延庆区荒滩地土壤理化性质及其对植物多样性的影响

李晓娜， 张微微， 赵春桥， 宋进库， 史瑞双， 薛瑞彬， 王 超

(1.北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心， 北京100097； 2. 河北省怀来县农牧局， 河北 怀来 075400)

延庆区位于北京的西北部，处于内蒙古高原和河北坝上地区与北京平原区的过渡地带，是北京西北部的重要生态屏障[1]。2019年世园会和2022年冬奥会申办的成功，给这一地区的生态环境提出了更高的要求。近20年来，延庆区开展了大规模的荒滩生态恢复工程，植被状况得到了明显改善。但是在乡村周边仍然存在部分卵石滩和沙坑，该区域土层浅薄，立地条件恶劣，因经常堆积建筑垃圾或生活垃圾，土壤理化性质差异极大，地上部植被呈斑秃状分布，快速植被恢复技术研究成为当前亟需解决的问题。植被-土壤系统是不可分割的整体[2-3]，其相互作用机理是控制生态系统过程的重要机制[4-5]。土壤作为植物生长的重要物质基础，为植物生长提供必须的矿质营养和水分，土壤条件的差异会直接影响着植物的生长发育，从而影响物种多样性[6]，通过对特定环境条件下生态系统中土壤理化性质变化进行研究，探讨植物多样性指数和土壤理化指标的相关关系，探索植被-土壤系统的作用机理，对延庆荒滩地植被恢复中的物种选择与配置具有较高的理论价值与现实意义。

在前人的研究中，土壤理化性质对地上部植被生物多样性影响的结论不尽相同。龚艳宾等[7]研究表明土壤全钾、pH值、速效磷对草本植物多样性格局具有明显影响。盛茂银等[8]研究表明土壤有机质、氮素、毛管持水量、容重和孔隙度与植物多样性具有明显的正相关关系。姚喜喜等[9]在祁连山高寒牧区的研究则表明草地平均生物量、盖度与土壤有机质、全氮、全磷、速效钾含量呈负相关关系。张雪妮等[10]研究了不同水盐梯度下荒漠植物多样性与土壤理化性质的关系，结果表明不同水盐梯度条件下，土壤因子对植物多样性影响不同。在前人的研究中，也有结论认为土壤营养对生物多样性没有影响[11]。

本研究以北京市延庆区大榆树镇荒滩地为研究对象，分析土壤理化性质与植物多样性特征及两者之间的相关性，探讨荒滩地植被恢复模式，以期为延庆区乃至整个北京郊区荒滩地生态系统恢复重建提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于北京市延庆区大榆树镇姜家台村与陈家营村之间。该地区所在地理位置为东经116°0′30″～116°1′30″，北纬40°26′30″～40°27′30″平均海拔492 m，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，气候冬冷夏凉，年平均气温8.4℃，降雨少且主要集中在7—9月，1998—2018年的年平均降雨量为459 mm。土壤母质层主要以石灰岩为主，土壤类型主要为石灰性褐土。

1.2 研究方法

1.2.1 样方设置 研究区域共占地面积26.7 ha，通过对研究区详细探查，初步根据地表覆盖度、地形、地表植物生长情况将其分为27块样地，每块样地采用等距取样法[12]设置3个1 m×1 m的样方。于2018年6月23—25日进行调查取样。记录每个样方内盖度、植物种类、各种植物个体数等指标，在每个样方内按照5点取样法[12]分层(表层：0～10 cm，亚表层10～20 cm)采集土壤样本，每层5个点的土壤混合均匀作为1个土壤样本，带回实验室后一部分立即测定土壤水分，之后过2 mm筛，通过称重法计算石砾含量(Gravel content，GC)，另一部分先风干过1 mm孔径筛后测土壤pH和有效态养分含量，从过1 mm孔径筛的土样中按照四分法取部分过0.15 mm孔径筛，用于测定土壤有机质、全氮、全磷含量；同时在每个样方内按照5点取样法用环刀、塑料盒采集表层(0～10 cm)土壤原状土，带回实验室测定土壤物理性质。

1.2.2 土壤理化指标测定 采用环刀法[13]测定土壤容重(Bulk density，BD)、田间持水量(Field water holding capacity，FWHC)、最大持水量(Maximum water holding capacity，MWHC)、毛管持水量(Capillary water holding capacity，MWHC)和总孔隙度(Total porosity，TP)；铝盒称重法[13]测定土壤水分(Soil water，SW)；电位计法测定土壤pH值(水土质量比2.5∶1)，电导法测定土壤可溶性盐总量(Electrical conductivity，EC)，重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量(Organic matter content，OMC)，半微量凯氏定氮法测定土壤全氮含量(Total nitrogen content，TNC)，氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量(Total phosphorus content，TPC)，碱解扩散法测定土壤碱解氮含量(Alkali-hydrolyzable nitrogen content，AHNC)，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量(Available phosphorus content，APC)，乙酸铵浸提-原子吸收分光光度计法测定速效钾含量(Exchangeable potassium content，EKC)，乙酸铵交换法测定土壤阳离子交换量(Cation exchange capacity，CEC)[14]。

1.2.3 植物多样性指数[15-16]计算

物种丰富度Margalef指数：

(1)

生态优势度Simpson指数：

(2)

信息多样性Shannon-Wiener指数：

(3)

均匀度Pielou指数：

(4)

式中，S为物种数，Ni、N为某物种、所有物种株数，Pi=Ni/N

1.3 数据处理

利用Excel 2010软件计算植物多样性指数与变异系数，利用SPSS 20.0软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 延庆荒滩地土壤理化性质

表1为研究区土壤理化性质，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[17]，该区域表层、亚表层平均土壤有机质含量、全氮含量、碱解氮含量均处于最低级别，说明整个区域土壤养分含量均处于较低水平。采用变异系数(Coefficient of variation，CV)来表征土壤理化性质空间变异程度，CV≤10%时为弱变异性，10%

该区域土壤中石砾含量较多，且亚表层石砾含量高于表层，亚表层土壤石砾含量最大值达到48%，土壤平均含水量仅为8.5%，平均田间持水量为26.34%，说明整个区域土层浅薄且有效土壤较少从而导致土壤承载水分能力不足。

表1 研究区域土壤理化性质特征分析Table 1 Analyses of the physical and chemical characteristics of soil in the study area

注：表层指0～10 cm土壤，亚表层指10～20 cm土壤

Note:The surface layer is the 0～10 cm soil and the subsurface layer is the 10～20 cm soil

2.2 延庆荒滩地植物物种组成及生物多样性

2.2.1 物种组成 表2为研究区域植物物种组成，研究区域共调查草本植物49种，隶属于18科41属。其中菊科、禾本科、豆科、藜科含物种数较多，分别含10，10，5和4种。旋花科、茄科、牻牛儿苗科、蓼科、唇形科含物种数2～3种，其余苋科、桑科等9科为单科单种生活型，占总科数的50%。所有物种中59.2%为一年生晚春型草本植物，在延庆区生育期较短，一般为6—9月。在所有样地中禾本科中的狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv.)，藜科中的藜(ChenopodiumalbumL.)，菊科中的大籽蒿(ArtemisiasieversianaEhrhart ex Willd.)出现频次最高，为优势种。

表2 研究区域植物物种组成Table 2 Species of vegetation community of the study area

2.2.2 植物群落多样性 表3为研究区域内植物群落多样性特征，群落多样性由物种丰富度指数(Margalef指数)、多样性指数(Shannon-Wiener指数和Simpson指数)和均匀度指数(Pielou指数)来表征。可以看出研究区域内植物群落多样性的4种指数数值均较低，Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数最小值仅为0.07，0.05，0.03，表示该区域植物生态系统退化严重。各多样性指数的CV值大小为Sim>Pie>Sha> Mar，并且介于10%～100%之间，均属于中等变异性，其中Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数的变异系数均达到了58%以上，同时该区域植物盖度变异系数为49.38%，也属于中等变异性，表明该区域植物群落的物种多样性、均匀度和盖度空间差异较大。

表3 研究区域植物群落多样性特征Table 3 Plantcommunity diversity indexes of the study area

2.3 延庆荒滩地土壤理化性质与植物多样性的关系

研究结果表明(表4、5)表层与亚表层土壤理化性质与植物多样性之间存在不同程度相关关系。其中Margalef指数与表层、亚表层土壤有机质含量之间均存在显著正相关关系，与表层土壤全氮、碱解氮含量之间呈显著正相关关系，与表层土壤总孔隙度之间呈极显著正相关关系；Simpson指数与表层土壤总孔隙度呈显著正相关关系，与亚表层土壤有机质、全氮含量呈显著正相关关系；Shannon-Wiener指数与亚表层土壤全氮含量呈显著正相关关系。表明土壤中有机质、氮素含量越高、总孔隙度越大，地上部植被物种丰富度、多样性越高。

植被盖度与土壤有机质、全氮、碱解氮含量均呈正相关关系，其中与表层土壤有机质、氮素含量呈显著正相关关系，与土壤全磷含量呈显著负相关关系，与有效磷含量呈极显著负相关关系。表明土壤有机质、氮素含量越高，地上部植被盖度越高；同时随着植被盖度的增加，土壤磷素含量下降。

表4 表层土壤理化性质与植物多样性关系Table 4 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of the surface layer soil

注：*表示相关性显著(P<0.05)，**表示相关性极显著(P<0.01)，下同

Note:*indicate significant correlation at the 0.05 level,**indicate significant correlation at the 0.01 level. The same as below

表5 亚表层土壤理化性质与植物多样性关系Table 5 Correlation of plant diversity and soil physical-chemical factors of subsurface layer

3 讨论

3.1 延庆区荒滩地土壤理化性质空间变异特征

土壤理化性质在大尺度上的变异性主要受土壤母质、地形地貌、气候条件等影响，在小尺度区域则多受人类活动的影响[20]。目前关于土壤理化性质空间变异性的研究多关注耕地养分的变化，或对不同环境条件的土壤理化性质进行比较[20-22]，而对较小空间尺度，同一环境内部土壤理化性质空间变异性的研究较少。本研究结果表明研究区域表层、亚表层土壤化学与物理性质均存在较大的空间变异性，土壤化学性质空间变异程度大于物理性质，尤其是土壤有机质、有效磷与电导率，其中表层、亚表层土壤有机质、有效磷空间变异系数均达45%以上，亚表层电导率空间变异系数达74.32%。在小尺度上，土壤理化性质的变异性受人类活动的影响较大，本研究区域原为妫水河支流的废弃河道，土壤母质、气候、水文、地形条件基本一致，因临近村庄，经常堆积建筑或生活垃圾，区域内土壤理化性质斑块特征明显，垃圾堆积区域表层土壤有机质含量，亚表层土壤电导率高于自然发育土壤。人类的强烈干扰活动增加了土壤理化性质的空间变异性，这与曾晓玲等[23]在古尔班通古特沙漠的研究，刘靖朝等[22]在林地的研究结果相同。

3.2 延庆区荒滩地植物群落组成及其影响因素

该区域内植被优势种群为狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物，仅在6—9月雨季快速生长，根系较浅，对土壤环境、降雨、温度变化比较敏感，植物群落稳定性差[24]。物种丰富度、多样性和均匀度能全面反映群落物种组成的结构水平。研究结果显示区域内物种丰富度、多样性及均匀度指数均存在较大的空间变异性，这与区域内土壤理化性质空间变异性大有关。

土壤理化性能直接影响地面植被特征、结构和功能，植被与土壤相互耦合、相互发展，同时也相互制约[25]。本研究表明土壤有机质、氮素含量对研究区域荒滩地植物群落多样性及盖度产生正相关影响。统计分析发现土壤有机质含量与Margalef指数、Simpson指数均存在显著正相关关系，土壤氮素含量与Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数也存在显著正相关关系。这一结果与杨祥祥等[26]在沙地土壤碳氮含量对植物群落多样性影响的研究结果一致，均表明在土壤退化严重区域碳氮含量能够影响植物群落的物种多样性，且对植物生产力和物种多样性具有正向的促进作用，因此土壤有机质和氮素成为该区域植物群落正向演替的关键因子。

在本研究中，研究区域内土壤磷含量与植物群落物种多样性、盖度呈现显著负相关关系，这与刘洋等[12]的研究结果一致，但与杨祥祥等[26]的研究结果并不一致。究其原因可能是本研究样地中磷含量水平与杨祥祥研究样地中磷的含量不一致所致。本研究区域内土壤速效磷平均含量为15.26 mg·kg-1，全磷平均含量为0.05%，根据全国第二次土壤普查养分分级标准[17]，属于3级水平，磷含量可以满足植物生长。而磷的补给主要来源于凋落物的矿化以及土壤矿质颗粒的风化，因此该区域内土壤磷素含量与植物群落物种多样性和盖度呈负相关关系主要是因为植物对磷的吸收速度大于凋落物磷的矿化速度所致。

4 结论

延庆区荒滩地土壤理化性质与地上部植物群落多样性空间变异程度均较大，土壤养分含量处于较低水平，地上部植物以狗尾草、稗草、藜等一年生晚春植物为主，物种多样性指数与丰富度指数均较低。植物群落多样性指数与土壤有机质、氮素含量呈显著正相关关系，与土壤磷素含量呈显著负相关关系，土壤有机质和氮素含量成为该区域植物生长和分布的限制因素。