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全球气候变暖、温室气体增加以及人类过度放牧、开垦草原导致干旱、半干旱区发生草原灌丛化已成为一种普遍现象,促使植被组成由草本向灌木转变[1-6]。原植被生态系统的结构和功能发生改变已成为全球干旱半干旱地区面临的重要生态问题[7-8]。草原灌丛化造成草本盖度减少,裸地面积增加,当有风沙流经过时,灌丛能发挥防风固沙作用形成灌丛沙堆,进而塑造了草原区典型的风沙堆积地貌[9]。不同物种灌丛形态结构差异塑造的灌丛沙堆形态特征明显不同,灌丛沙堆各形态参数之间以及与灌丛发育特征参数之间有很好的相关性[10-12]。因此植被类型、灌丛大小[12-14]、沙源和风力条件[14-15]是决定灌丛沙堆发育速度和形态特征的关键因素[15-17]。灌丛不仅可以降低风速,拦截风沙流中的沙物质后沉积在灌丛下,减轻风沙侵蚀[9],使沙物质颗粒重新分配,改变灌丛下土壤分形维数,从而采用土壤分形维数也可以作为灌丛固沙能力大小的评价指标之一。总之,在外界环境相同的条件下,植被类型成为决定性因素,不同植被类型固沙能力以及形成的沙堆形态不同。本研究选择内蒙古东部荒漠草原区浑善达克沙地上广泛分布的长柄扁桃、小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿3种典型灌木为对象,测定了3种植物不同大小灌丛形态参数、沙堆形态参数及灌丛下土壤颗粒组成特征,研究荒漠草原区出现灌丛化现象后,灌丛沙堆在退化生态系统中发挥的保育功能和防风固沙作用。
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浑善达克沙地3种典型灌木形成的沙堆均为近圆锥状,沙堆底面近似圆形。沙堆上植被盖度在不同物种间无明显差异,但由于物种间灌丛形态差异,造成物种间地上生物量有明显差异(P<0.05) (见表1)。3种植物灌丛半径、灌丛高度、沙堆坡角、沙堆体积和固沙率各指标间存在显著差异(P<0.05)。长柄扁桃和狭叶锦鸡儿沙堆半径显著小于小叶锦鸡儿(P<0.01),但它们两者间差异不显著(P>0.05),小叶锦鸡儿和狭叶锦鸡儿的沙堆高度显著小于长柄扁桃(P<0.01),但它们两者间差异不显著(P>0.05)。地上生物量和灌丛高度均表现为:长柄扁桃>小叶锦鸡儿>狭叶锦鸡儿,灌丛半径和沙堆半径均表现为:小叶锦鸡儿>狭叶锦鸡儿>长柄扁桃,沙堆坡角和沙堆高度均表现为:长柄扁桃>狭叶锦鸡儿>小叶锦鸡儿。小叶锦鸡儿、狭叶锦鸡儿和长柄扁桃沙堆体积分别为0.72±0.05 m3、0.65±0.03 m3和0.35±0.02 m3,固沙率分别为180.15±46.82 cm3·g−1、138.26±30.14 cm3·g−1和35.86±11.08 cm3·g−1,因此3个物种间固沙能力差异性显著(P<0.05),小叶锦鸡儿最大,狭叶锦鸡儿次之,长柄扁桃最小。
植物种
Plant
species地上生物量
Above-ground
biomass/g灌丛半径
Shrub
radius/cm灌丛高度
Shrub
height/cm沙堆高度
Nabkha
height/cm沙堆半径
Nabkha
radius/cm沙堆坡角
Nabkha
slope
angle/°沙堆体积
Nabkha
volume/m3固沙率
Rate of
sand-fixation/
(cm3·g−1)长柄扁桃
A. pedunculata977.67±61.80a 51.78±10.02c 43.31±9.25a 18.01±3.31a 53.246±15.02b 18.677±2.02a 0.35±0.02c 35.86±11.08c 小叶锦鸡儿
C. microphylla400.67±22.31b 67.16±18.32a 35.35±5.32b 12.78±3.39b 71.606±20.39a 10.119±1.24c 0.72±0.05a 180.15±46.82a 狭叶锦鸡儿
C. stenophylla467.01±39.87c 57.75±12.09b 26.54±4.98c 13.60±3.08b 56.058±13.87b 13.980±1.35b 0.65±0.03b 138.26±30.14b 注:同列不同字母表示灌木间在0.05水平存在显著性差异。
Note: Different letters in the same column indicated that there was a significant difference between shrubs at the level of 0.05.Table 1. Morphological parameters of three typical shrubs and nabkha
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从图1A可以看出,小叶锦鸡儿和长柄扁桃的灌丛高度与灌丛半径呈极显著幂函数递增(P<0.01),狭叶锦鸡儿呈显著线性函数递增(P<0.05),3种植物灌丛水平尺度的延伸速度均大于垂直尺度的生长速度。小叶锦鸡儿灌丛半径的扩展快于长柄扁桃和狭叶锦鸡儿。由图1B可知,3种典型灌丛沙堆高度都随沙堆半径的增大呈现对数曲线增大,即在沙堆形态较小时,随着沙堆半径的增大,沙堆高度增加较快,而随着沙堆底面积不断增大,沙堆高度变化就会趋于稳定且增加速度降低。3种典型灌丛沙堆的水平尺度的延伸速度均大于垂直尺度的生长速度,小叶锦鸡儿沙堆半径的扩展快于长柄扁桃和狭叶锦鸡儿。由图1C可知,随着3种典型灌丛半径的增加,沙堆半径呈极显著线性增加(P<0.01),说明沙堆水平尺度的发育受到灌丛水平发育的制约,小叶锦鸡儿沙堆半径随灌丛半径增加的直线斜率大于狭叶锦鸡儿和长柄扁桃,说明随着灌丛在水平尺度的扩展,小叶锦鸡儿沙堆在水平方向发育速度最快,其次为狭叶锦鸡儿,长柄扁桃最慢。由图1D可知,随着灌丛高度的增加,狭叶锦鸡儿的沙堆高度呈现显著线性增加(P<0.01),这表明灌丛高度发育决定了沙堆高度发育,而小叶锦鸡儿和长柄扁桃的灌丛高度与沙堆高度呈极显著幂函数递增(P<0.01)。
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由表2相关分析可知,除长柄扁桃地上生物量与沙堆高度呈显著正相关(P<0.05),与固沙率呈正相关,但未达到显著水平外(P>0.05),狭叶锦鸡儿地上生物量与固沙率呈显著正相关关系(P<0.05)外,3种典型灌丛大小与沙堆高度、沙堆半径、沙堆底面积、沙堆体积和固沙效率均呈极显著正相关关系(P<0.01),这表明灌丛地上生物量越大固定的沙堆越大,固沙率越高。3种典型灌木相比,随着灌丛增大其地上生物量增加,小叶锦鸡儿固定沙堆体积和固沙率最大,其次为狭叶锦鸡儿,长柄扁桃最小。灌丛地上生物量与长柄扁桃沙堆坡角呈极显著负相关(P<0.05),与狭叶锦鸡沙堆坡角儿呈负相关(P>0.05),仅与小叶锦鸡儿沙堆坡角呈正相关(P>0.05)。这些结果说明,小叶锦鸡儿的固沙能力更强。
地上生物量
Above-ground
biomass灌丛高度
Shrub
height灌丛半径
Shrub
radius沙堆高度
Nabkha
height沙堆底面积
Nabkha basal area沙堆体积
Nabkha
volume沙堆半径
Nabkha
radius固沙率
Rate of
sand-fixation沙堆坡角
Nabkha slope
angle长柄扁桃
A. pedunculata0.862** 0.998** 0.670* 0.945** 0.808** 0.948** 0.568 −0.774 ** 小叶锦鸡儿
C. microphyll0.977** 0.983** 0.874** 0.856** 0.852** 0.890** 0.846** 0.409 狭叶锦鸡儿
C. stenophylla0.895** 0.966** 0.933** 0.896** 0.814** 0.960** 0.737* −0.362 注:*表示0.05水平上差异显著;**表示0.01水平上差异显著。
Note: * indicates significant difference at the level of 0.05; ** indicates a significant difference at the level of 0.01.Table 2. The correlation analysis of nabkhas morphology and sand-fixing capacity with shrubs magnitude
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由图2可知,土壤分形维数与各粒级土壤颗粒体积百分含量的相关分析表明:分形维数与黏粒(r<0.002 mm)、粉沙(0.002 mm<r<0.05 mm)和极细沙(0.05 mm<r<0.1 mm)百分含量呈极显著正相关(P<0.01),与细沙(0.1 mm<r<0.25 mm)百分含量呈极显著负相关(P<0.01),但是与中沙(0.25 mm<r<0.5 mm)、粗沙(0.5 mm<r<1 mm)和极粗沙(1 mm<r<2 mm)百分含量关系不显著(P>0.05)。综上所述,土壤分形维数大小主要是由粒径小于0.25 mm的各粒级土壤颗粒体积百分含量决定,而0.1 mm的颗粒是分形维数变化的分界粒径,即土壤中小于0.1 mm的细颗粒物质含量越多,土壤分形维数越高。
3种典型灌木高度不同、枝条疏密度不同,造成对过境风速的降低程度不同,因此沉积到灌丛下的土壤颗粒组成不同,造成不同物种灌丛下土壤0~60 cm土层深度的土壤分形维数存在显著差异(P<0.01),且各土层间差异性也显著(P<0.05)。如图3所示,3种典型灌木灌丛下0~60 cm土层深度土壤分形维数平均值在 2.149~2.346之间,显著大于裸沙地土壤分形维数2.057。3种植物灌丛下土壤分形维数随着土层深度的增加呈下降趋势,由多重比较结果可知,同一物种0~10、10~20和20~30 cm各土层间的土壤分形维数差异均显著(P<0.05),随着土层深度的增加,差异性减弱表现为30~40、40~50和50~60 cm各土层间的土壤分形维数差异不显著(P>0.05)。总体上由高到低依次为小叶锦鸡儿(2.346)>狭叶锦鸡儿(2.259)>长柄扁桃(2.149)>裸沙地(2.057)。
Comparative Study on Sand-fixing Capability of Three Typical Shrubs in Otindag Sandy Land
- Received Date: 2019-04-01
- Accepted Date: 2019-06-24
- Available Online: 2020-01-01
Abstract: