毛乌素沙地南缘不同固沙灌木下土壤养分的空间异质性

赵朋波， 邱开阳*， 谢应忠， 赵香君， 陈 林， 刘王锁， 李海泉， 孟文芬，虎学琴， 何 毅， 黄业芸， 李亚园

(1.宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021； 2.宁夏灵武白芨滩国家级自然保护区管理局， 宁夏 灵武 7504003. 宁夏大学生态环境学院， 宁夏 银川 750021)

土壤在形成过程中受到自然因素和人为因素的共同作用，但自然因素和人为因素在空间上具有不均一性和变化性[1]，从而导致土壤存在空间异质性。土壤养分作为衡量土壤质量的重要指标[2]，其中的碳、氮、磷和钾等营养元素不仅代表了土壤肥力状况[3]，也是植物生长发育的必需营养元素。在沙地生态系统中，植物群落组成和演替受到土壤养分异质性的强烈影响[4]，因此研究其空间分布格局有利于土壤管理、生态恢复和保护及可持续发展。

土壤养分的空间异质性为土壤养分在空间上的复杂性和变异性[5-6]。大量研究表明，土壤养分的空间异质性受到植物群落、土壤动物、枯落物、土壤母质、地形、气候环境和人为干扰等因素的驱动[4,7-12]，它们在不同的空间上土壤养分的影响存在差异，进而影响土壤养分的空间分布。目前国内外对土壤养分空间异质性的研究主要集中在盆地[13]、台地[14]、森林[15-16]、山地[17]、农田[18-19]、矿区[3,7]和喀斯特地区[10,20]等生态系统中，而对于荒漠生态系统中的土壤养分空间异质性的研究相对较少。

固沙灌木对于荒漠化防治和土壤改良有着举足轻重的作用[21]。草方格结合固沙灌木的治理措施能够有效遏制荒漠化的发展，减少风沙侵蚀，有效促进生态系统修复，进而直接影响土壤养分含量及其空间分布，对土壤进行改良[22]，促进土壤质量和养分含量提升[23-24]，达到荒漠化防治的目的[25]。在具体固沙实践中，草方格扎设后种植不同灌木具有随机性和主观性。目前，对于不同固沙灌木对土壤养分含量及其空间异质性影响的相关研究甚少，因此，何种灌木种植模式有利于土壤养分的提高和沙地恢复尚有待研究。

宁夏白芨滩自然保护区地处毛乌素沙漠南缘和灵武市内的黄河东岸，保护区的生态保护修复和环境治理有利于加强黄河流域生态保护、促进黄河流域高质量发展和保障黄河长治久安，对于宁夏建成黄河流域生态保护和高质量发展先行区具有重要的意义。因此本研究以宁夏白芨滩国家级自然保护区不同固沙灌木影响下的土壤为对象，采用描述性统计和地统计学方法分析了沙地经草方格扎设后种植5种固沙灌木进行长期生态恢复后的土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的空间分布格局，探讨不同固沙灌木群丛对土壤养分空间异质性的影响，以期为荒漠地区植被种植方式提供理论依据，达到荒漠防治与恢复的目的，从而推动黄河流域生态保护和高质量发展先行区的建设。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

宁夏白芨滩国家级自然保护区地处宁夏回族自治区灵武市境内，位于毛乌素沙地西南缘，处于黄河东岸，距黄河5～10 km，地理坐标为106°21′33″～106°37′00″E，37°48′28″～38°20′12″N。保护区南北距离61 km，东西距离20～30 km，总面积70 921 hm2。该区属于中温带干旱气候区，具有典型的大陆性气候特征，年均气温为10.4℃，1月平均气温最低，约为—6.7℃，7月平均气温最高，约为24.7℃，年均降水量为209.7 mm，多集中于7—9月。保护区全年盛行北风，年均风速为1.8 m·s-1。研究区主要土壤类型为风沙土。

保护区地貌形态主要有低山丘陵、低缓丘陵和沙漠低山丘陵，主要植被类型有草原、荒漠及草原-荒漠过渡带。研究区植被组成由猫头刺(Oxytropisaciphylla)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、柠条(Caraganakorshinskii)和黑沙蒿(Artemisiaordosica)等建群种构成，同时也分布有通过草方格固沙和造林形成的以柠条、沙拐枣(Calligonummongolicum)、杨柴(Corethrodendronfruticosumvar.mongolicum)和花棒(Corethrodendronscoparium)等为建群种的人工沙漠灌丛，人工灌木沙生植被主要包括柠条单优群丛、柠条花棒群丛、柠条沙拐枣群丛、花棒沙拐枣群丛和沙拐枣单优群丛等[26]。

1.2 样地设置和土壤样品采集

选取2002年建立的草方格灌木固沙恢复区作为研究样地，于2019年8月26日至8月28日采集土壤样品。2002年，该样区扎设草方格后种植不同的固沙灌木，包括柠条、杨柴、柠条-花棒混交、柠条-沙拐枣混交、花棒-沙拐枣混交。2019年8月在研究区分别选取上述5种灌木种植方式的样地各3个，不同灌木种植方式的样地之间具有基本一致的灌木行株距。在每个样地内设置5个10×10 m的连续样方(图1)。在每个样方内，按照五点取样法在每个点上采集0～10 cm土层的土壤样品，把每个样方内5个点采集的土壤样品充分混合均匀成一个样品，以备用于土壤养分分析。

图1 研究样点分布示意图

1.3 土壤样品分析方法

土壤有机碳(Soil organic carbon,SOC)采用重铬酸钾容量法；全氮(Total nitrogen,TN)采用凯氏定氮法；速效磷(Available phosphorus,AP)采用0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效钾(Available potassium,AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法进行测定[27]。

1.4 数据分析

数据分析采用经典统计学和地统计学方法完成。利用SPSS 19计算土壤养分含量的平均值、标准差及变异系数(Cv)。变异系数大小可反映特征变量的空间变异程度，Cv<0.1时弱变异，0.11.0时强变异。

将经纬度转化为笛卡尔坐标后利用Geostatistics for the environmental sciences (GS+) 9.0软件进行地统计学分析。半方差函数是地统计学中用来研究土壤空间变异的函数，其表达式为：

(1)

式中，γ(h)为半变异函数，h是两样点间空间间隔距离，n(h)为间隔距离h时的样点对的总数，Z(xi)、Z(xi+1)分别是区域化变量在空间位置xi和xi+1的实测值。

地统计学中的基本参数是基台值、变程和块金系数。块金值(C0)表示随机变异，基台值(C0+C)表示总的变异程度，其值越高，总的变异程度越高。当块金系数(C/C0+C)>75%时，表示系统空间自相关性很强；当比值在25%～75%时，空间自相关性处于中等程度；当比值小于25%，则说明空间自相关性较弱。

使用块段克里格(Block kriging)对土壤养分进行局部插值估计，进行交叉证实检验，绘制研究区土壤养分的空间格局分布图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量的描述性统计分析及正态分布检验

研究区土壤有机碳、全氮、速效磷、速效钾的变异系数在0.18～0.56之间，都属于中等程度变异。其中，变异系数最大的是土壤有机碳，为0.56，土壤速效钾的变异系数最小，为0.18(表1)。4种土壤养分各自的平均值和中位数都比较接近，说明各养分都呈现出较好的中心趋向分布。4种土壤养分的偏度值均为大于0(表1)，说明它们的正态分布图都呈现为向左偏斜(图2)。土壤有机碳、速效磷和速效钾的峰度值均为正值(表1)，说明它们的数据分布比标准正态分布的峰高(图2a,图2c,图2 d)，而土壤全氮的峰度值为负值，说明全氮的数据分布比标准正态分布峰低(图2b)。K-S检验的结果表明，4种土壤养分的显著性值均大于0.05，数据分布类型均为正态分布，下一步可以进行地统计学分析。

图2 土壤养分频数分布

表1 土壤养分描述性统计分析及K-S检验

2.2 不同固沙灌木对不同土壤养分含量的影响

柠条-沙拐枣混交林与柠条林的土壤有机碳之间显著差异(P<0.05)，柠条-沙拐枣混交林下的土壤有机碳含量最大，为(2.21±1.37)g·kg-1。柠条-花棒混交林和柠条-沙拐枣混交林与其他灌木林之间的全氮含量存在显著差异(P<0.05)，柠条-花棒混交林下的土壤全氮含量最大，为(0.096±0.035)g·kg-1。土壤速效磷和速效钾的最大值均为柠条-花棒混交林样地，土壤速效磷的最大值为(1.09±0.40)mg·kg-1，土壤速效钾的最大值为(98.33±18.89)mg·kg-1(表2)。

表2 不同固沙灌木下的土壤养分含量

2.3 土壤养分含量的空间异质性特征

土壤有机碳、全氮和速效磷的半变异函数均拟合为高斯模型(图3a,图3b,图3c)，块金系数分别为0.612，0.612，0.503(表3)，表明土壤有机碳、全氮和速效磷均具有中等程度的空间自相关性。土壤速效钾的半变异函数拟合为球状模型(图3 d)，块金系数为0.887，具有强空间自相关性。研究区域变程最小的为速效钾，为50.00，最大的是速效磷，为580.24(表3)。有机碳的残差平方和(Rss)最大，为0.923；全氮的Rss最小，为2.126×10-6。

表3 土壤养分半变异函数理论模型及相关参数

图3 土壤养分半变异函数图

2.4 土壤养分含量的空间分布格局

研究区的土壤养分交叉检验的回归系数分别为0.736(有机碳)，0.974(全氮)，0.212(速效磷)，0.505(速效钾)。其中，有机碳和全氮的回归系数比较接近1，表示其估计值与真实值较为接近(表3)。各土壤养分的克里格插值主要呈块状分布，等值线过渡不平滑(图4)，空间变异程度偏高，且有明显的高低差异，不同养分的斑块大小及其分布区域随着不同的固沙灌木各有不同，土壤有机碳主要呈分布格局表现为南北两侧高中间低(图4a)，全氮的分布则为西高东低(图4b)，速效磷呈现出北高南低的分布格局(图4c)，而速效钾的空间分布相对均衡，整体上高低差异较小，在局部地区出现明显的高低不一的小斑块(图4 d)。

图4 土壤养分分布格局

3 讨论

在地统计学中，不考虑地理条件分布情况的前提下，采样点均匀分布使克里格插值具有较高的精度[28]。然而，由于自然地理条件的限制和固沙灌木种植及分布的差异，使得本研究的样点分布并不均匀，从而在一定程度上降低了克里格插值的精度。但不均匀的样点分布对于空间异质性的研究仍具有一定的可行性。司建华等[29]在额济纳绿洲、尚白军等[30]在濒临古尔班通古特沙漠的玛依湖湖区进行的土壤养分空间异质性的研究中样点分布也并不均匀。因此本文对于不同固沙灌木下土壤养分空间异质性的研究有一定的意义。

3.1 不同固沙灌木对土壤养分的影响不同

不同固沙灌木对土壤养分的影响不同。在生态系统中，土壤和植被相互影响，相互制约。一方面，不同植被的生长对土壤养分的利用程度不同[31]，另一方面，不同植被枯落物的生物量及其分解速率之间各有差异，因此不同固沙灌木对土壤养分的影响存在差异[32]。有研究表明，不同灌丛的土壤质量综合水平(评价指标为土壤pH、电导率、有机碳和全氮)表现为柠条>花棒>沙拐枣[33]。土壤养分主要来自于土壤表层累积的枯落物[34]，大量的枯枝落叶及根残体，有利于提高土壤养分含量，改善土壤保肥能力和土壤质量[35]。同时，风沙土的土壤养分含量随植物密度与盖度的增加而增加[36]。本研究发现，柠条—沙拐枣混交林的土壤有机碳含量高于其他灌木样地，柠条—花棒混交林的土壤全氮、速效磷和速效钾含量均高于其他灌木样地。而柠条林和杨柴林两种纯林的土壤养分含量在5种灌木样地中处于劣势，混交灌木样地的土壤养分含量优于纯种林，这与张瑞[37]等人的研究结果相吻合。这可能是由于单一树种的植被比较稀疏，凋落物成分单一，冠幅空隙较大，不利于凋落物的积累和风沙的防固，导致其土壤养分积累不足。花棒-沙拐枣混交林土壤养分含量也处于较低水平，这可能是由于花棒和沙拐枣近地面分枝较少，盖度低，其线形和披针形叶遮蔽性不够导致其透风性较大，加之在研究区内的花棒和沙拐枣分布不均，死亡率高，导致其防风固沙效果不如柠条林及含柠条的混交林。柠条叶片为狭长圆形的羽状复叶，研究区内的柠条近地面分枝多，密度和冠幅大，使得其地表枯落物增多，且研究区的柠条成活率高于其他灌木种，因此在植物-土壤反馈机制作用[38]下与其他树种混交使土壤养分含量相对较高。

研究区4种土壤养分均为中等程度变异，说明土壤养分含量相对稳定。各土壤养分变异系数为有机碳>全氮>速效磷>速效钾，这与新疆绿洲-荒漠过渡带[39]的研究恰好相反。可能是由于沙地土壤恢复程度较低，其土壤养分有效性低，养分含量不均，差异明显。不同灌木之间成活率的差异造成枯落物生物量较低，导致土壤有机碳和全氮的变异系数在0.5左右。土壤速效磷和速效钾的变异系数较低，可能是由于土壤母质和类型的稳定造成的。

3.2 植被的差异可以导致土壤养分的空间变异

根据已有研究，不同植被密度下的土壤养分含量的空间异质性程度存在差异并受植被状况的制约[36]，植物分布不均会引起土壤养分含量的空间变异[40]。干旱区灌木群落会使土壤的含水量和养分含量发生变化，影响土壤和植物之间的反馈机制，进一步导致土壤养分的异质性[38]。本研究中，混交林的土壤养分含量大于纯种林，这可能是因为混交林密度大，树种组成较多，冠层结构合理，枯落物及根际分泌物丰富，从而增加了其异质性。同时，土壤养分的空间变异是结构性因素和随机性因素的共同作用的结果[41]。影响土壤空间变异的结构性因素为母质、气候、地形等自然地理要素，随机性因素则为取样设计、测定误差与干扰等人为原因。本研究中，土壤有机碳、全氮和速效磷均为中等程度的空间自相关性，是结构性因素和随机性因素共同发挥作用，而速效钾则表现为强空间自相关性，是结构性因素发挥主导作用。土壤有机碳和全氮的随机变异在总的空间变异中均占比38.8%，结构部分均占比61.2%；速效磷的空间总变异中，结构部分为50.3%，而随机变异为49.7%；速效钾的随机变异占空间总变异的比例为11.3%，结构部分的比例为88.7%。这一结果表明决定不同土壤养分的空间过程存在差异：枯落物和根的残体及分泌物是碳和氮的重要来源之一，物质循环是影响有机碳和全氮含量的主要驱动力[36,42]；土壤磷含量决定于土壤母质和类型[43]；速效钾容易被植物吸收并存贮，且易淋溶，通过枯落物等形式又再次回归土壤[44]。

3.3 “沃岛效应”与沙地恢复过程对土壤养分空间分布的影响

土壤养分的空间格局还可能与“沃岛效应”有关。导致“沃岛”形成和发展的生物过程包括植物吸收必需的养分，然后在灌木下方区域沉积凋落物。有研究表明，灌木可以使土壤养分在其周围聚集，柠条灌丛的土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾均有向冠幅下富集的效果[45]，而沙拐枣灌丛的生物富集作用不太明显[46]，并且柠条对全氮的聚集范围大于其他灌木。在多个灌木为主的群落中，同一植物表现出不一致的“沃岛效应”，这可能是由于灌木的冠幅和植物群落密度差异造成的[47]。在本文中，研究区各个造林树种的冠幅以及灌木林下的草本植物各有差异，因此可能形成因不同物种的生长习性而产生的斑块聚集，从而发展为相应的“沃岛”。

沙地恢复的过程实质是植被生长和土壤养分增加的过程[48]。沙地土壤养分的变化是荒漠化及其恢复过程中能量物质循环的关键。土壤和植物之间的互作关系决定了生态环境演化过程，而土壤养分的变化与荒漠化程度及其发展有着直接的联系。草方格结合固沙灌木通过增加植被盖度，降低风沙流动并使土壤风蚀物质沉积，同时微生物及动物活动造成大量枯落物的分解，辅以水分、温度和地形等气候因子的作用[49-50]，使地表形成薄的结皮层，进而改善土壤养分含量，从而增加其成土作用[51-52]。因此，沙地土壤养分含量与固沙灌木种类、覆盖状况和枯落物等联系紧密，也与气候、地形和人类活动干扰等因素有着密切联系。为此，对枯落物、微生物和地形等对土壤养分的空间分布的影响有待进一步的分析研究，从而系统的、客观的评价研究区的生态恢复措施，实现生态效益最大化。

4 结论

本研究对毛乌素沙地南缘的土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾的空间分布特征进行分析，得出结论：柠条-沙拐枣混交林的土壤有机碳含量均高于其他灌木样地，柠条-花棒混交林的土壤全氮、速效磷和速效钾含量均高于其他灌木样地。土壤有机碳、全氮、速效磷和速效钾均表现为小尺度的空间变异。4种土壤养分的空间分布特征各不相同：土壤有机碳呈南北两侧高中间低，全氮的分布则为西高东低，速效磷呈现出北高南低，而速效钾的空间分布相对均衡，整体上高低差异较小，局部地区高低差异大。由此可见，不同植被和土壤养分之间存在一定的关系，含柠条的固沙灌木混交林更有利于沙地土壤的恢复。