人工植被對(duì)土壤水分和植物生長(zhǎng)的影響

人工植被對(duì)土壤水分和植物生長(zhǎng)的影響

沙漠地區(qū)干旱缺水，土壤水分條件一般是沙漠植物生長(zhǎng)和繁殖的主要限制因素。由于土壤的組成與結(jié)構(gòu)不同,同時(shí)受降水、植物生長(zhǎng)以及地形條件等因素的綜合作用,土壤水分在時(shí)間和空間的變異性很大。在沙漠地區(qū),受沙丘地形條件變化的影響,不同沙丘部位的土壤水分、土壤溫度以及植被群落多樣性、群落外貌特征以及植被生長(zhǎng)狀況都存在著較大差異。該方面研究一直受到人們的重視,并取得了許多研究結(jié)果。王新平等將地形條件作為一個(gè)環(huán)境因子,研究了固沙植被與沙丘不同部位(迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、丘間低地)土壤溫度梯度分布,認(rèn)為地形條件通過(guò)影響土壤溫度,進(jìn)而作用于植被。本文對(duì)沙坡頭地區(qū)固定沙地不同地形條件下土壤水分和沙生植物的關(guān)系進(jìn)行探討和研究。1研究領(lǐng)域和方法1.1沙面氣溫和降水條件對(duì)生物結(jié)皮的影響研究區(qū)在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)縣境內(nèi),東起中衛(wèi)縣迎水橋,西至甘塘鎮(zhèn)(37°32′~37°26′N,105°03′~104°48′E),地處溫帶干旱地區(qū)東部邊緣的騰格里沙漠東南緣,在阿拉善高原荒漠與荒漠草原的過(guò)渡地帶,屬草原化荒漠。沙坡頭地區(qū)的人工植被固沙區(qū)內(nèi),固定沙地最高位置海拔1500m。這里沙丘由西北向東南傾斜,略呈階梯狀的網(wǎng)格。地形條件主要表現(xiàn)為:主梁呈東北—西南走向,副梁呈西北—東南走向,主梁是連續(xù)的,副梁往往被主梁隔斷。迎風(fēng)坡向西北,坡度為5~10°,背風(fēng)坡朝向東南,坡度30~32°。該地區(qū)受蒙古高氣壓的影響,冬春季節(jié)寒冷、干燥、多西北風(fēng),但也有短暫時(shí)間受東南季風(fēng)的影響,夏秋降水集中,東北風(fēng)和偏南風(fēng)轉(zhuǎn)盛,故兼有大陸性氣候和季風(fēng)(夏季)降水的特點(diǎn)。年平均氣溫10.0℃(1956-2001年),1月平均氣溫-6.9℃,7月平均氣溫24.3℃,絕對(duì)最高氣溫38.1℃,絕對(duì)最低氣溫-25.1℃,氣溫年差為63.2℃。沙面最高溫度達(dá)74℃。年平均降水量180.2mm(1955-2001年),其中12月份平均降水量0.5mm,8月份平均降水量達(dá)46.8mm。降水年變幅大,最多年(1978年)達(dá)495.8mm,最少年(1957年)僅88.3mm,年較差達(dá)407.5mm。降水的季節(jié)分配以夏季(6~8月)降水為主,占年降水總量的60.1%;生長(zhǎng)季節(jié)(4~10月)降水量占93.6%。冬季(12月~翌年2月)僅占2.3%。該區(qū)人工植被建立之初種植了油蒿(Artemisiaordosica)、花棒(Hedysarumscoparium)、檸條(Caraganakorshinskii)等多種優(yōu)良固沙植物,由于采用無(wú)灌溉條件種植,隨著固沙年限的延長(zhǎng),大部分不能適應(yīng)環(huán)境的灌木都退出人工植被,然而一部分灌木將沙地固定下來(lái),改善了固定沙地局部小環(huán)境,為小畫眉草(Eragrostispoaeoides)、霧冰藜(Bassiadasyphlla)、狗尾草(Setariaruthenicaviridis)、虎尾草(Chlorisvirgata)等一年生草本植物的入侵提供了有利的條件。沙地固定的同時(shí)也有利于人工植被區(qū)生物結(jié)皮的形成,目前人工植被區(qū)基本都覆蓋上了生物結(jié)皮,尤其是在生物結(jié)皮發(fā)育較好的丘間低地,生物結(jié)皮厚度可達(dá)2.5cm左右。由于大量植物種的入侵和定居,使原有流沙演變成了一個(gè)復(fù)雜的人工~天然荒漠植被復(fù)合體。1.2學(xué)習(xí)方法實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在沙坡頭地區(qū)的人工植被固沙區(qū)內(nèi)進(jìn)行。1.2.1典型地形條件設(shè)置在人工植被固沙區(qū)內(nèi)分別選擇迎風(fēng)坡、背風(fēng)坡、沙丘頂部坡頂和丘間低地四種較為典型的地形條件,每種典型地形條件設(shè)置樣方5個(gè),設(shè)置大小為10m×10m的固定樣地共20個(gè),分別進(jìn)行沙生植物生長(zhǎng)狀況和土壤水分的測(cè)定。1.2.2密度和覆蓋度測(cè)定在固定樣地進(jìn)行沙生植物的生長(zhǎng)狀況調(diào)查,包括植物種類組成及其數(shù)量特征。其中灌木植物,從其新枝生長(zhǎng)開始,從5~10月,每月測(cè)定一次,在10m×10m的固定樣地測(cè)定其數(shù)量來(lái)計(jì)算密度,然后用十字交叉冠幅大小來(lái)計(jì)算其覆蓋度;對(duì)樣地內(nèi)草本植物,從其萌發(fā)到停止生長(zhǎng),每月調(diào)查一次,采用對(duì)角線法選擇5個(gè)1m2×1m2的小樣方,分別調(diào)查記錄草本植物的種類、密度和蓋度。對(duì)灌木植物與草本植物均采用多次測(cè)定的密度和蓋度的平均值來(lái)描述整個(gè)植被狀況。1.2.3土壤含水量的測(cè)定在植物調(diào)查的20個(gè)樣方內(nèi)測(cè)定土壤含水量。從植物生長(zhǎng)開始,當(dāng)年五月至十月,每月測(cè)定一次。土壤含水量的測(cè)定使用土鉆取樣烘干(105℃)稱重法。土壤取樣深度分別為0、5、10、20、40、60、80、100、120、140、160、180、200cm。2結(jié)果分析2.1不同地形間植被蓋度的變化由圖1可知,在固定沙地的不同地形條件下,灌木植物和草本植物的密度變化存在著明顯差異。其中灌木植物密度的變化由大到小依次為:丘間低地﹥迎風(fēng)坡﹥坡頂﹥背風(fēng)坡。在丘間低地,灌木植物的密度最大,為73.75株/100m2;在背風(fēng)坡,灌木植物的密度最小,為31.0株/100m2,二者之間相差42.75株/100m2。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析可知丘間低地灌木密度與背風(fēng)坡灌木密度差異顯著(sig丘間低地-背風(fēng)坡=0.029<0.05),其余各種地形間灌木密度無(wú)顯著差異(sig背風(fēng)坡-坡頂=0.399>0.05;sig坡頂-迎風(fēng)坡=0.23>0.05;sig迎風(fēng)坡-丘間低地=0.223>0.05)。草本植物密度的變化與灌木植物剛好相反,其密度的變化由大到小依次為:背風(fēng)坡﹥坡頂﹥迎風(fēng)坡﹥丘間低地。在背風(fēng)坡,草本植物的密度最大,為392.25株/100m2,在丘間低地,草本植物的密度最小,為169.75株/100m2,二者之間相差353.5株/100m2。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析可知,丘間低地草本密度與背風(fēng)坡草本密度差異顯著(sig丘間低地~背風(fēng)坡=0.04<0.05),其余各種地形間草本密度無(wú)顯著差異(sig背風(fēng)坡-坡頂=0.087>0.05;sig坡頂~迎風(fēng)坡=0.09>0.05;sig迎風(fēng)坡-丘間低地=0.082>0.05)。圖2表示在固定沙地中不同地形條件下植被蓋度的變化。從圖2看出,灌木植物和草本植物在不同地形條件下其蓋度的變化是不同的,其變化趨勢(shì)與植物密度的變化趨勢(shì)基本一致。灌木植物的蓋度變化由大到小依次為:丘間低地﹥迎風(fēng)坡﹥坡頂﹥背風(fēng)坡;其中丘間低地的灌木植物蓋度最大,為32.24%,背風(fēng)坡的灌木植物蓋度最小,為14.83%,二者之間相差17.41%。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析可知,丘間低地灌木蓋度與背風(fēng)坡灌木蓋度差異顯著(sig丘間低-背風(fēng)坡=0.002<0.05),其余各種地形間灌木蓋度無(wú)顯著差異(sig背風(fēng)坡-坡頂=0.888>0.05;sig坡頂-迎風(fēng)坡=0.557>0.05;sig迎風(fēng)坡-丘間低=0.767>P0.05)。不同地形條件下草本植物的蓋度變化與灌木植物剛好相反,其蓋度變化由大到小依次為:背風(fēng)坡﹥坡頂﹥迎風(fēng)坡﹥丘間低地。其中在背風(fēng)坡,草本植物的蓋度最大,為11.96%,而在丘間低地,草本植物的蓋度最小,為2.65%;二者之間相差9.31%。通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析可知丘間低地草本蓋度與背風(fēng)坡草本蓋度差異顯著(sig丘間低地-背風(fēng)坡=0.011<0.05),其余各種地形間草本蓋度無(wú)顯著差異(sig背風(fēng)坡-坡頂=0.328>0.05;sig坡頂-迎風(fēng)坡=0.959>0.05;sig迎風(fēng)坡-丘間低地=0.648>0.05)。2.2不同地形條件下砂土水分變化2.2.1土壤水分的垂直分布圖3表示不同地形條件下,觀測(cè)樣地每月土壤含水量平均值的變化。由圖3可知,在丘間低地,沙地土壤水分含量最高,為3.42%,其次為迎風(fēng)坡3.04%、坡頂部2.36%,而在背風(fēng)坡,沙地土壤含水量最低,為2.16%。圖4表示四種不同地形條件下不同深度沙地土壤水分平均值的垂直分布變化。由圖4可以看出,植被區(qū)土壤水分的變化是由淺層至深層逐漸降低。其中有兩個(gè)土層,土壤水分的降幅較大,一個(gè)為0~5cm土層,另一個(gè)為40~100cm土層。在0~5cm土層,土壤含水量降低的原因可能是因?yàn)橥寥辣砻娴纳锝Y(jié)皮中苔蘚和藻類等非維管束植物密集的根系及微生物的分泌物使表層水分含量較高;而40~100cm處可能是灌木植物根系的主要分布區(qū),由于根系對(duì)水分的吸收,所以這一層次的土壤含水量有顯著的降低。其余各層次的土壤含水量變化不大。2.2.2酶系統(tǒng)分析對(duì)灌木植物生長(zhǎng)的控制作用由上述研究結(jié)果可知,沙地不同地形條件對(duì)土壤水分和植被生長(zhǎng)都產(chǎn)生著較為明顯的影響,而且不同地形條件下沙地土壤水分和植被生長(zhǎng)也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。因此,可以就不同地形條件下沙地土壤水分和植被生長(zhǎng)的關(guān)系進(jìn)行探討。圖5和圖6分別表示不同地形條件下土壤含水量與灌木植物蓋度和密度變化的相關(guān)分析。結(jié)果表明,不同地形條件下沙地土壤含水量與灌木植物蓋度和密度變化的相關(guān)系數(shù)分別為0.921和0.899,說(shuō)明不同地形條件下土壤含水量與灌木植物的生長(zhǎng)具有很好的相關(guān)性,即沙地土壤水分條件是灌木植物生長(zhǎng)狀況的主要限制因素。對(duì)于草本植物而言,其生長(zhǎng)與沙地土壤水分的關(guān)系與灌木植物完全不同。由于草本植物的根系生長(zhǎng)主要分布于較淺層的土壤中,因此主要探討不同地形條件下的淺層土壤水分與草本植物生長(zhǎng)的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算可知,不同地形條件下草本植物的蓋度和密度與土壤含水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.591和0.428,說(shuō)明二者之間的關(guān)系與灌木植物相比并不密切,即土壤含水量可能不是影響草本植物密度和蓋度的主要因素。3土壤水分和植物生長(zhǎng)的關(guān)系在沙坡頭地區(qū),固定沙地的不同地形條件對(duì)土壤水分和植物生長(zhǎng)都有較為明顯的影響,而且沙地土壤水分的變化以及植物生長(zhǎng)的變化依照不同的地形條件都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。3.1丘間低地風(fēng)坡坡頂背風(fēng)坡沙地土壤水分含量由高至低的變化趨勢(shì)根據(jù)地形條件依次表現(xiàn)為:丘間低地﹥迎風(fēng)坡﹥坡頂﹥背風(fēng)坡。這可能是由于丘間低地地勢(shì)較低,不僅容易聚集雨水,而且陽(yáng)光照射時(shí)間短;而背風(fēng)坡坡度較陡,并且向陽(yáng),蒸發(fā)比較強(qiáng)烈所致。3.2不同地形條件對(duì)沙地土壤水分與灌木植物生長(zhǎng)的影響在不同地形條件下,沙地灌木植物與草本植物的生長(zhǎng)存在著明顯的差異,說(shuō)明不同地形條件對(duì)灌木植物和草本植物生長(zhǎng)狀況的影響是不同的。其中灌木植物密度和蓋度由大到小的變化趨勢(shì)依照地形條件依次表現(xiàn)為:丘間低地﹥迎風(fēng)坡﹥坡頂﹥背風(fēng)坡;而草本植物密度和蓋度由大到小的變化趨勢(shì)依照地形條件依次表現(xiàn)為:背風(fēng)坡﹥坡頂﹥迎風(fēng)坡﹥丘間低地,與灌木植物生長(zhǎng)的變化趨勢(shì)正好相反。不管是灌木植物還是草本植物,其蓋度和密度的差異都是在丘間低地與背風(fēng)坡之間表現(xiàn)得較為顯著,而在其它地形之間表現(xiàn)得不顯著。根據(jù)不同地形條件下沙地土壤水分與植物生長(zhǎng)的相關(guān)性分析可知,不同地形條件下沙地土壤水分與灌木植物生長(zhǎng)存在著密切關(guān)系,說(shuō)明沙地土壤水分是灌木植物生長(zhǎng)的主要影響因素;而沙地土壤水分與草本植物生長(zhǎng)之間沒(méi)有非常密切的關(guān)系,說(shuō)明草本植物的生長(zhǎng)可能還受其它環(huán)境因素的影響。如龍利群等認(rèn)為草本植物的萌發(fā)和出苗在很大程度上受生物結(jié)皮的影響,一些殼狀致密的藻類結(jié)皮或氈墊狀密集叢生的苔蘚結(jié)皮能對(duì)一些植物的種子或根接觸土壤設(shè)置物理屏障,從而阻撓它們?cè)诮Y(jié)皮層上萌發(fā);同時(shí),致密的結(jié)皮對(duì)種子萌發(fā)后根的扎入也設(shè)置了物理屏障,種子即使萌發(fā)后,也因無(wú)法穿透結(jié)皮層扎根于土壤