乌拉特荒漠区植被类型及土壤特征

2021-05-25赵宏胜郭建英兰登明赵杏花

西北植物学报 2021年4期

冯霜，赵宏胜，郭建英，兰登明，赵杏花*

(1 内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010010；2 水利部牧区水利科学研究所呼和浩特 010020)

乌拉特荒漠位于内蒙古自治区西北部，草原面积达5.09×104km2，可利用面积4.139×104km2，其中86.6%属于荒漠半荒漠草场。乌拉特荒漠地处半干旱区与干旱区的过渡带[1]，生物多样性极高，生物资源丰富，且蕴藏着许多珍稀濒危物种，如华北驼绒藜(Ceratoidesarborescens)、内蒙亚菊(Ajaniaalabasica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等均为中国珍稀濒危植物[2]。由于该区的环境特殊，植被由旱生灌木和多年生草本共同构成较稳定的荒漠生态系统[3]。有相关研究发现乌拉特荒漠草原有野生木本植物85种，隶属于27科，46属[4]；小针茅(Stipaklemenzii)群落的植被盖度高于芨芨草(Achnatherumsplendens)和红砂(Reaumuriasongarica)群落[5]；强旱生灌木、半灌木通常在群落中为优势物种或建群种，其中以红砂为建群种的植物群落具有更高的稳定性[6-7]等。目前，对于乌拉特荒漠区植被及其土壤因子相关性分析研究较少，鉴于此，本研究对该区植被资源现状进行调查，整理植物名录，研究该区植物组成、生活型、水分生态类型、植被类型及其与土壤养分之间的相关关系，从而明确荒漠区域的范围，为中国荒漠植物群落类型数据库的更新，以及中国荒漠植物群落各类型分布图集的编制提供数据支撑，还可以对乌拉特荒漠区植被经营管理提供依据和基础资料，进而合理地保护和利用该区的植被。

1 研究区概况

乌拉特荒漠位于阴山北麓，成条带状分布，北与蒙古国接壤，南靠阴山，西连阿拉善盟，东临包头市。主要包括乌拉特中旗和乌拉特后旗，年均气温2～5 ℃，具有强烈的大陆性气候特点，年平均降水量15～230 mm，土壤类型为棕钙土和灰棕漠土。植被以荒漠为主，主要建群种为珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、红砂、梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)，广布伴生草本层片主要植物种有短花针茅(Stipabreviflora)、碱韭(Alliumpolyrhizum)、小针茅等。

2 研究方法

2.1 调查点布设原则

为全面掌握研究区植物种类组成、生境条件，以及植被类型现状，以1∶100万中国植被图和区域群落记载资料为基础，对比MODIS 250 m×250 m数据集与《中国植被分布图》，采用10 km×10 km网格进行调查点位布设，确保研究区中每一种主要自然植被类型都能得到调查，调查植物群落样点合计120个。

2.2 群落调查

调查时间为2018年和2019年的8-9月，利用GPS定位到每个选定的调查点上，选择目标植物群落，在中心位置布设一个100 m×100 m的大样方，大样方内设置5个10 m×10 m的灌木样方和9个1 m×1 m的草本样方(图1)，共计120个大样方，600个灌木样方，1 080个草本样方。通过调查分析样方内灌木的种类、密度、高度、冠幅，以及在草本样方内调查群落物种组成、密度、高度等指数值，依次在样地内对每个样方详查，展开对植物群落的调查记录。同时在样地内近中心点挖取一个1.5 m×1.1 m×1.2 m的土壤剖面,利用环刀分6层进行取样,每层设置3个重复,分层方法为0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm，共计720个土样。同时每层自上而下均匀取1 kg土样装于密封袋内，带回实验室测定土壤相关因子。

2.3 数据统计分析

群落类型的确定采用重要值法。重要值是用来表示某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标。在计算、评估物种多样性时，以综合数值表示植物物种在群落中的相对重要性。公式如下所示：

(1)重要值=(CR+HR+DR)/3

式中：CR表示相对盖度；HR表示相对高度；DR表示相对密度。

(2)物种多样性计算

植被群落多样性指数采用Margalef丰富度指数(R)、Pielou均匀度指数(E)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(D)进行分析[8]，其计算公式为[9-10]：

R=(S-1)/lnN

E=H/lnS

Pi=Ni/N

S.灌木样方；H.草本样方图1 野外实地调查样地布设示意图S.Shrub sample plot；H.Herb sample plotFig.1 Diagram of field survey sample plot

式中：S为样地植物种数，N为总体个数，Ni为第i个种的个数。

(3)土壤理化性质测定方法

土壤有机质的测定用重铬酸钾容量法，土壤全氮的测定用半微量开氏蒸馏法，土壤全磷的测定用HClO4-H2SO4氧化钼锑抗比色法，物理性质数据测定参考《土壤农化分析》[11]。

(4)植被与土壤的相关性分析

数据采用Excel软件进行整理，利用 SPSS 19.0软件进行群落多样性与土壤养分的相关性分析[12-13]。

3 结果与分析

3.1 乌拉特荒漠植物种类及其组成

乌拉特荒漠植被主要由超旱生灌木和多年生草本植物组成，木本植物44种，如细枝盐爪爪(Kalidiumgracile)、白刺(Nitrariatangutorum)、木本猪毛菜(Salsolaarbuscula)、细枝岩黄芪(Hedysarumscoparium)等；草本93种，以苦豆子(Sophoraalopecuroides)、赖草(Leymussecalinus)、骆驼蓬(Peganumharmala)等多年生草本为主[14-19]。

由表1可知，研究区植物25科80属137种，植物种数大小排序依次为藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)等。其中，藜科14属23种、菊科13属23种、禾本科12属23种，3科均占总物种数的16.79%，3科植物总种数所占比例达到研究区总植物种数的50%以上，为该区的优势科。豆科6属18种，占总物种数的13.14%，蒺藜科(Zygophyllaceae)5属9种，另十字花科(Crueiferae)、百合科(Liliaceae)各包括5种植物；蓼科(Polygonaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)均占总物种数的2.92%；蔷薇科(Rosaceae)、鸢尾科(Iridaceae)各含3种植物；紫草科(Boraginaceae)、柽柳科(Tamaricaceae)、旋花科(Convolvulaceae)均含有2种植物，均占研究区的1.46%；其他科均只有1属1种，共计11科，均占研究区植物总种数的0.73%。

表1 乌拉特荒漠植物物种科属组成Table 1 Family and genus composition of plant species in Wulat desert

3.2 生活型及水分生态类型

根据《中国植被》中生活型分类法，将乌拉特荒漠的137种植物可划分为半灌木和小半灌木、灌木、多年生草本和一年生草本植物4类生活型(图2)。其中，半灌木与小半灌木共有28种植物，以藜科和菊科植物居多，占总数的20.44%；灌木植物共16种，以豆科和蒺藜科植物居多，占总数的11.68%；多年生草本最多，主要由禾本科、菊科和豆科植物组成，占总数的43.80%；一年生草本植物33种，占总数的24.09%。

根据《内蒙古植被》[1]将乌拉特荒漠植物种的水分生态类型划分为5种类型，分别为典型中生、旱中生、中旱生、典型旱生和强旱生植物。经统计发现，旱生植物共105种，其中典型旱生最多，隶属于19科34属，占总数的36.50%，如沙生针茅(Stipaglareosa)、宿根亚麻(Linumperenne)、灰叶黄芪(Astragalusdiscolor)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)等；强旱生植物43种，隶属于12科31属，如沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、木本猪毛菜、红砂、绵刺(Potaniniamongolica)等；中旱生植物12种，隶属于6科10属，如少花棘豆(Oxytropispauciflora)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和甘蒙锦鸡儿(Caraganaopulens)，占区系总种数的8.76%。中生植物32种，其中典型中生18种，如狗尾草(Setariaviridis)、画眉草(Eragrostispilosa)、地锦等(Euphorbiahumifusa)；旱中生植物14种，占区系总种数的10.22%。

3.3 乌拉特荒漠植被类型

根据《中国植被》中的植物群落学分类原则划分研究区植被，可将研究区植被分为小乔木荒漠、灌木荒漠和半灌木、小半灌木荒漠3种植被亚型5种群系组，分别为典型灌木荒漠，草原化灌木荒漠，盐柴类半灌木、小半灌木荒漠，多汁盐柴类半灌木、小半灌木荒漠和蒿类半灌木、小半灌木荒漠，14个群系包括62个群丛(表2)。

表2 乌拉特荒漠植被类型Table 2 Vegetation types in Wulat desert

3.4 荒漠土壤养分特征

乌拉特荒漠区各植被类型所含样点数各不同，以珍珠猪毛菜荒漠所含样点数最多，占全部荒漠样点数的16.35%，垫状锦鸡儿荒漠占全部荒漠样点的14.42%，红砂荒漠占全部荒漠样点数13.46%，柠条锦鸡儿样点数占全部荒漠样点数的6.73%，黑沙蒿荒漠所含样点数占全部荒漠样点数的4.81%，5种主要植被类型全部样点数达到55.77%，为该区域主要群系，故选取以上区系做研究。

Ⅰ.半灌木和小半灌木;Ⅱ.灌木;Ⅲ.多年生草本;Ⅳ.一年生草本；A.典型中生;B.旱中生;C.中旱生;D.典型旱生;E.强旱生图2 乌拉特荒漠植物生活型和水分生态型谱Ⅰ.Semi shrub and small semi shrub;Ⅱ.Shrub;Ⅲ.Perennial herb;Ⅳ.Annual herb;A.Typical mesophyte;B.Xerophytic;C.Medium xerophyte;D.Typical xerophytes;E.Strong xerophytesFig.2 Life forms and water ecotype spectrum of plants in Wulat desert

经测定研究区土壤含水率为1.80%～21.60%，容重为1.60～1.72 g·cm-3，土壤孔隙度为31.54%～37.73%，全氮质量分数为0.13～0.64 g·kg-1，全磷质量分数为0.19～0.38 g·kg-1，有机质质量分数为1.90～7.11 g·kg-1(表3)。

表3 不同植被类型土壤主要性状Table 3 Main soil properties of different vegetation types

3.5 荒漠多样性指数与土壤特征的关系

由表4可知，研究区内Margalef丰富度指数平均值为1.77，Shannon-Wiener多样性指数平均值为1.49，Pielou均匀度指数平均值为0.64，各植被类型中均以建群种的重要值最高，植物种数分布在5～25种之间，物种较为单一。

表4 乌拉特荒漠区典型植被类型物种多样性指数Table 4 Species diversity index of typical vegetation types in Wulat desert

对研究区内的植物多样性指数与土壤主要性状进行相关性分析，结果(表5)表明Pielou均匀度指数与土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有机质均呈负相关，但相关关系均未达到显著水平；Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数与土壤容重、全氮、全磷、有机质也均呈负相关，但相关关系均未达到显著水平。

表5 植物多样性指数与土壤主要性状相关系数Table 5 Correlation coefficient between plant diversity index and main soil properties

4 讨论与结论

4.1 讨论

腾格里沙漠[20]共有天然种子植物60科201属382种，以多年生草本为主要植物生活型；宁夏东部风沙区荒漠草原植物物种较为单一[21]，多集中在6～13种，这与本研究结果一致，物种数居于5～25种之间。荒漠地区由于降水量少蒸发量大，故植被稀少、物种单一。该区域植物组成简单且以草本为主要生活型，气候环境仅适合部分植物生存。

本研究发现乌拉特荒漠区植被有3个植被亚型、5个群系组、14个群系、62个群丛，而乌兰布和沙漠有9个植被(亚)型、21个群系[22]，库姆塔格沙漠植被有10个植被亚型、23个植被群系[23-25]，形成这一差别的原因在于乌拉特荒漠区地处阴山北麓中部地区，相对于乌兰布和沙漠和腾格里沙漠而言，腾格里沙漠地处干旱半干旱气候类型区，乌拉特荒漠地处半干旱向干旱区过渡区，本研究区区域植物群落结构变化不明显，部分强旱生植物才能成为优势种形成稳定层片。

土壤理化性质是土壤养分的重要体现，是植物生长繁殖的重要支撑[26]。本研究结果显示，土壤容重为1.60～1.72 g·cm-3，全氮质量分数为0.13～0.64 g·kg-1，全磷质量分数为0.19～0.38 g·kg-1，3种土壤质量分数均低于中国西部地区土壤平均值，有机质质量分数为1.90～7.11 g·kg-1，该质量分数高于西部地区土壤平均值[27-28]，这与该区降水少、近两年偶遇蝗灾以及人为放牧产生的影响有关，土壤随着外界压力的增加，各土壤养分指数均有不同变化。

库布齐沙漠不同植被类型的生产力受林分特征和土壤养分共同制约[29]，土壤含水量的差异会导致群落物种多样性的变化。吴昊[30]对秦岭松栎林建群种形态及物种多样性与土壤物理性质的影响展开研究，发现容重与Patrick丰富度指数、Simpson多样性指数及Shannon-Wiener多样性指数均呈显著正相关，毛管持水量与Pielou均匀度指数呈显著负相关。乌兰布和沙漠东北缘典型灌木群落植物丰富度指数、均匀度指数及多样性指数与其土壤全氮、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[31]，而与pH值呈负相关关系[32]。本研究结果为Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数均与土壤容重、全氮、全磷、有机质均呈负相关，但相关关系均未达到显著水平，Pielou均匀度指数与土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有机质均呈负相关，相关关系也未达到显著水平，与乌兰布和沙漠的研究结果不一致，造成这一结果的原因可能与本研究区的放牧情况有关，且近两年出现蝗灾情况，使得大部分植物并不能生长，土壤环境发生改变。