河西走廊盐渍化草地芨芨草“肥岛”对土壤养分空间分布的影响

2022-07-05高瑞曹文侠王辛有王世林

草原与草坪 2022年2期

高瑞，曹文侠，王辛有，王世林

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070)

“肥岛”效应是土壤养分资源在生物和非生物作用下，逐渐向草丛内流动，造成草丛内土壤养分显著高于草丛外养分，在空间分布上呈现出一种养分汇集的现象[1]。“肥岛”的形成改变了土壤养分的空间格局，而在受资源胁迫的干旱、盐碱生态系统中，土壤养分能够促进根系的生长[5]，提高植物的存活率[6]，对植被结构和功能有重要影响[7]。比如“肥岛”有利于植物的更新和扩散，同时又抑制了草本植物的生产力，北美干旱草原受这一机制的影响加速了荒漠化进程[8]，因此“肥岛”现象在干旱区备受关注[9]。

河西走廊地区存在大面积的盐碱土地，盐碱化程度较重，在利用耐盐植物改良盐碱地土壤的大趋势下，干旱盐碱化地区土壤养分空间分布特征和植物间关系成为重要研究课题。许捷等[10]的研究表明，同一群落不同养分的“肥岛”作用范围不同；何玉惠等[11]的研究结果表明，在灌丛下土壤养分在表层土壤富集；苟博文等[12]的研究表明，梭梭根区具有的“肥岛”效应聚集在0～40 cm土层；裴世芳等[13]的研究显示，灌丛对土壤的有机质、氮有明显的富集和保护作用，对磷无明显作用。然而，目前关于干旱盐碱化地区“肥岛”效应的研究多集中于灌丛“肥岛”方向，缺少丛生型草本植物“肥岛”效应对土壤影响的相关研究。芨芨草(Achnatherumsplendens)是生长在干旱地区的多年生草本植物，具有较强的耐旱、耐寒、耐盐性[14]，其根系发达，入土深，能形成大的密丛，根系将土壤固结，能防风固沙，有效阻止地表径流，防止水土流失，是改良盐碱地土壤的可选植物之一，也是天然的生态保护屏障。目前对于芨芨草的研究比较广泛，但有关盐碱地芨芨草“肥岛”效应对土壤养分空间分布的研究报道较少。

本研究以河西走廊盐碱化草地芨芨草草丛为研究对象，通过对芨芨草草丛土壤养分的初步分析，来揭示芨芨草草丛土壤养分空间分布特征，从而对合理有效保护和改善芨芨草草地、改良生态环境提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地点为甘肃省酒泉市肃州区漫水滩村(N 39°40′52″，E 98°46′35″)，地处河西走廊西端阿尔金山、祁连山与马鬃山之间的荒漠干旱草原地带，三面环山，平均海拔1 385.7 m。北部是平坦的戈壁滩，蒸发量大，降水缺乏，属典型大陆性温带干旱气候，年平均气温7.3 ℃，年平均降水量仅87.7 mm，年平均蒸发量2 141 mm；温差较大，降水分布不均，由北到南、从西到东逐渐递增，夏季干热期较短，冬季寒冷期较长[15]。

试验地土壤盐碱含量高，有机质缺乏，养分含量低，受水分及盐碱条件限制，试验地区植被呈斑块状格局分布，群落结构简单，物种组成单一。优势种为聚盐和泌盐的灌木或多年生草本植物，如柽柳(Tamarixchinensis)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、芦苇(Phragmitesaustralis)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)等。伴生种主要为耐盐碱的多年生草本植物，如：盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、碱蓬(Suaedaglauca)、赖草(Leymussecalinus)、藜(Chenopodiumalbum)和獐毛(Aeluropussinensis)等。

1.2 试验设计

1.2.1 样品采集 2019年7月根据试验样地内芨芨草生长情况，选取冠幅相近、生长状况良好、大小适中的芨芨草草丛[基径为(35～39)cm×(36～43)cm]共6丛，作为研究草丛。对选取的每株芨芨草草丛，分别按照4个不同方位，每个方位按距离草丛中心(指肥岛的几何中心位置)20，40，60，100 cm分为5个取样点，分别用YC(草丛中心)、Y0(距草丛中心20 cm)、Y1(距草丛中心40 cm)、Y2(距草丛中心60 cm)、Y3(距草丛中心100 cm)来表示，各点按0～10，10～20，20～30，30～40，40～60 cm(5个土层)深度采集土壤样品。然后将土样置于已标记好的塑料袋中，带回实验室将土风干后进行土壤指标的测定。

1.2.2 测定方法土壤水分含量测定采用烘干恒重法，土壤pH值测定采用pH计(PHS-25，中国上海仪电科学仪器股份有限公司)测定，有机质测定采用重铬酸钾外加热法，全氮测定采用凯氏定氮法，碱解氮测定采用碱解扩散法，全磷和速效磷测定采用钼锑抗比色法，全钾和速效钾测定采用火焰光度计法[17]。

1.3 数据分析

利用SPSS 20.0进行统计分析，采用单因素方差分析对相同土层芨芨草草丛距草丛中心不同距离的土壤养分进行比较分析，显著性水平设定为P<0.05。利用Microsoft Excel 2016进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤水分含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤含水量的空间分布特征从YC到Y3，随着距离的增加土壤含水量逐渐降低，随着土层深度的增加，含水量逐渐增加，除0～10 cm土层外，其余各土层YC含水量显著高于其他各点(P<0.01)，10～60 cm各土层从YC到Y0，含水量分别从10.73%下降到5.06%，从12.61%下降到6.10%，从13.79%下降到8.36%，从14.46%下降到9.96%。0～10 cm土层，YC或Y0>Y1>Y2(P<0.01)，YC和Y0差异不显著(P>0.05)，Y1和Y3差异不显著(P>0.05)，Y2和Y3差异不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，从YC到Y0，含水量下降较大，Y0到Y1含水量有所回升，YC>Y1>Y0、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，YC到Y0变化速率较大，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y1>Y2(P>0.05)，Y0、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)(图1)。

图1 芨芨草草丛土壤含水量

综上，土壤水分含量随着离草丛中心的距离增加而下降，且随着土层深度的增加而增加，在各土层中，草丛中心含水量明显高于其余各点，距草丛中心40 cm处有小幅度升高，随后又开始下降。

2.2 土壤pH值变化特征

芨芨草草丛周围土壤pH值变化特征表现为各土层YC处pH值明显低于其余各点，随土层深度的增加pH值逐渐增大，Y0到Y3，随土层深度的增加pH值逐渐减小，40～60 cm土层pH值又有所升高。从YC到Y0，0～60 cm各土层pH值分别从7.73上升到8.59，从7.94上升到8.49，从8.24上升到8.32，从8.18上升到8.46，从8.25上升到8.45。0～10 cm土层，YC和各点差异显著(P<0.05)，其余各点之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC和各点差异显著(P<0.01)，其余各点之间差异均不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，Y1>YC、Y0(P<0.01)，Y3>Y2(P<0.05)，Y1和Y3、YC、Y0和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，Y0、Y1>Y2、Y3>YC(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y0、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)(图2)。

图2 芨芨草草丛土壤pH值

综上，同土层以草丛中心的pH值最低，随土层深度的增加而增大。0～30 cm土层草丛中心到距草丛中心20 cm处pH值变化较大，30～60 cm变化较小，除了草丛中心外，其他各点随距离的增加变化不显著。草丛中心到距草丛中心100 cm内，0～30 cm土层，随着土层深度的增加土壤pH值逐渐降低，到30～60 cm土层，pH值又有小幅的回升。

2.3 土壤有机质含量变化特征

随着距离的增加，土壤有机质含量逐渐减少，YC到Y0下降速率最大，0～60 cm各土层有机质分别从13.73 g/kg下降到6.84 g/kg，从12.11 g/kg下降到5.18 g/kg，从11.24 g/kg下降到5.18 g/kg，从7.12 g/kg下降到6.04 g/kg，从8.34 g/kg下降到5.48 g/kg，随着土层深度的增加有机质含量也在逐渐减少。0～10 cm土层，YC到Y0土壤有机质含量下降较快，Y0到Y3缓慢下降，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC>Y0、Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，相比其他土层下降缓慢，YC>Y0>Y1>Y2(P<0.01)，Y1和Y3、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC、Y2>Y0、Y1、Y3(P<0.01)，YC和Y2之间差异不显著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)(图3)。

图3 芨芨草草丛土壤有机质含量

综上，随着距离的增加，有机质含量逐渐减少，草丛中心到距草丛中心20 cm，0～30 cm土层下降速率最大，30～60 cm土层下降速率较小，但差异均显著。随着土层深度的增加有机质含量也在逐渐减少，草丛中心到距草丛中心20 cm差异显著，距草丛中心20～100 cm中，随着土层深度的增加有机质含量也在逐渐减少，但差异不显著。

2.4 土壤全氮含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤全氮含量的空间分布0～10 cm土层，YC>Y0、Y2>Y1、Y3(P<0.01)，Y0和Y2、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC、Y0>Y2>Y1、Y3(P<0.01)，YC和Y0、Y1和Y3之间差异均不显著。20～30 cm土层，YC、Y0、Y3>Y2>Y1(P<0.01)，YC、Y0和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，Y0>YC、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，YC、Y1、Y2和Y3(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y0，Y1、Y3>Y2(P<0.01)，YC、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)，Y0和Y2之间差异均不显著(P>0.05)(图4)。

图4 芨芨草草丛土壤全氮含量

综上，草丛中心到距草丛中心20 cm呈现出明显的下降趋势，距草丛中心20 cm到距草丛中心100 cm变化趋势不明显。在距草丛中心20 cm处，除了40～60 cm土层，全氮含量在其余各土层基本处于最低值。

2.5 土壤全磷含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤全磷含量随着距离的增加逐渐减小，Y3处有所回升，随着土层深度的增加，全磷含量逐渐减小。除0～10 cm土层外，其余各土层先减小到Y2，然后Y3处又有所回升。0～10 cm土层，YC>Y0、Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y0和Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC>Y0>Y1、Y3>Y2(P<0.01)，Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，YC>Y0>Y1、Y3>Y2(P<0.01)，Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，YC>Y0>Y1、Y2、Y3(P<0.01)，Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y0>Y1>Y3>Y2(P<0.01)(图5)。

图5 芨芨草草丛土壤全磷含量

综上，随着距离的增加全磷含量逐渐减小，距草丛中心40 cm处达到最低值，距草丛中心100 cm处有所回升。随着土层深度的增加，全磷含量逐渐减小，草丛中心到距草丛中心40 cm处变化差异不显著，距草丛中心40 cm到距草丛中心100 cm处，变化差异显著。

2.6 土壤全钾含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤全钾含量的空间分布特征总体来看，随着距离的增加全钾含量都有先增加，再降低，再增加在降低的变化趋势。0～10 cm土层，YC、Y0、Y2>Y1>Y3(P<0.01)，YC、Y0、Y2之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，Y0和各点差异显著，其余各点均无显著差异。20～30 cm土层，Y0>Y1>Y3(P<0.01)，Y0和Y1、YC和Y2、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，Y0>YC、Y1、Y2、Y3(P<0.01)，YC、Y1、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，Y0、Y1>Y3>YC(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)，Y2和Y3之间差异不显著(P>0.05)(图6)。

图6 芨芨草草丛土壤全钾含量

综上，土壤全钾含量随着距草丛中心的增加都有先增加，再降低，再增加再降低的变化趋势，其余变化差异不显著。

2.7 土壤碱解氮含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤大麦解氮含量总体上随距离的增加逐渐减小，YC到Y0处，下降速率较大。0～10 cm土层，从Y0到Y1有小幅度回升，其他各段都在减小，YC>Y1>Y0、Y2、Y3(P<0.01)，Y0、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC>Y0、Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，从Y0到Y1有所回升，其余各段均逐渐减小，YC>Y1、Y2>Y0、Y3(P<0.01)，Y0和Y3、Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，变化波动不大，YC>Y3>Y0>Y2(P<0.01)，YC和Y1、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y0、Y2>Y1>Y3(P<0.01)，Y0和Y2之间差异不显著(P>0.05)(图7)。

图7 芨芨草草丛土壤碱解氮含量

综上，土壤碱解氮含量变化随距离的增加碱解氮含量逐渐减小，草丛中心到距草丛中心20 cm处，下降速率较大。草丛中心随土层变化显著，逐渐降低，距草丛中心20～100 cm变化不明显。

2.8 土壤速效磷含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤速效磷含量的空间变化特征，0～30 cm土层随距离增加速效磷含量逐渐减小，30～60 cm土层从Y1到Y2小幅回升，其余的段都减小。0～10 cm土层，YC>Y0>Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y1和Y2之间差异不显著(P>0.05)。10～20 cm土层，YC>Y0>Y1>Y2、Y3(P<0.01)，Y2和Y3之间差异不显著(P>0.05)。20～30 cm土层，Y1、Y2>Y3(P<0.01)，Y0、Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。30～40 cm土层，YC>Y1>Y3(P<0.01)，YC和Y2、Y0和Y1、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y2>Y1(P<0.01)，Y3>Y1(P<0.01)，YC、Y2和Y3之间差异均不显著(P>0.05)，Y0、Y1和Y3之间差异均不显著(P>0.05)(图8)。

图8 芨芨草草丛土壤速效磷含量

综上，土壤速效磷含量0～30 cm土层，随距离增加速效磷含量逐渐减小，草丛中心到距草丛中心20 cm，速效磷含量逐渐下降，且差异显著，距草丛中心40～100 cm变化不显著，随着土层深度的增加速效磷含量逐渐降低。30～60 cm土层，随距离增加下降至距草丛中心40 cm处，随后又逐渐增加，随着土层深度的增加速效磷含量逐渐升高。

2.9 土壤速效钾含量变化特征

芨芨草草丛周围土壤速效钾含量的空间分布特征，0～10 cm土层，随距离草丛中心增加速效钾含量逐渐降低，YC>Y0>Y1>Y2、Y3，Y2和Y3之间差异不显著。10～20 cm土层，YC>Y2>Y1>Y0>Y3。20～30 cm土层，YC>Y0>Y1>Y2>Y3(P<0.01)。30～40 cm土层，逐渐减小，Y0>YC>Y1、Y2>Y3，Y1和Y2之间差异均不显著(P>0.05)。40～60 cm土层，YC>Y3>Y0、Y2>Y1，Y0和Y2之间差异不显著(图9)。

图9 芨芨草草丛土壤速效钾含量变化

综上，随距离增加速效钾含量逐渐减小，随着土层深度的变化差异不显著。

3 讨论

当今世界人口不断膨胀，土地退化，可利用土地资源匮乏，促使人们将注意力转向盐碱荒地的开发和利用。盐碱地具有巨大的经济价值和生产潜力，优化盐碱地土壤的开发、改良技术，对于合理利用盐碱地，缓解耕地少、后备土地资源不足，提高农业生产力，实现农业可持续发展具有重要意义[17]。本研究通过分析芨芨草草丛土壤养分含量，揭示芨芨草草丛对贫瘠盐碱地生境的适应和改良机制。结果表明土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、速效钾均在草丛冠下富集，土壤表层养分含量草丛内明显高于草丛外，具有典型的“肥岛”效应。这表明“肥岛”效应的形成与芨芨草形态结构特征有着密切关系。可能是由于一方面芨芨草地上部分能形成隐蔽性很好的密丛，可以为各种动物提供良好的栖居环境，动物产生的排泄物及其残体可以增加养分富集[18]，同时高大的密丛还可以减弱风蚀，保持凋落物[10,19]，并且可以有效减少辐射量，降低土壤温度，以植物蒸腾代替地表蒸发，另外根系对离子的选择性吸收和植物有机酸的分泌造成草丛中心碱性低于草丛外[20-21]，草丛内对降水的再分配使得草丛内形成低pH值、高含水量和低盐含量的土壤环境[22-23]，这种土壤环境有利于微生物的活动，对分解凋落物和动物残体有很大帮助，从而使草丛内养分含量高于草丛外养分含量。另一方面芨芨草地下根系分布于浅土层[24]，根系脱落物和对养分地吸收转运是草丛内土壤养分的主要来源，因此呈现出从土壤表层至深层养分含量逐渐递减的趋势，这与王勇辉等[24]、苏永忠等[5]和Klemmendson等[26]研究结果一致。这两个方面共同作用形成了芨芨草草丛土壤养分的空间异质性。

芨芨草草丛不仅在不同土层、不同距离下富集养分有差异，且对不同土壤养分的富集效果也不同，这种土壤养分的富集差异受植被类型、生长状况和土层深度等因素共同影响[27]。“肥岛”对土壤有机质的影响主要在于芨芨草自身残枝落叶地返还和通过阻风固尘作用截获风中的凋谢物[28]，因此草丛内土壤有机质等养分含量较高。肥岛对土壤全氮有明显的富集作用，这与芨芨草生长发育合成蛋白质需要通过根系吸收氮素有关，全氮含量会随根系的扩张而变化。全钾无显著变化规律，肥岛对全钾含量影响较小，全钾含量可能主要与当地成土母质有关[29]。速效养分是可通过植物吸收且快速利用的，芨芨草生长发育需要吸收大量养分，使养分在根系分布附近大量积累[30-31]，促使芨芨草快速生长，不断扩大根系的空间分布。