潘　臻　邢　进

摘要 以毛乌素沙地的生物结皮层和结皮下层土壤为研究对象,对油蒿、羊柴2种植被条件下的土壤生物结皮层以及生物结皮下层土壤进行了化学性质的研究,探讨了不同植被下土壤生物结皮对土壤化学特征的影响。研究表明:生物结皮的土壤养分含量均高于流动沙地,油蒿灌丛下生物结皮的发育时间长,富集的养分含量也比羊柴灌丛的多,土壤生物结皮对下层土壤养分有明显影响,生物结皮下土壤的有机质、全效养分和速效养分的含量均高于对照流沙土壤土层,且呈随土层深度增加含量降低的趋势。

关键词 生物结皮;结皮下层;不同植被;土壤化学性质;毛乌素沙地

中图分类号 S151.9+3 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2009)13-0271-03

生物结皮(biological soil crusts)是由土壤微生物、藻类、地衣和苔藓植物等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体。它的形成使土壤表面在物理、化学和生物学特性上均明显不同于松散沙土,具有较强的抗风蚀、水蚀功能,也是干旱荒漠地区植被演替的重要基础。

沙漠藻类作为沙漠中的先锋植物,可以改变沙漠土壤中的物质循环,增加其中碳、氮、磷的含量。大量研究证实,结皮中的生物组成可以把碳、氮等养分固定到土壤生态系统中,促进土壤异养微生物的生长,从而改变沙漠环境中的生物多样性,改变其土壤结构和水分分布状况,苔藓和地衣真菌结皮的形成,加速了物质风化和风化物质累积速度,包括植物的一些必需元素如钾、磷和硫等的累积;同时,由于有机质的积累、大量微生物的侵入繁殖,土壤养分的可利用性提高,从而促进了土壤的发育。生物结皮还可以有效地防止土壤风蚀,生物结皮与草、灌木相结合的固沙技术已被认为是沙漠化地区固沙技术的新方向。

1 研究区概况

研究区位于鄂尔多斯高原南部的毛乌素沙地乌审旗境内。乌审旗位于内蒙古自治区鄂尔多斯市西南部,地理坐标为北纬37°38′54″～39°23′50″,东经108°17′36″～109°40′22″。研究区是鄂尔多斯高原的组成部分,处于鄂尔多斯高原向黄土高原过渡的洼地中,海拔一般为1 300～1 400m,最高海拔1 430m,最低海拔1 178m。地势西北高,东南低。研究区属温带极端大陆性气候,受蒙古高压影响极大,西北冷空气控制时间长,降水少,干旱多风,蒸发强烈,日照充足,无霜期偏短。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;年蒸发量约2 592mm。无霜期140～150d。年平均气温6～8℃,年极端最高、最低气温分别为37℃和-33℃;7月平均气温22℃,1月平均气温-9.4℃,平均气温年较差为21～23℃,最大日较差14℃。平均年日照时数2 860h,积温年平均值为2 621℃。年平均风速3.4m/s;每年平均风速3m/s的天数为140～203d;每年平均风速8m/s的天数为22～24d,最大冻土深度146cm。乌审旗无定河流域面积2 060km2,平均流量5m3,年径流量1.58亿立方米。在毛乌素沙地,风沙活动与风沙土的水分含量成为该区的重要生态因子和限制因子,因此该区植物的优势生活型是油蒿(Artemisia ordosica)、白沙蒿(Artemisia sphaerocephala)、臭柏(Sa-bina vulgaris)、柠条(Caragana intermedia)、杨柴(Hedysarum mo-ngolicum)、沙柳(Salix cheilophila)、乌柳(Salix microstachya)等耐风蚀与干旱的灌木丛。

2 研究方法

2.1 样本采集

研究样地选择在毛乌素沙地的乌审旗附近,油蒿灌丛覆盖度为50%～60%,羊柴灌丛覆盖度为25%～30%,油蒿灌丛的固定时间要比羊柴灌丛固定时间长。在油蒿灌丛、羊柴灌丛的坡底分别选择生物结皮发育良好的样方,并以样方内的裸沙沙土作为对照。测定生物结皮的厚度,并采集结皮样品,将其放入土壤袋中,带回室内处理。对下层土壤养分和水分研究则以0～5cm(结皮层)、5～20cm(结皮下层)、20～30cm(结皮下层)、30～40cm(结皮下层)为间距进行采样,3次重复。

2.2 样本处理

将采集回来的土壤样本在室内风干后,去除样品内的结皮植物、种子、枯枝落叶、根系等生物体并研碎。研碎后的土壤样本过0.25mm孔径的筛子,作为土壤速效养分测定用,过0.01mm孔径的筛子作为土壤全效养分测定用。

2.3 分析测定方法

养分测定方法参考《土壤农化分析》(第三版)(鲍士旦主编),土壤有机质采用重铬酸钾容重法;全氮采用凯氏定氮法;全磷采用NaOH熔融——钼锑抗比色法;全效钾采用NaOH熔融,火焰光度法;速效氮采用蒸馏法;速效磷采用0.05moL/L NaHCO3法;速效钾采用醋酸氨浸提,火焰光度法。土壤酸碱度采用PB-10型便携式酸碱度计。

3 结果与分析

3.1 生物结皮层的养分特征研究

土壤养分的缺乏是流动沙丘限制植物生长的重要因素之一。随着固沙植被在流动沙丘上的固定,生物结皮的形成为养分的富集提供了条件,并以其特有的代谢方式改善了沙丘土壤的性质。因而,生物结皮的形成具有改良土壤结构、增加土壤肥力的作用。

2种植被条件下的生物结皮的土壤养分含量均高于流动沙地,说明生物结皮对干旱的沙地生态系统的土壤肥力具有明显的聚集作用。在油蒿灌丛的生物结皮层有机质含量比流动沙地提高了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%,速效钾提高了186.85%。在羊柴灌丛的生物结皮层有机质含量比流动沙地提高了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%,速效钾提高了12.82%。

3.2 生物结皮层的pH值状况

土壤pH值是土壤的重要化学性质,它直接影响植物的生长和微生物的活动以及土壤的其他性质与肥力状况。2种植被下生物结皮中,羊柴灌丛下结皮pH值较大为8.46,油蒿次之为8.25。而羊柴灌丛下结皮层和流沙环境的pH值相近,为8.45左右。这种现象的发生主要是由于油蒿灌丛下结皮表面上生有匍匐的藓类植物,它们的根系在生长过程中要分泌酸类物质,另外植物的残体分解也产生腐殖酸,从而使土壤的pH值偏低;而羊柴灌丛下结皮没有匍匐的藓类植物,且形成时间相比油蒿灌丛短,因此pH值偏高。

3.3 生物结皮对结皮下层土壤有机质、全效养分的影响

由于生物结皮具有富集养分的特性,通过降水淋溶作用可以影响到下层沙土的养分状况。在不同类型植被土壤生物结皮覆盖下,不同深度土壤的有机质含量均高于相应的对照土层,仅在5～20cm处含量相当。生物结皮存在的土层中(0～5cm)有机质含量均比生物结皮下层(5～40cm)高。不同植被下,土壤全氮含量随土层深度的增加变化趋势不同,其中油蒿灌丛全氮含量随土层深度的增加而降低,而羊柴灌丛全氮含量的变化随土层深度的增加而增加,这与流沙全氮含量的变化趋势一致。随着地表生物结皮的发育,土壤中的氮素有在表层聚集的趋势。羊柴灌丛下全磷含量随土层深度的增加呈增加趋势,而油蒿灌丛全磷含量则随着土层深度的增加呈降低趋势,并且在20～40cm土层中与对照流沙中含量接近,说明全磷含量随着生物结皮的发育向表层土壤聚集。

3.4 生物结皮对结皮下层土壤速效养分的影响

速效氮含量在油蒿灌丛下含量最高,羊柴灌丛和对照流沙中的速效氮含量接近。油蒿灌丛下速效磷含量仍为最高,仅在5～20cm与羊柴灌丛下含量持平。羊柴灌丛下速效磷含量在20～30cm最低为2.72mg/kg。油蒿和羊柴灌丛的速效磷含量随土层深度增加均呈下降趋势。速效钾含量在0～5cm的土层中油蒿灌丛下含量最高为14.11 mg/kg,羊柴灌丛和流沙下含量较接近。在结皮下层5～40cm处2种植被的速效钾含量与对照流沙的含量均很接近,且都呈下降趋势。

4 结论与讨论

不同植被条件下生物结皮的土壤养分含量均高于流动沙地,说明生物结皮对干旱沙地生态系统的土壤肥力具有明显的聚集作用。油蒿灌丛下生物结皮发育的时间要比羊柴灌丛的时间长,因此油蒿灌丛下生物结皮对养分的聚集比羊柴灌丛的高。土壤pH值是土壤的重要化学性质,它直接影响植物的生长和微生物的活动以及土壤其他性质与肥力状况。研究表明,油蒿灌丛下生物结皮层的pH值较羊柴灌丛下结皮层和流沙表层的低,这种现象的产生主要是由于油蒿灌丛下结皮表面上生有匍匐藓类植物,它们的根系生长要分泌酸性物质,从而使土壤pH值降低。土壤生物结皮对下层土壤养分有明显影响,生物结皮下土壤的有机质、全效养分和速效养分的含量均高于对照流沙土壤土层,且均呈随土层深度增加含量降低的趋势,表明沙漠生物结皮层对养分具有富集作用,对风沙土的改良具有积极作用。

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