Changes in vegetation and soil characteristics and their correlations in grasslands at different stages of degradation on the desert steppe in an arid wind-sandy area of Ningxia

doi:10.11686/cyxb2023342

Abstract

Abstract:

The aim of this research was to gain a deeper understanding of the variations in vegetation and soil of desert grasslands at different stages of degradation， and to investigate the correlations between soil properties and vegetation characteristics within these stages. A field study was conducted in desert grasslands in the arid wind-sandy region in Ningxia， with an aim to compare the vegetation and soil characteristics across grasslands at four stages of degradation： Non-degraded， lightly degraded， moderately degraded， and heavily degraded. The relationship between vegetation and soil during the process of grassland degradation was analyzed. The results revealed that， as the degree of grassland degradation increased， there was a transition in the dominant species from perennial legumes and graminoids to annual miscellaneous grasses. The plant functional groups exhibited diverse responses in terms of vegetation coverage， height， and above-ground biomass （P<0.05）. The Shannon-Wiener diversity index， Simpson’s dominance index， and Pielou’s evenness index showed consistent trends of decreasing as the degree of grassland degradation increased. Furthermore， with increasing severity of grassland degradation， there were significant decreases in soil organic matter content， total carbon and nitrogen levels， available nitrogen and phosphorus concentrations， and silt content， and a significant increase in bulk density. The results of a redundancy analysis revealed a strong correlation between the characteristics of desert grassland vegetation and soil factors in general. However， the specific soil properties influencing these vegetation characteristics varied among grasslands at different stages of degradation. In non-degraded grasslands， the total carbon content significantly affected vegetation characteristics， while bulk density played a significant role in moderately degraded grasslands. Heavily degraded grasslands were considerably impacted by the available nitrogen content （P<0.01）. Improvements in vegetation or the supplementation of soil nutrients can be considered as effective strategies for restoring grasslands.

Key words: degradation stage, vegetation, soil, redundancy analysis, desert steppe

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Figures/Tables 11

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项目 Item	未退化 Non-degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavy degradation
海拔Altitude （m）	1391.80~1528.00	1334.03~1527.00	1375.20~1504.50	1312.90~1529.10
样地Sample	A₁、A₂、A₇、A₁₆、A₃₁、A₃₄	A₃、A₄、A₅、A₆、A₁₄、A₁₅、A₁₉、A₂₅、A₂₉、A₃₀、A₃₅、A₃₇	A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₂₀、A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄、A₂₆、A₂₇、A₂₈、A₃₆	A₈、A₉、A₁₀、A₁₇、A₁₈、A₃₂、A₃₃
盖度Coverage （%）	87.29±2.66	78.61±1.66	46.16±2.94	23.50±4.78
AGB （g·m^-2）	179.44±7.61	76.24±5.39	39.14±3.06	18.68±2.21
Ratio （%）	78.66±3.43	51.14±4.64	28.68±1.91	5.85±1.12
优势植物Dominant plants	牛枝子L. potaninii，苦豆子S. alopecuroides，赖草L. secalinus	短花针茅S. breviflora，猪毛蒿Artemisia scoparia，赖草L. secalinus	白草P. flaccidum，虫实Corispermum hyssopifolium	虫实C. hyssopifolium，雾冰藜Grubovia dasyphylla

项目 Item	未退化 Non-degradation	轻度退化 Light degradation	中度退化 Moderate degradation	重度退化 Heavy degradation
海拔Altitude （m）	1391.80~1528.00	1334.03~1527.00	1375.20~1504.50	1312.90~1529.10
样地Sample	A₁、A₂、A₇、A₁₆、A₃₁、A₃₄	A₃、A₄、A₅、A₆、A₁₄、A₁₅、A₁₉、A₂₅、A₂₉、A₃₀、A₃₅、A₃₇	A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₂₀、A₂₁、A₂₂、A₂₃、A₂₄、A₂₆、A₂₇、A₂₈、A₃₆	A₈、A₉、A₁₀、A₁₇、A₁₈、A₃₂、A₃₃
盖度Coverage （%）	87.29±2.66	78.61±1.66	46.16±2.94	23.50±4.78
AGB （g·m^-2）	179.44±7.61	76.24±5.39	39.14±3.06	18.68±2.21
Ratio （%）	78.66±3.43	51.14±4.64	28.68±1.91	5.85±1.12
优势植物Dominant plants	牛枝子L. potaninii，苦豆子S. alopecuroides，赖草L. secalinus	短花针茅S. breviflora，猪毛蒿Artemisia scoparia，赖草L. secalinus	白草P. flaccidum，虫实Corispermum hyssopifolium	虫实C. hyssopifolium，雾冰藜Grubovia dasyphylla

物种 Species	科名 Family	生活型 Habit	退化阶段Degradation stage
物种 Species	科名 Family	生活型 Habit	ND	LD	MD	HD
赖草L. secalinus	禾本科Gramineae	多年生草本 Perennial herb	1.40	1.91	0.97	1.36
白草P. flaccidum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.73	1.55	2.34	2.19
芨芨草Neotrinia splendens	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.03	—	—	—
糙隐子草Cleistogenes squarrosa	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.29	0.74	0.43	0.01
沙芦草Agropyron mongolicum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.40	—	0.50
短花针茅S. breviflora	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.44	2.06	0.62	—
锋芒草Tragus mongolorum	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	—	—	0.21	0.21
狗尾草Setaira viridis	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	0.36	0.59	0.33	0.70
画眉草Eragrostis pilosa	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	0.29	0.06	0.01	—
苦豆子S. alopecuroides	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	1.14	0.66	1.44	0.35
牛枝子L. potaninii	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	1.23	1.78	0.65	0.30
猫头刺Oxytropis aciphylla	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	0.01	0.68	0.14	—
米口袋Gueldenstaedtia verna	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.07	0.09	0.14
披针叶野决明Thermopsis lanceolata	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.98	0.04	0.06	0.02
砂珍棘豆Oxytropis racemosa	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.07	0.40	0.32	0.03
二色棘豆Oxytropis bicolor	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.17	0.58	0.01	—
甘草Glycyrrhiza uralensis	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.90	0.91	0.03	0.31
草木樨状黄芪Astragalus melilotoides	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.02	—	0.13
乳浆大戟Euphorbia esula	大戟科Euphorbiaceae	多年生草本Perennial herb	0.10	0.13	0.11	0.04
地锦Euphorbia humifusa	大戟科Euphorbiaceae	一年生草本Annual herb	—	0.47	0.05	0.51
黑沙蒿Artemisia ordosica	菊科Asteraceae	半灌木Subshrub	—	—	0.52	—
叉枝鸦葱Lipschitzia divaricata	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.09	0.03	0.01	0.87
蒲公英Taraxacum mongolicum	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.10	—	—	0.12
中华苦荬菜Ixeris chinensis	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.10	0.08	0.03	1.26
阿尔泰狗娃花Aster altaicus	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.06	0.52	0.02	0.03
砂蓝刺头Echinops gmelinii	菊科Asteraceae	一年生草本Annual herb	—	—	0.43	0.07
猪毛蒿A. scoparia	菊科Asteraceae	一年生草本Annual herb	0.91	1.98	0.07	1.52
雾冰藜G. dasyphylla	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.05	0.12	0.01	2.73
灰绿藜Oxybasis glauca	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.16	0.09	—	—
虫实C. hyssopifolium	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.98	1.20	2.18	3.97
猪毛菜Kali collinum	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.42	1.02	0.53	0.55
蒺藜Tribulus terrestris	蒺藜科Zygophyllaceae	一年生草本Annual herb	0.15	0.39	0.51	0.55
地梢瓜Cynanchum thesioides	夹竹桃科Apocynaceae	半灌木Subshrub	0.14	—	—	—
华北白前Vincetoxicum mongolicum	夹竹桃科Apocynaceae	半灌木Subshrub	—	0.21	0.40	0.33
田旋花Convolvulus arvensis	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	0.07	0.13	—
银灰旋花Convolvulus ammannii	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	0.17	0.10	0.21	0.10
远志Polygala tenuifolia	远志科Polygalaceae	多年生草本Perennial herb	0.26	0.10	—	—
二裂委陵菜Sibbaldianthe bifurca	蔷薇科Rosaceae	多年生草本Perennial herb	—	0.04	0.01	—
蚓果芥Braya humilis	十字花科Brassicaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	0.03	0.11	—
骆驼蓬Peganum harmala	白刺科Nitrariaceae	多年生草本Perennial herb	0.11	0.07	0.50	2.07
二色补血草Limonium bicolor	白花丹科Plumbaginaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	—	—	—
黄花补血草Limonium aureum	白花丹科Plumbaginaceae	多年生草本Perennial herb	0.04	—	—	—
角蒿Incarvillea sinensis	紫葳科Bignoniaceae	一年生草本Annual herb	—	—	0.02	0.04

物种 Species	科名 Family	生活型 Habit	退化阶段Degradation stage
物种 Species	科名 Family	生活型 Habit	ND	LD	MD	HD
赖草L. secalinus	禾本科Gramineae	多年生草本 Perennial herb	1.40	1.91	0.97	1.36
白草P. flaccidum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.73	1.55	2.34	2.19
芨芨草Neotrinia splendens	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.03	—	—	—
糙隐子草Cleistogenes squarrosa	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.29	0.74	0.43	0.01
沙芦草Agropyron mongolicum	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.40	—	0.50
短花针茅S. breviflora	禾本科Gramineae	多年生草本Perennial herb	0.44	2.06	0.62	—
锋芒草Tragus mongolorum	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	—	—	0.21	0.21
狗尾草Setaira viridis	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	0.36	0.59	0.33	0.70
画眉草Eragrostis pilosa	禾本科Gramineae	一年生草本Annual herb	0.29	0.06	0.01	—
苦豆子S. alopecuroides	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	1.14	0.66	1.44	0.35
牛枝子L. potaninii	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	1.23	1.78	0.65	0.30
猫头刺Oxytropis aciphylla	豆科Leguminosae	半灌木Subshrub	0.01	0.68	0.14	—
米口袋Gueldenstaedtia verna	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.07	0.09	0.14
披针叶野决明Thermopsis lanceolata	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.98	0.04	0.06	0.02
砂珍棘豆Oxytropis racemosa	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.07	0.40	0.32	0.03
二色棘豆Oxytropis bicolor	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.17	0.58	0.01	—
甘草Glycyrrhiza uralensis	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.90	0.91	0.03	0.31
草木樨状黄芪Astragalus melilotoides	豆科Leguminosae	多年生草本Perennial herb	0.14	0.02	—	0.13
乳浆大戟Euphorbia esula	大戟科Euphorbiaceae	多年生草本Perennial herb	0.10	0.13	0.11	0.04
地锦Euphorbia humifusa	大戟科Euphorbiaceae	一年生草本Annual herb	—	0.47	0.05	0.51
黑沙蒿Artemisia ordosica	菊科Asteraceae	半灌木Subshrub	—	—	0.52	—
叉枝鸦葱Lipschitzia divaricata	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.09	0.03	0.01	0.87
蒲公英Taraxacum mongolicum	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.10	—	—	0.12
中华苦荬菜Ixeris chinensis	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.10	0.08	0.03	1.26
阿尔泰狗娃花Aster altaicus	菊科Asteraceae	多年生草本Perennial herb	0.06	0.52	0.02	0.03
砂蓝刺头Echinops gmelinii	菊科Asteraceae	一年生草本Annual herb	—	—	0.43	0.07
猪毛蒿A. scoparia	菊科Asteraceae	一年生草本Annual herb	0.91	1.98	0.07	1.52
雾冰藜G. dasyphylla	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.05	0.12	0.01	2.73
灰绿藜Oxybasis glauca	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.16	0.09	—	—
虫实C. hyssopifolium	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.98	1.20	2.18	3.97
猪毛菜Kali collinum	苋科Amaranthaceae	一年生草本Annual herb	0.42	1.02	0.53	0.55
蒺藜Tribulus terrestris	蒺藜科Zygophyllaceae	一年生草本Annual herb	0.15	0.39	0.51	0.55
地梢瓜Cynanchum thesioides	夹竹桃科Apocynaceae	半灌木Subshrub	0.14	—	—	—
华北白前Vincetoxicum mongolicum	夹竹桃科Apocynaceae	半灌木Subshrub	—	0.21	0.40	0.33
田旋花Convolvulus arvensis	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	0.07	0.13	—
银灰旋花Convolvulus ammannii	旋花科Convolvulaceae	多年生草本Perennial herb	0.17	0.10	0.21	0.10
远志Polygala tenuifolia	远志科Polygalaceae	多年生草本Perennial herb	0.26	0.10	—	—
二裂委陵菜Sibbaldianthe bifurca	蔷薇科Rosaceae	多年生草本Perennial herb	—	0.04	0.01	—
蚓果芥Braya humilis	十字花科Brassicaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	0.03	0.11	—
骆驼蓬Peganum harmala	白刺科Nitrariaceae	多年生草本Perennial herb	0.11	0.07	0.50	2.07
二色补血草Limonium bicolor	白花丹科Plumbaginaceae	多年生草本Perennial herb	0.01	—	—	—
黄花补血草Limonium aureum	白花丹科Plumbaginaceae	多年生草本Perennial herb	0.04	—	—	—
角蒿Incarvillea sinensis	紫葳科Bignoniaceae	一年生草本Annual herb	—	—	0.02	0.04

退化阶段 Degradation stages	土壤性质 Soil properties	解释率 Explains （%）	F值 F value	P值 P value
总体All	容重Bulk density （BD）	43.2	26.6	0.002**
	速效磷Available phosphorus （AP）	15.4	17.3	0.002**
	全碳Total carbon （TC）	12.1	9.2	0.004**
	全氮Total nitrogen （TN）	3.6	4.5	0.012*
	速效氮Available nitrogen （AN）	1.8	2.3	0.106
未退化 Non-degradation	全碳Total carbon （TC）	49.8	15.9	0.002**
	速效钾Available potassium （AK）	16.9	7.6	0.014*
	容重Bulk density （BD）	6.8	3.6	0.086
	砂粒Sand	5.0	2.9	0.140
	全氮Total nitrogen （TN）	4.9	3.0	0.124
轻度退化 Light degradation	速效钾Available potassium （AK）	24.0	8.9	0.022*
	全氮Total nitrogen （TN）	15.7	7.0	0.029*
	含水量 Soil water content （SW）	12.9	7.1	0.015*
	黏粒Clay	11.5	8.0	0.015*
	容重Bulk density （BD）	1.9	1.4	0.495
中度退化 Moderate degradation	容重Bulk density （BD）	34.7	8.5	0.008**
	速效氮Available nitrogen （AN）	12.2	3.4	0.042*
	有机质Soil organic matter （SOM）	9.4	3.0	0.052
	全氮Total nitrogen （TN）	7.2	3.1	0.064
	含水量Soil water content （SW）	7.2	2.6	0.092
重度退化 Heavy degradation	速效氮Available nitrogen（AN）	19.1	4.5	0.008**
	容重Bulk density （BD）	6.1	1.5	0.248
	速效磷Available phosphorus （AP）	8.5	2.2	0.134
	速效钾Available potassium （AK）	7.1	1.9	0.176
	全氮Total nitrogen （TN）	3.7	1.0	0.386