荒漠草原2种典型群落类型下土壤含水量与土壤粒径分布的关系

马生花，谢应忠，胡海英，倪 彪

(宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021)

适宜的土壤水分是保证植物正常生长发育的关键，而土壤结构决定着土壤水分含量及其动态变化[1]。宁夏荒漠草原地处农牧交错区，生态环境较为脆弱，植被稀少且多呈斑块状分布，土地风蚀严重，土壤贫瘠且基质稳定性差[2]。近年来，气温的逐渐上升和封育措施实施后荒漠草原地区植物种类和植被覆盖面积的逐渐增加[3]，加剧了土壤水分赤字趋势。

降水是荒漠草原地区土壤水分补给的主要方式，而降水能否转化为土壤有效水分，主要与水分入渗有关。土壤质地即土壤机械组成体现土壤结构、肥力等土壤理化特性，不仅会影响土壤水分的入渗能力，还在起沙天气下垫面因子中扮演着重要角色[4]，从而影响土壤抗风蚀、持水等能力。研究发现，土壤颗粒大小与入渗能力间呈对数递减关系[5]，雨水入渗速率与直径小于0.001 mm的黏粒含量间呈显著的幂函数负相关关系[6]，土壤各层含水量的变化差异主要与土壤密度和土壤粉尘的成分含量有关[7]。土壤分形维数是土壤颗粒大小的表征，反映土壤结构、肥力和土壤退化程度等[8]，被广泛用于揭示土壤粒径分布的变异特征。因此，研究荒漠草原地区典型植物群落区域土壤水分和土壤粒度的变化规律及其之间的关系，对于控制荒漠草原的退化，解决恢复重建过程中土壤水分供给与植物耗水间的矛盾，进行土壤水分调控，提高水分的利用效率具有重要的指导意义。

目前的研究多集中在土壤粒度与土壤理化性质，以及土壤水分与植被生长状况之间的相互关系上[9]，而对土壤水分与土壤粒度特征之间的相关关系研究较少。本研究通过研究荒漠草原区典型群落的土壤水分和土壤粒度特征，揭示土壤水分与土壤粒径在土层不同深度的分布规律及其之间的关系，以期为风沙环境下的草地恢复与生态系统重建提供相关理论依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于宁夏回族自治区盐池县，地理位置106°43′～107°21′E、37°55′～38°10′N[10]，北接内蒙古自治区，东临山西省，南靠甘肃省，西与宁夏同心县、灵武市相接。地势南高北低，北接毛乌素沙漠，属鄂尔多斯台地，南靠黄土高原，是典型的过渡地带[11]。属典型的大陆性季风气候，冬冷夏热，昼夜温差大，全年晴天多，日照充足；降雨少，年降水量250～350 mm，主要集中在5—9月，期间降水量占年降水量的60%以上。土壤类型为灰钙土和风沙土，土壤肥力低下。属欧亚草原区，是我国温带草原向荒漠草原的过渡地带，群落呈现出旱生植物与典型草原建群种多年生禾草的镶嵌式分布格局[12]，物种以赖草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、短花针茅(StipabrevifloraGriseb.)、蒙古冰草(AgropyronmongolicumKeng)、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)等多年生草本植物为主，其中蒙古冰草群落和短花针茅群落是宁夏荒漠草原的典型植物群落，在土地沙漠化防治中起着积极作用。

1.2 样地选择与样品采集

试验样地位于宁夏回族自治区吴忠市盐池县高沙窝镇草原资源生态监测站的围封草地。选择蒙古冰草和短花针茅2种典型植被群落为试验样地，蒙古冰草群落土壤类型为灰钙土，短花针茅群落土壤类型为风沙土。于2017年8月2日(旱雨季结束后)和9月3日(丰雨季结束后)，分别在每块样地中按“S”形设置5个土壤采样点，设计采样深度160 cm(由于8月2日采集样品时突遇降雨，因此当日数据只有0～120 cm土层的)，按每20 cm一层进行分层采样。采集的土样一部分装入干净的铝盒，带回实验室进行土壤含水量测定；另一部分置于塑封袋内，用于土壤粒度测定分析。采样土层按深度分为浅土层(0～40 cm)、中土层(40～80 cm)和深土层(80～160 cm)。

1.3 测定方法

(1)土壤含水量测定。采用烘干法测定土壤质量含水量，计算公式为

土壤质量含水量=(原土质量-烘干土质量)/

烘干土质量×100%

(1)

(2)土壤粒度分析。采用Mastersizer 2000激光粒度仪测定土壤粒径分布(PSD)[13]，测量范围为0.02～2 000 μm，重复测量误差≤2%。土壤粒径分级采用美国制的土粒分级标准(USDA)，即分为黏粒(0～2 μm)、粉粒(2～50 μm)和砂粒(50～2 000 μm)[14]。

(3)土壤分型维数(D)计算。采用TYLER et al.[15]提出的体积分形模型进行计算，计算公式为

V(r

(2)

式中：r为土壤粒径；Ri为土壤粒径划分中的第i级粒径；V(r

将式(2)两边取对数，通过对数曲线的拟合斜率可求得D值。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2018整理数据和作图，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。所有数据均至少为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 不同植物群落土壤含水量的差异

研究区夏季月降雨量不均衡，7月降雨量46.8 mm，显著小于8月的97.9 mm；月均温7月为25.22 ℃，大于8月的20.76 ℃。土壤平均含水量旱雨季(7月)为6.89%，小于丰雨季(8月)的10.38%。2个群落间土壤含水量差异表现为：旱雨季蒙古冰草群落在20～40和80～120 cm土层土壤含水量高于短花针茅群落；丰雨季2种典型群落土壤含水量均有所增加，但相对而言，蒙古冰草群落土壤含水量增加量整体上高于短花针茅群落(表1)。

表1 研究区2种典型群落土壤含水量

注：同一行不同大写字母表示同一样地不同土层之间土壤含水量差异显著(P<0.05)，同一列相同时间不同小写字母表示相同土层深度不同群落土壤含水量差异显著(P<0.05)。

土壤含水量随土层深度的垂直变化见表1。旱雨季，随土层深度增加，2种典型群落土壤含水量均表现为“增加—降低—增加”的变化趋势，短花针茅群落土壤含水量在浅、中土层大于蒙古冰草群落，在深土层小于蒙古冰草群落，其中0～40和60～100 cm土层是土壤含水量变化波动较大的土层。丰雨季，蒙古冰草群落土壤含水量随土层深度增加呈现“增加—降低—增加”的变化趋势，0～20 cm土层土壤含水量最低，显著低于20～40、80～160 cm土层，140～160 cm土壤含水量最高，显著高于0～80 cm土层(P<0.05)；短花针茅群落土壤含水量变化呈“增加—降低—增加—降低”的“M”形，在60～80 cm土层最低，显著低于0～40、80～160 cm土层；在20～40 cm土层最高，显著高于0～20、40～100、120～160 cm土层(P<0.05)。

丰雨季2个群落间土壤含水量的显著性差异分析见表1。在0～160 cm土层短花针茅群落土壤含水量均低于蒙古冰草群落，除0～40 cm土层外，在其他土层均表现出显著差异(P<0.05)。在浅、中土层，2种典型群落土壤含水量均呈现先升高后降低的变化趋势，并均在20～40 cm土层土壤含水量最大；深土层，蒙古冰草群落土壤含水量随土层深度增加持续增加，短花针茅群落土壤含水量随土层深度增加先增加后减少。

2.2 不同群落类型下土壤粒径分布状况

不同群落类型、不同土层深度，土壤粒径分布和土壤分形维数不同(表2)。蒙古冰草群落土壤黏粒和粉粒含量随土层深度增加呈现“增加—降低—增加”的变化趋势，土壤黏粒含量在0～20 cm土层最低，仅为2.86%，显著低于20～40、60～160 cm土层，在140～160 cm土层最高，为11.50%，显著高于0～80 cm土层；土壤粉粒含量0～20 cm土层最低，显著低于100～160 cm土层，在140～160 cm土层最高，显著高于0～20、40～60 cm土层(P<0.05)。短花针茅群落土壤黏粒和粉粒含量随土层深度增加呈现“增加—降低—增加—降低”的变化趋势，土壤黏粒含量在0～20 cm土层最低，为2.38%， 显著低于80～120 cm土层，在100～120 cm土层最高，为11.89%，显著高于0～60、120～160 cm土层(P<0.05)；土壤粉粒含量在0～20 cm土层最低，为23.73%，显著低于20～60、80～160 cm土层，在100～120 cm土层最高，为53.30%，显著高于0～20、60～100 cm土层(P<0.05)。2种典型群落土壤砂粒含量随土层深度变化均表现出与黏粒和粉粒相反的变化趋势。2种典型群落土壤分形维数与其土壤粉粒含量变化趋势一致。

2个典型群落土壤粒径分布和分形维数的差异性分析表明：浅、中土层，2个群落的土壤粒径分布无明显差异；深土层，蒙古冰草群落黏粒和粉粒含量在120～160 cm深度均显著高于短花针茅群落(P<0.05)，砂粒含量在80～100 cm深度高于短花针茅群落，在100～160 cm深度低于短花针茅群落，其中120～160 cm土层差异具有显著性(P<0.05)。2种典型群落的土壤分形维数在1.14～1.88之间，蒙古冰草群落土壤分形维数平均为1.47，短花针茅群落平均为1.49，两者无显著性差异。

表2 不同群落类型土壤粒径及分形维数分布

注：同一列同一群落数据后大写字母不同表示不同土层土壤粒径含量差异显著(P<0.05)；同一列同一土层数据后小写字母不同表示不同群落土壤粒径含量差异显著(P<0.05)。

2.3 土壤含水量、土壤粒径分布、土壤分型维数间的相关关系

土壤含水量、土壤粒径分布、土壤分形维数之间，以及土壤各粒径含量间均存在一定的相关性(表3)。其中：土壤含水量与土壤分形维数为正相关关系；土壤含水量和土壤分形维数均与土壤黏粒和粉粒含量成正相关关系，与土壤砂粒含量成负相关关系；土壤黏粒含量与粉粒含量之间成正相关关系，黏粒和粉粒含量与砂粒含量之间均为负相关关系。蒙古冰草群落中各相关关系均极为显著(P<0.01)，短花针茅群落仅土壤粉粒含量与砂粒含量间表现出极显著负相关关系(P<0.01)，其余各相关关系均不显著。

3 讨 论

水是限制植物生长发育的主要因子之一，在气候干旱、生态环境脆弱的荒漠草原地区，植物群落特征及其分布对水分的响应十分敏感[16]。对比分析7、8月降雨量、气温和土壤含水量，7月为高温天气，降雨在地表层未转化为土壤有效含水量便蒸发了，而长期高温使植物蒸腾失水变多，需要从土壤中吸收更多的水分维持自身的生长代谢，因此旱雨季土壤含水量亏缺未得到有效缓解；8月降雨量和连续降雨量分别为97.9和85.8 mm，均是7月的2倍左右，气温又较7月降低了4 ℃，在降雨量加大、气温降低的情况下，植物蒸腾和地面蒸发失水减少，使得雨水下渗量增加，因此丰雨季土壤含水量较旱雨季有明显的增加。0～20 cm土层直接与大气接触，受地表蒸发影响强烈，因此即使丰雨季降雨量有明显的增加，2个群落的表层土壤含水量仍较低。随土层深度增加，2种典型群落土壤颗粒中砂粒含量减少，粉粒和黏粒含量增加，土壤机械组成由粗变细，雨水入渗能力降低[5]，降雨对土壤含水量的补给作用减弱，因此2个群落样地浅、中层土壤含水量在旱雨季和丰雨季的差异较大，但深土层土壤含水量差异不大，说明降雨对这两种典型群落浅、中层土壤含水量有一定的补给作用，但对深层土壤的补给作用不明显。相比而言，降雨对蒙古冰草群落土壤含水量的影响高于短花针茅群落，说明蒙古冰草浅、中层土壤颗粒组成比例更有利于雨水入渗。

表3 土壤含水量、土壤粒径、土壤分形维数的相关系数

注：标“**”表示相关性极显著(P<0.01)。

土壤含水量还和土壤结构密切相关。土壤中较小颗粒物质的含量越大，土壤颗粒的表面积就越大，进而黏结性就越强，对水分的吸附和固定能力也越强[17]；而较大粒径的砂粒相对不活泼，它对土壤水分的影响较小。浅、中土层，2种典型群落中土壤各粒径颗粒含量无明显的差异，但蒙古冰草群落土壤平均含水量较短花针茅群落高，这与本研究前期植被调查发现蒙古冰草群落植被覆盖度大于短花针茅群落，较高的植被覆盖度减少了土壤蒸发量有关。深土层，蒙古冰草土壤含水量较短花针茅群落高，并逐渐表现出显著差异，这与随土层深度增加蒙古冰草群落土壤粉粒含量持续增加、砂粒含量持续减少，高的粉粒含量提高了对水分的吸附和固定能力，减少了土壤水分的流失有关。因此，在浅土层影响土壤含水量的主要因素为地表蒸发、植被覆盖度、降水、气候等，在深土层则主要为土壤结构。相比而言，蒙古冰草样地土壤持水性能较为良好。

土壤粒径分布与植被类型、土壤类型均有关。较大的植被覆盖度可以有效降低近地表风速，减少细颗粒物质受风雨侵蚀、雨水渗透等的影响而流失，提高土壤固持能力。本试验中，前期植被调查发现蒙古冰草群落植被覆盖度相对较大，因此其土壤黏粒和粉粒含量高于短花针茅群落；但在垂直方向，由于细粒物质受风雨侵蚀、雨水渗透等影响流失，所以0～20 cm土层2种群落土壤黏粒和粉粒含量均较20～40 cm土层低。本研究中，蒙古冰草群落土壤质地为灰钙土，富含的CaCO3为良好的胶结剂，可以同细颗粒物质进行结合，提高其抗风蚀和水蚀能力，减少土壤中细粒物质的流失，对土壤起保护作用[18]，而短花针茅群落土壤质地为风沙土，质地松散，结构不稳定，蓄水保水能力较差[19]，所以蒙古冰草群落中黏粒和粉粒含量随土层深度增加逐渐增加，而短花针茅群落中土壤黏粒和粉粒含量随土层深度增加先增加后减少。

土壤中的黏粒和粉粒含量与土壤含水量呈正相关关系，砂粒含量和土壤含水量呈负相关关系，这与土壤含水量和土壤粒径随土层深度的变化趋势一致的试验结果相符。类似于土壤水分，土壤分形维数与土壤颗粒组成之间也表现出同样的相关性，即土壤中黏粒和粉粒含量越大，土壤含水量和土壤分形维数越大，土壤结构越好；土壤中砂粒含量越大，土壤含水量和土壤分形维数越小，土壤结构越不稳定。所以，可以用土壤分形维数和土壤含水量来表征土壤颗粒的大小和土壤性能。但2种典型群落土壤粒径分布与土壤含水量、土壤分形维数相关关系表现出不一致性，相比短花针茅群落，蒙古冰草群落中各相关关系极显著。这可能与土壤类型有关，蒙古冰草群落土壤为灰钙土，土壤中粉粒含量较多，粉粒是与有机质胶结的主要无机胶体，可以为胶结作用提供胶结环境和动力，对土壤良好的结构性能起到一定的保护作用[20]；而短花针茅群落为风沙土，土壤中砂粒含量较多，土壤颗粒易流失。同时也说明，相对于短花针茅群落，蒙古冰草群落降风滞尘、防风固沙的作用较强，能有效截获和聚集土壤细小颗粒及植被的凋落物，使土壤的粉粒、黏粒所占比例明显增高，从而使土壤结构得到改善。

4 结 论

不同深度的土壤含水量受降雨影响不同，其中表层0～20 cm最大，20～60 cm土层次之，降雨量较小时深土层几乎不受影响。2个群落0～80 cm浅、中土层之间的含水量无显著差异，深土层(80～160 cm)含水量具有显著差异。雨水入渗与土壤结构关系密切，蒙古冰草群落土壤结构较短花针茅群落更有利于土壤入渗，其深层土壤含水量显著高于短花针茅群落。

土壤颗粒中，黏粒和粉粒含量随土层深度增加而增加，砂粒含量随土层深度增加而减少。土壤含水量、土壤分形维数与土壤黏粒和粉粒含量呈正相关关系，与土壤砂粒含量呈负相关关系。相比而言，蒙古冰草群落具有较好的灰钙土结构，可以有效截留入渗降水并进行储存，使得深层土壤水分亏缺不严重；而短花针茅群落呈现典型风沙土的结构特点，表层蒸发强烈，入渗的降水不能有效储存，深层土壤水分得不到有效补给，处于长期亏缺状态。

土壤分形维数受颗粒大小影响较大，即土壤颗粒越小其分形维数越大。2种典型群落类型间的土壤分形维数有差异但不显著，不同群落间差异大于不同土层之间。