近自然恢复状态下荒漠草原不同群落表土粒度特征研究

2019-11-07王瑞东党晓宏蒙仲举

草地学报 2019年5期

王瑞东，高永，党晓宏,2*，蒙仲举, 张格，张超，万芳

(1. 内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010018； 2. 内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古鄂尔多斯 017400；3. 中国林业科学研究院沙漠林业实验中心，内蒙古蹬口 015200)

内蒙古希拉穆仁草原作为我国北方重要的草地生态系统，在气候调节、水土保持、荒漠化防治等生态功能方面发挥着特殊的生态学意义，乃至在整个北方地区农牧交错带的经济发展也发挥着重要的作用[1-2]。有研究表明，采取围封措施在一定时间可以有效使已退化的草地恢复到一个近自然状况[3]，以此改变近地表风蚀率及减少土壤风蚀量[4]。在长期围封草地的过程中，草地群落的多样性及结构的显著变化会对小区域生态系统带来重要的影响[5]。尤其在干旱区、半干旱区草地的恢复过程中，植被为适应其生长环境不断进行自我调节，植被高度、盖度、生物量会出现不同程度的波动变化[6-7]。草地生态系统由于自身的复杂性和长期过度放牧、旅游、开采等人类活动干扰和气候波动，退化草地群落围封后在恢复过程中出现正、负两面性，负面影响指已退化的荒漠草原由原先分布均一、植被较繁茂的草地变得稀疏低矮，在长期风力侵蚀作用下，地表细颗粒物质被吹蚀，导致地表呈现粗粒化，地表土壤颗粒粒度分布发生明显变化[8-9]。

地上植被与地下土壤存在密切的关系[10]，植被盖度与土壤机械组成、含水量等呈正相关关系，在生态学领域属于重点研究范围[11-12]。土壤粒度特征能够有效地表征土壤的机械组成状况，土壤颗粒直径大小直接影响着水分的运输与传导、蒸发及养分积累，很大程度上表征了土壤颗粒的运移特征，决定土壤抗风蚀性的强弱[13-15]，在土地荒漠化和风蚀程度研究中备受关注[16-17]。目前利用土壤颗粒机械组成的研究已经较为成熟，研究结果简单准确，因此利用激光衍射法分析土壤颗粒机械组成能够有效说明土壤粗粒化现象[18]。在长期进行围封措施后草地达到近自然状态时，通过对不同类型群落地表土壤颗粒粒度特征的研究，对揭示近自然状态下草地表层风蚀特征有重要生态学意义。

基于此，本文以内蒙古阴山北麓中部的希拉穆仁荒漠草原围封16年的蒙古韭(Alliummongolicum)、银灰旋花(Convoloulusammannii)、克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschimensis)、洽草(Koeleriaglauca)、短花针茅(Stipabrevii))6种类型群落表层土壤为研究对象，通过对不同类型群落地表0～2 cm土壤粒度参数的测定，分析退化草原在围封后恢复到近自然状态下不同群落植被盖度的土壤风蚀粗粒化差异及特征，并对地表土壤易受风蚀颗粒分布频率范围进行判别，为该地区草原利用地表粗化程度进行评估和植被群落稳定、制定合理围封等退化防治策略提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古高原中部地带的南缘达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)南部希拉穆仁草原(111°13′39″ E，41°21′1″ N)，该区域属低山丘陵类型，地形低缓起伏，平均海拔高度1 600 m。中温带半干旱大陆性季风气候，多年平均降水量为279.40 mm，主要集中在7—9月；全年多风，年均风速4.50 m·s-1，年大风日数为63 d，风沙天气主要集中冬春两季，以北风和西北风为主。试验地风蚀和水蚀交替作用造成土壤板结和地表颗粒粗化，使希拉穆仁草原生态环境脆弱，该区域地带性土壤主要以栗钙土为主，土壤质地较粗糙，多为砂质壤土。希拉穆仁镇地带性植被建群种植物为克氏针茅，草地群落主要以羊草×克氏针茅为主，其他植物种有蒙古韭、银灰旋花、洽草、短花针茅等多年生旱生草本植物，呈典型荒漠草原特征[16,19]。受当地过度放牧及旅游业等人为扰动活动的影响，该区域草地出现严重退化。试验地在保证完全排除放牧和旅游等人为干扰后从2002年起进行围封管理，至2018年已围封16 年，围封面积达133 hm2。

1.2 样地布设与样品采集

试验于2018年8月中旬在希拉穆仁荒漠草原水利部水土保持试验中心围封区域内进行。为了研究围封区内不同群落草地在自然风蚀状态下的特征[20]，选择在坡向相同，地势平坦，坡度在2.5°～3.5°围封16年的草地，进行土壤和植被取样。采样区域东西长1.20 km，南北宽1.00 km，沿东西布设4条长度为300 m的样线，每条样线间隔50 m，根据优势种变化情况及其他植物群落特征设置35个样方，测量样方内各种植物的盖度、高度、频度和地上生物量等指标。并利用指示种分析法[19]确定6种群落类型样地，每类样地内包含3～10个1 m×1 m正方形植物样方。在取样前一周天气良好，无大风和降水，采样时选取平整地面，在已确定的6块不同植被类型样地，将样方内植物地上部分进行刈割，将地表枯落物等物质分装于塑封袋内，带回实验室，80℃烘干至恒重，称量其干重。土壤样品的采集在相应进行植被取样的位置，采用铁铲采集表层0～2 cm土样，实验室烘干处理后利用Mastersizer 3000 激光粒度分析仪分析其土壤机械组成状况。

1.3 土壤粒径参数模型

土壤样品烘干处理后利用土壤筛去除直径大于3.50 mm的粗物质颗粒和植物根系，称取5.00 g置于烧杯中，加入45.00 mL蒸馏水充分浸没样品，滴入1～2滴浓度为30% H2O2溶液。静置24 h后去除土壤中的有机质，待烧杯中无气泡产时，进行加热，使过剩的H2O2完全挥发反应。冷却后加入纯净水的同时滴入1 ～2 mL浓度为10%的HCL溶液，溶解样品中碳酸盐物质，再次静置24 h，测试样品中的pH值，待样品pH值呈中性后启动激光粒度分析仪(Mastersizer3000型，英国)，搅拌均匀后取适量样品于仪器中进行土壤粒度测定。利用分析仪器自带软件的用户分级功能，依据美国制土壤粒径分级标准[21]，将土壤样品按粒径划分为黏粒(<0.002 mm)、粉粒(0.002～0.05 mm)、极细砂(0.05～0.10 mm)、细砂(0.10～0.25 mm)、中砂(0.25～0.50 mm)、粗砂(0.50～1.00 mm)、极粗砂(1.00～2.00 mm)和砂石(>2.00 mm)，并输出土壤颗粒累计体积分数为5%，95%，16%，84%，25%，75%，50% 所对应的土壤颗粒径级后进行土壤粒度参数计算。

首先通过Udden～Wenworth粒级标准进行划分粒级，之后转换为利于计算的Ф值[22]，转换公式为：

Φ=-log2d

(1)

式中：d为以mm计算的颗粒直径。

粒度参数采用Foil-Ward的图解法[23](平均粒径d0、标准偏差б0、偏度SK与峰态Kg)进行相关计算。公式如下：

平均粒径：

d0=(Ф16+Ф50+Ф84)

(2)

标准偏差：

(3)

偏度：

(4)

(5)

平均粒径d0是表示土壤粒径中各级含量的平均分布情况，是描述土壤颗粒运动规律重要指标和影响土力水力性质等重要的物理特性之一[24]。标准偏差б0表示土壤颗粒分布数据集的离散程度，标准偏差值越小偏离值离平均值越小，表明土壤颗粒分布越均匀，分选性越好，根据标准偏差б0标准划分为7个分选级别[25]，分别表示为：б0≤ 0.35，分选性极好；0.35<б0≤ 0.50，分选性好；0.50<б0≤0.71，分选性较好；0.71<б0≤ 1.00，分选性中等；1.00<б0≤ 2.00，分选性较差；2.00<б0≤ 4.00，分选性差；б0>4.00，分选性极差。偏度SK又称为偏态系数，表征土壤粒度频率曲线相对于平均值的对称程度，判断土壤颗粒粒度的分布规律性，国家按其标准分为5个等级[26]，分别表示为：0.30≤SK<1.00，极正偏；0.10≤SK<0.30，正偏；-0.10≤SK<0.10，近于对称；-0.30≤SK<-0.10，负偏；-1.00≤SK<-0.30，极负偏。峰态Kg反映土壤平均粒度频率分布曲线在顶端尖峭或扁平的程度参数，对土壤颗粒频率分布曲线峰形的宽窄陡缓进行定量衡量，计算过程中以正态分布曲线为基准，土壤颗粒频率曲线一般用Ф95与Ф5之间粒度间距和Ф75与Ф25之间粒度间距表示，峰度值分别表示为：Kg≤0.67，很宽平；0.673.00，极尖窄[27]。

1.4 土壤粒度累积频率间平均距离的计算

土壤粒度累积频率分布间平均距离D与土壤粒度累积频率曲线共同反映不同群落类型间土壤质地的颗粒差异及变化分布情况，判别研究区地表颗粒向粗粒化方向发展状况[28]。

土壤粒度累积体积频率分布平均距离：

(6)

2 结果与分析

2.1 不同群落类型土壤粒度组成特征

由表2可知，蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅6种类型群落土壤粒度组成中均以砂粒和粉粒为主，砂粒平均体积百分含量分别为70.63%，63.94%，37.29%，75.97%，42.72%，41.75%；其中，克氏针茅地表极细砂平均含量显著高于他5种群落(P<0.05)。粉粒平均百分含量除蒙古韭、银灰旋花、羊草群落间基本无差异(P>0.05)，其他3种群落粉粒百分含量均在50%以上，克氏针茅群落粉粒平均百分含量最高，为62.65%，短花针茅次之，为55.67%，显著高于其他4种群落(P<0.05)。蒙古韭、羊草黏粒平均百分含量为0，其余4种群落表层土壤黏粒平均含量均未超过1%，彼此间差异显著(P<0.05)。克氏针茅群落表层砾石含量为0，其余5种群落表层土壤砾石平均百分含量均显著升高(P<0.05)，但彼此间无差异(P>0.05)。

表2 不同群落表层土壤粒度组成

注：表中同列不同小写字母表示各群落间差异显著(P<0.05)

Note：The different lowercase letters at the same column in the table refer to significant differences (P<0.05)

2.2 不同群落表土粒度参数特征

由表3可知，6种群落表土粒度参数平均粒径由大至小依次表现为羊草>蒙古韭>银灰旋花>洽草>短花针茅>克氏针茅。标准偏差由大至小依次表现为洽草>短花针茅>羊草>蒙古韭>银灰旋花>克氏针茅，即克氏针茅群落土壤分选性相比其他群落较差。偏度等级依次表现为正偏、近于对称、负偏、近于对称、极正偏、正偏,其中银灰旋花、羊草群落表土频率曲线形态对称，其他4种群落表土频率曲线形态不对称，克氏针茅群落波峰偏向细颗粒一侧，结合表2不同群落类型表土粒度组成分布情况，克氏针茅群落表土均以粉粒和砂粒中极细砂含量为主，细砂含量所占比例较少，且无中砂、粗砂、极粗砂、砾石存在，颗粒分布不对称。蒙古韭、短花针茅、洽草群落波峰均表现为偏向较粗粒一侧，颗粒以粗组分为主，其中洽草群落表土机械组成较蒙古韭、短花针茅群落较粗，土壤机械组成以砂粒为主，其中粗粒含量相对细砂、中砂含量较多，颗粒分布不对称，整体偏向粗颗粒一侧，粗化作用明显。银灰旋花、羊草群落在恢复过程中，表层土壤中细粒物质含量均比其他群落高，粗颗粒含量较少，进一步说明土壤颗粒组成状况较复杂且表现出向均匀化的方向发展。

表3 不同群落表层土壤粒度参数

注：表中同列不同小写字母表示各群落间差异显著(P<0.05)

Note：The different lowercase letters at the same column in the table refer to significant differences (P<0.05)

蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅6种群落峰态分属中等、中等、中等、宽平、宽平、尖窄，短花针茅群落土壤颗粒分布较集中，蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅3种群落土壤颗粒分布较羊草、洽草群落集中，结合表2不同群落表土粒度组成分布情况，克氏针茅群落粉粒为优势颗粒这与其负偏一致，表明颗粒组成向细粒物质集中，而蒙古韭、银灰旋花群落表现为向粗颗粒集中，砂粒含量比例较高，其偏度也表现为正偏与近于对称。羊草、洽草群落表土峰态均表现为宽平，所占百分含量相对无占优势的颗粒，分布较复杂，与其偏度相对应。

2.3 不同群落土壤颗粒频率分布曲线

由图1可以看出，6种不同群落间颗粒分布存在明显差异。克氏针茅群落波峰最为明显，呈单峰分布，其波峰出现在67 μm附近。其他5种群落均表现为双峰或多峰分布，其中洽草、短花针茅群落波峰较为靠前，出现在20～40 μm附近，说明其表土颗粒主要为粉粒为主；而银灰旋花、蒙古韭、羊草群落波峰出现在50～70 μm附近，砂粒中细砂物质含量较其他群落较低，且波峰高度随地表粗粒的增大而降低。

图2表示不同群落表土粒度累积频率分布情况，一般曲线越陡峻，颗粒分布越均匀。分析各类型群落表层土壤的分布均匀程度发现，克氏针茅群落表土颗粒组成以细粒物质含量较多。短花针茅、洽草群落介于蒙古韭、银灰旋花、羊草群落之间，其中，洽草群落表土粒度累计分布曲线开始时变化较陡峻，但约在163 μm后逐渐变缓慢，短花针茅群落表土累计分布曲线开始时变化较陡峻，但约在105 μm后开始变缓慢。6种群落均在100～300 μm范围内斜率最大，说明各群落表土颗粒粒径大部分集中在100～300 μm。

2.4 不同群落类型地表风蚀颗粒判别

蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅6种群落间距离很近，各群落表层土壤颗粒频率分布曲线(图1)表现出不同程度的差异，其波峰、波谷的出现呈现出趋势相同的一致性，在同类型群落中土壤母质差别较小。不同群落土壤粒度累积频率百分量反映出群落间颗粒差异变化情况，即定性描述颗粒在一定范围内受到风蚀的影响。由图2可知，各群落土壤粒度累积频率间平均距离粒径最大值出现在100～250 μm区间内，说明各群落整体颗粒粒径在100～250 μm区域间较大，因此可认为研究区易风蚀颗粒范围为100～250 μm。

图2 土壤颗粒累计频率曲线

3 讨论

希拉穆仁草原属于荒漠草原类型，干旱少雨，土壤结构干燥松散，地表植被覆盖度低，易发生风蚀现象[31]。粒径在土壤风蚀过程中承担着重要控制作用，能够定量描述土壤颗粒在风蚀过程中释放、运移和沉降情况，最终影响风蚀强度[32]。而对于土壤退化的草地来讲，采取围封措施，可以通过植被的恢复增强土壤的保护作用，恢复土壤机理，从而抑制土壤风蚀，同时截取大气中的降尘和养分含量较高的细颗粒物质[33]。

土壤粒度特征与风蚀强度的关系一直受到荒漠化防治学界的探讨。相关研究表明，土壤风蚀与粒度存在密切关系，董治宝等[4]通过风洞试验将土壤颗粒机械组成按其抗蚀性的差异划分为：0.08～0.40 mm为易蚀颗粒，>0.05～0.08 mm和0.70～0.40 mm间为较难蚀颗粒，>0.70 mm和<0.05 mm为难蚀颗粒；由表2可以看出，蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅6种不同群落间土壤颗粒分布有相似之处也有明显差异，表土粒度组成均以砂粒、粉粒为主，黏粒含量较低。其中砂粒含量在41.72%～75.97%，粉粒含量17.86%～62.65%。群落土壤粒度组成从细到粗依次表现为克氏针茅>短花针茅>洽草>银灰旋花>蒙古韭>羊草，土壤呈现逐渐粗化方向发展。短花针茅、洽草群落的植被盖度虽然不及克氏针茅群落，但能够最大限度地降低近地表的气流结构，利于大气中细颗粒物质在地表聚集和分选，增加地表稳定性，减少土壤风蚀，可能是生物量和大量的枯落物导致地表覆盖的短花针茅群落表层土壤中的细颗粒含量较高的原因。需要进一步说明的是，克氏针茅、短花针茅、洽草群落地表土壤中的粉粒和黏粒等细颗粒物质含量虽然较其他群落有所增加，但与其他地区的相关研究结果相比较还处于较低水平。植被近自然恢复16年后，植被恢复区表层机械组成仍然较粗，可能与该地区土壤质地结构本身较粗糙有关。结合表1发现，洽草、羊草群落的植被盖度和地上生物量与克氏针茅群落相当或更高，导致克氏针茅群落下土壤更偏细的主要原因是：其一由于克氏针茅属于多年生密丛型草本植物，旱生草原种，是典型草原的建群种之一，在当地盖度较大且秆直立，植株高30～60 cm，且克氏针茅地上部分由多数分蘖形成密集的草丛，成簇生长，叶层高20～30 cm，生殖枝高50～60 cm，丛幅直径通常为30～40 cm[34]。因此，克氏针茅群落与其他群落相比，其凭借自身植株盖度和高度的优势增大了地表粗糙度，降低地表上方气流的吹蚀能力，抑制风蚀的发生，并较大程度有效地截拦近地表气流中的细粒物质，导致地表土壤中颗粒细物质偏多，对表层土壤中的细颗粒起到了一定的存留作用[35]；第二个原因植物根系都有改善土壤理化性质的功能，在土壤风蚀方面增强土壤颗粒总体粒径，从而增强地表粗糙度，抑制地表气流[36]；而克氏针茅是由多数分蘖形成密集的草丛，成簇生长，具有发达的根系，其发达的根系能有效改变土壤质地，形成宝贵的团粒结构将土壤中的较粗粒物质逐渐向砂壤质转变，对细颗粒形成补给，使得样地内颗粒组成保持在较细的水平上，提高土体的抗风蚀能力[36]。并且在取样时还发现克氏针茅群落腐殖质层较薄，在20～30 cm土层下可见钙积层，所以细颗粒物质与其他群落相比较较多。因此当地相关部门在实行围封草场、禁止放牧等保护措施的同时可以考虑增加克氏针茅等建群种的植被盖度和高度等，在保护地表土壤的同时降低地表粗颗粒含量。

由表2可知，克氏针茅群落表层土壤黏粒、粉粒、砂粒中极细砂的平均含量均高于其他群落。砂粒中细砂含量虽有所降低，各群落间存在显著差异(P<0.05)。随着颗粒径级变大，除中砂含量显著偏低外，颗粒更粗的粗砂、极粗砂等含量均无显著变化。进一步对各群落表层土壤颗粒频率分布曲线(图2)分析可知，各类型植被土壤粒度累积频率之间平均距离粒径最大值出现在100～250 μm区间内，说明各类型草地整体差异在颗粒粒径100～250 μm之间差异较大，因此可认为研究区易风蚀颗粒范围在100～250 μm。各类型植被土壤粒度累积频率之间平均距离最大值出现在111 μm处，一般研究指明土壤颗粒在100～150 μm范围内风蚀颗粒运动活跃，运动方式主要以跃移为主[29-30]。李晓丽等[37]在裸露耕地土壤风蚀跃移颗粒分布特征的试验研究中得出在阴山北麓发生跃移颗粒粒径主要发生在75～200 μm，这一范围与本研究结果一致，说明各群落间颗粒粒径整体差异在111 μm左右较大，可能是由于该区域多年平均起沙风速达到6 m·s-1的次数有600余次，整体土壤粒径偏向粗，所以本研究得出的风蚀颗粒范围相对偏大。

综合而言，蒙古韭、银灰旋花、克氏针茅、羊草、洽草、短花针茅为优势种的6种群落地表土壤粗粒化的原因，受到气候、土壤母质等自然因素的影响，各群落的土壤风蚀情况虽有一定的改善，但相比之下近自然恢复状态16年后改善半荒漠草原的土壤环境状况还是比较缓慢的过程。因此，还需要坚持长期围封，加强对脆弱生态系统的保护和管理，防止该地区土壤向粗粒化方向发展。