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中国沙漠, 2024, 44(2): 273-282 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00021

固沙措施对流动沙丘植被和土壤特性的影响

程莉,1,2, 宁志英1, 杨红玲,1, 李玉霖,1

1.中国科学院西北生态环境资源研究院 奈曼沙漠化研究站,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院大学,北京 100049

Effects of different sand-fixation measures on vegetation and soil characteristics of high and flat mobile dunes

Cheng Li,1,2, Ning Zhiying1, Yang Hongling,1, Li Yulin,1

1.Naiman Desertification Research Station,Northwest Institute of Eco-Environment and Resources,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 李玉霖(E-mail: liyl@lzb.ac.cn杨红玲(E-mail: yanghl@lzb.ac.cn)

收稿日期: 2023-11-21   修回日期: 2024-02-18  

基金资助: 中国科学院A类战略性先导科技专项.  XDA23060404
甘肃省科技计划项目.  23JRRA572
国家自然科学基金项目.  32071845

Received: 2023-11-21   Revised: 2024-02-18  

作者简介 About authors

程莉(1996—),女,山西忻州人,博士研究生,主要从事植物生态学研究E-mail:CL18734568017@163.com , E-mail:CL18734568017@163.com

摘要

沙漠化是科尔沁沙地土地退化的主要原因,科学合理的治沙措施能够有效控制风沙侵害,有助于植被-土壤系统的重建与恢复。本研究以科尔沁沙地高大流动沙丘和平缓流动沙丘为研究对象,通过分析自然恢复、种植差不嘎蒿(Artemisia halodendron)和设置草方格沙障3种固沙措施下植被群落特性和土壤理化性质的变化趋势,从而为该类型沙丘固沙措施的筛选提供科学指导。结果表明:(1)不同固沙措施下平缓流动沙丘植物物种丰富度为设置草方格沙障(20种)>种植差不嘎蒿(18种)>自然恢复(15种);高大流动沙丘植物物种丰富度为设置草方格沙障(14种)>种植差不嘎蒿(8种)>自然恢复(5种)。(2)高大和平缓流动沙丘土壤理化性质差异不显著;设置草方格沙障显著增加土壤有机碳、全氮含量(P<0.05);随着恢复年限延长,土壤养分含量显著增加(P<0.05)。(3)高大和平缓流动沙丘中土壤有机碳含量、全氮含量与物种丰富度呈显著正相关关系(P<0.05)。综上所述,草方格沙障能够显著改善植物群落物种丰富度,增加土壤养分以改善土壤质量,是最有利于科尔沁沙地流动沙丘生态系统恢复的措施。生态恢复是一个相对漫长的过程,随着固沙年限增加,自然恢复、种植差不嘎蒿和设置草方格沙障均有利于科尔沁沙地流动沙丘的生态恢复。

关键词: 固沙措施 ; 流动沙丘 ; 植物群落特征 ; 土壤理化性质

Abstract

Desertification constitutes the primary catalyst for land degradation in the Horqin Sandy Land. Implementing scientifically sound measures to mitigate sand erosion can effectively curb wind-borne sand encroachment, thereby facilitating the restoration and rehabilitation of the vegetation-soil system. This study, focusing on the high and flat mobile dunes in the Horqin Sandy Land, investigates the vegetation community characteristics and soil physical and chemical properties under three sand-fixation measures, namely natural restoration, Artemisia halodendron planting, and grass checkerboard sand barriers. The findings aim to provide scientific guidance for selecting appropriate sand-fixation measures for this specific type of dunes. The results showed that: (1) Under different sand-fixation measures, the plant species richness of flat sand dunes was grass checkerboard (20 species) > planting A. halodendron (18 species) > natural restoration (15 species); the plant species richness of high mobile dunes was grass checkerboard (14 species) > planting A. halodendron (8 species) > natural restoration (5 species). (2) There was no significant difference in soil physical and chemical properties between the high and flat moblie dunes. Setting grass checkerboard sand barriers significantly increased soil organic carbon and total nitrogen contents (P <0.05); with the extension of restoration years, soil nutrient content increased significantly (P <0.05). (3) There was a significant positive correlation between soil organic carbon and total nitrogen contents and species richness in the high and flat sand dunes (P <0.05). Establishing straw checkerboard sand barriers could significantly improve the species richness of plant communities and increase soil nutrients to improve soil quality, which was one of the most beneficial measures for the ecological restoration of mobile dunes in the study area. Ecological restoration is a relatively long process. With the extension of sand fixation years, natural restoration, planting A. halodendron and establishing straw checkerboard sand barriers were all beneficial to the ecological restoration of mobile dunes in Horqin Sandy Land.

Keywords: sand fixation measures ; mobile dunes ; plant community characteristics ; soil physical and chemical properties

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本文引用格式

程莉, 宁志英, 杨红玲, 李玉霖. 固沙措施对流动沙丘植被和土壤特性的影响. 中国沙漠[J], 2024, 44(2): 273-282 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00021

Cheng Li, Ning Zhiying, Yang Hongling, Li Yulin. Effects of different sand-fixation measures on vegetation and soil characteristics of high and flat mobile dunes. Journal of Desert Research[J], 2024, 44(2): 273-282 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00021

0 引言

土地沙化是人类面临的重要环境挑战,其造成的生态环境恶化、土地资源丧失及经济贫困化直接危及人类的生存和社会的可持续发展1-3。根据第六次全国荒漠化和沙化调查结果,截至2019年,全国荒漠化土地面积257.37万km2,沙化土地面积168.78万km2[4。科尔沁沙地作为中国四大沙地中面积最大的沙地(总面积达4.23万km2,沙地占其总面积的20%,其中流动沙丘占7%,半固定沙丘占7%,固定沙丘占6%),是京津冀风沙的主要源头,也是中国荒漠化治理的重点区域5。从20世纪50年代开始,中国陆续实施了“三北”防护林体系建设、京津风沙源治理、全国防沙治沙综合示范区项目等工程,特别是2011年开始启动“三北”工程百万亩防风固沙林基地建设,促进了科尔沁沙地的综合治理6。目前易治理的沙漠化土地基本上已经治理或正在治理了,剩下的绝大部分都属于难啃的硬骨头4。具体来讲,部分区域河流冲积、风积作用强烈,分布有大量连片成带的高大流动沙丘,治理难度较大,已成为科尔沁沙地沙化土地治理的难点。

目前不同地区采取的治沙措施多种多样,如草方格建设、生物沙障、植树造林、人工植被体系重建和围封禁牧等。草方格被誉为“中国魔方”,是一种普遍应用的防沙治沙工程措施。一方面,通过增加地面空气动力学粗糙度,将地面风速降低到低于起沙风速,可以有效地控制沙粒的运动;另一方面,通过阻断风沙流,降低风的携沙能力,可以减少风沙的运动,从而达到防风固沙的目的7-8。针对草方格使用年限较短等问题,逐渐用活体植株代替秸秆等材料,逐步发展形成了生物沙障9。与草方格相比,生物沙障具有一次建植、多年受益的优势,其缺点是建植成本较高,尤其是建植初期,需消耗大量的人力物力,且为保证成活率,前期需大量的人工管理10-11。在材料选择上,一般以当地乡土灌木作为首选树种(成活率和保持率高),另外也可选择适宜性高且有一定经济效益的灌木(如蜜源植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla),可加工成饲草料,也可直接进行适度放牧),从而降低风蚀、控制沙化、提升区域生态修复和沙化土地的恢复12-13。这两种方式“复绿”的草地尽管生产力提高了,但仍存在群落结构简单、生物多样性低下、土壤结构差、涵养水源和固碳等生态功能弱等问题。自然恢复是植被恢复中广为应用的重要手段,采用水泥桩和刺围栏设施,完全隔绝大型草食动物采食,依靠自然演替来恢复已退化的生态系统,从而实现恢复后生态系统的生物多样性、结构和功能的完整性、稳定性和可持续性14。围封后表层土壤碳氮含量、植被生物量及物种丰富度均有大幅度提高15-16。这种方法恢复的生态系统稳定性高,但通常恢复过程漫长。

奈曼旗曾经是科尔沁沙地沙漠化最严重的地区。自20世纪80年代起,各级政府在该区域实施了各种沙化土地治理措施,并且取得了显著成效,境内大部分流动沙丘得到了有效治理。但是,在奈曼旗西部的老哈河沿岸,仍分布有大量连片高大流动沙丘,尽管曾经多次实施飞播、封禁等治理措施,治理效果仍较差,成为该地区沙化土地治理的重点区域。目前该区域内90%以上为高大起伏流动沙地(丘),小部分为半固定沙地(丘)和固定沙地(丘),地表植被稀少,仅分布少量的沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、差不嘎蒿(Artemisia halodendron)、小叶锦鸡儿、黄柳(Salix gordejevii)等17-18。生态恢复是一个长期动态的过程,及时掌握生态系统恢复程度、当前状况是生态恢复工程的重要组成内容,也是提供生态恢复反馈信息、进一步调整和改进恢复方案的重要手段19。土壤性状改善和植物群落重建是沙漠化防治取得成效的重要表征19,明晰不同沙漠化防治措施下植物群落与土壤因子的变化趋势及关联特征,有助于筛选最佳的沙漠化治理措施。本文以科尔沁沙地难治理的高大和平缓流动沙丘为研究对象,分析高大和平缓流动沙丘植被和土壤的恢复特征对自然恢复、生物固沙(种植差不嘎蒿)和机械固沙(设置草方格沙障)等措施的响应,从而为难治理沙丘的恢复提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区域位于科尔沁沙地中南部奈曼旗境内。地理位置为42°58′N、120°44′E,海拔约360 m。年均气温6.5 ℃,最热月(7月)平均气温23.5 ℃,最冷月(1月)平均气温-13.2 ℃,全年≥10 ℃的有效积温3 200~3 400 ℃,无霜期151 d,极端最高气温39 ℃,极端最低气温-29.3 ℃,夏季无植被覆盖的沙丘表面温度可达60.0 ℃。年太阳辐射总量为5 200~5 400 MJ·m-2。多年平均降水量约360 mm,集中在6—8月。年蒸发量1 935 mm,属温带大陆型半干旱气候类型20-21

1.2 研究方法

2017年3月在奈曼旗西老哈河沿岸选取形状相似、独立的高大流动沙丘和平缓流动沙丘各5座,采用坡度仪测量沙丘的坡度变化和相对高度。高大沙丘相对垂直高度约8.7 m,平缓沙丘相对垂直高度约为5.2 m。在高大和平缓流动沙丘实施设置草方格沙障、种植差不嘎蒿、自然恢复3种固沙措施。实施固沙措施的流动沙丘全部用钢丝网围封,排除放牧等人为干扰。草方格沙障使用的材料为稻草,铺设规格为1 m×1 m,露出地面高度保持10~20 cm22。种植差不嘎蒿的方式是雨季移栽分蘖苗,种植行距为2.5 m,株距为1 m23。未实施任何人工措施的区域即为自然恢复。2017—2019年8月,每年调查高大和平缓流动沙丘不同固沙措施样地内的植物物种组成和植被盖度,同时测定土壤有机碳、全氮含量,土壤含水量和土壤机械组成。

1.3 土壤理化性质测定

土壤样品带回实验室,挑出树根、叶片等杂物,过2 mm土壤筛。取一部分新鲜土壤样品用于土壤含水量的测定,其余土壤样品经自然风干后,一部分用于土壤机械组成测定,一部分经过研磨后测定土壤理化性质。土壤含水量用烘干法测定,土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-外加热法测定,土壤全氮用元素分析仪测定,土壤机械组成采用湿筛法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0对数据进行分析处理,利用Origin 2022软件绘图。利用三因素方差分析比较沙丘类型、固沙措施和恢复年限对植被物种盖度、丰富度和土壤含水量、有机碳、全氮和机械组成的影响。

通过以下公式计算物种重要值:

相对盖度=某一种物种盖/全部物种盖度之和
相对高度=某一种物种平均高/全部物种平均度之
相对密度=(某一种物种平均密/全部物种平均度之)×100%
物种重要=(相对盖度+相对高度+相对密度)/3

2 结果与分析

2.1 固沙措施对科尔沁沙地流动沙丘植物重要值的影响

就自然恢复措施而言,高大流动沙丘自然恢复初期的优势植物是沙蓬,其重要值为0.942(表1)。随着自然恢复年限增加,沙蓬优势度下降,狗尾草(Setaria viridis)优势度增加,并且伴有一年生植物毛马唐(Digitaria chrysoblephara)和雾滨藜(Bassia dasyphylla)以及多年生植物差不嘎蒿入侵。平缓流动沙丘自然恢复初期的物种有一年生沙蓬、沙地旋覆花(Inula salsoloides)、狗尾草、大果虫实(Corispermum macrocarpum)、画眉草(Eragrostis plosa)、三芒草(Aristida adscensionis)和多年生芦苇(Phragmites australis),其中优势植物是一年生沙蓬、沙地旋覆花和狗尾草,其物种重要值分别为0.496、0.215和0.176(表2)。随着恢复年限增加,沙蓬优势度下降,狗尾草优势度增加,并且伴有一年生苦荬菜(Sonchus oleraceus)、砂蓝刺头(Echiops gmelini)、雾滨藜、猪毛菜(Salsola collina)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)和多年生差不嘎蒿以及小叶锦鸡儿入侵。就种植差不嘎蒿固沙措施而言,高大流动沙丘一年生植物重要值先增大后减少,多年生植物重要值变化趋势相反,主要是差不嘎蒿优势度先降低后增加引起的。沙蓬优势度与差不嘎蒿优势度相反,其重要值先增加后减少。狗尾草优势度随差不嘎蒿种植年限增加逐渐降低。就草方格固沙措施而言,2017年的优势植物为沙蓬,2018年定植物种主要是蒺藜(Chenopodium aristatum)、地锦(Euphorbia humifusa)雾滨藜和猪毛菜等一年生植物,到2019年白草(Pennisetum centrasiaticum)、扁蓄豆(Medicago ruthenica)、差不嘎蒿和达乌里胡枝子(Lespedeza bicolor)等多年生植物开始定植。虽然沙蓬优势度随恢复年限增加而降低,高大流动沙丘优势植物仍是沙蓬和狗尾草。平缓流动沙丘定植物种包括地锦、尖头叶藜(Chenopodium acuminatum)、大果虫实等一年生植物和达乌里胡枝子、赖草(Leymus secalinus)、差不嘎蒿和直立黄芪(Astragalus laxmannii)等多年生物种。优势植物为狗尾草、雾滨藜、达乌里胡枝子和沙蓬。

表1   高大流动沙丘不同固沙措施样地中植物物种重要值变化

Table 1  Changes of important values of plant species in the high mobile dunes with different sand fixation measures

物种重要值
自然恢复种植差不嘎蒿设置草方格沙障
2017年2018年2019年2017年2018年2019年2017年2018年2019年
蒺藜0.010
大果虫实0.0080.0380.0160.028
地锦0.0210.007
锋芒草0.015
狗尾草0.0580.0460.0970.0720.0480.0250.0700.0540.370
画眉草0.0140.0300.0140.028
苦荬菜0.013
毛马唐0.0590.0090.0650.0590.053
沙蓬0.9420.7630.8070.3510.4470.2230.7920.7060.443
砂蓝刺头0.008
雾滨藜0.0200.047
猪毛菜0.0060.0600.014
猪毛蒿0.017
一年生植物10.8080.9840.4380.5350.263110.947
白草0.035
扁蓿豆0.003
差不嘎蒿0.1920.0160.5140.4650.7370.009
达乌里胡枝子0.0480.115
多年生植物00.1920.0160.5620.4650.737000.163
物种丰富度2355557912

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表2   平缓流动沙丘不同固沙措施样地中植物物种重要值变化

Table 2  Changes of important values of plant species in the flat mobile dunes with different sand fixation measures

物种重要值
自然恢复种植差不嘎蒿设置草方格沙障
2017年2018年2019年2017年2018年2019年2017年2018年2019年
苍耳0.013
刺蒺0.0060.006
大果虫实0.0430.0070.0150.0190.0170.0380.0550.0190.031
地锦0.0040.0070.0110.006
狗尾草0.1760.1080.2040.1290.0960.1890.2320.1270.381
画眉草0.0030.0170.0020.0360.0180.012
尖头叶藜0.052
苦荬菜0.0020.0030.008
牻牛儿苗0.003
毛马唐0.0200.0210.0440.0330.0330.0610.0930.0940.063
三芒草0.0050.047
沙地旋覆花0.2150.3610.2770.1610.053
沙蓬0.4960.4480.2900.4390.5840.4500.3470.5670.105
砂蓝刺头0.0020.0250.014
菟丝子0.009
雾滨藜0.0780.0330.0250.0550.143
野菽0.006
猪毛菜0.0100.0100.0420.0040.0240.004
猪毛蒿0.0010.0310.015
一年生植物0.9540.9680.9440.6210.8450.8230.9960.9770.806
扁蓿豆0.017
差不嘎蒿0.0200.3430.1510.1420.0120.036
达乌里胡枝子0.0240.0060.1760.0160.0160.122
赖草0.087
芦苇0.0460.0320.0320.0180.014
小叶锦鸡儿0.0030.011
直立黄芪0.0040.020
多年生植物0.0460.0320.0560.3850.1570.3420.0160.0320.282
物种丰富度7101271216101415

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2.2 固沙措施对科尔沁沙地流动沙丘植被群落特征的影响

三因素方差分析结果显示,沙丘类型、固沙措施和年份对植物物种丰富度影响显著(P<0.05);而沙丘类型、固沙措施和年份两两交互作用以及三因素交互作用对植物物种丰富度影响不显著(P>0.05)。沙丘类型和年份对植被盖度影响显著,且存在明显的交互作用(P<0.05,表3)。就物种丰富度而言,平缓流动沙丘各固沙措施下植物物种丰富度均显著大于高大流动沙丘,且植被物种丰富度随固沙年限延长而增加(除高大流动沙丘差不嘎蒿固沙样地物种丰富度随固沙年限的延长而减少)。高大流动沙丘不同固沙措施下,植物物种丰富度表现为草方格(14种)>差不嘎蒿(8种)>自然恢复(5种);平缓流动沙丘不同固沙措施下,植物物种丰富度表现为草方格(20种)>差不嘎蒿(18种)>自然恢复(15种)。随着固沙措施实施年限增加,高大流动沙丘一年生植物种从11种增加至16种,多年生植物种从3种增加至6种;平缓流动沙丘一年生植物物种从9种增加至14种,多年生植物物种从3种增加至7种(表1)。就植被盖度而言,高大和平缓流动沙丘植被盖度差异不显著(P>0.05),高大流动沙丘植被盖度从2017年的14.1%增加到43.4%,平缓流动沙丘植被盖度从2017年的26.8%增加到52.4%(图1)。

表3   高大和平缓流动沙丘不同固沙措施对植被群落特征影响的方差分析

Table 3  ANOVA analysis of different sand fixation measures on vegetation community characteristics in high and flat mobile sand dunes

项目物种丰富度植被盖度
FPFP
沙丘类型48.25< 0.0014.9260.029
固沙措施12.93< 0.0012.6010.080
年份7.5440.00111.80< 0.001
沙丘类型×固沙措施1.0100.4060.5250.717
沙丘类型×年份0.5730.5668.0810.001
固沙措施×年份0.6220.6480.9350.448
沙丘类型×固沙措施×年份2.7450.0700.0730.930

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图1

图1   固沙措施对沙丘植被群落特征的影响。

注:不同大写字母代表年份之间差异显著(P<0.05),不同小写字母代表固沙措施之间差异显著(P <0.05)

Fig.1   Effects of sand fixation measures on vegetation community characteristics of mobile dunes


2.3 固沙措施对科尔沁沙地流动沙丘土壤理化性质的影响

固沙措施和年份对土壤含水量、土壤有机碳含量和土壤全氮含量影响显著(P<0.05);固沙措施对土壤砂粒和黏粒含量影响显著(P<0.05);而沙丘类型,沙丘类型和固沙措施交互作用,固沙措施和年份交互作用,沙丘类型、固沙措施和年份三因素交互作用对土壤含水量、土壤有机碳含量、土壤全氮含量和土壤机械组成的影响均不显著(P>0.05,表4)。就土壤含水量而言,自然恢复样地土壤含水量显著高于草方格固沙和差不嘎蒿固沙样地(P<0.05),而草方格固沙和差不嘎蒿固沙样地土壤含水量差异不显著(P>0.05)。高大流动沙丘自然恢复、种植差不嘎蒿和草方格固沙措施下土壤含水量分别为4.69%、4.26%、4.42%;平缓流动沙丘自然恢复、种植差不嘎蒿和草方格固沙措施下土壤含水量分别为4.60%、4.43%、4.24%。2017年土壤含水量显著高于2018年和2019年,这主要与当年年降雨量有关(图2)。就土壤有机碳含量和土壤全氮含量而言,草方格固沙样地土壤有机碳和全氮含量显著高于自然恢复和差不嘎蒿固沙样地(P<0.05),而自然恢复和差不嘎蒿固沙样地之间土壤有机碳和全氮含量没有差异(P>0.05)。高大流动沙丘土壤有机碳含量从固沙措施实施初期的0.955±0.128 g·kg-1增加至1.119±0.115 g·kg-1,土壤全氮含量从0.0784±0.0077 g·kg-1增至0.0863±0.0093 g·kg-1;平缓流动沙丘土壤有机碳含量从固沙措施实施初期的1.026±0.152 g·kg-1增加至1.101±0.129 g·kg-1,土壤全氮含量从0.078±0.007 g·kg-1增加至0.082±0.006 g·kg-1图3)。就土壤机械组成而言,固沙措施显著影响土壤砂粒和黏粒含量(P<0.05),差不嘎蒿固沙措施下土壤砂粒含量较高,草方格固沙措施下土壤黏粒含量较高(图4)。

表4   高大和平缓流动沙丘固沙措施对土壤性质影响的方差分析

Table 4  ANOVA analysis of different sand fixation measures on soil properties in high and flat mobile sand dunes

项目土壤含水量土壤有机碳含量土壤全氮含量砂粒粉粒黏粒
FPFPFPFPFPFP
沙丘类型0.0040.9501.0080.3181.5140.2220.0250.8741.8520.1772.0480.156
固沙措施4.5370.01370.334< 0.00145.542< 0.0018.353< 0.0011.4870.2327.1540.001
年份68.079< 0.0017.7970.0015.1650.0080.2530.7771.2870.2811.4440.241
沙丘类型×固沙措施0.2550.9600.8220.5140.3490.8440.9820.4220.3230.8621.2460.297
沙丘类型×年份0.5660.5700.0011.0000.0520.9492.0250.1384.0590.0604.0880.060
固沙措施×年份1.0290.3970.3780.8241.4710.2170.1910.9430.0670.9920.2220.926
沙丘类型×固沙措施×年份0.4320.6511.0860.3420.5740.5660.0820.9210.1300.8790.3470.708

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图2

图2   固沙措施对沙丘植被恢复过程中土壤含水量的影响

注:不同大写字母代表年份之间差异显著(P<0.05),不同小写字母代表固沙措施之间差异显著(P<0.05)

Fig.2   Effects of different sand fixation measures on soil water content in high and flat mobile dunes


图3

图3   固沙措施对沙丘恢复过程中土壤化学性质的影响

注:不同大写字母代表年份之间差异显著(P<0.05),不同小写字母代表固沙措施之间差异显著(P<0.05)

Fig.3   Effects of different sand fixation measures on soil chemical properties in high and flat mobile dunes


图4

图4   固沙措施对沙丘土壤机械组成的影响

注:不同小写字母代表固沙措施之间差异显著(P<0.05),ns表示无显著差异(P>0.05)

Fig.4   Effects of different sand fixation measures on soil texture in high and flat mobile dunes


2.4 土壤理化性质和植被特征间的相互关系

高大流动沙丘中土壤有机碳含量、全氮含量和砂粒含量与物种丰富度呈显著正相关关系(P<0.05),平缓流动沙丘中土壤有机碳含量和全氮含量与物种丰富度呈显著正相关关系(P<0.05,图5)。

图5

图5   高大(A)和平缓(B)流动沙丘土壤理化性质与植被群落特征相关性分析

注:*,在0.05水平上显著相关;**, 在0.01水平上显著相关;***,在0.001水平上显著相关

Fig.5   Correlations between soil properties and vegetation characteristics of high (A) and flat (B) mobile dunes


3 讨论

植被是生态恢复效果的最直接表现19。对于恢复效果的评价多采用指标直接评价方法,即分析某个指标的多年动态变化趋势或将生态恢复前后某个指标的数据进行对比,从而明晰不同治沙措施对生态系统植被恢复的影响19。生产力和物种多样性是评估生态系统承载力和功能稳定性的关键指标,可通过群落的数量特征(如盖度)以及多样性指数进行分析24-25。本研究发现,随着固沙年限增加,自然恢复、种植差不嘎蒿以及设置草方格沙障3种治沙措施均能显著提升植物群落的盖度,表明这些措施有助于植被生产力的恢复。同时,除高大流动沙丘差不嘎蒿固沙样地,其余固沙处理下物种丰富度亦显著增加,预示着3种治沙措施有助于改善群落结构,增加群落弹性。该研究结果与自然恢复、种植差不嘎蒿、设置草方格沙障等治沙措施与植物群落间的关系试验结果一致26-28。植被恢复效果的正向变化与治沙措施相关:自然恢复通过排除牲畜负面干扰(采食和践踏等),有效防止了大量草本植物种子的流失,丰富了土壤种子库,从而促使大量草本植物(特别是适口性好的禾本科植物)得以生长和恢复29;差不嘎蒿种群表现出强大的抗旱能力和生长特性,种植差不嘎蒿不仅能够通过防风固沙和改善土壤质地等生态功能,为草本植物提供相对稳定的生存条件,还有助于植物群落物种多样性的提高30;草方格沙障的设置通过增加地表粗糙度,有效减少了流水和风力的侵蚀,为植物的萌发与定植提供稳定环境31

土壤养分的恢复和维持是陆地退化生态系统功能恢复和自我维持能力提高的最重要表现,因此土壤理化性质也被视为评价生态系统恢复的重要指标19。本研究发现,随着固沙年限的增加,样地内的土壤养分状况发生明显变化,固沙3年样地中土壤有机碳、全氮含量显著增加。许永利等32的研究表明,沙柳沙障显著增加0~30 cm土层全钾含量。高菲等33的研究表明,种植沙柳后沙丘0~60 cm土层土壤有机质含量与全氮含量显著高于对照。黄巍等34的研究表明,设置沙障后,沙丘土壤有机质含量是对照的1.7倍,全氮含量是对照的2倍,全磷含量是对照的1.51倍,全钾含量是对照的1.03倍。王丽英等35发现,随着铺设沙障年限增加,土壤有机碳、氮、钾含量显著升高。可见,不同固沙措施均会对实施固沙措施区域土壤状况产生影响,在一定程度上增加了土壤肥力。然而,土壤养分在治沙措施的积极干预下,还存在一些差异化特征:相比于自然恢复和种植差不嘎蒿,草方格固沙措施下土壤有机碳和全氮含量显著增加,这可能是由于草方格沙障材料秸秆的分解所致。

植物与土壤之间存在相互协同、相互影响的互馈关系,形成了承载生态系统物质循环和能量流动的植被-土壤系统36-37。本研究中,随着治沙措施实施年限的增加,自然恢复、种植差不嘎蒿和设置草方格沙障3种措施均显著增加植物群落物种丰富度,提高土壤有机碳含量以及全氮含量,且土壤养分(土壤有机碳含量和全氮含量)与植物群落特征(植物群落物种丰富度)呈显著正相关。中国北方多个固沙区域的研究普遍表明3138-41,自然恢复、沙障布设(草方格)和固沙植被营造(种植差不嘎蒿)等治沙措施能够显著提高植物群落物种多样性42,多样性增加将促进群落中物种的功能性状类型(如叶面积、冠幅、根系深度等)增加或异化,引发生态位分化,推动资源最大化利用,提高群落生产力。植物群落建植后直接或间接改善土壤质地,增加土壤养分43-48

4 结论

自然恢复、种植固沙灌木和设置草方格沙障是流动沙丘生态恢复的重要治沙措施。自然恢复、种植差不嘎蒿和设置草方格沙障治沙措施实施3年时,治沙区域植物群落物种丰富度均显著增加,土壤有机碳和全氮含量明显提升。相比于自然恢复和种植差不嘎蒿,设置草方格沙障治沙措施实施区域物种丰富度更大,土壤养分含量更高。综合来看,自然恢复、种植差不嘎蒿和设置草方格沙障均有利于科尔沁沙地流动沙丘的生态恢复,且相比于自然恢复和种植差不嘎蒿,设置草方格沙障能够显著改善植物群落物种丰富度,增加土壤养分以改善土壤质量,是最有利于研究区域生态系统恢复的措施。

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