青土湖人工輸水區白刺群落結構及土壤特性研究

郭春秀, 安富博, 劉虎俊, 袁宏波, 劉淑娟, 劉開琳, 趙艷麗, 杜 娟

(1.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室，甘肅 武威 733000; 2.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外觀測研究站， 甘肅 民勤 733300; 3.甘肅省治沙研究所, 甘肅 蘭州 730070)

在干旱、半干旱環境下，風沙流受灌叢阻擋，在灌叢周圍堆積，從而形成一種獨特的地貌類型-灌叢沙丘[1]。其產生和衰亡與土地退化、土地荒漠化密切相關，成為土壤風蝕和土地退化的標志[2]。群落結構是一個群落功能復雜性的量度，是揭示植被組織水平的生態學基礎[3]，對植物群落結構進行研究可反映群落及其環境保護的狀態，可深入了解群落組成、功能、演替動態和群落的穩定性[4]。土壤作為地表植物生長的基質，有著極其重要的地理意義，它是植被生長中水、熱、氣、肥供給的重要媒介，是自然狀態下植物生長和發育的重要保障[5]。土壤質地(土壤機械組成)是土壤的一個穩定的自然屬性，土壤顆粒的粗細與土壤的物理、化學和生物性質密切相關[6]，土壤粒度的組成及其特征影響土壤的抗風蝕能力[7-10]、保蓄性[11]、緊實度和黏結性等諸多性質[12]等。而且對植物的環境條件和養分供給等[13]有重要的作用，與沙漠化的發生發展及植被恢復有著密切的聯系[14-16]。

白刺(Nitrariasibirica)為蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺屬(Nitraria)的旱生或超旱生典型灌木，屬白堊紀、老第三紀孑遺的特有植物[17]，具有耐干旱、耐鹽堿、耐沙埋、抗風蝕等特點，莖桿根系化明顯，特別是其耐沙埋，沙埋后能迅速長出不定根，進而擴展枝葉、積沙成丘[18]，灌叢植物與風成沉積物共同構建了灌叢沙堆這類特殊的風成地貌[19]，這對防止流沙入侵綠洲、保持綠洲環境的穩定具有很大的作用。白刺灌叢沙堆的形成和發育是群落演替過程中植被與環境相互作用的結果[20-21]。天然白刺灌叢沙堆主要分布在原來的青土湖湖底，處于荒漠—綠洲過渡帶，呈大面積的片狀連續分布，具有地帶性分布特征。湖水干涸后由于土壤為沙質的湖相沉積物，含鹽量較高，在地形、地貌和氣候等條件的控制下，天然植被僅有白刺適宜大量存活，在風力作用下，逐步形成了相對獨立的灌叢沙堆，使該區景觀表現為單個灌叢沙堆的斑塊狀分布。白刺群落在其維持該區生態環境良性循環中起著十分重要的作用。自2010年開始通過渠道持續向青土湖注水。隨著人工輸水量增多，最終形成了25.16 km2人工湖。隨之，青土湖岸區土壤等生態因子發生逆轉，促進了周邊植被組成的變化。

前人針對石羊河下游白刺灌叢及人工輸水對生態環境的影響進行了一些研究，馬全林等[22]對石羊河下游白刺灌叢演替發育過程的土壤呼吸及其影響因素的分析；孫濤等[23]對民勤荒漠綠洲過渡帶白刺沙堆土壤呼吸空間異質特征進行了研究；石萬里等[24]分析了人工輸水對石羊河下游青土湖區域生態環境的影響；李銀科等[25]對石羊河下游沙漠—河岸過渡帶土壤特征進行了研究；劉淑娟等[26-27]研究了石羊河尾閭(青土湖)水面形成區土壤養分及顆粒的分形特征。但青土湖人工輸水區白刺群落結構及土壤特性系統性研究較少，準確掌握水淹干擾對白刺群落及土壤特性的影響，可以揭示石羊河下游白刺灌叢生態系統的健康狀況，如何科學地保育灌叢沙堆以及為石羊河下游生態恢復及防沙治沙提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青土湖是石羊河尾閭，位于騰格里沙漠西北緣(38°05′—39°06′N，103°02′—104°02′E)。海拔高度1 292～1 310 m；年平均氣溫為7.8 ℃，>10 ℃的有效積溫3 289.1 ℃；年平均降水量89.8 mm，降水多集中于7—9月，占全年降水總量的73%，蒸發量達2 600 mm以上；無霜期168 d，光照3 181 h，太陽輻射630 kJ/cm2，全年盛形西北、西北偏西風，年均風速4.1 m/s；屬于典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。研究區土壤以湖相沉積物為母質的沙土及壤質沙土為主；植被類型為典型的荒漠植被，自然植被整體稀疏、種類較少[21]；白刺群落大面積連續分布，偶見蘆葦群落(Phragmitescommunis)，一年生植物群落零星分布。伴生灌木有梭梭(Haloxylonammodendron)、檉柳(Tamarixhohenackeri)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)；草本植物種豐富，主要有：駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、刺沙蓬(Salsolaruthenica)、鵝絨藤(Cynanchumsibiricum)、蟲實(Corispermumpatelliforme)、豬毛菜(Salsolacollina)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、畫眉草(Eragrostispilosa)等[28]。

1.2 樣品采集與分析方法

1.2.1 樣地選擇和樣品采集 2015年5月根據研究區地貌特征、植被和水面狀況，選取石羊河下游青土湖民左公路兩側為土樣采集區，以典型性和代表性為原則，分別取距水面邊緣0～100 m(A區域)，100～200 m(B區域)，200～300 m(C區域)設置樣地，A區域的土壤處于常年被水淹的狀態，B區域的土壤處于間斷性被水淹的狀態，C區域處于基本常年不見水的狀態(表1)。在每個樣地選取3個具有代表性的白刺沙堆，用土鉆從白刺沙包表層按照0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—40 cm，40—60 cm共5個層次分層采樣，每層取3個重復，混合均勻后裝入自封袋，帶回實驗室自然風干、剔除了植物細根等雜質后過2 mm篩，用于土壤理化特性的測定。

1.2.2 樣品分析測試 土壤粒度使用馬爾文激光粒度儀(Master 2000)進行測定，土壤粒徑分級以國際制為標準，即0～0.002 mm為黏粒，0.002～0.02 mm 為粉粒，0.02～0.2 mm 為細沙粒，0.2～2 mm 為粗沙粒[29]；土壤含水量采用烘干法，土壤養分主要測定土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值和電導率9個指標。土壤有機質采用重鉻酸鉀—外加熱法測定；全氮采用半微量開氏法測定；全磷采用NaOH熔融—鉬銻抗顯色—紫外分光光度法測定；全鉀、速效鉀采用NaOH熔融—火焰光度計法測定；堿解氮采用堿解—擴散法測定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提法測定[30]；土壤溶液電導率采用交流測量法；pH值采用電極電位法測定。

2 結果與分析

2.1 距水面不同距離白刺群落物種組成及結構特征

2.1.1 距水面不同距離白刺群落植物科、屬、種結構 青土湖距水面不同距離植被群落特征及樣地情況詳見表1。由表2可知，在距水面不同距離白刺群落中，調查樣方共出現物種18種，隸屬6科17屬，其中藜科種類最多(9屬10種)，占屬種總數的55.56%，其次為菊科(3屬3種)，占屬種總數的16.67，禾本科為(2屬2種)，占屬種總數的11.11%，蒺藜科、檉柳科、蘿藦科均為單屬種，符合西北荒漠區的植物區系特征[31]。說明，該區群落結構簡單，科屬組成分散。距水面不同距離白刺群落植物種類屬于藜科的比例較高,占本群落的比率為91%，主要原因是藜科植物比較能適應干旱鹽漬化的環境。

表1 青土湖距水面不同距離植被群落特征

注：物種拉丁學名：蘆葦(Phragmitescommunis)； 沙地旋履花(Inulajaponica)。

表2 距水面不同距離白刺群落主要植物科、屬、種的組成

2.1.2 不同類型荒漠草地黑果枸杞群落生活型結構特征 采用Whittaker的生長型系統來表示生活型[32],將群落中的植物分為灌木、多年生草本、一年生草本3種類型。從生活型上看(表3)，一年生草本最多，為8種，隸屬8科7屬，多年生草本次之，為6種，隸屬6科6屬，灌木最少，為4種，隸屬4科4屬，分別占總種數的44.44%，33.33%，22.22%。在距水面不同距離的白刺群落中多年生草本與灌木物種數相近。草本層與灌木層植物數量差距較大，草本物種相對豐富且數量較大，灌木層物種相對單一且數量較少。在距水面不同距離白刺群落中，多年生草本占比例最大，都超過50%以上；其中在非水淹區，灌木層占的比例最大，達到17.10%；在間歇性水淹區一年生草本占的比例最大，達到39.80%；群落的系統功能、結構、穩定性等主要是由灌木層和多年生草本層決定，因此距水面不同距離白刺群落結構相對穩定。

2.2 距水面不同距離白刺沙堆土壤理化特征

2.2.1 距水面不同距離白刺沙堆土壤水分特征 由圖1可以看出,距水面不同距離白刺沙堆0—60 cm土層含水率變化趨勢為：常年水淹區(A)>間歇性水淹區(B)>非水淹區(C)，隨著距水面距離增加，白刺沙堆含水量逐漸減少，水面周邊白刺沙堆含水量最高為16.03%，最低為3.37%%；常年水淹區(A)的土壤含水率分別是間歇性水淹區(B)和非水淹區(C)的1.96，3.35倍；且常年水淹區(A)和間歇性水淹區(B)土壤含水率隨著土層的加深呈現先增后減再增加的趨勢，非水淹區(C)土壤含水率隨著土層的加深呈現逐漸增加的趨勢。

圖1 距水面不同距離白刺沙堆0-60 cm土層深度土壤含水率

表3 距水面不同距離白刺群落植被種類組成及數量

生活型物種距水面不同距離常年水淹區(A)間歇性水淹區(B)非水淹區(C)灌木白刺696379鹽爪爪1231.870.4黑果枸杞131.1—檉柳 10——小計(比例)215(16.20%)65.97(6.70%)79.40(17.10%)多年生草本沙蒿57.5267.518.2蘆葦101680.510.2鴉蔥 4——駝蹄瓣6.7137.9234沙地旋覆花———鵝絨藤11.641.6514.5小計(比例)1 095.80(82.80%)527.5(53.50%)5276.90(59.80%)一年生草本蟲實5.390—刺沙蓬砂藍刺頭3.32.22.7鹽生草 3.80.611.9豬毛菜——2.1沙米—0.682.7畫眉草—2943.2霧冰藜—5.54.3小計(比例)12.4(1.00%)392.9(39.80%)106.9(23.10%) 合計(比例)1 323.20(100%)986.42(100%)463.20(100%)

注：黑果枸杞(Lyciumruthenicum)； 檉柳(Tamarixramosissima)； 沙蒿(Artemisiadesertorum)； 鴉蔥(Scorzoneraaustriaca)； 砂藍刺頭(Echinopsgmelinii)； 沙米(Agriphyllumsquarrosum)。

2.2.2 距水面不同距離白刺群落土壤粒度特征 由圖2可以看出，距水面不同距離白刺沙堆0—60 cm土層土壤顆粒主要以細砂粒為主(66.92%～75.026%)，粗砂粒次之(13.87%～25.82%)，黏粒體積百分含量較低(0.57%～2.02%)。距水面0～100 m(常年水淹區)0—60 cm土層深度土壤平均粒徑體積百分比分別為：細砂粒72.69%、粉粒9.04%、黏粒1.75%、粗砂粒16.52%，隨著距水面距離增加各土層黏粒、粉粒、細砂粒體積百分比逐漸降低，粗砂粒體積百分比隨著距水面距離增加呈逐漸增加的趨勢，距水面100—200 m(間歇性水淹區)和200—300 m(非水淹區)土壤平均粒徑體積百分比與0—100 m(常年水淹區)相比分別增加了43.78%和39.17%。

圖2 距水面不同距離白刺沙堆0-60 cm土層土壤粒徑分布

2.2.3 土壤養分特征 通過對青土湖人工輸水區距水面不同距離白刺群落土壤養分特征測定分析表明(表4)，距水面不同距離樣地中土壤全鉀含量相對較大，其值在10.07～16.77 mg/kg之間，常年水淹區(A)土壤速效鉀含量顯著低于間斷性水淹區(B)和非水淹區(C)(p<0.05)，且常年水淹區(A)各土層土壤速效鉀含量均為最低，其值分別為124.86，158.13，156.14，164.77和148.89 mg/kg。間斷性水淹區(B)5—10 cm土層土壤有機碳含量顯著低于常年水淹區(A)和非水淹區(C)(p<0.05)，在常年水淹區(A)內，20—60 cm土層土壤全氮顯著低于B區域和C區域(p<0.05)；距水面相同距離范圍內土壤全磷、全鉀、堿解氮和速效磷含量差異不顯著(p>0.05)，且隨土層變化規律不明顯。

表4 距水面不同距離白刺群落0-60 cm土層土壤化學性質

注：不同小寫字母表示同一土層不同類型荒漠草地差異顯著(p<0.05)。

2.2.4 距水面不同距離白刺群落土壤養分間的相關性 青土湖人工輸水區距水面不同距離白刺群落土壤養分間的相關性分析結果表明(表5)，土壤電導率與全氮、全磷、速效鉀和有機碳之間存在極顯著的正相關關系(p<0.01)；土壤全氮與全鉀、有機碳之間均存在極顯著的正相關關系(p<0.01)；土壤全鉀與全磷、速效鉀之間存在極顯著的正相關關系(p<0.01)；土壤全磷與速效鉀之間存在極顯著的正相關關系(p<0.01)，與有機碳存在顯著的正相關關系(p<0.05)；土壤速效鉀與有機碳之間存在顯著的正相關關系(p<0.05)；除全鉀與速效鉀之間均存在極顯著的負相關關系(p<0.01)，N和P元素的有效成分含量與對應元素總量總體呈正相關，但相關性均未達到顯著水平(p>0.05)。

表5 距水面不同距離白刺沙堆土壤養分間的相關性分析

注：**表示在0.01水平上顯著相關；*表示在0.05水平上顯著相關。

3 結論與討論

(1) 植物群落科、屬、種結構不僅能反應植物群落特征，在一定程度上也能反映了群落的外貌，是植物群落對生境各種因素綜合反映的外部表現[33]。植物的生活型可以提供群落對特定環境因子的反應、空間利用和種間競爭關系等方面的信息[34]。本研究發現，在距水面0～300 m范圍內白刺群落中共出現植物種18種，其中一年生草本最多為8種，多年生草本6種，灌木植物最少為4種，分屬6科17屬；距水面不同距離白刺群落一年生草本植物最多，灌木植物所占的比例最少，這是由于一年生植物受土壤表層水分影響較大，所以其分布及數量與地下水位和降雨量關系密切[35]，擁有豐富的一年生植物本身是全球荒漠地區常見的一個特點[36]。灌木種少是因為白刺沙包幾乎消耗了沙丘及丘間地絕大部分的水分，其它植物較難生存[37]。距水面不同距離白刺群落植物的種類主要有駝蹄瓣、白刺、沙地旋復花、蘆葦等，多集中在藜科、蒺藜科、菊科及禾本科這4大科,其他科物種相對較少且分散,說明駝蹄瓣、白刺、沙地旋復花、蘆葦等物種具有較強的生態適應性,能適應民勤地干旱鹽漬化的環境生態環境。

(2) 通過在青土湖水面形成區定點觀測，分析距水面不同距離、不同土層深度白刺沙堆的土壤水分及其粒度組成變化，表明不同區域內白刺沙堆0—60 cm土壤含水量較大。這可能是由于人工輸水使得該區域地下水位上升，土壤含水量增加。20—40 cm土層的土壤含水量對灌木的生存與生長起關鍵作用[39]，白刺不定根在20—40 cm分布較多，消耗了大量水分，使得土壤水分達到最低值[40-41]。距水面0～200 m范圍內，隨土層深度的增加，土壤含水量自上而下呈現先增后減再增加的趨勢；隨著距水面邊緣距離的增加，白刺沙堆的土壤含水量逐漸降低，在200 m后逐漸趨于平穩。說明隨著距水面距離增加白刺沙堆土壤含水率受到人工輸水的影響越來越小。

(3) 距水面不同距離白刺沙堆0—60 cm土層土壤顆粒主要以細砂粒為主，黏粉粒所占體積百分比相對較低，與以往的研究結果一致[21]。白刺沙堆土壤粒度組成的區別主要由于風力對于沙物質的搬運和堆積作用[42]。研究區氣候干燥，受頻繁而強烈風蝕作用影響，土壤細粒物質易在風沙流作用下被搬運，使得白刺沙堆中、上部表層土壤黏粉粒物質含量較高[43]。以往的研究中水面形成對地面表層土壤粒徑的影響范圍在0～150 m，土壤粒徑表現為砂粒含量減少，黏粉粒有增加趨勢，土壤向黏質化、緊密化發展，隨后因受水面形成影響較小，細砂粒和粗砂粒含量增多，土壤再次向砂質化、疏松化發展[44]。白刺沙堆也出現大致相同的趨勢，在距水面0～100 m土層深度0—40 cm粗砂粒含量降低，黏粉粒含量較多。這是由于水面形成影響到表層的土壤含水量，從而影響到表層土壤沙物質的沉積，使得在距水面0～100 m內白刺灌叢沙堆土壤粒度朝細化方向發展。

(4) 土壤養分含量是反映土壤質量或土壤健康狀況的一個重要指標，影響土壤養分空間變異的因素主要包括：成土素質、地形和人類干擾活動等，在青土湖人工輸水區氣候條件一致區域內，距水面不同距離白刺群落土壤養分由成土母質引起的空間變異較小，而人類干擾活動和小生境對土壤養分含量的變化有較大影響。青土湖人工輸水區土壤養分嚴重貧乏。本研究顯示隨著距水面距離的不同，土壤養分呈現波浪式變化，在距水面一定距離富集，這種變化與其湖泊沉積和區域氣候環境變化一致。在距水面100～200 m范圍內，土壤養分含量較高，這可能是由于受水的溶解推移作用[22,45]，土壤養分隨著水流不斷向后移動，在距水面一定距離處達到極值；在距水面200 m之后達到最低值，這與劉淑娟等的研究相似[22]。青土湖土壤養分各指標垂直指標也存在差異，總體上呈現出表層的養分最高，且隨土壤深度增加而減小的趨勢，但差異不顯著，這與以往的研究結果一致[22,45-47]。在這一區域可能是因為水面形成后土壤的養分的淋洗與沉降作用明顯，影響了土壤養分在表層的聚集，植被的變化同樣也影響著土壤養分的積累、分布與循環[48]。

(5) 土壤有機質與全氮、全磷、速效鉀、電導率呈顯著正相關；電導率和全氮、全磷、速效鉀呈極顯著正相關；比拉力·依明等[49]在研究博爾塔拉河下游河岸帶土壤養分特征時發現在20 cm和40 cm 土層有機質含量與全氮呈正相關。我們所觀測結果與濕地土壤有機質與全氮的空間分布相似。