烏拉特荒漠區植被類型及土壤特征

馮 霜，趙宏勝，郭建英，蘭登明，趙杏花*

(1 內蒙古農業大學 沙漠治理學院，呼和浩特 010010；2 水利部牧區水利科學研究所 呼和浩特 010020)

烏拉特荒漠位于內蒙古自治區西北部，草原面積達5.09×104km2，可利用面積4.139×104km2，其中86.6%屬于荒漠半荒漠草場。烏拉特荒漠地處半干旱區與干旱區的過渡帶[1]，生物多樣性極高，生物資源豐富，且蘊藏著許多珍稀瀕危物種，如華北駝絨藜(Ceratoidesarborescens)、內蒙亞菊(Ajaniaalabasica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等均為中國珍稀瀕危植物[2]。由于該區的環境特殊，植被由旱生灌木和多年生草本共同構成較穩定的荒漠生態系統[3]。有相關研究發現烏拉特荒漠草原有野生木本植物85種，隸屬于27科，46屬[4]；小針茅(Stipaklemenzii)群落的植被蓋度高于芨芨草(Achnatherumsplendens)和紅砂(Reaumuriasongarica)群落[5]；強旱生灌木、半灌木通常在群落中為優勢物種或建群種，其中以紅砂為建群種的植物群落具有更高的穩定性[6-7]等。目前，對于烏拉特荒漠區植被及其土壤因子相關性分析研究較少，鑒于此，本研究對該區植被資源現狀進行調查，整理植物名錄，研究該區植物組成、生活型、水分生態類型、植被類型及其與土壤養分之間的相關關系，從而明確荒漠區域的范圍，為中國荒漠植物群落類型數據庫的更新，以及中國荒漠植物群落各類型分布圖集的編制提供數據支撐，還可以對烏拉特荒漠區植被經營管理提供依據和基礎資料，進而合理地保護和利用該區的植被。

1 研究區概況

烏拉特荒漠位于陰山北麓，成條帶狀分布，北與蒙古國接壤，南靠陰山，西連阿拉善盟，東臨包頭市。主要包括烏拉特中旗和烏拉特后旗，年均氣溫2～5 ℃，具有強烈的大陸性氣候特點，年平均降水量15～230 mm，土壤類型為棕鈣土和灰棕漠土。植被以荒漠為主，主要建群種為珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、紅砂、梭梭(Haloxylonammodendron)、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)，廣布伴生草本層片主要植物種有短花針茅(Stipabreviflora)、堿韭(Alliumpolyrhizum)、小針茅等。

2 研究方法

2.1 調查點布設原則

為全面掌握研究區植物種類組成、生境條件，以及植被類型現狀，以1∶100萬中國植被圖和區域群落記載資料為基礎，對比MODIS 250 m×250 m數據集與《中國植被分布圖》，采用10 km×10 km網格進行調查點位布設，確保研究區中每一種主要自然植被類型都能得到調查，調查植物群落樣點合計120個。

2.2 群落調查

調查時間為2018年和2019年的8-9月，利用GPS定位到每個選定的調查點上，選擇目標植物群落，在中心位置布設一個100 m×100 m的大樣方，大樣方內設置5個10 m×10 m的灌木樣方和9個1 m×1 m的草本樣方(圖1)，共計120個大樣方，600個灌木樣方，1 080個草本樣方。通過調查分析樣方內灌木的種類、密度、高度、冠幅，以及在草本樣方內調查群落物種組成、密度、高度等指數值，依次在樣地內對每個樣方詳查，展開對植物群落的調查記錄。同時在樣地內近中心點挖取一個1.5 m×1.1 m×1.2 m的土壤剖面,利用環刀分6層進行取樣,每層設置3個重復,分層方法為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm、50～70 cm、70～100 cm，共計720個土樣。同時每層自上而下均勻取1 kg土樣裝于密封袋內，帶回實驗室測定土壤相關因子。

2.3 數據統計分析

群落類型的確定采用重要值法。重要值是用來表示某個種在群落中的地位和作用的綜合數量指標。在計算、評估物種多樣性時，以綜合數值表示植物物種在群落中的相對重要性。公式如下所示：

(1)重要值=(CR+HR+DR)/3

式中：CR表示相對蓋度；HR表示相對高度；DR表示相對密度。

(2)物種多樣性計算

植被群落多樣性指數采用Margalef豐富度指數(R)、Pielou均勻度指數(E)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Simpson優勢度指數(D)進行分析[8]，其計算公式為[9-10]：

R=(S-1)/lnN

E=H/lnS

Pi=Ni/N

S.灌木樣方；H.草本樣方圖1 野外實地調查樣地布設示意圖S.Shrub sample plot；H.Herb sample plotFig.1 Diagram of field survey sample plot

式中：S為樣地植物種數，N為總體個數，Ni為第i個種的個數。

(3)土壤理化性質測定方法

土壤有機質的測定用重鉻酸鉀容量法，土壤全氮的測定用半微量開氏蒸餾法，土壤全磷的測定用HClO4-H2SO4氧化鉬銻抗比色法，物理性質數據測定參考《土壤農化分析》[11]。

(4)植被與土壤的相關性分析

數據采用Excel軟件進行整理，利用 SPSS 19.0軟件進行群落多樣性與土壤養分的相關性分析[12-13]。

3 結果與分析

3.1 烏拉特荒漠植物種類及其組成

烏拉特荒漠植被主要由超旱生灌木和多年生草本植物組成，木本植物44種，如細枝鹽爪爪(Kalidiumgracile)、白刺(Nitrariatangutorum)、木本豬毛菜(Salsolaarbuscula)、細枝巖黃芪(Hedysarumscoparium)等；草本93種，以苦豆子(Sophoraalopecuroides)、賴草(Leymussecalinus)、駱駝蓬(Peganumharmala)等多年生草本為主[14-19]。

由表1可知，研究區植物25科80屬137種，植物種數大小排序依次為藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Asteraceae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)等。其中，藜科14屬23種、菊科13屬23種、禾本科12屬23種，3科均占總物種數的16.79%，3科植物總種數所占比例達到研究區總植物種數的50%以上，為該區的優勢科。豆科6屬18種，占總物種數的13.14%，蒺藜科(Zygophyllaceae)5屬9種，另十字花科(Crueiferae)、百合科(Liliaceae)各包括5種植物；蓼科(Polygonaceae)、石竹科(Caryophyllaceae)均占總物種數的2.92%；薔薇科(Rosaceae)、鳶尾科(Iridaceae)各含3種植物；紫草科(Boraginaceae)、檉柳科(Tamaricaceae)、旋花科(Convolvulaceae)均含有2種植物，均占研究區的1.46%；其他科均只有1屬1種，共計11科，均占研究區植物總種數的0.73%。

表1 烏拉特荒漠植物物種科屬組成Table 1 Family and genus composition of plant species in Wulat desert

3.2 生活型及水分生態類型

根據《中國植被》中生活型分類法，將烏拉特荒漠的137種植物可劃分為半灌木和小半灌木、灌木、多年生草本和一年生草本植物4類生活型(圖2)。其中，半灌木與小半灌木共有28種植物，以藜科和菊科植物居多，占總數的20.44%；灌木植物共16種，以豆科和蒺藜科植物居多，占總數的11.68%；多年生草本最多，主要由禾本科、菊科和豆科植物組成，占總數的43.80%；一年生草本植物33種，占總數的24.09%。

根據《內蒙古植被》[1]將烏拉特荒漠植物種的水分生態類型劃分為5種類型，分別為典型中生、旱中生、中旱生、典型旱生和強旱生植物。經統計發現，旱生植物共105種，其中典型旱生最多，隸屬于19科34屬，占總數的36.50%，如沙生針茅(Stipaglareosa)、宿根亞麻(Linumperenne)、灰葉黃芪(Astragalusdiscolor)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)等；強旱生植物43種，隸屬于12科31屬，如沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、木本豬毛菜、紅砂、綿刺(Potaniniamongolica)等；中旱生植物12種，隸屬于6科10屬，如少花棘豆(Oxytropispauciflora)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和甘蒙錦雞兒(Caraganaopulens)，占區系總種數的8.76%。中生植物32種，其中典型中生18種，如狗尾草(Setariaviridis)、畫眉草(Eragrostispilosa)、地錦等(Euphorbiahumifusa)；旱中生植物14種，占區系總種數的10.22%。

3.3 烏拉特荒漠植被類型

根據《中國植被》中的植物群落學分類原則劃分研究區植被，可將研究區植被分為小喬木荒漠、灌木荒漠和半灌木、小半灌木荒漠3種植被亞型5種群系組，分別為典型灌木荒漠，草原化灌木荒漠，鹽柴類半灌木、小半灌木荒漠，多汁鹽柴類半灌木、小半灌木荒漠和蒿類半灌木、小半灌木荒漠，14個群系包括62個群叢(表2)。

表2 烏拉特荒漠植被類型Table 2 Vegetation types in Wulat desert

3.4 荒漠土壤養分特征

烏拉特荒漠區各植被類型所含樣點數各不同，以珍珠豬毛菜荒漠所含樣點數最多，占全部荒漠樣點數的16.35%，墊狀錦雞兒荒漠占全部荒漠樣點的14.42%，紅砂荒漠占全部荒漠樣點數13.46%，檸條錦雞兒樣點數占全部荒漠樣點數的6.73%，黑沙蒿荒漠所含樣點數占全部荒漠樣點數的4.81%，5種主要植被類型全部樣點數達到55.77%，為該區域主要群系，故選取以上區系做研究。

Ⅰ.半灌木和小半灌木;Ⅱ.灌木;Ⅲ.多年生草本;Ⅳ.一年生草本；A.典型中生;B.旱中生;C.中旱生;D.典型旱生;E.強旱生圖2 烏拉特荒漠植物生活型和水分生態型譜Ⅰ.Semi shrub and small semi shrub;Ⅱ.Shrub;Ⅲ.Perennial herb;Ⅳ.Annual herb;A.Typical mesophyte;B.Xerophytic;C.Medium xerophyte;D.Typical xerophytes;E.Strong xerophytesFig.2 Life forms and water ecotype spectrum of plants in Wulat desert

經測定研究區土壤含水率為1.80%～21.60%，容重為1.60～1.72 g·cm-3，土壤孔隙度為31.54%～37.73%，全氮質量分數為0.13～0.64 g·kg-1，全磷質量分數為0.19～0.38 g·kg-1，有機質質量分數為1.90～7.11 g·kg-1(表3)。

表3 不同植被類型土壤主要性狀Table 3 Main soil properties of different vegetation types

3.5 荒漠多樣性指數與土壤特征的關系

由表4可知，研究區內Margalef豐富度指數平均值為1.77，Shannon-Wiener多樣性指數平均值為1.49，Pielou均勻度指數平均值為0.64，各植被類型中均以建群種的重要值最高，植物種數分布在5～25種之間，物種較為單一。

表4 烏拉特荒漠區典型植被類型物種多樣性指數Table 4 Species diversity index of typical vegetation types in Wulat desert

對研究區內的植物多樣性指數與土壤主要性狀進行相關性分析，結果(表5)表明Pielou均勻度指數與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機質均呈負相關，但相關關系均未達到顯著水平；Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數與土壤容重、全氮、全磷、有機質也均呈負相關，但相關關系均未達到顯著水平。

表5 植物多樣性指數與土壤主要性狀相關系數Table 5 Correlation coefficient between plant diversity index and main soil properties

4 討論與結論

4.1 討 論

騰格里沙漠[20]共有天然種子植物60科201屬382種，以多年生草本為主要植物生活型；寧夏東部風沙區荒漠草原植物物種較為單一[21]，多集中在6～13種，這與本研究結果一致，物種數居于5～25種之間。荒漠地區由于降水量少蒸發量大，故植被稀少、物種單一。該區域植物組成簡單且以草本為主要生活型，氣候環境僅適合部分植物生存。

本研究發現烏拉特荒漠區植被有3個植被亞型、5個群系組、14個群系、62個群叢，而烏蘭布和沙漠有9個植被(亞)型、21個群系[22]，庫姆塔格沙漠植被有10個植被亞型、23個植被群系[23-25]，形成這一差別的原因在于烏拉特荒漠區地處陰山北麓中部地區，相對于烏蘭布和沙漠和騰格里沙漠而言，騰格里沙漠地處干旱半干旱氣候類型區，烏拉特荒漠地處半干旱向干旱區過渡區，本研究區區域植物群落結構變化不明顯，部分強旱生植物才能成為優勢種形成穩定層片。

土壤理化性質是土壤養分的重要體現，是植物生長繁殖的重要支撐[26]。本研究結果顯示，土壤容重為1.60～1.72 g·cm-3，全氮質量分數為0.13～0.64 g·kg-1，全磷質量分數為0.19～0.38 g·kg-1，3種土壤質量分數均低于中國西部地區土壤平均值，有機質質量分數為1.90～7.11 g·kg-1，該質量分數高于西部地區土壤平均值[27-28]，這與該區降水少、近兩年偶遇蝗災以及人為放牧產生的影響有關，土壤隨著外界壓力的增加，各土壤養分指數均有不同變化。

庫布齊沙漠不同植被類型的生產力受林分特征和土壤養分共同制約[29]，土壤含水量的差異會導致群落物種多樣性的變化。吳昊[30]對秦嶺松櫟林建群種形態及物種多樣性與土壤物理性質的影響展開研究，發現容重與Patrick豐富度指數、Simpson多樣性指數及Shannon-Wiener多樣性指數均呈顯著正相關，毛管持水量與Pielou均勻度指數呈顯著負相關。烏蘭布和沙漠東北緣典型灌木群落植物豐富度指數、均勻度指數及多樣性指數與其土壤全氮、全磷、全鉀、全鹽量、有效磷、速效鉀、堿解氮、有機質呈正相關關系[31]，而與pH值呈負相關關系[32]。本研究結果為Margalef豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數均與土壤容重、全氮、全磷、有機質均呈負相關，但相關關系均未達到顯著水平，Pielou均勻度指數與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機質均呈負相關，相關關系也未達到顯著水平，與烏蘭布和沙漠的研究結果不一致，造成這一結果的原因可能與本研究區的放牧情況有關，且近兩年出現蝗災情況，使得大部分植物并不能生長，土壤環境發生改變。

4.2 結 論

(1)烏拉特荒漠區共137種植物，隸屬于25科80屬，藜科、菊科、禾本科為研究區優勢科。植物生活型以多年生草本為主，水分生態類型以典型旱生最多，占總數的36.50%。

(2)研究區植被以荒漠居多，占總數的82.5%，其中以半灌木、小半灌木荒漠最多，呈現出明顯的荒漠化趨向，荒漠化程度大。

(3)群落物種單一，均勻度指數與土壤容重、含水率、孔隙度、全氮、有機質均呈負相關，豐富度指數、多樣性指數與土壤容重、全氮、全磷、有機質均呈負相關。土壤含水率是影響該區植物豐富度指數的決定性因子，與該區干旱少雨的環境相吻合。