荒漠绿洲过渡带灌丛沙堆土壤养分的变化

荒漠绿洲过渡带灌丛沙堆土壤养分的变化

灌木沙堆是植物组（砂、粉砂、盐沉淀和粘土）受到植物组的阻力。在植物群附近，沉积形成的突出地形，不随着沙流的传播而改变。这是干旱地区沙地、半干旱半湿润沙地和砂质海岸带中常见的风积生物形态类型。在脆弱的生态环境中,土壤养分与植被之间存在着密切的联系。土地荒漠化过程是一种土地退化过程,其实质是土壤水分、养分与植物生长之间的自然平衡被打破,脆弱的生态系统失去了自我修复的能力,而向更恶劣的生态环境演化的过程。荒漠化土壤养分的变化是荒漠化过程中能流、物流中的重要一环,土壤养分的变化直接影响荒漠化的程度与发展。为此,笔者对荒漠绿洲过渡带灌丛沙堆土壤养分的研究进展进行了综述。1立地条件对植被生长和植被恢复的影响植物不仅是自身适应环境条件的产物,而且反过来影响其生存的环境。沙漠地区严酷的生存条件,使得研究在这里生长的灌木植物对其环境条件的正向反馈或负向反馈效应具有重要意义。沙漠灌木植物的树冠结构及其叶子的表面特点为大气降尘在叶及枝干表面积累提供了有利条件,大气降尘或植物叶子分泌物中含有许多营养物质,这些物质由树冠截留降雨形成的树干径流运至灌木根颈周围的土壤中,从而在灌木根颈周围形成“沃岛”,增加了该区域土壤的养分含量和水分含量。Whitford等认为,灌丛下土壤养分的富集是植物、土壤和土壤生物之间复杂的相互作用的结果。灌丛对土壤风蚀物质和凋落物的截获、沉积和分解,根系对养分的吸收,大气降尘、叶子的分泌物以及茎秆粗糙层中的微生物活动产物和其他物质通过灌木径流和透灌雨进入土壤,以及动物对养分的输入等均会促进“沃岛”的形成和发育,而“沃岛”的形成进一步促进了植被的生长。虽然灌丛沙堆中腐殖质、有机与无机营养元素含量比较低,但还是明显高于丘间地。在相对严酷的环境里,“沃岛”的形成有利于其上植被生长,而沙堆植被的发育又创造了一个有利于灌丛植被生产发育的环境。在温度较高的季节里,植被的阴影降低了沙堆表面和沙堆内部的温度,降低了风的速度,降低了蒸散率,减少了水分的损失;枯枝落叶与残根增加了土壤腐殖质含量,改善了土壤理化性质。土壤腐殖质的积累和土壤理化性质的改善,有助于沙堆土壤的水土保持能力,沙堆可支持更多种植物,植被盖度进一步增加,风沙活动速度进一步降低,微气候及生物生境进一步改善,形成一种良性的循环,导致沙堆的环境、结构、小气候、栖息环境与周边的丘间地有较显著的区别。沙堆以其良好的生态条件,安全和隐蔽的环境吸引了大量的生物前来栖息活动,形成一个生命活动丰富的生态岛。在世界许多干旱半干旱地区,对灌丛土壤“沃岛”的研究已取得很大进展。Schlesinger等对美国Chihuahuan和Mojave沙漠灌木的研究显示,灌丛周围土壤资源的聚集与离灌木的距离、灌木类型密切相关。在中国干旱区,灌丛土壤“沃岛”现象也已被许多学者所关注。苏永中等的研究表明,在半干旱的科尔沁沙地,几种沙丘灌木和半灌木对土壤C、N、P有明显的富集,表现出干旱半干旱地区典型的灌丛“沃岛”现象。土壤养分的富集率值(E)与一些研究者在半干旱的尼日尔Sahelian地区Sonoran沙漠以及Chichuahuan沙漠的一些灌木的研究结果一致;同时研究还表明,灌丛下土壤养分含量和根际中土壤养分含量显著相关,灌丛“沃岛”的形成有利于根系的生长,导致更多的根际沉积,而根系的活动又促进了沃岛的发育。李香真等证实,草原中小叶锦鸡儿灌丛斑块下N素等养分的富集现象,与根系的吸收过程以及灌丛对于土壤物质的截留有关。2对土壤养分含量的影响由于自然和人为因素的影响,不同的土壤类型所含的养分数量不同,养分的含量常具有明显的时空分布特点。灌木对土壤改良的功能十分显著。Virginia等的研究表明,美国西南部的Prosopisglandulosa和Larreatridentata灌丛群落土壤N、P、有机C等在“沃岛”内的含量显著高于灌丛间的相同土层,其中0~30cm土层有机C含量是灌丛间相同土层的6倍,灌丛下土壤养分的聚集与灌丛凋落物的分解和根系活动密切相关。Kieft等对美国新墨西哥州中部的塞维利特国家野生生物保护中心的“沃岛”现象进行研究时发现,灌丛冠幅下土壤的有机质、全N含量和微生物量最高,其次为草本植物下土壤,灌木间裸地最低。许文强等在研究天山北坡荒漠-绿洲过渡带灌丛土壤时发现,灌丛土壤有机质、全N和速效K含量在荒漠灌丛冠幅下最高,其次为灌丛间低矮植物下,灌丛间裸地最低,呈现出明显的“沃岛”现象。苏永中等在研究科尔沁沙地几种灌木、半灌木对沙地土壤肥力的影响时表明,有机C、全N和全P含量分别比灌丛间地高56%、51%和37%,土壤电导率(EC)提高56%,但pH值并无明显变化;灌木根际土壤较非根际土壤有机C和全N含量分别高76%和54%,根际土壤pH值降低了0.19个单位,EC提高了2~3倍,但土壤全P含量并无显著变化;灌丛下土壤养分含量和根际中土壤养分含量显著相关。裴世芳等对阿拉善退化荒漠草地恢复过程中霸王灌丛对土壤肥力的影响进行研究,结果显示霸王灌丛对土壤的C、N、P有明显的富集作用,灌丛下的影响主要发生在0~10cm土层,而灌丛根部对10~20cm的土层也有影响。岳兴玲等在研究内蒙古高原东南部灌丛沙堆时发现,灌丛沙堆有机质含量最高,其次为丘间地,耕地最少;全N、速效N、速效P和速效K等的含量均以沙堆最多,耕地最少;沙堆中全P、全K含量较丘间地低但比耕地高,相对于丘间地、耕地,灌丛沙堆沉积物中有一定的营养物质富集;而沙堆表层有机质及养分含量低于其内部;自上而下,沙堆内部有机质、全N、速效N、速效K含量趋于增加,其他养分的变化趋势不明显。3半干旱草原土壤养分分布格局在干旱和半干旱生态系统中,常因植被分布的不连续性使土壤养分逐渐聚集在一些植物个体的斑块下,形成“沃岛”,成为生态系统中生物地球化学过程最活跃区。“沃岛”的出现显示了植被对土壤特性异质性分布的重要影响,而异质性的土壤资源反过来又会影响到植物的分布格局,大大增加了植物获取和利用必需资源的难度。自20世纪90年代以来,土壤空间异质性与植被的关系一直是生态学研究的重点。随着地统计学和地理信息系统(GIS)的应用,其极大地推进了生态学中空间异质性的研究。土壤特性空间变异性的研究是根据观测或取样测定的资料,分析土壤各特性参数的空间变化特征、参数自身及各参数间的空间关系,以及将分析成果应用于确定合理的取样或观测点的数目,对未测点的参数进行最优估值等,还可结合标定理论的应用分析预测状态变量的空间分布。一些学者认为半干旱地区土壤水分和养分的异质化标志着土地的退化。当灌丛斑块占群落总面积低于10%时,群落仍保持草地的特征而处于相对稳定的状态;当灌丛斑块占群落总面积超过20%时,群落开始变得不稳定,土壤异质性逐渐增强;当群落主要由灌丛和裸地斑块组成时,便成为一个高度异质化的景观,也是土壤侵蚀频繁发生的区域。一般来说,半干旱草原中土壤N素具有小尺度格局并伴随草原向灌木地转变,土壤N素空间异质性的尺度也将增大。在草原灌丛化的过程中,灌丛斑块通过改变土壤结构、微生物量、土壤湿度和小气候,并且将有机物质集中于其冠层之下,对养分空间分布和养分循环产生影响。Burkeetal的研究表明,灌丛群落平均年龄愈大,“沃岛”发育的时间愈长,土壤养分的空间自相关愈明显;而较年轻的灌丛群落,自相关现象相对较弱。研究还发现,土壤养分中并非所有成分都表现出空间异质性,只有N、P的分布显示出强烈的空间异质性。由此推断,对灌丛生长愈重要的土壤养分,在“沃岛”中的聚集就愈显著,空间异质性现象就愈明显,即使灌丛群落消失,这种异质性现象也将保持相当长的时间。一定土层内养分平均值的变异系数(CV)可以提供土壤异质性的信息。Reynolds研究Prosopisglandulosa灌丛群落0~30cm土层时发现,其平均有效N的CV值是邻近Boutelouacriopoda草地的4倍,其他物质如PO43-、Cl1-和SO42-的CV值均大于40%,说明灌丛土壤中上述养分分布的变异性较大;而阳离子的CV值比阴离子要低,表明它们在土壤中的分布相对均匀;灌丛土壤中几乎所有离子平均浓度的CV值均高于邻近草地相同土层。相关分析表明,灌丛下土壤有效N、PO43-、有机C和K等养分含量之间有明显的相关性,而丛间土壤养分含量之间的相关性较小。对美国西南部草原生态系统中土壤养分空间分布的研究表明:土壤N素变异的35%~76%出现于小于20cm的土层中。张国盛等对毛乌素沙地天然臭柏(Pistaciachinensis)灌丛地土壤养分调查结果表明,土壤有机质含量在2.50~5.00g/kg的样方占全部土样的60.3%;全N含量在0.06~0.13g/kg的样方约占全部土样的53.4%;速效K含量在20~30mg/kg的样方约占全部土样的59.3%;碱解N含量在10~15mg/kg的样方约占全部土样的52.5%;70%的土样的速效P含量小于2mg/kg。除速效P之外,臭柏灌丛土壤养分含量在水平和垂直方向上的分布呈现较大的变异性,其中碱解N含量的变异系数(CV)最小(80.6%),而全N的变异系数(CV)最大(101.4%),表现出了良好的变异性。张强等在研究芦芽山鬼箭锦鸡儿(Caraganajubata)灌丛时发现,灌丛中心有明显的养分聚集中心,形成局部的“沃岛”效应。这种土壤养分空间分布与其所处的生境有密切关系。4不同类型林分土壤养分资源分布情况在土壤-植物系统中,研究植物引起的土壤变化,对了解系统养分动态、植物的种间竞争和植被的管理等有着重要的作用。在沙漠景观下,灌丛“沃岛”的形成和有机物质在根际的沉积是灌木植物适应贫瘠沙质环境的主要机制和有效利用养分的主要对策,研究不同灌木植物对土壤养分的聚积,对揭示灌木对系统中土壤养分的保护和有效利用机制,以及植被的演替和恢复重建等都有重要的生态学意义。目前,对有关不同灌木种类对土壤养分的利用和保护效应的研究还较少,而揭示灌木植物对土壤养分的利用对策和对土壤养分的截获和保护效应,可以为荒漠地区植被演替和重建提供科学依据。苏永中等在研究科尔沁沙地3种灌木种类差巴嘎蒿(Artemisiahalodendro)、冷蒿(Artemisiafrigid)和小叶锦鸡儿(Caragadamicrophyll)对灌丛下土壤养分富集情况时发现,相间分布于同一区域的3种灌木和半灌木,土壤有机C、全N和全P在各部位的含量均为冷蒿>小叶锦鸡儿>差巴嘎蒿,冷蒿和小叶锦鸡儿之间没有显著差异,但两者与差巴嘎蒿之间存在明显的差异;而不同的灌木种在相同部位的土壤pH值和EC无显著差异。许文强等在研究天山北坡绿洲-荒漠过渡带灌丛土壤属性时发现,不同类型灌丛对土壤pH值和养分的影响显著。同一类型、同一深度灌丛土壤pH值并没有随采样位置的不同而表现出明显的规律性,但红柳+裸地灌丛下层土壤pH值较高,而梭梭/红柳+低矮植物灌丛上层土壤pH值较高;3种类型灌丛土壤有机质、全N和速效K含量变化趋势一致,即离灌丛中心越远含量越低,同时上层土壤养分含量明显高于下层;梭梭+裸地灌丛土壤养分较贫瘠,而梭梭/红柳+低矮植物灌丛土壤养分含量较高。不同类型灌丛土壤养分的聚集程度各异,可能与灌丛分布的土壤环境位置、灌丛冠幅大小和灌丛间的植物密度有关,如灌丛间短命植物和1年生植物的根、茎、叶残留并腐烂可使部分养分得以持续循环,因此其养分含量高于丛间裸地的土壤。不同灌木种类,不同空间位置的养分含量存在明显的差异,说明同一生境下的不同灌木种对土壤环境的适应性存在一定的差异;另一方面也说明其在灌丛形成后对周围土壤的肥力亦有明显的保护效应。不同灌木种类也在一定程度上影响着养分的截存和富集。5土壤养分的动态研究不断完善,但对土壤理化性质目前,灌丛沙堆土壤养分的研究主要集中在不同荒漠化地区灌丛土壤养分的差异,植物演替对土壤养分、土壤侵蚀作用的影响,以及人为措施对灌丛土壤养分的影响上,并初步了解了荒漠化过程中土壤养分的变化规律。今后应进行