全 文 ：第 22卷　第 11期 干　旱　区　资　源　与　环　境 Vol.22　No.11
2008年 11月 JournalofAridLandResourcesandEnvironment Nov.2008
文章编号:1003-7578(2008)11-155-05
臭柏群落演替过程中土壤环境的变化＊
红　雨1 , 王林和2
(1.内蒙古师范大学生命科学与技术学院 ,呼和浩特　010022;2.内蒙古农业大学 ,呼和浩特　 010019)
　　提　要:在臭柏群落演替过程中土壤含水量总的趋势为先上升后下降 。在进展演替阶段
呈上升趋势 ,逆行演替阶段逐渐下降 。 0 ～ 5 cm表层土壤的含水量变化不明显 ,上层 5 ～ 30cm
的土壤含水量有明显的先上升后下降的趋势 ,而深层的土壤含水量变化不大 。从土壤剖面来
讲 ,随着土层的加深土壤含水量在逐渐的下降 。随着进展演替土壤颗粒组成发生变化 ,砂粒含
量趋于减少 、粉粒和粘粒增多 、有机质含量逐渐增加 、C/N下降 ,逆行演替阶段与其相反;臭柏
群落的演替对有机质积累的影响主要集中在土壤表层 0 ～ 50㎝土层内;物种丰富度 、盖度与
土壤粘粒 、C、N、K、P呈正相关 。由此可见 ,臭柏群落进展演替的系统内容与基质的改造和土
壤发育密切联系 ,它们之间彼此影响 ,相互配合。
关键词:臭柏群落;演替;土壤环境
中图分类号:Q948.11　　　　　　文献标识码:A
毛乌素沙地位于鄂尔多斯高原南部 ,海拔约 1 300 ～ 1 600m,年平均温度 6 ～ 9℃,最热月 7月平均温
度 20 ～ 24℃,最冷月 1月平均温度 -12℃ ～ -8℃。年平均降水量 250 ～ 490 mm,由东南向西北递减 。臭
柏(Sabinavulgaris)为柏科圆柏属常绿匍匐针叶灌木 ,也是鄂尔多斯高原毛乌素沙地唯一的天然常绿灌
木 。多密集成片 ,根系发达 ,枝叶繁茂 ,耐风蚀沙埋 ,是优良珍稀的常绿固沙和护坡保土树种。在恶劣的沙
地环境下 ,仍然以高达 70% ～ 95%的覆盖度生存 ,形成占绝对优势的单优群落。国内外的研究者针对其
生物生态学特性 [ 1] 、生育规律 [ 2] 、繁殖 [ 3] 、遗传多样性 [ 4, 5]等特性进行了大量的研究 ,但对臭柏群落演替
及不同演替阶段的适应性反应研究甚少。土壤是植物生长的主要环境因子之一 ,植物群落的演替过程也
是植物与土壤相互影响和作用的过程 。从已发表的资料分析 ,国内外关于植物群落演替的研究偏重于植
物群落组成及其结构变化特征等方面 ,而对植被演替与土壤条件变化的关系研究不多 。目前 ,国内仅有少
量热带和亚热带区域的研究报道[ 6, 7] 。毛乌素沙地是我国四大沙地之一 ,植被是影响该区土壤沙化的重
要因素 。研究黄土高原地区植被演替过程中土壤有机质与水分变化特征 ,对加深认识植被演替与土壤生
态功能演变之间关系具有重要意义 ,并可为该区植被恢复与重建提供一定的科学依据 。
1 材料与方法
本研究采用对比研究法 ,以定位观测为主 。因时间关系 ,研究采用空间分布代替时间演替的方法 ,
2004年 6-8月 ,笔者在毛乌素沙地图克乡北实验地上采用空间代替时间的方法选取了臭柏演替各阶段 ,
这 4个样地是:半固定沙地油蒿(Artemisia.ordosica)+臭柏(Sabina.vulgaris)群落(Ⅰ );固定沙地臭柏
(S.vulgaris)+硬质早熟禾(Poa.sphondylodes)群落(Ⅱ);固定沙地臭柏(S.vulgaris)群落(Ⅲ);老固定沙
地臭柏(S.vulgaris)+苔藓(mosses)群落(Ⅳ)。前三个阶段为进展演替阶段 ,后一个阶段为逆行演替阶
＊ 收稿日期:2008-4-25。
基金项目:国家自然科学基金项目(30271047)、国家科技部重大基础研究前期研究专向(2004CCA03000)、内蒙古自治区自然科学
基金项目(200408020506)资助。
作者简介:红雨(1969-),女 ,蒙古族 ,内蒙古人 ,博士 ,研究方向:水土保持与荒漠化防治 、保护生物学。
责任作者:王林和　E-mail:wlinhe@imau.edu.cn
DOI :10.13448/j.cnki.jal re.2008.11.002
段 [ 8] 。观测内容有:1)土壤含水量的测定:用土钻取土 ,以烘干(105℃, 12h)称量法测定土壤含水量;2)
土壤颗粒分析:采用吸管法 [ 9] 。应用筑克斯定律 ,将不同粒级的土壤分离并计算其百分含量;3)土壤 C含
量的测定:土壤经过 0.3mm筛分处理 ,采用 K2Cr2O7容量法测定[ 10] ;4)土壤全 N、全 K、全 P含量的测定:
土壤全 N的测定采用凯氏定氮法测定 、土壤全 K的测定采用火焰光度计法 、土壤全 P的测定采用钼锑抗
比色法 [ 10] 。
图 1　臭柏群落不同演替阶段土壤含水量变化
Fig.1　ChangesinthesoilwatercontentofSabina
vulgariscommunityunderdiferentsuccessionalstages
2 结果与分析
2.1 土壤物理性质
2.1.1 土壤含水量
土壤水分是土壤中最重要的组成物质之一。从土
壤剖面来讲 ,只有第 Ⅰ阶段半固定沙地油蒿 +臭柏群
落 0 ～ 5cm表层土壤的含水量比 5 ～ 10cm土层的大以
外 ,其余阶段的均小于 5 ～ 10 cm土层含水量。这可能
是由于在第 Ⅰ阶段 ,半流沙基质土壤疏松 、保水能力较
弱 、水分较容易蒸发 ,且降雨的补给作用只满足了表层
土壤的缘故 。从 5 ～ 10cm土层之后随着土壤深度的加
深土壤含水量在逐渐的减少(图 1)。 50 ～ 80 cm土层
的土壤含水量在各演替阶段内都要比 80 ～ 100cm土层的土壤含水量低 ,在各阶段内处于最低水平 。
在臭柏群落的演替过程中土壤含水量总的趋势为先上升后下降 ,除 0 ～ 5 cm表层土壤的含水量在各
阶段间变化不大外其余各土层的土壤含水量 ,随着进展演替逐渐上升 ,随着逆行演替下降(图 1)。在演替
第 Ⅰ和第Ⅱ阶段各土层的含水量明显小于演替第Ⅲ阶段 ,这是由于演替第Ⅰ 、第 Ⅱ阶段植被密度低 ,不仅
表层积沙 ,深层土壤积沙也较多 ,因此 ,导致其保持水分的能力较低 。而演替进入第Ⅲ阶段后 ,由于沙地的
固定 ,土壤表面细土的积累和成土过程的进行 ,土壤养分和土壤有机质的不断增加 ,为多年生草本植物的
生长创造了良好的条件 ,此阶段的臭柏生长最好 ,丛幅较大 ,群落的盖度和生产力较高 ,有效防止了土壤水
分的蒸发。在固定沙地臭柏群落的地表 ,随着尘土的积累形成了较密实的结皮层 ,从而形成了老固定沙
地 ,演替进入了第Ⅳ阶段。由于结皮层形成后不宜降水的渗透及植物的蒸腾作用 ,加速了土壤水分的蒸发
使之土壤含水量明显下降 ,低于第Ⅲ阶段 。
2.1.2 土壤颗粒分析
从表 1来看随着演替的进展土壤颗粒
组成发生变化 ,砂粒含量趋于减少 ,粉粒和
粘粒增多。演替进入固定沙地臭柏群落阶
段时土壤颗粒组成中砂粒含量达到最小
值 ,粉粒和粘粒含量达到最高值 。然而沙
地基质的不稳定性 、区域气候的特殊性和
不同物种的生态适应能力等因素决定了这
种优势植被群落很难长期稳定下去。随着
防风固沙较好的灌木臭柏 、油蒿等植被密
度的下降 ,使空气中降落的尘土在地表上
积累的速度就会慢于地表细土被吹扬的速
率 ,引起地表层的风蚀 ,土壤发生再次沙化
很难避免。另外 ,由于结皮层形成后不宜
降水的渗透 ,使之深层土壤含水量明显下
降 ,对本来就十分脆弱的生态系统很不利 。
此时土壤颗粒中的砂粒将开始增多 ,粉粒
和粘粒开始减少 。
表 1　臭柏群落不同演替阶段不同土层土壤颗粒组成变化
Tab.1　Changesofthegranularcompositioninthediferentsoillayerof
Sabinavulgariscommunityunderdifferentsuccessionalstages
演替
阶段
土层深度
(cm)
土壤粒级 (%)
砂粒
(>0.05㎜)
粉粒
(0.01～ 0.05㎜)
粘粒
(<0.01㎜)
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
0～ 10
87.55±1.54a
80.69±1.17b
76.35±1.57c
80.50±1.25b
0.66±0.12C
5.07±0.53B
7.41±0.53A
4.11±0.14B
11.79±0.84c
14.24±0.76b
16.24±0.86a
15.39±0.82ab
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
10～ 30
88.33±1.41a
84.56±1.96b
76.80±1.96c
84.25±0.52b
0.29±0.25C
2.66±0.47B
8.05±0.47A
2.29±0.66B
11.38±1.12c
12.78±0.70bc
15.15±1.20a
13.46±0.91b
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
30～ 50
88.57±1.78a
85.72±1.83b
85.25±1.68b
85.80±1.01b
0.15±0.13b
2.31±0.44a
2.36±0.39a
2.11±0.31a
11.28±0.89b
11.97±1.10b
12.39±1.34a
12.09±0.34a
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
50～ 70
88.69±1.57a
86.76±1.54b
85.68±1.70b
86.48±1.61b
0.14±0.11b
2.34±0.12a
2.34±0.11a
1.74±0.16a
11.17±0.92a
11.90±1.06a
11.98±0.85a
11.78±1.14a
注:同一列 ,相同土层字母不同者 ,大写字母表示差异极显著(P﹤ 0.01),小
写字母表示差异显著(P﹤ 0.05)
·156· 干　旱　区　资　源　与　环　境 第 22卷
土壤样品主要是在不同演替阶段的样地所取 ,虽然不能完全代表各演替阶段内的土壤变化 ,但也可以
反映大致的趋势 。不同深度的指标在阶段间做方差分析是一致的。从不同演替阶段 0 ～ 10 cm、10 ～ 30
cm、30 ～ 50cm土层的各项指标来看砂粒 、粉粒和粘粒出现显著的差异 , 50 ～ 70cm的土层中粘粒在阶段间
无显著差异外 ,砂粒和粉粒均差异显著。从土壤垂直剖面来看 ,随着土层的加深 ,砂粒逐渐增多 ,粉粒和粘
粒逐渐减少 。
2.2 土壤化学性质
图 2　臭柏群落不同演替阶段不同土层 C、N、K、P含量变化
Fig.2　ContentofC, N, K, PindifferentsoillayersofSabinavulgariscommunityunderdiferentsuccessionalstage
注:同一图柱 ,相同土层字母不同者 ,大写字母表示差异极显著(P﹤ 0.01),小写字母表示差异显著(P﹤ 0.05)
根据图 2显示 , C、N、K和 P含量在不同演替阶段土壤剖面中的垂直分布规律较为一致 , 0 ～ 30 cm的
土层内 ,含量密集 ,变化迅速 ,土层深度 >30cm时含量较低 ,变化平缓 。除 30 ～ 50 cm土层的 C、N外 ,随
着土层的加深呈现逐渐减少趋势 ,即 0 ～ 10 cm>10 ～ 30 cm>30 ～ 50 cm>50 ～ 70cm。 N的含量从表层土
壤至 10 ～ 30cm的土层中除第Ⅲ阶段下降平缓外 ,其余阶段下降较迅速 ,这说明在第Ⅲ阶段臭柏灌丛的覆
盖度高达 70% ～ 90%,灌丛内部土壤表层细粒物质和枯枝落叶大量聚集 ,增加了土壤有机物质的输入 ,这
不仅在土壤表层累积了丰富的 N,在 10 ～ 30 cm的土壤中也累积了丰富的 N。另外在 30 ～ 50 cm土层中
C、N的含量低于 50 ～ 70cm的土层 ,与总的变化规律不一致 ,这可能与臭柏根系的分布有关 ,臭柏细根大
量分布在 0 ～ 60cm左右的土层中 ,利用土层内的水分和养分 ,从而使 30 ～ 50 cm土层中 C、N的含量低于
50 ～ 70cm土层。随着进展演替的进行 0 ～ 10cm、10 ～ 30cm的土层迅速累积 N,在演替的第 Ⅲ阶段达到最
高值 ,在逆行演替阶段 N的流失非常迅速。在 0 ～ 10cm的土层中进展演替阶段 P的含量缓慢上升 ,但是
逆行演替阶段则迅速下降 ,说明随着植物的固定和转化 , P的含量迅速降低 。从图 2的不同深度土层的各
项指标来看 , C、N、K、P含量随着演替过程的进行具有先增加后下降的趋势。演替过程中 P含量在各土层
的演替阶段变化均不显著外 ,其余指标在 0 ～ 10cm、10 ～ 30cm、30 ～ 50 cm的土层中 ,演替阶段间均存在着
显著和极显著的差异 。在 50 ～ 70 cm的土层中各元素含量在各演替阶段的变化都不显著。
图 3显示 ,演替过程中 C/N的值呈先下降后上升的趋势 ,演替的第 Ⅲ阶段呈最低点。土壤有机质的
C/N是一个重要的指标 ,若 C/N很大则在其矿化作用的最初阶段就不可能对植物产生供氮的效果 ,因为
微生物的同化量会超过矿化作用所提供的有效氮量 ,有可能是植物缺氮现象更为严重 。但若 C/N很小则
在其矿化作用一开始就能供应植物所需的有效氮量。因此 , C/N对植物的生长有着至关重要的作用 。沙
漠化过程中 ,土壤 C/N呈增加趋势 ,说明随着土壤 C、N的显著下降 ,质地变粗 ,植物 N供应不足更为突
出 。根据图 3可知 ,进展演替时期 C/N逐渐减少 ,逆行演替阶段 C/N有所增加 ,说明在演替第Ⅲ阶段的臭
柏群落沙漠化程度最小 ,有利于植物的生长 ,而老固定沙地臭柏 +苔藓群落时期土壤开始有所沙化。
·157·第 11期 红　雨等　臭柏群落演替过程中土壤环境的变化
2.3 土壤质地分析
图 3臭柏群落不同演替阶段的 C/N的变化
Fig.3　ThechangesofC/Nof
Sabinavulgariscommunityunderthe
diferentsuccessionalstages
土壤中的 N素绝大多数是储藏在土壤有机质的有机态化合
物 ,土壤全 N量的消长取决于有机质含量的变化 ,即取决于土壤有
机质积累和分解的相对强度 ,因为有机质含量决定了全 N量。土壤
的颗粒组成状况与土壤营养元素之间存在密切联系 。一般情况下 ,
土壤团粒结构增加 ,质地细密有利于营养元素的吸收与储存;反过
来 ,营养元素的增加 ,有利于土壤团粒结构的形成 。从表 2相关系
数可知 ,土壤粘粒 、全 N及 C含量三因素两两之间均有极显著的正
相关关系 , N与 C/N呈极显著的负相关关系 , C与 C/N呈显著的负
相关关系 , N的关系要比 C更为密切。而且全 N与 C含量之间的关
系密切于 N、C与粘粒之间的关系。因此有机质含量的高低直接影
响土壤 N素的供应水平 ,从而影响土壤细颗粒物的形成 ,这不仅直接影响土壤的稳定性 ,对植物生理和生
长影响也非常大 。从表 2可知 ,物种丰富度与土壤粘粒 、土壤含水量 、土壤 N、C、K、P呈正相关 ,与土壤 N、
C、K的含量呈显著的正相关 ,尤其与土壤粘粒呈极显著的正相关 ,与土壤 C/N呈极显著的负相关 。群落
盖度与土壤粘粒 、土壤含水量 、土壤 N、C、K、P呈正相关 ,与土壤 N、C、K的含量呈显著的正相关 ,尤其与土
壤粘粒呈极显著的正相关 ,与土壤 C/N呈极显著的负相关 ,说明物种丰富度 、盖度与土壤粘粒的关系最为
密切 ,并且在土壤 C、N衰减过程中 ,土壤 C/N最为关键 。
表 2　土壤粘粒 、全 N及土壤 C含量间的相关性分析和物种丰富度 、盖度与土壤平均粘粒 、
土壤含水量 、N、C、K、P和 C/N的相关性分析
Tab.2　Correlationsbetweensoilclay, contentsoftotalNandCinsoilandcorrelations
betweenspeicesnumbers, coveragesandsoilclay, soilmoisture, N, C, K, P, C/Ninsoil
粘粒(%) N(%) C(%) C/N K(%) P(%) 土壤含水量 SM
粘粒(%) 1.000 0.994＊＊ 0.996＊＊ -0.987＊＊
N(%) 1.000 0.999＊ -0.994＊＊
物种丰富度 [ 8] 0.990＊＊ 0.980＊ 0.977＊ -0.990＊＊ 0.975＊ 0.891 0.830
盖度 [ 8] 0.994＊＊ 0.976＊ 0.979＊ -0.974＊ 0.960＊ 0.877 0.871
注:＊表示显著水平为 0.05,差异显著;＊＊表示显著水平为 0.01,差异极显著
3 结论与讨论
进展演替阶段土壤含水量呈上升趋势 ,砂粒含量趋于减少 、粉粒和粘粒增多 ,各土层的有机质含量逐
渐增加 ,在演替第 Ⅲ阶段的固定沙地臭柏群落各含量达到最高值;逆行演替阶段 ,土壤含水量呈下降趋势 ,
颗粒中的砂粒将开始增多 ,粉粒和粘粒开始减少。有机质含量呈减少趋势。有机质的含量越靠近地表 ,差
异性越显著 ,可能与土壤表层处于陆气界面 ,受气候 ,环境变化直接影响有关 ,深层土壤 ,各元素含量变化
差异不显著 ,说明土壤环境稳定 。臭柏群落演替对有机质积累的影响主要体现在表层 0 ～ 50cm,对下层没
有明显影响 。但总体上看 ,土壤剖面有机质含量呈现出随进展演替而逐渐增加 ,随着逆行演替而逐渐减
少 ,这与其它地区研究结论是基本一致的 [ 7, 11] 。土壤中的活性 P随着演替的进行呈先上升后下降的趋势 。
臭柏群落对养分具有明显的富集性 ,但是 ,对土壤的全 P没有聚集性 ,这可能与臭柏对 P的利用特性有
关 ,因为常绿植物能更有效地把一些生长必需物质保存在其生物量中 ,臭柏可能把土壤中的 P保存在常
绿的叶中。所以 , P的含量在各土层中和各演替阶段的变化不显著。臭柏群落的演替过程中物种丰富度 、
盖度与土壤粘粒 、C、N、K、P呈正相关 。植物群落的演替对土壤的物理和化学性状产生一定的改变 ,而这
些变化又会影响植物群落演替的进行 [ 6, 12] 。土壤养分随着演替的进行总是不断地发生变化。 N、P、K含
量会严重影响演替的进展方向 [ 13] 。极端贫瘠土壤中土壤的全氮和有机质含量是随演替的进展逐渐增
加 [ 14, 15] ,即随着演替的进行 ,矿化作用越来越迅速 ,因被植物充分利用形成生物量而导致积累增加[ 16] 。
研究结果表明:随进展演替的进行 ,土壤的全氮和有机质含量增加明显 ,而且土壤化学性状明显改善;
随着逆行演替的进行 ,土壤的全氮和有机质含量有所下降 ,土壤质地变粗 ,沙化明显。土壤作为植物生存
的重要环境条件之一 ,对植物群落结构和功能产生重要影响 ,土壤环境的差异会导致群落演替过程中物种
多样性的变化。上述情况表明:臭柏群落进展演替的系统内容与基质的改造和土壤发育密切联系 ,它们之
间彼此影响 ,相互配合 。
·158· 干　旱　区　资　源　与　环　境 第 22卷
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ChangesofSoilEnvironmentwith
SabinavulgarisCommunity
attheDifferentSuccessionalStages
HONGYu1 , WANGLin-he2
(1.LifeScienceandTechnologyColegeofInnerMongoliaNormalUniversity, Huhhot　 010022;
2.EcologyandEnvironmentColegeofInnerMongoliaAgriculturalUniversity, Huhhot　010022, China)
Abstract
WiththesuccessionofSabinavulgariscommunity, thegeneraltrendofsoilmoistureincreasedfirstlyafter
declining.Progressivesuccessionstagesofanupwardtrend, regressivesuccessionstagesgradualydeclining.
Soilmoisturecontentdidnotchangesignificantlyin0-5 cmofsoilsurface, andthetrendofitin5-30 cmof
soilwassignificantly, whichwasincreaseatfirstthendecrease, butthedeepsoilmoisturedidnotchange.From
thesoilprofilespeaking, soilmoisturewasinthegradualydeclinewiththedeepeningofsoil.Thesoilparticles
hadchangedwiththeprogressivesuccession, sandcontenttendstoreduce, siltandclayincreased, organicmat-
tercontentgradualyincreased, C/Ndeclined, incontrasttoitsregressivesuccessionstage;Thecontributionof
thesuccessionofSabinavulgariscommunitytotheaccumulationoforganicmatermainlyconcentratedinthesoil
surfacefrom0 to50 cm;Speciesrichness, coverageandsoilclay, C, N, K, Phadpositivecorelation.Ina
word, thereconstitutionofprogressivesuccessionofSabinavulgariscommunitysystemcontentandsoilmatrix
wascontactwithsoiltransformationclose, theirimpactedoneachotherandcoordinatedwitheachother.
Keywords:Sabinavulgariscommunity;succession;soilenvironment
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