内陆沙区丘间地土壤紧实度特征及其与植被的关系

李银科，袁宏波，刘虎俊，刘淑娟，张进虎

(甘肃省治沙研究所 甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730070)

内陆沙区丘间地土壤紧实度特征及其与植被的关系

李银科，袁宏波，刘虎俊，刘淑娟，张进虎

(甘肃省治沙研究所 甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃 兰州 730070)

土壤紧实度；植被；沙丘；丘间地

通过对流动沙丘区、固定沙丘区和退耕区的迎风坡、背风坡和丘间地土壤紧实度和植物群落的调查测定，分析了土壤紧实度和植被之间的关系，结果表明：沙区土壤紧实度与植物种数、植物个体数、丰富度指数、草本植物种数和草本植物个体数之间都存在显著的正相关关系，而土壤紧实度与Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、灌木种数和灌木个体数没有显著的相关关系。

近年来随着沙漠化地区环境治理力度的加大，揭示沙漠化与植被关系的研究逐渐受到人们的重视，许多研究者从植物的种子萌发机理、土壤种子库特征及结构与动态、生理与生态学特征等方面开展了详细的研究，这些研究主要针对植物生活史、繁殖对策、种子萌发行为、种群动态与环境因子的相互关系等[1]。在现有的研究中，不同的研究者对沙生植物在流动沙丘生境中的种子萌发、生长过程、种群结构与动态等在时空尺度上的异质性予以了极大的关注[2]，人们也越来越重视从土壤性质差异分析入手对土壤退化导致的植被变化进行研究[3]。

植物正常生长发育需要适宜的土壤紧实度，土壤太松或太紧对植物生长都不利[4-5]。通常人们在研究土壤紧实度对植物的影响时往往只注意高紧实度对植物的不利影响，而忽视了低紧实度对植物带来的危害，后者在土质结构疏松的干旱半干旱地区显得尤为重要[5]。沙漠化地区土壤尤其是表层土壤紧实度对土地抗风蚀能力有着重要的影响，对植物尤其是草本植物固定植株也有重要作用，因而也会影响到植被的分布。但是，在沙漠化地区，从土壤空间异质性的角度出发探讨土壤紧实度对植物群落影响的研究鲜有报道。丘间地具有良好的生境条件，是沙丘生态系统中生物和非生物成分间动态作用的主要场所。本研究调查测定了巴丹吉林沙漠东南缘民勤县西沙窝丘间地不同分布区的土壤紧实度和植被状况，分析了其相互关系，旨在为该区严重沙化土地的植被恢复研究奠定基础。

1 研究区概况

研究区位于巴丹吉林沙漠的东南缘民勤县西沙窝，选择流动沙丘区、固定沙丘区和退耕区3种土地退化类型进行调查测定。用TJSD-750型土壤紧实度仪分别在前沙丘迎风坡、前沙丘背风坡、丘间地、后沙丘迎风坡和后沙丘背风坡测定0(表层)、5、20和40 cm深度的土壤紧实度，同时在沙丘相应部位调查植被状况，样方大小为10 m×10 m。

选择的流动沙丘区丘间地为一闭合的丘间地，前沙丘为全流动的新月形沙丘，两翼伸展与后沙丘两翼相接。如图1示意，前沙丘高约6 m，后沙丘高约5 m，丘间地沿主风向长度为50 m，垂直主风向长度约90 m。丘间地地表为极粗砂(粒径1～2 mm)和粗砂(粒径0.5～1 mm)覆盖，并含少量砾石(粒径>2 mm)。前沙丘为全流动性，无植被；丘间地大部分地段无植被，只在与后沙丘相接的边缘有沙拐枣、芦苇和少量一年生草本；后沙丘中上部为全流动性。

图1 研究样地示意

固定沙丘区丘间地为一闭合的丘间地，前沙丘高约3 m，后沙丘高约5 m，丘间地沿主风向长度为55 m，两侧固定沙垄高3～5 m，垂直主风向长度为30 m。丘间地从形成上来看，为风蚀活动形成的一个风槽，整个丘间地近似舟形。丘间地中心地表为裸露的湖积黏土层，两端为主要由中砂(0.25～0.5 mm)、细砂(0.10～0.25 mm)构成的砂土。前后沙丘及丘间地植被类型一致，以梭梭(人工种植)、沙拐枣、沙蒿3种灌木和多年生草本黄花矶松、芦苇，及一年生猪毛菜、沙米等为主形成的植被群落，在丘间地呈均匀分布状态。

退耕区丘间地是本区域绿洲边缘比较典型的一种丘间地类型，由于耕种原因，所以丘间地边界明显，多数为闭合形态，丘间地地形无起伏变化，前后为半固定沙丘。本研究选择的丘间地为一闭合形态，前沙丘高度为6 m左右，后沙丘高5 m，退耕丘间地沿主风向长度为140 m，垂直主风向长度约为300 m；丘间地内部地形起伏变化小于0.5 m，地表为砂壤质耕作土；前、后沙丘植被以白刺、柽柳为主，丘间地植被以数量庞大的五星蒿、碱蓬等形成的一年生草本为主，偶有芦苇和柽柳分布。

2 结果与分析

2.1 不同类型丘间地土壤紧实度特征

图2显示，流动沙丘区丘间地不同深度土壤紧实度均明显大于沙丘其他部位，迎风坡土壤紧实度大于背风坡，前沙丘大于后沙丘。这与前沙丘和迎风坡风较大，土粒受到较大挤压有关。

图2 流动沙丘区土壤紧实度变化

图3显示，固定沙丘区0—5 cm深度土壤紧实度迎风坡大于背风坡，也大于丘间地；20—40 cm深度土壤紧实度背风坡大于迎风坡，且与丘间地相差很小；与背风坡和丘间地相比，迎风坡土壤紧实度随土层深度变化的幅度较小。

图3 固定沙丘区土壤紧实度变化

图4显示，退耕区表层土壤紧实度丘间地明显大于其他部位，距地表5 cm深度土壤紧实度各部位变化很小，在20—40 cm深度丘间地土壤紧实度达5 000 kPa以上。此丘间地曾开垦为农田，在耕作层下形成紧实的犁底层，所以20—40 cm深度土壤紧实度很大。

图4 退耕丘间地土壤紧实度变化

3种类型丘间地的土壤紧实度均随着土层深度增加而增大，但增加的幅度各不相同。退耕丘间地受人类活动影响紧实度最大，丘间地两侧沙丘表层土壤紧实度为固定沙丘最大。土壤紧实度的大小会影响到植物的着生及其根系的伸展，可能会影响植物的分布。

2.2 不同类型丘间地土壤紧实度与植被特征的关系

表1为流动沙丘区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果。分析表明，流动沙丘区表面土壤紧实度与植物种数呈显著正相关关系，与植物个体数和一年生草本个体数均呈极显著正相关关系；40 cm深度土壤紧实度与物种丰富度指数、灌木种数和灌木个体数均呈显著正相关关系。这说明在流动沙丘区土壤表面紧实度越大，植物种数和个体数量就越多。一年生草本植物根系浅，需要较大紧实度的表层土壤来固定其植株；灌木根系深，其种数及个体数量与下层土壤紧实度关系更密切，也导致丰富度指数与40 cm深度土壤紧实度关系密切。

表1 流动沙丘区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果

注：标“*”的表示显著相关(P<0.05)，标“**”的表示极显著相关(P<0.01)，负号表示负相关，下表同。

表2为固定沙丘区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果。分析表明，固定沙丘区表面土壤紧实度与植物个体数呈极显著正相关关系，与多年生草本植物个体数呈显著正相关关系；5 cm深度土壤紧实度与灌木种数呈显著负相关关系。固定沙丘区土壤表面沙子已固定，不再流动，表面紧实度大的土壤更适合多年生草本植物数量的增加；一年生草本植物的分布已与土壤紧实度的大小没有直接的关系；沙区灌木大多已适应表层疏松、常伴有风蚀和沙埋的土壤，其种数与表层土壤紧实度大小存在负相关关系。

表2 固定沙丘区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果

表3为退耕区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果。分析表明，退耕区表层土壤紧实度与植物种数、植物个体数、丰富度指数、一年生草本植物种数和一年生草本个体数均呈显著正相关关系；20 cm深度土壤紧实度与多年生草本个体数呈显著正相关关系；40 cm深度土壤紧实度与植物种数和丰富度指数均呈显著正相关关系。退耕区丘间地宽阔，两侧沙区为半固定沙区，丘间地一年生草本植物种数和个体数量较大，与土壤表面紧实度关系密切，从而导致植物种数、植物个体数和丰富度指数与土壤表面紧实度关系密切；多年生草本个体数量与下层土壤的密切关系对植物种数和丰富度指数与土壤下层紧实度的关系有重要影响。

表3 退耕区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果

将3个样地所有样点的土壤紧实度和植被特征进行相关分析，结果(见表4)表明，植物种数及其个体数、丰富度指数、草本种数及其个体数都与不同深度土壤紧实度有着显著或极显著的正相关关系，而Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和灌木的种数及其个体数与土壤紧实度没有显著的相关关系。说明沙区植物不同生活型中多年生和一年生草本植物的种数和个体数量与土壤紧实度关系密切，灌木的种数和个体数量与土壤紧实度关系不大。植物种数、植物个体数和丰富度指数与土壤紧实度的关系密切，主要是因为草本占植物种数和个体数的比例大所致。草本植物和灌木相比，根系浅，抗风蚀和沙埋能力差，需要相对紧实的土壤才能固定其植株，所以在土壤紧实度大的地方草本植物分布多；灌木则因抗风蚀和抗沙埋能力强，故其分布与土壤紧实度的关系不大。

表4 沙区土壤紧实度与植被特征的相关分析结果

3 小 结

流动沙丘区丘间地土壤紧实度明显大于沙丘其他部位，迎风坡土壤紧实度大于背风坡，前沙丘土壤紧实度大于后沙丘。土壤表面紧实度越大，越有利于一年生草本植物固定植株，其个体数量也越多；灌木根系较深，其种数及个体数量与下层土壤紧实度关系更密切，也导致丰富度指数与下层土壤紧实度关系密切。

固定沙丘区0—5 cm深度土壤紧实度迎风坡大于背风坡，也大于丘间地；20—40 cm深度土壤紧实度背风坡大于迎风坡，且与丘间地相差很小；迎风坡土壤紧实度随土层深度变化的幅度很小。固定沙丘区土壤表面已不再流动，土壤表面紧实度越大，多年生草本植物个体数量越多，植物总个体数也越大。一年生草本植物的分布已与土壤紧实度的大小无直接的关系，灌木种数与表层土壤紧实度大小存在负相关关系。固定沙丘区土壤紧实度与物种丰富度指数无直接的关系。

退耕区表层土壤紧实度丘间地明显大于其他部位，距地表5 cm深度处各部位变化很小。丘间地曾开垦为农田，在耕作层下形成紧实度很大的犁底层。丘间地一年生草本植物种数较多，个体数量较大，与土壤表面较大的紧实度有直接的关系，从而导致植物种数、植物个体数和丰富度指数与土壤表面紧实度关系密切；多年生草本个体数量与下层土壤的密切关系对植物种数和丰富度指数与土壤下层紧实度的关系有重要影响。

总的来说，沙区植物种数及其个体数、丰富度指数、草本植物种数及其个体数都与不同深度土壤紧实度有密切的正相关关系，而Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数和灌木的种数及其个体数与土壤紧实度没有直接关系。草本植物在土壤紧实度大的地方分布多，灌木的分布与土壤紧实度关系不大。

[1] 常学礼,崔步礼,陈雅琳,等.流动沙丘土壤紧实度对沙米生长状况的影响[J].自然资源学报,2006,21(2):238-244.

[2] 常学礼,刘颖茹,杨持.裸沙斑块生境岛对沙米Agriophyllumsquarrosum种群影响的研究[J].内蒙古大学学报：自然科学版,2000,31(2):228-232.

[3] Qi Xiang-zhen,Lin Zhen-shan.Grassland evolution under soil degradation:numerical simulation and test[J].Pedoshere,2005,15(1):41-45.

[4] 邹养军,马锋旺,韩明玉,等.土壤紧实胁迫与植物抗胁迫响应机理研究进展[J].干旱地区农业研究,2007,25(6):212-215,236.

[5] 刘晚苟,山仑,邓西平.植物对土壤紧实度的反应[J].植物生理学通讯,2001,37(3):254-360.

(责任编辑 徐素霞)

甘肃省自然科学基金项目(096RJZH015)；甘肃省省属科研院所科技创新团队项目(1207TTCA002)

S154.4；Q288

A

1000-0941(2015)02-0052-04

李银科(1982—)，男，甘肃徽县人，助理研究员，硕士，主要从事荒漠化防治方面的研究；通信作者袁宏波(1978—)，男，甘肃庆阳市人，助理研究员，硕士，主要从事荒漠化防治及荒漠植被生态研究。

2014-03-28