寧夏云霧山典型草原植被封育演替草地群落結(jié)構(gòu)分析

草地植被的形成過程是土壤環(huán)境與植被相互作用的生態(tài)過程。土壤植物群落的結(jié)構(gòu)和組成不僅發(fā)生變化，而且土壤養(yǎng)分、水分、物理和結(jié)構(gòu)特征也發(fā)生了變化。土壤結(jié)構(gòu)是維持土壤功能表現(xiàn)的基礎(chǔ),其特征變化對草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)傳輸利用、水土流失控制等方面具有重要作用。草地生態(tài)系統(tǒng)施行封育措施能夠排除人為因素和牲畜對系統(tǒng)的影響,使其在自身彈性下進行演替。因此研究封育草地自然演替過程中土壤結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律,有助于了解草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤環(huán)境狀況,為生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考依據(jù)。土壤結(jié)構(gòu)評價一般分為形態(tài)描述評價、團聚體數(shù)量和質(zhì)量評價以及孔隙性、透水性或結(jié)構(gòu)性等的評價。常用的評價指標包括>0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量(water-stableaggregatescontent,WSAC)、平均重量直徑(meanweightdiameter,MWD)、幾何平均直徑(geometricmeandiameter,GMD)、結(jié)構(gòu)系數(shù)等。近年來,土壤學(xué)研究中借鑒和應(yīng)用分形理論,用土壤顆粒和團聚體粒徑的重量分布描述土壤顆粒組成,團聚體組成的土壤顆粒分形維數(shù)(以下簡稱分維)和土壤團聚體分維(soilaggregatefractaldimension,Da),并推導(dǎo)出包含土壤孔隙分維(soilporefractaldimension,Dp)的水分特征曲線模型,使定量描述土壤結(jié)構(gòu)特征成為可能。但目前對草地生態(tài)系統(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)評價指標的選擇和分析仍以單項為主,缺乏對多項指標綜合分析,以及對指標適宜性方面的討論。云霧山自然保護區(qū)位于寧夏固原市東北部,始建于1982年,是我國西北地區(qū)保護最完整,黃土高原保護最早的以本氏針茅(StipabungeanaTrin.)為建群種的典型草原生態(tài)系統(tǒng)自然保護區(qū),對該地區(qū)封育自然演替草地群落的土壤結(jié)構(gòu)和適宜性指標方面的研究尚不多見。本文選擇保護區(qū)內(nèi)封育24年的百里香(ThymusmongolicusRonn.)群落、鐵桿蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)群落、大針茅(StipagrandisP.Smirn.)群落和本氏針茅群落,以坡耕地為對照,對表層0～10cm的土壤水穩(wěn)性團聚體分布、孔隙度和土壤結(jié)構(gòu)評價指標進行研究和分析,探討半干旱典型草原區(qū)封育草地的土壤結(jié)構(gòu)及評價指標的適宜性,以期為黃土高原退耕封育草地植被建設(shè)的土壤環(huán)境效應(yīng)評價提供理論依據(jù)。1土壤條件及自然條件保護區(qū)位于東經(jīng)106°24′～106°28′,北緯36°13′～36°19′,海拔1800～2148m,總面積7000hm2,屬中溫帶半干旱氣候區(qū),年平均氣溫4～6℃,干燥度1.5～2.0,年降雨量400～450mm(1983-2003年),一般豐水年占28.0%,平水年占35.5%,枯水年占36.5%,7-9月份降雨量占全年降雨量的65～75%,蒸發(fā)量1330～1640mm;≥10℃積溫為2100～3200℃,年均無霜期為112-137d。地勢南低北高,陽坡平緩,陰坡較陡,屬溫涼半干旱黃土覆蓋的低山丘陵區(qū),土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育的淡黑壚土和黃綿土,土層分布均勻深厚,地下水位深,補水能力差。保護區(qū)自1982年開始封山禁牧,經(jīng)過24年,草地植被蓋度多在90%以上,主要以本氏針茅、百里香、鐵桿蒿、大針茅、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)群落為主,伴生種以豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.etKitag.)、厚穗冰草(Aneurolepidiumdasystachys(Trin.)Kitag.)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisL.)等為主,其中叢生禾本科植物本氏針茅在該區(qū)分布范圍最廣。2材料和方法2.1植被演替研究鄒厚遠等實際觀測了云霧山自然保護區(qū)內(nèi)棄耕地自然恢復(fù)演替序列,表現(xiàn)為棄耕地→香茅草(Cymbopogonflexuosus(NeesexSteud.)Wats.)群落→百里香+雜類草群落→本氏針茅+百里香群落→本氏針茅+鐵桿蒿群落→本氏針茅+大針茅群落,最近賈曉妮等的研究表明未封區(qū)本氏針茅+大針茅群落具有向封育后大針茅+本氏針茅群落演替的趨勢。保護區(qū)由退耕地香茅草群落恢復(fù)演替到本氏針茅群落需要四、五十年的時間,1982年保護區(qū)建立的時候,管理處選擇并建立了幾個不同植被演替階段的長期定點觀測樣方,分別是雜草群落、百里香群落、鐵桿蒿群落、大針茅群落和本氏針茅群落,為本研究的樣地選擇提供了條件。本研究的主要方法是通過在空間上選擇完整的封育草地群落演替序列來重建時間上草地群落自然演替過程,以此來研究演替過程中土壤結(jié)構(gòu)特征的變化。半干旱區(qū)現(xiàn)有草地群落大部分為原坡耕地棄耕并施行封育措施后形成,與坡耕地受人為因素和耕作方式的影響相反,棄耕地封育是在自然因素作用下進行植被恢復(fù)和演替。本實驗以坡耕地為對照,選取四個封育演替群落樣地(百里香、鐵桿蒿、大針茅和本氏針茅群落),對比分析草地施行封育措施對土壤結(jié)構(gòu)特征的影響,并討論植被演替過程中土壤結(jié)構(gòu)狀況的變化,具體樣地情況見表1。2.2土壤水分特征曲線法于2006年8月2日,在每個樣地中,隨機選擇定點觀測樣方周圍與觀測樣方內(nèi)植被類型相近(坡耕地除外)的3個樣點進行樣品采集。采樣前先剪掉地上植物部分并去掉枯枝落葉層,采樣深度0～10cm,挖土壤坡面,并用塑料盒分別采集原狀土和混合樣,在剖面旁用100cm3的環(huán)刀采集環(huán)刀樣,每個樣地3次重復(fù)。原狀土帶回實驗室后,沿土壤自然結(jié)構(gòu)掰成小土塊,剔除掉石塊和粗根,鋪開在陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干后,用沙維諾夫法測定分別為>5mm、2～5mm、1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm和<0.25mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體含量(WSAC),并據(jù)此計算平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和團聚體分維(Da)。混合樣自然風(fēng)干后分成兩個子樣,一個子樣過1mm篩后用MS2000激光顆粒分析儀測定土壤顆粒組成,另一個子樣過0.25mm篩后用重鉻酸鉀外加熱法測定有機質(zhì)含量。環(huán)刀樣先用離心機法測定土壤水分特征曲線,實驗完成后將環(huán)刀內(nèi)土樣烘干(105～110℃,10h),計算土壤容重;對水分特征曲線擬合計算土壤孔隙分維(Dp)、毛管孔隙度和非毛管孔隙度;土壤總孔隙度計算公式如下:總孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100%,土壤比重取值2.65g/cm3。樣地表層0～10cm土壤顆粒分布為砂粒(0.05～1mm)31.4%～34.3%,粗粉粒(0.05～0.01mm)51.4%～54.8%,粘粒(<0.001mm)1.2%～2.3%。2.3處理數(shù)據(jù)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行單因素方差分析,并用LSD法進行差異顯著性比較。3結(jié)果與分析3.1土壤團聚體穩(wěn)定性從0～10cm土層水穩(wěn)性團聚體粒徑分布可知(表2),與坡耕地相比,封育草地群落>2mm粒徑大團聚體含量顯著提高了2.6～3.3倍,且百里香、鐵桿蒿、大針茅和本氏針茅群落依次增大;0.25～2mm粒徑團聚體含量表現(xiàn)出與>2mm粒徑相反的變化趨勢;封育草地群落<0.25mm土壤微團聚體含量顯著低于坡耕地(P<0.05),并隨著演替過程逐漸減少,本氏針茅群落最低,說明草地封育演替過程中大團聚體含量逐漸增加,微團聚體含量逐漸減少。WSAC(>0.25mm)、MWD和GMD常被用來評價土壤團聚體的穩(wěn)定性。MWD是各級團聚體的綜合指標,其值隨著大粒級團聚體含量的增加而增大,說明團聚體穩(wěn)定性較好;GMD是對團聚體在主要粒級分布的描述,其值越大,團聚體含量在大粒級上的分布越多,孔隙度則越好。從表2可看出,封育草地群落的MWD和GMD顯著大于坡耕地(P<0.05),分別是坡耕地的2.36和2.37倍,但封育草地群落之間的MWD和GMD并無顯著差異。封育草地群落的WSAC(>0.25mm)也顯著高于坡耕地(P<0.05),并表現(xiàn)出依照百里香、鐵桿蒿、大針茅和本氏針茅群落順序增大的趨勢,本氏針茅群落最高,達到66.6%,說明經(jīng)過24年封育演替后,各封育草地群落的土壤團聚體穩(wěn)定性和孔隙狀況較坡耕地均有提高,其中本氏針茅群落最好。3.2不同立地條件下封育草地的孔隙結(jié)構(gòu)土壤團聚體分維(Da)反映了團聚體含量對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響趨勢,其值越小,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好,反之,則越差。由圖1可知,與坡耕地相比較,封育草地的Da顯著降低了5.5%(P<0.05),而在封育草地群落中,百里香、鐵桿蒿、大針茅和本氏針茅群落Da逐漸降低,且本氏針茅群落與百里香群落差異顯著(P<0.05)。可見草地封育使土壤結(jié)構(gòu)得到明顯改善,而且在封育草地群落演替過程中,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸提高。土壤孔隙分維(Dp)能夠反映土壤中孔隙的均勻性和連通性,其值越大,說明孔隙越均勻,連通性越好。由圖2可知,封育草地大針茅和本氏針茅群落的Dp顯著(P<0.05)比坡耕地、百里香及鐵桿蒿群落大,而后三者之間的差異并不顯著。坡耕地、百里香和鐵桿蒿群落之間的Dp雖然沒有統(tǒng)計學(xué)上的差異,但它們孔隙狀況的形成原因卻不相同,坡耕地是在人為因素或機械耕作影響下形成的,而百里香和鐵桿蒿群落卻是演替過程中自身改變形成的。大針茅和本氏針茅群落是本區(qū)域的較高級群落,它們的Dp值較大,說明其土壤具有較好的孔隙均勻度和連通性。3.3影響土壤結(jié)構(gòu)的因素和評價指標的分析3.3.1不同封育措施對土壤表層有機碳含量的影響五個樣地之間0～10cm土壤表層有機碳含量差異顯著(P<0.05)(表3),百里香、鐵桿蒿、大針茅、本氏針茅群落有機碳含量依次增加,分別是對照坡耕地的1.76、2.03、2.18和2.38倍,且四個封育草地群落的有機碳平均值為28.03g/kg,比坡耕地提高了108.73%,說明草地封育措施和群落演替過程顯著增加了土壤表層的有機碳含量。受人為耕作影響,坡耕地表層土壤容重一般較低,但與坡耕地(0.97g/cm3)相比,四個封育草地群落的容重平均值(0.86g/cm3)降低了11.3%,尤其百里香、大針茅和本氏針茅群落容重值為0.83～0.84g/cm3(表3),更加說明草地封育措施能有效降低表層土壤容重。土壤孔隙度能夠反映土壤的疏松程度及水分、空氣容量的大小,常用指標為總孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。對草原生態(tài)系統(tǒng)而言,總孔隙度反映了土壤潛在調(diào)節(jié)降雨和蓄水的能力,毛管孔隙度和非毛管孔隙度則反映了草原植被持水利用和滯留水分的能力。如表3所示,封育草地的總孔隙度和毛管孔隙度均顯著高于坡耕地(P<0.05),封育草地群落表現(xiàn)出隨著演替過程而逐漸增大的趨勢;非毛管孔隙度的變化趨勢與毛管孔隙度相反。說明封育草地植被具有較好的改善土壤孔隙狀況的作用,并且這種作用隨著群落演替逐漸增強。3.3.2毛管孔隙度da、dp、gmd與其他參數(shù)的關(guān)系如表4所示,五個評價指標:WSAC(>0.25mm)、MWD、GMD、Da、Dp均與有機碳含量顯著相關(guān)(P<0.05)。此外,WSAC(>0.25mm)、Da與容重具有顯著(P<0.05)相關(guān)關(guān)系,與毛管孔隙度具有極顯著(P<0.01)相關(guān)關(guān)系;Dp也與毛管、非毛管孔隙度之間具有極顯著(P<0.01)相關(guān)關(guān)系。但MWD僅與毛管孔隙度相關(guān),GMD與其他因素?zé)o相關(guān)性。從而,WSAC(>0.25mm)、Da及Dp與大部分的影響因素顯著或極顯著相關(guān),說明它們能夠較全面地反映出影響因素導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)差異;而MWD、GMD僅與少部分影響因素相關(guān),在反映影響因素作用下土壤真實結(jié)構(gòu)特征方面有所欠缺。3.3.3土壤結(jié)構(gòu)特征與主要影響因素的關(guān)系土壤結(jié)構(gòu)評價指標不僅是土壤自身結(jié)構(gòu)特征的綜合反映,也是各種影響因素作用的結(jié)果體現(xiàn)。由于每個評價指標對土壤結(jié)構(gòu)的評價角度具有差別,所以與不同影響因素的相關(guān)性也不同。因此,選擇適宜的評價指標不僅應(yīng)該最大程度地反映出樣地間土壤結(jié)構(gòu)特征的差異,也應(yīng)充分體現(xiàn)出各影響因素作用的差異,即與更多的影響因素相關(guān)。對于坡耕地與封育草地之間土壤結(jié)構(gòu)特征的差異,五個評價指標均能很好地描述,且每個評價指標所表現(xiàn)的趨勢也與草地演替過程及影響因素表現(xiàn)的相一致,但是對于四個封育草地群落之間差異的描述以及與影響因素的相關(guān)性,不同指標表現(xiàn)不一。比較可知,在黃土高原半干旱典型草原區(qū),WSAC(>0.25mm)、Da及Dp能夠較大程度地反映出封育草地群落之間土壤結(jié)構(gòu)特征的差異,并且與大部分的影響因素有相關(guān)關(guān)系,因此相對比較適宜作為該地區(qū)封育草地的土壤結(jié)構(gòu)特征評價指標,而MWD、GMD在本研究中不能體現(xiàn)出各個封育草地群落之間的土壤結(jié)構(gòu)特征差異,并且僅與較少的影響因素具有相關(guān)關(guān)系,因此作為土壤結(jié)構(gòu)特征評價指標有所欠缺,但由于樣地土壤不可避免地存在空間變異性現(xiàn)象,對這兩個指標適宜性的研究仍需進一步討論和明確。綜上所述,WSAC(>0.25mm)、Da及Dp更適宜于作為半干旱典型草原區(qū)封育草地土壤結(jié)構(gòu)特征的評價指標。4土壤結(jié)構(gòu)影響因素隨封育草地群落的變化良好的土壤結(jié)構(gòu)應(yīng)具有穩(wěn)定的團聚體和良好的孔隙狀況,使土壤中的水、氣、熱能夠順利地進行運移和利用,并能抵抗土壤侵蝕。本實驗中半干旱典型草原區(qū)坡耕地的各項土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)均顯著低于封育草地,說明施行封育措施能明顯改善土壤結(jié)構(gòu)。封育草地在演替過程中,土壤大團聚體含量逐漸增加,微團聚體含量逐漸減少,WSAC(>0.25mm)、MWD、GMD和Dp逐漸增加,Da逐漸減少,說明封育演替促進了良好土壤結(jié)構(gòu)的形成。安韶山等對云霧山自然保護區(qū)內(nèi)不同植被恢復(fù)年限的封育草地進行了水穩(wěn)性團聚體含量和團聚體分維研究,WSAC(>0.25mm)在40～50%之間,Da在2.75～2.86之間,本實驗中WSAC(>0.25mm)在58.2～66.6%之間,Da在2.65～2.74之間,其結(jié)果的變化趨勢與本文一致。土壤結(jié)構(gòu)影響因素隨著封育草地群落的演替過程表現(xiàn)出如下變化趨勢:土壤有機碳含量顯著增加,容重顯著降低,毛管孔隙度逐漸增大,非毛管孔隙度逐漸降低。董杰等和蘇永中等對退化草地圍欄封育恢復(fù)的研究表明,隨著圍封年限的增加,有機碳含量顯著增加,土壤容重逐漸下降,孔隙度增大,與本文結(jié)果基本一致。土壤有機碳含量是氣候、植被、微生物、管理等因素影響土壤有機碳輸入與輸出之間平衡的結(jié)果,草地植被演替過程中更多的凋落物積累,在土壤