4.1 干旱与半干旱荒漠草原区柠条灌丛对土壤粒径组成与分形维数的影响
土壤粒径分布是反映土壤结构和土壤发育程度的指标之一,也是影响土壤水力特性、土壤侵蚀以及土壤退化的重要土壤物理特性之一[19]。本研究中,盐池和乌拉特荒漠草原柠条灌丛内外土壤粒径含量分布高峰范围相近,且2个研究区土壤颗粒组成以极细砂粒为主,黏粒和粉粒次之(表2)。这主要是由于荒漠草原区环境条件恶劣,土地和植被退化,风蚀作用导致土壤黏粉粒迁移损失,极细砂粒含量增加[20]。在盐池和乌拉特荒漠草原,土壤黏粒含量均表现为裸地显著高于灌丛,但在盐池荒漠草原土壤中砂粒表现为灌丛下显著高于裸地,在乌拉特荒漠草原灌丛下土壤极细砂粒和细砂粒表现为灌丛下显著高于裸地,这与灌丛“沃岛”效应[4]呈现的结果相悖。分析原因可能是研究区柠条灌丛发生老化而导致其局部拦截风沙流的能力降低,导致风蚀作用增强而使得灌丛下土壤黏粒减少而细砂粒和中砂粒增加[21-22]。同时,灌丛内外微生境土壤粉粒含量均表现为盐池高于乌拉特,而土壤细砂粒均表现为乌拉特高于盐池,主要原因在于乌拉特荒漠草原年降雨量低且多风,风蚀与土壤堆积极不稳定,导致土壤表层粉粒流失,细砂粒含量上升[23]。由此可见,人工柠条林土壤颗粒组成变化是由多种因素决定的,而降水分布会影响土壤颗粒组成。
在盐池荒漠草原,土壤分形维数表现为灌丛内外无显著差异,但在乌拉特荒漠草原,土壤分形维数则表现为灌丛下低于裸地,这与文星跃等[24]关于岷江上游河谷草本灌木植被下土壤分形维数变化的研究结果不一致。一方面说明在盐池柠条灌丛对土壤分形维数的影响较小,土壤分形维数主要还是与土壤本身的物理基质有关[25]。同时也说明较为干旱的乌拉特,降雨量偏少,风蚀强度大,导致其细颗粒物质减少,粗颗粒物质增多,土壤结构松散,故土壤分形维数降低[26]。无论灌丛内外,盐池与乌拉特荒漠草原土壤分形维数均无显著差异。分析原因可能是荒漠草原的土壤类型主要以风沙土为主,土壤母质以风积物为主(表1),土壤质地相对均一,而土壤分形维数主要与成土母质特征和沉积环境有关[18],从而导致盐池和乌拉特荒漠草原土壤分形维数无显著差异性。
本文的研究结果表明,荒漠草原土壤分形维数与土壤黏粒含量呈显著的正相关关系,与土壤极细砂粒、细砂粒含量呈显著负相关关系,说明土壤黏粒含量可以指示土壤分形维数的大小,这与罗清虎等[27]的研究结果一致。而土壤分形维数与粗砂粒、极粗砂粒间则无相关性。这与吕圣桥等[28]在黄河三角洲的研究结果相似,说明土壤分形维数并不是对所有土壤粒级的土壤颗粒含量变化都有明显反应。另外,乌拉特荒漠草原土壤分形维数与土壤粉粒呈显著正相关关系,与中砂粒呈负相关关系。总而言之,土壤颗粒组成的分形维数随着土壤质地变细而增大,随砂粒含量的增加而变小。
4.2 干旱与半干旱荒漠草原区柠条灌丛对土壤理化性质的影响
水分是影响荒漠草原土壤及植被生长的重要因素,灌丛对降水的响应以及土壤中水分的运移和分配均受到土壤结构和功能的影响[29]。本研究,盐池荒漠草原的土壤含水量表现为裸地高于柠条灌丛,主要是由于多年生柠条根系庞大,有明显的主根和发达的多层侧根组成,入土较深,使得根系在垂直方向和水平方向覆盖面增大,利于吸收不同深度的水分,在其根部生长过程中与土壤发生强烈的相互作用而形成大孔隙,降雨过程中,水分到达地表后通过大孔隙通道迅速渗入并贮存于深层土壤,且研究区蒸腾作用强烈,使灌丛表层土壤水分含量较低,因此,极易造成植物冠幅内外水分异质性分布[30]。而乌拉特荒漠草原不同微生境土壤含水量无显著差异,可能是由于乌拉特风沙较大,土壤表层风蚀作用较大,植被覆盖度低,使该地的土壤保水能力差,土壤含水量低,导致灌丛内外土壤含水量无显著差异性[31]。此外,本研究中,盐池荒漠草原灌丛和裸地的土壤含水量均高于乌拉特荒漠草原,这与乌拉特荒漠草原更为稀少的降雨量密切相关,这与索立柱等[32]在黄土高原的研究结果一致。
本文的研究结果显示土壤电导率不受荒漠草原类型和微生境的影响。一方面,这可能与两个研究区的土壤母质和土壤类型(风沙土)相似有关; 另一方面,是由于研究区风沙较大,天气条件恶劣,枯落物在地表层的积累量小,枯落物中的可溶性盐的沉积较小。因此,使当地土壤电导率变化不大[33]。进而说明降水分布和灌丛微生境对于土壤电导率影响微弱,但具体原因还需进一步研究。
土壤酸碱度是土壤重要的化学性质之一。本研究结果显示,在盐池荒漠草原,土壤pH值表现为裸地显著高于灌丛,可能是由于土壤微生物与灌丛根系有机酸的分泌间的相互作用,导致土壤pH值降低,这与牛西午等[34]的研究结果相似。通过比较干旱与半干旱荒漠草原区内同种微生境的土壤pH值,发现裸地土壤pH值在两地间无显著差异,这是由于研究区降水量小,蒸发量大,土壤淋溶作用弱,土壤呈弱碱性,且荒漠草原生物化学循环缓慢,短期内降水对土壤pH值影响较小[25]。而灌丛下土壤pH值则表现为乌拉特高于盐池,可能是由于盐池降雨量高于乌拉特,且柠条根系的细根分布较多,根系有机酸的分泌物对pH值的影响更大,这与雷泽勇等[35]在辽宁章古台地区对不同林龄的樟子松林土壤的相关研究结果相似。
土壤养分是土壤肥力的重要基础,而由于灌丛的生长发育、灌丛下枯落物的积累以及土壤颗粒组成变化,可能导致土壤全氮和全碳含量的变化[36]。本研究结果显示在盐池荒漠草原,土壤全碳含量表现为裸地显著高于灌丛。这是由于多年生柠条灌丛随生物量的增大所需的养分元素更多,土壤中的养分为满足其生长需要,从而导致土壤养分资源库的枯竭,这与牛西午等[34]认为柠条在达到一定树龄后,会出现灌丛土壤部分营养元素的亏损的研究结果相一致。在乌拉特荒漠草原,土壤全碳含量在灌丛内外无显著差异。原因可能是乌拉特荒漠草原自身土壤条件比较贫瘠,本身的碳储量含量低,碳循环较慢,处于灌丛内外的碳素平衡,在一定时间内很难受到降水分布与微生境变化的影响[37]。同时研究发现,灌丛和裸地土壤全碳含量均表现为盐池显著高于乌拉特,这与刘佳楠等[36]在沙地柠条灌丛枯落物对土壤质量影响的结果相似。分析原因主要是由于盐池降雨量较高,柠条长势相对较好,枯落物的积累量大,导致有机质等养分元素在土壤表层积累。本研究结果显示,土壤全氮含量既不受荒漠草原类型的影响,亦不受土壤微生境的影响,这与牛西午等[34]在晋西北人工柠条林土壤理化性质的研究结果不一致,其原因是由于土壤母质与土壤的缓冲性能,导致土壤氮素含量在短期内很难改变,使研究区土壤处于氮素循环平衡的状态[38]。土壤碳氮比与土壤全碳变化规律一致,是反映土壤质量程度和有机质组成的重要指标,也反映了土壤碳与氮的平衡关系[38]。
本研究通过对土壤理化性质和土壤粒径分布、土壤分形维数之间的相关性综合分析发现,土壤黏粉粒含量与土壤养分含量间呈正相关关系,而土壤砂粒含量(50～500 μm)与土壤养分间呈负相关关系。桑巴叶等[39]的研究表明土壤养分含量主要与土壤细颗粒含量有关,且土壤粉粒是与有机质胶结的主要无机胶体,对土壤结构的稳定性起着至关重要的作用。这也在一定程度上反映了土壤肥力和土壤颗粒的大小关系,即土壤细颗粒物质的含量更能反映土壤质量水平。另外,土壤粉粒与土壤含水量呈显著正相关关系,而细砂粒、中砂粒与土壤含水量呈负相关关系,这与仓木拉等[19]的研究结果相似。也进一步说明土壤细颗粒物质越多,对土壤的保水能力越强。因此,土壤含水量与土壤结构及土壤粒径分布有着极为密切的联系。土壤粒径各粒级间与土壤pH值均无相关性,主要原因是由于2个研究区的非地带性土壤均为风沙土,土壤中盐分主要为中性盐,而中性盐对pH值的影响较小[25]。除此之外,土壤分形维数仅与土壤全碳、土壤全氮呈正相关性。并且,土壤黏粉粒含量与土壤分形维数呈正相关(表3),土壤中细颗粒含量增多有利于土壤养分的积累,说明在一定程度上,土壤分形维数可以作为评价土壤肥力水平的定量指标。但土壤分形维数与含水量、pH值间均无相关性,这与罗雅曦等[25]的研究结果一致。说明土壤的颗粒大小不是土壤含水量与pH值的主要影响因素。土壤分形维数与电导率含量无相关性,这与杜雅仙[18]和吕圣桥[28]等的结果不一致。分析原因可能与研究区的自然状况和恶劣的区域环境相关,使盐碱程度受土壤颗粒组成影响不大。
