渾善達克沙地不同微地形的土壤物理性質(zhì)和草本群落分布及其相關(guān)性分析

張志永， 時忠杰， 張 曉， 單 楠， 楊曉暉

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所， 北京 100091)

渾善達克沙地不同微地形的土壤物理性質(zhì)和草本群落分布及其相關(guān)性分析

張志永， 時忠杰， 張 曉， 單 楠， 楊曉暉①

(中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所， 北京 100091)

采用樣方調(diào)查和室內(nèi)檢測相結(jié)合法對內(nèi)蒙古渾善達克沙地迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地不同土層(0～10、10～20和20～40 cm)的土壤物理性質(zhì)(包括含水量、田間持水量、容重、總孔隙度和毛管孔隙度)及草本群落的生產(chǎn)力(包括蓋度和地上部生物量)和物種多樣性(包括Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù))進行比較分析；在此基礎(chǔ)上，采用Pearson相關(guān)性分析法對不同微地形的土壤物理性質(zhì)與草本群落各指標(biāo)間以及草本群落生產(chǎn)力與物種多樣性各指標(biāo)間的相關(guān)性進行分析。結(jié)果表明：4種微地形的土壤物理性質(zhì)總體上差異顯著，但不同土層的土壤物理性質(zhì)總體上無明顯差異；從丘間地、背風(fēng)坡、坡頂?shù)接L(fēng)坡，土壤的含水量、田間持水量、總孔隙度和毛管孔隙度依次遞減，而土壤容重則依次遞增，說明迎風(fēng)坡的土壤結(jié)構(gòu)較差且水分散失較多，而丘間地的土壤結(jié)構(gòu)和水分狀況均相對較好。不同微地形間草本群落生產(chǎn)力和物種多樣性總體上也存在明顯差異，從背風(fēng)坡、丘間地、坡頂?shù)接L(fēng)坡，草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性依次遞減，僅Margalef豐富度指數(shù)表現(xiàn)為在丘間地最高、在迎風(fēng)坡最低，說明迎風(fēng)坡的草本群落物種多樣性較低，群落穩(wěn)定性差，而背風(fēng)坡和丘間地的草本群落物種多樣性和生產(chǎn)力水平均較高，群落穩(wěn)定性較好。相關(guān)性分析結(jié)果表明：該區(qū)域的草本群落生產(chǎn)力和物種多樣性與土壤容重呈負(fù)相關(guān)，與土壤的其他物理性狀呈正相關(guān)，但僅部分指標(biāo)間有顯著或極顯著相關(guān)性；草本群落生產(chǎn)力與物種多樣性各指標(biāo)間呈正相關(guān)，但多數(shù)指標(biāo)間的相關(guān)性并不顯著。研究結(jié)果顯示：微地形能夠顯著影響渾善達克沙地的土壤物理性質(zhì)和草本群落的分布特征，氣候和人為干擾使該沙地的土壤物理性質(zhì)受到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致草本群落生產(chǎn)力降低并處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

渾善達克沙地； 微地形； 土壤物理性質(zhì)； 草本群落生產(chǎn)力； 物種多樣性； 相關(guān)性分析

土壤作為植物生長的物質(zhì)基礎(chǔ)，是諸多生態(tài)過程的載體[1]，因此，了解植物在維持自身生長過程中需要從土壤中獲取的資源數(shù)量，是理解整個群落物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)[2-3]。草本群落由處于不同生態(tài)位的草本植物構(gòu)成，其分布特征是種子擴散和環(huán)境篩選共同作用的結(jié)果[4]；土壤和草本群落均處于整個生態(tài)系統(tǒng)的底層，其空間分布規(guī)律不僅受到上層樹木的影響，而且在很大程度上受到外界環(huán)境的影響，尤其是地形條件的影響；地形對地表資源空間分布的影響主要表現(xiàn)在地表徑流、光照條件、降水、風(fēng)向等方面，且這些影響在干旱和半干旱環(huán)境中尤為突出[5-6]。

渾善達克沙地位于中國北方的農(nóng)牧交錯帶，曾是重要的牧草產(chǎn)區(qū)，但近30年來，在氣候變化和放牧的雙重作用下，整個區(qū)域的生態(tài)結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)草本群落穩(wěn)定性降低、草地生產(chǎn)力下降、沙化面積擴大等一系列生態(tài)問題[7]。趙麗等[8]認(rèn)為，由沙丘壟起形成的微地形直接影響沙化草地的資源異質(zhì)性，在景觀上呈現(xiàn)裸露沙土和草本群落相間分布的地貌特征。因此，研究不同微地形的土壤物理性質(zhì)以及草本群落的空間分布規(guī)律，對于了解土壤的結(jié)構(gòu)和功能具有重要參考價值；同時，對了解草本群落與土壤間的關(guān)系，以及整個生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動及草地承載力等具有重要意義。

鑒于此，作者選擇渾善達克沙地中典型沙丘的迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地，對0～10、10～20和20～40 cm土層的土壤物理性質(zhì)以及草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性指標(biāo)進行比較研究，并進行Pearson相關(guān)性分析，以期明確微地形對土壤物理性質(zhì)和草本群落分布的影響，并探尋影響草本群落分布的限制因子，為客觀了解渾善達克沙地地表資源的分布特征奠定研究基礎(chǔ)，并為了解該區(qū)域草本群落的演替過程及制定植被保護和恢復(fù)對策提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況和研究方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正藍旗桑根達來鎮(zhèn)周邊，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°09′～116°10′、北緯42°35′～42°36′。該區(qū)域?qū)贉貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫1.8 ℃，無霜期107 d；年均降水量313.8 mm，全年降水量分布不均，夏季降水量約占全年降水量的68.3%[9]。地勢由東南向西北傾斜，地貌復(fù)雜，沙丘和丘間地相間分布，沙丘相對高度3～15 m[10]。區(qū)內(nèi)土壤以風(fēng)沙土為主，含水量低，穩(wěn)固性差；丘間地常分布有栗鈣土和草甸土，間有風(fēng)沙土等類型土壤，地下水位1.0～1.5 m[11-13]。區(qū)內(nèi)的木本植物主要有榆樹(UlmuspumilaLinn.)、小葉錦雞兒(CaraganamicrophyllaLam.)和耬斗菜葉繡線菊(SpiraeaaquilegifoliaPall.)等；草本植物主要有羊草〔Leymuschinensis(Trin. ex Bunge) Tzvel.〕、冰草〔Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.〕、狗尾草〔Setariaviridis(Linn.) P. Beauv.〕、灰綠藜(ChenopodiumglaucumLinn.)、委陵菜(PotentillachinensisSer.)、冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld.)、賴草〔Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.〕、糙隱子草〔Cleistogenessquarrosa(Trin.) Keng〕和叉分蓼(PolygonumdivaricatumLinn.)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣點布設(shè)和采樣方法 在前期實地調(diào)查基礎(chǔ)上，于2015年8月選取典型沙丘，在垂直沙丘走向的方向上設(shè)置面積20 m×240 m的樣帶，并按照迎風(fēng)坡、坡頂、背風(fēng)坡和丘間地4種微地形將樣帶分成12個面積20 m×20 m的樣方，每種微地形各3個樣方；按照“S”形在每個樣方內(nèi)設(shè)置9個面積1 m×1 m的小樣方，共計108個小樣方。記錄每個小樣方內(nèi)所有植物的種名、蓋度及株(叢)數(shù)等信息，并收集每個小樣方內(nèi)所有草本植物的地上部，用于測定草本群落地上部生物量。同時，在每個小樣方內(nèi)挖取深度50 cm的土壤剖面，分別利用鋁盒和環(huán)刀按照0～10、10～20和20～40 cm 3個土層進行土壤取樣，每層3個土樣，共計972個土樣；將所有土樣迅速帶回實驗室，用于檢測土壤含水量、田間持水量、容重、總孔隙度和毛管孔隙度。整個采樣及間隔期間無明顯降水。

1.2.2 土壤物理性質(zhì)測定 土壤含水量采用烘干法[14]測定；田間持水量、容重、總孔隙度和毛管孔隙度均采用環(huán)刀法[15]測定。每個指標(biāo)重復(fù)測定3次。

1.2.3 草本群落相關(guān)指標(biāo)測定和分析 采用烘干法[6，16]測定各小樣方內(nèi)所有草本植物地上部的總生物量，即為草本群落的地上部生物量。采用針刺法[17]測定各小樣方內(nèi)草本群落的蓋度。參照孔凡洲等[18]的方法計算草本群落的物種多樣性指數(shù)，包括Margalef豐富度指數(shù)(dMa)、Simpson多樣性指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(He′)、Pielou均勻度指數(shù)(Je)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用EXCEL 2010和Origin 8軟件處理數(shù)據(jù)并繪制圖表；采用SPSS 18.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同微地形間土壤物理性質(zhì)的比較分析

2.1.1 不同土層土壤含水量和田間持水量的比較分析 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中各土層土壤含水量和田間持水量的比較結(jié)果見表1。

由表1可見：4種微地形間的土壤含水量有顯著差異(P<0.05)，其中，土壤含水量平均值在丘間地最高(3.56%)、在迎風(fēng)坡最低(1.93%)、在背風(fēng)坡和坡頂居中(分別為2.80%和2.50%)。迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地各土層間的土壤含水量總體上差異顯著，均表現(xiàn)為0～10 cm土層最高、20～40 cm土層最低；而坡頂各土層間土壤含水量無顯著差異，表現(xiàn)為20～40 cm土層最高、0～10 cm土層最低。

微地形Microtopography不同土層的土壤含水量/% Soilwatercontentindifferentsoillayers0-10cm10-20cm20-40cm平均值A(chǔ)verage迎風(fēng)坡Windwardslope2.30±0.14Ca1.75±0.09Cb1.73±0.07Bb1.93±0.05D坡頂Slopetop2.36±0.12Ca2.40±0.14Ba2.74±0.18Aa2.50±0.14C背風(fēng)坡Leewardslope3.58±0.15Ba2.70±0.12Bb2.12±0.12Bc2.80±0.10B丘間地Interdune6.55±0.12Aa3.54±0.16Ab2.58±0.22Ac3.56±0.12A微地形Microtopography不同土層的田間持水量/% Fieldcapacityindifferentsoillayers0-10cm10-20cm20-40cm平均值A(chǔ)verage迎風(fēng)坡Windwardslope16.70±0.39Da15.61±0.49Ca15.70±0.57Ca16.00±0.42D坡頂Slopetop18.25±0.38Ca17.17±0.49Ba17.43±0.60Ba17.61±0.44C背風(fēng)坡Leewardslope20.15±0.51Ba19.68±0.43Aa20.12±0.57Aa19.98±0.40B丘間地Interdune21.85±0.74Aa20.38±0.46Aa21.59±0.66Aa21.28±0.55A

1)同列中不同的大寫字母表示不同微地形間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different capitals in the same column indicate the significant difference of the same index among different microtopographies (P<0.05)； 同行中不同的小寫字母表示不同土層間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same row indicate the significant difference of the same index among different soil layers (P<0.05).

由表1還可見：4種微地形間的土壤田間持水量差異顯著，其中，土壤田間持水量平均值在丘間地最高(21.28%)、在迎風(fēng)坡最低(16.00%)、在背風(fēng)坡和坡頂居中(分別為19.98%和17.61%)。4種微地形不同土層間的土壤田間持水量均無顯著差異，且均表現(xiàn)為0～10 cm土層最高、10～20 cm土層最低。

總體上看，渾善達克沙地不同微地形間的土壤水分狀況有明顯差異，表現(xiàn)為從丘間地、背風(fēng)坡、坡頂?shù)接L(fēng)坡依次遞減的趨勢，而不同土層間的土壤水分狀況總體上無明顯差異。比較而言，丘間地的土壤水分狀況最好，迎風(fēng)坡的水分狀況最差。

2.1.2 不同土層土壤容重和孔隙度的比較分析 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中各土層土壤容重、總孔隙度和毛管孔隙度的比較結(jié)果見表2。

由表2可見：僅坡頂和背風(fēng)坡間的土壤容重?zé)o顯著差異，其他微地形間的土壤容重均有顯著差異，其中，土壤容重平均值在迎風(fēng)坡最高(1.63 g·cm-3)、在丘間地最低(1.50 g·cm-3)、在坡頂和背風(fēng)坡居中(分別為1.58和1.56 g·cm-3)。各土層間的土壤容重總體上無顯著差異，其中，迎風(fēng)坡、坡頂和丘間地的土壤容重均表現(xiàn)為10～20 cm土層最高、0～10 cm土層最低；而背風(fēng)坡的土壤容重則表現(xiàn)為10～20 cm土層最高、20～40 cm土層最低。

由表2還可見：僅背風(fēng)坡和丘間地的土壤總孔隙度和毛管孔隙度無顯著差異，4種微地形間的土壤總孔隙度和毛管孔隙度總體上有顯著差異，其中，土壤總孔隙度和毛管孔隙度的平均值均表現(xiàn)為在丘間地最高(分別為37.92%和35.26%)、在迎風(fēng)坡最低(分別為33.53%和30.37%)、在背風(fēng)坡和坡頂居中(分別為37.72%和34.97%，36.05%和33.21%)。各土層間土壤總孔隙度和毛管孔隙度均無顯著差異；其中，土壤總孔隙度均表現(xiàn)為0～10 cm土層最高、10～20 cm土層最低；土壤毛管孔隙度在迎風(fēng)坡和坡頂均表現(xiàn)為0～10 cm土層最高，在背風(fēng)坡和丘間地均表現(xiàn)為0～40 cm土層最高，在坡頂、背風(fēng)坡和丘間地均表現(xiàn)為10～20 cm土層最低，而在迎風(fēng)坡表現(xiàn)為20～40 cm土層最低。

微地形Microtopography不同土層的容重/% Bulkdensityindifferentsoillayers0-10cm10-20cm20-40cm平均值A(chǔ)verage迎風(fēng)坡Windwardslope1.62±0.01Aa1.65±0.01Aa1.63±0.01Aa1.63±0.01A坡頂Slopetop1.57±0.01Ba1.60±0.01Ba1.59±0.01Ba1.58±0.01B背風(fēng)坡Leewardslope1.56±0.01Ba1.57±0.01Ba1.55±0.01Ca1.56±0.01B丘間地Interdune1.47±0.02Cb1.54±0.01Ca1.50±0.02Dab1.50±0.02C微地形Microtopography不同土層的總孔隙度/% Totalporosityindifferentsoillayers0-10cm10-20cm20-40cm平均值A(chǔ)verage迎風(fēng)坡Windwardslope34.61±0.47Ca32.86±0.63Ca33.13±0.69Ca33.53±0.53C坡頂Slopetop36.79±0.45BCa35.60±0.61Ba35.74±0.75Ba36.05±0.54B背風(fēng)坡Leewardslope37.98±0.47ABa37.46±0.64Aa37.71±0.70Aa37.72±0.45A丘間地Interdune38.36±0.62Aa37.29±0.48Aa38.09±0.64Aa37.92±0.51A微地形Microtopography不同土層的毛管孔隙度/% Capillaryporosityindifferentsoillayers0-10cm10-20cm20-40cm平均值A(chǔ)verage迎風(fēng)坡Windwardslope31.33±0.48Ba29.91±0.64Ca29.89±0.77Ba30.37±0.56C坡頂Slopetop33.97±0.46Aa32.82±0.59Ba32.84±0.78Ba33.21±0.54B背風(fēng)坡Leewardslope35.12±0.47Aa34.65±0.54Aa35.13±0.68Aa34.97±0.41A丘間地Interdune35.42±0.56Aa34.90±0.54Aa35.46±0.58Aa35.26±0.50A

1)同列中不同的大寫字母表示不同微地形間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different capitals in the same column indicate the significant difference of the same index among different microtopographies (P<0.05)； 同行中不同的小寫字母表示不同土層間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different lowercases in the same row indicate the significant difference of the same index among different soil layers (P<0.05).

總體上看，渾善達克沙地不同微地形間的土壤容重和孔隙度總體上差異顯著，其中，從丘間地、背風(fēng)坡、坡頂?shù)接L(fēng)坡，土壤容重依次遞增，而孔隙度則依次遞減；但不同土層間的土壤容重和孔隙度基本上無顯著差異。比較而言，丘間地土壤的物理性質(zhì)相對較好，表現(xiàn)為土壤容重更小、孔隙狀況更佳、成土作用更強、土壤結(jié)構(gòu)相對較好。

2.2 不同微地形間草本群落生產(chǎn)力和物種多樣性的比較分析

2.2.1 草本群落生產(chǎn)力的比較分析 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中草本群落生產(chǎn)力(包括群落蓋度和地上部生物量)的比較結(jié)果見表3。結(jié)果表明：草本群落蓋度在丘間地與坡頂和背風(fēng)坡間無顯著差異，但在其他微地形間均有顯著差異(P<0.05)；其中，草本群落蓋度在背風(fēng)坡最高(83.33%)、在迎風(fēng)坡最低(42.93%)、在丘間地和坡頂居中(分別為81.11%和71.85%)。草本群落地上部生物量在坡頂、背風(fēng)坡和丘間地間無顯著差異，但它們與迎風(fēng)坡均有顯著差異；其中，草本群落地上部生物量在背風(fēng)坡最高(82.68 g·m-2)、在迎風(fēng)坡最低(56.59 g·m-2)、在丘間地和坡頂居中(分別為80.77和79.83 g·m-2)。

微地形Microtopography蓋度/%Coverage地上部生物量/g·m-2Biomassofabove-groundpart迎風(fēng)坡Windwardslope42.93±4.83C56.59±4.96B坡頂Slopetop71.85±4.35B79.83±3.52A背風(fēng)坡Leewardslope83.33±2.03A82.68±2.55A丘間地Interdune81.11±2.83AB80.77±3.39A

1)同列中不同的大寫字母表示不同微地形間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different capitals in the same column indicate the significant difference of the same index among different microtopographies (P<0.05).

總體上看，渾善達克沙地不同微地形間草本群落蓋度和地上部生物量有一定差異，表現(xiàn)出從背風(fēng)坡、丘間地、坡頂?shù)接L(fēng)坡依次遞減的趨勢。比較而言，草本植物生產(chǎn)力水平在背風(fēng)坡最高、在迎風(fēng)坡最低。

2.2.2 草本群落物種多樣性的比較分析 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中草本群落物種多樣性(包括Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù))的比較結(jié)果見表4。

Margalef豐富度指數(shù)在4種微地形間大多差異顯著，僅在背風(fēng)坡與坡頂和丘間地間無顯著差異；其中，Margalef豐富度指數(shù)在丘間地最高(1.59)、在迎風(fēng)坡最低(1.03)、在背風(fēng)坡和坡頂居中(分別為1.43和1.31)。

Simpson多樣性指數(shù)在4種微地形間大多差異顯著，僅在丘間地與坡頂和背風(fēng)坡間無顯著差異；但Shannon-Wiener多樣性指數(shù)則在迎風(fēng)坡與坡頂、背風(fēng)坡和丘間地間差異顯著，而在后3種微地形間卻無顯著差異。其中，Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均在背風(fēng)坡最高(分別為0.68和1.51)、在迎風(fēng)坡最低(分別為0.41和0.85)、在丘間地和坡頂居中(在丘間地分別為0.66和1.47，在坡頂分別為0.57和1.29)。

Pielou均勻度指數(shù)在迎風(fēng)坡與坡頂、背風(fēng)坡和丘間地間均有顯著差異，而在后3種微地形間則無顯著差異；其中，Pielou均勻度指數(shù)在背風(fēng)坡最高(0.71)、在迎風(fēng)坡最低(0.46)、在丘間地和坡頂居中(分別為0.64和0.63)。

總體上看，渾善達克沙地不同微地形間草本群落物種多樣性具有一定的差異，從背風(fēng)坡、丘間地、坡頂?shù)接L(fēng)坡依次遞減。比較而言，草本群落的物種多樣性在背風(fēng)坡最高、在迎風(fēng)坡最低。

微地形MicrotopographyMargalef豐富度指數(shù)MargalefrichnessindexSimpson多樣性指數(shù)SimpsondiversityindexShannon-Wiener多樣性指數(shù)Shannon-WienerdiversityindexPielou均勻度指數(shù)Pielouevennessindex迎風(fēng)坡Windwardslope1.03±0.07C0.41±0.04C0.85±0.08B0.46±0.04B坡頂Slopetop1.31±0.11B0.57±0.05B1.29±0.13A0.63±0.05A背風(fēng)坡Leewardslope1.43±0.07AB0.68±0.03A1.51±0.07A0.71±0.03A丘間地Interdune1.59±0.09A0.66±0.02AB1.47±0.06A0.64±0.02A

1)同列中不同的大寫字母表示不同微地形間同一指標(biāo)差異顯著(P<0.05) Different capitals in the same column indicate the significant difference of the same index among different microtopographies (P<0.05).

2.3 不同微地形間土壤物理性質(zhì)與草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性的相關(guān)性分析

內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中土壤物理物質(zhì)與草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果見表5。結(jié)果表明：4種微地形中草本群落的蓋度、地上部生物量、Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與土壤容重均呈負(fù)相關(guān)，但與土壤的其他物理指標(biāo)則呈正相關(guān)。

表5 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中土壤物理性質(zhì)與草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果比較

Table 5 Comparison on result of Pearson’s correlation analysis of soil physical property with productivity of herbaceous community and species diversity of different microtopographies in Otindag Sandy Land of Inner Mongolia

指標(biāo)1)In-dex1)迎風(fēng)坡各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientofdifferentindexesinwindwardslope2)坡頂各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientofdifferentindexesinslopetop2)含水量Watercontent田間持水量Fieldcapacity容重Bulkdensity總孔隙度Totalporosity毛管孔隙度Capillaryporosity含水量Watercontent田間持水量Fieldcapacity容重Bulkdensity總孔隙度Totalporosity毛管孔隙度CapillaryporosityC0.1170.058-0.0580.2890.030 0.621**0.240-0.0580.1220.083BAP0.0320.025-0.0060.2160.0690.1420.007-0.1750.0590.030dMa0.426*0.498**-0.577**0.505**0.453*0.1750.574**-0.1470.545**0.570**D0.1620.070-0.2620.3700.0930.0240.524**-0.2170.517**0.526**He'0.2410.186-0.3610.474*0.2010.0960.576**-0.2280.553**0.563**Je0.0540.009-0.1830.3000.0390.0070.472*-0.1920.472*0.479*指標(biāo)1)In-dex1)背風(fēng)坡各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientofdifferentindexesinleewardslope2)丘間地各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientofdifferentindexesininterdune2)含水量Watercontent田間持水量Fieldcapacity容重Bulkdensity總孔隙度Totalporosity毛管孔隙度Capillaryporosity含水量Watercontent田間持水量Fieldcapacity容重Bulkdensity總孔隙度Totalporosity毛管孔隙度CapillaryporosityC0.1900.325-0.3120.1930.272 0.762**0.453*-0.513**0.3380.283BAP0.498**0.250-0.3190.2510.3010.1630.346-0.3160.3230.291dMa0.2610.489**-0.524**0.443*0.496*0.387*0.353-0.3230.3680.446*D0.2030.027-0.0170.2040.1310.2220.311-0.2830.3330.481*He'0.2550.166-0.1640.3010.2590.2550.303-0.2730.3190.467*Je0.1580.050-0.0590.1390.0620.1550.209-0.1790.1900.345

1)C： 蓋度 Coverage； BAP： 地上部生物量 Biomass of above-ground part；dMa： Margalef豐富度指數(shù) Margalef richness index；D： Simpson多樣性指數(shù) Simpson diversity index；He′： Shannon-Wiener多樣性指數(shù) Shannon-Wiener diversity index；Je： Pielou均勻度指數(shù) Pielou evenness index.

2)*：P<0.05； ** ：P<0.01.

在迎風(fēng)坡，草本群落的Margalef豐富度指數(shù)與土壤的含水量和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與土壤的田間持水量和總孔隙度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與土壤的總孔隙度則呈顯著正相關(guān)。在坡頂，草本群落的蓋度與土壤的含水量呈極顯著正相關(guān)，Margalef豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)分別與土壤的田間持水量、總孔隙度和毛管孔隙度呈極顯著正相關(guān)，Pielou均勻度指數(shù)與土壤的田間持水量、總孔隙度和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)。在背風(fēng)坡，草本群落的地上部生物量與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)；Margalef豐富度指數(shù)與土壤的田間持水量和容重分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，與土壤的總孔隙度和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)。在丘間地，草本群落的蓋度與土壤的含水量和容重分別呈極顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，與土壤的田間持水量呈顯著正相關(guān)；Margalef豐富度指數(shù)與土壤的含水量和毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)；Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)則與土壤的毛管孔隙度呈顯著正相關(guān)。

總體上看，渾善達克沙地微地形可在一定程度上影響其土壤物理性質(zhì)與草本群落生產(chǎn)力和物種多樣性的關(guān)系。

2.4 不同微地形間草本群落生產(chǎn)力與物種多樣性的相關(guān)性分析

內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中草本群落生產(chǎn)力(即蓋度和地上部生物量)與物種多樣性間的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果見表6。

表6 內(nèi)蒙古渾善達克沙地不同微地形中草本群落生產(chǎn)力與物種多樣性的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果比較

Table 6 Comparison on result of Pearson’s correlation analysis of productivity of herbaceous community with species diversity of different microtopographies in Otindag Sandy Land of Inner Mongolia

指標(biāo)1)Index1)與不同微地形草本群落蓋度的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientwithcoverageofherbaceouscommunityindifferentmicrotopographies2)與不同微地形草本群落地上部生物量的相關(guān)系數(shù)2)Correlationcoefficientwithbiomassofabove-groundpartofherbaceouscommunityindifferentmicrotopographies2)迎風(fēng)坡Windwardslope坡頂Slopetop背風(fēng)坡Leewardslope丘間地Iinterdune迎風(fēng)坡Windwardslope坡頂Slopetop背風(fēng)坡Leewardslope丘間地InterdunedMa0.0930.496**0.1840.0500.0740.1130.394*0.172D0.3690.455*0.0910.0370.3220.1240.1140.052He'0.3630.514**0.0310.0320.3190.1360.2120.055Je0.3470.425*0.0580.0470.3460.1450.0760.203

1)dMa： Margalef豐富度指數(shù) Margalef richness index；D： Simpson多樣性指數(shù) Simpson diversity index；He′： Shannon-Wiener多樣性指數(shù) Shannon-Wiener diversity index；Je： Pielou均勻度指數(shù) Pielou evenness index.

2)*：P<0.05； ** ：P<0.01.

由表6可見：4種微地形中草本群落的蓋度和地上部生物量與物種多樣性均呈正相關(guān)。在坡頂，草本群落蓋度與Margalef豐富度指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；在迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡和丘間地，草本群落的蓋度和地上部生物量總體上與物種多樣性的相關(guān)性均不顯著，僅背風(fēng)坡的草本群落地上部生物量與Margalef豐富度指數(shù)呈顯著正相關(guān)。

總體上看，渾善達克沙地的微地形可在一定程度上影響其草本群落生產(chǎn)力與物種多樣性間的關(guān)系。

3 討論和結(jié)論

土壤是不斷發(fā)展變化的生態(tài)系統(tǒng)，包括物理、化學(xué)、生物等多個組分，這些組分相互影響和作用，進行多種復(fù)雜的系統(tǒng)發(fā)育過程[19]。土壤物理性質(zhì)是土壤其他性質(zhì)的結(jié)構(gòu)性基礎(chǔ)，直接影響土壤的其他性質(zhì)，對于土壤系統(tǒng)發(fā)育具有重要作用[20]。從上述研究結(jié)果看，在渾善達克沙地中，由沙丘造成的微地形顯著影響其土壤的物理性質(zhì)，其中，丘間地的土壤水分狀況和結(jié)構(gòu)最佳，而迎風(fēng)坡的土壤水分狀況和結(jié)構(gòu)最差。這可能是因為在風(fēng)力侵蝕作用下，迎風(fēng)坡的土壤結(jié)構(gòu)較差，水分散失量也較大，不利于土壤貯存水分；而在丘間地，沙丘的阻隔降低了風(fēng)力等環(huán)境因子對土壤的侵蝕作用，相對平坦的地形也利于成土，因此，丘間地的土壤結(jié)構(gòu)和水分狀況相對良好。

草本群落的蓋度和地上部生物量是反映草本群落生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，并可體現(xiàn)植物從環(huán)境中獲取資源的能力[21-22]。物種多樣性是生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，是體現(xiàn)群落結(jié)構(gòu)特征的有效指標(biāo)，可以直接或間接反映群落的演替階段、穩(wěn)定程度等信息[23]；根據(jù)“多樣性-穩(wěn)定性”理論，物種多樣性增大可提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使群落結(jié)構(gòu)更加完整，而物種多樣性減小則直接威脅生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[24-26]。在渾善達克沙地不同微地形中，草本群落的分布特征具有明顯差異，其中，草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性總體上在背風(fēng)坡最高、在丘間地也相對較高、在迎風(fēng)坡最低。這可能是因為迎風(fēng)坡的環(huán)境條件相對惡劣，導(dǎo)致部分生態(tài)位較窄的草本植物死亡或被迫休眠，從而使迎風(fēng)坡的草本群落物種多樣性下降，群落穩(wěn)定性也隨之下降；而背風(fēng)坡和丘間地的環(huán)境條件相對優(yōu)越，利于植物繁殖和生長，豐富了群落的物種多樣性，進而使草本群落的生產(chǎn)力水平和穩(wěn)定性提高。人工放牧既是該區(qū)域的重要生產(chǎn)方式，也是草本群落退化的主要干擾因子。地形相對平緩的丘間地便于人們開展放牧活動，對草本群落的世代更新有較大干擾，而地形相對崎嶇的背風(fēng)坡反而更利于植物的繁殖和生長，這也可能是背風(fēng)坡的草本群落蓋度、地上部生物量和物種多樣性優(yōu)于丘間地的重要原因之一。

土壤可通過水、熱、氣、肥等多方面調(diào)節(jié)并影響植物的生長[27]，而植物(尤其是根系)的各項生命活動又可改善土壤結(jié)構(gòu)，促進成土過程，影響土壤的物理性質(zhì)[28]。相關(guān)性分析結(jié)果表明：渾善達克沙地的土壤物理性質(zhì)與草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性大多呈正相關(guān)，但僅部分指標(biāo)間的相關(guān)性達到顯著水平(P<0.05)，說明渾善達克沙地的土壤結(jié)構(gòu)已受到嚴(yán)重破壞，對草本植物生長的支持能力較弱。

草本群落的生產(chǎn)力和物種多樣性是草地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要指標(biāo)，對于草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性具有重要意義[16]。渾善達克沙地草本群落的生產(chǎn)力與物種多樣性間的相關(guān)性大多呈不顯著正相關(guān)，符合“多樣性-生產(chǎn)力”假說，即草地生產(chǎn)力隨物種多樣性提高而增加[24]。根據(jù)該假說，在物種豐富、多樣性較高的草本群落中，不同物種占據(jù)各自的生態(tài)位，避免了種間競爭，從而使群落生產(chǎn)力有較大提高。近年來，在干旱氣候趨重的背景下，渾善達克沙地中草本群落的更新過程受到嚴(yán)重干擾，物種稀疏，群落處于不穩(wěn)定狀態(tài)且退化嚴(yán)重，表現(xiàn)出該區(qū)域草本群落的生產(chǎn)力與物種多樣性總體上無顯著相關(guān)性，說明在受到環(huán)境干擾的條件下，將“多樣性-生產(chǎn)力”假說應(yīng)用于沙化草地具有一定的局限性。

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(責(zé)任編輯： 佟金鳳)

Soil physical properties and herbaceous community distribution in different microtopographies of Otindag Sandy Land and their correlation analysis

ZHANG Zhiyong， SHI Zhongjie， ZHANG Xiao， SHAN Nan， YANG Xiaohui①

(Institute of Desertification Studies， Chinese Academy of Forestry， Beijing 100091， China)，

J.PlantResour. &Environ.， 2017， 26(1)： 69-76

Soil physical properties (including water content， field capacity， bulk density， total porosity and capillary porosity) in different soil layers (0-10， 10-20 and 20-40 cm)， herbaceous community productivity (including coverage and biomass of above-ground part) and species diversity (including Margalef richness index， Simpson diversity index， Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index) of windward slope， slope top， leeward slope and interdune in Otindag Sandy Land of Inner Mongolia were compared and analyzed by a combination method of field sampling and laboratory testing. On this basis， correlations of soil physical properties with herbaceous community indexes and herbaceous community productivity with species diversity indexes of different microtopographies were analyzed by Pearson’s correlation analysis method. The results show that in general， there are significant differences in soil physical properties of four microtopographies， while there is no significant difference in that of different soil layers. Soil water content， field capacity， total porosity and capillary porosity decrease successively in the sequence from interdune， leeward slope， slope top to windward slope， while soil bulk density increases successively， indicating that windward slope has a poor soil structure and loses much water, but soil structure and water situation in interdune are relatively good. In addition， there are also significant differences in herbaceous community productivity and species diversity of different microtopographies， which decrease successively in the sequence from leeward slope， interdune， slope top to windward slope, only Margalef richness index is the highest in interdune and the lowest in windward slope， indicating that herbaceous community species diversity is low and community stability is poor in windward slope, but herbaceous community species diversity and productivity level are high and community stability is relatively good in leeward slope and interdune. Correlation analysis results show that herbaceous community productivity and species diversity are negatively correlated with soil bulk density in this region， and are positively correlated with other soil physical properties， but significant or extremely significant correlation is only between some of these indexes. Moreover， there is a positive correlation between productivity and species diversity indexes of herbaceous community， but there is no significant correlation between most of these indexes. It is suggested that microtopographies could significantly affect soil physical properties and herbaceous community distribution pattern of Otindag Sandy Land， climate and artificial interference seriously damage its soil physical properties， which results in reduced productivity and instability of herbaceous community.

Otindag Sandy Land； microtopography； soil physical property； herbaceous community productivity； species diversity； correlation analysis

Q948.114； S151.9+2

A

1674-7895(2017)01-0069-08

10.3969/j.issn.1674-7895.2017.01.09