荒漠草原药用植物生境土壤养分与土壤粒径分析

陈红霞，包 翔，刘果厚，兰 庆

（内蒙古农业大学草原与资源环境学院/内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古呼和浩特 010011）

药用植物是指含有药用成分，具有医疗用途，可以作为植物性药物开发利用的一类植物。野生药用植物是十分珍稀的药用资源[1]。近年来，随着生物技术的迅猛发展和不合理的野生资源开发利用，导致许多野生珍稀药用植物资源濒临灭绝[2]。为满足市场需求和保护野生资源，加大对野生资源的人工栽培势在必行。苦豆子（Sophora alopecuroides L.）、牛心朴子[Manchurian hancock（Maxim.）Al.]均为多年生草本植物。苦豆子具有降血糖、降血脂等功效，对糖尿病并发症、溃疡性结肠炎、脂肪肝具有重要的药用价值[3]。牛心朴子全草可入药，具有抗菌、抗炎、抗肿瘤及镇痛等作用，作为药用植物，在中成药研制开发中具有广阔的前景[4]。香青兰（Dracocephalum moldavica L.）为一年生草本植物，具有止血、愈合伤口、治疗胃病等功效，在蒙医临床上应用广泛[5]。

土壤养分直接参与地球生物化学循环过程，通过改善土壤结构影响植被生长，与植被形成反馈体系[6]。土壤粒径分布是表征土壤结构和生产力的重要指标，决定着土壤质地结构，并直接影响土壤侵蚀与土地退化[7]。土壤养分特性和土壤粒径分布分形可作为潜在反映土壤质量和物理性质的指标之一[8-9]。荒漠草原是十分脆弱的生态系统，也是一个敏感和特殊的生态过渡带，一旦被破坏就难以恢复。3种药用植物在维护生态平衡、防止土地沙漠化及水土流失上有独特的作用。试验以荒漠草原地区3种药用植物生长的土壤为研究对象，对土壤养分与机械组成进行分析研究，旨在为该地区的生态建设和药材资源开发提供理论依据。

1 研究地区和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古鄂托克前旗，地处N 37°44′～38°44′，E 106°26′～108°32′，主要由毛乌素沙地和鄂尔多斯梁地两大地貌构成。气候属于干旱、半干旱温带大陆性气候。年均气温7.1℃，10℃以上积温2 938.6℃，无霜期173 d；年平均降水量265.0 mm，季节降水不均，主要集中在7—9月，占总降水量的70%；年蒸发量2 514.8 mm，平均风速3.8 m/s，8级以上大风年均25～30 d[10]。植被类型以草本植物为主，主要有甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）、草麻黄（Ephedra sinica Stapf）、苦豆子。

1.2 研究方法

根据不同药用植物分布地区的代表性，选择3种药用植物生境土壤为研究对象（表1）。2019年9月取样，按多点同层混合采样法采样，选取9个点，取样深度为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm，按四分法取一部分土壤，带回实验室测定相关指标。电位法测定土壤pH值，烘干法测定土壤含水量，碱解扩散法测定碱解氮，0.5 mol/L NaHCO3和CH3COONH4浸提-火焰光度法分别测定速效磷和速效钾；Mastersizer 3000 激光粒度仪进行土壤粒度测定，仪器测定范围在0.01～3 000 μm[11]。土壤粒径分级以美国制土壤粒级[12]为标准：黏粒（<2 μm）、粉粒（2～50 μm）、极细砂粒（50～100 μm）、细砂粒（100～250 μm）、中砂粒（250～500 μm）、粗砂粒（500～1 000 μm）、极粗砂粒（1 000～2 000 μm）、石砾（2 000～3 000 μm）。

表1 药用植物样地分布及植物特征

1.3 数据处理

采用TYLER 等[13]建立的体积分形模型计算土壤粒级的分形维数，公式如下

式中，r为粒径；Ri为粒径划分中的第i级粒径；V（r＜Ri）为小于粒径Ri的土壤总体积；VT为土壤颗粒总体积；Rmax是土壤粒径分级的最大粒径，本试验中Rmax为2 000 μm；两边同时取对数，通过对数曲线的拟合斜率可求得土壤粒径分形维数D。

数据整理与处理采用Excel 2016 软件，Oringin 9.0 软件作图，SAS 9.2 软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 3种药用植物生长土壤的化学特性

由表2可知，3种药用植物生长土壤的pH值不同，范围在9.11～10.35；其中，各土层苦豆子生长土壤的pH值相对较大，牛心朴子生长土壤的pH值相对较小；3种药用植物生长土壤的pH值均大于8.5，表明苦豆子、牛心朴子、香青兰生长的土壤属于碱性。同一土层不同药用植物，10～20、20～30 cm 土层土壤pH值苦豆子与牛心朴子、香青兰差异显著（P<0.05）；同一药用植物不同土层，牛心朴子、香青兰各土层土壤pH值差异不显著（P＞0.05），苦豆子各土层土壤pH值差异显著（P<0.05）。

苦豆子生长土壤碱解氮含量为5.13 mg/kg、速效磷含量为3.04 mg/kg、速效钾含量为114.52 mg/kg；0～10、10～20、20～30 cm 土层间土壤速效养分无显著差异（P＞0.05）。香青兰生长土壤碱解氮含量为7.10 mg/kg、速效磷含量为3.13 mg/kg、速效钾含量为181.69 mg/kg；0～10 cm 与10～20、20～30 cm 土层土壤速效磷含量差异显著（P<0.05），各土层碱解氮、速效钾含量差异不显著（P＞0.05）。牛心朴子生长土壤的碱解氮含量为2.37 mg/kg、速效磷含量为6.74 mg/kg、速效钾含量为117.48 mg/kg；0～10 cm 土层与10～20、20～30 cm 土层土壤碱解氮、速效钾含量差异显著（P<0.05），10～20 cm 与0～10、20～30 cm土层土壤速效磷含量差异显著（P<0.05）。各药用植物生长土壤的速效养分随土层深度增加基本呈下降趋势。

从3种野生药用植物生长的土壤环境来看，苦豆子、香青兰、牛心朴子适生土壤呈碱性，钾含量丰富，氮含量和磷含量偏低。

表2 不同药用植物土壤速效养分含量

2.2 3种药用植物生长土壤粒度组成及参数特征

由表3可知，苦豆子、牛心朴子、香青兰生长土壤以砂粒为主，其体积百分含量分别为83.41%、87.29%、84.77%。苦豆子生长土壤0～10 cm 土层粗砂粒和极粗砂粒含量较高，分别为37.50%、21.33%；其次为粉粒，为16.50%，极细砂粒含量最低，为0.67%；黏粒含量为9.00%。10～20、20～30 cm 土层以细砂粒、中砂粒、粗砂粒为主；极粗砂粒含量较低；黏粒含量最低，分别为2.40%、2.37%。除粗砂粒外，苦豆子0～10 cm 与10～20、20～30 cm 土层土壤颗粒存在显著差异（P<0.05），后两者差异不显著（P＞0.05）。牛心朴子生长土壤0～10、10～20、20～30 cm 土层细砂粒、中砂粒和粗砂粒含量较高；粉粒含量分别为11.37%、8.90%、12.80%；黏粒含量最少，平均含量不足2.00%。0～10 cm 与10～20、20～30 cm 土层细砂粒、中砂粒、粗砂粒、极粗砂粒差异显著（P<0.05），其他土壤颗粒均无显著差异（P＞0.05）。香青兰生长土壤0～10 cm 土层粗砂粒和极粗砂粒含量较高，且与10～20、20～30 cm 土层存在显著差异（P<0.05）；粉粒含量高达24.30%，黏粒含量为11.97%。10～20、20～30 cm 土层细砂粒、中砂粒含量较高；黏粒含量最低，为0.70%。苦豆子、香青兰生长土壤分形维数随土层深度增加而减少，牛心朴子分形维数随土层深度增加而增大；3种药用植物生长土壤分形维数0～10 cm 与10～20、20～30 cm 差异显著（P<0.05）。

表3 3种药用植物土壤粒度组成和参数特征

2.3 土壤粒径曲线

土壤粒径分布曲线可以反映土壤颗粒的分布情况[14]。由图1可知，3种药用植物土壤粒径频率分布曲线均为双峰型；各药用植物在250 μm 左右出现第1个波峰，第2个波峰出现在1 000 μm 附近；100 μm 左边的曲线可代表细粒组分（黏粒、粉粒）、右边的曲线代表粗粒组分，3种药用植物同一土层间细粒组分变化不明显，粗粒组分相差较大。香青兰样地在250 μm 波峰处最为明显，其次为苦豆子、牛心朴子；牛心朴子样地在1 000 μm 波峰处最明显，其次为苦豆子、香青兰，说明牛心朴子样地比其他样地土壤粗颗粒分配更多。

土壤粒度累积频率曲线斜率越大，颗粒分布越均匀。由图2可知，0～10 cm 土层牛心朴子样地均匀度较好，10～20、20～30 cm 土层香青兰样地均匀度较好，3种药用植物样地累计频率曲线在100～1 000 μm 变化最大，表示土壤颗粒粒径在此区间内最集中。

3 讨论与结论

土壤酸碱度影响土壤矿质元素的释放、土壤养分转移利用以及土壤微生物活动与群落结构等。土壤酸碱度对药材的生长及品质形成有一定程度的影响[15]。苦豆子生长土壤的pH值为9.32～10.35、香青兰为9.19～9.39、牛心朴子为9.11～9.34，均属碱性土壤，因此，若进行人工种植，应选择碱性土壤。

氮、磷、钾影响药用植物根系养分与代谢活动，以及药用植物的生长发育，这些元素的缺乏或不足都会影响药用植物的生长和品质，影响药用植物有效成分的组成与含量[16-17]。土壤速效养分是药用植物能够直接吸收的养分，其含量的高低是土壤养分供给强度的指标。根据第二次土壤普查养分分级标准，本试验苦豆子、牛心朴子、香青兰生长土壤速效钾含量丰富，属高、极高水平，碱解氮和速效磷含量匮乏，属低、极低水平，土壤有效性不高，氮、磷供给能力弱。在种植时考虑施用氮、磷肥，或选择氮、磷速效养分含量相对较丰富的土壤。

荒漠草原地区3种药用植物生长土壤砂粒含量较高，粉粒、黏粒含量低，这归因于区域内强烈的风力侵蚀作用。黏粒和粉粒的粒径小、质量轻，起动风速较小，更易于近地表风的吹蚀和搬运。苦豆子、香青兰生长土壤表层黏粒含量高，是因为这两种植物的生态环境比牛心朴子更加稳定，可以有效降低地表风速[17]，拦截大气携带的细小颗粒[18]，使得土壤表层细小物质逐渐累积增多，在一定程度上有效影响土壤风蚀的发生和发展[19]。土壤颗粒对植被的生长起着至关重要的作用，植被与土壤相互作用、相互影响[20-21]。

土壤分形维数能较好地反映土壤粒径组成，能够说明药用植物适宜生长的土壤质地环境[22-24]，在风蚀强度越高、风蚀时间越久的地区，土壤因细颗粒物质被吹蚀而逐渐粗化，土壤体积分形维数也就越小[25]。3种药用植物生长土壤中，牛心朴子分形维数最小（2.40），说明牛心朴子样地风蚀强烈，牛心朴子对于降低地表风速、保存地表细小黏粒的作用不大。因土壤颗粒较粗，土壤质地不均匀，所以难以形成良好的土壤结构。3种药用植物土壤粒径分布曲线呈双，香青兰生长土壤峰值明显低于苦豆子、牛心朴子，说明香青兰生长土壤颗粒粗细分配的对称性较好。