西鄂尔多斯珍稀濒危沙冬青及伴生种对土壤特征的影响

吴惠敏，党晓宏,2，翟 波，魏亚娟，李小乐

（1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古杭锦荒漠生态系统国家定位观测研究站，内蒙古 鄂尔多斯 017400）

内蒙古自治区西鄂尔多斯国家级自然保护区地处荒漠化草原向草原化荒漠过渡的生态脆弱区，其地质历史古老、生境复杂多样。随荒漠化程度的加剧该地区生物的生存条件不断降低，荒漠灌丛以其强耐旱、耐寒能力成为当地主要植被类型［1-2］，并在维持荒漠生态系统的稳定性及改良土壤理化性质中扮演重要角色［3-4］。灌丛特性直接影响对沙物质的拦截能力，进而改变土壤粒度组成及养分积累效果［5］。灌丛不同退化程度对沙堆土壤理化性质影响显著，民勤绿洲的灌丛沙堆土壤理化性质随柽柳的退化出现衰退现象［6］。不同类型的灌丛对土壤元素积累及吸收利用率均存在显著差异［7-8］，巴丹吉林沙漠中柽柳灌丛沙堆的土壤有机质、全碳和全氮含量显著高于泡泡刺和柠条锦鸡儿灌丛沙堆，主要原因是柽柳枝条茂密，拦截面积大且凋落物量大，因此，沙物质拦截和养分积累能力强于其他两种灌丛［9］。同一植物受环境影响，其土壤养分富集程度差异明显，白音恩格尔自然保护区内背风侧的红砂灌丛沙堆土壤养分含量较迎风侧更高［10］，是由于土壤养分随背风侧沉积物含量的增加而增加。

粒度组成是土壤的基本属性之一，粒度分析作为风沙地貌学的基本研究方法，可反演环境变迁过程，反映土壤肥力条件和侵蚀现状［11］。土壤中黏粒含量越多，吸附性越强，土壤所吸附的养分就越丰富［12］。风蚀作用强烈的荒漠地区，灌丛可有效降沉风沙流中细粒物质并沉积于灌丛下，改变灌丛的土壤粒度组成。因此，探明荒漠地区不同灌丛植被类型下土壤粒度特征，进而判断灌丛衰退原因及进程，对保护与合理利用植物资源至关重要。古尔班通古特沙漠西南缘柽柳沙堆土壤粒度组成以细粒物质为主［13］。不同生境下灌丛土壤粒度组成存在显著差异，盐池柠条灌丛显著提高了中砂含量，降低了土壤黏粒；乌拉特柠条灌丛显著提高了极细砂和细砂含量，降低了土壤黏粒含量［14］。同一生境下不同种类灌丛的粒度组成不同，西鄂尔多斯地区四合木、沙冬青和霸王灌丛的土壤黏粒、粉粒、极细砂的含量依次减小。

前人已经就单一灌丛对土壤微环境的影响进行了深入探讨并取得丰富成果，但关于复合灌丛群落对土壤特性影响的相关研究则较少。沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）作为西鄂尔多斯地区特有的濒危孑遗植物，在改良土壤、防风固沙、维持生态系统稳定性方面发挥重要作用。作为沙冬青伴生种之一的霸王（Sarcozygium xanthoxylon），常出现在沙冬青群落附近。基于此，本文选取沙冬青群落、沙冬青-霸王混生群落为研究对象，对比分析单一群落与复合群落的土壤粒度及养分变化特征，以期揭示伴生种在复合群落影响土壤微环境时的作用效果，为保护濒危物种资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区西鄂尔多斯白音恩格尔自然保护区（107°02′～107°19′E；40°08′～40°23′N）（图1），保护区深居内陆，跨越荒漠化草原、草原化荒漠两个植被地带，属温带荒漠化草原向草原化荒漠的过渡区。该区年均气温7.6 ℃，昼夜温差大，年均日照时数3192.5 h，日照充足，年均降水量144.6 mm，降水量地域差异性明显，自西北向东南递增；年均风速4.1 m·s-1，风大沙多，风向多为西南、东南风。受燕山运动及乌兰布和沙漠的风蚀作用，研究区所处地带属波状高原地貌。土壤类型多为地带性灰漠土、非地带性风沙土。保护区建群种多为强旱生灌木，其中沙冬青、霸王、四合木（Tetraena mon⁃golica）、半日花（Helianthemum songaricum）等珍稀濒危植物共58种，占保护区植物种的17.8%［15］。

图1 研究区概况Fig.1 Locations of the study area

1.2 样地选择及植被调查

于2021 年4 月中旬对白音恩格尔自然保护区进行实地踏查，选取以沙冬青群落和沙冬青的伴生种-霸王群落为代表性灌丛的地势平坦无明显起伏的区段为试验样地，布设1个100 m×100 m的样方，对样方内沙冬青和霸王灌丛的分布、数量、株高、冠幅（东西向和南北向）4个指标进行调查（表1）。

表1 灌丛群落分布及生长现状Tab.1 Distribution and growth status of shrubland communities

1.3 样品采集及测定

在对样方内灌丛植被调查的基础上，选取3 株形态相似、长势良好、无衰退现象的单株沙冬青和3株与霸王根系相接、冠层相混的沙冬青-霸王为研究对象，以灌丛中心为圆心、冠幅为半径的同心圆边缘，利用土钻对边缘东南西北4 个方向进行分层取样，取样深度为0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm和20～30 cm，分别将每株灌丛各土层内4个方向的土样混合均匀，两种分布类型各3株灌丛为3次重复；随机选取3处距灌丛中心2倍冠幅距离的无植物覆盖的裸沙地为空白对照（CK），取样深度同上。

将采集的土样带回实验室，置于阴凉通风处风干后过筛，以供土壤粒度组成及土壤养分测定。土壤粒度组成采用激光衍射法分析测定［16］；土壤有机质（SOM）采用重铬酸钾氧化-外加热法进行测定；速效氮（AN）采用NaOH碱解扩散法进行测定；速效磷（AP）通过NaHCO3浸提-钼锑抗比色法进行测定；速效钾（AK）采用NH4Oac 浸提-火焰光度法进行测定［17］。

1.4 土壤粒度参数模型

依据美国制土壤粒度分级标准［18］，将土壤粒径划分为极粗砂、粗砂、中砂、细砂、极细砂、粉粒、黏粒7 个粒级，其标准分别是1000～2000 µm、500～1000 µm、250～500 µm、100～250 µm、50～100 µm、2～50 µm、<2 µm，且均对不同粒径体积分数进行统计。通过粒径Φ值代表粒度参数，分别对平均粒径（d0）、分选系数（δ）、偏度（SK）、峰度（Kg）进行计算。

依据Udden-Wenworth粒级标准，采用Kumdein［19］方法利用如下公式进行转换：

式中：d表示沙粒粒径（mm）。

相关粒度参数的计算采用Folk-Ward图解法［20］。

平均粒径：

偏度：

土壤颗粒分形维数由土壤颗粒体积分形模型计算，其公式为：

式中：r表示土壤颗粒直径（mm）；Ri表示某一粒级土壤颗粒直径（mm）；小于Ri级的土壤颗粒的体积分数（%）用V（r

1.5 土壤养分积累特征

采用相对相互作用强度（Relative Interaction In⁃tense，RII）［21］表示灌丛沙堆土壤富集情况。

式中：Xn和Xi分别表示灌丛根系周围和空白对照不同深度土壤养分含量。当RII>0 时，表示灌丛对该养分含量有富集效应；当RII<0时，表示灌丛对该养分含量有降低效应。RII 距离0 值越远表示效应影响越强。

1.6 数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2010对样地调查结果进行整理，并计算土壤平均粒径、分选系数、偏差、峰态和分形维数等指标。利用SPSS 26 对土壤粒度组成、各参数指标及速效养分含量的平均值进行单因素方差分析（One-way ANOVA），并运用OriginPro 2021绘制计算所得数据。

2 结果与分析

2.1 不同灌丛分布类型土壤粒度特征

2.1.1 不同灌丛分布类型土壤粒度组成 由表2可知，研究区土壤粒度组成以砂粒为主，其中细砂（44.25%～62.11%）含量最高；黏粒、粉粒则相对较少，二者总平均含量均小于10%，不同灌丛分布情况下，沙冬青-霸王土壤黏粒、粉粒总含量最低（11.28%），沙冬青土壤黏粒、粉粒总含量最高（12.89%），裸沙地土壤黏粒、粉粒总含量（12.77%）较沙冬青略低（P<0.05）。对砂粒进一步分析发现，细砂平均体积百分含量最高，均大于52%，其中沙冬青土壤细砂平均体积百分含量显著高于沙冬青-霸王、裸沙地（P<0.05）。

表2 不同灌丛分布下土壤粒度组成Tab.2 Composition of soil particles on different shrub distribution

2.1.2 不同灌丛分布类型土壤粒度参数 研究区内沙冬青、裸沙地各土层间平均粒径差异显著（P<0.05），波动范围由小到大为：沙冬青-霸王（0.04）<沙冬青（0.44）<裸沙地（0.93）。不同灌丛分布情况下，各土层分选系数范围处于1.27～1.94，分选性均较差。除5～10 cm土层为极负偏外，沙冬青-霸王偏度在其他土层均为近对称；沙冬青、裸沙地峰度范围在-0.20～0.40，结合表2可知，土壤中细砂、中砂含量较多，极粗砂含量最少，其颗粒分布不对称。峰度值越大，粒度分布越集中，由表3可知，沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地分别属于尖窄（1.52）、很尖窄（1.76）、很尖窄（2.06）类型。土壤黏粒含量越高，分形维数越大［22］，分形维数浮动范围在2.80～2.96，由大到小分别为：沙冬青-霸王（2.92）>沙冬青（2.91）>裸沙地（2.84）。

表3 不同灌丛分布下土壤粒度参数Tab.3 Soil particle parameters on different shrub distribution

2.2 不同灌丛分布类型土壤养分变化特征

研究区内不同灌丛分布下土壤SOM、AN 含量存在显著性差异（P<0.05）（图2），各土层内含量由高到低依次为：沙冬青-霸王（5.36 g·kg-1、19.39 mg·kg-1）>沙冬青（4.20 g·kg-1、16.00 mg·kg-1）>裸沙地（3.51 g·kg-1、11.21 mg·kg-1）。随土层深度增加，沙冬青-霸王AP含量逐渐低于沙冬青。0～20 cm土层内裸沙地AK 含量显著大于沙冬青-霸王、沙冬青（P<0.05）。沙冬青-霸王、沙冬青土壤内SOM、AN、AK 含量均随土层深度增加而下降，AP 含量则呈先减后增的变化趋势；裸沙地内SOM、AK含量随土层深度增加而下降，AN、AP含量则呈先减后增的变化趋势。

图2 不同灌丛分布下土壤养分垂向分布特征Fig.2 Vertical distribution characteristics of soil nutrients on different shrub distributions

沙冬青-霸王、沙冬青对土壤SOM、AN、AP积累有明显正效应（图3）。随土层深度增加，沙冬青-霸王对SOM、AP 的富集作用低于沙冬青，沙冬青-霸王对AN的积累效果较沙冬青更好。沙冬青-霸王、沙冬青在0～20 cm土层内AK的RII<0，表明其对AK未形成养分富集现象。

图3 不同灌丛分布下土壤养分积累特征Fig.3 Soil nutrient accumulation characteristics on different shrub distribution

2.3 土壤粒度组成与养分的关系

如图4a 所示，沙冬青-霸王土壤SOM、AN、AK与黏砂、粉粒含量呈正相关关系，AP 则与之为负相关关系，其中AP与细砂呈显著正相关（P<0.05）。图4b 中沙冬青土壤SOM、AN、AK 与黏砂呈正相关关系，SOM、AN、AP 与粉粒呈负相关关系，AK 与粉粒无显著相关性，沙冬青土壤AN、AK与粗砂呈显著正相关关系（P<0.05）。

图4 不同灌丛分布下土壤养分、粒径相关性分析Fig.4 Correlation analysis of soil nutrient and particle size on different shrub distribution

3 讨论

3.1 不同灌丛分布类型土壤粒度特征

西鄂尔多斯属温带大陆性季风气候，地表土壤粒度组成除与风沙活动密切相关外，植被的存在也具有极大的影响。随着地上植被的出现，地表粗糙程度增大［23］，从而扰动地表流场。本研究中灌丛群落及裸沙地土壤粒度组成皆以砂粒为主，砂粒中又以细砂含量最多。这是由于风蚀作用下土壤流失的多为细粒物质［24］。样地内沙冬青-霸王灌丛0～5 cm土层内细砂含量高于裸沙地细砂含量，是因为灌丛的存在避免了灌下细粒物质受到吹蚀，且风沙流运移过程中，地上部分可对近地表风速产生阻挡、分解、疏散作用［25］，使其风速降低、携沙能力减弱、部分颗粒发生降沉，导致地表沉积物粒度分布发生变化［26］。不同植被类型灌丛由于自身高度、枝条疏密度和形态结构等差异导致土壤粒度组分存在明显的差异［27-28］，随植被的生长发育、种群的演替变化，植被的阻沙能力也随之发生改变［29］。沙冬青-霸王混生灌丛的冠幅面积、密度大于单株沙冬青，故0～5 cm土层内沙冬青-霸王土壤细砂含量高于沙冬青土壤细砂含量。0～5 cm 土层内裸沙地细砂含量大于沙冬青土壤细砂含量，与李小乐等［10］研究结果相悖，分析原因可能是由于研究区内沙冬青灌丛出现衰退现象而导致其对风沙流的拦截能力减弱，风蚀作用将灌丛下土壤细粒物质迁移损失，降低细粒物质含量。

土壤粒度特征不仅是风力对源区物质搬运和分选作用的反映，同时也体现障碍物对风沙流运移的影响［13］。沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地的分选系数依次增大，分选性较差，说明尽管灌丛对沉积物的分选作用较弱，但沙冬青-霸王、沙冬青的分选性略优于裸沙地，灌丛对风力侵蚀仍起到一定的防护作用。偏度反映土壤颗粒粒度频率曲线的对称性，表示土壤颗粒的粗细分布特征［30］。峰态尖窄程度越强，表明样品粒度分布越集中。本研究中沙冬青-霸王粒度分布较另两者更对称，峰度较另两者宽平，表明其颗粒分布不对称，整体集中分布在某一区间，其在改变土壤粒度组成方面的性能较另两者更强。

3.2 不同灌丛分布类型土壤养分含量变化特征

植被的生长、发展、演替过程影响着土壤养分的积累、分布与循环［31］，本研究中沙冬青-霸王、沙冬青灌下0～30 cm 土层内AN、AP、SOM 含量均显著高于裸沙地，表现为养分积累正效应。土壤养分集中于细粒物质内［32］，灌丛冠幅通过拦截风沙流中细粒物质［33］进而对地表土壤资源进行了再分配，大量细粒物质沉积于灌丛下，对养分的空间分布和循环产生影响，使灌丛下土壤养分含量呈现逐渐增加的趋势，与之对应的无植被覆盖的裸沙地养分含量则较低［4］。本实验中沙冬青-霸王、沙冬青根际各土层内土壤AN含量均高于裸沙地的含量，其对AN的富集程度大于AP、AK、SOM，不同灌丛土壤养分指标富集程度不同，而土壤养分与植物根系的分泌物有很大的相关性［28］，沙冬青作为豆科固氮植物，其根系分泌物可有效提高土壤AN 含量。0～20 cm 土层内裸沙地AK含量显著高于荒漠灌下，但AK未表现出富集效应，这可能是由于沙冬青、霸王灌丛对土壤养分元素的选择性吸收有关。植被种类、枯枝落叶的分解利用等因素也是导致土壤养分含量发生变化的原因。本研究中沙冬青属常绿阔叶灌木，枯落物远少于其他物种，而霸王作为荒漠地区第一批落叶的灌木，其灌下枯落物远大于沙冬青，因此沙冬青-霸王、沙冬青灌丛下土壤养分存在较大垂向变异性。而20～30 cm 土层内AK 出现养分积累正效应的原因，则是因为裸沙地AK更易垂直扩散，从而加剧了淋溶下渗［34］。本研究中0～20 cm 土层内，灌下土壤AN、AP、AK、SOM含量均呈随土层深度的增加而减少的趋势，导致出现此现象的原因可能因为沙冬青、霸王都属于深根系荒漠灌木植物，其土壤养分消耗量在深层土壤中较大；此外，土壤表层累积的枯枝落叶经微生物分解后使表层SOM 含量增加［35］，但表层SOM 无法进入土壤深处，故而土壤养分随土层深度的增加而减少［36］。沙冬青-霸王、沙冬青对土壤肥力的提高表现出显著作用，但伴生种霸王的存在降低了沙冬青对有机质和速效磷的富集作用，白音恩格尔自然保护区内出现沙冬青灌丛逐渐衰退消失、霸王灌丛数量激增并生长旺盛的原因可能与此相关。

4 结论

通过对西鄂尔多斯白音恩格尔自然保护区不同灌丛分布类型地表（0～30 cm）土壤的粒度组成与养分含量进行分析，得到以下结论：

（1）研究区内细砂颗粒含量最高，平均体积百分含量大于52%，黏粒、粉粒含量较少，两者总含量均小于10%，其中单株沙冬青土壤黏粒、粉粒、细砂的体积百分含量均大于与伴生种霸王混生的沙冬青。沙冬青-霸王、沙冬青、裸沙地土壤粒径依次变细，分选性变差，分形维数变小，土壤颗粒分布逐渐不对称，颗粒组成向细粒物质集中。

（2）土壤SOM、AN含量随灌丛种类的增加逐渐升高。单株沙冬青对SOM、AP的富集作用高于沙冬青-霸王，沙冬青-霸王对AN 的积累效果较沙冬青更好。

（3）土壤SOM、AN、AP、AK含量与黏砂、粉粒具有相关性，沙冬青-霸王土壤AP与细砂呈显著正相关（P<0.05），沙冬青土壤AN、AK与粗砂呈显著正相关关系（P<0.05）。