宁夏荒漠草原短花针茅丛“肥岛”效应研究

张玉萍， 宋乃平， 王 兴

(1.宁夏大学 新华学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021； 3.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，宁夏 银川 750021)

荒漠草原属于荒漠向草原的过渡带，是我国北方生态屏障的前沿，在国家生态格局中具有极其重要的作用.荒漠草原为干旱、半干旱气候，降水量少，蒸发大，植被稀疏，长期形成了其特有的破碎化景观.灌丛化是干旱、半干旱地区的重要植被类型[1—2]，灌丛斑块通过改变土壤温度、湿度、微生物生物量及微环境，将优质土壤资源聚集在灌丛之下，从而形成“肥岛”.张生楹将“肥岛”效应定义为，在荒漠、干旱、半干旱地区，由于草丛、灌丛或乔木植物的生长以及土壤养分、水分、动物、微生物和非生物因素的相互作用，使其冠幅下限制性土壤资源显著富集或聚集的情况[3].研究表明，灌丛“肥岛”是荒漠植被和生态环境信息交流的枢纽，是荒漠植被在有限的养分及水分资源环境中稳定生存的基础.研究表明，灌丛内土壤中的有机碳、氮、磷等含量比灌丛外的高，表现出灌丛“肥岛”效应[4—8]，且灌丛具有防风固沙及降风滞尘作用，能够改变周围的小环境[9]，可为种子提供储存场所，减轻牲畜对新生植物的啃食，保护灌丛下植物的生长，促进生物多样性恢复[4].“肥岛”效应对于维持草原生态系统的稳定发展有利[10].目前，对于“肥岛”效应的研究主要集中于灌木，而对于荒漠草原地区草本植物与土壤的相互作用、荒漠草原地区小尺度上草本植物的研究不多.

短花针茅作为荒漠草原地区最具代表性的植物，在荒漠草原中大量存在，呈破碎化分布，使荒漠草原表现出典型的退化现象.研究短花针茅丛的“肥岛”效应，是对荒漠草原土壤养分分布现状的揭示，是对荒漠草原生态环境的分析.笔者以荒漠草原短花针茅丛为研究对象，通过对短花针茅丛由中心向边缘空地不同距离土壤中有机碳、总氮、总磷、碱解氮及速效磷含量分布规律的研究，分析土壤中养分的变化规律及其富集程度，从而揭示短花针茅丛形成的“肥岛”效应.研究小尺度上短花针茅丛对土壤的作用，可为荒漠草原区退化草地的恢复研究提供参考.

1 材料与方法

1.1 研究区

研究区位于宁夏盐池县皖记沟行政村(λN=37°04′～38°10′，φE=106°30′～107°47′)，海拔1 300～1 350 m.北部与毛乌素沙地相连，东南部与黄土高原相连，属于典型的中温带大陆性气候，年平均气温8.4 ℃，7月(最热)平均气温22.4 ℃，1月(最冷)平均气温8.7 ℃，大于等于10 ℃年积温为2 751.7 ℃，大于等于0 ℃年积温为3 430.3 ℃，无霜期160 d.多年平均降水292 mm，主要集中在7—9月，且占全年的60%以上，年际降水变化大，蒸发量为2 710 mm.土壤以灰钙土、风沙土及盐碱土为主.土壤主要为砂壤、粉砂壤和沙土.主要植物物种有建群种短花针茅，伴生种牛枝子、糙隐子草、远志、草木樨状黄芪、黑沙蒿、白草和猪毛菜等.

1.2 研究方法

2019年9月，在宁夏盐池荒漠草原选取以短花针茅为优势种的地势平坦样地，设置1个50 m×50 m的实验区.随机选择冠幅大小一致的短花针茅丛9株，选择短花针茅丛水平和垂直方向不同间隔的土壤.水平方向，从短花针茅丛中心向外间隔5 cm，分别在中心(w0)、距离中心5 cm(w1)、距离中心10 m(w2)、距离中心15 m(w3)处；垂直方向，从中心向下0～5，5～10，10～15 cm 3个土层，分别采集3个土层w0，w1，w2，w3处的土样.将采集的样品带回实验室，测定土壤中有机碳、总氮、总磷、速效磷、碱解氮的质量分数或质量含量.土壤中有机碳的质量分数通过重铬酸钾法测定，土壤中总氮的质量分数通过凯氏定氮法测定，土壤中碱解氮的质量含量通过碱解扩散法测定，土壤中总磷的质量分数通过氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法测定,通过碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷的质量分数[11].

1.3 数据处理

通过Excel整理数据，并通过SPSS 21.0进行方差分析.

2 结果与分析

2.1 土壤中有机碳的质量分数

水平方向：在0～5 cm土层，短花针茅丛由中心向外(图1)，土壤中有机碳的质量分数呈递减趋势，w0处显著高于w1,w2,w3,w4处的(P<0.05)；在5～10，10～15 cm土层，w0处有机碳的质量分数分别为0.76%，0.70%，显著高于w1，w2，w3，w4处的(P<0.05).垂直方向:在w0，w1，w2处、0～5，5～10，10～15 cm 3个土层土壤中，有机碳的质量分数均随深度的增加递减，且0～5 cm土层中的显著高于5～10，10～15 cm土层中的(P<0.05)；在w3，w4处、0～5，5～10，10～15 cm 3个土层，土壤中有机碳的质量分数差异不显著(P>0.05).

注：大写字母表示垂直方向存在显著差异(P<0.05)，小写字母表示水平方向存在显著差异(P<0.05)(图2～图5中相同).

图1 土壤中有机碳的质量分数变化

2.2 土壤中总氮的质量分数

土壤中总氮的质量分数(图2)，除个别点波动外，在水平方向，从短花针茅丛的中心向外呈递减趋势，在垂直方向，随土壤深度的增加而递减.在0～5 cm土层，w0处土壤中总氮的质量分数为0.08%，显著高于w1，w2，w3，w4处的(P<0.05)；在5～10 cm土层，w0处土壤中总氮的质量分数为0.06%，高于w1处的(0.01%)，呈显著性差异(P<0.05)，w1，w2，w3，w4处土壤中总氮的质量分数差异不显著(P>0.05)；在10～15 cm土层，w0，w1，w2，w3，w4处土壤中总氮的质量分数差异不显著(P>0.05)，递减幅度小于0～5 cm土层中的，且在20 cm处无明显趋势.

图2 土壤中总氮的质量分数变化

2.3 土壤中总磷的质量分数

土壤中总磷的质量分数(图3)，在垂直方向和水平方向都不存在显著性差异(P>0.05).在0～5 cm土层，土壤中总磷的质量分数表现为,从短花针茅丛的中心向外呈递减趋势，中心处总磷的质量分数为0.43%，高于w4(0.03%)处的；在5～10 cm 土层，总磷的质量分数没有变化，在20 cm处降低；在10～15 cm土层土壤中，总磷的质量分数由短花针茅丛中心向外随距离的增加变化趋势不明显.

图3 土壤中总磷的质量分数变化

2.4 土壤中碱解氮的质量含量

土壤中碱解氮的质量含量(图4)，除个别点波动外，在水平方向，从短花针茅丛中心向外呈递减趋势，在垂直方向，随土壤深度的增加而递减.在0～5 cm土层，碱解氮的质量含量为52.28 mg/kg，短花针茅丛中心5，10 cm处分别为38.23，29.46 mg/kg，土壤中碱解氮的质量含量随距离的增加而减低，呈现显著性差异(P<0.05)，随后变化缓慢.在5～10 cm土层，中心w0处碱解氮的质量含量为33.73 mg/kg，显著高于w1,w2,w3,w4处的(P<0.05)；在10～15 cm土层，土壤中碱解氮的质量含量随距离的增加而降低，在20 cm处增高为24.30 mg/kg，低于中心w0处(7.9 mg/kg).在垂直方向，在w0,w1处、0～5 cm土层中，碱解氮的质量含量显著高于5～10，10～15 cm土层中的(P<0.05)，w2,w3处碱解氮的质量含量随土壤深度的增加而降低，无显著性差异(P>0.05).

图4 土壤中碱解氮的质量含量变化

2.5 土壤中速效磷的质量含量

在0～5 cm土层，w0处速效磷的质量含量为3.23 mg/kg(图5)，显著高于同一水平方向w1,w2,w3,w4处的(P<0.05)，且w1,w2,w3,w4处的速效磷的质量含量无明显变化；在5～10 cm土层，土壤中速效磷的质量含量表现为，从短花针茅丛的中心向外随距离的增加而递减，w0处的显著高于w2,w3,w4处的；在10～15 cm土层，土壤中速效磷的质量含量呈递减趋势，且呈显著性差异(P<0.05).在垂直方向，w0,w1,w2,w3,w4处速效磷的质量含量表现为，0～5 cm土层中的显著高于5～10，10～15 cm土层中的(P<0.05)，且5～10，10～15 cm土层中速效磷的质量含量无显著性差异(P>0.05).

图5 土壤中速效磷的质量含量变化

3 讨论

“肥岛”是干旱、半干旱地区生物作用与非生物作用共同驱动的产物[1—3].该实验结果表明，在水平方向，短花针茅丛中心处养分的含量最高；土壤中有机碳、总氮、速效磷和碱解氮含量的差异性显著(P<0.05)，均由短花针茅丛中心向外呈递减趋势，且在距离短花针茅丛5 cm处下降最大;土壤中有机碳、总氮、速效磷和碱解氮表现出“肥岛”效应.在垂直方向，土壤中有机碳、总氮、速效磷和碱解氮的含量表现出，0～5 cm土层中的显著高于5～10，10～15 cm土层中的(P<0.05)，且随土壤深度的增减而递减，表现出“表聚”效应；总磷的质量分数在水平和垂直方向均没有显著差异(P>0.05)，说明短花针茅丛对总磷没有“肥岛”效应.这与短花针茅丛的生物与非生物作用相关，表现为短花针茅丛截获了沉降、风蚀土壤细颗粒和枯枝落叶等外界带来的养分，促使其丛下土壤养分含量积累，印证了学者的“肥岛”效应研究[4—8].生物作用主要表现为，短花针茅丛根系吸收养分，向上运输到植物上部，再以凋落物的形式回落到表层土壤的过程.短花针茅丛“肥岛”的形成与发育促进根系养分的利用，促使产生更多的根际沉积，而根系的活动又会促进“肥岛”的发育.短花针茅丛和“肥岛”相互促进,有利于改良土壤，也有助于土壤肥力的保护.

4 结论

1)土壤中有机碳、总氮、速效磷和碱解氮的含量，由短花针茅丛中心向外随水平距离的增加而递减，随土壤深度的增加而递减，分别表现出“肥岛”效应和“表聚”效应.

2)土壤中总磷的含量在垂直和水平方向变化趋势不明显，没有“肥岛”效应.

3)短花针茅丛“肥岛”效应有利于荒漠草原土壤肥力的保护，也有助于荒漠草原退化草地的恢复.