乔慧 蒙仲举 王宁 李浩年
(内蒙古农业大学沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)
锡林郭勒草原居于首都北京北侧、内蒙古高原东南缘,作为我国4大草原之一,是京津地区和北方地区生态屏障及中国重要畜产品基地,对生态环境维护与经济发展具有重要意义[1]。近年来,旱灾、雪灾和沙尘暴使得草原草场退化、沙化和生态环境恶化问题日益严重[2]。对锡林郭勒不同类型草原的植被特征和土壤养分进行分析,有利于深入了解草原植被和土壤现状,有助于维护祖国北疆重要的生态安全和平衡,生态意义重大。
土壤是草地生态系统的重要组成部分,草原植物生长和发育所需的营养主要来源于此[3]。土壤中的养分能给植物生长提供营养条件与环境条件,对土地的可持续利用作用突出。碳(C)、氮(N)和磷(P)、钾(K)作为土壤养分中的主要元素,是土壤必需养分,直接影响土壤中营养成分含量,也是生态系统结构和功能的重要指标[4,5]。有研究表明,铵态氮(NH4＋-N)、硝态氮(NO3-N)、速效氮(AN)和速效磷(AP)作为土壤有效氮和有效磷的主要存在形式,相比全量养分,其含量变化容易在土壤中得以体现,更能直观反映出土壤中N、P养分的供需状况[6]；
除此之外,有机质也是土壤养分的主要来源之一。
在植被恢复过程中,支持植被生长的重要因子是土壤养分,同时植被恢复过程又能够通过生态系统反馈,反作用于土壤,从而促进土壤养分积累,改善其生境条件,使群落得以发展,因此土壤养分是植被恢复治理沙化的重要特征和支撑条件,植物群落特征是土壤肥力维护的表征和环境状况指示[7,8]。植被作为草原生态系统特别重要的组成部分,是连接土壤、大气和水分的重要纽带,在物质循环、能量流动以及信息传递中发挥着重要作用,其空间分布是对地区地形地貌、土壤、气候等要素长期适应的结果[9],而丰富的植物多样性是建立和谐健康生态环境的基础,也是一个地区富有生命力和活力最直观的体现[10]。大量研究指出,地上植被特征与土壤环境因子之间的关系对揭示生物多样性与生态系统功能之间的关系有着重要意义[11]。
目前关于锡林郭勒不同类型草原土壤养分及植被特征研究较少,因此本文就锡林郭勒荒漠草原和典型草原的土壤养分与植被特征做研究,旨在为草原生态系统提供基础数据支持,并对当地草原的保护管理和合理利用提供理论依据。
1.1 研究区概况
锡林郭勒草原地处内蒙古自治区中东部,主要位于锡林郭勒盟,在温带草原中极具有典型性与代表性,境内自然资源丰富,地形主要以低山丘陵和平原为主,地势大致由东南向西北倾斜,东南部多为低山和丘陵,盆地错落有致,西北地区地形多平坦,东北部为乌珠穆沁盆地,南部分布有浑善达克沙地,整体海拔在760～1926m,气候多为大陆性干旱半干旱气候,年降水量在150～350mm,降水多集中在7—9月,具有夏季温暖、冬季寒冷的明显季节性气候特征。植物群落主要以旱生丛生禾草和根茎禾草为主,并伴有部分混生植物以及葱属植物,土壤主要有黑钙土、栗钙土、风沙土等类型[12]。草原分为5大类,有草甸草原、典型草原、荒漠草原、沙地植被和其它草场类。典型草原主要分布于锡盟中部,是锡林郭勒草原的主体,地形以平原和低山丘陵为主,面积8933.33万hm2,占全盟草原的63%,而且地表水比较丰富,牧草质量好,优质牧草占50%～60%。荒漠草原位于锡盟西部,面积282.87万hm2,占全盟草地面积的20%,植物群落主要由旱生丛生小禾草组成,并混生小半灌木与葱属植物,适宜饲养羊和骆驼[13]。
1.2 研究方法
1.2.1 样地选取及土壤样品采集
试验于2021年8月10—20日,在锡林郭勒荒漠草原和典型草原进行植被调查及土壤样品的采集。共布设9个样点,在每个样点选取一块植被生长均匀、土壤和地形条件一致的代表性样地,采用五点取样法分别于样地的中心及对角线上与中心距离相等的4个点处布设样方进行植被调查,样方面积1m×1m。记录样方内植物的种类、株数、高度和盖度。同时,在各样方内分别取表层土壤,将土壤样品放于自封袋密封保存,用于测定土壤养分的相关指标。每个样点的植被和土壤样品均为5个重复。具体采样点基本情况见表1。
表1 采样点基本情况
1.2.2 土壤测定项目与方法
将自封袋的土壤样品在室内自然阴干,过2mm土壤筛并去除杂物备用,测定土壤速效钾、速效磷、碱解氮和有机质。本研究测定土壤养分的方法参考《土壤农化分析》[14],速效钾(AK)采用热硝酸溶液浸提,火焰光度法测定；
速效磷(AP)碳酸氢钠浸提,钼锑抗比色法测定土壤有效磷含量；
碱解氮采用碱解扩散法测定；
土壤有机质(SOM)采用风干土重铬酸钾外加热法测定。
1.2.3 数据计算
植物多样性选用Simpson多样指数(D)和Shannon-Wiener多样性指数(H),Pielou均匀度指数(E)进行表征。计算公式如下。
Simpson多样性指数:
Shannon-Wiener物种多样性指数:
Pielou均匀度指数:
式中,Pj为每个物种所占比例；
nj为第j个物种的个体数；
N是样方内所有个体数；
S为物种数量。
1.3 数据统计与分析
采用Excel 2016、SPSS 26软件对数据进行统计分析,用Pearson法对不同样点的土壤养分和植被特征进行相关分析。Canoco5软件分析植物群落物种多样性指数与土壤养分因子的冗余分析。冗余分析(RDA)是约束化的主成分分析,是基于结合对应分析、多元回归分析,计算的每一步都是和环境要素回归,又称多元直接梯度分析,此分析主要用来反映群落与环境因子之间的关系[15]。
2.1 植被特征分析
由表1、表2可知,不同类型草原的植被特征存在差异。自西向东从荒漠草原到典型草原,群落平均高度、地上生物量和物种数目及多样性指数逐渐增长。荒漠草原中样点2的植物种数目最少,仅有2种,而典型草原样点5的植物种类多达11种。荒漠草原的植被群落平均高度为12.38cm,而典型草原的植被群落平均高度达到了29.73cm。Simpson和Shannon-Wiener多样性指数,典型草原略高于荒漠草原,各多样性指数在2种草原类型间变化微弱,差异均不显著。Pielou均匀度指数典型草原比荒漠草原低0.01,典型草原和荒漠草原Pielou均匀度指数都略小且差异细微,说明其物种分布比较均匀。
表2 荒漠草原和典型草原植被特征
2.2 土壤养分分析
不同草原类型土壤速效钾磷、碱解氮以及有机质含量特征变化见表3。荒漠草原和典型草原研究区表层土壤速效磷平均含量为0.136mg·kg-1和0.142mg·kg-1,碱解氮含量平均值分别为2.08mg·kg-1、3.63mg·kg-1,两者含量极低均不能满足植被生长和发育的需求,需要采取人工补给措施。而典型草原土壤中速效钾含量在57.40～6.40mg·kg-1,一部分处于中级水平能够满足植被生长,剩余部分和荒漠草原需要人为干预,使钾含量满足植被生长所需,2个不同类型草原有机质含量平均值为14.18g·kg-1、15.69g·kg-1,均达到了中级水平,表明锡林郭勒草原有机质含量较其余4个速效养分含量高。土壤中的氮、磷、钾等元素是植物生长的必需物质,尤其在荒漠干旱地区,氮素对植被影响明显,而磷是植物生长必需的3大的元素之一,也是植物生长和发育过程中重要的无机成分[16],因此需多方面采取方法以提高土壤中所缺少的养分。
不同指标含量的分等评价表见表4,对不同养分含量进行分等描述,有利于为研究区土壤肥力的综合评价打下基础。由表3、表4可知,荒漠草原,速效钾含量处于第5级和第6级,水平为低和极低；
速效磷和碱解氮含量均为第6级,含量极低；
而有机质含量为第4级,水平中等。典型草原,速效钾含量跨4～6 3个等级,有中、低、极低3个水平；
速效磷和碱解氮含量为第6级,含量极低；
有机质含量处于第4级,水平中等。研究区土壤AN、AP、TN、SOM 4项指标的平均含量在2种草原类型中表现为典型草原＞荒漠草原。说明这4项养分指标含量随着草原类型的变化具有相似的分布特点,即由东向西随着水分的递减气温的递增呈现递减的趋势。
表3 荒漠草原和典型草原土壤养分含量变化特征
表4 不同养分含量分等评价体系
2.3 土壤养分与植被特征的相关性
对不同类型草原的土壤养分和植被特征进行Pearson相关分析,结果表明,部分草原类型植被均匀度指数与土壤速效钾为显著正相关关系,而土壤养分中碱解氮含量和植被多样性指数与均匀度指数均为负相关关系。
冗余性分析中的排序图,环境因子用蓝色箭头表示,群落多样性因子用红色箭头表示,因子与排序轴间的正负关系用箭头所在的象限表示,环境因子与多样性指数的相关程度用环境因子从原点开始到箭头的连线长度表示,连接线越短,相关性越小,反之越大。排序轴与箭头连线的夹角、各箭头之间连线的夹角表示两因子之间的相关性,角度呈顿角时,表明负相关关系,反之为正相关关系,夹角越大,相关性越小[15]。表6表明在排序轴的第1轴和第4轴,土壤养分因子可以很好地解释植物群落多样性与均匀度,其中2个轴的解释率高达96%。由图1可知,土壤速效磷和速效钾与2个多样性指数和均匀度指数都是正相关,其中速效钾对其影响更大,这一结果也支持了相关性分析。对群落多样性和均匀度影响的土壤养分因子排序为AK＞AP＞SOM＞AN。
表5 植被特征与土壤养分之间的相关系数
图1 土壤养分因子与植物群落特征之间的冗余性分析
表6 土壤养分因子与植物群落特征之间的冗余性分析
土壤中的养分能够不断地供应和协调植物生长发育所必需的要素,在本研究中不同草原类型表层土壤所含的速效钾、速效磷、碱解氮与有机质均是典型草原较高于荒漠草原,这与史激光[17]的研究结果相似。在常帅等[18]研究中表明,锡林郭勒草原土壤碱解氮存在显著的空间分异规律,水平方向上各土层深度AN含量均呈条带状分布并具有从东至西逐渐减少的趋势；
垂直方向上,随着土层深度的增加,土壤AN含量逐层递减,渐趋稳定。在尹萍[19]研究中,随土层深度的增加不同草地类型养分含量顺序不同,锡林郭勒草地土壤养分从2006年监测迄今有逐年上升的趋势,与围栏封育、围封休牧、禁牧、补播、适宜载畜量、生态移民等一系列有关草原保护和建设的工程有关,良好的管理措施不仅使土壤养分逐步增加,而且使退化草地的植被生产力得以恢复。因此,合理利用草地资源与良好的管理措施是保护草原生态系统可持续文明发展的长久之计。锡林郭勒草原草地类型多样并且地域广阔,土壤样本采集具有一定的局限性,本文中所涉及的土壤营养成分是否具有普遍性还有待进一步深入研究。
本研究中,从典型草原到荒漠草原,植物丰富度、群落平均高度、多样性指数逐渐减小,沿草地资源水热条件的地带性分布差异变化,自西向东水分条件越来越好,植物生长发育所受限制减少,群落均匀度指数荒漠草原与典型草原变化不明显。这与李想[20]研究结果相一致,由于水分是干旱、半干旱地区草原生态系统植物生长和发育的重要限制因素,而锡林郭勒草原物种多样性主要受水分和海拔条件制约,导致此种结果,而这也正符合潘学标等[21]研究结论,草地植物生物多样性与样地区域的多年平均年降水量呈正相关,与温度呈负相关。水、热因子不仅是影响内蒙古锡林河流域草原群落植物多样性和生产力的主要因素,同时也是影响群落植物功能群多样性和成的主要生态因子[22]。植被多样性除受这些条件影响外,还受纬度影响,张戴新月等[23]研究表明,生物多样性和生物丰富度会随着纬度的增加而减少。除此之外,植物多样性指数还与海拔、土壤、坡度、坡向、高度等因素以及人为活动(如放牧、旅游业等)相关[10]。
土壤作为生态系统中生物与环境相互作用的基质,贮存着大量的碳、氮、磷等营养物质,土壤养分对植物的生长至关重要,会直接影响植物群落的组成,决定生态系统的结构和功能[24]。本研究中,锡林郭勒荒漠草原与典型草原土壤中速效钾和速效磷含量与植被多样性指数呈正相关,对群落多样性有影响的土壤养分因子排序为AK＞AP＞SOM＞AN,这与曾睿钦[25]研究结果相同,土壤氮、磷、钾3种元素被称之为“土壤养分三要素”,其含量与分布受多种因素影响,包括成土母质、土壤质地及气候条件等因素的影响,也受到所处地形和坡度等影响,而有机质对于植物多样性的影响P值大于0.05,这与其结论有所差异,研究区位于放牧区,而放牧时间、放牧方式、放牧强度等都会引起草地植物群落特征的变化,其对放牧强度的响应尤为显著[26]。据杨晨晨[27]研究可知,放牧干扰会使植物群落稳定性发生改变,植物群落结构改变,物种多样性随之变化。因此,应注意合理放牧,适度放牧可以给植物群落中未被牲畜采食的部分植物提供更好的生长条件和更大的生存空间,促进植物的生长发育促使草原植物群落的正向演替[28]。
荒漠草原与典型草原植被平均高度分别为12.38cm和29.73cm,差异明显,多样性指数典型草原较高于荒漠草原,均匀度指数二者相差不大。
荒漠草原土壤养分含量均较低于典型草原土壤养分含量,其中,速效钾含量变化范围分别为5.60～44.60mg·kg-1、6.40～57.40mg·kg-1；
速效磷含量变化 范 围 分 别 为0.111～0.172mg·kg-1、0.113～0.178mg·kg-1；
碱解氮含量变化范围分别为0.42～11.55mg·kg-1、0.51～15.90mg·kg-1；
有机质含量变化范围分别为11.10～18.50g·kg-1、12.30～19.20g·kg-1。
2个多样性指数和均匀度指数与土壤速效磷和速效钾都是正相关,其中速效钾对其影响更大,对群落多样性和均匀度影响的土壤养分因子排序为AK＞AP＞SOM＞AN。
锡林郭勒荒漠草原和典型草原土壤养分存在差异,研究区表层土壤中氮、磷、钾元素含量都未达到植物生长需求,不同类型草原表层土壤均具有有机质含量高于其他养分含量的特征。典型草原植被状况优于荒漠草原,土壤速效钾对植被多样性影响较大,建议在进行草地管理时适量补充钾素含量。
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