荒漠绿洲过渡带不同固沙植物根区土壤养分空间分布特征

邓丽媛，胡广录，周 川，陈海志，麻 进，焦 娇

(兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070)

固沙植物是荒漠绿洲之间重要的生态屏障，通过降低风沙活动强度来减轻荒漠化对绿洲的威胁，并密切参与了土壤的生物地球化学循环。营造不同的固沙植物可使过渡带上生物多样性增加，其凋落物及根系分泌物向土壤中输入营养物质，能够为微生物的生长和代谢提供基质[1-2]；另外，随着固沙植物的生长，一方面起到了固定沙丘的作用，另一方面日益增长的植物冠幅形成了天然的屏障，有效地减少了太阳辐射，降低了地表温度并减少土壤水分蒸发，从而改善了过渡带土壤的水热状况。然而随着全球温室效应的逐年增强以及黑河中游地区水土资源的过度开发利用，近年来生长在荒漠绿洲过渡带上的天然和人工固沙植物均出现了不同程度的衰退迹象，影响土壤的物理性质及养分的输入和输出，进而影响了土壤的养分储量和养分的有效性等肥力状况，对黑河中游的绿洲生态系统构成了严重威胁。因此，维持荒漠绿洲过渡带固沙植物的正向演替和稳定性已成为社会高度关注的区域性环境问题，而对固沙植物的合理选择，可有效改善荒漠绿洲过渡带植被生态系统的景观格局和演替态势。

土壤可为固沙植物提供必要的物质基础，其养分含量大小影响着固沙植物群落的生长发育及其空间分布格局，而固沙植物也影响着土壤养分的分布。土壤养分相关指标众多，其中，土壤有机质能有效促进土壤生物的活动，进而促进土壤中营养元素的活化，具有保肥性和缓冲性的作用，有机质的降低是梭梭林退化的标志之一[3]；而N、P作为土壤中重要的养分，对植物生长、群落组成及固沙植物稳定性亦有重要的影响[4-7]。有学者研究表明[8-10]，土壤理化性质的分布受到植物和地形的影响，具有梯度性变化规律。也有研究报道，在相同气候和地形条件下，植物类型可影响土壤水分和养分在群落尺度上的空间分布[11-12]。干旱区降水稀少、气候干旱、植物类型相对简单，土壤养分较为贫瘠，固沙植物生长所需的土壤养分常常受到限制[13]。为了应对严苛的环境条件，干旱区的固沙植物在有限的土壤养分和水分条件下逐渐演变成斑块状分布的植被空间格局，其生态稳定性对抵御风沙侵袭、保护绿洲安全生产意义重大。学者们以往的研究大多集中在植物类型、生长特点、防沙效应、气候响应以及土壤水分状况等方面[14-15]，对于干旱区不同固沙植物根区土壤养分含量空间分布对比的研究鲜有报道。本研究在甘肃省临泽县北部的荒漠绿洲过渡带上，以斑块状分布的固沙植物根区土壤为对象，选取土壤有机质、全N、全P作为土壤养分指标，研究固沙植物根区土壤养分含量的空间分布特征，探讨不同固沙植物对土壤养分含量的影响规律，旨在为荒漠绿洲过渡带固沙植物的合理选择、植被恢复及保护重建提供科学支撑，对其他地区荒漠化土地实施植物防治措施亦有重要的借鉴意义。

1 研究区概况

研究区地处黑河中游的甘肃省张掖市临泽县北部的荒漠与绿洲过渡带，地理位置39°21′53″-39°22′01″N，100°09′12″-100°09′14″E，位于巴丹吉林沙漠和张掖-临泽绿洲交汇处，属典型的温带大陆性荒漠气候。海拔1 370 m左右，四季云量少，光照充足，年日照时间为3 045 h；多年平均降水量117 mm，较多集中于6-9月，约占全年降水量的70%，年蒸发量在2 390 mm以上，空气相对湿度为45%～49%；年均气温7.6 ℃，最低气温-27.3 ℃，最高气温39.1 ℃[16]。风向以西北风为主，年平均风速3.2 m·s-1，最大风速21 m·s-1，≥8级的大风日数年平均为15 d。由于长期受到风沙活动的影响，土壤以灰棕色漠土和风沙土为主，以灰棕色漠土为地带性土壤。研究区内天然植物群落结构较为简单，呈斑块状分布，植物种类稀少，主要为灌木与半灌木群落，部分为短期生和1年生的草本植物，其余基本上为超旱生植物，因此具有典型荒漠植物的特征[17]。本研究区代表性固沙植物有梭梭(Haloxylonammodendron)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)、柽柳(Tamarixramosissima)等[18]。

2 材料与方法

2.1 土样采集

2020年7-9月，对研究区范围内的3种不同固沙植物(泡泡刺、沙拐枣、梭梭)根区土壤分别进行采样。选取生长正常、无病虫害、树龄、地形特征等条件基本一致，且与周围其他同种或异种植物互不影响的3种固沙植物各4棵。将采样点设置在距离植物根区0～0.5 m(靠近根部)及1.5～2.0 m(冠幅边缘)的水平距离处，每一水平距离处对称布设2个采样点，每隔30 d采样1次，共计144个采样点，每个采样点处先挖掘土壤剖面，然后按照20 cm垂直间距为一土层，采集0～120 cm垂直深度范围内不同土层的土壤样品。将采取到的每层土壤样品装入密封袋并分类标记，带回实验室自然风干后，再测试土壤养分含量。

2.2 土壤样品测试方法

根据相关文献资料[19]，将风干后的土壤样品先过2 mm筛，充分研磨后再用四分法另取部分样品，过0.149 mm筛，混合均匀后装入聚乙烯样品袋，用于测定土壤养分全量。本研究中对于土壤有机质采用邱林法测定，土壤全N(TN)采用半微量凯式定N法测定，土壤全P(TP)采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定。

2.3 数据处理与分析

对试验测定所得的3种不同固沙植物根区的土壤有机质、全N、全P指标数据进行统计分析，可得出3种不同固沙植物根区土壤养分含量的差异。为更进一步探讨固沙植物根区不同深度土壤养分含量，以及相同固沙植物根区不同水平距离处(根区0～0.5 m及1.5～2.0 m)土壤养分含量的分布规律和特点，采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著性差异法(LSD)进行比较，并且用Origin绘制相关图件。

3 结果与分析

3.1 固沙植物根区0～120 cm土层深度土壤养分总体特征

由表1可见，不同固沙植物根区0～0.5 m处土壤有机质含量的平均值为梭梭(21.78 g·kg-1)>泡泡刺(20.67 g·kg-1)>沙拐枣(19.06 g·kg-1)，全P含量的平均值为梭梭(0.41 g·kg-1)>泡泡刺(0.40 g·kg-1)=沙拐枣(0.40 g·kg-1)，全N含量的平均值为梭梭(0.21 g·kg-1)>泡泡刺(0.20 g·kg-1)=沙拐枣(0.20 g·kg-1)。由表2可见，不同固沙植物根区1.5～2.0 m处土壤有机质含量的平均值为泡泡刺(18.44 g·kg-1)>梭梭(17.39 g·kg-1)>沙拐枣(16.94 g·kg-1)，全P含量的平均值为梭梭(0.38 g·kg-1)=泡泡刺(0.38 g·kg-1)>沙拐枣(0.37 g·kg-1)，全N含量的平均值为梭梭(0.20 g·kg-1)>沙拐枣(0.19 g·kg-1)=泡泡刺(0.19 g·kg-1)。由表1、表2还可以看出，不同固沙植物根区0～0.5 m及1.5～2.0 m处各土层之间土壤有机质变异系数相对较大，高于9.9%，而土壤全P和全N的变异系数均相对较小，全N含量变异范围在3.66%～6.14%，全P含量变异范围在4.80%～6.86%。

表2 不同固沙植物根区1.5～2.0 m处0～120 cm土层深度土壤养分总体特征

上述结果说明，梭梭根区土壤中养分含量相对较多，并且3种不同固沙植物根区土壤有机质含量时空变异程度较大，而土壤全P、全N含量时空变异程度较小。

3.2 固沙植物根区不同水平距离处土壤养分含量变化

为了揭示固沙植物根区不同水平距离处各土层的土壤养分含量变化特点，对土壤有机质、全N、全P在固沙植物根区水平距离0～0.5 m处与1.5～2.0 m处各土层之间的差异性进行比较。由图1可见，梭梭、沙拐枣、泡泡刺根区土壤有机质、全N、全P含量在不同水平距离间均存在差异性，具体表现为根区水平距离0～0.5 m处>1.5～2.0 m处，并且随着土层深度增加，根区水平距离0～0.5 m处与1.5～2.0 m处各土层的差异性亦逐渐降低，即3种不同固沙植物根区水平距离0～2 m范围内浅层土壤中的养分含量靠近根部较高，存在较明显的“肥岛”效应。

注：小写字母表示同一植物不同土层间差异显著，大写字母表示不同植物同一土层间差异显著。

3.3 固沙植物根区不同土层土壤养分含量变化

3.3.1 有机质 由图1可知，梭梭根区水平距离0～0.5 m处土壤有机质含量在不同土层间差异显著，具体表现为40～80 cm土层>80～100 cm土层>20～40 cm土层>100～120 cm>0～20 cm土层；沙拐枣根区水平距离0～0.5 m处土壤有机质含量在不同土层间差异显著，具体表现为60～80 cm土层>40～60 cm土层与20～40 cm土层>80～100 cm土层与0～20 cm土层>100～120 cm土层；泡泡刺根区水平距离0～0.5 m处土壤有机质含量在不同土层间差异显著，具体表现为60～80 cm土层>20～60 cm土层>0～20 cm土层>80～100 cm土层>100～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离0～0.5 m处土壤有机质含量整体呈现出随着土层深度增加先升高再降低的变化趋势。

梭梭和泡泡刺根区水平距离1.5～2.0 m处土壤有机质含量在不同土层间差异不显著；沙拐枣根区水平距离1.5～2.0 m处土壤有机质含量在不同土层间差异显著，具体表现为60～80 cm土层>20～60 cm土层与80～100 cm土层>0～20 cm土层与100～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离1.5～2.0 m处土壤有机质含量整体上呈现出随着土层深度增加先升高再降低的变化趋势。

综上所述，3种不同固沙植物根区水平距离0～0.5 m处，0～40、60～80 cm土层土壤有机质含量差异不显著；40～60 cm土层土壤有机质含量差异显著，具体表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣；80～120 cm土层土壤有机质含量差异显著，具体表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。3种不同植物根区水平距离1.5～2.0 m处，0～20、40～60 cm土层土壤有机质含量差异显著，具体表现为泡泡刺>梭梭>沙拐枣；20～40 cm土层土壤有机质含量差异显著，具体表现为泡泡刺>梭梭=沙拐枣；60～120 cm土层土壤有机质含量差异不显著。

3.3.2 全N 由图1可知，梭梭根区水平距离0～0.5 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 m土层>60～80 cm土层>80～100 m土层>100～120 cm土层；沙拐枣根区水平距离0～0.5 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 m土层>60～80 cm土层>80～100 m土层>100～120 cm土层；泡泡刺根区水平距离0～0.5 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～80 cm土层>80～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离0～0.5 m处土壤全N含量整体呈现出随着土层深度增加而下降的变化趋势。

梭梭根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～120 cm土层；沙拐枣根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～100 cm土层>100～120 cm土层；泡泡刺根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全N含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全N含量整体上呈现出随着土层深度增加而下降的变化趋势。

综上所述，3种不同固沙植物根区水平距离0～0.5 m处，0～80 cm土层土壤全N含量差异不显著；80～120 cm土层土壤全N含量差异显著，具体表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。3种不同固沙植物根区1.5～2.0 m处，0～60 cm土层土壤全N含量差异不显著；60～120 cm土层土壤全N含量差异显著，具体表现为梭梭>沙拐枣>泡泡刺。

3.3.3 全P 由图1可知，梭梭根区水平距离0～0.5 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm>80～120 cm土层；沙拐枣根区水平距离0～0.5 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～80 cm土层>80～100 cm土层>100～120 cm土层；泡泡刺根区水平距离0～0.5 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～100 cm土层>100～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离0～0.5 m处土壤全P含量整体呈现出随着土层深度增加而下降的变化趋势。

梭梭根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～20 cm土层>20～60 cm土层>60～80 cm土层>80～120 cm土层；沙拐枣根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～120 cm土层；泡泡刺根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全P含量在不同土层间差异显著，具体表现为0～40 cm土层>40～60 cm土层>60～80 cm土层>80～100 cm土层>100～120 cm土层。3种固沙植物根区水平距离1.5～2.0 m处土壤全P含量整体上呈现出随着土层深度增加而下降的变化趋势。

综上所述，3种不同固沙植物根区水平距离0～0.5 m处，0～120 cm土层土壤全P含量差异不显著。3种不同植物根区水平距离1.5～2.0 m处，0～40、60～120 cm土层土壤全P含量差异不显著；40～60 cm土层土壤全P含量差异显著，具体表现为梭梭>泡泡刺>沙拐枣。

3.4 不同固沙植物土壤养分间的相关性

将3种不同植物类型和0～120 cm各土层深度及其土壤有机质、全N、全P指标数据进行相关性分析(表3)，不同固沙植物与土壤各养分之间均呈正相关关系，其中与有机质、全P呈极显著正相关(P<0.01)。不同土层深度与全N、全P呈极显著负相关(P<0.01)，这表明3种固沙植物根区0～2.0 m处土壤全N、全P含量随着土层深度增加而下降。

表3 固沙植物类型、土层深度、土壤养分间的相关性分析

土壤有机质、全N、全P之间均呈正相关关系，其中有机质与全N呈极显著正相关(P<0.01)，并且全N与全P呈极显著正相关(P<0.01)。这表明，固沙植物根区土壤不同养分之间存在一定的相互影响，可为该地区固沙植物选择及其根区土壤养分的深入研究提供必要参考。

4 结论与讨论

土壤养分含量与植物类型、气候、降水、土壤质地、地形地貌以及人类活动等有较强的相关关系[5,20-21]。在本研究区气象和水文条件基本一致的情况下，固沙植物的不同类型成为影响土壤养分的重要因素。研究结果表明，不同类型的固沙植物根区土壤养分空间分布呈现差异性，整体上梭梭根区土壤养分含量大于泡泡刺与沙拐枣根区。土壤中的有机质和全N主要来源于植物根部分泌物及凋落物的分解[5,22]；土壤P是一种沉积性元素，主要源于岩石分化，受气候及成土母质等因素的影响较大[23]。研究区内3种不同固沙植物根区土壤养分指标中，土壤有机质含量空间变异程度相对较大，其中沙拐枣根区水平距离1.5～2.0 m处变化最大；土壤全P、全N含量空间变异程度相对较小，其中泡泡刺根区水平距离1.5～2.0 m处变化最小。这可能与固沙植物的冠幅和根系分布特点有关，梭梭冠幅较大，枝叶较为茂密，凋落物相对比较多，从风沙中蓄积到的土壤养分较多，大部分凋落物分解进入土壤，且其主根系发达，根系分泌物较多，使得根区土壤养分含量较高；而枝条较为稀疏并且冠幅较小的泡泡刺和沙拐枣凋落物相对较少，从风沙中蓄积到的土壤养分较少，且其侧根系虽较为发达，但主根系相对于梭梭不发达，从而使得植物根区范围的土壤养分含量相对于梭梭较少。此外，泡泡刺沙包是大沙鼠和沙漠蜥蜴的重要栖息地，他们的粪便和残体会带来部分土壤养分[24]，但由于其影响程度相对较小且范围较为随机，可忽略不计。

不同固沙植物根区土壤养分在水平分布上也表现出一定程度的规律性，总体表现为根区水平距离0～0.5 m处各土层土壤养分含量大于根区水平距离1.5～2.0 m，这与苟博文等[25]、曹艳峰等[26]、孙特生等[27]的研究结果相一致。说明根区水平距离0～0.5 m处各土层土壤更容易积累较高的养分，这是由于植物的防风固沙作用，有效防止表层土壤养分风蚀损耗，同时将植物自身凋落物和植物根部分泌物等进行保蓄，将其保存在植物根部附近，从而使根区水平距离0～0.5 m处土壤养分含量大于1.5～2.0 m处，这种现象称为“肥岛效应”[28-29]。研究发现，3种不同固沙植物根区的土壤虽然均呈现一定程度上的“肥岛效应”，但梭梭的“肥岛效应”要大于沙拐枣和泡泡刺，且随着土层深度的增加，植物的这种蓄积效应逐渐降低，这是由于梭梭具有较发达的主根系，以根际沉积的方式将输入到根部的有机、无机化合物释放到周围土壤中，其较大的冠幅也大大减弱了风蚀带来的养分损耗，从而使根区水平距离0～0.5 m处土壤养分大于1.5～2.0 m处。“肥岛效应”改善了固沙植物根区的土壤和生态条件，有利于提高植物在风沙干旱环境中的生存能力[26]。固沙植物的生长发育和良性演替可减少土壤风蚀，从而改善区域生态环境。荒漠绿洲过渡带固沙植物根区土壤虽具有“肥岛效应”，并且能从多种途径中获取植物生长所需的养分，但其土壤中有机质、全P、全N含量仍极其贫乏，应加强林地固沙植物的抚育和保护。

不同固沙植物对土壤养分含量的影响，不仅在土层表面(0～20 cm)，还深入到更深的土层中[10]。在本研究中，尽管整体上土层深度对土壤养分含量具有显著影响，但不同固沙植物的土层深度对土壤养分含量的影响呈现一定的差异。固沙植物根区土壤中有机质、全P、全N含量随着土层深度的变化较大，可能与固沙植物枯落物的分解、植物树冠的大小以及植物根区土壤形成的沙包等因素有关。表层土壤中凋落物相对较多，且在灌丛下的聚集会使小部分养分随径流与雨水渗透到下层土壤中，使得有机质含量随着土层深度的增加基本上都呈现出先增大后降低的趋势，且表层(0～20 cm)含量大于底层(100～120 cm)；土壤全P、全N含量则呈现出表层养分较高的趋势，这与陈婧等[30]的研究结果一致，土壤全P、全N来源于动植物残体的归还量和生物固N，且植物根系随土壤深度的增加而呈减少趋势[31]，所以表层动植物残体丰富，土壤全P、全N含量相对较高[32]。

固沙植物根区土壤养分指标之间也存在一定的相关性。本研究表明，固沙植物根区土壤有机质、全N、全P之间均呈正相关关系，其中土壤有机质与全N呈极显著正相关，并且全N与全P呈极显著正相关。土壤养分之间的相互影响关系，可为该区域固沙植物的合理配置及其土壤养分的进一步深入研究提供参考。

综上所述，梭梭根区范围的土壤养分高于沙拐枣和泡泡刺根区，且梭梭的“肥岛效应”大于沙拐枣和泡泡刺。因此，应大力推广梭梭作为荒漠绿洲过渡带固沙植物，同时加强固沙植物的抚育更新，维持其生态稳定性及其正向演替。