荒漠草原典型灌木群落土壤养分多年变化与驱动因子

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00070

摘要/Abstract

摘要：

阐明荒漠灌丛土壤养分的长期演变规律及其驱动机制，对理解灌丛生态系统稳定性及生态恢复至关重要。本研究以库布齐沙漠3种典型灌丛驼绒藜、四合木、霸王为对象，基于长期野外调查与室内测定数据，分析了表层土壤养分C、N、P、K及其化学计量比的长期变化特征，同步解析了气候与植被因子的变化趋势，并采用随机森林模型与冗余分析量化了环境因子对土壤养分变异的相对贡献。结果表明：2006—2021年，3种灌丛土壤有机碳均显著增加，但变化模式存在种间差异；全氮变化各异，全磷在驼绒藜和四合木中总体下降，霸王先降后升；C∶N、C∶P、N∶P比值总体升高。随机森林模型与RDA分析显示，环境因子对土壤养分变异的解释力存在种间差异：驼绒藜灌丛主要受气候因子中风速、降水量和植被因子中冠幅、高度共同影响；霸王灌丛对气候因子敏感，同时受物种丰富度显著影响；四合木灌丛模型解释力相对较低，降水量与风速贡献突出。3种灌丛土壤养分动态及其对环境因子的响应表现出明显的种间特异性。本研究为荒漠灌丛生态系统的恢复与管理提供了基于长期定位观测的数据支撑。

关键词: 荒漠灌丛, 土壤养分, 环境因子, 长期变化, 随机森林模型

Abstract:

Elucidating the long-term dynamics of soil nutrients in desert shrublands and their underlying drivers is crucial for understanding ecosystem stability and providing theoretical support for ecological restoration. In this study， three typical shrub species—Ceratoides latens， Tetraena mongolica， and Sarcozygium xanthoxylon—in the Hobq Desert were selected as research subjects. Based on long-term field surveys and laboratory measurements， we analyzed the long-term variations in surface soil nutrients （C， N， P， K） and their stoichiometric ratios， examined the trends in climatic and vegetation factors， and quantified the relative contributions of environmental factors to soil nutrient variation using random forest models and redundancy analysis. The results showed that from 2006 to 2021， soil organic carbon increased significantly across the three shrublands， albeit with distinct inter-specific patterns. Total nitrogen exhibited divergent trends among species， while total phosphorus generally decreased in C. latens and T. mongolica shrublands， but decreased first and then increased in S. xanthoxylon shrubland. The C∶N， C∶P， and N∶P ratios increased overall. Random forest and RDA analyses revealed inter-specific differences in the explanatory power of environmental factors on soil nutrient variation. Soil nutrient variation in C. latens shrubland was primarily influenced by both climatic factors （wind speed and precipitation） and vegetation factors （canopy width and height）（adjusted R²=74.2%）. S. xanthoxylon shrubland was sensitive to climatic factors and also significantly affected by species richness （adjusted R²=82.7%）. In contrast， the model for T. mongolica shrubland had a relatively lower explanatory power （adjusted R²=56.7%）， with precipitation and wind speed being the prominent contributing factors. The dynamics of soil nutrients and their responses to environmental factors exhibited pronounced inter-specific specificity among the three shrublands. This study provides data support based on long-term monitoring for the restoration and management of desert shrubland ecosystems.

Key words: desert shrubland, soil nutrients, environmental factors, long-term dynamics, random forest model

中图分类号:

S153

王浩伊, 俞潇, 辛智鸣, 马媛, 罗凤敏, 李星, 崔健, 卢嘉华. 荒漠草原典型灌木群落土壤养分多年变化与驱动因子[J]. 中国沙漠, 2026, 46(4): 250-265.

Haoyi Wang, Xiao Yu, Zhiming Xin, Yuan Ma, Fengmin Luo, Xing Li, Jian Cui, Jiahua Lu. Long-term changes and driving factors of soil nutrients in typical shrub communities of the desert steppe[J]. Journal of Desert Research, 2026, 46(4): 250-265.

图/表 12

图1 研究区及研究样地地理位置注：基于自然资源部标准地图服务网站审图号GS（2019）3333号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Geographical location of the study area and the research plots

图2 3种灌丛土壤SOC与TN含量随时间的变化注：不同小写字母表示同一年份不同灌丛间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一灌丛类型在不同年份间差异显著（P<0.05，Tukey's HSD检验）。误差棒表示标准差（n=3）

Fig.2 Temporal variations of soil organic carbon and total nitrogen contents under three shrub species

图3 3种灌丛土壤TP与TK含量随时间的变化注：不同小写字母表示同一年份不同灌丛间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一灌丛类型在不同年份间差异显著（P< 0.05，Tukey's HSD检验）。误差棒表示标准差（n=3）

Fig.3 Temporal variations of soil total phosphorus and total potassium contents under three shrub species

图4 3种灌丛土壤AP与AK含量随时间的变化注：不同小写字母表示同一年份不同灌丛间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一灌丛类型在不同年份间差异显著（P<0.05，Tukey's HSD检验）。误差棒表示标准差（n=3）

Fig.4 Temporal variations of soil available phosphorus and available potassium contents under three shrub species

图5 3种灌丛土壤化学计量比随时间的变化注：不同小写字母表示同一年份不同灌丛间差异显著（P<0.05）；不同大写字母表示同一灌丛类型在不同年份间差异显著（P<0.05，Tukey's HSD检验）。误差棒表示标准差（n=3）

Fig.5 Temporal variations of soil stoichiometric ratios under three shrub species

图6 5 cm平均地温、降水量、地表温度、风速、平均气温的变化趋势

Fig.6 Change trends of the average ground temperature at 5 cm depth， precipitation， surface temperature， wind speed， and average air temperature

表1 3种灌丛植被特征调查汇总

Table 1 Summary of vegetation characteristics investigated for the three shrub species

	灌丛类型	样地编号	灌丛与草本植物种类	灌丛平均高度/cm	灌丛平均冠幅/cm²	灌丛和草本所有物种密度总和
2006	驼绒藜	1-1	4	32	41×40	16
		1-2	4	22	38×32	22
		1-3	6	32	40×37	48
	霸王	2-1	8	66	156.5×143.5	9 045
		2-2	6	73.25	126.25×112.25	59
		2-3	8	76.75	131×113	753
	四合木	3-1	11	41.67	104.33×73.33	467
		3-2	11	55	126.5×112.5	95
		3-3	10	68	132×128	136
2016	驼绒藜	1-1	6	43	63×55	44
		1-2	4	38	56×52	30
		1-3	7	46	53×42	84
	霸王	2-1	8	91	164.33×134.67	72
		2-2	10	96.25	135.5×124.75	160
		2-3	10	80.75	124.75×103.75	33
	四合木	3-1	12	55.5	120.0×117.5	126
		3-2	9	39	73.5×70	103
		3-3	9	35.38	70.25×60	226
2021	驼绒藜	1-1	6	41.67	47.67×42	57
		1-2	7	37.5	49.0×45.5	132
		1-3	9	15	38×22	332
	霸王	2-1	13	58.67	168.33×139.67	293
		2-2	17	58.75	89×75	187
		2-3	14	61.6	138.4×99.6	148
	四合木	3-1	9	43.33	110×101	2 794
		3-2	10	46	102×89	385
		3-3	10	34.9	72×67	121

图7 3种灌丛伴生种密度热图

Fig.7 Density heatmap of associated species of Three types of shrubber

图8 3种灌丛土壤养分含量及化学计量比与环境因子相关性热图注：***表示P<0.001，**表示P<0.01，*表示P<0.05，只显示|r|≥0.3的显著性星号

Fig.8 Heatmap of correlations between soil nutrients， stoichiometric ratios， and environmental factors for three types of shrubland

表2 3种灌丛类型RDA模型显著性检验结果

Table 2 Significance test results of RDA model for three shrubland types

灌丛类型	原始R²/%	调整R²/%	F值	P值	显著性
驼绒藜	80.7	74.2	12.51	0.001	高度显著^**
四合木	67.5	56.7	6.23	0.006	高度显著^**
霸王	87.0	82.7	20.14	0.003	高度显著^**

图9 3种灌丛土壤养分含量及化学计量比与环境因子RDA分析

Fig.9 Redundancy analysis （RDA） of soil nutrients， stoichiometric ratios， and environmental factors for three types of shrubland

图10 3种灌丛随机森林模型中环境因子重要性得分（%IncMSE）

Fig.10 Importance scores （%IncMSE） of environmental factors in the random forest model for three types of shrubland

参考文献 42

[1]	朱小华，杨倩，丁子筱，等.荒漠草原生态系统景观格局变化及其对气候的响应［J］.生态学杂志，2023，42（3）：748-758.
[2]	慕宗杰，蒙荣，韩国栋，等.短花针茅荒漠草原不同载畜率植物群落优势种群空间分布格局的研究［J］.畜牧与饲料科学，2008，29（6）：17-20.
[3]	郭志霞，刘任涛，冯永宏，等.不同降水对荒漠灌丛土壤理化性质和地表植被分布的影响［J］.水土保持通报，2021，41（1）：56-65.
[4]	吴建国，翟盘茂.关于气候变化与荒漠化关系的新认知［J］.气候变化研究进展，2020，16（1）：28-36.
[5]	刘任涛.沙地灌丛的“肥岛”和“虫岛”形成过程、特征及其与生态系统演替的关系［J］.生态学杂志，2014，33（12）：3463-3469.
[6]	李新荣，张志山，王新平，等.干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展［J］.中国沙漠，2009，29（5）：845-852.
[7]	Schütt M， Borken W， Spott O，et al.Temperature sensitivity of C and N mineralization in temperate forest soils at low temperatures［J］.Soil Biology and Biochemistry，2014，69：320-327.
[8]	Zhang Y F， Wang X P， Hu R，et al.Rainfall partitioning into throughfall，stemflow and interception loss by two xerophytic shrubs within a rain-fed re-vegetated desert ecosystem，northwestern China［J］.Journal of Hydrology，2015，527：1084-1095.
[9]	Reynolds J F， Smith D M S， Lambin E F，et al.Global desertification：building a science for dryland development［J］.Science，2007，316（5826）：847-851.
[10]	刘学东，陈林，杨新国，等.荒漠草原2种柠条和油蒿灌丛土壤养分“肥岛”效应［J］.西北林学院学报，2016，31（4）：26-32.
[11]	安超平，王兴，宋乃平，等.荒漠草原中间锦鸡儿林土壤养分效应对群落组分和多样性的影响［J］.西北植物学报，2016，36（9）：1872-1881.
[12]	李俊文，张胜男，高海燕，等.不同植被恢复措施对沙地土壤肥力的影响［J］.东北林业大学学报，2025，53（8）：76-82.
[13]	刘源，段玉玺，王博，等.库布齐东段典型人工固沙林土壤水分时空变化特征［J］.西北林学院学报，2021，36（1）：1-8.
[14]	刘江，袁勤，张立欣，等.库布齐沙漠北缘不同人工灌木林地土壤肥力质量状况［J］.西北林学院学报，2021，36（2）：46-53.
[15]	郭京衡，李尝君，曾凡江，等.2种荒漠植物根系生物量分布与土壤水分、养分的关系［J］.干旱区研究，2016，33（1）：166-171.
[16]	Leys J F， McTainsh G H.Sediment fluxes and particle grain-size characteristics of wind-eroded sediments from southeastern Australian wheat fields［J］.Earth Surface Processes and Landforms，1999，24（5）：409-423.
[17]	孙忠超，郭天斗，于露，等.荒漠草原土壤微生物矿化对灌丛引入过程及水分的响应［J］.生态学报，2021，41（4）：1537-1550.
[18]	王言意，党晓宏，高永，等.四合木灌丛衰退对沙堆养分及沉积特征的影响［J］.水土保持通报，2024，44（3）：65-73.
[19]	Tilman D， Isbell F， Cowles J M.Biodiversity and ecosystem functioning［J］.Annual Review of Ecology，Evolution，and Systematics，2014，45：471-493.
[20]	汪涛，杨元合，马文红.中国土壤磷库的大小、分布及其影响因素［J］.北京大学学报（自然科学版），2008，44（6）：945-952.
[21]	Hinsinger P.Bioavailability of soil inorganic P in the rhizosphere as affected by root-induced chemical changes：a review［J］.Plant and Soil，2001，237（2）：173-195.
[22]	Richardson A E， Simpson R J.Soil microorganisms mediating phosphorus availability update on microbial phosphorus［J］.Plant Physiology，2011，156（3）：989-996.
[23]	宋一凡，卢亚静，刘铁军，等.荒漠草原不同雨量带土壤-植物-微生物C、N、P及其化学计量特征［J］.生态学报，2020，40（12）：4011-4023.
[24]	Vermeiren C， Kerckhof P， Reheul D，et al.Increasing soil organic carbon content can enhance the long-term availability of phosphorus in agricultural soils［J］.European Journal of Soil Science，2022，73（1）：13191.
[25]	Vitousek P M， Porder S， Houlton B Z， Chadwick O A.Terrestrial phosphorus limitation：mechanisms，implications，and nitrogen-phosphorus interactions［J］.Ecological Applications，2010，20（1）：5-15.
[26]	Zechmeister-Boltenstern S， Keiblinger K M， Mooshammer M，et al.The application of ecological stoichiometry to plant-microbial-soil organic matter transformations［J］.Ecological Monographs，2015，85（2）：133-155.
[27]	方熊，刘菊秀，张德强，等.降水变化、氮添加对鼎湖山主要森林土壤有机碳矿化和土壤微生物碳的影响［J］.应用与环境生物学报，2012，18（4）：531-538.
[28]	谭锦，杨建英，侯健，等.乌海市几种蒺藜科灌木与土壤养分空间格局关系［J］.中国水土保持科学，2019，17（4）：93-103.
[29]	罗维成，赵文智，任珩，等.不同气候区灌丛沙堆形态及土壤养分积累特征［J］.中国沙漠，2021，41（2）：191-199.
[30]	Davidson E A， Janssens I A.Temperature sensitivity of soil carbon decomposition and feedbacks to climate change［J］.Nature，2006，440（7081）：165-173.
[31]	肖辉林，郑习健.土壤温度上升对某些土壤化学性质的影响［J］.土壤与环境，2000（4）：316-321.
[32]	李传虹，张林，刘四义，等.青藏高原灌丛土壤碳氮含量及其相关功能基因分布特征［J］.生态学报，2024，44（1）：392-404.
[33]	王其兵，李凌浩，白永飞，等.气候变化对草甸草原土壤氮素矿化作用影响的实验研究［J］.植物生态学报，2000，24（6）：687-692.
[34]	徐文兵，赵敏，瓦勒塔，等.青藏高原东北缘3种灌木数量性状、龄级结构及自疏特征［J］.草业科学，2019，36（5）：1207-1214.
[35]	李刚，赵祥，张宾宾，等.不同株高的柠条生物量分配格局及其估测模型构建［J］.草地学报，2014，22（4）：769-775.
[36]	姚博，陈云，曹雯婕，等.呼伦贝尔退化沙地植被-土壤碳氮磷互馈关系及微生物驱动机制［J］.植物生态学报，2025，49（1）：59-73.
[37]	马媛，辛智鸣，蔺方春，等.乌兰布和沙漠不同固沙灌木群落的土壤质量评价［J］.植物科学学报，2025，43（2）：181-191.
[38]	那尔格孜·阿力甫，肖钰鑫，宋泊沂，等.荒漠植物“肥岛”效应对土壤养分空间分布的影响［J］.植物研究，2023，43（6）：868-880.
[39]	杜忠毓，贺一鸣，房义，等.西鄂尔多斯濒危植物四合木群落多样性及其环境解释［J］.生态学报，2021，41（15）：6035-6045.
[40]	莫保儒，蔡国军，杨磊，等.半干旱黄土区成熟柠条林地土壤水分利用及平衡特征［J］.生态学报，2013，33（13）：4011-4020.
[41]	赵亚楠，王红梅，李志刚，等.荒漠草原灌丛人为转变过程中土壤碳氮耦合特征及机制［J］.生态学报，2023，43（10）：4123-4135.
[42]	Rengasamy P.World salinization with emphasis on Australia［J］.Journal of Experimental Botany，2006，57（5）：1017-1023.