基于“肥岛”效应探讨人工梭梭土壤养分时空演变趋势

陈 婧, 崔向新, 丁延龙, 王则宇, 刘宗奇, 石 涛

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010018; 2.鄂尔多斯林业规划设计院, 内蒙古 鄂尔多斯 017000; 3.内蒙古自治区林业科学研究院, 呼和浩特 010010)

在干旱荒漠区植被—土壤生态系统中，研究灌木等植被引起的土壤养分的变化，对了解土壤养分动态变化，植被演替与种间竞争以及植被与土壤间的生态学效应有着积极的影响[1]。灌木等植被通过拦截空气中的尘埃和自身凋落物及根部分泌等方式将灌丛周围的土壤养分向灌丛中心聚集，从而改变灌木周围土壤养分含量及结构的现象，称为灌丛“肥岛”效应[2-3]。近年来，围绕“肥岛”效应的形成机制、作用机理及时空变化特征展开了大量研究[4]。Fuhlendorf等[5]认为灌木下“肥岛”效应的形成，对其自身的生存发展和恢复更新有着积极影响。也有研究表明干旱区“肥岛”形成和发展与灌木扩散之间存在着反馈效应[6]。Schlesinger[7]认为灌丛群落“肥岛”效应发展时间越长，土壤养分空间自相关越明显，反之越弱。因此“肥岛”效应被大量学者认为是天然草地退化以及干旱、半干旱环境荒漠化的重要标志[8]。

目前，干旱荒漠区生态恢复主要通过人工营建以灌木为主的防风固沙植被[9-10]，而对于本就植被稀少、贫瘠缺水、风蚀严重的荒漠化地区的土壤环境，灌木植物的这种“肥岛”效应则可以通过自身和外界对土壤养分的积累使养分聚集到灌丛下，从而改变局部生态环境，使周围植物生物量、植物组成、植物化学成分、土壤资源的空间分布格局发生变化，使灌丛下土壤养分升高，进而促进草本植被生长，因此荒漠区灌丛“肥岛”效应是干旱荒漠区土壤养分高度异质性的表现，对于干旱荒漠区的植被恢复有着积极影响[11-13]。梭梭(Haloxylonammodendron)是一种典型的荒漠化灌木，多生长于干旱、半干旱地区，其由于具备良好的耐盐碱、耐干旱、防风固沙及改良土壤的特性，成为优良的干旱荒漠区防风固沙造林树种，并在我国干旱荒漠地带分布较广[14-16]。因此本文选取乌兰布和沙漠西南缘不同发育年限人工梭梭防护林为研究对象，分析不同发育年限人工梭梭不同部位及不同土层深度土壤养分含量差异及其根部及灌丛内外对土壤养分的富集程度，揭示不同林龄人工梭梭防护林土壤养分的“肥岛”效应强度，从而发现梭梭林下土壤养分时空演变趋势，旨在为干旱荒漠区人工梭梭防护林的合理建设及可持续发展，植被恢复及保护重建提供理论依据及科学支撑。

1 研究区概况

研究区选在内蒙古自治区阿拉善盟吉兰泰镇，位于乌兰布和沙漠西南缘，地理位置为105°35′—105°46′E，39°38′—39°49′N，海拔1 030～1 474 m。该地区属于典型的大陆性干旱季风气候，年均气温7.5～8.6℃，年均降水量为117.1 mm，且年内分布多集中于7—8月份，年潜在蒸发量为3 005.2 mm，该地区以西北风为主，年均风速3.7 m/s，多年平均扬沙日数>30 d。该区具有典型荒漠植被特点，主要荒漠植物种有梭梭、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、白刺(Nitrariatangutoum)等灌木、半灌木以及芦苇(Phragmitesaustralis)、苦马豆(Sphaerophysasalsula)、沙米(Agriophyllumpungens)、沙蒿(Artemisiarenaria)等草本植物。

2 材料与方法

2.1 样地选取与土壤样品采集

试验于2018年7月初在研究区选择通过植苗建立的不同生长年限(2，5，10，15，30 a)人工梭梭林为研究对象。在每种发育年限梭梭林中分别建立3个10 m×10 m的研究样地，每个样地间隔10 m。在每个样地内选取地形特征、冠幅、株高、基径等生长情况基本一致的3株梭梭，调查其生长指标，并对选好的梭梭以根部为中心按5，50，150 cm作为根部、灌丛内以及株间空地的取样位置，向外延伸进行土壤样品的采集(30 a梭梭为5，50，250 cm)，每株梭梭均按东南西北4个方位采集样品并混合成一个样品进行测定，每个方向设置取样点3个，每棵植株共设置采样点12个，每个采样点按0—10 cm，10—20 cm，20—40 cm土层深度进行取样(图1)。取样梭梭生长发育状况见表1。

注：A 不同营建年限梭梭；B 样方布设示意图；C 样方剖面示意图。
图1 试验样地选取布设示意图

表1 不同林龄人工梭梭的形态特征

注：不同小写字母代表不同林龄同一指标差异显著(p<0.05)。

2.2 样品测定

土壤样品取回后在实验室内自然风干，除去残留的枯落物后，研磨过2 mm筛待测。土壤有机质(Organic matter)采用重铬酸钾外加热法测定，土壤碱解氮(Alkaline nitrogen)采用碱解扩散法测定，土壤速效磷(Available P)采用NaHCO3提取法测定，土壤速效钾(Available K)采用NH4OAc浸提火焰光度法测定。

2.3 数据处理与分析

利用Excel对数据进行初步处理，数据分析在SPSS 17.0软件下进行，采用Origin 2017进行作图。人工梭梭根部、灌丛内、株间空地3个不同取样部位土壤养分含量差异、不同土层深度土壤养分含量差异和不同林龄人工梭梭同一取样部位土壤养分差异及其富集率差异均采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行比较；采用相关分析，分析人工梭梭土壤养分富集率与梭梭生长指标间的相关性。

利用富集率(enrichment ratio，E)来表征梭梭根部及灌丛内土壤养分的富集程度[17]。其中，植被根部土壤养分富集率分别为根部和株间空地土壤养分含量比值，表示为EA=A/C；灌丛内的土壤养分富集率分别为灌丛内和株间空地土壤养分含量比值，表示为EB=B/C，其中A，B，C分别为根部、灌丛内及株间空地土壤养分含量。

3 结果与分析

3.1 不同林龄人工梭梭土壤养分垂向分布特征

由图2可知，土壤有机质及速效养分含量在不同林龄梭梭根部均表现为0—10 cm，10—20 cm显著高于20—40 cm。整体来看，0—10 cm较10—20 cm土壤有机质平均高65.6%，碱解氮平均高71.3%，速效磷平均高71.0%，速效钾平均高25.1%，10—20 cm较20—40 cm土壤有机质平均高17.6%，碱解氮平均高96.6%，速效磷平均高71.8%，速效钾平均高10.5%，0—10 cm较20—40 cm土壤有机质平均高82.0%，碱解氮平均高228.2%，速效磷平均高172.7%，速效钾平均高39.0%。其中，在2，5，10 a不同土层深度土壤有机质含量均表现出显著差异，由大到小依次为0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm，其余林龄梭梭根部土壤有机质含量在0—10 cm与10—20 cm没有显著差异；灌丛内土壤有机质含量在5 a之后0—10 cm，10—20 cm显著高于20—40 cm，其余林龄梭梭灌丛内土壤有机质含量均无显著差异；株间空地土壤有机质含量除2 a和30 a各土层之间均表现出显著差异外，其余林龄均为0—10 cm，10—20 cm含量显著高于20—40 cm含量，0—10 cm含量与10—20 cm含量无显著差异。梭梭根部土壤碱解氮含量在5 a之前表现出0—10 cm，10—20 cm显著高于20—40 cm，而0—10 cm与10—20 cm含量无显著差异，在5 a之后各土层之间碱解氮含量表现出显著差异，由大到小依次为0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm；灌丛内和株间空地土壤碱解氮表现出相同的趋势，均是在10 a和30 a各土层之间含量表现出显著差异，其余林龄0—10 cm与10—20 cm碱解氮含量无显著差异。土壤速效磷含量在不同林龄梭梭(除10 a)根部和灌丛内的各土层之间均表现出显著差异，由大到小依次为0—10 cm>10—20 cm>20—40 cm，株间空地的土壤速效磷含量在5 a之前各土层之间存在显著差异，在5 a之后则表现出0—10 cm，10—20 cm显著高于20—40 cm，0—10 cm与10—20 cm之间不存在显著差异。不同林龄梭梭根部土壤速效钾含量均表现出0—10 cm显著高于20—40 cm，灌丛内和株间空地的土壤速效钾含量无显著差异。

3.2 不同林龄人工梭梭土壤养分水平分布特征

如图2所示，各土层土壤在15～30 a各取样部位均表现出显著差异性，由大到小依次为根部>灌丛内>株间空地，根部有机质、碱解氮、速效磷及速效钾分别比灌丛内高30.8%，196.7%，22.5%，56.4%，灌丛内比株间空地分别高38.0%，15.6%，8.3%，10.6%。其余林龄各取样部位含量无显著差异。其中，人工梭梭在10 a前，表层(0—10 cm)土壤有机质含量均表现为株间空地>灌丛内>根部，其中在2 a株间空地含量显著高于灌丛内和根部，在15 a表现出根部含量显著高于灌丛内和株间空地，灌丛内与株间空地含量差异不显著，在30 a各取样部位均表现出显著差异性，由大到小依次为根部>灌丛内>株间空地。其余林龄各取样部位含量无显著差异。10—20 cm土层土壤有机质含量在10 a前根部与灌丛内无显著差异，除2 a以外各林龄根部含量均显著高于株间空地。20—40 cm土层土壤有机质含量在30 a表现出根部与灌丛内显著高于株间空地，其余林龄无明显规律；土壤各土层碱解氮含量均在15 a之后表现出显著差异，由大到小依次为根部>灌丛内>株间空地，表层含量在2 a和10 a表现出根部显著低于株间空地,在5 a根部显著高于株间空地，10—20 cm和20—40 cm土层碱解氮含量在10 a之前均表现出灌丛内低于根部与株间空地；15 a和30 a梭梭土壤速效磷含量在0—10 cm与10—20 cm土层中表现出根部>灌丛内>株间空地的变化趋势，其中根部显著高于株间空地，其余林龄表层土壤含量随距根部距离的增加养分增加，10—20 cm则表现出与表层相反的趋势。20—40 cm除30 a根部与灌丛内含量显著高于株间空地以外，其余林龄无明显规律；各林龄梭梭土壤速效钾含量在3个土层中均表现出随距根部距离增加养分降低的趋势，在15 a各土层土壤根部含量均显著高于灌丛内和株间空地含量，而灌丛内与株间空地含量差异不显著。在30 a表层土壤速效钾含量显著高于灌丛内和株间空地，其余土层无显著差异。

富集率是反映植被对土壤养分聚集程度的一种度量方式。由于各方面的影响，不同林龄人工梭梭土壤基底值可能存在差异，因此利用富集率这个相对指标对不同林龄人工梭梭土壤养分的富集程度进行比较。如图3所示，根部土壤有机质、碱解氮富集率(除5 a)均随营建年限增加而升高，且在10～30 a有显著升高，其中5，10 a富集率较低，其余林龄土壤富集率之间差异不显著。而速效磷和速效钾富集率均表现出15 a显著高于其他林龄的趋势，且10 a的富集率最低。深层(0—10 cm，10—20 cm)土壤根部有机质、碱解氮富集率均表现出10～30 a显著升高的趋势。各土层土壤速效磷、速效钾富集率均表现出15 a显著高于其他林龄的现象，且均在10 a出现最低值；如图4所示，灌丛内表层土壤有机质、碱解氮富集率均表现出15～30 a显著高于其他林龄，且在10 a最低。其中，土壤有机质、碱解氮富集率均表现为15～30 a显著高于其他林龄的趋势。其中，表层速效磷、速效钾富集率均表现出10 a显著低于其他林龄，其他林龄富集率差异不显著，其中，5 a富集率最高。速效磷、速效钾富集率在深层则表现出15 a和30 a显著高于其他林龄，其他林龄无显著差异，但富集率在10 a最低。除2，5 a土壤有机质富集率与2，10 a土壤碱解氮富集率根部低于灌丛内以外，其余林龄各土壤养分根部富集率均大于冠幅内富集率，说明林龄越高，其根部养分富集率与冠幅内养分富集率差异越明显。

注：不同大写字母表示不同土层深度养分含量差异显著(p<0.05)，不同小写字母表示相同土层不同取样位置土壤养分含量差异显著(p<0.05)，下图同。
图2 不同林龄人工梭梭不同取样部位土壤养分差异

3.4 土壤养分富集率与梭梭生长发育指标的相关性

由表2可知，通过分析不同林龄梭梭土壤养分富集率及其生长发育指标相关关系发现，梭梭根部土壤有机质富集率与基径、株高、冠幅均呈极显著的正相关关系(p<0.01)，灌丛内有机质富集率与基径、株高呈显著正相关关系(p<0.05)，与冠幅呈极显著正相关关系(p<0.01)，根部碱解氮富集率与基径、株高呈显著正相关关系(p<0.05)，与冠幅无显著关系(p>0.05)。灌丛内碱解氮富集率与梭梭各生长指标间均无显著关系。速效磷、速效钾根部与灌丛内富集率与梭梭各生长指标间均无显著关系。

图3 不同林龄人工梭梭根部土壤养分富集率比较

图4 不同林龄人工梭梭灌丛内土养分富集率比较

4 讨 论

4.1 人工梭梭土壤养分空间分布特征

土壤养分的空间分布特征能够反映土壤养分与环境因子间的关系，在土壤—植被系统中，植被生长发育状况与植被分布情况与土壤养分空间变异情况密切相关[17]。本研究对吉兰泰地区不同营建年限梭梭林下土壤养分的空间变异性进行研究，结果表明：在垂直方向上，不同种植年限梭梭土壤有机质以及能被植物吸收的速效养分含量均表现为表层土壤养分高于深层，且根部各土层之间差异更为显著(p<0.05)，这与张珂等[18]对荒漠绿洲区不同种植年限人工梭梭土壤化学计量特征的研究中不同林龄土壤养分垂直分布特征的结果基本一致。这说明叶子的分泌物以及植物枯落物等在灌丛下的聚集会使小部分养分随径流与雨水渗透到下层土壤中，而大部分则保存在表层土壤中[19-20]。因此，表层土壤更容易积累较高的养分，且由于灌木拥有较大的冠幅，其较好的防风固沙作用也有效防止灌丛下表层土壤养分风蚀的损耗，使大量的枯枝落叶得以保留在灌丛下，大大提高了养分在灌丛下土壤表层储存的可能，因此，土壤表层的土壤养分含量相对较高，是土层中最肥沃的部分[21]。

表2 土壤养分富集率与人工梭梭生长指标的相关性

注：*表示显著相关(p<0.05),**表示极显著相关(p<0.01)。

在水平方向上，人工梭梭根部、灌丛内、株间空地的养分含量存在显著差异。2～10 a的梭梭表层土壤有机质与碱解氮含量基本均表现为株间空地>灌丛内>根部，深层含量则为根部高于株间空地，土壤速效磷、速效钾均在15 a和30 a表现出根部显著高于株间空地的趋势。从整体来看，在15 a和30 a，梭梭各土层土壤有机质及速效养分含量均表现为根部>灌丛内>株间空地，说明梭梭在10 a后对土壤养分的富集作用趋于明显，即距根部由远及近土壤养分逐渐增加的趋势趋于明显，在10 a后表现出显著的富集效应。由于梭梭在2～10 a植被生长缓慢，相对于10 a后植物形态来说，其冠幅，株高，基径均较小，导致枯落物较少，从而使养分在灌丛内积累较少[5,22]。而10 a后植物生长旺盛，其基径、株高、冠幅的增长有利于其对土壤风蚀物质、降尘和凋落物等的截获，并通过发达的根系以根际沉积的方式将大量的养分输入到土壤中，从而形成良好的根际富集效应，冠幅的增长也大大减弱了由风蚀导致的土壤养分的损耗，致使根部养分较高[23]。而这与Wezel等[24]对尼日尔荒漠草原休耕地的变化一致，其研究表明至少要花15 a的时间才能探测到灌木下与株间空地土壤养分水平的明显变化。Schlesinger[7]研究发现，灌丛群落平均年龄越大，即其对土壤养分的富集作用时间越长，土壤养分的空间自相关越明显。因此，灌木对土壤养分的富集效应的形成与发育是一个长期过程，不仅与多种生物非生物因子有关，与时间也有必然关联。

4.2 人工梭梭土壤养分时间分布特征

土壤养分是具有高度变异性的时空连续体，植物的生长发育时间是影响土壤养分累积的重要因素之一[25]。对不同营建年限人工梭梭土壤养分的研究结果表明：不同林龄人工梭梭之间的土壤养分富集率存在显著差异，整体表现为15，30 a土壤有机质及速效养分富集率显著高于其他林龄，但均在10 a出现富集率最低值，且根部养分富集率大于灌丛内养分富集率。这说明，人工梭梭根部养分“肥岛”效应强于灌丛内养分“肥岛”效应，且表层的“肥岛”效应更为明显。而在10 a出现较低的富集率的现象，是由于5～10 a为梭梭生长旺盛期，所需养分较大，而植被枯落物残体的分解和累计过程发生在人工梭梭建立20年以后[26]。这与刘耘华等[27]对北疆荒漠植被梭梭立地土壤养分“肥岛”特征研究中所得出的结果基本一致，但与孙特生等[28]对黑河中游荒漠绿洲人工梭梭土壤养分动态特征的研究结果存在差异，这可能是由于研究区域的地理位置及生态环境的差异而导致，有研究表明，一些土壤化学属性在不同的研究区域会得到不同的研究结果，说明灌木下土壤资源的空间分布特征与研究区的具体环境有关[21,29]，体现了对乌兰布和沙漠西南缘人工梭梭土壤养分时空演变趋势研究的重要性。

从土壤养分富集率与梭梭生长发育指标间的相关关系可以发现，除土壤根部、灌丛内有机质富集率和根部碱解氮富集率均与植株基径、株高和冠幅显著相关以外，其余养分各部位富集率均与梭梭各生长发育指标无显著相关关系。其中，土壤根部、灌丛内有机质富集率及土壤根部碱解氮富集率均表现出表层(0—10 cm，10—20 cm)随着林龄的增加明显增长的趋势，深层则表现出先升高后降低的趋势(图5)。这可能是由于土壤有机质、碱解氮除受土壤母质的影响外，还受到枯落物分解及植物吸收利用的影响，因此存在较大的时空异质性，而磷、钾主要受土壤风化影响，而土壤风化是一个较漫长的过程，且土壤速效磷、速效钾极易被植物吸收，从而使土壤中含量变异性较小[30]。

图5 土壤养分富集率随时间变化趋势

表3 土壤养分含量随时间变化趋势

综上所述，梭梭灌丛下的土壤养分空间分布特征、不同生境间的土壤养分富集率以及不同林龄间的“肥岛”效应强弱差异均可以反映出不同林龄人工梭梭对养分的利用机制及其时空演变趋势。而在风沙作用强烈的干旱荒漠区，植株拦截沙尘导致地表细颗粒富集，植物冠幅周围地表颗粒的变化是否影响养分分布本文未涉及到，因此，风沙作用与土壤养分空间分布间的耦合性还亟待研究。

5 结 论

(1) 不同林龄人工梭梭土壤养分表现出显著的成层化分布特征，且表层土壤养分显著高于深层土壤，土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾均比深层平均高82.0%，228.2%，172.7%，39.0%，表层的养分积累优于其他土层，说明土壤中的大部分养分是从灌丛枯落物及风蚀拦截的物质中获得。

(2) 不同林龄人工梭梭下土壤水平方向的养分含量均在15～30 a表现为根部>灌丛内>株间空地，各林龄均表现出根部“肥岛”效应强于灌丛内，在15 a后土壤养分“肥岛”效应强于低林龄人工梭梭林，而在10 a左右为梭梭生长旺盛，养分需求量大，养分富集能力较弱。

(3) 通过对土壤养分富集率与生长指标进行相关分析，发现人工梭梭下主要受母质、枯落物等影响的土壤有机质、碱解氮含量时空异质性较明显，且有机质时空异质性最明显，而主要受风沙作用影响的土壤速效磷、速效钾含量时空异质性较弱。