阿路斯呼德，王樹森，溫 泉，詹紅梅，曹 輝，陳 叢，谷占強，王國林

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010011；2.烏蓋蘇木林工站，內(nèi)蒙古 烏拉特后旗 015543；3.烏拉特后旗林業(yè)和草原局，內(nèi)蒙古 烏拉特后旗 015543)

內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國北部邊境，是土地荒漠化、沙化問題最突出的省區(qū)之一，自治區(qū)境內(nèi)分布著眾多的草原、沙地和沙漠，巴音溫都爾沙漠就是其中之一。巴音溫都爾沙漠位于巴彥淖爾市烏拉特后旗和阿拉善盟左旗境內(nèi)，狼山北部，地理坐標為40°30′25″—42°20′32″N，103°04′08″—107°38′07″E，平均海拔1 500 m以上，由雅瑪雷克、海里、本巴圖及白音查干等沙漠組成，總面積約為156萬hm2[1]。巴音溫都爾沙漠內(nèi)植物群落結構簡單，物種多樣性低、分布極其不均勻，占有絕對優(yōu)勢的為矮小灌木群落。

灌木群落的生態(tài)學地位不容忽視，優(yōu)勢灌木物種的喪失或群落組成的改變會對寒旱區(qū)荒漠生態(tài)系統(tǒng)造成巨大和不可挽回的影響。因此，灌木叢的穩(wěn)定性和生態(tài)功能對巴音溫都爾沙漠內(nèi)荒漠植被的保護和動物生境的穩(wěn)定性具有不可替代的價值。土壤物理性質作為土地荒漠化過程的重要影響因素之一，目前我國對于土壤物理性質研究較多[2-4]，主要集中于森林和草原，對于荒漠區(qū)不同植物群落的土壤物理性質差異研究相對較少。鑒于此，本文以巴音溫都爾沙漠的梭梭(Haloxylonammodendron)、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、球果白刺(N.sphaerocarpa)、鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)群落土壤為研究對象，對不同植物群落類型土壤物理性質和水分分布特點進行分析。研究淺層土壤的物理性質以及土壤水分空間分布規(guī)律，對巴音溫都爾沙漠生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價、防沙治沙和水土保持措施提供數(shù)據(jù)支持，對荒漠化治理和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施亦有指導意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區(qū)內(nèi)，保護區(qū)位于烏拉特后旗、中旗北部的寶音圖蘇木、前達門蘇木和巴音杭蓋蘇木境內(nèi)，地處陰山北部，距烏拉特后旗100余km，距烏拉特中旗100余km。地理坐標41°50′—42°20′N，106°15′—107°00′E。北界以中蒙邊界線為界，東西由兩條季節(jié)性沖擊河流控制。東西橫跨140余km，南北縱深22 km，總面積為13.18萬hm2[5]。

內(nèi)蒙古烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區(qū)總的地勢為西北低、東南高，相對高差為130 m左右，海拔在840～960 m之間。地貌主要由戈壁平原、剝蝕低山殘丘和沙地等地貌類型所構成。地表組成成分主要有礫砂質和砂質，保護區(qū)內(nèi)常年受大風侵蝕，形成了部分沙地。保護區(qū)年均氣溫為 6.5 ℃，年均降水量為98 mm[6]。各年份降水總量以及年內(nèi)各季節(jié)降水量分布極其不均勻且一般集中在7—8月，夏季的降水量占全年總降水量的70% 以上。

烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區(qū)土壤類型以典型荒漠土類為主，地帶性土壤為灰棕荒漠土，非地帶性土壤有風沙土、鹽化草甸土。土壤質地較細，剖面中有黏土間層，但厚度較薄。

保護區(qū)內(nèi)野生植物資源相對豐富，植被以旱生灌木或超旱生灌木為主，其中包括裸果木(Gymnocarposprzewalskii)、綿刺(Potaniniamongolica)、革苞菊(Tugarinoviamongolica)、梭梭、蒙古扁桃(Prunusmongolica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)、沙拐棗(Calligonummongolicum)和戈壁短舌菊(Brachanthemumgobicum)等。本次研究選取保護區(qū)內(nèi)5種主要植物群落：唐古特白刺、鹽爪爪、膜果麻黃、球果白刺和梭梭等。

2 研究方法

2.1 材料

選擇巴音溫都爾沙漠烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區(qū)緩沖區(qū)內(nèi)的梭梭、唐古特白刺、球果白刺、鹽爪爪和膜果麻黃5種主要群落灌叢地0～60 cm層土壤。

2.2 方法

2.2.1試驗樣地選擇

在內(nèi)蒙古烏拉特梭梭林蒙古野驢國家級自然保護區(qū)緩沖區(qū)內(nèi)梭梭、唐古特白刺、球果白刺、鹽爪爪和膜果麻黃5個群落各選取一片具有代表性、生長正常且遠離道路和居住區(qū)的試驗地塊，設置一塊面積為50 m × 50 m的樣地，在樣地的幾何中心用手持GPS測定其地理坐標及高程。試驗區(qū)內(nèi)5種不同群落樣地地理坐標及海拔見表1。對樣地內(nèi)的植物群落特征進行了調查，主要物種組成見表2。

表1 研究區(qū)5種群落樣地地理位置

表2 研究區(qū)5種植物群落物種組成

2.2.2樣品采集

在每個樣地四角及中心選取5個采樣點，挖取土壤剖面，分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm共6個土層，用環(huán)刀取原狀土樣品，用鋁盒取水分測試樣品，每層3個重復[7]。

2.2.3指標測定方法

將環(huán)刀土、鋁盒土帶回實驗室，采用環(huán)刀土浸水法、烘干法測定土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量和土壤容重；采用烘干法測定鋁盒土含水率[8-9]。

土壤容重、孔隙度和含水率相關計算公式如下：

r=m(1-w)v

(1)

式中：r為土壤容重(g·cm-3)；m為環(huán)刀內(nèi)濕樣質量(g)；v為環(huán)刀容積(100 cm3)；w為土壤自然含水量(%)。

f1=(M6h-M-M1)v×100%

(2)

f2=(M24h-M-M1)v×100%

(3)

式中：f1為土壤毛管孔隙度(%)；f2為土壤總孔隙度(%)；M6h為浸水6 h帶土環(huán)刀重(g)；M24h為浸水24 h帶土環(huán)刀重(g)；M為環(huán)刀重(g)；M1為環(huán)刀內(nèi)干土重(g)；v為環(huán)刀容積(100 cm3)。

R1=(M6h-M-M1)M1×100%

(4)

R2=(M24h-M-M1)M1×100%

(5)

w=(m1-m2)(m2-m3)×100%

(6)

式中：R1為土壤毛管含水量(%)；R2為土壤飽和含水量(%)；m1為濕土質量 + 鋁盒重(g)；m2為干土質量 + 鋁盒重(g)；m3為鋁盒重(g)。

基于土壤物理性質特征所得土壤孔隙度及含水量數(shù)據(jù)，通過相關計算公式得到土壤飽和含水量、毛管持水量等。具體計算公式如下：

Wc=104×H×Pc×rw

(7)

Wo=104×H×Po×rw

(8)

WA=Wc+Wo

(9)

式中：Wc為土壤毛管持水量(t·hm-2)；Wo為土壤有效持水量(t·hm-2)；WA為土壤飽和持水量(t·hm-2)；H為土層深度(0.1 m)；Pc為土壤毛管孔隙度(%)；Po為土壤非毛管孔隙度(%)；rw為水容重(t·m-3)。

2.2.4數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0和Excel 2010對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、差異性檢驗、制圖。

3 結果與分析

3.1 不同植物群落土壤容重及孔隙度特征

在土壤物理性質特征中，容重和孔隙度直接影響土壤的透水性和通氣性，是決定荒漠生態(tài)系統(tǒng)中土壤結構的重要因素之一，是反映土壤緊實程度的重要指標。土壤容重越大，總孔隙度越小，則土壤越緊實。從表3測試分析結果可知，整體上不同植物群落土壤容重隨土層深度的增加無明顯變化規(guī)律，土壤容重變化范圍為 0.99～1.70 g·cm-3。5種群落土壤0～60 cm容重平均值大小為：膜果麻黃群落(1.63 g·cm-3)>唐古特白刺群落(1.58 g·cm-3)>梭梭群落(1.51 g·cm-3)>球果白刺群落(1.48 g·cm-3)>鹽爪爪群落(1.08 g·cm-3)。不同植物群落土壤總孔隙度隨土層變化而變化，但無明顯規(guī)律，其變化范圍為 28.48%～53.78%，土壤0～60 cm孔隙度平均值大小為：鹽爪爪群落(50.22%)>梭梭群落(38.34%)>球果白刺群落(37.96%)>唐古特白刺群落(34.88%)>膜果麻黃群落(31.96%)；土壤毛管孔隙度變動范圍在 28.04%～51.97% 之間，平均值大小為鹽爪爪群落(48.06%)>梭梭群落(37.59%)>球果白刺群落(36.45%)>唐古特白刺群落(34.20%)>膜果麻黃群落(31.14%)；土壤非毛管孔隙度變化范圍在0.16%～5.19%之間，平均值大小為鹽爪爪群落(2.16%)>球果白刺群落(1.51%)>膜果麻黃群落(0.82%)>梭梭群落(0.75%)>唐古特白刺群落(0.68%)。同群落的不同土層間土壤容重差異不顯著，鹽爪爪群落各層土壤容重顯著低于其他群落，總孔隙度和毛管孔隙度顯著低于其他群落；各群落間與各土層間土壤非毛管孔隙度差異不顯著。

表3 不同植物群落的土壤容重及孔隙度

對比分析不同植物群落土壤容重和孔隙度特征可知，鹽爪爪群落土壤孔隙度最大，土壤通透性最好，有利于植物根系生長；唐古特白刺、球果白刺和梭梭群落次之；膜果麻黃群落土壤孔隙度最小，土壤較為緊實，通氣性較差，會影響植物根系對水分和養(yǎng)分的吸收。

3.2 不同群落土壤持水能力

3.2.1不同群落土壤自然含水率特征

由圖1可知，不同植物群落各土層自然含水率均隨土層深度增加呈上升趨勢。其中，膜果麻黃、球果白刺和梭梭群落土壤自然含水率隨土層深度增加變幅較小，而鹽爪爪和唐古特白刺群落土壤自然含水率變幅較大，且遠高于其他3個群落。5種群落土壤0～60 cm土壤自然含水率大小為：鹽爪爪群落(13.92%)>唐古特白刺群落(9.97%)>梭梭群落(3.06%)>球果白刺群落(2.36%)>膜果麻黃群落(0.84%)。

注：大寫字母表示不同群落間差異顯著，小寫字母表示不同土層深度間差異顯著，P<0.05。

3.2.2不同植物群落土壤持水特性

根據(jù)表4可知，唐古特白刺、鹽爪爪、膜果麻黃、球果白刺、梭梭群落土壤最大持水量的變化范圍分別在 309.93～383.19、486.57～537.76、293.81～361.02、342.07～422.74、284.75～446.52 t·hm-2之間，其平均值分別為 348.76、502.19、319.55、379.63、383.38 t·hm-2；土壤毛管持水量的變化范圍在 308.31～380.27、437.05～519.72、286.05～352.34、335.95～406.46、280.41～439.92 t·hm-2之間，其平均值為342.00、485.54、311.36、364.50、375.87 t·hm-2；土壤非毛管持水量變化范圍在 1.62～22.62、9.62～51.90、7.60～9.34、6.12～30.16、3.96～16.94 t·hm-2之間，平均值分別為 6.76、21.64、8.19、15.12、7.51 t·hm-2。鹽爪爪群落各層土壤最大持水量和毛管持水量顯著高于其他群落；唐古特白刺群落、膜果麻黃群落和球果白刺群落40～60 cm土層土壤最大持水量顯著低于其他植物群落；各群落間與各土層間土壤非毛管持水量差異不顯著。

表4 不同群落土壤持水量

5種植物群落土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量變化范圍在 284.75～537.76、280.41～519.72、1.62～30.16 t·hm-2之間，最大值均出現(xiàn)在鹽爪爪群落；土壤最大持水量和毛管持水量最小值均出現(xiàn)在膜果麻黃群落；非毛管持水量最小值出現(xiàn)在唐古特白刺群落。由此可見鹽爪爪群落土壤持水能力最強，遠超其他植物群落，梭梭與球果白刺群落次之且土壤持水能力相似，唐古特白刺群落持水能力較差，膜果麻黃群落土壤持水能力最差。

4 討論

土壤的物理性質因不同群落類型而有所差異，前人研究已有證明。土壤容重影響著群落水分、濕氣和能量的流通、儲備和分配。土壤容重大表示土壤質地緊實，缺乏團粒結構，群落的發(fā)生、發(fā)育相對困難；容重小表示土壤質地松軟結構性優(yōu)良，利于植物群落的生長。本研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)5個群落中不同植物群落土壤容重隨著土壤深度的增加有著不同程度變化，但無明顯規(guī)律；但鹽爪爪群落土壤容重均整體上隨著土層深度的增加而增加，這與高露等[10]研究一致。

土壤孔隙度是一個關于土壤通氣和水分滲透的重要指數(shù)。本研究表明：不同群落土壤孔隙度隨土層增加的變化趨勢與土壤容重相近，且鹽爪爪群落的土壤孔隙度遠高于其他群落。徐燕等[11]在貴州喀斯特山區(qū)研究土壤物理性質對土壤侵蝕的影響時得出結論：土壤容重越大，總孔隙度越小，土壤侵蝕越嚴重。本次研究中5種植物群落符合這一規(guī)律。膜果麻黃群落土壤容重最大且總孔隙度最小，鹽爪爪群落土壤容重最小且孔隙度最大。

不同植物群落土壤含水率均隨著土層深度增加而增加，且最大值出現(xiàn)在鹽爪爪群落，這與其良好的土壤通透性有關。較好的土壤通透性更有利于土壤透氣透水以及植物根系的穿插，有利于抑制土壤的侵蝕，這與徐燕等[11]研究的結論一致。

在本次研究中，鹽爪爪群落的土壤飽和持水量、毛管持水量和非毛管持水量在5種群落中均為最高，體現(xiàn)了其群落土壤的最大蓄水能力、供水能力和生產(chǎn)力[12]，這與其疏松的土壤結構和發(fā)達的土壤孔隙有關[13]，這與程漢亭[14]研究的結論一致。

5 結論

(1)不同植物群落土壤容重平均值大小為：膜果麻黃群落>唐古特白刺群落>梭梭群落>球果白刺群落>鹽爪爪群落。膜果麻黃群落土壤較為緊實，鹽爪爪群落土壤較疏松。

(2)各群落土壤總孔隙度和毛管孔隙度均表現(xiàn)為：鹽爪爪群落>梭梭群落>球果白刺群落>唐古特白刺群落>膜果麻黃群落。非毛管孔隙度為：鹽爪爪群落>球果白刺群落>膜果麻黃群落>梭梭群落>唐古特白刺群落。鹽爪爪群落土壤通透性最好，膜果麻黃群落最差。

(3)各群落土壤含水率均隨土層深度增加整體呈上升趨勢，群落土壤平均含水率表現(xiàn)為：鹽爪爪群落>唐古特白刺群落>梭梭群落>球果白刺群落>膜果麻黃群落。

(4)各群落土壤總持水量和毛管持水量均表現(xiàn)為：鹽爪爪群落>梭梭群落>球果白刺群落>唐古特白刺群落>膜果麻黃群落；土壤非毛管持水量表現(xiàn)為：鹽爪爪群落>球果白刺群落>膜果麻黃群落>梭梭群落>唐古特白刺群落。鹽爪爪群落土壤持水能力最好，膜果麻黃群落最差。