羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价

doi:10.11686/cyxb2020371

草业学报 ›› 2021, Vol. 30 ›› Issue (4): 68-79.DOI: 10.11686/cyxb2020371

羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价

张丽星¹^,²(), 海春兴¹(), 常耀文¹^,², 高晓媚¹^,², 高文邦³, 解云虎⁴

^1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古呼和浩特 010022
^2.内蒙古自治区高原环境与全球变化实验室，内蒙古呼和浩特 010022
^3.北京师范大学地理科学学部，北京 100093
^4.内蒙古科技大学包头师范学院，内蒙古包头 014030

收稿日期:2020-08-03 修回日期:2020-11-02 出版日期:2021-04-20 发布日期:2021-03-16
通讯作者: 海春兴
作者简介:Corresponding author. E-mail: chunxinghai@163.com
张丽星(1994-)，女，内蒙古凉城人，在读硕士。E-mail: 15354803391@163.com
基金资助:
内蒙古师范大学研究生科研创新基金(CXJJS19140);内蒙古社会科学基金项目(20B67);内蒙古自治区水环境安全协同创新培育基金项目(XTCX003);内蒙古自治区科技重大专项课题子项目(ZDZX2018058);内蒙古自治区自然科学基金项目(2018MS04009)

Evaluation of soil quality in Leymus chinensis-Achnatherumsplendens grassland and in Stipa sareptana grassland

Li-xing ZHANG¹^,²(), Chun-xing HAI¹(), Yao-wen CHANG¹^,², Xiao-mei GAO¹^,², Wen-bang GAO³, Yun-hu XIE⁴

^1.College of Geographical Science，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China
^2.Laboratory of Mongolian Plateau Environment & Global Change，Hohhot 010022，China
^3.Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100093，China
^4.Baotou Teachers College of Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014030，China

Received:2020-08-03 Revised:2020-11-02 Online:2021-04-20 Published:2021-03-16
Contact: Chun-xing HAI

摘要/Abstract

摘要：

为了解典型草原植被群落土壤质量情况，选择镶黄旗羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤为研究对象。选取10项土壤理化指标作为总数据集，利用主成分分析及相关性分析方法结合Norm值构建评价指标最小数据集，通过非线性评价方法对该区羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量进行综合评价。结果表明：1）羊草及芨芨草草原土壤水分和电导率在A₂~B_k层显著高于针茅草原（P<0.05），在A₂和AB层羊草及芨芨草草原土壤pH显著低于西北针茅草原（P<0.05），在A层羊草及芨芨草草原土壤平均养分含量大于西北针茅草原（P<0.05），但在B_k~C层则相反；2）土壤质量评价最小数据集由土壤有机质、电导率和容重这3个土壤指标组成，可以反映草原土壤质量有效信息，经总数据集验证具有较好准确性；3）土壤质量指数表现为：A₁层羊草及芨芨草草原>西北针茅草原，A₂~C层羊草及芨芨草草原<西北针茅草原（P<0.05）。研究结果可为草地可持续发展提供科学参数。

关键词: 羊草及芨芨草, 西北针茅, 土壤理化性质, 最小数据集, 土壤质量

Abstract:

This research investigated soil quality of the vegetation communities in typical grassland in Inner Mongolia. Two sites （approximately 1340 m altitude）， one dominated by Leymus chinensis and Achnatherum splendens （Lc-As） mixed grassland （tolerant of soil salinity） andthe other by Stipa sareptana （Ss） grassland （intolerant of soil salinity） were selected for study. Soil quality data were evaluated for six soil horizons in Lc-As （A₁， A₂， AB， B_k， B_b， C>130 cm） and five horizons in Ss （A₁， A₂， AB， B_k， C>90 cm） using multivariate nonlinear methods. Initially， 10 soil physicochemical parameters were measured and a principal component （PC） analysis performed on these. From these 10 parameters a ‘minimum data set’ （MDS） was selected based on a ‘Norm’ score which assessed the influence of each parameter based on size of PC coefficients （≥0.5） and uniqueness of information （low Pearson correlation with other parameters）. In this way three parameters were selected for inclusion in the MDS： soil organic matter （OM， indicative of nutrient status）， electrical conductivity （EC， indicative of salinity） and bulk density （BD， lower bulk density indicating better soil aeration）. It was found that： 1） Soil water content and electrical conductivity of Lc-As grassland in the A₂ to B_k horizons was significantly higher than that of Ss grassland （P<0.05）， and pH of Lc-As grassland in the A₂ and AB horizons was higher than in Ss grassland （P<0.05）. The average nutrient content of Lc-As grassland was higher than that of Ss grassland in the A horizon （P<0.05）， but the opposite was true in the B_k to C horizons. 2） A soil quality index （SQI） was calculated from the MDS with OM， EC and BD weighted 0.39， 0.16 and 0.45， respectively. 3） The SQI of Lc-As grassland was higher than that of Ss in the A₁ horizon， while in the A₂ to C horizons， the SQI of Lc-As grassland was significantly lower than in Ss grassland （P<0.05）. These research results provide scientific parameters useful for the development of sustainable grassland management practices.

Key words: Leymus chinensis and Achnatherum splendens, Stipa sareptana, soil physicochemical properties, minimum data set, soil quality

张丽星, 海春兴, 常耀文, 高晓媚, 高文邦, 解云虎. 羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价[J]. 草业学报, 2021, 30(4): 68-79.

Li-xing ZHANG, Chun-xing HAI, Yao-wen CHANG, Xiao-mei GAO, Wen-bang GAO, Yun-hu XIE. Evaluation of soil quality in Leymus chinensis-Achnatherumsplendens grassland and in Stipa sareptana grassland[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(4): 68-79.

图/表 11

图1 研究区植被状况

Fig.1 Vegetation of study area

表1 样地位置及群落信息

Table 1 Plot location and information of plant community about sampling sites

样地

Plot

海拔

Altitude (m)

地理位置

Location

物种组成/盖度

Community types/coverage

物种组成/优势度

Community types/dominance

羊草+芨芨草草原 L. chinensis and A.splendens grassland

1337.6

42°16′19.40″ N

113°48′36.85″ E

羊草L. chinensis/50%、芨芨草A.splendens/31%, 阿尔泰狗娃花H. altaicus/8%, 二裂委陵菜P. bifurca/6%, 木地肤K. prostrate/5%, 骆驼蓬P. harmala/2%, 冷蒿A. frigida/1%

羊草L. chinensis/39%, 芨芨草A.splendens/32%, 阿尔泰狗娃花H. altaicus/8%, 冷蒿A. frigida/6%, 二裂委陵菜P. bifurca/5%, 木地肤K. prostrate/5%, 骆驼蓬P. harmala/5%

西北针茅草原S.sareptana grassland

1341.4

42°16′19.40″ N

113°48′37.39″ E

西北针茅S.sareptana/46%, 糙隐子草C. squarrosa/6%, 木地肤K. prostrate/1%, 野韭菜A. japonicurn/1%, 蒙古韭（沙葱）A. mongolicum/1%, 猪毛菜Salsolacollina/1%, 尖齿糙苏P. dentosa/1%, 寸苔草 C. duriuscula/1%

西北针茅S.sareptana/56%, 糙隐子草C. squarrosa/10%, 尖齿糙苏P. dentosa/9%, 猪毛菜S. collina/7%, 木地肤K. prostrate/5%, 野韭菜A. japonicurn/5%, 蒙古韭（沙葱）A. mongolicum/5%, 寸苔草C. duriuscula/3%

图2 研究区土壤样点分布及土壤剖面

Fig.2 Distribution of soil sampling sites and soil profile in the study area

表2 羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤剖面各发生层土壤指标分析

Table 2 Analysis of soil indicators in the soil profiles of L. chinensis and A. splendens grassland and S.sareptana grassland

植被类型 Vegetation types	土壤发生层 Soil horizon (cm)	土壤水分 Water content (%)	容重 Bulk density (g·cm^-3)	有机质 Organic matter (g·kg^-1)	速效氮 Available nitrogen (mg·kg^-1)	速效磷 Available phosphorus (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	全氮 Total nitrogen (g·kg^-1)	全磷 Total phosphorus (g·kg^-1)	pH	电导率 Electrical conductivity (dS·m^-1)
羊草及芨芨草草原 L. chinensis and A. splendens grassland	A₁(0~20)	6.12±0.16a	0.70±0.01a	25.30±0.35a	75.20±3.71a	6.04±0.18a	276.22±3.59a	2.84±0.17a	1.08±0.09a	8.21±0.04a	0.12±0.01a
	A₂(20~32)	8.45±0.16a	0.77±0.01a	21.29±0.52a	71.87±0.40a	5.30±0.01a	62.91±1.80a	2.53±0.12a	1.38±0.03a	8.09±0.01a	1.26±0.01a
	AB (32~44)	9.11±0.10a	0.75±0.01a	17.75±0.40a	70.05±9.05a	5.19±0.14a	50.31±1.09a	1.03±0.08a	1.36±0.03a	8.11±0.03a	1.52±0.09a
	B_k (44~77)	10.92±0.05a	0.75±0.03a	7.55±0.15a	38.27±6.91a	4.87±0.13a	43.46±0.41a	0.70±0.02a	1.27±0.02a	8.95±0.05a	0.97±0.01a
	B_b (77~130)	7.59±0.48A	0.81±0.03A	1.41±0.30A	35.47±5.90A	4.91±0.05A	57.16±1.95A	1.35±0.13A	1.19±0.06A	9.29±0.02A	0.22±0.01A
	C (>130)	5.99±0.20Aa	0.76±0.02Aa	1.61±0.13Aa	29.33±1.78Aa	4.72±0.07Aa	65.89±1.49Aa	2.63±0.14Aa	1.31±0.05Aa	8.89±0.01Aa	0.24±0.02Aa
西北针茅草原 S. sareptana grassland	A₁(0~15)	6.89±0.30a	0.76±0.01b	25.34±0.90a	73.13±2.64b	5.69±0.09b	239.08±1.09b	2.35±0.21b	1.03±0.11b	7.91±0.01b	0.06±0.01b
	A₂(15~32)	6.29±0.16b	0.78±0.02a	17.10±0.29b	63.56±0.62a	5.17±0.38a	99.49±4.20a	2.69±0.07b	1.16±0.02b	8.33±0.04b	0.11±0.04b
	AB (32~60)	5.89±0.58b	0.80±0.02b	15.72±0.23b	59.83±1.78a	5.15±0.22a	86.56±1.22a	2.01±0.19b	1.31±0.05b	8.31±0.02b	0.10±0.02b
	B_k (60~90)	2.51±0.18b	0.84±0.01b	11.02±0.11b	44.47±1.04a	5.02±0.24a	81.03±0.23b	1.09±0.41b	1.35±0.24a	8.35±0.13b	0.09±0.01b
	C (>90)	3.19±0.08a	0.78±0.06a	10.93±0.31b	48.35±3.55a	5.11±0.07a	87.11±0.68b	1.40±0.10a	1.13±0.01a	8.32±0.07b	0.13±0.01a

表2 羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤剖面各发生层土壤指标分析

Table 2 Analysis of soil indicators in the soil profiles of L. chinensis and A. splendens grassland and S.sareptana grassland

植被类型 Vegetation types	土壤发生层 Soil horizon (cm)	土壤水分 Water content (%)	容重 Bulk density (g·cm^-3)	有机质 Organic matter (g·kg^-1)	速效氮 Available nitrogen (mg·kg^-1)	速效磷 Available phosphorus (mg·kg^-1)	速效钾 Available potassium (mg·kg^-1)	全氮 Total nitrogen (g·kg^-1)	全磷 Total phosphorus (g·kg^-1)	pH	电导率 Electrical conductivity (dS·m^-1)
羊草及芨芨草草原 L. chinensis and A. splendens grassland	A₁(0~20)	6.12±0.16a	0.70±0.01a	25.30±0.35a	75.20±3.71a	6.04±0.18a	276.22±3.59a	2.84±0.17a	1.08±0.09a	8.21±0.04a	0.12±0.01a
	A₂(20~32)	8.45±0.16a	0.77±0.01a	21.29±0.52a	71.87±0.40a	5.30±0.01a	62.91±1.80a	2.53±0.12a	1.38±0.03a	8.09±0.01a	1.26±0.01a
	AB (32~44)	9.11±0.10a	0.75±0.01a	17.75±0.40a	70.05±9.05a	5.19±0.14a	50.31±1.09a	1.03±0.08a	1.36±0.03a	8.11±0.03a	1.52±0.09a
	B_k (44~77)	10.92±0.05a	0.75±0.03a	7.55±0.15a	38.27±6.91a	4.87±0.13a	43.46±0.41a	0.70±0.02a	1.27±0.02a	8.95±0.05a	0.97±0.01a
	B_b (77~130)	7.59±0.48A	0.81±0.03A	1.41±0.30A	35.47±5.90A	4.91±0.05A	57.16±1.95A	1.35±0.13A	1.19±0.06A	9.29±0.02A	0.22±0.01A
	C (>130)	5.99±0.20Aa	0.76±0.02Aa	1.61±0.13Aa	29.33±1.78Aa	4.72±0.07Aa	65.89±1.49Aa	2.63±0.14Aa	1.31±0.05Aa	8.89±0.01Aa	0.24±0.02Aa
西北针茅草原 S. sareptana grassland	A₁(0~15)	6.89±0.30a	0.76±0.01b	25.34±0.90a	73.13±2.64b	5.69±0.09b	239.08±1.09b	2.35±0.21b	1.03±0.11b	7.91±0.01b	0.06±0.01b
	A₂(15~32)	6.29±0.16b	0.78±0.02a	17.10±0.29b	63.56±0.62a	5.17±0.38a	99.49±4.20a	2.69±0.07b	1.16±0.02b	8.33±0.04b	0.11±0.04b
	AB (32~60)	5.89±0.58b	0.80±0.02b	15.72±0.23b	59.83±1.78a	5.15±0.22a	86.56±1.22a	2.01±0.19b	1.31±0.05b	8.31±0.02b	0.10±0.02b
	B_k (60~90)	2.51±0.18b	0.84±0.01b	11.02±0.11b	44.47±1.04a	5.02±0.24a	81.03±0.23b	1.09±0.41b	1.35±0.24a	8.35±0.13b	0.09±0.01b
	C (>90)	3.19±0.08a	0.78±0.06a	10.93±0.31b	48.35±3.55a	5.11±0.07a	87.11±0.68b	1.40±0.10a	1.13±0.01a	8.32±0.07b	0.13±0.01a

表3 土壤指标主成分分析的结果及公因子方差和Norm值及分组

Table 3 Results of principal component analysis of the soil indicators and their Norm values and groups

评价指标Evaluation index	分组Grouping	PC1	PC2	PC3	Norm
有机质Organic matter	1	0.910	0.281	0.230	2.06
速效氮Available nitrogen	1	0.860	0.387	0.219	1.97
速效磷Available phosphorus	1	0.910	0.016	-0.048	1.99
速效钾Available potassium	1	0.880	-0.309	-0.210	1.99
电导率Electrical conductivity	2	-0.180	0.959	0.019	1.50
pH	1	-0.768	-0.231	-0.496	1.82
容重Bulk density	3	-0.519	-0.296	0.641	1.42
土壤水分Water content	2	-0.101	0.763	-0.499	1.31
全氮Total nitrogen	1	0.612	-0.212	-0.097	1.38
全磷Total phosphorus	1	-0.564	0.499	0.422	1.52
主成分特征值Eigen value		4.766	2.263	1.306	-
主成分方差贡献率Variance (%)		47.659	22.634	13.061	-
主成分累积贡献率Cumulative (%)		47.659	70.293	83.354	-

表 4 土壤质量评价指标相关系数

Table 4 Correlation coefficient matrix of indicators for soil quality evaluation

土壤指标 Index	有机质 Organic matter	速效氮 Available nitrogen	速效磷 Available phosphorus	速效钾 Available potassium	电导率 Electrical conductivity	pH	容重 Bulk density	土壤水分 Water content	全氮 Total nitrogen
速效氮Available nitrogen	0.931**
速效磷Available phosphorus	0.815**	0.733**
速效钾Available potassium	0.683**	0.547**	0.828**
电导率Electrical conductivity	0.100	0.200	-0.130	-0.456**
pH	-0.885**	-0.845**	-0.627**	-0.477**	-0.100
容重Bulk density	-0.366*	-0.357*	-0.462**	-0.467**	-0.180	0.190
土壤水分Water content	0.040	0.120	-0.060	-0.200	0.706**	0.210	-0.351*
全氮Total nitrogen	0.442**	0.393**	0.448**	0.549**	-0.336*	-0.330*	-0.341*	-0.150
全磷Total phosphorus	-0.302*	-0.260	-0.520**	-0.713**	0.557**	0.130	0.309*	0.170	-0.270

表5 土壤指标的公因子方差及权重

Table 5 Communality and weight of soil quality indicators

评价指标 Evaluation index	总数据集Total data set (TDS)		最小数据集Minimum data set (MDS)
评价指标 Evaluation index	公因子方差Communality	权重Weight	公因子方差Communality	权重Weight
有机质Organic matter	0.967	0.12	0.571	0.39
速效氮Available nitrogen	0.930	0.11	-	-
速效磷Available phosphorus	0.835	0.10	-	-
速效钾Available potassium	0.911	0.11	-	-
电导率Electrical conductivity	0.952	0.11	0.232	0.16
pH	0.931	0.11	-	-
容重Bulk density	0.768	0.09	0.650	0.45
土壤水分Water content	0.865	0.10	-	-
全氮Total nitrogen	0.429	0.05	-	-
全磷Total phosphorus	0.748	0.09	-	-

表6 各土壤指标平均值以及非线性赋分方程

Table 6 Mean of soil quality indicators and normalization equations of the scoring curves

参数

Parameter

有机质

Organic

matter

速效氮

Available

nitrogen

速效磷

Available

phosphorus

速效钾

Available

potassium

电导率

Electrical

conductivity

容重

Bulk

density

土壤水分

Water

content

全氮

Total

nitrogen

全磷

Total

phosphorus

归一化方程

Normalization

equation

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

表6 各土壤指标平均值以及非线性赋分方程

Table 6 Mean of soil quality indicators and normalization equations of the scoring curves

参数

Parameter

有机质

Organic

matter

速效氮

Available

nitrogen

速效磷

Available

phosphorus

速效钾

Available

potassium

电导率

Electrical

conductivity

容重

Bulk

density

土壤水分

Water

content

全氮

Total

nitrogen

全磷

Total

phosphorus

平均值Mean

14.08

27.71

5.20

104.48

0.44

8.43

0.77

0.07

1.87

1.23

归一化方程

Normalization

equation

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

1 1 + (x x 0) - 2.5

图3 最小数据集和总数据集土壤质量指数同一土壤发生层不同小写字母表示羊草及芨芨草草原与西北针茅草原土壤质量指数差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示羊草及芨芨草草原Bb层和C层差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant difference between L. chinensis and A. splendens grassland and S. sareptana grassland soil quality index in the same soil horizon at the 0.05 level, and different capital letters indicate significant difference between Bb and C horizon in the L. chinensis and A. splendens grassland at the 0.05 level.

Fig.3 Soil quality index of minimum data set (MDS) and total data set (TDS)

图4 最小数据集(MDS)和总数据集(TDS)之间的关系

Fig.4 Relationship between minimum data set(MDS)and total data set(TDS)

表7 电导率和等级[31]

Table 7 Electrical conductivity and class

项目

Item

极低盐度

Very low salinity

低盐度

Low salinity

中盐度

Medium salinity

高盐度

High salinity

极高盐度

Very high salinity

对作物的影响

Impact on crops

一般作物生长正常

General crops grow normally

对敏感作物有障碍

Obstacles to sensitive crops

多数作物生长受阻Most crops are blocked

仅耐盐作物能生长

Only salt-tolerant crops can grow

仅极耐盐作物能生长

Only extremely salt-tolerant crops can grow

参考文献 37

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	傅致远，姜宏，王国强，等. 半干旱草原区土壤性质对植物群落结构的影响. 生态学杂志， 2018， 37（3）： 823-830.
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羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价

Evaluation of soil quality in Leymus chinensis-Achnatherumsplendens grassland and in Stipa sareptana grassland

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图/表 11

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