高瑞，曹文俠，王辛有，王世林

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

“肥島”效應(yīng)是土壤養(yǎng)分資源在生物和非生物作用下，逐漸向草叢內(nèi)流動，造成草叢內(nèi)土壤養(yǎng)分顯著高于草叢外養(yǎng)分，在空間分布上呈現(xiàn)出一種養(yǎng)分匯集的現(xiàn)象[1]。“肥島”的形成改變了土壤養(yǎng)分的空間格局，而在受資源脅迫的干旱、鹽堿生態(tài)系統(tǒng)中，土壤養(yǎng)分能夠促進(jìn)根系的生長[5]，提高植物的存活率[6]，對植被結(jié)構(gòu)和功能有重要影響[7]。比如“肥島”有利于植物的更新和擴(kuò)散，同時又抑制了草本植物的生產(chǎn)力，北美干旱草原受這一機(jī)制的影響加速了荒漠化進(jìn)程[8]，因此“肥島”現(xiàn)象在干旱區(qū)備受關(guān)注[9]。

河西走廊地區(qū)存在大面積的鹽堿土地，鹽堿化程度較重，在利用耐鹽植物改良鹽堿地土壤的大趨勢下，干旱鹽堿化地區(qū)土壤養(yǎng)分空間分布特征和植物間關(guān)系成為重要研究課題。許捷等[10]的研究表明，同一群落不同養(yǎng)分的“肥島”作用范圍不同；何玉惠等[11]的研究結(jié)果表明，在灌叢下土壤養(yǎng)分在表層土壤富集；茍博文等[12]的研究表明，梭梭根區(qū)具有的“肥島”效應(yīng)聚集在0～40 cm土層；裴世芳等[13]的研究顯示，灌叢對土壤的有機(jī)質(zhì)、氮有明顯的富集和保護(hù)作用，對磷無明顯作用。然而，目前關(guān)于干旱鹽堿化地區(qū)“肥島”效應(yīng)的研究多集中于灌叢“肥島”方向，缺少叢生型草本植物“肥島”效應(yīng)對土壤影響的相關(guān)研究。芨芨草(Achnatherumsplendens)是生長在干旱地區(qū)的多年生草本植物，具有較強(qiáng)的耐旱、耐寒、耐鹽性[14]，其根系發(fā)達(dá)，入土深，能形成大的密叢，根系將土壤固結(jié)，能防風(fēng)固沙，有效阻止地表徑流，防止水土流失，是改良鹽堿地土壤的可選植物之一，也是天然的生態(tài)保護(hù)屏障。目前對于芨芨草的研究比較廣泛，但有關(guān)鹽堿地芨芨草“肥島”效應(yīng)對土壤養(yǎng)分空間分布的研究報道較少。

本研究以河西走廊鹽堿化草地芨芨草草叢為研究對象，通過對芨芨草草叢土壤養(yǎng)分的初步分析，來揭示芨芨草草叢土壤養(yǎng)分空間分布特征，從而對合理有效保護(hù)和改善芨芨草草地、改良生態(tài)環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅省酒泉市肅州區(qū)漫水灘村(N 39°40′52″，E 98°46′35″)，地處河西走廊西端阿爾金山、祁連山與馬鬃山之間的荒漠干旱草原地帶，三面環(huán)山，平均海拔1 385.7 m。北部是平坦的戈壁灘，蒸發(fā)量大，降水缺乏，屬典型大陸性溫帶干旱氣候，年平均氣溫7.3 ℃，年平均降水量僅87.7 mm，年平均蒸發(fā)量2 141 mm；溫差較大，降水分布不均，由北到南、從西到東逐漸遞增，夏季干熱期較短，冬季寒冷期較長[15]。

試驗(yàn)地土壤鹽堿含量高，有機(jī)質(zhì)缺乏，養(yǎng)分含量低，受水分及鹽堿條件限制，試驗(yàn)地區(qū)植被呈斑塊狀格局分布，群落結(jié)構(gòu)簡單，物種組成單一。優(yōu)勢種為聚鹽和泌鹽的灌木或多年生草本植物，如檉柳(Tamarixchinensis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)等。伴生種主要為耐鹽堿的多年生草本植物，如：鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)、堿蓬(Suaedaglauca)、賴草(Leymussecalinus)、藜(Chenopodiumalbum)和獐毛(Aeluropussinensis)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

1.2.1 樣品采集 2019年7月根據(jù)試驗(yàn)樣地內(nèi)芨芨草生長情況，選取冠幅相近、生長狀況良好、大小適中的芨芨草草叢[基徑為(35～39)cm×(36～43)cm]共6叢，作為研究草叢。對選取的每株芨芨草草叢，分別按照4個不同方位，每個方位按距離草叢中心(指肥島的幾何中心位置)20，40，60，100 cm分為5個取樣點(diǎn)，分別用YC(草叢中心)、Y0(距草叢中心20 cm)、Y1(距草叢中心40 cm)、Y2(距草叢中心60 cm)、Y3(距草叢中心100 cm)來表示，各點(diǎn)按0～10，10～20，20～30，30～40，40～60 cm(5個土層)深度采集土壤樣品。然后將土樣置于已標(biāo)記好的塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室將土風(fēng)干后進(jìn)行土壤指標(biāo)的測定。

1.2.2 測定方法 土壤水分含量測定采用烘干恒重法，土壤pH值測定采用pH計(PHS-25，中國上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)測定，有機(jī)質(zhì)測定采用重鉻酸鉀外加熱法，全氮測定采用凱氏定氮法，堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法，全磷和速效磷測定采用鉬銻抗比色法，全鉀和速效鉀測定采用火焰光度計法[17]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析對相同土層芨芨草草叢距草叢中心不同距離的土壤養(yǎng)分進(jìn)行比較分析，顯著性水平設(shè)定為P<0.05。利用Microsoft Excel 2016進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤含水量的空間分布特征從YC到Y(jié)3，隨著距離的增加土壤含水量逐漸降低，隨著土層深度的增加，含水量逐漸增加，除0～10 cm土層外，其余各土層YC含水量顯著高于其他各點(diǎn)(P<0.01)，10～60 cm各土層從YC到Y(jié)0，含水量分別從10.73%下降到5.06%，從12.61%下降到6.10%，從13.79%下降到8.36%，從14.46%下降到9.96%。0～10 cm土層，YC或Y0>Y1>Y2(P<0.01)，YC和Y0差異不顯著(P>0.05)，Y1和Y3差異不顯著(P>0.05)，Y2和Y3差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，從YC到Y(jié)0，含水量下降較大，Y0到Y(jié)1含水量有所回升，YC>Y1>Y0、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，YC到Y(jié)0變化速率較大，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y1>Y2(P>0.05)，Y0、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 芨芨草草叢土壤含水量

綜上，土壤水分含量隨著離草叢中心的距離增加而下降，且隨著土層深度的增加而增加，在各土層中，草叢中心含水量明顯高于其余各點(diǎn)，距草叢中心40 cm處有小幅度升高，隨后又開始下降。

2.2 土壤pH值變化特征

芨芨草草叢周圍土壤pH值變化特征表現(xiàn)為各土層YC處pH值明顯低于其余各點(diǎn)，隨土層深度的增加pH值逐漸增大，Y0到Y(jié)3，隨土層深度的增加pH值逐漸減小，40～60 cm土層pH值又有所升高。從YC到Y(jié)0，0～60 cm各土層pH值分別從7.73上升到8.59，從7.94上升到8.49，從8.24上升到8.32，從8.18上升到8.46，從8.25上升到8.45。0～10 cm土層，YC和各點(diǎn)差異顯著(P<0.05)，其余各點(diǎn)之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC和各點(diǎn)差異顯著(P<0.01)，其余各點(diǎn)之間差異均不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，Y1>YC、Y0(P<0.01)，Y3>Y2(P<0.05)，Y1和Y3、YC、Y0和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，Y0、Y1>Y2、Y3>YC(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 芨芨草草叢土壤pH值

綜上，同土層以草叢中心的pH值最低，隨土層深度的增加而增大。0～30 cm土層草叢中心到距草叢中心20 cm處pH值變化較大，30～60 cm變化較小，除了草叢中心外，其他各點(diǎn)隨距離的增加變化不顯著。草叢中心到距草叢中心100 cm內(nèi)，0～30 cm土層，隨著土層深度的增加土壤pH值逐漸降低，到30～60 cm土層，pH值又有小幅的回升。

2.3 土壤有機(jī)質(zhì)含量變化特征

隨著距離的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，YC到Y(jié)0下降速率最大，0～60 cm各土層有機(jī)質(zhì)分別從13.73 g/kg下降到6.84 g/kg，從12.11 g/kg下降到5.18 g/kg，從11.24 g/kg下降到5.18 g/kg，從7.12 g/kg下降到6.04 g/kg，從8.34 g/kg下降到5.48 g/kg，隨著土層深度的增加有機(jī)質(zhì)含量也在逐漸減少。0～10 cm土層，YC到Y(jié)0土壤有機(jī)質(zhì)含量下降較快，Y0到Y(jié)3緩慢下降，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC>Y0、Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，相比其他土層下降緩慢，YC>Y0>Y1>Y2(P<0.01)，Y1和Y3、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC、Y2>Y0、Y1、Y3(P<0.01)，YC和Y2之間差異不顯著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖3 芨芨草草叢土壤有機(jī)質(zhì)含量

綜上，隨著距離的增加，有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，草叢中心到距草叢中心20 cm，0～30 cm土層下降速率最大，30～60 cm土層下降速率較小，但差異均顯著。隨著土層深度的增加有機(jī)質(zhì)含量也在逐漸減少，草叢中心到距草叢中心20 cm差異顯著，距草叢中心20～100 cm中，隨著土層深度的增加有機(jī)質(zhì)含量也在逐漸減少，但差異不顯著。

2.4 土壤全氮含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤全氮含量的空間分布0～10 cm土層，YC>Y0、Y2>Y1、Y3(P<0.01)，Y0和Y2、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC、Y0>Y2>Y1、Y3(P<0.01)，YC和Y0、Y1和Y3之間差異均不顯著。20～30 cm土層，YC、Y0、Y3>Y2>Y1(P<0.01)，YC、Y0和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，Y0>YC、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，YC、Y1、Y2和Y3(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y0，Y1、Y3>Y2(P<0.01)，YC、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)，Y0和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)(圖4)。

圖4 芨芨草草叢土壤全氮含量

綜上，草叢中心到距草叢中心20 cm呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，距草叢中心20 cm到距草叢中心100 cm變化趨勢不明顯。在距草叢中心20 cm處，除了40～60 cm土層，全氮含量在其余各土層基本處于最低值。

2.5 土壤全磷含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤全磷含量隨著距離的增加逐漸減小，Y3處有所回升，隨著土層深度的增加，全磷含量逐漸減小。除0～10 cm土層外，其余各土層先減小到Y(jié)2，然后Y3處又有所回升。0～10 cm土層，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC>Y0>Y1、Y3>Y2(P<0.01)，Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，YC>Y0>Y1、Y3>Y2(P<0.01)，Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，YC>Y0>Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y0>Y1>Y3>Y2(P<0.01)(圖5)。

圖5 芨芨草草叢土壤全磷含量

綜上，隨著距離的增加全磷含量逐漸減小，距草叢中心40 cm處達(dá)到最低值，距草叢中心100 cm處有所回升。隨著土層深度的增加，全磷含量逐漸減小，草叢中心到距草叢中心40 cm處變化差異不顯著，距草叢中心40 cm到距草叢中心100 cm處，變化差異顯著。

2.6 土壤全鉀含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤全鉀含量的空間分布特征總體來看，隨著距離的增加全鉀含量都有先增加，再降低，再增加在降低的變化趨勢。0～10 cm土層，YC、Y0、Y2>Y1>Y3(P<0.01)，YC、Y0、Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，Y0和各點(diǎn)差異顯著，其余各點(diǎn)均無顯著差異。20～30 cm土層，Y0>Y1>Y3(P<0.01)，Y0和Y1、YC和Y2、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，Y0>YC、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，YC、Y1、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，Y0、Y1>Y3>YC(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)，Y2和Y3之間差異不顯著(P>0.05)(圖6)。

圖6 芨芨草草叢土壤全鉀含量

綜上，土壤全鉀含量隨著距草叢中心的增加都有先增加，再降低，再增加再降低的變化趨勢，其余變化差異不顯著。

2.7 土壤堿解氮含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤大麥解氮含量總體上隨距離的增加逐漸減小，YC到Y(jié)0處，下降速率較大。0～10 cm土層，從Y0到Y(jié)1有小幅度回升，其他各段都在減小，YC>Y1>Y0、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC>Y0、Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，從Y0到Y(jié)1有所回升，其余各段均逐漸減小，YC>Y1、Y2>Y0、Y3(P<0.01)，Y0和Y3、Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，變化波動不大，YC>Y3>Y0>Y2(P<0.01)，YC和Y1、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y0、Y2>Y1>Y3(P<0.01)，Y0和Y2之間差異不顯著(P>0.05)(圖7)。

圖7 芨芨草草叢土壤堿解氮含量

綜上，土壤堿解氮含量變化隨距離的增加堿解氮含量逐漸減小，草叢中心到距草叢中心20 cm處，下降速率較大。草叢中心隨土層變化顯著，逐漸降低，距草叢中心20～100 cm變化不明顯。

2.8 土壤速效磷含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤速效磷含量的空間變化特征，0～30 cm土層隨距離增加速效磷含量逐漸減小，30～60 cm土層從Y1到Y(jié)2小幅回升，其余的段都減小。0～10 cm土層，YC>Y0>Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y1和Y2之間差異不顯著(P>0.05)。10～20 cm土層，YC>Y0>Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y2和Y3之間差異不顯著(P>0.05)。20～30 cm土層，Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。30～40 cm土層，YC>Y1>Y3(P<0.01)，YC和Y2、Y0和Y1、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y2>Y1(P<0.01)，Y3>Y1(P<0.01)，YC、Y2和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之間差異均不顯著(P>0.05)(圖8)。

圖8 芨芨草草叢土壤速效磷含量

綜上，土壤速效磷含量0～30 cm土層，隨距離增加速效磷含量逐漸減小，草叢中心到距草叢中心20 cm，速效磷含量逐漸下降，且差異顯著，距草叢中心40～100 cm變化不顯著，隨著土層深度的增加速效磷含量逐漸降低。30～60 cm土層，隨距離增加下降至距草叢中心40 cm處，隨后又逐漸增加，隨著土層深度的增加速效磷含量逐漸升高。

2.9 土壤速效鉀含量變化特征

芨芨草草叢周圍土壤速效鉀含量的空間分布特征，0～10 cm土層，隨距離草叢中心增加速效鉀含量逐漸降低，YC>Y0>Y1>Y2、Y3，Y2和Y3之間差異不顯著。10～20 cm土層，YC>Y2>Y1>Y0>Y3。20～30 cm土層，YC>Y0>Y1>Y2>Y3(P<0.01)。30～40 cm土層，逐漸減小，Y0>YC>Y1、Y2>Y3，Y1和Y2之間差異均不顯著(P>0.05)。40～60 cm土層，YC>Y3>Y0、Y2>Y1，Y0和Y2之間差異不顯著(圖9)。

圖9 芨芨草草叢土壤速效鉀含量變化

綜上，隨距離增加速效鉀含量逐漸減小，隨著土層深度的變化差異不顯著。

3 討論

當(dāng)今世界人口不斷膨脹，土地退化，可利用土地資源匱乏，促使人們將注意力轉(zhuǎn)向鹽堿荒地的開發(fā)和利用。鹽堿地具有巨大的經(jīng)濟(jì)價值和生產(chǎn)潛力，優(yōu)化鹽堿地土壤的開發(fā)、改良技術(shù)，對于合理利用鹽堿地，緩解耕地少、后備土地資源不足，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[17]。本研究通過分析芨芨草草叢土壤養(yǎng)分含量，揭示芨芨草草叢對貧瘠鹽堿地生境的適應(yīng)和改良機(jī)制。結(jié)果表明土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀均在草叢冠下富集，土壤表層養(yǎng)分含量草叢內(nèi)明顯高于草叢外，具有典型的“肥島”效應(yīng)。這表明“肥島”效應(yīng)的形成與芨芨草形態(tài)結(jié)構(gòu)特征有著密切關(guān)系?？赡苁怯捎谝环矫孳杠覆莸厣喜糠帜苄纬呻[蔽性很好的密叢，可以為各種動物提供良好的棲居環(huán)境，動物產(chǎn)生的排泄物及其殘體可以增加養(yǎng)分富集[18]，同時高大的密叢還可以減弱風(fēng)蝕，保持凋落物[10,19]，并且可以有效減少輻射量，降低土壤溫度，以植物蒸騰代替地表蒸發(fā)，另外根系對離子的選擇性吸收和植物有機(jī)酸的分泌造成草叢中心堿性低于草叢外[20-21]，草叢內(nèi)對降水的再分配使得草叢內(nèi)形成低pH值、高含水量和低鹽含量的土壤環(huán)境[22-23]，這種土壤環(huán)境有利于微生物的活動，對分解凋落物和動物殘體有很大幫助，從而使草叢內(nèi)養(yǎng)分含量高于草叢外養(yǎng)分含量。另一方面芨芨草地下根系分布于淺土層[24]，根系脫落物和對養(yǎng)分地吸收轉(zhuǎn)運(yùn)是草叢內(nèi)土壤養(yǎng)分的主要來源，因此呈現(xiàn)出從土壤表層至深層養(yǎng)分含量逐漸遞減的趨勢，這與王勇輝等[24]、蘇永忠等[5]和Klemmendson等[26]研究結(jié)果一致。這兩個方面共同作用形成了芨芨草草叢土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性。

芨芨草草叢不僅在不同土層、不同距離下富集養(yǎng)分有差異，且對不同土壤養(yǎng)分的富集效果也不同，這種土壤養(yǎng)分的富集差異受植被類型、生長狀況和土層深度等因素共同影響[27]?！胺蕧u”對土壤有機(jī)質(zhì)的影響主要在于芨芨草自身殘枝落葉地返還和通過阻風(fēng)固塵作用截獲風(fēng)中的凋謝物[28]，因此草叢內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分含量較高。肥島對土壤全氮有明顯的富集作用，這與芨芨草生長發(fā)育合成蛋白質(zhì)需要通過根系吸收氮素有關(guān)，全氮含量會隨根系的擴(kuò)張而變化。全鉀無顯著變化規(guī)律，肥島對全鉀含量影響較小，全鉀含量可能主要與當(dāng)?shù)爻赏聊纲|(zhì)有關(guān)[29]。速效養(yǎng)分是可通過植物吸收且快速利用的，芨芨草生長發(fā)育需要吸收大量養(yǎng)分，使養(yǎng)分在根系分布附近大量積累[30-31]，促使芨芨草快速生長，不斷擴(kuò)大根系的空間分布。

4 結(jié)論

1)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀的含量隨離草叢中心距離的減少而增加，隨土層深度的增加而減少，土壤養(yǎng)分主要富集于草叢下，而且表層土壤更加明顯。

2)與草叢外土壤相比，草叢內(nèi)土壤含水量較高、pH值較低，對鹽堿地惡劣的土壤環(huán)境治理恢復(fù)有重要作用。