毛烏素沙地南緣不同固沙灌木下土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性

趙朋波， 邱開陽*， 謝應(yīng)忠， 趙香君， 陳 林， 劉王鎖， 李海泉， 孟文芬，虎學琴， 何 毅， 黃業(yè)蕓， 李亞園

(1.寧夏大學農(nóng)學院， 寧夏 銀川 750021； 2.寧夏靈武白芨灘國家級自然保護區(qū)管理局， 寧夏 靈武 7504003. 寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院， 寧夏 銀川 750021)

土壤在形成過程中受到自然因素和人為因素的共同作用，但自然因素和人為因素在空間上具有不均一性和變化性[1]，從而導致土壤存在空間異質(zhì)性。土壤養(yǎng)分作為衡量土壤質(zhì)量的重要指標[2]，其中的碳、氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素不僅代表了土壤肥力狀況[3]，也是植物生長發(fā)育的必需營養(yǎng)元素。在沙地生態(tài)系統(tǒng)中，植物群落組成和演替受到土壤養(yǎng)分異質(zhì)性的強烈影響[4]，因此研究其空間分布格局有利于土壤管理、生態(tài)恢復(fù)和保護及可持續(xù)發(fā)展。

土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性為土壤養(yǎng)分在空間上的復(fù)雜性和變異性[5-6]。大量研究表明，土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性受到植物群落、土壤動物、枯落物、土壤母質(zhì)、地形、氣候環(huán)境和人為干擾等因素的驅(qū)動[4,7-12]，它們在不同的空間上土壤養(yǎng)分的影響存在差異，進而影響土壤養(yǎng)分的空間分布。目前國內(nèi)外對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究主要集中在盆地[13]、臺地[14]、森林[15-16]、山地[17]、農(nóng)田[18-19]、礦區(qū)[3,7]和喀斯特地區(qū)[10,20]等生態(tài)系統(tǒng)中，而對于荒漠生態(tài)系統(tǒng)中的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究相對較少。

固沙灌木對于荒漠化防治和土壤改良有著舉足輕重的作用[21]。草方格結(jié)合固沙灌木的治理措施能夠有效遏制荒漠化的發(fā)展，減少風沙侵蝕，有效促進生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，進而直接影響土壤養(yǎng)分含量及其空間分布，對土壤進行改良[22]，促進土壤質(zhì)量和養(yǎng)分含量提升[23-24]，達到荒漠化防治的目的[25]。在具體固沙實踐中，草方格扎設(shè)后種植不同灌木具有隨機性和主觀性。目前，對于不同固沙灌木對土壤養(yǎng)分含量及其空間異質(zhì)性影響的相關(guān)研究甚少，因此，何種灌木種植模式有利于土壤養(yǎng)分的提高和沙地恢復(fù)尚有待研究。

寧夏白芨灘自然保護區(qū)地處毛烏素沙漠南緣和靈武市內(nèi)的黃河東岸，保護區(qū)的生態(tài)保護修復(fù)和環(huán)境治理有利于加強黃河流域生態(tài)保護、促進黃河流域高質(zhì)量發(fā)展和保障黃河長治久安，對于寧夏建成黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)具有重要的意義。因此本研究以寧夏白芨灘國家級自然保護區(qū)不同固沙灌木影響下的土壤為對象，采用描述性統(tǒng)計和地統(tǒng)計學方法分析了沙地經(jīng)草方格扎設(shè)后種植5種固沙灌木進行長期生態(tài)恢復(fù)后的土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀的空間分布格局，探討不同固沙灌木群叢對土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的影響，以期為荒漠地區(qū)植被種植方式提供理論依據(jù)，達到荒漠防治與恢復(fù)的目的，從而推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展先行區(qū)的建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏白芨灘國家級自然保護區(qū)地處寧夏回族自治區(qū)靈武市境內(nèi)，位于毛烏素沙地西南緣，處于黃河東岸，距黃河5～10 km，地理坐標為106°21′33″～106°37′00″E，37°48′28″～38°20′12″N。保護區(qū)南北距離61 km，東西距離20～30 km，總面積70 921 hm2。該區(qū)屬于中溫帶干旱氣候區(qū)，具有典型的大陸性氣候特征，年均氣溫為10.4℃，1月平均氣溫最低，約為—6.7℃，7月平均氣溫最高，約為24.7℃，年均降水量為209.7 mm，多集中于7—9月。保護區(qū)全年盛行北風，年均風速為1.8 m·s-1。研究區(qū)主要土壤類型為風沙土。

保護區(qū)地貌形態(tài)主要有低山丘陵、低緩丘陵和沙漠低山丘陵，主要植被類型有草原、荒漠及草原-荒漠過渡帶。研究區(qū)植被組成由貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、檸條(Caraganakorshinskii)和黑沙蒿(Artemisiaordosica)等建群種構(gòu)成，同時也分布有通過草方格固沙和造林形成的以檸條、沙拐棗(Calligonummongolicum)、楊柴(Corethrodendronfruticosumvar.mongolicum)和花棒(Corethrodendronscoparium)等為建群種的人工沙漠灌叢，人工灌木沙生植被主要包括檸條單優(yōu)群叢、檸條花棒群叢、檸條沙拐棗群叢、花棒沙拐棗群叢和沙拐棗單優(yōu)群叢等[26]。

1.2 樣地設(shè)置和土壤樣品采集

選取2002年建立的草方格灌木固沙恢復(fù)區(qū)作為研究樣地，于2019年8月26日至8月28日采集土壤樣品。2002年，該樣區(qū)扎設(shè)草方格后種植不同的固沙灌木，包括檸條、楊柴、檸條-花棒混交、檸條-沙拐棗混交、花棒-沙拐棗混交。2019年8月在研究區(qū)分別選取上述5種灌木種植方式的樣地各3個，不同灌木種植方式的樣地之間具有基本一致的灌木行株距。在每個樣地內(nèi)設(shè)置5個10×10 m的連續(xù)樣方(圖1)。在每個樣方內(nèi)，按照五點取樣法在每個點上采集0～10 cm土層的土壤樣品，把每個樣方內(nèi)5個點采集的土壤樣品充分混合均勻成一個樣品，以備用于土壤養(yǎng)分分析。

圖1 研究樣點分布示意圖

1.3 土壤樣品分析方法

土壤有機碳(Soil organic carbon,SOC)采用重鉻酸鉀容量法；全氮(Total nitrogen,TN)采用凱氏定氮法；速效磷(Available phosphorus,AP)采用0.5 mol·L-1NaHCO3法；速效鉀(Available potassium,AK)采用NH4OAc浸提-火焰光度法進行測定[27]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用經(jīng)典統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學方法完成。利用SPSS 19計算土壤養(yǎng)分含量的平均值、標準差及變異系數(shù)(Cv)。變異系數(shù)大小可反映特征變量的空間變異程度，Cv<0.1時弱變異，0.11.0時強變異。

將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為笛卡爾坐標后利用Geostatistics for the environmental sciences (GS+) 9.0軟件進行地統(tǒng)計學分析。半方差函數(shù)是地統(tǒng)計學中用來研究土壤空間變異的函數(shù)，其表達式為：

(1)

式中，γ(h)為半變異函數(shù)，h是兩樣點間空間間隔距離，n(h)為間隔距離h時的樣點對的總數(shù)，Z(xi)、Z(xi+1)分別是區(qū)域化變量在空間位置xi和xi+1的實測值。

地統(tǒng)計學中的基本參數(shù)是基臺值、變程和塊金系數(shù)。塊金值(C0)表示隨機變異，基臺值(C0+C)表示總的變異程度，其值越高，總的變異程度越高。當塊金系數(shù)(C/C0+C)>75%時，表示系統(tǒng)空間自相關(guān)性很強；當比值在25%～75%時，空間自相關(guān)性處于中等程度；當比值小于25%，則說明空間自相關(guān)性較弱。

使用塊段克里格(Block kriging)對土壤養(yǎng)分進行局部插值估計，進行交叉證實檢驗，繪制研究區(qū)土壤養(yǎng)分的空間格局分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量的描述性統(tǒng)計分析及正態(tài)分布檢驗

研究區(qū)土壤有機碳、全氮、速效磷、速效鉀的變異系數(shù)在0.18～0.56之間，都屬于中等程度變異。其中，變異系數(shù)最大的是土壤有機碳，為0.56，土壤速效鉀的變異系數(shù)最小，為0.18(表1)。4種土壤養(yǎng)分各自的平均值和中位數(shù)都比較接近，說明各養(yǎng)分都呈現(xiàn)出較好的中心趨向分布。4種土壤養(yǎng)分的偏度值均為大于0(表1)，說明它們的正態(tài)分布圖都呈現(xiàn)為向左偏斜(圖2)。土壤有機碳、速效磷和速效鉀的峰度值均為正值(表1)，說明它們的數(shù)據(jù)分布比標準正態(tài)分布的峰高(圖2a,圖2c,圖2 d)，而土壤全氮的峰度值為負值，說明全氮的數(shù)據(jù)分布比標準正態(tài)分布峰低(圖2b)。K-S檢驗的結(jié)果表明，4種土壤養(yǎng)分的顯著性值均大于0.05，數(shù)據(jù)分布類型均為正態(tài)分布，下一步可以進行地統(tǒng)計學分析。

圖2 土壤養(yǎng)分頻數(shù)分布

表1 土壤養(yǎng)分描述性統(tǒng)計分析及K-S檢驗

2.2 不同固沙灌木對不同土壤養(yǎng)分含量的影響

檸條-沙拐棗混交林與檸條林的土壤有機碳之間顯著差異(P<0.05)，檸條-沙拐棗混交林下的土壤有機碳含量最大，為(2.21±1.37)g·kg-1。檸條-花棒混交林和檸條-沙拐棗混交林與其他灌木林之間的全氮含量存在顯著差異(P<0.05)，檸條-花棒混交林下的土壤全氮含量最大，為(0.096±0.035)g·kg-1。土壤速效磷和速效鉀的最大值均為檸條-花棒混交林樣地，土壤速效磷的最大值為(1.09±0.40)mg·kg-1，土壤速效鉀的最大值為(98.33±18.89)mg·kg-1(表2)。

表2 不同固沙灌木下的土壤養(yǎng)分含量

2.3 土壤養(yǎng)分含量的空間異質(zhì)性特征

土壤有機碳、全氮和速效磷的半變異函數(shù)均擬合為高斯模型(圖3a,圖3b,圖3c)，塊金系數(shù)分別為0.612，0.612，0.503(表3)，表明土壤有機碳、全氮和速效磷均具有中等程度的空間自相關(guān)性。土壤速效鉀的半變異函數(shù)擬合為球狀模型(圖3 d)，塊金系數(shù)為0.887，具有強空間自相關(guān)性。研究區(qū)域變程最小的為速效鉀，為50.00，最大的是速效磷，為580.24(表3)。有機碳的殘差平方和(Rss)最大，為0.923；全氮的Rss最小，為2.126×10-6。

表3 土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)理論模型及相關(guān)參數(shù)

圖3 土壤養(yǎng)分半變異函數(shù)圖

2.4 土壤養(yǎng)分含量的空間分布格局

研究區(qū)的土壤養(yǎng)分交叉檢驗的回歸系數(shù)分別為0.736(有機碳)，0.974(全氮)，0.212(速效磷)，0.505(速效鉀)。其中，有機碳和全氮的回歸系數(shù)比較接近1，表示其估計值與真實值較為接近(表3)。各土壤養(yǎng)分的克里格插值主要呈塊狀分布，等值線過渡不平滑(圖4)，空間變異程度偏高，且有明顯的高低差異，不同養(yǎng)分的斑塊大小及其分布區(qū)域隨著不同的固沙灌木各有不同，土壤有機碳主要呈分布格局表現(xiàn)為南北兩側(cè)高中間低(圖4a)，全氮的分布則為西高東低(圖4b)，速效磷呈現(xiàn)出北高南低的分布格局(圖4c)，而速效鉀的空間分布相對均衡，整體上高低差異較小，在局部地區(qū)出現(xiàn)明顯的高低不一的小斑塊(圖4 d)。

圖4 土壤養(yǎng)分分布格局

3 討論

在地統(tǒng)計學中，不考慮地理條件分布情況的前提下，采樣點均勻分布使克里格插值具有較高的精度[28]。然而，由于自然地理條件的限制和固沙灌木種植及分布的差異，使得本研究的樣點分布并不均勻，從而在一定程度上降低了克里格插值的精度。但不均勻的樣點分布對于空間異質(zhì)性的研究仍具有一定的可行性。司建華等[29]在額濟納綠洲、尚白軍等[30]在瀕臨古爾班通古特沙漠的瑪依湖湖區(qū)進行的土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究中樣點分布也并不均勻。因此本文對于不同固沙灌木下土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性的研究有一定的意義。

3.1 不同固沙灌木對土壤養(yǎng)分的影響不同

不同固沙灌木對土壤養(yǎng)分的影響不同。在生態(tài)系統(tǒng)中，土壤和植被相互影響，相互制約。一方面，不同植被的生長對土壤養(yǎng)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間各有差異，因此不同固沙灌木對土壤養(yǎng)分的影響存在差異[32]。有研究表明，不同灌叢的土壤質(zhì)量綜合水平(評價指標為土壤pH、電導率、有機碳和全氮)表現(xiàn)為檸條>花棒>沙拐棗[33]。土壤養(yǎng)分主要來自于土壤表層累積的枯落物[34]，大量的枯枝落葉及根殘體，有利于提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤保肥能力和土壤質(zhì)量[35]。同時，風沙土的土壤養(yǎng)分含量隨植物密度與蓋度的增加而增加[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，檸條—沙拐棗混交林的土壤有機碳含量高于其他灌木樣地，檸條—花棒混交林的土壤全氮、速效磷和速效鉀含量均高于其他灌木樣地。而檸條林和楊柴林兩種純林的土壤養(yǎng)分含量在5種灌木樣地中處于劣勢，混交灌木樣地的土壤養(yǎng)分含量優(yōu)于純種林，這與張瑞[37]等人的研究結(jié)果相吻合。這可能是由于單一樹種的植被比較稀疏，凋落物成分單一，冠幅空隙較大，不利于凋落物的積累和風沙的防固，導致其土壤養(yǎng)分積累不足。花棒-沙拐棗混交林土壤養(yǎng)分含量也處于較低水平，這可能是由于花棒和沙拐棗近地面分枝較少，蓋度低，其線形和披針形葉遮蔽性不夠?qū)е缕渫革L性較大，加之在研究區(qū)內(nèi)的花棒和沙拐棗分布不均，死亡率高，導致其防風固沙效果不如檸條林及含檸條的混交林。檸條葉片為狹長圓形的羽狀復(fù)葉，研究區(qū)內(nèi)的檸條近地面分枝多，密度和冠幅大，使得其地表枯落物增多，且研究區(qū)的檸條成活率高于其他灌木種，因此在植物-土壤反饋機制作用[38]下與其他樹種混交使土壤養(yǎng)分含量相對較高。

研究區(qū)4種土壤養(yǎng)分均為中等程度變異，說明土壤養(yǎng)分含量相對穩(wěn)定。各土壤養(yǎng)分變異系數(shù)為有機碳>全氮>速效磷>速效鉀，這與新疆綠洲-荒漠過渡帶[39]的研究恰好相反。可能是由于沙地土壤恢復(fù)程度較低，其土壤養(yǎng)分有效性低，養(yǎng)分含量不均，差異明顯。不同灌木之間成活率的差異造成枯落物生物量較低，導致土壤有機碳和全氮的變異系數(shù)在0.5左右。土壤速效磷和速效鉀的變異系數(shù)較低，可能是由于土壤母質(zhì)和類型的穩(wěn)定造成的。

3.2 植被的差異可以導致土壤養(yǎng)分的空間變異

根據(jù)已有研究，不同植被密度下的土壤養(yǎng)分含量的空間異質(zhì)性程度存在差異并受植被狀況的制約[36]，植物分布不均會引起土壤養(yǎng)分含量的空間變異[40]。干旱區(qū)灌木群落會使土壤的含水量和養(yǎng)分含量發(fā)生變化，影響土壤和植物之間的反饋機制，進一步導致土壤養(yǎng)分的異質(zhì)性[38]。本研究中，混交林的土壤養(yǎng)分含量大于純種林，這可能是因為混交林密度大，樹種組成較多，冠層結(jié)構(gòu)合理，枯落物及根際分泌物豐富，從而增加了其異質(zhì)性。同時，土壤養(yǎng)分的空間變異是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素的共同作用的結(jié)果[41]。影響土壤空間變異的結(jié)構(gòu)性因素為母質(zhì)、氣候、地形等自然地理要素，隨機性因素則為取樣設(shè)計、測定誤差與干擾等人為原因。本研究中，土壤有機碳、全氮和速效磷均為中等程度的空間自相關(guān)性，是結(jié)構(gòu)性因素和隨機性因素共同發(fā)揮作用，而速效鉀則表現(xiàn)為強空間自相關(guān)性，是結(jié)構(gòu)性因素發(fā)揮主導作用。土壤有機碳和全氮的隨機變異在總的空間變異中均占比38.8%，結(jié)構(gòu)部分均占比61.2%；速效磷的空間總變異中，結(jié)構(gòu)部分為50.3%，而隨機變異為49.7%；速效鉀的隨機變異占空間總變異的比例為11.3%，結(jié)構(gòu)部分的比例為88.7%。這一結(jié)果表明決定不同土壤養(yǎng)分的空間過程存在差異：枯落物和根的殘體及分泌物是碳和氮的重要來源之一，物質(zhì)循環(huán)是影響有機碳和全氮含量的主要驅(qū)動力[36,42]；土壤磷含量決定于土壤母質(zhì)和類型[43]；速效鉀容易被植物吸收并存貯，且易淋溶，通過枯落物等形式又再次回歸土壤[44]。

3.3 “沃島效應(yīng)”與沙地恢復(fù)過程對土壤養(yǎng)分空間分布的影響

土壤養(yǎng)分的空間格局還可能與“沃島效應(yīng)”有關(guān)。導致“沃島”形成和發(fā)展的生物過程包括植物吸收必需的養(yǎng)分，然后在灌木下方區(qū)域沉積凋落物。有研究表明，灌木可以使土壤養(yǎng)分在其周圍聚集，檸條灌叢的土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀均有向冠幅下富集的效果[45]，而沙拐棗灌叢的生物富集作用不太明顯[46]，并且檸條對全氮的聚集范圍大于其他灌木。在多個灌木為主的群落中，同一植物表現(xiàn)出不一致的“沃島效應(yīng)”，這可能是由于灌木的冠幅和植物群落密度差異造成的[47]。在本文中，研究區(qū)各個造林樹種的冠幅以及灌木林下的草本植物各有差異，因此可能形成因不同物種的生長習性而產(chǎn)生的斑塊聚集，從而發(fā)展為相應(yīng)的“沃島”。

沙地恢復(fù)的過程實質(zhì)是植被生長和土壤養(yǎng)分增加的過程[48]。沙地土壤養(yǎng)分的變化是荒漠化及其恢復(fù)過程中能量物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵。土壤和植物之間的互作關(guān)系決定了生態(tài)環(huán)境演化過程，而土壤養(yǎng)分的變化與荒漠化程度及其發(fā)展有著直接的聯(lián)系。草方格結(jié)合固沙灌木通過增加植被蓋度，降低風沙流動并使土壤風蝕物質(zhì)沉積，同時微生物及動物活動造成大量枯落物的分解，輔以水分、溫度和地形等氣候因子的作用[49-50]，使地表形成薄的結(jié)皮層，進而改善土壤養(yǎng)分含量，從而增加其成土作用[51-52]。因此，沙地土壤養(yǎng)分含量與固沙灌木種類、覆蓋狀況和枯落物等聯(lián)系緊密，也與氣候、地形和人類活動干擾等因素有著密切聯(lián)系。為此，對枯落物、微生物和地形等對土壤養(yǎng)分的空間分布的影響有待進一步的分析研究，從而系統(tǒng)的、客觀的評價研究區(qū)的生態(tài)恢復(fù)措施，實現(xiàn)生態(tài)效益最大化。

4 結(jié)論

本研究對毛烏素沙地南緣的土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀的空間分布特征進行分析，得出結(jié)論：檸條-沙拐棗混交林的土壤有機碳含量均高于其他灌木樣地，檸條-花棒混交林的土壤全氮、速效磷和速效鉀含量均高于其他灌木樣地。土壤有機碳、全氮、速效磷和速效鉀均表現(xiàn)為小尺度的空間變異。4種土壤養(yǎng)分的空間分布特征各不相同：土壤有機碳呈南北兩側(cè)高中間低，全氮的分布則為西高東低，速效磷呈現(xiàn)出北高南低，而速效鉀的空間分布相對均衡，整體上高低差異較小，局部地區(qū)高低差異大。由此可見，不同植被和土壤養(yǎng)分之間存在一定的關(guān)系，含檸條的固沙灌木混交林更有利于沙地土壤的恢復(fù)。