圍土壤的整個(gè)區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)為梭梭冠幅中間表層土壤有稍微的聚集，不同地區(qū)梭梭冠幅中間土壤電導(dǎo)率均高于冠幅邊緣和主根附近，0～20 cm土層的土壤電導(dǎo)率顯著高于40～60 cm土層，這與沈其榮[22]、弋良朋等[23]對(duì)植物根際鹽分狀況的研究結(jié)果一致。這也可能是因?yàn)樗笏笫敲邴}植物，在植物根系和土壤含水量的綜合影響下，可溶性鹽離子有向根系運(yùn)移的現(xiàn)象影響[8]。

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對(duì)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師149團(tuán)、甘家湖梭梭自然保護(hù)區(qū)和克拉瑪依農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)外圍荒漠區(qū)自然分布的梭梭根區(qū)土壤的 pH值、電導(dǎo)率、含水量、有機(jī)質(zhì)和速效磷的空間分布特征與規(guī)律進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)：①不同地區(qū)梭梭根區(qū)周圍土壤含水量和pH值在水平與垂直方向上整體呈增加趨勢(shì)，即主根附近<冠幅中間<冠幅邊緣，0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm。②不同地區(qū)梭梭根區(qū)周圍土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷含量和土壤電導(dǎo)率在水平與垂直方向上總體呈降低趨勢(shì)。綜合考慮3個(gè)不同地區(qū)梭梭根區(qū)土壤養(yǎng)分的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)其土壤均存在“肥島”效應(yīng)，最大聚集范圍在0～40 cm土層。