２種植被下生物結(jié)皮化學特征及其對下層土壤的影響

潘　臻　邢　進

摘要 以毛烏素沙地的生物結(jié)皮層和結(jié)皮下層土壤為研究對象,對油蒿、羊柴2種植被條件下的土壤生物結(jié)皮層以及生物結(jié)皮下層土壤進行了化學性質(zhì)的研究,探討了不同植被下土壤生物結(jié)皮對土壤化學特征的影響。研究表明:生物結(jié)皮的土壤養(yǎng)分含量均高于流動沙地,油蒿灌叢下生物結(jié)皮的發(fā)育時間長,富集的養(yǎng)分含量也比羊柴灌叢的多,土壤生物結(jié)皮對下層土壤養(yǎng)分有明顯影響,生物結(jié)皮下土壤的有機質(zhì)、全效養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的含量均高于對照流沙土壤土層,且呈隨土層深度增加含量降低的趨勢。

關(guān)鍵詞 生物結(jié)皮;結(jié)皮下層;不同植被;土壤化學性質(zhì);毛烏素沙地

中圖分類號 S151.9+3 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739(2009)13-0271-03

生物結(jié)皮(biological soil crusts)是由土壤微生物、藻類、地衣和苔蘚植物等孢子植物類群與土壤形成的有機復(fù)合體。它的形成使土壤表面在物理、化學和生物學特性上均明顯不同于松散沙土,具有較強的抗風蝕、水蝕功能,也是干旱荒漠地區(qū)植被演替的重要基礎(chǔ)。

沙漠藻類作為沙漠中的先鋒植物,可以改變沙漠土壤中的物質(zhì)循環(huán),增加其中碳、氮、磷的含量。大量研究證實,結(jié)皮中的生物組成可以把碳、氮等養(yǎng)分固定到土壤生態(tài)系統(tǒng)中,促進土壤異養(yǎng)微生物的生長,從而改變沙漠環(huán)境中的生物多樣性,改變其土壤結(jié)構(gòu)和水分分布狀況,苔蘚和地衣真菌結(jié)皮的形成,加速了物質(zhì)風化和風化物質(zhì)累積速度,包括植物的一些必需元素如鉀、磷和硫等的累積;同時,由于有機質(zhì)的積累、大量微生物的侵入繁殖,土壤養(yǎng)分的可利用性提高,從而促進了土壤的發(fā)育。生物結(jié)皮還可以有效地防止土壤風蝕,生物結(jié)皮與草、灌木相結(jié)合的固沙技術(shù)已被認為是沙漠化地區(qū)固沙技術(shù)的新方向。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯高原南部的毛烏素沙地烏審旗境內(nèi)。烏審旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市西南部,地理坐標為北緯37°38′54″～39°23′50″,東經(jīng)108°17′36″～109°40′22″。研究區(qū)是鄂爾多斯高原的組成部分,處于鄂爾多斯高原向黃土高原過渡的洼地中,海拔一般為1 300～1 400m,最高海拔1 430m,最低海拔1 178m。地勢西北高,東南低。研究區(qū)屬溫帶極端大陸性氣候,受蒙古高壓影響極大,西北冷空氣控制時間長,降水少,干旱多風,蒸發(fā)強烈,日照充足,無霜期偏短。年降水量350～400mm(南部略少于北部),第3季度降水量占全年降水量的70%左右;年蒸發(fā)量約2 592mm。無霜期140～150d。年平均氣溫6～8℃,年極端最高、最低氣溫分別為37℃和-33℃;7月平均氣溫22℃,1月平均氣溫-9.4℃,平均氣溫年較差為21～23℃,最大日較差14℃。平均年日照時數(shù)2 860h,積溫年平均值為2 621℃。年平均風速3.4m/s;每年平均風速3m/s的天數(shù)為140～203d;每年平均風速8m/s的天數(shù)為22～24d,最大凍土深度146cm。烏審旗無定河流域面積2 060km2,平均流量5m3,年徑流量1.58億立方米。在毛烏素沙地,風沙活動與風沙土的水分含量成為該區(qū)的重要生態(tài)因子和限制因子,因此該區(qū)植物的優(yōu)勢生活型是油蒿(Artemisia ordosica)、白沙蒿(Artemisia sphaerocephala)、臭柏(Sa-bina vulgaris)、檸條(Caragana intermedia)、楊柴(Hedysarum mo-ngolicum)、沙柳(Salix cheilophila)、烏柳(Salix microstachya)等耐風蝕與干旱的灌木叢。

2 研究方法

2.1 樣本采集

研究樣地選擇在毛烏素沙地的烏審旗附近,油蒿灌叢覆蓋度為50%～60%,羊柴灌叢覆蓋度為25%～30%,油蒿灌叢的固定時間要比羊柴灌叢固定時間長。在油蒿灌叢、羊柴灌叢的坡底分別選擇生物結(jié)皮發(fā)育良好的樣方,并以樣方內(nèi)的裸沙沙土作為對照。測定生物結(jié)皮的厚度,并采集結(jié)皮樣品,將其放入土壤袋中,帶回室內(nèi)處理。對下層土壤養(yǎng)分和水分研究則以0～5cm(結(jié)皮層)、5～20cm(結(jié)皮下層)、20～30cm(結(jié)皮下層)、30～40cm(結(jié)皮下層)為間距進行采樣,3次重復(fù)。

2.2 樣本處理

將采集回來的土壤樣本在室內(nèi)風干后,去除樣品內(nèi)的結(jié)皮植物、種子、枯枝落葉、根系等生物體并研碎。研碎后的土壤樣本過0.25mm孔徑的篩子,作為土壤速效養(yǎng)分測定用,過0.01mm孔徑的篩子作為土壤全效養(yǎng)分測定用。

2.3 分析測定方法

養(yǎng)分測定方法參考《土壤農(nóng)化分析》(第三版)(鮑士旦主編),土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容重法;全氮采用凱氏定氮法;全磷采用NaOH熔融——鉬銻抗比色法;全效鉀采用NaOH熔融,火焰光度法;速效氮采用蒸餾法;速效磷采用0.05moL/L NaHCO3法;速效鉀采用醋酸氨浸提,火焰光度法。土壤酸堿度采用PB-10型便攜式酸堿度計。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物結(jié)皮層的養(yǎng)分特征研究

土壤養(yǎng)分的缺乏是流動沙丘限制植物生長的重要因素之一。隨著固沙植被在流動沙丘上的固定,生物結(jié)皮的形成為養(yǎng)分的富集提供了條件,并以其特有的代謝方式改善了沙丘土壤的性質(zhì)。因而,生物結(jié)皮的形成具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤肥力的作用。

2種植被條件下的生物結(jié)皮的土壤養(yǎng)分含量均高于流動沙地,說明生物結(jié)皮對干旱的沙地生態(tài)系統(tǒng)的土壤肥力具有明顯的聚集作用。在油蒿灌叢的生物結(jié)皮層有機質(zhì)含量比流動沙地提高了362.61%,全氮提高了211.76%,全磷提高了64.71%,速效氮提高了946.82%,速效磷含量提高了334.35%,速效鉀提高了186.85%。在羊柴灌叢的生物結(jié)皮層有機質(zhì)含量比流動沙地提高了50.22%,全氮提高了35.29%,全磷提高了52.94%,速效氮提高了312.36%,速效磷含量提高了27.89%,速效鉀提高了12.82%。

3.2 生物結(jié)皮層的pH值狀況

土壤pH值是土壤的重要化學性質(zhì),它直接影響植物的生長和微生物的活動以及土壤的其他性質(zhì)與肥力狀況。2種植被下生物結(jié)皮中,羊柴灌叢下結(jié)皮pH值較大為8.46,油蒿次之為8.25。而羊柴灌叢下結(jié)皮層和流沙環(huán)境的pH值相近,為8.45左右。這種現(xiàn)象的發(fā)生主要是由于油蒿灌叢下結(jié)皮表面上生有匍匐的蘚類植物,它們的根系在生長過程中要分泌酸類物質(zhì),另外植物的殘體分解也產(chǎn)生腐殖酸,從而使土壤的pH值偏低;而羊柴灌叢下結(jié)皮沒有匍匐的蘚類植物,且形成時間相比油蒿灌叢短,因此pH值偏高。

3.3 生物結(jié)皮對結(jié)皮下層土壤有機質(zhì)、全效養(yǎng)分的影響

由于生物結(jié)皮具有富集養(yǎng)分的特性,通過降水淋溶作用可以影響到下層沙土的養(yǎng)分狀況。在不同類型植被土壤生物結(jié)皮覆蓋下,不同深度土壤的有機質(zhì)含量均高于相應(yīng)的對照土層,僅在5～20cm處含量相當。生物結(jié)皮存在的土層中(0～5cm)有機質(zhì)含量均比生物結(jié)皮下層(5～40cm)高。不同植被下,土壤全氮含量隨土層深度的增加變化趨勢不同,其中油蒿灌叢全氮含量隨土層深度的增加而降低,而羊柴灌叢全氮含量的變化隨土層深度的增加而增加,這與流沙全氮含量的變化趨勢一致。隨著地表生物結(jié)皮的發(fā)育,土壤中的氮素有在表層聚集的趨勢。羊柴灌叢下全磷含量隨土層深度的增加呈增加趨勢,而油蒿灌叢全磷含量則隨著土層深度的增加呈降低趨勢,并且在20～40cm土層中與對照流沙中含量接近,說明全磷含量隨著生物結(jié)皮的發(fā)育向表層土壤聚集。

3.4 生物結(jié)皮對結(jié)皮下層土壤速效養(yǎng)分的影響

速效氮含量在油蒿灌叢下含量最高,羊柴灌叢和對照流沙中的速效氮含量接近。油蒿灌叢下速效磷含量仍為最高,僅在5～20cm與羊柴灌叢下含量持平。羊柴灌叢下速效磷含量在20～30cm最低為2.72mg/kg。油蒿和羊柴灌叢的速效磷含量隨土層深度增加均呈下降趨勢。速效鉀含量在0～5cm的土層中油蒿灌叢下含量最高為14.11 mg/kg,羊柴灌叢和流沙下含量較接近。在結(jié)皮下層5～40cm處2種植被的速效鉀含量與對照流沙的含量均很接近,且都呈下降趨勢。

4 結(jié)論與討論

不同植被條件下生物結(jié)皮的土壤養(yǎng)分含量均高于流動沙地,說明生物結(jié)皮對干旱沙地生態(tài)系統(tǒng)的土壤肥力具有明顯的聚集作用。油蒿灌叢下生物結(jié)皮發(fā)育的時間要比羊柴灌叢的時間長,因此油蒿灌叢下生物結(jié)皮對養(yǎng)分的聚集比羊柴灌叢的高。土壤pH值是土壤的重要化學性質(zhì),它直接影響植物的生長和微生物的活動以及土壤其他性質(zhì)與肥力狀況。研究表明,油蒿灌叢下生物結(jié)皮層的pH值較羊柴灌叢下結(jié)皮層和流沙表層的低,這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于油蒿灌叢下結(jié)皮表面上生有匍匐蘚類植物,它們的根系生長要分泌酸性物質(zhì),從而使土壤pH值降低。土壤生物結(jié)皮對下層土壤養(yǎng)分有明顯影響,生物結(jié)皮下土壤的有機質(zhì)、全效養(yǎng)分和速效養(yǎng)分的含量均高于對照流沙土壤土層,且均呈隨土層深度增加含量降低的趨勢,表明沙漠生物結(jié)皮層對養(yǎng)分具有富集作用,對風沙土的改良具有積極作用。

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