天山北坡綠洲-荒漠過渡帶不同類型灌木的土壤資源聚集效應(yīng)

1種灌木生物群落的聚合利用土地覆蓋變化及其機制的研究是土地利用與土地覆蓋變化（lucc）研究的重點領(lǐng)域之一。在干旱和半干旱地區(qū)的灌木生態(tài)系統(tǒng)中，研究植物帶來的土壤資源的異質(zhì)性，對了解土壤變化對土壤的影響，特別是系統(tǒng)養(yǎng)分和養(yǎng)分的性質(zhì)起到了重要作用。干旱地區(qū)的灌木“肥島”現(xiàn)象十分普遍。schlessey等人在世界干旱和半干旱地區(qū)的研究表明，灌木周圍的土壤資源的聚集與灌木之間的距離及其灌木類型密切相關(guān)。在中國干旱地區(qū)，許多科學(xué)家也關(guān)注灌木“肥島”現(xiàn)象。在準(zhǔn)噶爾盆地南緣,自山麓沖積扇以下至廣袤沖積平原荒漠之間存在著一個不同于荒漠的地帶.這里地形較破碎,植被相對復(fù)雜,大面積開墾形成的綠洲與保存的天然草地、林地和灌叢并存,存留于綠洲外緣與荒漠接壤的地區(qū),稱之為綠洲-荒漠過渡帶.在綠洲-荒漠過渡帶廣泛分布著以梭梭(Haloxylonammodendron)、紅柳(Tamarixramosissima)為建群種的灌木群落.它們作為綠洲的保護(hù)屏障,對遏制沙漠的蔓延具有重要作用.本文選擇干旱區(qū)綠洲-荒漠過渡帶不同類型的3種灌叢,分析其土壤粒度分布、養(yǎng)分和鹽分的聚集效應(yīng).2研究領(lǐng)域和方法2.1土壤、植被類型研究區(qū)選在天山北坡三工河流域綠洲與古爾班通古特沙漠之間的綠洲-荒漠過渡帶(44°12′～44°21′N,87°50′～87°54′E).該區(qū)處于干旱荒漠氣候的控制之下,海拔450～480m,多年平均氣溫6.6℃,多年平均降水164mm,降水量年際變化很大,年蒸發(fā)潛力為1780～2453mm,屬極端大陸性氣候.研究區(qū)土壤為堿化漠鈣土、草甸鹽土或鹽化草甸土.植被主要以灌木和半灌木群落為主,除了短命植物和1年生植物外,幾乎全為旱生和超旱生植物,具有典型荒漠植被的特點.荒漠植被的優(yōu)勢種和建群種絕大多數(shù)是灌木和半灌木,群落以紅柳、梭梭、琵琶柴(Reaumuriasoongorica)為主,覆蓋度在5%～40%.根據(jù)灌木群落特征和覆蓋度選擇3種類型的灌叢進(jìn)行研究.A)紅柳灌叢:灌叢間為裸地,植被覆蓋度約15%(紅柳+裸地灌叢);B)梭梭灌叢:灌叢下及周圍有短命植物和1年生植物,植被覆蓋度約25%(梭梭+低矮植物灌叢);C)紅柳灌叢:灌叢下及周圍有短命植物和1年生植物,植被覆蓋度約25%(紅柳+低矮植物灌叢).2.2學(xué)習(xí)方法2.2.1混合樣的采集和處理2004年5月,在不同的分布區(qū)對每種類型的灌叢任意選擇3個樣區(qū).在每個樣區(qū)內(nèi),在離灌叢中心0～30cm、30～60cm、60～90cm和90～120cm的位置上分別采集0～20cm和20～40cm兩個深度的土樣共8個,并將不同樣區(qū)內(nèi)每個采樣深度和采集位置上的土樣混合,得到約1kg的混合樣.每種類型的灌叢采集8個混合土樣,3種類型的灌叢土壤中共采集了24個混合土樣.樣品經(jīng)自然風(fēng)干和過2mm篩后,進(jìn)行室內(nèi)分析.2.2.2測定項目和方法土壤pH值采用電極法測定;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;全氮采用半微量開氏法測定;全磷采用硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法測定;堿解氮采用堿解-擴散法測定;速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀采用1mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法測定;CO32-和HCO3-采用雙指示劑-中和滴定法測定;Cl-采用硝酸銀滴定法測定;Ca+和Mg2+采用原子吸收分光光度法測定;K+和Na+采用火焰光度法測定;SO42-采用硫酸鋇質(zhì)量法測定.土壤粒度分析采用馬爾文激光粒度儀(Malvern2000)測定,其粒度測定范圍為0.2～2000μm.采用國際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn):砂0.02～2mm;粉砂0.002～0.02mm;粘土<0.002mm.2.2.3土壤資源富集率所有土壤數(shù)據(jù)分析均在SPSS軟件下進(jìn)行.不同深度、不同灌叢類型和不同采樣位置對土壤屬性的影響通過單因素方差分析(One-wayANOVA)來完成(P<0.05).為了更好地反映灌叢下和灌叢間土壤資源的富集特征,采用富集率E表示0～40cm深度土壤資源的富集程度.E=X/Y其中,X為灌叢下(離灌叢0～60cm范圍內(nèi))土壤屬性均值;Y為灌叢間(離灌叢60～120cm范圍內(nèi))土壤屬性均值;E表示富集率,其大小反映土壤屬性值在灌叢下和灌叢間的富集程度.如果E>1,說明該土壤屬性值在灌叢下富集,相反則在灌叢間富集.3結(jié)果與討論3.1下、下土壤砂、粉砂和粘土含量不同類型灌叢上、下層土壤都以砂和粉砂為主,且二者含量之和大于80%,粘土含量較低.紅柳+裸地灌叢土壤粒度分布特征為:離灌叢中心越遠(yuǎn),土壤粘土和粉砂含量越高、砂含量越低,且上層土壤粉砂含量高于下層(圖1).其原因可能是由于灌叢冠幅能有效地減弱風(fēng)速,致使粒度較粗的砂和粉砂首先沉積,細(xì)粒的粘土則沉積較少.而梭梭/紅柳+低矮植物灌叢土壤砂、粉砂和粘土含量并沒有隨采樣位置的不同而呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,但其下層土壤粘土含量高于上層.同時,上、下層土壤粘土和粉砂含量都高于紅柳+裸地灌叢(圖1).這可能是受灌叢間低矮植物的影響,因為低矮植物的存在能更有效地截獲空氣中細(xì)粒的粘土和粉砂,說明叢間為裸地的灌叢和叢間為低矮植物的灌叢對風(fēng)攜帶的砂、粉砂和粘土的截獲效果有明顯差異.3.2不同類型下利用權(quán)力分布的土壤環(huán)境分布特征由表1可見,不同類型灌叢對土壤pH值和養(yǎng)分的影響顯著.同一類型、同一深度灌叢土壤pH值并沒有隨采樣位置的不同而表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性,但紅柳+裸地灌叢下層土壤pH值較高,而梭梭/紅柳+低矮植物灌叢則上層土壤pH值較高.Rostagno對南美干旱區(qū)灌木的研究也顯示上層土壤pH值高于下層.這與地表蒸發(fā)導(dǎo)致鹽分離子在土壤表層聚集有關(guān).3種類型灌叢土壤有機質(zhì)、全氮和速效鉀含量變化趨勢一致,即離灌叢中心越遠(yuǎn)含量越低,同時上層土壤養(yǎng)分含量明顯高于下層.梭梭+裸地灌叢土壤養(yǎng)分較貧瘠,而梭梭/紅柳+低矮植物灌叢土壤養(yǎng)分含量較高,說明灌叢周圍的土壤養(yǎng)分明顯向冠幅下聚集,表現(xiàn)出明顯的“肥島”現(xiàn)象.不同類型灌叢土壤養(yǎng)分的聚集程度(“肥島”)各異,可能與灌叢分布的土壤環(huán)境位置、灌叢冠幅大小和灌叢間的植物密度有關(guān),如灌叢間短命植物和1年生植物的根、徑、葉殘留并腐爛可使部分養(yǎng)分得以持續(xù)循環(huán),因此其養(yǎng)分含量高于叢間為裸地的土壤.Kieft等對美國新墨西哥州中部的塞維利特國家野生生物保護(hù)中心(SevilletaNationalWildlifeRefuge)“肥島”現(xiàn)象進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),灌叢冠幅下土壤的有機質(zhì)、全氮含量和微生物量最高,其次為草本植物下土壤,灌木間裸地最低,與本文的研究結(jié)果相一致.3.3離下灌中心不同灌叢類型和不同采樣位置對上層土壤SO42-、HCO3-、Ca2+、總鹽含量和下層土壤SO42-、Cl-含量變化的影響顯著(表2),但同一類型灌叢土壤鹽分離子含量并沒有隨采樣位置的不同而表現(xiàn)出聚集趨勢.梭梭/紅柳+低矮植物灌叢上層土壤總鹽含量低于下層,且總鹽含量隨采樣位置的不同而表現(xiàn)出相同的變化趨勢,即離灌叢中心越遠(yuǎn)含量越低;紅柳+裸地灌叢上層土壤總鹽含量高于下層,其總鹽含量隨采樣位置不同而表現(xiàn)出與梭梭/紅柳+低矮植物灌叢相反的變化趨勢,即離灌叢中心越遠(yuǎn)含量越高(圖2).紅柳+裸地灌叢冠幅下土壤總鹽含量低于灌叢間.這是因為干旱區(qū)降雨較少,灌叢通過降雨截流使冠幅下方土壤水分流動強于灌叢間裸地,鹽分離子隨入滲水分向灌叢邊緣運動并在灌叢間聚集,強烈的地表蒸發(fā)使鹽分在灌叢間土壤上層聚集,故而離灌叢中心越遠(yuǎn),上層土壤總鹽含量越高.這與Wezel等在尼日爾和Schlesinger等在美國干旱區(qū)的研究結(jié)果相符.而梭梭/紅柳+低矮植物灌叢土壤總鹽含量變化正好與紅柳+裸地灌叢相反,即鹽分離子表現(xiàn)出向灌叢中心聚集的趨勢.這可能是由于灌叢間低矮植被的存在影響了土壤水分的流動和地表蒸發(fā)的緣故.3.4紅柳+裸地灌草原區(qū)土壤理化性質(zhì)的富集特征在0～40cm土層深度,不同類型灌叢土壤資源在冠幅下(離灌叢中心0～60cm)和灌叢間(離灌叢中心60～120cm)都表現(xiàn)出不同程度的富集(表3).紅柳+裸地灌叢土壤砂、有機