科爾沁草原不同植被覆蓋對(duì)土壤生物結(jié)皮的影響

土壤顆粒是我國(guó)北方干旱地區(qū)廣泛存在的致密土層。地表強(qiáng)度大，孔隙細(xì)，導(dǎo)水性低。因此，它明顯不同于低地土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)這項(xiàng)研究，土壤結(jié)皮不僅能有效地固定砂面，減少風(fēng)蝕和土壤砂面的活動(dòng)，而且能促進(jìn)土壤發(fā)育和植被恢復(fù)，促進(jìn)沉積物的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)。這對(duì)改善砂和土壤改良沒有重要意義。因此，近年來，對(duì)干旱和半干旱地區(qū)土壤含水量的研究越來越受到重視。關(guān)于沙地土壤結(jié)皮的研究已有較多報(bào)道,主要涉及土壤結(jié)皮的結(jié)構(gòu)和功能特征、土壤結(jié)皮發(fā)育與環(huán)境的關(guān)系、土壤結(jié)皮對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境的影響、結(jié)皮對(duì)干擾的反應(yīng)及其恢復(fù)機(jī)理、土壤結(jié)皮的測(cè)定方法和技術(shù)等方面.但迄今為止,關(guān)于沙地土壤結(jié)皮與植被覆蓋關(guān)系的研究報(bào)道較少.在我國(guó),有關(guān)沙質(zhì)土壤結(jié)皮的研究過去主要集中在賀蘭山以西的干旱地區(qū),尤以寧夏沙坡頭地區(qū)研究最多,而對(duì)半干旱地區(qū)沙地土壤結(jié)皮的研究較少.本文以半干旱的科爾沁沙地為研究對(duì)象,通過比較不同植被覆蓋下沙地土壤結(jié)皮及其下層土壤理化特性的差異,探討植被覆蓋對(duì)沙地土壤結(jié)皮及其下層土壤特性的影響,以期為我國(guó)半干旱地區(qū)植被建設(shè)提供科學(xué)依據(jù).1研究領(lǐng)域和方法1.1分級(jí)系統(tǒng)10年研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部科爾沁沙地腹地的奈曼旗境內(nèi)(42°55′—42°57′N,120°41′—120°45′E,海拔340～370m).該區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候,年均降水量356.9mm,年均蒸發(fā)量1900mm,年均氣溫6.5℃,≥10℃年積溫3190℃,無霜期151d;年平均風(fēng)速3.4m·s-1,年平均揚(yáng)沙天氣20～30d.地貌以高低起伏的沙丘地和平緩草甸或農(nóng)田交錯(cuò)分布為特征,土壤多為風(fēng)沙土或沙質(zhì)草甸土.研究區(qū)天然植物群落以中旱生植物為主,主要植物種有:差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、冷蒿(A.frigida)、白草(Pennisetumcentrasiaticum)、狗尾草(Setariaviridis)、黃蒿(A.scoparia)、豬毛菜(Salsolacollina)等.人工植被多為小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、小紅柳(Salixmicrostachya)、小葉楊(Populussimonii)和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica).1.2種植物類型研究樣地設(shè)在中國(guó)科學(xué)院奈曼沙漠化研究站附近的奈曼旗堯勒甸子村封育區(qū)內(nèi).該封育區(qū)面積約600hm2,原為成片流動(dòng)沙地,自從1985年開始封育以后,在奈曼站科研人員指導(dǎo)下陸續(xù)建立了一些成片的小葉錦雞兒、小紅柳、小葉楊和樟子松等人工植被,并成為該站的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)調(diào)查樣地.研究期為2006年8月,此時(shí)是當(dāng)?shù)氐挠昙?土壤結(jié)皮發(fā)育特征明顯,測(cè)定較為容易.調(diào)查樣地設(shè)在封育區(qū)內(nèi)已經(jīng)固定的沙地中,首先選擇天然冷蒿群叢、15齡左右的小紅柳、小葉楊和樟子松人工林地4種植被類型.其中,冷蒿群叢植被蓋度50%～70%,冠層高度40cm左右;小紅柳灌叢植被蓋度60%～80%,冠層高度120cm;楊樹林樹高7.5m,林分郁閉度0.4;樟子松林樹高4m,林分郁閉度0.6.然后,在每種植被類型中分別選擇樣地各3處,并在封育區(qū)內(nèi)選擇一個(gè)流沙地作為對(duì)照樣地.樣地選好后,在每個(gè)樣地中設(shè)置樣方,樣方大小:灌木為10m×10m,喬木為25m×25m,3個(gè)重復(fù).在進(jìn)行植被調(diào)查后,再在每個(gè)樣地的植冠下和行間分別隨機(jī)設(shè)置1m×1m的樣方10個(gè),用平鏟小心獲取結(jié)皮層,用電子游標(biāo)卡尺和硬度計(jì)分別測(cè)定結(jié)皮厚度和硬度,采集結(jié)皮至土盒,用烘干法測(cè)定結(jié)皮含水量.經(jīng)測(cè)定,植冠之下或植株附近分布的結(jié)皮主要為苔癬結(jié)皮,優(yōu)勢(shì)苔癬植物種主要為銀葉真蘚(Bryumargenteum)和真蘚新紀(jì)錄種(B.kunzei),伴生種有土生對(duì)齒蘚(Didymodonvinealis)和厚肋流蘇蘚(Crossidiumcrassinerve).植物行間空地主要是地衣結(jié)皮,優(yōu)勢(shì)種主要為藍(lán)藻和地衣植物,但未鑒定到種.每個(gè)樣點(diǎn)分別采集結(jié)皮、結(jié)皮下0～2.5cm、2.5～5.0cm土層土樣,帶回實(shí)驗(yàn)室做土壤理化性質(zhì)分析.同時(shí),每個(gè)取樣點(diǎn)采完結(jié)皮后,用環(huán)刀(50cm3體積)分別取0～2.5cm、2.5～5.0cm原狀土測(cè)定土壤容重和飽和含水量.1.3測(cè)定指標(biāo)的測(cè)定樣品帶回室內(nèi)自然風(fēng)干,過2mm孔徑的土壤篩以除去死根和雜物.部分土樣進(jìn)一步磨細(xì)過100目篩,用于碳、氮分析.按常規(guī)方法分別測(cè)定土樣理化指標(biāo):機(jī)械組成用濕篩加吸管法,有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀容量-外加熱法,全氮用半微量凱氏定氮法,全磷用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法,速效氮用堿解擴(kuò)散法,速效磷用0.5mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法,pH值用1∶1土水比懸液酸度計(jì)測(cè)定,電導(dǎo)率(EC)用1∶5土水比浸提液測(cè)定,碳酸鈣(CaCO3)用氣量法測(cè)定.1.4最小顯著差異法lsd應(yīng)用SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(one-wayANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理間的差異,采用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同因子間的相互關(guān)系.2結(jié)果與分析2.1不同植物土壤特征的物理特性2.1.1土壤結(jié)皮的機(jī)械組成從調(diào)查結(jié)果來看,各植被區(qū)大部分地表均被生物結(jié)皮覆蓋,而流沙對(duì)照區(qū)尚未見結(jié)皮形成(表1).同類結(jié)皮相比,結(jié)皮厚度和硬度均是小紅柳群叢最高,其次是冷蒿群叢和樟子松林地,楊樹林地最小.同種植被覆蓋不同類型結(jié)皮相比,苔癬結(jié)皮的厚度和硬度均大于地衣結(jié)皮.不同植被土壤結(jié)皮的機(jī)械組成差別很大,地衣結(jié)皮中的粘粉粒含量是小紅柳群叢(37.0%)>楊樹林地(28.6%)>冷蒿(22.0%)(樟子松林地沒有地衣結(jié)皮),苔蘚結(jié)皮中的粘粉粒含量是樟子松林地(48.4%)>小紅柳群叢(39.0%)>楊樹林地(38.2%)>冷蒿(33.4%).各植被土壤結(jié)皮中的粘粉粒含量都是苔蘚結(jié)皮明顯大于地衣結(jié)皮(P<0.05),而砂粒含量則是地衣結(jié)皮高于苔蘚結(jié)皮.2.1.2不同植被、不同養(yǎng)分種類對(duì)苔蘚結(jié)皮理化指標(biāo)的影響從表2可以看出,不僅同種植被不同類型結(jié)皮的化學(xué)特性有很大差異,而且不同植被同種結(jié)皮的化學(xué)特性也有很大差異.各植被苔蘚結(jié)皮的土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量均高于地衣結(jié)皮,但其差異在不同植被類型和不同養(yǎng)分種類之間存在較大差別.如小紅柳群叢的苔蘚結(jié)皮有機(jī)質(zhì)含量比地衣結(jié)皮高173.9%,而在楊樹林地則只高108.0%.不同植被同種結(jié)皮相比,在苔蘚結(jié)皮中,以小紅柳群叢結(jié)皮的土壤有機(jī)質(zhì)和氮、磷含量最高,而以楊樹林地結(jié)皮的有機(jī)質(zhì)、有效氮和有效磷含量以及冷蒿群叢結(jié)皮的總氮和總磷含量最低;在地衣結(jié)皮中,有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷和有效磷含量以冷蒿群落結(jié)皮最高,有效氮含量以小紅柳群叢結(jié)皮最高,而楊樹林地結(jié)皮的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量均明顯最低(P<0.05).2.2不同植被覆蓋下0.2.5cm深度土壤的物理特性2.2.1不同類型結(jié)皮的苔蘚結(jié)皮土壤細(xì)顆粒含量由表3可以看出,各植被區(qū)結(jié)皮下0～2.5cm深土壤容重均較對(duì)照明顯降低(P<0.05),下降幅度為小紅柳群落>冷蒿群落>樟子松林地>楊樹林地.同種植被不同類型結(jié)皮相比,苔蘚結(jié)皮土壤容重的下降幅度大于地衣結(jié)皮.土壤機(jī)械組成中,不同植被結(jié)皮下0～2.5cm深土壤細(xì)顆粒含量均明顯高于流沙對(duì)照區(qū),而土壤砂粒含量則明顯低于流沙對(duì)照區(qū)(P<0.05).同種結(jié)皮不同植被相比,地衣結(jié)皮下0～2.5cm深土壤細(xì)顆粒含量表現(xiàn)為小紅柳群叢明顯高于冷蒿群叢和楊樹群叢(P<0.05),苔蘚結(jié)皮下土壤細(xì)顆粒含量也表現(xiàn)為小紅柳群叢高于其他群叢.同種植被不同結(jié)皮相比,苔蘚結(jié)皮下0～2.5cm深土壤粘粉粒含量明顯高于地衣結(jié)皮(P<0.05).2.2.2不同植被覆蓋對(duì)地衣結(jié)嫌犯林土壤理化性質(zhì)的影響由表4可以看出,與流沙對(duì)照相比,各植被覆蓋結(jié)皮下0～2.5cm深土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮、有效氮、有效磷含量均明顯增加(P<0.05),土壤總磷含量在苔蘚結(jié)皮下增加明顯,而在地衣結(jié)皮下變化未達(dá)到顯著水平(P>0.05).不同植被覆蓋地衣結(jié)皮下0～2.5cm深土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、有效氮含量為小紅柳群叢>冷蒿群叢>楊樹林地,有效磷含量為冷蒿群叢>小紅柳群叢>楊樹林地,土壤pH為楊樹林地>冷蒿群叢>小紅柳群叢.不同植被覆蓋苔蘚結(jié)皮下0～2.5cm深土壤有機(jī)質(zhì)、總氮、有效氮和有效磷含量均以樟子松林地最高,冷蒿群叢最低;土壤pH為小紅柳群叢>楊樹林地>冷蒿群叢>樟子松林地.相同植被不同結(jié)皮下0～2.5cm深土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量均為苔蘚結(jié)皮高于地衣結(jié)皮(P<0.05).2.3不同植物覆蓋下2.5.0cm深度土壤的物理特性2.3.10cm.3.4不含油藥不同植物結(jié)皮中相關(guān)細(xì)顆粒含量的變化,在不同植被結(jié)皮中.由表3可以看出,與流沙對(duì)照相比,各植被結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤的粘粉粒含量均明顯增加,砂粒含量明顯下降,而土壤容重在冷蒿和小紅柳群落下顯著降低(P<0.05),在楊樹林地和樟子松林下變化不明顯(P>0.05).相同植被不同類型結(jié)皮相比,2.5～5.0cm深土壤容重在苔蘚結(jié)皮和地衣結(jié)皮間差異不明顯(P>0.05),而細(xì)顆粒含量在苔蘚結(jié)皮下明顯高于地衣結(jié)皮下.不同植被地衣結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤容重以楊樹林地最高,小紅柳群叢最低,粘粉粒含量小紅柳群叢與楊樹林地相近,但二者顯著高于冷蒿群叢(P<0.05);苔蘚結(jié)皮下的土壤容重以小紅柳林地最低,楊樹林地最高,而土壤細(xì)顆粒含量為小紅柳群叢>楊樹林地>樟子松林地>冷蒿群叢.2.3.2種植物群落對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分及有效養(yǎng)分含量的影響各植被覆蓋結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮和有效氮含量均明顯高于流沙對(duì)照區(qū)(P<0.05),而總磷、有效磷含量和pH值雖是植被區(qū)高于流沙對(duì)照區(qū),但部分樣地差異未達(dá)到顯著水平(P>0.05)(表4).同種植被覆蓋不同結(jié)皮相比,苔蘚結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤的有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量及pH值均顯著高于地衣結(jié)皮下(P<0.05).不同植被覆蓋同種類型結(jié)皮相比,地衣結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮、有效氮含量均以小紅柳群叢最高,總磷和有效磷含量以冷蒿群叢最高,而有機(jī)質(zhì)和有效養(yǎng)分含量以楊樹林地較低,總氮和總磷含量以冷蒿群叢較低.苔蘚結(jié)皮下2.5～5.0cm深土壤的有機(jī)質(zhì)、總氮含量和pH值以小紅柳群叢最高,有效氮和有效磷含量以樟子松林地最高,而土壤有機(jī)質(zhì)和各養(yǎng)分含量以冷蒿樣地最低.3討論3.1不同植被類型對(duì)土壤結(jié)皮的影響生物結(jié)皮廣泛存在于我國(guó)半干旱沙地中,其形成是溫度、降水、風(fēng)速、陽(yáng)光輻射及土壤水分、營(yíng)養(yǎng)狀況等多種因素綜合作用的結(jié)果.研究表明,由于植被能夠改變局地溫度、降水、風(fēng)速等環(huán)境狀況,因而對(duì)結(jié)皮的形成和發(fā)育有重要影響.在本研究中,原流動(dòng)沙地經(jīng)過多年的封育保護(hù)和人工植被建設(shè),地表已大部分被生物結(jié)皮所覆蓋,地表流沙活動(dòng)明顯減少,這充分證實(shí)了郭軼瑞等有關(guān)封育保護(hù)和植被覆蓋有利于沙地土壤結(jié)皮形成的觀點(diǎn).但是,不同植被覆蓋下所形成的生物結(jié)皮的理化特性并不完全一樣.對(duì)于地衣結(jié)皮,結(jié)皮厚度和硬度是小紅柳和冷蒿群叢明顯高于楊樹林地,粘粉粒含量是小紅柳和楊樹林地明顯高于冷蒿群叢,有機(jī)質(zhì)含量是冷蒿和小紅柳群叢明顯高于楊樹林地,pH值是冷蒿群叢明顯低于小紅柳群叢和楊樹林地;而對(duì)于苔蘚結(jié)皮,結(jié)皮厚度和硬度是小紅柳群叢>冷蒿群叢>樟子松林>楊樹林地,粘粉粒含量是松樹林地>小紅柳群叢>楊樹林地>冷蒿群叢,有機(jī)質(zhì)含量是小紅柳群叢>樟子松林>冷蒿群叢>楊樹林地,pH值是楊樹林地>小紅柳群叢>樟子松林>冷蒿群叢.總體上,小紅柳和樟子松植被區(qū)的土壤結(jié)皮厚度、硬度、粘粉粒含量和養(yǎng)分含量均較高,而楊樹林地均較低.說明小紅柳和樟子松植被更有利于沙地土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育,而楊樹對(duì)結(jié)皮形成發(fā)育的影響相對(duì)較低.其原因與這幾種植物的生物學(xué)特性密切相關(guān).小紅柳屬于密叢型灌木,其枝條細(xì)長(zhǎng)密集,凋落物產(chǎn)量高,不僅具有較強(qiáng)的降風(fēng)滯塵作用,而且大量凋落物能使土壤有機(jī)質(zhì)迅速增加,因此更有利于土壤結(jié)皮的發(fā)育;樟子松屬于中高型喬木,其防風(fēng)效果雖不如楊樹,但枝葉稠密,也有利于降風(fēng)滯塵和土壤結(jié)皮的形成;冷蒿是一種小半灌木,雖然其防風(fēng)滯塵作用比其他幾種植被差,但由于植株低矮,枝葉密集,可有效降低地表風(fēng)沙活動(dòng)強(qiáng)度,因此也能有效促進(jìn)結(jié)皮發(fā)育;楊樹屬于喜水肥的速生高大喬木,由于不能適應(yīng)流動(dòng)沙地惡劣的生態(tài)環(huán)境,其樹干低矮,枝葉稀疏,嚴(yán)重生長(zhǎng)不良,因而固沙滯塵效果遠(yuǎn)不如其他植物,對(duì)結(jié)皮形成發(fā)育的促進(jìn)作用也相對(duì)較弱.一些研究指出,沙地土壤結(jié)皮的形成和發(fā)育,在時(shí)間序列上是逐漸由物理結(jié)皮發(fā)育成地衣結(jié)皮后,再發(fā)育成苔蘚結(jié)皮.作為結(jié)皮發(fā)育的不同階段,幾種類型結(jié)皮的物理、化學(xué)和生物特性存在較大差異.在本研究中,苔癬結(jié)皮主要分布于植冠下面或植叢附近,地衣結(jié)皮主要分布于植物行間或空地中.這說明沙地結(jié)皮首先在植冠下面或植叢附近形成,然后才擴(kuò)展至植物行間或空地,或者說植冠下的結(jié)皮發(fā)育速度要快于植物行間.分析其原因,一方面是冠層下濕度、溫度、風(fēng)沙流活動(dòng)等微環(huán)境條件要明顯好于冠層外,有利于沙面的固定;另一方面是植物冠層能夠?yàn)橄聦油寥捞峁└嗟牡蚵湮?攔截更多的土壤微細(xì)顆粒,因而更有利于土壤結(jié)皮的形成.本研究結(jié)果還表明,無論是喬木植被還是灌木植被,其苔蘚結(jié)皮的理化特性均明顯優(yōu)于地衣結(jié)皮.苔蘚結(jié)皮與地衣結(jié)皮間土壤理化特性的差異表現(xiàn):小紅柳群叢在厚度、硬度、有機(jī)質(zhì)含量等方面均差別最大,冷蒿群叢在粘粉粒和總氮含量方面差別最大,而有效養(yǎng)分則是楊樹林地差別最大.這一方面說明苔蘚結(jié)皮作為沙地土壤結(jié)皮演替的后一階段,其土壤結(jié)皮厚度、硬度、粘粉粒、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量都較地衣結(jié)皮有明顯改善;另一方面也證實(shí)了沙地土壤結(jié)皮的發(fā)育進(jìn)程和特征與植被類型密切相關(guān).在從地衣結(jié)皮向苔蘚結(jié)皮的發(fā)育過程中,灌木植被可能更有利于結(jié)皮物理特性以及土壤有機(jī)質(zhì)的改變,而喬木林地更有利于促進(jìn)結(jié)皮有效養(yǎng)分的增加.3.2土壤理化特性的改善有研究指出,受上層土壤結(jié)皮和植物根系的影響,結(jié)皮下土壤的理化特性也會(huì)發(fā)生一定變化.已有研究證實(shí),流沙固定過程中,隨著土壤結(jié)皮的發(fā)育,其下層土壤理化特性也會(huì)得到相應(yīng)改善.本研究結(jié)果表明,不同植被生物結(jié)皮下的土壤理化特性與流沙對(duì)照相比有很大改善,但與上層結(jié)皮相比差別很大.與流沙對(duì)照相比,各植被結(jié)皮下0～2.5cm深土壤粘粉粒、有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別增加了8.0～13.5倍、2.5～10.6倍、3.8～14.8倍和0.3～1.4倍,在2.5～5.0cm深處分別增加了7.2～14.1倍、1.8～12.2倍、0.4～8.7倍和0.3～2.2倍;而與土壤結(jié)皮相比,0～2.5cm深土壤粘粉粒、有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別下降了4.95%～43.67%、53.17%～73.67%、46.83%～67.95%和13.64%～42.86%,2.5～5.0cm深土壤粘粉粒、有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷含量分別下降了15.48%～50.91%、57.73%～80.11%、51.59%～87.18%和13.64%～56.00%.這一方面說明流動(dòng)沙地經(jīng)過植被建設(shè),不僅促進(jìn)了結(jié)皮的形成,而且也促進(jìn)了結(jié)皮下土壤理化特性的改善;另一方面也說明隨著土層的加深,這種改善作用明顯下降.郭軼瑞等指出,結(jié)皮下層土壤的變化,一方面來自于土壤生物結(jié)皮對(duì)下層土壤的影響,另一方面來自于植物與土壤復(fù)雜的相互作用關(guān)系.土壤生物結(jié)皮對(duì)下層土壤的作用主要源于生物結(jié)皮中存在著大量的微生物菌絲體、藻類和地衣、苔蘚的假根.這些微生物菌絲體或藻類、地衣、苔蘚的假根可以從結(jié)皮層延伸至下層土壤,通過有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分的淋溶以及微生