古尔班通古特沙漠南缘梭梭根区土壤养分的分布特征研究

苟博文，魏 博，马松梅,聂迎彬

(1.石河子大学生命科学学院，新疆 石河子 832000；2.石河子大学理学院，新疆 石河子 832000;3.新疆农垦科学院作物研究所，新疆 石河子 832000)

【研究意义】梭梭(Haloxylonammodendron)，藜科(Chenopodiaceae)梭梭属(Haloxylon)小乔木或大灌木，是重要的防风固沙植物，是中亚荒漠中分布最广的荒漠植被类型之一[1]。准噶尔盆地是我国梭梭分布最集中的区域，约占全国梭梭林总面积的68.2 %[2]。梭梭为古尔班通古特沙漠植被群落中主要的建群种，具有耐贫瘠、抗旱和防风固沙等特点优势[3]，在保持生物多样性和维护区域生态平衡中起着非常重要的生态作用。但是，由于自然作用和人为因素对荒漠植被的严重破坏，造成大面积的天然梭梭林衰退甚至死亡，已被列为国家三级濒危保护植物[4]。植被与土壤是一个相互作用、相互影响、相互制约、协调发展的体系[5]。土壤为植被提供必要的物质基础，其理化特性深刻影响植被群落的发生、发育和演替，而植被的生长也深刻影响着土壤养分的积累、分布与循环。干旱荒漠景观环境下，灌丛“肥岛”的形成和有机物质的沉淀是灌木植物适应贫瘠沙质环境的主要机制和有效利用养分的主要对策，对荒漠灌木植物的存活及荒漠生态系统的维持都具有重要的生态意义。【前人研究进展】近年来，相关学者对不同地区荒漠建群植物梭梭根区土壤的理化性质及养分特征的空间分布开展了一系列研究。对艾比湖湖区边缘不同沙丘下梭梭主根周围土壤养分特征的差异性研究表明，三种沙丘土壤养分的空间分布整体上都呈一定集聚趋势，形成“肥岛”[6]；对古尔班通古特沙漠南缘梭梭“肥岛”的初步探讨表明沙漠区的风沙土和绿洲区的灰漠土中均存在“肥岛”效应，且随土层深度增加而减弱[7]；对古尔班通古特沙漠梭梭和白梭梭主根周围土壤养分的梯度分布研究表明，梭梭和白梭梭根际微区均有显著的养分聚集现象[8]。【本研究切入点】上述研究初步揭示了古尔班通古特沙漠南缘不同龄阶、不同沙丘和不同种群梭梭根区土壤养分特征及其分布规律。但是，对于古尔班通古特沙漠南缘梭梭与白梭梭的同域分布区，梭梭根区周围土壤养分分布的水平与垂直特征与规律还缺乏研究，成为深入理解荒漠区梭梭根区养分分布与运移规律的瓶颈。 本研究选择古尔班通古特沙漠南缘新疆生产建设兵团第八师149团、甘家湖梭梭自然保护区及克拉玛依农业综合技术开发区外围荒漠区的自然梭梭种群，采用野外原位分层取土样的方法，对梭梭根区周围及不同土层深度的土壤含水量、pH值、电导率、有机质和速效磷进行测定与分析。【拟解决的关键问题】明晰不同地区梭梭主根附近、冠幅中间和冠幅边缘的土壤含水量、pH值、电导率、有机质和速效磷的水平分布特征与规律；探究不同地区梭梭根区0～60 cm土层土壤养分的垂直分布特征与规律。本研究的结果可以为干旱荒漠区梭梭林的生态恢复与管理提供基础数据与理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆生产建设兵团第八师149团、克拉玛依农业综合技术开发区和甘家湖梭梭自然保护区位于新疆准噶尔盆地古尔班通古特沙漠南缘。研究区属典型干旱荒漠气候，年平均气温6.6 ℃，年降水量114.89 mm，约31.6 % 的降雨集中在3-5月，年平均潜在蒸发量1500～2000 mm。研究区盛行西北风，5-6月大风(风速>20 m/s)频繁发生。荒漠植物以低矮的灌木、半灌木为主，除了短命植物和一年生植物以外，几乎全是旱生、超旱生植物，主要有梭梭(Haloxylonammodendron)、白梭梭(Haloxylonpersicum)、沙拐枣(Calligonummongolicum)、柽柳(Tamarixchinensis)、沙蒿(Artemisiadesertorum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与土样采集 2017年5月，分别在古尔班通古特沙漠南缘新疆生产建设兵团第八师149团、克拉玛依农业综合技术开发区、甘家湖梭梭自然保护区，利用样方绳与GPS定位选择地形相对平坦，梭梭长势均匀一致，病虫害较少的区域，设置研究样地。利用野外原位分层进行土壤采样(图1)，在每个样区内选择长势基本一致的3株梭梭，在梭梭主根附近、冠幅中间和冠幅边缘分别取0～60 cm深的土壤剖面，设置0～20、20～40和40～60 cm 3个土层深度，每株共9个土样。每个土样，选择相互间成90°夹角的4个采样方向，再将位于同一采样点上不同方向的土样混合成一个土样，用四分法取土样装袋带回实验室备用。

图1 梭梭根区土壤采样点

1.2.2 土样分析 将采集的土壤样品放在阴凉干燥通风处自然风干，拣出枯枝落叶、植物根系等杂质，研磨过筛后待测，参照鲍士旦[9]土壤养分指标测定方法进行室内分析。采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定有机质；采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提―钼锑抗比色法测定速效磷；采用烘干法(105 ℃下持续烘干8 h)测定土壤含水量；采用水土比5∶1待测液测定土壤电导率和pH值。

1.2.3 数据处理及统计 采用富集率E表征土壤养分富集程度[10]，E值越大表示土壤养分富集程度越高，反之则越小。在本研究中，主根附近、冠幅中间、冠幅边缘的富集率分别采用如下方法换算：E1=B/A，E2=C/A。其中，E1，E2代表富集率，A表示主根附近养分含量，B表示冠幅中间养分含量，C表示冠幅边缘养分含量，如果E1>1，E2>1，说明该土壤属性值在冠幅中间和冠幅边缘富集，相反则在主根附近富集。采用单因素方差(One-way ANOVA)进行差异显著性分析，采用 Microsoft Excel 2013 和SPSS16.0对数据进行处理，同时利用 Orgin8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 土壤速效磷和有机质的分布特征

在水平方向上，不同地区梭梭主根附近到冠幅边缘速效磷含量均表现为冠幅中间>主根附近>冠幅边缘(图2)。其中，甘家湖梭梭自然保护区内梭梭冠幅中间0～20、20～40和40～60 cm土层的土壤速效磷含量均显著高于同一深度土层主根附近和冠幅边缘，但主根附近和冠幅边缘0～20 cm土层的土壤速效磷含量无显著差异。克拉玛依农业综合技术开发区和149团研究区内梭梭冠幅中间土壤速效磷含量均显著高于冠幅边缘。在垂直方向，不同地区梭梭根区土壤速效磷含量均随土层深度的增加而减少，但0～20 cm 土层显著高于40～60 cm土层。

图2 不同地区梭梭根区土壤速效磷的变化

不同地区梭梭根区土壤有机质含量整体变化规律具有一致性(图3)，在水平方向上，不同地区土壤有机质含量均表现为主根附近>冠幅中间>冠幅边缘，且显著差异。在垂直方向，土壤有机质含量随土层深度增加呈显著降低趋势。

图3 不同地区梭梭根区土壤有机质的变化

2.2 土壤 pH值、电导率和土壤含水量的分布特征

不同地区，梭梭根区土壤pH值在水平方向整体呈增大趋势(图4)，表现为主根附近<冠幅中间<冠幅边缘。在垂直方向，土壤pH随土层深度的增加而增大。

图4 不同地区梭梭根区土壤pH值的变化

不同地区梭梭根区土壤电导率在空间分布上表现出和速效磷相似的规律(图5)，在水平方向，土壤电导率均表现为冠幅中间>主根附近>冠幅边缘，并且差异显著。在垂直方向，土壤电导率随土层深度增加总体呈降低趋势，但在0～20和40～60 cm土层的土壤电导率存在显著差异。

不同地区，梭梭根区土壤含水量在水平方向整体呈增大趋势(图6)，表现为主根附近<冠幅中间<冠幅边缘，但在40～60 cm土层，不同地区均存在显著差异。在垂直方向，土壤含水量随土层深度增加显著增大。

图6 不同地区梭梭根区土壤含水量的变化

2.3 不同地区梭梭根区土壤养分富集率的分布特征

不同地区梭梭根区土壤养分表现出不同的水平与垂直方向富集的特征(表1)。不同地区，梭梭根区土壤含水量均有向冠幅边缘聚集的趋势(E1>1，E2>1且E11，E2<1且E1>E2)，而土壤有机质表现为向主根附近聚集的趋势(E1<1，E2<1且E1>E2)。

表1 不同地区梭梭根区土壤养分富集率

从土壤垂直剖面看，土壤养分(速效磷、有机质)富集率随土层深度的增加呈递减趋势。

3 讨 论

相关研究表明土壤含水量变化与荒漠植被根系在土壤中的分布范围和数量紧密相关[11]。梭梭具有粗壮而垂直的主根系，使之较其它植物更容易获取地下水分[12]，而梭梭分布区表层土壤主要受自然降水的影响，研究区自然降水量很低，但蒸发强烈，因此梭梭根区土壤含水量表现出随土层深度增加而增大的趋势，该结果与朱雅娟等[13]、格日乐等[14]的研究结果一致；水平方向上，不同地区梭梭根区土壤含水量表现冠幅边缘高于主根附近和冠幅中间，土壤含水量分布格局不仅和相应根系区域分布范围、数量相关[15]，也和地形密不可分[16]。任雪[17]，李从娟[18]等关于梭梭“肥岛”效应的研究中也表明梭梭根际周围出现养分聚集的趋势。在本研究中，不同地区梭梭主根周围土壤有机质和速效磷含量出现了不同程度的聚集，表现出荒漠区典型的“肥岛”效应，其中，土壤速效磷在梭梭冠幅中间大约0～40 cm土层以内聚集，而土壤有机质的“肥岛”作用范围发生在距主根附近大约 0～20 cm土层以内，随土层深度增加而减弱，到约40 cm土层深度后 “肥岛”逐渐降低[19]。

植物根际pH值的降低不仅能促进土壤某些养分的转化，也能提高抗病虫害能力，对植物的生长有一定的促进能力[20]。在本研究中，土壤pH在不同地区均表现出主根附近低于冠幅中间和冠幅边缘，在梭梭主根中心形成了低pH的环境，这对于梭梭根际土壤的养分的改善具有重要作用，已有研究表明植被冠下土壤pH不仅受植被的影响，也可能受其他环境因子的影响[21]，有待进一步研究。电导率在梭梭根区周围土壤的整个区域内表现为梭梭冠幅中间表层土壤有稍微的聚集，不同地区梭梭冠幅中间土壤电导率均高于冠幅边缘和主根附近，0～20 cm土层的土壤电导率显著高于40～60 cm土层，这与沈其荣[22]、弋良朋等[23]对植物根际盐分状况的研究结果一致。这也可能是因为梭梭是泌盐植物，在植物根系和土壤含水量的综合影响下，可溶性盐离子有向根系运移的现象影响[8]。

4 结 论

本实验对新疆生产建设兵团第八师149团、甘家湖梭梭自然保护区和克拉玛依农业综合技术开发区外围荒漠区自然分布的梭梭根区土壤的 pH值、电导率、含水量、有机质和速效磷的空间分布特征与规律进行分析研究发现：①不同地区梭梭根区周围土壤含水量和pH值在水平与垂直方向上整体呈增加趋势，即主根附近<冠幅中间<冠幅边缘，0～20 cm<20～40 cm<40～60 cm。②不同地区梭梭根区周围土壤有机质、速效磷含量和土壤电导率在水平与垂直方向上总体呈降低趋势。综合考虑3个不同地区梭梭根区土壤养分的空间分布特征，发现其土壤均存在“肥岛”效应，最大聚集范围在0～40 cm土层。