巴音温都尔沙漠典型植物群落土壤物理性质研究

2021-04-08阿路斯呼德王树森詹红梅谷占强王国林

内蒙古林业科技 2021年1期

阿路斯呼德，王树森，温泉，詹红梅，曹辉，陈丛，谷占强，王国林

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古呼和浩特010011；2.乌盖苏木林工站，内蒙古乌拉特后旗 015543；3.乌拉特后旗林业和草原局，内蒙古乌拉特后旗 015543)

内蒙古自治区位于我国北部边境，是土地荒漠化、沙化问题最突出的省区之一，自治区境内分布着众多的草原、沙地和沙漠，巴音温都尔沙漠就是其中之一。巴音温都尔沙漠位于巴彦淖尔市乌拉特后旗和阿拉善盟左旗境内，狼山北部，地理坐标为40°30′25″—42°20′32″N，103°04′08″—107°38′07″E，平均海拔1 500 m以上，由雅玛雷克、海里、本巴图及白音查干等沙漠组成，总面积约为156万hm2[1]。巴音温都尔沙漠内植物群落结构简单，物种多样性低、分布极其不均匀，占有绝对优势的为矮小灌木群落。

灌木群落的生态学地位不容忽视，优势灌木物种的丧失或群落组成的改变会对寒旱区荒漠生态系统造成巨大和不可挽回的影响。因此，灌木丛的稳定性和生态功能对巴音温都尔沙漠内荒漠植被的保护和动物生境的稳定性具有不可替代的价值。土壤物理性质作为土地荒漠化过程的重要影响因素之一，目前我国对于土壤物理性质研究较多[2-4]，主要集中于森林和草原，对于荒漠区不同植物群落的土壤物理性质差异研究相对较少。鉴于此，本文以巴音温都尔沙漠的梭梭(Haloxylonammodendron)、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)、球果白刺(N.sphaerocarpa)、盐爪爪(Kalidiumfoliatum)、膜果麻黄(Ephedraprzewalskii)群落土壤为研究对象，对不同植物群落类型土壤物理性质和水分分布特点进行分析。研究浅层土壤的物理性质以及土壤水分空间分布规律，对巴音温都尔沙漠生态系统服务功能评价、防沙治沙和水土保持措施提供数据支持，对荒漠化治理和可持续发展战略的实施亦有指导意义。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古乌拉特梭梭林蒙古野驴国家级自然保护区内，保护区位于乌拉特后旗、中旗北部的宝音图苏木、前达门苏木和巴音杭盖苏木境内，地处阴山北部，距乌拉特后旗100余km，距乌拉特中旗100余km。地理坐标41°50′—42°20′N，106°15′—107°00′E。北界以中蒙边界线为界，东西由两条季节性冲击河流控制。东西横跨140余km，南北纵深22 km，总面积为13.18万hm2[5]。

内蒙古乌拉特梭梭林蒙古野驴国家级自然保护区总的地势为西北低、东南高，相对高差为130 m左右，海拔在840～960 m之间。地貌主要由戈壁平原、剥蚀低山残丘和沙地等地貌类型所构成。地表组成成分主要有砾砂质和砂质，保护区内常年受大风侵蚀，形成了部分沙地。保护区年均气温为 6.5 ℃，年均降水量为98 mm[6]。各年份降水总量以及年内各季节降水量分布极其不均匀且一般集中在7—8月，夏季的降水量占全年总降水量的70% 以上。

乌拉特梭梭林蒙古野驴国家级自然保护区土壤类型以典型荒漠土类为主，地带性土壤为灰棕荒漠土，非地带性土壤有风沙土、盐化草甸土。土壤质地较细，剖面中有黏土间层，但厚度较薄。

保护区内野生植物资源相对丰富，植被以旱生灌木或超旱生灌木为主，其中包括裸果木(Gymnocarposprzewalskii)、绵刺(Potaniniamongolica)、革苞菊(Tugarinoviamongolica)、梭梭、蒙古扁桃(Prunusmongolica)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、肉苁蓉(Cistanchedeserticola)、沙拐枣(Calligonummongolicum)和戈壁短舌菊(Brachanthemumgobicum)等。本次研究选取保护区内5种主要植物群落：唐古特白刺、盐爪爪、膜果麻黄、球果白刺和梭梭等。

2 研究方法

2.1 材料

选择巴音温都尔沙漠乌拉特梭梭林蒙古野驴国家级自然保护区缓冲区内的梭梭、唐古特白刺、球果白刺、盐爪爪和膜果麻黄5种主要群落灌丛地0～60 cm层土壤。

2.2 方法

2.2.1试验样地选择

在内蒙古乌拉特梭梭林蒙古野驴国家级自然保护区缓冲区内梭梭、唐古特白刺、球果白刺、盐爪爪和膜果麻黄5个群落各选取一片具有代表性、生长正常且远离道路和居住区的试验地块，设置一块面积为50 m × 50 m的样地，在样地的几何中心用手持GPS测定其地理坐标及高程。试验区内5种不同群落样地地理坐标及海拔见表1。对样地内的植物群落特征进行了调查，主要物种组成见表2。

表1 研究区5种群落样地地理位置

表2 研究区5种植物群落物种组成

2.2.2样品采集

在每个样地四角及中心选取5个采样点，挖取土壤剖面，分0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm和50～60 cm共6个土层，用环刀取原状土样品，用铝盒取水分测试样品，每层3个重复[7]。

2.2.3指标测定方法

将环刀土、铝盒土带回实验室，采用环刀土浸水法、烘干法测定土壤总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量和土壤容重；采用烘干法测定铝盒土含水率[8-9]。

土壤容重、孔隙度和含水率相关计算公式如下：

r=m(1-w)v

(1)

式中：r为土壤容重(g·cm-3)；m为环刀内湿样质量(g)；v为环刀容积(100 cm3)；w为土壤自然含水量(%)。

f1=(M6h-M-M1)v×100%

(2)

f2=(M24h-M-M1)v×100%

(3)

式中：f1为土壤毛管孔隙度(%)；f2为土壤总孔隙度(%)；M6h为浸水6 h带土环刀重(g)；M24h为浸水24 h带土环刀重(g)；M为环刀重(g)；M1为环刀内干土重(g)；v为环刀容积(100 cm3)。

R1=(M6h-M-M1)M1×100%

(4)

R2=(M24h-M-M1)M1×100%

(5)

w=(m1-m2)(m2-m3)×100%

(6)

式中：R1为土壤毛管含水量(%)；R2为土壤饱和含水量(%)；m1为湿土质量 + 铝盒重(g)；m2为干土质量 + 铝盒重(g)；m3为铝盒重(g)。

基于土壤物理性质特征所得土壤孔隙度及含水量数据，通过相关计算公式得到土壤饱和含水量、毛管持水量等。具体计算公式如下：

Wc=104×H×Pc×rw

(7)

Wo=104×H×Po×rw

(8)

WA=Wc+Wo

(9)

式中：Wc为土壤毛管持水量(t·hm-2)；Wo为土壤有效持水量(t·hm-2)；WA为土壤饱和持水量(t·hm-2)；H为土层深度(0.1 m)；Pc为土壤毛管孔隙度(%)；Po为土壤非毛管孔隙度(%)；rw为水容重(t·m-3)。

2.2.4数据分析

使用SPSS 20.0和Excel 2010对数据进行统计分析、差异性检验、制图。

3 结果与分析

3.1 不同植物群落土壤容重及孔隙度特征

在土壤物理性质特征中，容重和孔隙度直接影响土壤的透水性和通气性，是决定荒漠生态系统中土壤结构的重要因素之一，是反映土壤紧实程度的重要指标。土壤容重越大，总孔隙度越小，则土壤越紧实。从表3测试分析结果可知，整体上不同植物群落土壤容重随土层深度的增加无明显变化规律，土壤容重变化范围为 0.99～1.70 g·cm-3。5种群落土壤0～60 cm容重平均值大小为：膜果麻黄群落(1.63 g·cm-3)>唐古特白刺群落(1.58 g·cm-3)>梭梭群落(1.51 g·cm-3)>球果白刺群落(1.48 g·cm-3)>盐爪爪群落(1.08 g·cm-3)。不同植物群落土壤总孔隙度随土层变化而变化，但无明显规律，其变化范围为 28.48%～53.78%，土壤0～60 cm孔隙度平均值大小为：盐爪爪群落(50.22%)>梭梭群落(38.34%)>球果白刺群落(37.96%)>唐古特白刺群落(34.88%)>膜果麻黄群落(31.96%)；土壤毛管孔隙度变动范围在 28.04%～51.97% 之间，平均值大小为盐爪爪群落(48.06%)>梭梭群落(37.59%)>球果白刺群落(36.45%)>唐古特白刺群落(34.20%)>膜果麻黄群落(31.14%)；土壤非毛管孔隙度变化范围在0.16%～5.19%之间，平均值大小为盐爪爪群落(2.16%)>球果白刺群落(1.51%)>膜果麻黄群落(0.82%)>梭梭群落(0.75%)>唐古特白刺群落(0.68%)。同群落的不同土层间土壤容重差异不显著，盐爪爪群落各层土壤容重显著低于其他群落，总孔隙度和毛管孔隙度显著低于其他群落；各群落间与各土层间土壤非毛管孔隙度差异不显著。

表3 不同植物群落的土壤容重及孔隙度

对比分析不同植物群落土壤容重和孔隙度特征可知，盐爪爪群落土壤孔隙度最大，土壤通透性最好，有利于植物根系生长；唐古特白刺、球果白刺和梭梭群落次之；膜果麻黄群落土壤孔隙度最小，土壤较为紧实，通气性较差，会影响植物根系对水分和养分的吸收。

3.2 不同群落土壤持水能力

3.2.1不同群落土壤自然含水率特征

由图1可知，不同植物群落各土层自然含水率均随土层深度增加呈上升趋势。其中，膜果麻黄、球果白刺和梭梭群落土壤自然含水率随土层深度增加变幅较小，而盐爪爪和唐古特白刺群落土壤自然含水率变幅较大，且远高于其他3个群落。5种群落土壤0～60 cm土壤自然含水率大小为：盐爪爪群落(13.92%)>唐古特白刺群落(9.97%)>梭梭群落(3.06%)>球果白刺群落(2.36%)>膜果麻黄群落(0.84%)。

注：大写字母表示不同群落间差异显著，小写字母表示不同土层深度间差异显著，P<0.05。

3.2.2不同植物群落土壤持水特性

根据表4可知，唐古特白刺、盐爪爪、膜果麻黄、球果白刺、梭梭群落土壤最大持水量的变化范围分别在 309.93～383.19、486.57～537.76、293.81～361.02、342.07～422.74、284.75～446.52 t·hm-2之间，其平均值分别为 348.76、502.19、319.55、379.63、383.38 t·hm-2；土壤毛管持水量的变化范围在 308.31～380.27、437.05～519.72、286.05～352.34、335.95～406.46、280.41～439.92 t·hm-2之间，其平均值为342.00、485.54、311.36、364.50、375.87 t·hm-2；土壤非毛管持水量变化范围在 1.62～22.62、9.62～51.90、7.60～9.34、6.12～30.16、3.96～16.94 t·hm-2之间，平均值分别为 6.76、21.64、8.19、15.12、7.51 t·hm-2。盐爪爪群落各层土壤最大持水量和毛管持水量显著高于其他群落；唐古特白刺群落、膜果麻黄群落和球果白刺群落40～60 cm土层土壤最大持水量显著低于其他植物群落；各群落间与各土层间土壤非毛管持水量差异不显著。

表4 不同群落土壤持水量

5种植物群落土壤最大持水量、毛管持水量、非毛管持水量变化范围在 284.75～537.76、280.41～519.72、1.62～30.16 t·hm-2之间，最大值均出现在盐爪爪群落；土壤最大持水量和毛管持水量最小值均出现在膜果麻黄群落；非毛管持水量最小值出现在唐古特白刺群落。由此可见盐爪爪群落土壤持水能力最强，远超其他植物群落，梭梭与球果白刺群落次之且土壤持水能力相似，唐古特白刺群落持水能力较差，膜果麻黄群落土壤持水能力最差。

4 讨论

土壤的物理性质因不同群落类型而有所差异，前人研究已有证明。土壤容重影响着群落水分、湿气和能量的流通、储备和分配。土壤容重大表示土壤质地紧实，缺乏团粒结构，群落的发生、发育相对困难；容重小表示土壤质地松软结构性优良，利于植物群落的生长。本研究发现，研究区5个群落中不同植物群落土壤容重随着土壤深度的增加有着不同程度变化，但无明显规律；但盐爪爪群落土壤容重均整体上随着土层深度的增加而增加，这与高露等[10]研究一致。

土壤孔隙度是一个关于土壤通气和水分渗透的重要指数。本研究表明：不同群落土壤孔隙度随土层增加的变化趋势与土壤容重相近，且盐爪爪群落的土壤孔隙度远高于其他群落。徐燕等[11]在贵州喀斯特山区研究土壤物理性质对土壤侵蚀的影响时得出结论：土壤容重越大，总孔隙度越小，土壤侵蚀越严重。本次研究中5种植物群落符合这一规律。膜果麻黄群落土壤容重最大且总孔隙度最小，盐爪爪群落土壤容重最小且孔隙度最大。

不同植物群落土壤含水率均随着土层深度增加而增加，且最大值出现在盐爪爪群落，这与其良好的土壤通透性有关。较好的土壤通透性更有利于土壤透气透水以及植物根系的穿插，有利于抑制土壤的侵蚀，这与徐燕等[11]研究的结论一致。

在本次研究中，盐爪爪群落的土壤饱和持水量、毛管持水量和非毛管持水量在5种群落中均为最高，体现了其群落土壤的最大蓄水能力、供水能力和生产力[12]，这与其疏松的土壤结构和发达的土壤孔隙有关[13]，这与程汉亭[14]研究的结论一致。