宁夏云雾山典型草原植被封育演替草地群落结构分析

宁夏云雾山典型草原植被封育演替草地群落结构分析

草地植被的形成过程是土壤环境与植被相互作用的生态过程。土壤植物群落的结构和组成不仅发生变化，而且土壤养分、水分、物理和结构特征也发生了变化。土壤结构是维持土壤功能表现的基础,其特征变化对草地生态系统的物质传输利用、水土流失控制等方面具有重要作用。草地生态系统施行封育措施能够排除人为因素和牲畜对系统的影响,使其在自身弹性下进行演替。因此研究封育草地自然演替过程中土壤结构特征的变化规律,有助于了解草原生态系统的土壤环境状况,为生态环境建设提供参考依据。土壤结构评价一般分为形态描述评价、团聚体数量和质量评价以及孔隙性、透水性或结构性等的评价。常用的评价指标包括>0.25mm水稳性团聚体含量(water-stableaggregatescontent,WSAC)、平均重量直径(meanweightdiameter,MWD)、几何平均直径(geometricmeandiameter,GMD)、结构系数等。近年来,土壤学研究中借鉴和应用分形理论,用土壤颗粒和团聚体粒径的重量分布描述土壤颗粒组成,团聚体组成的土壤颗粒分形维数(以下简称分维)和土壤团聚体分维(soilaggregatefractaldimension,Da),并推导出包含土壤孔隙分维(soilporefractaldimension,Dp)的水分特征曲线模型,使定量描述土壤结构特征成为可能。但目前对草地生态系统土壤结构评价指标的选择和分析仍以单项为主,缺乏对多项指标综合分析,以及对指标适宜性方面的讨论。云雾山自然保护区位于宁夏固原市东北部,始建于1982年,是我国西北地区保护最完整,黄土高原保护最早的以本氏针茅(StipabungeanaTrin.)为建群种的典型草原生态系统自然保护区,对该地区封育自然演替草地群落的土壤结构和适宜性指标方面的研究尚不多见。本文选择保护区内封育24年的百里香(ThymusmongolicusRonn.)群落、铁杆蒿(ArtemisiasacrorumLedeb.)群落、大针茅(StipagrandisP.Smirn.)群落和本氏针茅群落,以坡耕地为对照,对表层0～10cm的土壤水稳性团聚体分布、孔隙度和土壤结构评价指标进行研究和分析,探讨半干旱典型草原区封育草地的土壤结构及评价指标的适宜性,以期为黄土高原退耕封育草地植被建设的土壤环境效应评价提供理论依据。1土壤条件及自然条件保护区位于东经106°24′～106°28′,北纬36°13′～36°19′,海拔1800～2148m,总面积7000hm2,属中温带半干旱气候区,年平均气温4～6℃,干燥度1.5～2.0,年降雨量400～450mm(1983-2003年),一般丰水年占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%,蒸发量1330～1640mm;≥10℃积温为2100～3200℃,年均无霜期为112-137d。地势南低北高,阳坡平缓,阴坡较陡,属温凉半干旱黄土覆盖的低山丘陵区,土壤为黄土母质上发育的淡黑垆土和黄绵土,土层分布均匀深厚,地下水位深,补水能力差。保护区自1982年开始封山禁牧,经过24年,草地植被盖度多在90%以上,主要以本氏针茅、百里香、铁杆蒿、大针茅、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)群落为主,伴生种以猪毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst.etKitag.)、厚穗冰草(Aneurolepidiumdasystachys(Trin.)Kitag.)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisL.)等为主,其中丛生禾本科植物本氏针茅在该区分布范围最广。2材料和方法2.1植被演替研究邹厚远等实际观测了云雾山自然保护区内弃耕地自然恢复演替序列,表现为弃耕地→香茅草(Cymbopogonflexuosus(NeesexSteud.)Wats.)群落→百里香+杂类草群落→本氏针茅+百里香群落→本氏针茅+铁杆蒿群落→本氏针茅+大针茅群落,最近贾晓妮等的研究表明未封区本氏针茅+大针茅群落具有向封育后大针茅+本氏针茅群落演替的趋势。保护区由退耕地香茅草群落恢复演替到本氏针茅群落需要四、五十年的时间,1982年保护区建立的时候,管理处选择并建立了几个不同植被演替阶段的长期定点观测样方,分别是杂草群落、百里香群落、铁杆蒿群落、大针茅群落和本氏针茅群落,为本研究的样地选择提供了条件。本研究的主要方法是通过在空间上选择完整的封育草地群落演替序列来重建时间上草地群落自然演替过程,以此来研究演替过程中土壤结构特征的变化。半干旱区现有草地群落大部分为原坡耕地弃耕并施行封育措施后形成,与坡耕地受人为因素和耕作方式的影响相反,弃耕地封育是在自然因素作用下进行植被恢复和演替。本实验以坡耕地为对照,选取四个封育演替群落样地(百里香、铁杆蒿、大针茅和本氏针茅群落),对比分析草地施行封育措施对土壤结构特征的影响,并讨论植被演替过程中土壤结构状况的变化,具体样地情况见表1。2.2土壤水分特征曲线法于2006年8月2日,在每个样地中,随机选择定点观测样方周围与观测样方内植被类型相近(坡耕地除外)的3个样点进行样品采集。采样前先剪掉地上植物部分并去掉枯枝落叶层,采样深度0～10cm,挖土壤坡面,并用塑料盒分别采集原状土和混合样,在剖面旁用100cm3的环刀采集环刀样,每个样地3次重复。原状土带回实验室后,沿土壤自然结构掰成小土块,剔除掉石块和粗根,铺开在阴凉通风处自然风干后,用沙维诺夫法测定分别为>5mm、2～5mm、1～2mm、0.5～1mm、0.25～0.5mm和<0.25mm粒径的水稳性团聚体含量(WSAC),并据此计算平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和团聚体分维(Da)。混合样自然风干后分成两个子样,一个子样过1mm筛后用MS2000激光颗粒分析仪测定土壤颗粒组成,另一个子样过0.25mm筛后用重铬酸钾外加热法测定有机质含量。环刀样先用离心机法测定土壤水分特征曲线,实验完成后将环刀内土样烘干(105～110℃,10h),计算土壤容重;对水分特征曲线拟合计算土壤孔隙分维(Dp)、毛管孔隙度和非毛管孔隙度;土壤总孔隙度计算公式如下:总孔隙度=(1-土壤容重/土壤比重)×100%,土壤比重取值2.65g/cm3。样地表层0～10cm土壤颗粒分布为砂粒(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处理数据用DPS数据处理系统进行单因素方差分析,并用LSD法进行差异显著性比较。3结果与分析3.1土壤团聚体稳定性从0～10cm土层水稳性团聚体粒径分布可知(表2),与坡耕地相比,封育草地群落>2mm粒径大团聚体含量显著提高了2.6～3.3倍,且百里香、铁杆蒿、大针茅和本氏针茅群落依次增大;0.25～2mm粒径团聚体含量表现出与>2mm粒径相反的变化趋势;封育草地群落<0.25mm土壤微团聚体含量显著低于坡耕地(P<0.05),并随着演替过程逐渐减少,本氏针茅群落最低,说明草地封育演替过程中大团聚体含量逐渐增加,微团聚体含量逐渐减少。WSAC(>0.25mm)、MWD和GMD常被用来评价土壤团聚体的稳定性。MWD是各级团聚体的综合指标,其值随着大粒级团聚体含量的增加而增大,说明团聚体稳定性较好;GMD是对团聚体在主要粒级分布的描述,其值越大,团聚体含量在大粒级上的分布越多,孔隙度则越好。从表2可看出,封育草地群落的MWD和GMD显著大于坡耕地(P<0.05),分别是坡耕地的2.36和2.37倍,但封育草地群落之间的MWD和GMD并无显著差异。封育草地群落的WSAC(>0.25mm)也显著高于坡耕地(P<0.05),并表现出依照百里香、铁杆蒿、大针茅和本氏针茅群落顺序增大的趋势,本氏针茅群落最高,达到66.6%,说明经过24年封育演替后,各封育草地群落的土壤团聚体稳定性和孔隙状况较坡耕地均有提高,其中本氏针茅群落最好。3.2不同立地条件下封育草地的孔隙结构土壤团聚体分维(Da)反映了团聚体含量对土壤结构稳定性的影响趋势,其值越小,结构稳定性越好,反之,则越差。由图1可知,与坡耕地相比较,封育草地的Da显著降低了5.5%(P<0.05),而在封育草地群落中,百里香、铁杆蒿、大针茅和本氏针茅群落Da逐渐降低,且本氏针茅群落与百里香群落差异显著(P<0.05)。可见草地封育使土壤结构得到明显改善,而且在封育草地群落演替过程中,土壤结构稳定性逐渐提高。土壤孔隙分维(Dp)能够反映土壤中孔隙的均匀性和连通性,其值越大,说明孔隙越均匀,连通性越好。由图2可知,封育草地大针茅和本氏针茅群落的Dp显著(P<0.05)比坡耕地、百里香及铁杆蒿群落大,而后三者之间的差异并不显著。坡耕地、百里香和铁杆蒿群落之间的Dp虽然没有统计学上的差异,但它们孔隙状况的形成原因却不相同,坡耕地是在人为因素或机械耕作影响下形成的,而百里香和铁杆蒿群落却是演替过程中自身改变形成的。大针茅和本氏针茅群落是本区域的较高级群落,它们的Dp值较大,说明其土壤具有较好的孔隙均匀度和连通性。3.3影响土壤结构的因素和评价指标的分析3.3.1不同封育措施对土壤表层有机碳含量的影响五个样地之间0～10cm土壤表层有机碳含量差异显著(P<0.05)(表3),百里香、铁杆蒿、大针茅、本氏针茅群落有机碳含量依次增加,分别是对照坡耕地的1.76、2.03、2.18和2.38倍,且四个封育草地群落的有机碳平均值为28.03g/kg,比坡耕地提高了108.73%,说明草地封育措施和群落演替过程显著增加了土壤表层的有机碳含量。受人为耕作影响,坡耕地表层土壤容重一般较低,但与坡耕地(0.97g/cm3)相比,四个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、大针茅和本氏针茅群落容重值为0.83～0.84g/cm3(表3),更加说明草地封育措施能有效降低表层土壤容重。土壤孔隙度能够反映土壤的疏松程度及水分、空气容量的大小,常用指标为总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度。对草原生态系统而言,总孔隙度反映了土壤潜在调节降雨和蓄水的能力,毛管孔隙度和非毛管孔隙度则反映了草原植被持水利用和滞留水分的能力。如表3所示,封育草地的总孔隙度和毛管孔隙度均显著高于坡耕地(P<0.05),封育草地群落表现出随着演替过程而逐渐增大的趋势;非毛管孔隙度的变化趋势与毛管孔隙度相反。说明封育草地植被具有较好的改善土壤孔隙状况的作用,并且这种作用随着群落演替逐渐增强。3.3.2毛管孔隙度da、dp、gmd与其他参数的关系如表4所示,五个评价指标:WSAC(>0.25mm)、MWD、GMD、Da、Dp均与有机碳含量显著相关(P<0.05)。此外,WSAC(>0.25mm)、Da与容重具有显著(P<0.05)相关关系,与毛管孔隙度具有极显著(P<0.01)相关关系;Dp也与毛管、非毛管孔隙度之间具有极显著(P<0.01)相关关系。但MWD仅与毛管孔隙度相关,GMD与其他因素无相关性。从而,WSAC(>0.25mm)、Da及Dp与大部分的影响因素显著或极显著相关,说明它们能够较全面地反映出影响因素导致的土壤结构差异;而MWD、GMD仅与少部分影响因素相关,在反映影响因素作用下土壤真实结构特征方面有所欠缺。3.3.3土壤结构特征与主要影响因素的关系土壤结构评价指标不仅是土壤自身结构特征的综合反映,也是各种影响因素作用的结果体现。由于每个评价指标对土壤结构的评价角度具有差别,所以与不同影响因素的相关性也不同。因此,选择适宜的评价指标不仅应该最大程度地反映出样地间土壤结构特征的差异,也应充分体现出各影响因素作用的差异,即与更多的影响因素相关。对于坡耕地与封育草地之间土壤结构特征的差异,五个评价指标均能很好地描述,且每个评价指标所表现的趋势也与草地演替过程及影响因素表现的相一致,但是对于四个封育草地群落之间差异的描述以及与影响因素的相关性,不同指标表现不一。比较可知,在黄土高原半干旱典型草原区,WSAC(>0.25mm)、Da及Dp能够较大程度地反映出封育草地群落之间土壤结构特征的差异,并且与大部分的影响因素有相关关系,因此相对比较适宜作为该地区封育草地的土壤结构特征评价指标,而MWD、GMD在本研究中不能体现出各个封育草地群落之间的土壤结构特征差异,并且仅与较少的影响因素具有相关关系,因此作为土壤结构特征评价指标有所欠缺,但由于样地土壤不可避免地存在空间变异性现象,对这两个指标适宜性的研究仍需进一步讨论和明确。综上所述,WSAC(>0.25mm)、Da及Dp更适宜于作为半干旱典型草原区封育草地土壤结构特征的评价指标。4土壤结构影响因素随封育草地群落的变化良好的土壤结构应具有稳定的团聚体和良好的孔隙状况,使土壤中的水、气、热能够顺利地进行运移和利用,并能抵抗土壤侵蚀。本实验中半干旱典型草原区坡耕地的各项土壤结构性质均显著低于封育草地,说明施行封育措施能明显改善土壤结构。封育草地在演替过程中,土壤大团聚体含量逐渐增加,微团聚体含量逐渐减少,WSAC(>0.25mm)、MWD、GMD和Dp逐渐增加,Da逐渐减少,说明封育演替促进了良好土壤结构的形成。安韶山等对云雾山自然保护区内不同植被恢复年限的封育草地进行了水稳性团聚体含量和团聚体分维研究,WSAC(>0.25mm)在40～50%之间,Da在2.75～2.86之间,本实验中WSAC(>0.25mm)在58.2～66.6%之间,Da在2.65～2.74之间,其结果的变化趋势与本文一致。土壤结构影响因素随着封育草地群落的演替过程表现出如下变化趋势:土壤有机碳含量显著增加,容重显著降低,毛管孔隙度逐渐增大,非毛管孔隙度逐渐降低。董杰等和苏永中等对退化草地围栏封育恢复的研究表明,随着围封年限的增加,有机碳含量显著增加,土壤容重逐渐下降,孔隙度增大,与本文结果基本一致。土壤有机碳含量是气候、植被、微生物、管理等因素影响土壤有机碳输入与输出之间平衡的结果,草地植被演替过程中更多的凋落物积累,在土壤