阿拉善荒漠草地几种灌木对土壤有效态养分的影响_郭丁

Vol.29　No.1

Jan.2009

文章编号:10002694X(2009)0120095206

阿拉善荒漠草地几种灌木对土壤有效态养分的影响

郭丁,裴世芳,俞斌华,傅华3

(农业部草地农业系统学重点开放实验室,兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州730020)

摘　要:对阿拉善荒漠草地广泛分布的几种灌木、半灌木土壤有效态常量和微量营养元素的“肥岛”效应进行了研究。结果表明:①霸王、白刺、红砂和沙冬青提高了灌丛根部土壤速效Na、K、Fe和Mn的含量,而降低了灌从根部土壤速效Ca、Mg的含量;驼绒藜除对土壤速效Mg含量有显著影响外,对其他元素无显著的影响。②霸王、白刺和沙冬青对速效Na、K、Fe和Mn有明显的富集作用,对速效Ca负富集作用;红砂对速效Na有极强的富集作用,EA、

EB分别为37159和52193;除红砂和驼绒藜对速效Mg有富集作用外,其余灌丛对速效Mg无富集作用。③灌丛周

围土壤pH值与速效K、Fe和Zn含量呈显著负相关,与Ca呈正相关,与速效Na无相关性。霸王、白刺、沙冬青周围土壤速效Mg含量与pH值也呈显著正相关;除了霸王外,其他灌木周围土壤速效Mn含量都与pH值呈负相关。关键词:灌丛;肥岛;速效养分;阿拉善中图分类号:S151.95文献标识码:A

　　在土壤2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[1]。在干旱荒漠草地生态系统中,灌木对其周围土壤结构、养分、微生物生物量、土壤湿度和小气候产生影响,并将养分集中于其冠层下,从而对养分的空间分布和循环产生影响,形成灌木(肥)岛效应(fertileisland)[2-4]。灌木肥岛的形成是植物与土壤间物理和生物学过程共同作用的结果[2],对周围土壤的肥力有明显的保护作用[5],同时,肥岛的形成和有机物质在根部的沉积也是灌木植物适应贫瘠环境的主要机制和有效利用养分的主要对策[6]。

阿拉善高平原地处我国西北内陆干旱区,荒漠草地占该区可利用草地面积的88%,是当地畜牧业生产的重要资源[7]。由于人为因素、地理位置、地形地貌和气候因素的影响制约,该区的植物种类稀少,植被稀疏,植物群落结构简单,主要由旱生、超旱生的灌木、半灌木和小灌木组成[8]。灌木作为该生态系统的优势植物种,具有抗逆性强,稳定性好等特点,在干旱的环境中能保持植被的盖度,有效地减缓荒漠草地逆向演替和消亡的进程[9],也是沙漠入侵的最后屏障。因此,研究灌木植物对土壤养分的聚集,引起土壤养分的空间异质性分布,对揭示灌木对生态系统中土壤养分的保护与有效利用机制具有重要的意义。灌丛引起的“肥岛”效应在国内外已有一些报道[1-18],笔者以阿拉善荒漠广为分布的几种主

要灌木为研究对象,探讨不同灌木对土壤速效养分的影响,进而反映灌木对土壤速效养分的积聚程度和对土壤肥力的保护效应,为揭示灌木对荒漠草地土壤速效养分的保护和有效利用机制及其在草地恢复中的作用提供基础资料。

1　研究区自然概况

研究区位于内蒙古阿拉善左旗巴彦浩特西南约32km处,地理坐标为39°08′N,105°35′E,海拔1360m。该区具有典型干旱荒漠气候特征,年均温度811℃,≥10℃年积温为3200～3400℃。年均降水量60～150mm,70%以上集中在7—9月。年均蒸发量3000～4100mm,年大风日数达47d[7]。土壤为灰棕漠土。主要灌木种有霸王(Zygophyl2lumxanthoxylum)、红砂(Reaumuriasoongorica)、驼绒藜(Ceratoideslateens)、猫头刺(Oxytropisaci2phylla)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、白刺(Nitrariasibirica);草本植物有无芒隐子草(Cleisto2genessongorica)、画眉草(Eragrostispoaeoides)、条叶车前(Plantagolessingii)、狗尾草(Setariaviridis)、虫实(Corispermunelongatum)等。

2　研究方法

2.1　植被特征测定

在研究样地内,随意选取霸王、红砂、驼绒藜、沙

　　收稿日期:2008204205;改回日期:2008205228

　　基金项目:国家自然科学重点项目(90711002);国家自然科学基金项目(30671485)共同资助

),男,江苏宿迁人,硕士研究生。主要从事土壤理化分析工作。Email:guod06@lzu.cn　　作者简介:郭丁(1986—

　　3通讯作者:傅华(Email:fuhua@lzu.edu.cn)

第29卷　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　沙　漠　　　　　　　　　　　　　96

冬青和白刺灌丛各6株作为6个重复,测定灌丛的

高度、冠幅、生物量(采取当年新生枝条和叶,带回室内60℃下烘干48h称重)。5种灌木的形态学特征列在表1中。

表1　5种灌木形态特征

Table1　Morphologicalfeaturesof5shrubs

植物名称

科

冠幅

/cm174.8±7.62533.0±26.7676.9±5.24231.0±13.9678.2±5.54<0.01速效Na、K、Fe和Mn含量变化具有相同趋势,均表

现为灌丛根部>灌丛下>灌丛间地,且灌丛根部与灌丛间地有显著的差异;而土壤速效Ca和Mg含量则表现相反的趋势,为灌丛根部<灌丛下<灌丛间地。柽柳科植物红砂周围土壤速效Na、Mg和Fe的含量表现为灌丛下≥灌丛根部>灌丛间地,灌丛下显著高于灌丛间地;而Ca含量与霸王、白刺周围土壤表现一致,且灌丛根部与灌丛下和灌丛间地差异显著,K、Mn和Zn含量各部位没有显著差异。豆科植物沙冬青周围土壤速效Na、Fe、Mn、Zn含量表现为灌丛根部>灌丛下>灌丛间地,但仅Na和Mn含量灌丛根部显著大于灌丛间地;土壤速效Ca

株高

/cm75.6±3.86

生物量

/(g・株-1)345.8±53.75

霸王蒺藜科白刺蒺藜科红砂

柳科

.0±9.761027.2±124.1626.8±3.1775.9±3.4853.0±4.06<0.0590.1±11.40656.3±65.397.0±12.76

<0.01沙冬青豆科驼绒藜藜科

ANOVA

P

2.2　土壤样品采集与分析和Mg含量均与上述3种植物表现一致;土壤速效

K含量为灌丛下最高。藜科植物驼绒藜周围土壤仅速效Mg含量灌丛根部和灌丛间地显著高于灌丛下外,对其他元素无显著影响。3.2　不同灌木的土壤速效养分富集率

对选好的5种灌丛每种选6株作为6个重复,

每株灌丛分别于灌丛根部(A)、灌丛下(位于冠幅边缘,B)、灌丛间地(距冠幅边缘1m,C)处取0—10cm、10—20cm和20—30cm深度土样。每株灌丛,每个位置按东、南、西、北4个方向取4份土壤,混为一个土壤样品带回实验室分析。土壤样品在室内风干,过2mm筛去除残留的枯落物和根系物质。速效钠、钾、钙、镁用乙酸铵提取法(液土比10∶1),速效铁、锰、锌用DTPA溶液浸提(液土比2∶1)。用火焰光度计测钠、钾、钙,用原子吸收分光光度计测得镁、铁、锰、锌[19]。剩余土样过1mm筛,称取10g土壤用于测定pH值(水土比1∶1悬液)。2.3　数据分析

各种灌木对土壤速效养分的富集能力也不一

致,蒺藜科植物霸王与白刺周围土壤速效Na、K、Fe、Mn表现为正富集作用,富集率大于1,除了白刺周围土壤速效Mn为EA小于EB,其余均为EA大于EB;速效Ca、Mg为负富集作用,EA和EB都小于1。柽柳科植物红砂对周围土壤速效Na、Mg、Fe表现为正富集作用;速效K、Ca、Mn为负富集作用,速效Na、K、Ca、Fe、Mn富集率为EA小于EB,速效Mg、Zn富集率为EA大于EB。豆科植物沙冬青周围土

采用富集率(Enrichmentratio,E)表征土壤养

分富集程度[11]。EA=A/C,反映灌丛根部养分的富集程度;EB=B/C,反映灌丛下养分的富集程度。数据应用SPSS1310软件进行统计分析。采用LSD法对灌丛不同部位、不同灌丛土壤中速效养分含量及不同灌丛土壤中速效养分的富集率进行单因素方差分析,土壤pH值与土壤速效养分的相关性采用相关分析。

壤速效Na、K、Fe、Mn、Zn富集率大于1,速效Ca、Mg富集率小于1;速效Ca和Mg富集率表现为EA小于EB,速效Fe、Mn和Zn富集率表现为EA大于EB。藜科植物驼绒藜周围土壤速效Na、K、Mg、Fe、Mn富集率大于1,速效Zn富集率小于1;速效Na、Fe富集率同样为EA大于EB,速效K、Ca、Mg、Mn、Zn富集率也为EA小于EB。

对不同灌丛同一部位富集率做方差分析,结果表明,不同灌丛间的EA和EB都存在显著的差异(表2)。霸王、白刺和红砂对土壤速效Na有较强的富集能力,特别是红砂和白刺,0—10cm土层EA和EB值红砂为37159和52193,白刺为11114和9117。与其他植物相比,红砂和驼绒藜对土壤速效Mg也具有较高的富集率,0—10cm土层EA和EB大于1,其他植物小于1。尽管各种灌木间土壤速效Ca的富集率有显著差异(P<0101),但5种灌木对钙都呈负富集作用,0—10cm土层EA和EB≤1。在灌丛

3　结果

3.1　不同灌木对土壤速效养分的影响

阿拉善荒漠草地不同灌木对土壤速效养分的影

响不一致(图1)。蒺藜科植物霸王、白刺周围土壤

　第1期郭丁等:阿拉善荒漠草地几种灌木对土壤有效态养分的影响

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图1　不同灌丛对土壤速效养分影响

[不同大写字母表示差异显著(P<0105),不同小写字母表示P<011]

Fig.1　Soilavailablenutrientundervariousshrubs

根部,霸王、白刺和沙冬青对速效Fe富集能力相当,略高于红砂和驼绒藜;而霸王的速效K富集率最高(表2)。

3.3　土壤速效养分含量与pH值之间相关关系

K、Ca、Fe和Zn含量与pH值之间有显著的相关

性,速效K、Fe呈显著的负相关,速效Ca呈显著的正相关,除了驼绒藜周围土壤速效Zn与pH值之间

呈显著的正相关外,其余4种灌丛周围土壤速效Zn与pH值都呈显著的负相关。速效Na含量与土壤pH值之间无相关性。霸王、白刺、沙冬青周围土壤速效Mg含量与pH值也呈显著正相关(P<0105);

表3列出不同灌丛周围土壤速效养分与pH值的相关系数。从表3可知,5种灌木周围土壤速效

第29卷　　　　　　　　　　　　　　　　中　国　沙　漠　　　　　　　　　　　　　98

除了霸王外,其他灌木周围土壤速效Mn含量都与pH值有显著负相关性(表3)。

表2　不同灌丛的土壤速效养分富集率

Table2　Enrichmentratiosofsoilavailablenutrientfordifferentshrubs

土层

/cm0—10

速效养分速效Na速效K速效Ca速效Mg速效Fe速效Mn速效Zn

霸王

EA

EB

EA

白刺

EB

EA

红砂

EB

沙冬青

EA

EB

驼绒藜

EA

EB

EA

F

EB

ANOVA

EA

EB

5.711.740.760.901.431.570.804.921.080.490.691.551.440.933.921.240.680.541.551.660.95

2.581.050.730.941.371.301.193.771.080.980.911.141.291.163.621.020.950.871.071.421.31

11.141.320.790.731.451.371.258.231.240.770.572.411.431.304.751.650.790.462.531.361.50

9.171.220.870.811.351.391.075.821.300.980.741.661.491.183.861.331.000.661.661.481.38

37.590.870.871.791.280.901.0821.360.750.831.001.260.721.5414.690.780.950.841.140.771.19

52.930.970.971.751.570.950.9325.950.941.011.010.730.840.9414.930.990.930.730.720.860.95

1.901.320.770.851.441.811.301.101.260.710.681.411.561.760.871.460.720.551.881.221.13

1.461.0.860.1.221.451.181.831.350.940.781.231.071.061.961.871.000.661.221.121.05

1.581.150.941.271.201.070.723.460.901.001.011.310.970.752.481.090.981.041.130.930.84

1.051.241.021.541.041.100.860.761.130.950.971.131.130.83

131.915.07.747.13.114.23.510.73.650.114.05.015.716.6

250.522.814.314.012..16.87.83.35.65.85.07.37.3606.112.97.216.222.39.311.0

<0.001<0.001<0.001<0.0010.002<0.001<0.001<0.0010.052<0.001<0.0010.036<0.0010.032<0.001<0.0010.011<0.001<0.001

0.0220.0030.0020.0420.0070.0060.0110.0020.002

10—20速效Na速效K速效Ca速效Mg速效Fe速效Mn速效Zn

20—30速效Na速效K速效Ca速效Mg速效Fe速效Mn速效Zn

1.181028.61.200.971.031.111.110.86

13.586.915.111.05.93.9

<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

0.003

<0.001<0.001<0.001<0.0010.005

0.001

0.026<0.001

表3　土壤速效养分与pH值之间的相关关系

Table3　CorrelationcoefficientbetweensoilavailablenutrientandpH

植物名称霸王白刺红砂沙冬青驼绒藜

速效Na

-0.13-0.240.19-0.17-0.13

速效K

-0.67333-0.4333-0.4933-0.53333-0.74333

速效Ca

0.753330.793330.703330.833330.4833

速效Mg

0.763330.70333-0.260.57333-0.03

速效Fe

-0.333-0.4533-0.57333-0.79333-0.5633

速效Mn

-0.23-0.333-0.58333-0.83333-0.3933

速效Zn

-0.4433-0.343-0.69333-0.553330.3933

　　注:显著水平:3P<011;33P<0105;333P<0101;n=27。

4　讨论

在荒漠生态系统中灌木通常是建群种,灌木为

人们提供燃料和家畜饲草的同时,也是防风固沙的主要植物,是防治沙漠入侵的最后屏障,在荒漠化的恢复中有重要作用[10]。灌丛的生长增加了地表粗糙度、降低风速,并能截获凋落物、风吹蚀表层土和尘埃等,尘埃中速效Ca、K、Mg、P和N的含量都高于全土[11]。灌丛植物大量的根系分泌物以及根部的脱落物,都增加了土壤C、N、P含量[5-6,10,20-21],土壤养分增加的同时,也为根部微生物提供了丰富的养分,影响了灌丛周围微环境,改善根部土壤状况[5,11,20-21]。研究结果表明,阿拉善广为分布的灌

木霸王、白刺、红砂和沙冬青大多都提高了灌从根部土壤速效Na、K、Fe和Mn的含量,而降低了灌从根部土壤速效Ca的含量。除红砂和驼绒藜灌从根部和灌丛下土壤速效Mg大于灌丛间地外,其余为小于灌丛间地或差异不显著。驼绒藜灌丛除对土壤速效Mg含量有影响外,对其他元素无影响。灌丛根部土壤速效养分的含量受土壤pH值、灌木凋落物养分含量和矿化度、根系分泌物、根部的脱落物以及植物吸收等因素的影响[11]。Wezel等研究发现,灌丛下土壤中有机碳、N、P、Ca2+都明显提高,Na+和Mg2+没有显著增加[11]。造成差异的原因可能是因为阿拉善荒漠草原土壤为呈碱性的灰钙土,草地土壤速效Na、Mg和Ca含量差异很大,Na的含量非

　第1期郭丁等:阿拉善荒漠草地几种灌木对土壤有效态养分的影响

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常低,仅在0102mg・g-1左右,速效Mg含量在0112～0128mg・g-1之间,速效Ca含量很高,在317～9127mg・g-1,且阿拉善大多灌丛体内渗透调节物质贡献最大的为Na(表4)[22-23],植物凋落物中大量的Na增加了灌丛根部和灌丛下土壤速效Na的含量。根部土壤速效Ca、Mg的降低,可能由于根系的呼吸作用和根际微生物的呼吸作用,导致

2-根部土壤CO3浓度增加,富集的Ca、Mg以碳酸钙和碳酸镁的形式淀积。微量元素Fe和Mn含量的增加,可能主要为灌丛根系分泌物的影响。因阿拉善荒漠草地土壤全量Fe(1437179～2440168mg・kg-1)和Mn(154151～308165mg・kg-1)的含量很高[24],而速效养分含量很低(Fe:212～2162mg・kg-1,Mn:1114～2170mg・kg-1),在通气良好的土壤中,铁、锰、铜等元素主要以高价氧化态存在,溶解度较低,而根系分泌物含有许多还原物质,通过还原作用,提高其有效性;根系分泌的大量有机酸、氨基酸等也可与这些金属元素形成螯合物。根系分泌物的还原、螯溶等作用活化了根部土壤中难溶的Fe、Mn化合物,增加了其速效养分的含量[25]。

灌丛不同部位土壤养分的差异,除可能由于不

同灌木的枯落物养分含量和矿化度不同导致,也可能受灌木的外表形态的影响,冠幅的形状会影响灌丛肥岛效应[15,26]。阿拉善荒漠5种灌丛株高、冠幅、生物量分别为1416～7519cm、72～533cm、90～1027g・株-1,不同灌丛之间差异显著(P<0105)(见表1),半灌木红砂和驼绒藜的冠幅和生物量远小于霸王、白刺和沙冬青,生物量仅是其他3种灌木的1/10～3/10,这可能也是驼绒藜对各种土壤速效养分含量无显著影响的原因,而红砂也仅对Na和Mg有显著的富集作用,主要是其枯落物养分含量很高所致。不同灌丛对土壤养分富集的程度也不尽一致。3种多浆旱生植物红砂、白刺和霸王对土壤速效Na有极强的富集能力,其富集率显著高于少浆旱生植物,这主要与植物体内含Na非常高有关[22-23](表4)。富集率最强的红砂为泌盐型植物,其具有泌盐腺,可不断地将从土壤中吸收的盐排出体外,在雨水的冲洗下进入土壤,加之凋落物的回归,致使灌丛根部和灌丛边部土壤速效钠的含量分别是灌丛间地的37倍和52倍,红砂对速效Mg富集率最强,也与红砂地上部Mg的含量非常高有关(表4)[22-23]。

表4　5种灌木体内Na、K、Ca、Mg含量[22-23]

Table4　TheconcentrationofNa,K,Ca,Mginfiveshrubs[22-23]

种属霸王白刺红砂沙冬青驼绒藜

少浆旱生植物多浆旱生植物

分类

地上

15.5429.2423.142.091.31

Na/%

K/%

Ca/%

Mg/%

地下

26.314.114.42.353.58

地上

1.20.940.470.742.54

地下

0.740.990.490.410.53

地上

1.920.830.760.430.82

地下

0.550.830.750.330.46

地上

0.580.92.090.790.86

地下

0.040.340.260.140.19

　　pH值与土壤养分有显著的相关性,pH值是影

响土壤养分有效性的重要因素[11,26-27]。本研究结果表明,pH值与速效K、Ca、Fe、Mn、Zn有显著的相关性,与速效K、Fe、Mn、Zn呈负相关关系;而与速效Ca、Mg呈正相关;与土壤速效Na无相关性。阿拉善土壤为碱性的灰钙土,灌木显著地降低了土壤pH值[5],根系的呼吸作用,根系分泌物影响土壤pH值,pH值降低,有利于提高土壤Fe、Mn、Zn、Cu的有效性[27]。pH值与速效Na无相关性,可能是由于阿拉善荒漠多浆旱生灌木体内含有大量Na[22],土壤速效钠的含量主要受植物凋落物返回和植物对钠吸收的影响。

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InfluenceofSeveralShrubsonSoilAvailable

NutrientinAlxaDesertSteppe

GUODing,PEIShi2fang,YUBin2hua,FUHua

(KeyLaboratoryofGrasslandAgro2ecologySystem,MinistryofAgriculture;CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China)

Abstract:‘Fertileislands’areformedunderseveralshrubsandsubshrubswhichwidelydistributeinAlxa

DesertSteppe,theirsoilavailablecontentofmajorelementsandtraceelementswerestudiedinthispaper.Theresultsshowed:①Z.xanthoxylum,N.sibirica,R.soongoricaandA.mongolicusincreasedsoila2vailablecontentofNa,K,FeandMnattheclumpcenter,anddecreasedsoilavailablecontentofCaandMg;C.lateensonlyincreasedsoilavailablecontentofMg,andtherewasnosignificantinfluenceonotheravailablenutrients.②Z.xanthoxylum,N.sibirica,A.mongolicushadsignificantfunctiononenrich2mentratiosforavailableNa,K,FeandMn,andhadnegativefunctiononenrichmentratioforavailableCa;R.soongoricahadhighfunctiononenrichmentratiosforavailableNa.ExceptforR.soongorica,C.la2teens,theothershrubshadnofunctiononenrichmentforavailableMg.③pHvaluehassignificantlynega2tivecorrelationwithK,FeandZncontent,buthassignificantlypositivecorrelationwithCacontentandMgcontent,andnocorrelationwithNacontent;exceptforZ.xanthoxylum,theothershrubsexistednega2tivecorrelationbetweenpHvalueandMncontent.

Keywords:shrub;fertileisland;availablenutrient;Alxa