乌兰布和沙漠东北缘白刺群落与油蒿群落土壤养分特征分析

黄雅茹,马迎宾,郝玉光,辛智鸣,董雪,刘禹廷,马媛,张冉浩

乌兰布和沙漠东北缘白刺群落与油蒿群落土壤养分特征分析

黄雅茹,马迎宾,郝玉光*,辛智鸣,董雪,刘禹廷,马媛,张冉浩

中国林业科学研究院 沙漠林业实验中心, 内蒙古 磴口 015200

在乌兰布和沙漠采用野外调查和室内分析的方法，研究了白刺群落与油蒿群落土壤养分特征，并对土壤养分进行了综合评价。结果表明：有机质含量、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷分别为(2.70±0.43) g·kg-1、(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值为(9.37±0.09)，土壤各养分指标均属于弱变异。土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷表现为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。白刺群落与油蒿群落有机质在20~40 cm、40~60 cm层差异显著（﹤0.05），在0~20 cm、60~80 cm、80~100 cm土层差异不显著（﹥0.05）；碱解氮、全钾在20~40 cm差异显著（﹤0.05），0~20 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差异不显著（﹥0.05）；各土层全氮、速效钾、全磷、有效磷差异均不显著（﹥0.05）。白刺群落与油蒿群落土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾随着土层深度的增加呈下降趋势，呈现表聚性特点。土壤养分综合评价的排序为白刺群落(0.566)﹥油蒿群落(0.423)﹥裸沙地(0.249)。

土壤养分; 白刺群落; 油蒿群落; 乌兰布和沙漠

在生态系统中，植被和土壤相互依存、相辅相成[1,2]。植物通过根系与土壤连成一个统一整体，植物与土壤进行着各种物质代谢与能量流动，这些均对土壤理化性质产生影响，土壤是植物生存及生长发育的重要保障，土壤通过调节分配水、肥、气、热，为植物的生长发育源源不断地提供所需营养物质于能量，而植物生长发育同时也可以改善土壤养分[3-7]。土壤养分在生态系统中的物质循环和能量流动过程中起着主导作用[8]。

乌兰布和沙漠处于中国北方半干旱区向干旱区的过渡地带，植被生态系统非常脆弱，植物群落中的建群种均为旱生植物，群落中最主要的生活型是灌木与半灌木，其次是旱生多年生草本植物，也有比较丰富的一年生植物[4-5]。灌木是乌兰布和沙漠东北部最重要的植被类型，而白刺（）与油蒿（）是乌兰布和沙漠东北部典型的灌木植被，其特点是抗逆性强，稳定性好，对保护绿洲免受风沙危害发挥着非常重要的生态防护作用[9]。因此，研究灌木植物对土壤养分的影响、土壤养分的空间分布特征及土壤养分的综合评价，对揭示灌木对生态系统中土壤养分的保护与有效利用机制具有重要意义。

近年来，关于白刺与油蒿的形态特征[10,11]、群落物种组成、物种多样性、群落相似性[12-14]等方面有专家学者进行了研究，也有学者研究了白刺群落的土壤养分特征，例如玉苏甫·买买提[15]对焉耆盆地白刺灌丛沙堆不同演化阶段和沙堆间低地土壤理化性质进行分析，而刘学东[16]对油蒿灌丛的3种生境(冠下、冠缘和灌丛间地)的灌丛土壤养分“肥岛”效应进行分析，而对于乌兰布和沙漠地区白刺群落与油蒿群落土壤养分的比较及综合评价未见报道。

本文采用野外调查与室内分析相结合的方法，对乌兰布和沙漠东北缘白刺群落与油蒿群落土壤养分进行对比分析，对土壤养分进行综合评价，探讨不同灌木群落土壤养分的特征，为植被恢复及改良荒漠化地区土壤质量提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

乌兰布和沙漠地处我国西部荒漠地带东缘，地理位置介于N39°40′~41°00′，E 106°00′~107°20′，属于草原化荒漠地带。沙漠北部与狼山山地的西端相毗邻，向西进入阿拉善典型荒漠区，东侧濒临黄河，与著名的河套平原接壤。行政区划包括阿拉善左旗、乌海市、磴口县、杭锦后旗与乌拉特后旗的部分地区。乌兰布和沙漠东北缘属于中温带半干旱大陆性气候，冬、春季受西伯利亚-蒙古冷高压控制，夏秋季为东南季风所影响，气候干旱，雨量稀少，分配不均，温湿同期，光照充足，热量丰富，多年平均降水量约140.3 mm(1954~2005年)，全年降水季节分配不均，降水多集中于6~9月，研究区多年平均气温7.8 ℃，昼夜温差大，年日照时间为3229.9 h，是我国日照时数最多的地区之一。风沙季节在11月至翌年5月之间，主风为西风和西北风，起沙风次数每年200~250次以上。乌兰布和沙漠东北部土壤类型较为多样，主要有灌淤土、灰漠土、盐土、风沙土、淡棕钙土5个土类。

1.2 研究方法

样地选择在乌兰布和沙漠东北部，以天然植被为主，植被分布均匀，没有人为干扰且长势较好。每个样地均使用GPS标记，作好记录。油蒿、白刺群落的样方大小为5 m×5 m，每个典型群落设置5个样地，每个样地设置5个样方。群落基本特征如表1所示。

表 1 样地基本情况

调查指标包括植被种类、个体数量、盖度、密度、高度、冠幅等指标。在每个样方内对土壤进行取样，取样深度依次为0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm，6个重复，风干，除去砾石和枯落物，过2 mm筛，分析土壤养分。设置裸沙地为对照。土壤有机质的测定用重铬酸钾容量法；碱解氮的测定用碱解扩散法；有效磷的测定用分光光度计法；速效钾的测定用火焰光度计法；全氮的测定用半微量开氏蒸馏法；全钾的测定用NaOH熔融火焰光度法；全磷的测定用HClO4-H2SO4氧化钼锑抗比色法；pH值测定用电位法[6]。

数据分析采用Microsoft excel和SPSS17.0软件数据处理和土壤养分因子的相关性分析，数据结果以平均数±标准误表示，采用单因素方差分析（ANOVE）进行多重比较，显著水平为＜0.05。

本文选取了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮、全钾、全磷、pH值8个指标，采取隶属函数及土壤综合质量指数进行综合评价[7]。

首先运用隶属函数将8个土壤养分指标数据进行标准化，应用公式（1）。

式中，(X)为各土壤养分指标的隶属度值；X为土壤养分指标值；Xmax、Xmin分别为第项土壤养分指标的最大值和最小值。

各个养分指标的权重确定采用标准差系数法，首先用公式（2）计算标准差系数V，将公式归一化后得到各指标的权重W，然后通过公式（4）求出土壤综合质量指数，越大，土壤质量越高[7]。

2 结果与分析

2.1 土壤养分统计

土壤养分均值是将所有土样的8项养分指标分别进行算术平均，计算结果如表2，有机质含量为(2.70±0.43) g·kg-1，全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷、有效磷分别为(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值为(9.37±0.09)。一般认为变异系数﹥100%为强变异，10%~100%为中等变异，﹤10%为弱变异[7]。土壤各养分指标均属于弱变异，其中pH值变异系数仅为2.99%，变异性非常小。

表 2 土壤养分统计

2.2 土壤酸碱性

土壤pH值对土壤微生物的活性、矿物质及有机质、养分在土壤中的转化、利用起着非常重要的作用[19]。由表3可以看出，油蒿群落与白刺群落的土壤pH值随着土层深度的增加呈下降趋势。土壤pH值的大小顺序为：油蒿群落﹥白刺群落﹥裸沙地。

2.3 土壤有机质

由表3可知，两种群落土壤有机质随着土层深度的增加呈下降趋势，不同植物群落有机质含量存在差异，就表层有机质来看，白刺群落的有机质含量最高，是裸沙地的6.1倍，是油蒿群落的1.4倍，在0~20 cm土层，白刺群落有机质与油蒿群落有机质差异不显著（﹥0.05），均与裸沙地差异显著（﹤0.05）。20~40 cm、40~60 cm白刺群落有机质与油蒿群落有机质差异显著（﹤0.05），60~80 cm、80~100 cm差异不显著（﹥0.05）。土壤有机质平均含量大小顺序为：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。

2.4 土壤全氮和碱解氮

由表3可知，随着土层深度的增加全氮含量呈下降趋势，白刺群落、油蒿群落0~20 cm层的全氮含量分别是80~100 cm层的2.5倍、5.0倍。全氮含量变化幅度较小，白刺群落全氮含量变化范围在(0.16±0.02) g·kg-1~(0.40±0.01) g·kg-1之间，油蒿群落全氮含量变化范围在(0.10±0.01) g·kg-1~(0.50±0.09) g·kg-1之间。土壤全氮为土壤肥力重要指标之一，它与土壤有机质存在极大的相关性，一般而言，土壤全氮的95%来源于有机质，全氮含量为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，其大小顺序与有机质变化顺序一致。白刺群落与油蒿群落各土层差异均不显著（﹥0.05）。

白刺群落土壤碱解氮含量变化范围在(11±1.48) mg·kg-1~(37±0.89) mg·kg-1之间，油蒿群落变化范围在(11±1.32) mg·kg-1~(30±1.20) mg·kg-1之间，大小顺序为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm差异不显著（﹥0.05），20~40 cm差异显著（﹤0.05），40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差异不显著（﹥0.05）。

2.5 土壤全钾和速效钾

由表3可知，白刺群落与油蒿群落土壤全钾含量和速效钾含量随着土层深度的增加呈下降趋势，白刺群落全钾含量变化范围在(15.9±1.44) g·kg-1~(23.6±1.88) g·kg-1之间，平均全钾含量最高的白刺群落，是裸沙地的1.1倍，速效钾含量变化范围在(80±12.36)mg·kg-1~(110±13.26) mg·kg-1之间，平均速效钾含量最高的白刺群落，是裸沙地的1.3倍。土壤全钾含量大小顺序为：白刺群落﹥裸沙地﹥油蒿群落。速效钾含量大小顺序为：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm全钾差异不显著（﹥0.05），20~40 cm差异显著（﹤0.05），40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差异不显著（﹥0.05）。

2.6 土壤全磷和有效磷

由表3可知，白刺群落与油蒿群落随着土层深度的增加，全磷含量与有效磷含量呈下降趋势，白刺群落全磷含量变化范围在(0.25±0.03) g·kg-1~(0.45±0.06) g·kg-1之间，油蒿群落全磷含量变化范围在(0.18±0.08) g·kg-1~(0.32±0.01) g·kg-1之间，全磷含量为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，有效磷含量为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm白刺群落与油蒿群落全磷与有效磷差异不显著（﹥0.05）。

表 3 油蒿群落与白刺群落土壤养分

注：同行不同小写字母表示同一土层不同样地的差异显著（﹤0.05）。

Note: Values with different capital letters show significant differences at 0.05 level among different plots.

2.7 土壤养分综合评价

本研究选了8项土壤养分指标，分别计算出不同群落土壤养分综合评价值，如表4所示，根据综合评价值，土壤养分综合评价顺序为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。

表 4 土壤养分综合评价

注：表中(1)~(8)分别表示有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷、有效磷及pH值的隶属函数值。

Note: The data(1)~(8) in the table respectively denote the subordinative function value of organic matter, total nitrogen, alkali-hydrolyzable nitrogen, total potassium, available potassium, total phosphorus, available phosphorus, pH value.

3 讨论

3.1 不同植物群落土壤养分变化

土壤有机质对提高土壤的保肥性及改良土壤结构有积极作用，也是土壤氮、磷的主要来源[18]。本研究显示土壤有机质平均含量大小顺序为：白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。土壤全氮含量变化幅度较小，全氮含量、碱解氮含量为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地，其大小顺序与有机质变化顺序一致。全钾和速效钾含量均是白刺群落最高，白刺群落全磷、有效磷含量最高。白刺群落及油蒿群落土壤有机质、土壤全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾随着土层深度的增加呈下降趋势。许多学者对土壤养分特征进行研究，也表明随着土层深度增加土壤养分含量呈减小趋势，土壤养分呈现表聚性特点[19-23]。这与赵心苗等[24]、魏强[25]等的研究结果相同。陈莹[26]认为不同灌丛草地土壤养分含量随着土层深度的增加呈降低趋势，这可能与微生物的作用和土壤酶活性有关。微生物可将有机物分解成简单的无机物，然后被植被直接吸收利用[27,28]。土壤表层具有丰富的微生物，相对较高的土壤酶活性，导致凋落物经微生物等的活动归还给土壤的养分主要集中在土壤上层，这与赵锦梅等[29]的研究结果一致。荒漠化地区随着植被的重建与恢复，能够加速土壤有机质的形成，但是只有土壤表层存在腐殖化作用，下层土壤受其影响较小[30]。凋落物及植物根系分解形成的有机碳首先进入表层，植被枯落物的归还与分解是土壤氮素和磷素的主要来源[30]，土壤钾素的表聚性可能与土壤蒸发和根系吸收有关[31]。

土壤pH值的大小顺序为：油蒿群落﹥白刺群落﹥裸沙地。土壤pH值随着土层深度的增加呈下降趋势。潘开文等[32]研究认为土壤中的酸碱度是由植被群落凋落物的差异而引起的，从而不同类型的灌丛草地其土壤pH值不同。灌丛草地不同植被根系分泌物不同，也会导致其土壤pH值发生变化，随着土壤养分的增加，可以不断的为植物根部微生物提供丰富的养分，改变了灌丛周围的微环境。影响土壤pH值变化的因素较多，如地下水盐类的成分和含量、降雨量、蒸发量、植物生长状况、土壤类型等[33]。本研究样地的土壤类型一致。

3.2 土壤养分综合评价

土壤养分肥力大小受土壤养分含量的影响，而且还受植物对养分吸收能力的影响，但更取决于各因子的协调程度[34]。本文结果显示，裸沙地、油蒿群落、白刺群落的土壤养分综合评价值分别为0.249，0.423，0.566。这可能是由于白刺植物自成群落并且枝叶茂密，积累大量枯枝落叶和腐殖质，从而增加土壤有机质含量，改善立地土壤的理化结构，使土壤养分肥力增加。

4 结论

（1）有机质含量、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷分别为(2.70±0.43) g·kg-1、(0.30±0.04) g·kg-1、(20.80±3.38) mg·kg-1、(19.29±1.23) g·kg-1、(93.00±3.00) mg·kg-1、(0.30±0.02) g·kg-1、(3.74±0.38) mg·kg-1，pH值为(9.37±0.09)，土壤各养分指标均属于弱变异。

（2）土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、速效钾、有效磷表现为白刺群落﹥油蒿群落﹥裸沙地。白刺群落与油蒿群落有机质在20~40 cm、40~60 cm层差异显著（﹤0.05），在0~20 cm、60~80 cm、80~100 cm土层差异不显著（﹥0.05）；碱解氮、全钾在20~40 cm差异显著（﹤0.05），0~20 cm、40~60 cm、60~80 cm、80~100 cm差异不显著（﹥0.05）；各土层全氮、速效钾、全磷、有效磷差异均不显著（﹥0.05）。

（3）白刺群落与油蒿群落土壤有机质、全氮、全钾、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾随着土层深度的增加呈下降趋势。

（4）土壤养分综合评价的排序为白刺群落(0.566)﹥油蒿群落(0.423)﹥裸沙地(0.249)。

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Soil Nutrient Characteristics Analysis ofandCommunities in Ulanbuh Desert

HUANG Ya-ru, MA Ying-bin, HAO Yu-guang*, XIN Zhi-ming, DONG Xue, LIU Yu-ting, MA Yuan, ZHANG Ran-hao

015200,

With the method of representative investigation and laboratory analysis, we study the characteristics of soil nutrient ofandcommunities in Ulanbuh Desert and evaluate the soil nutrient characteristics. The contents of organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus in soil samples were (2.70±0.43) g·kg-1, (0.30±0.04) g·kg-1, (20.80±3.38) mg·kg-1, (19.29±1.23) g·kg-1, (93.00±3.00) mg·kg-1, (0.30±0.02)g·kg-1, (3.74±0.38) mg·kg-1, respectively, the soil pH value was (9.37±0.09). All soil nutrient indexes are weak variation. Soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available potassium, available phosphorus show ascommunity﹥community﹥bare sandy land. There were significant differences in organic matter ofcommunity andcommunity in 20~40 cm and 40~60 cm layers (<0.05), no significant difference in 0~20 cm, 60~80 cm, 80~100 cm soil layer (>0.05). Alkali-hydrolyzable nitrogen and total potassium were significantly different at 20~40 cm (< 0.05), but not significant at 0~20cm, 40~60cm, 60~80cm and 80~100cm (>0.05). There was no significant difference in total nitrogen, available potassium, total phosphorus and available phosphorus in each soil layer.The soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus, available potassium in thecommunity andcommunity had a downward trend with the increase of soil depth, showing the characteristics of surface aggregation. Soil organic matter, total nitrogen, total potassium, total phosphorus, alkali-hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium incommunity andcommunity showed a decreasing trend with the increase of soil depth. The comprehensive evaluation ranking of soil nutrients wascommunity (0.566)﹥community (0.423)﹥bare sand (0.249).community (0.566)>community (0.423) > bare sandy land (0.249).

Soil nutrients;community;community; the Ulanbuh Desert

S151.9+3

A

1000-2324(2019)04-0559-07

2018-04-08

2018-05-07

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2017MB026)

黄雅茹(1987-),女,硕士,工程师,主要从事荒漠化防治方面的研究工作. E-mail:hu_angyaru@126.com

Author for correspondence. E-mail:hyuguang@163.com