宁夏东北部典型荒漠草原植物群落与土壤养分特征

2020-05-29贾荣兰登明郭威星王玉婕温静

生态环境学报 2020年3期

贾荣，兰登明，郭威星，王玉婕，温静

内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特 010020

宁夏生态本底脆弱，是中国典型的生态脆弱区，人为活动对生态系统的干扰处于中国的中等水平，且呈增加趋势（幸赞品等，2018）。荒漠草原是宁夏面积最大的天然草地类型，其总面积约为11495.66 km2。众多学者在宁夏荒漠草原植物群落结构、多样性、封育对植物群落和土壤的影响等方面进行了较多的研究，结果表明，宁夏东部风沙区荒漠草原植物群落的种间关联性较弱，群落结构简单化，群落种间关系松散（李朝等，2013）；植物优势种在群落中的地位明显，土壤水分是影响植物群落分布的决定性环境因子（秦建蓉等，2015）；群落生产力受物种多样性、物种本身特征和环境资源的影响，功能群盖度与群落初级生产力无显著的相关关系（杜茜等，2006）。此外，植物群落呈异速生长模式，植物叶片平均C含量低于全球水平（杨阳，2015），植物群落的空间变异性在不同坡向、坡位存在差异（魏乐等，2014）。人工灌丛的引入加速了退化荒漠草地0—40 cm土层SOC的累积与固定，加剧了土壤表层 SOC空间异质性、破碎化（Zhao et al.，2019），加速土壤水分利用和深层水分消耗，对深层土壤水分作用更强（Zhao et al.，2018）。封育对荒漠草原有很好的作用，有利于土壤团聚体的形成（王国会等，2017），能显著改善10—40 cm土层的饱和持水量，对表层土壤的容重和孔隙度有一定改善作用，有利于土壤有机碳的固存和积累（胡钥等，2016）。随着封育时间的增加，土壤种子库的密度增加（刘华等，2011），土壤中可萌发种子的数量不增加（刘华等，2016），封育9年的草地高度和生物量显著高于其他封育年限及未封育草地，荒漠草原植被自然恢复演替在封育9年时出现转折（陶利波等，2018）。然而，在植物群落多样性、土壤状况的研究中，关于影响植物多样性的土壤因子的研究较少，土壤pH值、全氮、全磷、有机质对植物多样性指数的影响程度不明确。因此，以宁夏东北部荒漠草原为研究区，对研究区的植物群落和土壤养分进行调查，明确研究区的植物群落物种组成、土壤养分以及植物多样性指数与土壤养分的相关关系，以期为中国的荒漠治理、生物资源保护与可持续性利用提供依据。

1 研究区和方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区，35°14′—39°23′N，104°17′—107°39′E，属温带大陆性干旱、半干旱气候，海拔1100—1200 m，地势从西南向东北逐渐倾斜，全区年降水量150—600 mm，年日照时数2250—3100 h，年平均气温5.6—10.1 ℃，土壤类型主要有灰钙土、灰漠土、黑垆土、灰褐土。主要植被类型有黑沙蒿(Artemisia ordosica)+沙鞭(Psammochloa villosa)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)+苦豆子(Sophora alopecuroides)、黑沙蒿+泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)、短花针茅(Stipa breviflora)+冰草(Agropyron cristatum)等。

1.2 研究方法

采用统一的公里网格（10 km×10 km）对宁夏东北部典型荒漠草原的植物群落进行系统网格化，选定调查点共11个（见表1），调查点分布情况见图1。利用GPS定位，在每个选定的调查点上，设置1个100 m×100 m的样方。在样方内，采用系统法设置5个10 m×10 m的灌木样方，9个1 m×1 m的草本样方，1个土壤剖面调查点（如图2），灌木样方内调查灌木的种类、密度、高度、冠幅，草本样方内调查群落物种组成、密度、高度。对样地内进行踏查，每个样方进行详查。在每个样点的土壤剖面取样点上，按照宽1 m，长1.5 m的规格，挖掘1个土壤剖面。采集0—10 cm土层的土样（3个重复），将土样送至内蒙古瑞普精准检验检测有限责任公司进行检测，采用《土壤分析技术规范》的常规检测方法测定土样的pH、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）和有机质（soil organic carbon，SOC）。

表1 调查点情况Table 1 Survey situation

图1 调查点分布示意图Fig.1 Survey point distribution

图2 调查样方设置示意图Fig.2 Schematic maps of survey plot settings

本文选取 4个植物多样性指数，分别是Margalef丰富度指数（R）、Simpson指数（D）、Shannon-Wiener多样性指数（H）和Pielou均匀度指数（E），计算公式如下（张金屯，2004）：

式中，S为样方中物种总数；N为样方中记录的个体总数；Pi=Ni/N，Ni为样方中第i个物种的个体数。

运用Excel 2010进行植物科、属、种的统计分析及植物多样性指数的计算，采用 SPSS 19.0的Pearson相关性分析进行植物多样性指数与土壤养分的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 植物群落物种组成分析

经调查，研究区共有86种植物，隶属61属21科，其中以禾本科、豆科、菊科和藜科植物为主。根据各科所含种种数，将 21科分为≥10种、4—9种、2—3种、仅1种4个类别，并将各科所含属数、种数列举如下（表2、表3）。

从表2、表3可以看出，含10种及以上的科有4个，分别是禾本科（18种）、豆科（16种）、菊科（13种）和藜科（11种），这4科共计有植物58种，科数占总科数的19.05%，种数占总种数的67.44%；仅含1种的科有9个，占总科数的42.86%，种数占总种数的10.47%，由此看出禾本科、豆科、菊科和藜科的优势明显。

表2 植物科的数量结构分析Table 2 Quantitative structure analysis of plant families

表3 植物各科所含属、种数统计（属/种）Table 3 Statistics on the genus and species of plants in various families (genus/species)

2.2 土壤养分特征分析

由表4可知，研究区内土壤平均pH值为8.81，全氮质量分数为 0.07—0.54 g·kg-1，全磷质量分数为0.16—0.51 g·kg-1，有机质质量分数为0.51—6.24 g·kg-1，这说明研究区土壤总体上呈碱性，土壤全氮、全磷、有机质的质量分数均显著低于全球及中国陆地土壤平均值（青烨等，2015；Tian et al.，2010；王绍强等，2000）。

表4 各样地土壤养分特征Table 4 Soil nutrient characteristic

2.3 植物多样性指数与土壤养分特征的相关性分析

由表5可知，研究区内Margalef丰富度指数平均值为 2.49，Simpson指数平均值为 0.24，Shannon-Wiener多样性指数平均值为 1.84，Pielou均匀度指数平均值为0.76。

表5 各样地植物多样性指数Table 5 Plant diversity index of each site

对研究区内的植物多样性指数与土壤养分的相关性分析表明（见表6），Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数均与pH值呈显著负相关，与全氮、全磷、有机质呈正相关，但相关关系未达到显著水平；Simpson指数与pH值呈正相关，与全氮、全磷、有机质呈负相关，但相关关系均未达到显著水平；Pielou均匀度指数与pH值呈负相关，与全氮、全磷、有机质呈正相关，但相关关系均未达到显著水平。

3 讨论

3.1 宁夏东北部荒漠草原植物群落物种组成特征

荒漠草原在生存环境、物种组成、群落结构和生态系统功能等方面体现了生态学上的独特性（韩国栋等，2005），植物种主要由禾本科、菊科、百合科、藜科、蒺藜科、豆科等植物组成（杜茜等，2006）。本研究区内植物共86种，隶属61属21科，禾本科、豆科等优势突出，含多数的属、种。秦建蓉等（2015）对宁夏东部风沙区荒漠草原植物群落及物种多样性进行研究，发现风沙区荒漠草原植物物种较为单一，多集中在6—13种。周兰萍等（2012）研究发现腾格里沙漠东南缘绿洲荒漠过渡带天然群落结构简单，丰富度指数较高，多样性指数较低，群落间的均匀度指数相差不大，这与本研究结果一致，说明荒漠区的天然植物群落物种单一。同时，pH值对Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数的影响较大，在植被恢复选择植物种时可以优先考虑禾本科、豆科、菊科、藜科等耐盐植物种。

3.2 宁夏东北部荒漠草原土壤养分特征

土壤养分状况是土壤物理、化学、生物等因素综合作用的结果，是土壤从环境条件和营养条件两方面供应和协调作物生长发育的能力（蒋文伟等，2004）。由于荒漠地区降水量少和相对较低的分解速度，故其矿质风化速率较低，土壤存储有机物质的能力较低，导致养分可利用性显著降低（李从娟等，2014）。在荒漠区中进行比较，本研究的土壤氮质量分数（0.23 g·kg-1）低于黄土丘陵地区（朱秋莲等，2013）、黄土高原（曾全超等，2015），与准格尔荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤磷质量分数（0.32 g·kg-1）低于黄土丘陵地区（朱秋莲等，2013）、黄土高原（曾全超等，2015），与准格尔荒漠相近（陶冶等，2016）；土壤有机质质量分数低于黄土丘陵地区（朱秋莲等，2013）、黄土高原（曾全超等，2015）、准格尔荒漠地区（陶冶等，2016）。可以看出，研究区内土壤的养分条件较其他荒漠区差，在植被恢复选择植物种时要考虑植物种的耐贫瘠性。

3.3 宁夏东北部荒漠草原植物多样性指数与土壤养分相关性

植物与土壤的关系复杂，不同学者在不同区域的研究结果不一致。赵景学等（2011）研究表明，植物多样性指数及丰富度指数与土壤有机质、全氮、全磷和速效氮质量分数呈极显著的正相关关系，均匀度指数与所有环境因子之间的关系均未达到显著水平。保娅等（2015）研究表明，全氮、全钾、pH值对Simpson指数的影响较大，全氮、pH值对Shannon-Wiener指数的影响较大，全氮、全磷、全钾及pH值对Pielou指数的影响不明显。陈平等（2010）研究表明，植物丰富度指数和多样性指数与土壤养分呈显著相关关系，并且都与全氮质量分数呈正相关，与pH值呈负相关。黄雅茹等（2018）研究表明，植物丰富度指数、均匀度指数及多样性指数与全氮、全磷、全钾、全盐量、有效磷、速效钾、碱解氮、有机质呈正相关关系，而与pH值呈负相关关系。Baer et al.（2005）研究发现，植物物种多样性与养分异质性之间无直接的关系，但与生产力和植被盖度呈正相关。本研究结果显示，Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数与pH值呈显著负相关，与其他土壤养分的相关关系未达到显著水平，Simpson指数和Pielou均匀度指数与土壤养分的相关关系均未达到显著水平。综上可以看出，在土壤全氮质量分数低、碱性大的地区，植物多样性与全氮质量分数呈正相关，与 pH值呈负相关。而植物多样性指数与土壤养分之间的关系在不同研究区域所得出的结果不一致，这与不同群落类型、不同海拔、水热条件等有关。本文仅对研究区内土壤的 pH、全氮、全磷、有机质与植物群落多样性指数进行了分析，更多的土壤因子与植物群落多样性指数的相关关系有待于进一步的研究。