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喷洒荒漠藻对库布齐沙漠植物群落及土壤养分的影响

2021-10-19刘雪锋李佳陶乌日恒刘平生虎日乐

内蒙古林业科技 2021年3期
关键词:盖度样方草本

赵 丽,刘雪锋,李佳陶,鲁 敏,乌日恒,福 升,刘平生,虎日乐

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院,内蒙古 呼和浩特010010; 2. 沙地生物资源保护与培育国家林业局重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010010; 3. 内蒙古自治区林业和草原种苗总站,内蒙古 呼和浩特 010052)

荒漠藻是土壤藻中的一个群体,在荒漠生态中占据主导地位,具有顽强的生命力[1]。荒漠藻能适应干旱胁迫和盐碱胁迫,研究发现在盐胁迫下,荒漠藻通过改变代谢来完成糖类的渗透调节[2]。荒漠蓝藻能够抵消UV辐射,积累类胡萝卜素,产生解毒酶和抗氧化物质,修复紫外辐射造成的DNA损伤[3]。微鞘藻属(Microcoleus)和伪枝藻属(Scytonema)是荒漠藻中先锋拓殖优势物种[4-5]。因其优良的抗逆性,能够在荒漠地区恶劣的环境下生长、繁殖,并通过自身的快速生长和发育,影响和改良荒漠环境,因此常作为治理荒漠化问题的重要物种[6]。

目前,喷洒荒漠藻应用于固沙方面的研究主要集中在喷荒漠藻后沙地生物结皮形成的机理[7-8],生物结皮形成后抗风蚀的能力[9],生物结皮层对水文特征的影响[10]以及对土壤养分、稳定性的影响[11]等方面,喷荒漠藻后对植被恢复变化的影响未见报道。本研究开展对荒漠藻室内混合培养与野外喷洒试验,探讨在半固定沙地喷洒荒漠藻后对土壤改良以及植被恢复变化的影响,为荒漠藻应用于荒漠化治理提供有效的数据支持。

1 研究区概况

试验区位于鄂尔多斯高原的北缘,内蒙古林科院库布齐沙漠综合实验研究站内,地理位置40°21′30″—40°22′30″N,109°50′30″—109°51′50″E,属中温带大陆性季风气候,年平均降水量 300 mm,年平均蒸发量 2 160 mm。极端最高气温 40.2 ℃,极端最低气温 -34.5 ℃,≥10 ℃年平均积温为 3 197.4 ℃。无霜期为130~140 d。8 级以上大风日数27 d,扬沙日数58 d,多出现在3—5月,年平均风速 3.3 m·s-1,最大瞬时风速达 30.0 m·s-1。立地类型主要有半固定沙丘、固定沙丘和丘间低地。主要植物有苔草(Carexspp.)、披碱草(Elymusdahuricus)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、猪毛菜(Salsolacollina)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、油蒿(Artemisiaordosica)、尖头叶藜(Chenopodiumacuminatum)等。土壤类型主要为盐化草甸土和风沙土[12]。

2 材料与方法

2.1 荒漠藻的培养与喷洒试验

根据前期调查与筛选,选取具鞘微鞘藻(Microcoleusvaginatus)、爪哇伪枝藻(Scytonemajavanicum)和纤细席藻(Phormidiumtenue)为荒漠藻的优势藻种。首先利用BG-11培养基在5 L三角瓶中进行藻种的培养(温度28±2 ℃,光强60 μE·m-2·s-1),待其浓度达到一定量后,将这3种荒漠藻按照4∶3∶2的比例混合培养。2017年在内蒙古林科院库布齐沙漠综合实验研究站内的半固定沙丘进行荒漠藻的喷洒试验,喷洒面积为 6.67 hm2,荒漠藻液喷洒量3 750 kg·hm-2,未喷荒漠藻样地为对照。

2.2 植被调查

2020年8月对喷荒漠藻区域和未喷荒漠藻区域分别设置3个20 m × 30 m观测样地,在各观测样地内分别设置3个5 m × 5 m灌木样方,调查灌木种类、数量、分盖度和频度;在每个灌木样方内,分别设置3个1 m × 1 m草本样方,调查草本样方内植物种类、数量、分盖度和频度。

2.3 土壤养分测定

对未喷荒漠藻样地和喷荒漠藻2 a、3 a的样地分别进行土壤取样,土壤取样按照0~5 cm、5~30 cm分层取样,带回实验室处理,采用重铬酸钾法测定土壤有机质含量,采用高氯酸-硫酸消化法测定土壤全氮、全磷含量。

2.4 草本层多样性与重要值计算

采用重要值及Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数进行测度。

(1)重要值

重要值=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

(1)

相对密度=该种的所有株数/所有种的株数之和×100%

(2)

相对盖度=该种的盖度/所有种的盖度之和×100%

(3)

相对频度=该种的频度/所有种的频度之和×100%

(4)

(2)多样性指标

Shannon-Wiener指数:

(5)

Pielou均匀度指数:

(6)

物种丰富度指数:

R=S

(7)

式中:S为样方内出现的物种数;Pi为第i个物种的个体数占样方内总个体数的比重,即Pi=Ni/N;Ni、N分别为样方内第i个种的个体数和总个体数。

3 结果与分析

3.1 喷荒漠藻后半固定沙丘植物组成及变化

由表1可看出,喷荒漠藻样地植被盖度明显增加,植被盖度达 58.36%,与未喷荒漠藻样地相比植被盖度提高了 12.03%。灌木层植物种组成变化不大,主要为沙柳(Salixpsammophila)、杨柴(Hedysarummongolicum)和黑沙蒿(Artemisiaordosica),数量上沙柳没有变化,杨柴明显增加,这与自身的萌蘖更新特性有关。草本层植物种类组成及数量存在明显变化,未喷荒漠藻样地植物种类较少,仅5种,先锋植物以刺藜(Dysphaniaaristata)和碱蒿(Artemisiaanethifolia)为主,占植物总量的 66.83%和 18.32%。喷荒漠藻样地植物种类达到8种,碱蒿数量明显减少,仅占植物总量的 2.75%。多年生草本植物蓼子朴(Inulasalsoloides)、砂引草(Tournefortiasibirica)、角蒿(Incarvilleasinensis)出现;中华苦荬菜(Ixerischinensis)与禾本科植物狼尾草(Pennisetumalopecuroides)明显增加,1 a生刺藜、雾冰藜(Bassiadasyphylla)不再出现。

表1 喷荒漠藻前后植物种类组成及其密度Tab.1 Composition and density of plant species before and after spraying desert algae

3.2 喷荒漠藻后草本层植被变化

半固定沙丘喷荒漠藻后,草本层植物组成由1 a生草本植物向多年生草本植物过渡(图1)。未喷荒漠藻半固定沙丘优势植物主要为1 a生植物刺藜、雾冰藜和1 a、2 a生草本植物碱蒿,其中刺藜的重要值达 0.507。喷荒漠藻样地,优势植物为多年生植物狼尾草、中华苦荬菜和1 a、2 a生草本植物碱蒿和烛台虫实,其重要值分别为 0.260、0.182、0.154 和 0.105,雾冰藜、刺藜等1 a生草本植物基本退出群落。未喷荒漠藻草本层优势种盖度为 28.33%,其中刺藜盖度占 17.00%,碱蒿盖度占 10.00%;喷洒荒漠藻样地草本层优势种盖度为 35.33%,其中碱蒿盖度占 15.00%,狼尾草盖度占 9.35%,中华苦荬菜盖度占 8.34%,1 a生草本植物逐步被多年生草本植物取代。

图1 喷荒漠藻后草本层优势种及重要值的变化Fig.1 Changes of dominant species and important values in herb layer before and after spraying desert algae

群落演替是一个植物群落被另一个植物群落所取代的过程,它是植物群落的一个重要动态特征[13]。不同人工固沙林在自然力的作用下往往会发生演替,形成相对稳定的人工+自然植被[14]。本研究表明喷洒荒漠藻样地与未喷荒漠藻样地相比,本层植物种类明显增加,天然优势种由1 a生草本植物向多年生草本植物过渡,多年生狼尾草明显增加,1 a生草本植物刺藜、雾冰藜被取代,这与马全林等[15]研究的腾格里沙漠南缘花棒(Hedysarumscoparium)人工固沙林不同演替阶段自然优势种由1 a生草本植物向多年生草本植物演替的结论一致。但是由于区域气候差异以及人工初始干预措施和程度不同,植被演替的时间以及速度有所不同[16]。

3.3 喷荒漠藻后土壤养分变化

未喷荒漠藻和喷荒漠藻后沙地土壤养分变化见图2。与未喷荒漠藻样地相比,喷荒漠藻后 0~5 cm土层土壤有机质、全磷含量均增加,喷荒漠藻第2 年土壤有机质含量最高,为 3.47 g·kg-1,与未喷荒漠藻样地相比增加了 2.88 倍。土壤全磷含量为 0.112 g·kg-1,与未喷荒漠藻样地相比增加了 24.44%,全氮含量为 0.14 g·kg-1;喷荒漠藻第3 年土壤有机质含量开始下降,较第2 年下降了 63.38%。土壤中全氮含量小幅增加、全磷含量则较第2 年增加了 1.85 倍。与未喷荒漠藻样地相比,喷荒漠藻后5~30 cm土层土壤有机质、全磷含量均增加,喷荒漠藻第2 年土壤有机质含量最高,为 1.65 g·kg-1,与未喷荒漠藻样地相比提高了 2.17 倍。土壤全磷含量为 0.10 g·kg-1,与未喷荒漠藻样地相比增加了 24.53%,全氮含量为 0.16 g·kg-1,与未喷荒漠藻样地相比增加了 39.89%;喷荒漠藻第3 年土壤有机质含量开始下降,较第2 年下降了 48.71%,土壤中全磷含量提高了 1.64 倍,土壤全氮含量则降低了 27.15%。总体看土壤有机质、全氮、全磷含量随着土壤深度的增加逐渐降低,土壤有机质的变化趋势均表现为喷荒漠藻2 a>喷荒漠藻3 a>未喷荒漠藻。全磷则表现为喷荒漠藻3 a>喷荒漠藻2 a>未喷荒漠藻。

图2 喷荒漠藻后土壤养分变化Fig.2 Change of soil nutrients before and after spraying desert algae

荒漠藻可以很好地在流沙表面生长,随着土壤藻结皮厚度的加大,植物覆盖度逐渐增加,其有机质、全氮、全磷含量增加[17]。本研究中喷荒漠藻样地与未喷荒漠藻样地相比土壤有机质、全磷均增加,但有机质随着喷洒年限的增加出现了小幅下降,这可能与植物生长对土壤有机质的消耗以及土壤表面生物质结皮被淋溶、破坏有关。

3.4 草本层植被特征与土壤养分的相关性

对草本层植被特征与0~5 cm土层土壤的养分指标进行相关分析(表2),结果表明,植被丰富度与土壤全磷含量呈正相关(P<0.05),相关系数为 0.841,与徐建霞等[18]研究表明物种丰富度指数与土壤全磷含量呈显著正相关关系的结论相一致。植被的多样性指数与土壤有机质含量成正相关,相关系数为 0.834(P<0.05),其他植被特征与各土壤养分指标均没有显著的相关性。植被的丰富度与多样性指数呈显著正相关(P<0.05)。

表2 土壤养分指标与植被多样性指数的相关关系Tab.2 Correlation relationship between soil nutrient index and vegetation diversity index

植被影响土壤,土壤制约着植被,土壤环境与植被群落是相互联系、相互制约的关系[19]。罗琰等[20]研究表明土壤因子在影响植被的分布及组成上起着关键作用。本研究试验区喷荒漠藻样地与未喷荒漠藻样地相比,土壤有机质、全磷含量增加明显,其伴生的植物种类愈加丰富,特别是多年生狼尾草、中华苦荬菜增加并成为优势种,这进一步说明土壤中有机质、全磷含量对植物组成、分布存在影响。由于喷荒漠藻时间短,土壤其他养分含量对植被特征是否存在影响还需进行持续观测。

4 结论

(1)喷荒漠藻样地较未喷荒漠藻样地灌木层植物种组成变化不大,但草本层植物种类明显增加,其天然优势种由1 a生草本植物向多年生草本植物过渡。

(2)喷荒漠藻样地与未喷荒漠藻样地相比土壤有机质、全磷含量均增加,植被丰富度与土壤全磷呈显著正相关,植被多样性指数与土壤有机质含量成显著正相关,其他植被特征与各土壤养分指标变化没有显著相关性。

(3)喷荒漠藻后,可促进植被的恢复与土壤养分改良,加速自然植被的恢复演替。

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