草地沙漠化过程中土壤与地上植被的变化及其相互关系

熊炳桥，赵丽娅,，张劲，李艳蔷，陈红兵，李锋瑞

1. 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2. 区域开发与环境响应湖北省重点实验室，湖北 武汉 430062；3. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000

草地沙漠化过程中土壤与地上植被的变化及其相互关系

熊炳桥1，赵丽娅1,2*，张劲1，李艳蔷1，陈红兵1，李锋瑞3

1. 湖北大学资源环境学院，湖北 武汉 430062；2. 区域开发与环境响应湖北省重点实验室，湖北 武汉 430062；3. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000

以科尔沁沙地4种不同退化程度沙地群落为研究对象，采用野外植物样方调查与室内土壤理化分析相结合的方法，系统分析了固定沙地（潜在沙漠化阶段）、半固定沙地（轻度沙漠化阶段）、半流动沙地（中度沙漠化阶段）和流动沙地（严重沙漠化阶段）4个群落的植被、土壤特征的变化以及土壤与植被之间的相互关系，为退化沙质草地群落地恢复与重建提供科学依据。结果表明，（1）草地沙漠化过程中，群落物种组成发生显著变化，物种数不断减少，从20下降到11。不同群落盖度（F=42.569，n=120，P＜0.001）、密度（F=38.817，n=120，P＜0.001）和地上生物量（F=29.017，n=120，P＜0.001）均存在显著差异，且下降趋势明显，下降幅度分别为82%、78%和85%。（2）草地沙漠化过程中，草本植物占据绝对优势，但其比例明显下降，多年生草本植物和灌木的物种数总体呈下降趋势。藜科植物具有广适性，数量相对稳定，重要值呈现上升趋势；禾本科和豆科植物种类和重要值都呈大幅下降趋势。菊科植物相对较少，从半固定沙地到流动沙地，差巴嘎蒿（Artemisia halodendron）在群落中占有重要地位。（3）草地沙漠化过程中，Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度指数和Margalef指数均呈下降态势。（4）草地沙漠化过程中，土壤机械组成从固定沙地到流动沙地，粗砂含量增加，细砂粒、黏粉粒含量呈下降态势，土壤水分也不断减少。土壤养分全磷、全氮、速效磷、速效氮和有机质的含量随着沙漠化程度的加剧，表现出不同程度的降低，且差异显著（P＜0.05）。（5）草地沙漠化过程中，土壤与植被间呈现出显著的相关性（P＜0.05），说明土壤与植被紧密联系在一起，沙漠化过程实质就是土壤与植被协同退化的结果。

沙漠化；群落特征；土壤机械组成；土壤养分；相互关系

土地沙漠化不仅是一个重要的生态环境问题，也是人类所面临的一个非常严峻的经济和社会持续发展问题。截至2014年，中国沙漠化土地面积达1.7212×106km2，占国土面积的17.93%；有明显沙化趋势的土地面积3.003×104km2，占国土面积的3.12%（滕玲，2016）。草地沙漠化过程不仅表现在植被的破坏、沙丘景观的形成，而且还伴随着地表空间分异的加强和土壤结构的变化（任海等，2002），其实质是草地土壤-植被系统的退化过程（张华等，2003）。国内外就土壤和植被之间的相互关系已做了大量的研究工作。国外研究主要涉及植被群落演替阶段土壤特性的差异（Nihlgard，1971；Edwards et al.，1982），土壤质量特征与环境的关系（Jordan，1982；Tambe et al.，2010；Sharma et al.，2010；Ulrich et al.，2014），植物群落物种多样性和分布与土壤肥力间的关系（Jad et al.，1982；Tilman，1985；Kellner et al.，1995；Berendse et al.，2015；Andrew et al.，2015）。国内对于土壤-植被关系的研究主要集中在森林群落（贺强等，2009；杨小波等，2002；杨宁等，2013）、草原群落（王纳纳等，2014；迟春明等，2013）、高山草甸群落（江源等，2010；李玉梅等，2014），但对于退化草地的土壤-植被关系的研究相对较少。

在科尔沁沙地，不同退化程度的沙地即固定沙地、半固定沙地、半流动沙地和流动沙地的土壤具有不同的理化特性，而土壤理化特性往往制约着地上植被的生长特性和生态系统的演替过程。本文以科尔沁沙地不同沙漠化程度的沙地为研究对象，系统研究了固定沙地（潜在沙漠化阶段）、半固定沙地（轻度沙漠化阶段）、半流动沙地（中度沙漠化阶段）和流动沙地（严重沙漠化阶段）4个阶段植被特征与土壤理化性质特征，以及土地沙漠化过程中土壤与植被之间的关系，以期为退化草地生态系统的恢复与重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然条件

研究区位于科尔沁沙地中南部的奈曼旗中国科学院奈曼沙漠化研究站内。地理位置120°41′E，42°54′N。该区属半干旱气候，年平均降水量366 mm，年蒸发量1935 mm，年均气温6.5 ℃，1月平均气温-12.7 ℃，7月平均气温23.7 ℃，≥10 ℃积温达3000 ℃以上，无霜期150 d。土壤类型为沙质栗钙土，经破坏后则退化为流动风沙土，沙土基质分布广泛，风沙活动强烈。由于沙土的干燥疏松和干旱多风等气候条件的影响，使得该区在过度放牧和过垦等人为不合理利用的情况下，植被遭受破坏，土地沙化严重。

试验区为典型草原带，原生植被为榆树疏林草原，但由于长期过牧等人为活动的强烈干扰，绝大部分沙质草地已演变为流动、半流动、半固定沙地和固定沙地。固定沙地：流沙面积低于10%，地表覆盖固定风沙土或沙质栗钙土或已经形成较厚的土壤结皮，植被盖度大于50%，主要植物种有达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）及一年生的猪毛菜（Salsola collina Pall）、狗尾草（Setaria viridis）、画眉草（Eragrostis pilosa）等。半固定沙地：流沙面积大于10%，生物结皮或土壤30%～80%，植被盖度50%～31%，主要优势种是大果虫实（Corispermum macrocarpum）、地锦（Euphorbia humifusa）、差巴嘎蒿（Artemisia halodendron），伴生有一年生的狗尾草和五星蒿（Bassia dasyphylla）等。半流动沙地：流沙面积一般大于70%，地表30%覆盖物理结皮和少量生物结皮，植被盖度一般小于31%，主要植物种是大果虫实、狗尾草。流动沙地：地表完全被流沙覆盖，无结皮或少量物理性结皮，植被盖度小于15%，主要物种有大果虫实、沙米（Agriophyllum squarrosum）、有分散的差巴嘎蒿和狗尾草分布。

1.2 调查方法

2014年7月底，在研究区选择固定、半固定、半流动和流动沙地作为观测样地。在4种样地的典型代表性地段等距离（20 m）设置3条长100 m的样带，在每条样带上等距离（10 m）设置10个固定样点，每个样地共设置30个样点，4个样地共计120个样点，用于地上植被的调查。样方面积1 m×1 m，测定每个样方中的植物种组成、盖度、密度、高度和地上生物量等。采用齐地面刈割法调查地上生物量，草样在85 ℃下烘干48 h后称质量。各样地每种植物的出现频率根据30个样点的调查数据进行计算。

在每个样方附近，采用土钻法取样，采集0～20 cm的土样，用于土壤机械组成、土壤水分、总磷、总氮、速效磷、速效氮和有机质的测定。土壤机械组成采用筛分法测定，土壤水分采用TDR水分测定仪测定，土壤有机质采用重络酸钾容量法测定，总氮采用凯氏定氮法测定，总磷采用酸溶钼锑抗比色法测定，速效氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用Bray法测定。

1.3 数据处理

1.3.1 重要值

重要值（Important Value，IV）是研究某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标，计算公式为：

IV=(相对高度+相对盖度+相对密度+相对频度)/4

其中，相对密度（RD）=(某种植物的密度/全部植物的总密度)×100%；相对频度（RF）=(某种植物的频度/所有种的频度总和)×100%；相对高度（RH）=(某植物种的平均高度/所有物种的平均高度之和)×100%；相对盖度（RC）=(某一物种的盖度/所有物种盖度之和)×100%。

1.3.2 多样性指数

多样性评价采用Margalef丰富度指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielow均匀度指数进行评价。

Shannon-Wiener多样性指数：

式中，S为群落中树种的总数；N为观察到的个体总数；Pi是第i种植物的个体数占群落中总个体数的比例，本研究采用重要值代替Pi进行计算。

1.3.3 数据分析

采用SPSS 18.0软件，对测定的数据进行一般统计分析、单因素方差分析（one-way ANOVA)和相关性分析；采用最小显著差异法（LSD）进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 草地沙漠化过程中群落植被特征

2.1.1 群落的基本特征

方差分析结果显示，草地沙漠化过程中，不同群落盖度（F=42.569，n=120，P＜0.001）、密度（F=38.817，n=120，P＜0.001）和地上生物量（F=29.017，n=120，P＜0.001）均存在显著差异（表1）。从固定沙地到流动沙地，群落物种数从20下降到11，下降了45%。从固定到半固定沙地，下降了l25%；半固定到半流动沙地，下降了l13%；半流动到流动沙地，下降了15%。随着草地退化程度的加深，群落盖度、密度和地上生物量均呈现下降趋势，从固定沙地到流动沙地，下降幅度分别为82%、78%和85%。不难发现，草地沙漠化过程就是群落植被物种丰富度减少、盖度降低、密度下降和生物量减少的过程。

2.1.2 群落的物种组成及重要值

表2所示为草地沙漠化过程中群落的物种组成和重要值。不同沙漠化阶段，同一植物的重要值不同。固定沙地群落，有20种植物，其中，狗尾草、猪毛菜、画眉草、达乌里胡枝子是优势种，占群落总重要值的55%。半固定沙地群落，有15种植物，优势植物种为差巴嘎蒿、狗尾草、大果虫实和地锦，占比为68%。半流动沙地群落，有13种植物，优势植物种是差巴嘎蒿、大果虫实和狗尾草，占比为73%。流动沙地群落，有11种植物，大果虫实、沙米、狗尾草占绝对优势地位，其重要值占群落总重要值的80%。随着沙漠化程度的加剧，达乌里胡枝子、画眉草逐渐退出群落，差巴嘎蒿逐渐取而代之，成为群落的优势物种，最终沙生植物——沙米进驻流动沙地群落。

从植物科属结构来看（表3），从固定沙地到流动沙地，藜科植物数量相对稳定，重要值呈上升趋势；菊科植物种类较少，差巴嘎蒿从半固定沙地到流动沙地均有出现，在3种沙地的菊科植物中所占比例分别为83.9%、99.7%、95.7%。禾本科和豆科植物的种类变化较大，分别由固定沙地的6种和3种，减少到流动沙丘的2种和0种，其重要值也出现了大幅下降，说明它们在群落中的作用和功能逐渐减退。随着沙漠化的加剧，群落的科属结构趋向于简单化。

从生活型结构来看（图1），草地沙漠化过程中，4个阶段的群落均以一年生草本植物占绝对优势，从固定沙地到流动沙地，一年生草本植物分别占65%、60%、69%和80%。多年生草本植物和灌木呈下降趋势。

图1 草地沙漠化过程中群落的生活型结构Fig. 1 Life form of t the communities during grassland desertification process

2.1.3 群落的物种多样性

选取Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Margalef指数和均匀度指数评价群落的物种多样性（表4）。从固定沙地到流动沙地，Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度指数和Margalef指数均呈现下降的态势，分别下降38%、12%、15%和47%。

表1 草地沙漠化过程中群落的基本特征Table 1 Characteristics of the communities during grassland desertification process

表2 草地沙漠化过程中群落的物种组成及重要值Table 2 The species composition and important value of the communities during grassland desertification process

表3 草地沙漠化过程中群落不同分科种数和重要值Table 3 Family compositions and important values of the communities during grassland desertification process

表4 草地沙漠化过程中群落的物种多样性Table 4 Species diversity of the communities during grassland desertification process

2.2 草地沙漠化过程中群落土壤特征

2.2.1 土壤物理性质

土壤机械组成是表征土壤生产力和结构的重要指标。从表5可以看出，0～20 cm的土壤机械组成从固定沙地到流动沙地，＞0.1 mm的粗砂粒含量呈波动增加趋势，增加了41.89%。0.05～0.1 mm的细砂粒呈现波动下降趋势，降低了90.46%。＜0.05 mm的黏粉粒含量呈现递降趋势，降低了89%。土壤水分含量呈现递减的趋势，从固定到流动沙地，土壤水分含量下降了52%，随着地表覆盖度的降低，土壤水分含量随之降低。

2.2.2 土壤养分

表6所示为草地沙漠化过程中群落0～20 cm土层土壤养分的变化。方差分析结果表明：全氮、速效磷和有机质在草地沙漠化过程中差异显著，半固定和半流动沙地的全磷差异不显著，固定和半固定沙地的速效磷差异不显著（P＜0.05）。从流动沙地到固定沙地，土壤中的总磷、总氮、速效磷、速效氮和有机质含量均逐步降低，说明植物生长所需的土壤养分含量逐渐减少，下降幅度分别为38%、69%、42%、56%和84%。土壤有机质下降幅度最大。从固定到半固定、半固定到半流动、半流动到流动沙地，总磷分别下降了30%、10%、11%，总氮分别下降了38%、30%、29%，速效磷分别下降了17%、10%、23%，速效氮分别下降了17%、4%、44%，有机质分别下降了54%、34%、46%。不难看出，总磷、总氮和有机质从固定到半固定沙地阶段下降剧烈，速效磷和速效氮从半流动到流动沙地群落阶段下降幅度大。

2.3 草地沙漠化过程土壤和植被的关系

通过对草地沙漠化过程中群落土壤与植被特征的相关分析发现（表7）：除密度外，Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Margalef指数、均匀度指数、盖度、地上生物量与土壤总磷、总氮、速效磷、速效氮、有机质、土壤水分含量、土壤机械组成均呈显著相关性。这充分说明群落植被与土壤之间存在着密切的关系，彼此相互影响和相互联系。土壤养分含量的减少，促使群落物种数、盖度、密度、丰富度和多样性降低。同样，植被的破坏，也促使土壤各性状特征恶化，养分减少，土壤基质稳定性降低等。

表5 草地沙漠化过程中群落土壤的物理性质Table 5 The physical property of soils in the communities during grassland desertification process

表6 草地沙漠化过程中群落土壤养分的变化Table 6 Changes of soil nutrients in the communities during grassland desertification process

表7 草地沙漠化过程中群落土壤和植被特征的相关性分析Table 7 The correlation analysis between soils and vegetation characteristics in the communities during grassland desertification process

3 结论和讨论

3.1 讨论

科尔沁沙质草地沙漠化过程中，4个群落物种组成发生显著变化，物种数不断减少，植被盖度、地上生物量逐步降低；群落生活型结构趋于简单化，群落多样性指数、丰富度指数也呈不断下降的趋势。藜科植物具有广适性，数量相对稳定，重要值呈现上升趋势；禾本科和豆科植物种类和重要值都呈现大幅下降趋势。菊科植物相对较少，差巴嘎蒿占据重要地位。草地沙漠化过程中，草本植物占据绝对优势，但其比例明显下降，多年生草本植物和灌木的物种数总体呈下降趋势。这与前人的研究成果一致（常学礼等，1997；张继义等，2004；李玉霖等，2007；许冬梅等，2010）。

在群落植被发生变化的同时，土壤环境也发生了变化。草地沙漠化过程中，土壤机械组成从固定沙地到流动沙地，粗砂、中砂和细砂的含量逐步增加，极细砂和黏粒含量呈现递减态势。土壤养分中全磷、全氮、速效磷、速效氮和有机质的含量伴随沙漠化进程的推进，呈现不同程度的降低。杨梅焕等（2010）对毛乌素沙地土壤理化性质的研究发现，随沙漠化的进行土壤理化性质呈规律性变化，土壤黏粒含量、含水量、有机质和全氮含量减少。刘树林等（2008）对浑善达克沙地土地沙漠化过程中土壤粒度与养分变化的研究也发现类似的规律。

有关群落植被与土壤关系的研究，学术界存在不同的观点。一种观点是群落植被特征与土壤特征之间存在相关性，例如刘任涛等（2010；2015）对中国北方不同地带沙地封育草场土壤性质和植被特征进行比较发现，水热等气候条件的改变不仅对土壤理化性质产生深刻影响，还影响到植物群落的组成与结构特征。王长庭等（2007）对三江源地区不同建植期人工草地植被特征及其与土壤特征关系的研究表明，群落物种多样性、生物量与土壤养分、土壤水分含量呈显著正相关。另一种观点则认为植物群落中高物种多样性出现在土壤养分梯度的中间位置（Gentry，1987；张林静等，2002）。本文的研究结果与第一种观点一致，即草地沙漠化过程中群落特征、多样性指数、丰富度指数等与土壤的养分呈显著正相关性，说明土壤与植被之间存在紧密的关系，沙漠化过程实质就是土壤与植被协同退化的结果。从流动沙地到固定沙地，群落由简单到复杂，可以促进土壤条件的改善，同时土壤养分的增加又能为植物生长提供必要的营养物质，促进群落植被的变化。

3.2 结论

（1）草地沙漠化过程中，群落物种组成发生显著变化，物种数不断减少，从20下降到11。不同群落盖度、密度和地上生物量均存在显著差异（P＜0.001），从固定沙地到流动沙地群落，下降幅度分别为82%、78%和85%。可以说，草地沙漠化过程就是群落植被物种丰富度减少、盖度降低、密度下降和生物量减少的过程。

（2）草地沙漠化过程中，草本植物占据绝对优势，但其比例明显下降，多年生草本植物和灌木物种数总体呈下降趋势。藜科植物具有广适性，数量相对稳定，重要值呈现上升趋势；禾本科和豆科植物种类和重要值大幅下降。菊科植物相对较少，从半固定沙地到流动沙地群落中，差巴嘎蒿占有重要的地位。

（3）草地沙漠化过程中，Shannon-Wiener指数、Simpson指数、均匀度指数和Margalef指数均呈下降态势。

（4）草地沙漠化过程中，土壤机械组成从固定沙地到流动沙地，粗砂含量增加，细砂粒、黏粉粒含量呈下降态势，土壤水分也不断减少。土壤养分全磷、全氮、速效磷、速效氮和有机质的含量也出现不同程度的下降。

（5）草地沙漠化过程中，土壤与植被之间呈现显著相关性（P＜0.05），说明土壤与植被紧密联系在一起，沙漠化过程实质就是土壤与植被协同退化的结果。

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Relationship between the Soil and Standing Vegetation Changes during Grassland Desertification Process

XIONG Bingqiao1, ZHAO Liya1*, ZHANG Jin1, LI Yanqiang1, CHEN Hongbing1, LI Fengrui2
1. School of Resources and Environmental Science, Hubei University, Wuhan, 430062, China; 2. Hubei Key Laboratory of Regional Development and Environmental Response, Hubei University, Wuhan, 430062, China; 3. Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

To better recover and reestablish the degraded sandy communities, relationship between the soil and plant communities were studied on 4 different degraded sandy communities that are fixed sand land (potential desertification stage), semi-fixed sand land (light desertification stage), semi-shifting sand land (medium desertification stage) and shifting sand land (heavy desertification stage) in Horqin sandy land. The results shown that during grassland desertification process: (1) The species quantity declined significantly from 20 to 11 Moreover, there was a significant difference among the aboveground biomass s (F=29.107, n=360, P＜0.001), the coverage (F=42.569, n=120, P＜0.001) and the density (F=38.817, n=120, P＜0.001), meanwhile, the ground biomass and coverage reduced gradually, the decrease rage were 82%, 78% and 85% respectively. (2) Herbaceous plants are the domain species, while its ratio was obviously decreased. Moreover, the species quantity of perennial herbs and shrubs were declined. Chenopodiaceae had a wide adaptability which kept at relatively stable level and its important value was increased gradually. Gramineae and Legume were experienced a sharp decrease, meanwhile, there was a relatively small number of Compositae which were migrate from semi-fixed to shifting sand land. (3) Shannon-Wiener index, Simpson index, evenness index and Margalef index suggested a decreasing trend. (4) The physical and chemical properties of the soil also degraded. Moreover, there were a significant reduction of total phosphorus, total nitrogen, available phosphorus, available nitrogen and organic matter content (P＜0.05) along with the intensification of desertification. And (5) there was a significant correlation between the soil and vegetation (P＜0.05) which indicates that the desertification process is the result of the synergetic degradation of soil and vegetation.

desertification; community characteristics; soil mechanical composition; soil nutrient; relationship

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.006

Q145+.2; X171.1

A

1674-5906（2017）03-0400-08

熊炳桥, 赵丽娅, 张劲, 李艳蔷, 陈红兵, 李锋瑞. 2017. 草地沙漠化过程中土壤与地上植被的变化及其相互关系[J]. 生态环境学报, 26(3): 400-407.

XIONG Bingqiao, ZHAO Liya, ZHANG Jin, LI Yanqiang, CHEN Hongbing, LI Fengrui. 2017. Relationship between the soil and standing vegetation changes during grassland desertification process [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 400-407.

国家自然科学基金项目（31070370）；湖北省教育厅重点项目（D2015003）；湖北省科技厅软科学专项（2013BDF034）；生物资源绿色转化湖北省协同创新中心项目

熊炳桥（1990年生），男，硕士研究生，研究方向为环境生态学和生态保护规划。

*通信作者：赵丽娅（1975年生），女，副教授，博士，主要从事干旱区植物生态学和生态保护规划的教学和科研工作。E-mail: zhaoly0128@hubu.edu.cn

2016-11-08