羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价

张丽星，海春兴，常耀文，高晓媚，高文邦，解云虎

（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.内蒙古自治区高原环境与全球变化实验室，内蒙古 呼和浩特010022；3.北京师范大学地理科学学部，北京100093；4.内蒙古科技大学包头师范学院，内蒙古 包头014030）

在草地生态系统中，植被群落组成的不同会直接影响累积在地表的凋落物及输入土壤的营养物质，进而改变土壤中养分储量及物质能量流动［1-2］。羊草（Leymus chinensis）及芨芨草（Achnatherum splendens）具有耐旱、耐碱的特性，由于其生长区水热条件差，常出现土壤盐碱化现象［3］。西北针茅（Stipa sareptana）具有较强的抗旱性［4］，对土壤盐分的反应很敏感，即使在轻度盐化的土壤上，也难以见到它的生长。植被群落结构以及生物多样性发生改变，使得土壤性质也发生了微妙的变化［5］。不同植物种类对土壤化学性质存在显著影响［6-7］，土壤pH值、有机质含量和其他养分含量与植被群落均表现出不同程度的相关性［8-9］。

土壤是植被生长发育的物质基础，植被群落结构与土壤质量状况密切相关。在土壤生态系统范围内，土壤质量在维持生物生产能力、保护环境质量及促进动植物健康等方面具有重要作用［10］。目前土壤质量指数（soil quality index，SQI）广泛用于土壤质量评价。土壤质量指数通常由土壤指标的选取、指标评分及将指标评分合并成综合指数这3个部分组成［11-12］。许多土壤质量评价仅是基于表层（0～30 cm）土壤性质［11-13］，使用整个剖面的数据进行研究的很少。虽然表层土壤容易采集、测量和评估，但是却提供不了完整的信息［14］。草原土壤剖面由于淋溶层和钙积层的存在，空间差异较强［15］。能够反映土壤质量的指标繁多，选取少量且代表性强的指标是科学评价草原土壤质量的基础［16］。因此，为更好地了解羊草及芨芨草群落与西北针茅群落的土壤质量，本研究选择镶黄旗典型草原区羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤为研究对象，按照土壤发生层采样，选择适宜的10项土壤指标进行测验，旨在分析两类不同草原A1～C层土壤性质的差异；并建立土壤质量指数（SQI）模型，揭示两种不同草原植被群落下A1～C层土壤质量状况，可为草原土壤质量调控，退化草原改良和合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样地布设

研究区选择在内蒙古自治区中部、锡林郭勒盟西南端镶黄旗，处于蒙古高原南部边缘，北部为波状起伏的高原，常出现地表基岩裸露；南部为起伏较大的丘陵和盆地。该区属中温带半干旱大陆性季风气候，雨热同期，光能充足，降水少蒸发大，气候干燥，年均温3.6℃，稳定通过10℃的年积温为2333.9℃，年均降水量264.9 mm，年均日照时数3024.8 h，年均风速4.4 m·s-1［17］。

试验区具体设置在距镶黄旗市区北偏东6 km处，选择了两种草原植被群落，以羊草及芨芨草为主的羊草+芨芨草群落（羊草+芨芨草草原）和以西北针茅为主的西北针茅群落（西北针茅草原）（图1，表1）。为保证两类草原利用强度一致，均选择未受干扰的围封区（大约从2003年开始围封）。在两类草原样地中进行随机植被群落样方调查（1 m×1 m），羊草及芨芨草草原内植被主要有羊草、芨芨草、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）、木地肤（Kochia prostrate）、阿尔泰狗娃花（Heteropappus altaicus）、骆驼蓬（Peganum harmala）和冷蒿（Artemisia frigida）；西北针茅草原内植被主要有西北针茅、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、木地肤、野韭菜（Allium japonicurn）、蒙古韭（Allium mongolicum）、尖齿糙苏（Phlomis dentosa）、寸苔草（Carex duriuscula）。试验地土壤为栗钙土（图2），参考《中国土壤发生与系统分类》［18］以及《野外土壤描述与采样手册》［19］完成土壤剖面发生层划分，为腐殖质层（humus horizon，A1）、淋溶层（eluvial horizon，A2）、过渡层（transition horizon of humus and illuviation，AB）、钙积层（calcic horizon，Bk）、埋藏层（buried horizon，Bb）和母质层（parent material horizon，C）。

图1 研究区植被状况Fig.1 Vegetation of study area

表1 样地位置及群落信息Table 1 Plot location and information of plant community about sampling sites

1.2 样品采集及指标测定

2018年10月在两类草原样地分别挖取土壤剖面并对其分层（图2）。随后采用梅花形布点法，采样工具为荷兰产EK0105型根钻（内径8 cm，高15 cm），在两类草原按照土壤发生层采样，每个样地设置5个采样点，每个土样分别做3个重复，各共计165个土样。利用烘干法测定土壤含水量，采用环刀法测定土壤容重，采用pH计测定pH（水土比为2.5∶1），利用电导率仪测定电导率（水土比为5∶1）。采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定土壤有机质含量，采用半自动凯氏定氮仪测定土壤速效氮含量，采用0.5 mol·L-1NaHCO3比色法测定土壤速效磷含量，采用火焰光度计测定土壤速效钾含量［20］。利用J200激光光谱元素分析仪测定土壤全氮、全磷含量［21］。

图2 研究区土壤样点分布及土壤剖面Fig.2 Distribution of soil sampling sites and soil profile in the study area

1.3 土壤质量评价方法

土壤质量指数可以综合评价土壤特性，土壤质量指数越大，土壤质量越高。为了更好地量化土壤质量，使用总数据集和最小数据集方法计算土壤质量指数（SQI）。本研究一共测量了10个土壤指标，总数据集包含测量的所有土壤数据，最小数据集选择主成分分析筛选后的数据。

运用SPSS 25.0对评价指标进行主成分分析，提取特征值≥1的主成分，将同一主成分载荷≥0.5的指标分为1组，若某土壤指标同时在两个主成分中载荷都≥0.5，则将其划分到与其他土壤指标相关性较低的那一组［12］。分组后，各组内选取与最高Norm值相差10%范围内，且相关性较高（Pearson相关系数≥0.6）的土壤指标，只有1个可以入选最小数据集，其余将被剔除［22］。Norm值的计算公式为：

式中：Nik为第i个变量在特征值≥1的前k个主成分上的综合载荷；uik为第i个变量在第k个主成分上的载荷，反映了第i个变量在第k个主成分的相对重要性；λk是第k个主成分的特征值。

每个土壤指标数据通过非线性赋分方程被转换为0～1变化的无量纲分数，公式如下：

式中：SNL是介于0～1的土壤指标得分；a为最大得分，在这里被确定为1；x是土壤实测指标值；x0为相应的指标平均值；b为方程的斜率，“越多越好”型指标被确定为-2.5，“越少越好”型指标被确定为2.5［23］。

总数据集和最小数据集方法的SQI值通过以下公式计算：

式中：Si为指标得分；n为指标数量；Wi为指标权重值，通过主成分分析法计算，等于各指标的公因子方差占所有指标公因子方差之和的比例［12］。

1.4 数据处理

采用Excel 2010对原始数据进行整理，应用SPSS 25.0对数据进行相关性分析、主成分分析和显著性检验。两类草原各土壤指标之间显著性检验采用配对T检验。应用Origin 9.0进行线性回归分析以及绘制柱状图。

2 结果与分析

2.1 羊草及芨芨草草原与西北针茅草原土壤理化性质对比分析

两类草原土壤容重最低值均出现在A1层，在A1、AB和Bk层差异显著，其他层无显著差异（表2）。羊草及芨芨草草原土壤在A1、AB和Bk层容重显著低于西北针茅草原（P＜0.05），分别低了7.89%、6.25%和10.71%。羊草及芨芨草草原土壤水分随土壤深度增加先增加后减少，西北针茅草原土壤水分随土壤深度增加而减少，二者在A2～Bk层差异显著（P＜0.05），其他层无显著差异。羊草及芨芨草草原土壤在A2、AB和Bk层水分显著高于西北针茅草原（P＜0.05），分别高了34.34%、54.67%和335.06%。

羊草及芨芨草草原土壤剖面pH介于8.09～9.29，为碱性和强碱性土壤；西北针茅草原土壤剖面pH介于7.91～8.35，为碱性土壤（表2）。随着土壤深度增加pH增大（除C层外），两类草原土壤在A1～C层pH差异显著。羊草及芨芨草草原土壤在A2和AB层pH比西北针茅草原显著低2.97%和2.47%（P＜0.05），在A1、Bk和C层pH比西北针茅草原显著高3.65%、6.70%和6.41%（P＜0.05）。土壤电导率随土壤深度增加均先增加后减小，羊草及芨芨草草原土壤电导率在0.12～1.52 dS·m-1，西北针茅草原土壤电导率在0.06～0.13 dS·m-1。在A1～Bk层羊草及芨芨草草原土壤电导率显著高于西北针茅草原（P＜0.05），土壤电导率均值相当于西北针茅草原的8倍。由此表明羊草及芨芨草草原中下层土壤盐碱化较为严重。

土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾、全氮和全磷多在土壤A1层出现最大值，整体呈现随土壤深度增加而降低的趋势（表2）。两类草原土壤有机质在A1层无显著差异，羊草及芨芨草草原土壤有机质在A2和AB层比西北针茅草原显著高24.5%和12.9%（P＜0.05），在Bk和C层比西北针茅草原显著低31.5%和85.3%（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤速效氮、速效磷和速效钾在A1层比西北针茅草原显著高2.8%、6.2%和15.5%（P＜0.05），两类草原土壤在A2～C层速效氮和速效磷无显著差异，羊草及芨芨草草原土壤速效钾在Bk和C层显著低于西北针茅草原（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤在A1层全氮和全磷分别比西北针茅草原显著高20.9%和4.9%（P＜0.05），在A2、AB和Bk层全氮比西北针茅草原显著低5.9%、48.8%和35.8%（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤Bb层和C层土壤各指标在数值上虽有差异，但结果并不显著。

2.2 土壤质量评价

2.2.1 基于最小数据集的土壤质量评价 前3个主成分特征根值＞1，且累计贡献率达到了83.35%（表3），表明这3个主成分解释研究区土壤质量能力较强。根据各主成分载荷因子大小，将土壤指标分为3组，再通过计算Norm值，选取与最高Norm值10%范围内的指标，确定以下土壤指标为初选结果：有机质、速效氮、速效磷、速效钾、电导率、土壤水分和容重。然后通过Pearson相关性分析，比较同组内指标相关系数（表4），最终确定最小数据集（minimum data set，MDS）土壤质量指标为有机质、电导率和容重。

最小数据集再次通过主成分分析获得的公因子方差计算权重（表5），有机质、电导率和容重的权重分别为0.39、0.16和0.45。利用非线性赋分方程将最小数据集指标转化为0～1的分数，数值越大土壤质量越好（表6）。本研究中，有机质表征了土壤中养分含量的多少，适用于“越多越好”型。电导率可以表示土壤全盐量［24］，盐度过高会影响植物的正常生长发育，所以适用于“越少越好”型。容重也适用“越少越好”型，因为土壤容重越大，孔隙数量越少，透气性越差，透水性能也越差［25］。

基于最小数据集的非线性土壤质量评价（图3），在A1层羊草+芨芨草草原SQI值（0.72）＞西北针茅草原（0.70），在A2、AB、Bk和C层，通过T检验表明羊草+芨芨草草原SQI值显著低于西北针茅草原（P＜0.05），分别低了15%、17%、30%和29%。在植被根系主要集中区A1和A2层（0～32 cm），羊草+芨芨草草原SQI均值（0.62）＜西北针茅草原（0.66），说明整体上西北针茅草原土壤质量优于羊草+芨芨草草原。由于西北针茅草原没有Bb层，因此两类草原土壤SQI值对比分析时Bb层不参与，而羊草+芨芨草草原中Bb层和C层SQI值近似相等，二者之间无显著差异。

2.2.2 基于最小数据集的土壤质量评价方法的适用验证 最小数据集的土壤质量评价方法是对总数据集的土壤质量评价方法的简化，具有试验分析简单化、省时省力等特点，但可能会导致评估准确度下降，因此一般会使用总数据集的土壤质量评价方法进行验证。与最小数据集方法一样，总数据集通过主成分分析获得的公因子方差计算权重（表5），各土壤指标平均值以及非线性赋分方程将各评价指标数据标准化（表6），然后对基于总数据集的土壤质量评价进行分析。

表2 羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤剖面各发生层土壤指标分析TableTable 2 Analysis of soil indicators in the soil profiles of L.chinensis and A.splendens grassland and S.sareptana grassland

总数据集土壤质量指数和最小数据集土壤质量指数二者虽然在数值上存在差异（图3），但二者在A1～C层变化趋势完全相同，均随土层深度增加而减小，在Bk层降到最低。进一步对总数据集土壤质量指数和最小数据集土壤质量指数进行一元线性回归（图4）分析，二者呈极显著正相关关系。回归方程为：y=1.266x-0.104（R2=0.947，P＜0.05），其中y代表最小数据集，x代表总数据集。由此说明建立的草原土壤质量评价的最小数据集能够较好地反映总数据集对草原土壤质量评价的信息，且评价结果具有较好的代表性。

3 讨论

在草地生态系统中，气候、植被、土壤属性及土地利用方式是影响土壤性质的主要因素［26］。本研究中，羊草及芨芨草草原与西北针茅草原距离不超过1000 m，气候、围封时间及土地利用方式均一致。羊草及芨芨草草原土壤A层（0～32 cm）养分含量大于西北针茅草原，而在Bk～C层土壤有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量均值均低于西北针茅草原。深层土壤养分主要来源于死亡根系，两类草原钙积层出现的位置和厚度不同，且钙积层是其分布区的主要障碍层，会阻碍根系的延伸和生长，进而导致二者深层土壤养分含量产生差异［27-28］。羊草及芨芨草草原土壤在A1～C层土壤水分和电导率显著大于西北针茅草原（P＜0.05），在A2和AB层pH显著小于西北针茅草原（P＜0.05），这与植被群落关联密切。羊草及芨芨草草原的优势种主要是羊草和芨芨草，西北针茅草原的优势种是西北针茅。西北针茅不具有耐盐性［29］，而羊草及芨芨草作为耐旱、耐盐碱植物，其强大的根系从底层吸收水分和盐分，再以残落物的形式以及死亡根系被

分解将盐分返还到土壤表层［30］。长此以往，羊草及芨芨草生态习性会加剧土壤盐碱化［31-32］。

表3 土壤指标主成分分析的结果及公因子方差和Norm值及分组Table 3 Results of principal component analysis of the soil indicators and their Norm values and groups

表5 土壤指标的公因子方差及权重Table 5 Communality and weight of soil quality indicators

表6 各土壤指标平均值以及非线性赋分方程Table 6 Mean of soil quality indicators and normalization equations of the scoring curves

图3 最小数据集和总数据集土壤质量指数Fig.3 Soil quality index of minimum data set（MDS）and total data set（TDS）同一土壤发生层不同小写字母表示羊草及芨芨草草原与西北针茅草原土壤质量指数差异显著（P＜0.05）；不同大写字母表示羊草及芨芨草草原Bb层和C层差异显著（P＜0.05）。Different lowercase letters indicate significant difference between L.chinensis and A.splendens grassland and S.sareptana grassland soil quality index in the same soil horizon at the 0.05 level，and different capital letters indicate significant difference between Bb and C horizon in the L.chinensis and A.splendens grassland at the 0.05 level.

图4 最小数据集（MDS）和总数据集（TDS）之间的关系Fig.4 Relationship between minimum data set（MDS）and total data set（TDS）

土壤质量是由物理、化学、生物特征决定的，土壤质量评价需要测定大量的指标。然而，对大量土壤指标进行试验分析是比较困难的。研究人员试图通过选取分析方法简单、测试费用少的土壤物理化学指标进行土壤质量的评价［16］。由于土壤类型复杂，土地利用方式多样，不同类型土壤组分也不尽相同，目前对于土壤质量评价尚未建立统一的指标体系。土壤质量评价的对象不同，指标选取也存在差异。虽然土壤微生物、动物等生物指标对土壤环境具有一定的指示作用，但其与植被一样主要依赖于土壤环境生存，而且与土壤理化性质存在相关性［33］，故未将其纳入羊草及芨芨草草原与西北针茅草原土壤质量评价的指标范围。本研究选用了土壤有机质、全氮、速效磷、容重、土壤水分、pH和电导率等10项土壤性质作为总数据集评价指标，涵盖了与土壤孔隙结构和渗透性具有紧密关系的物理指标、与土壤肥力直接相关的化学指标，以及根据羊草及芨芨草和西北针茅植被的生态习性差异选用的土壤碱度和盐度指标。张晓娜等［34］在研究荒漠草原土壤质量时选用的是土壤物理性质、土壤养分和土壤盐分这三方面的土壤指标，本研究选用的土壤指标与之类似。有学者研究发现［12］，土壤容重和pH是土壤质量评价中必须考虑的指标，使用频率高达90%，全氮、有机质和速效磷使用频率分别为70%、60%和50%。本研究10个评价指标有5个进入土壤质量评价指标前10位，这说明该评价指标具有较好的代表性，适宜评价草原土壤质量。

土壤质量评价是草地可持续利用的一个重要思想。本研究将单指标的评价通过主成分分析转化为多指标评价，综合反映草地土壤质量水平。通过主成分分析以及Norm值，最后确定土壤有机质、容重和电导率这3个指标。土壤有机质和容重有助于土壤吸收、保持和释放水分和养分，并具有对土壤管理做出反应和抵抗土壤退化的能力［35］，土壤有机质也是土壤肥力评价的重要指标。电导率可以直接反映土壤中盐分含量的大小和作物受盐分胁迫的程度［24］，这一因素在维持植物根系正常生长以及提供土壤养分方面具有重要作用。总的来说，本研究选取的指标能够综合反映土壤质量，可为草地土壤质量评价指标筛选提供科学依据。土壤质量指数计算结果表明，羊草及芨芨草草原土壤质量指数只有在A1层略高于西北针茅草原，在A2～C层显著低于西北针茅草原（P＜0.05）。这与土壤电导率密切相关，羊草及芨芨草草原土壤电导率在A2～Bk层大于或接近1 dS·cm-1，属于极高盐度（表7）［36］。土壤盐分过高会直接影响土壤的生物活性，降低土壤肥力和有机质含量，造成土壤中植物养分缺乏［37］，进而对土壤质量产生消极影响。

表7 电导率和等级［31］Table 7 Electrical conductivity and class

4 结论

1）羊草及芨芨草草原和西北针茅草原的土壤性质存在差异，在A2～Bk层二者土壤水分、电导率和pH差异显著（P＜0.05），在A1、AB和Bk层土壤容重差异显著（P＜0.05）。羊草及芨芨草草原土壤在A层（0～32 cm）养分含量显著高于西北针茅草原（P＜0.05），在Bk～C层有机质、速效氮、速效磷和速效钾含量均值均低于西北针茅草原。

2）草原土壤质量评价最小数据集由土壤有机质、电导率和容重组成，最小数据集可以较好反映两类草原土壤质量优劣；对同一类草原而言，最小数据集与总数据集土壤质量指数之间存在差异，但二者呈极显著相关关系（R2=0.947），说明最小数据集能够综合反映草地土壤质量信息。

3）土壤质量指数表明两类草原土壤质量存在差异，羊草及芨芨草草原土壤在A1层土壤质量指数略高于西北针茅草原，在A2～C层土壤质量指数显著低于西北针茅草原（P＜0.05）。综上所述，羊草及芨芨草草原土壤存在盐碱化趋势，对土壤质量产生消极影响。针茅草原土壤质量整体上优于羊草及芨芨草草原。在草地管理实践中应注重土壤质量的改善，羊草及芨芨草草原土壤质量低，建议采取低放牧强度，避免干扰破坏表层土壤，自然恢复为主。或通过水肥等调控措施降低土壤盐碱度，提高土壤质量。