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在干旱半干旱区,土壤资源在生物、非生物过程作用下富集于灌丛周围,使土壤资源由灌丛覆盖区向灌丛间地逐步递减,从而形成灌木“肥岛(fertile island)”现象。灌木“肥岛”是全球干旱生态系统中的普遍现象,其发生和发展对干旱灌木、草原生态系统的结构和功能都具有重要影响,因此在干旱区生态领域深受关注。
本文首先从灌木“肥岛”的土壤特征、形成机制和生态效应三个方面分析了有关灌木“肥岛”的研究现状,发现“肥岛”中土壤资源的聚集不仅与物种有关,其形成与发育也与特定的环境条件有关。为此,以准噶尔盆地南缘对准噶尔盆地南缘柽柳(Tamarix spp.)和梭梭(Haloxylon ammodendron)这两种不同地表形态灌木的灌木为对研究对象,探讨了灌木“肥岛”现象的物种效应,从柽柳和梭梭群落不同生境土壤水分、养分的季节动态深入分析了柽柳和梭梭“肥岛”的发育过程。
对柽柳和梭梭群落中不同生境土壤养分的研究结果表明:1)柽柳和梭梭都存在“肥岛”现象,主要表现在土壤表层,其土壤性状与“岛”外土壤的差异随土壤深度增加而减弱;2)生物性限制土壤养分由“岛”内向外梯度递减,而非生物性限制土壤要素可能高于、也可能低于“岛”外土壤,或者两者无显著差异;3)从“肥岛”的空间尺度来看,柽柳“肥岛”的水平范围可能超出了本身冠幅覆盖区,而梭梭“肥岛”要小于本身冠幅覆盖区,其深度亦小于柽柳“肥岛”;4)相对于不同土壤要素而言,即使是同一物种,其“肥岛”也具有不同的空间范围。总的来看,研究区灌木“肥岛”的发育具有明显的物种效应,相对梭梭而言,柽柳“肥岛”发育更广、更深,养分聚集更明显,其原因主要是柽柳的半球型树冠更利于保护和捕获凋落物,而较多的凋落物输入与土壤结构和土壤养分间的正反馈机制使柽柳冠下加速的生物地球化学循环能达到更广、更深的范围。
春季雪融水对准噶尔盆地南缘梭梭荒漠具有重要的意义。研究表明雪融水的空间分布在植物个体、群落和典型地貌样带尺度上存在多尺度的分异,其结果使大量雪融水从梭梭基茎周围渗入深层沙土。融雪过程中释放的养分伴随雪融水输入梭梭冠下土壤,是特殊环境下一种独特“肥岛”发育的机制。
通过对柽柳和梭梭群落中不同生境土壤水分、养分的季节变化以及不同生境土壤水和养分变化过程的对比,结果表明:1)梭梭群落中表层土壤水分从融雪后的自相关格局到旱季后演变为随机分布格局,柽柳冠下土壤水分始终高于灌丛间地,但干旱季节土壤表层都极干燥;2)柽柳群落中冠下和灌丛间地土壤养分变化过程差异明显,而梭梭冠下土壤养分的变化过程和灌丛间地基本一致,冠下土壤C、N水平冬、春季最高,春季融雪后逐步递减,到积雪前的秋季达到谷值;3)无论是柽柳和还是梭梭群落,冠下和灌丛间地土壤养分的差异在冬、春季最明显,夏、秋季差异相对较小。这些结果表明,研究区灌木“肥岛”的土壤养分聚集过程主要发生在冬、春季。夏、秋干旱季节灌木“肥岛”的养分聚集作用不明显,主要在于极干燥的土壤表层限制了凋落物的分解,从而制约了土壤养分资源的输入;另一方面夏、秋季植物吸收又增加了土壤养分资源的输出。由此说明,冬、春季的积雪覆盖下的土壤养分循环过程以及融雪过程对灌木“肥岛”的养分聚集具有重要意义。然而,野外调查表明,积雪覆盖对柽柳和梭梭“肥岛”养分聚集的作用机制却不尽相同:冬季柽柳冠幅热保护作用下加速的生物地球化学循环过程对对柽柳“肥岛”的发育具有重要意义;对梭梭而言,融雪过程中释放的养分随雪融水的多尺度分异而渗入梭梭冠下深层沙土,这种养分的物理运移机制可能对梭梭“肥岛”的发育更重要。