干旱区沃岛效应

hjh2004 2022-04-01

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【定义】

在荒漠生态系统中，灌丛沙堆显著地改变了土壤－植被系统的生态水文过程。灌丛植株冠层截留的降水经枝叶汇流后与茎干截留的降水一起流向灌丛基部形成树干茎流，改变了灌丛区降水的空间分布格局，并汇集附着在枝叶、茎干的干湿沉降物于根区。树干茎流经由根区优先流使水分和养分在灌丛根部富集，从而影响局地微生境水分和养分的运移与分布格局，其对提高干旱区降水的有效利用和改善土壤养分状况具有重要作用，有利于荒漠灌丛的生存繁衍。灌丛沙堆的形成是灌木植物适应贫瘠荒漠环境的主要机制和有效利用养分的主要对策，主要表现为荒漠灌丛通过树干茎流对降水及干湿沉降物向根区汇集所产生的水分、养分和微生物富集区，即“土壤沃岛效应”。而灌丛沙堆“土壤沃岛效应”的形成进一步加剧了资源的异质化和斑块化，最终导致草地荒漠化。灌丛植被的树干茎流和根区优先流与灌丛形态、结构和根系分布密切相关，由树干茎流和根区优先流联结驱动的灌丛植被与土壤水分、养分之间的动态耦合机制，是影响群落组成结构、分布格局与演变过程的重要驱动力。土壤为植物生长提供矿质营养和水分，其含量不仅影响植物的个体发育，更进一步决定植物群落的类型、分布和动态。

【形成机制】

灌丛“沃岛”的形成和维持是物理和生物过程共同作用的结果，植物是影响灌丛“沃岛”的关键因素，动物活动也能影响土壤的理化性质，促进“沃岛”的形成。在荒漠草原地区，一般认为灌木植物引起的沃岛效应涉及两种基本机制：第1种是灌木植物作为收集养分的“机器”，从深层土壤和其灌丛周围土壤中吸收养分，首先进入植物体中，随后通过凋落物和树冠层淋洗将养分沉积于树冠层下土壤中(图1a)；第2种是高大的树冠层可以作为大气尘埃的有效的捕捉器，富于养分的尘埃在降水时被冲洗，并滴入树冠层下的土壤中而增强沃岛效应。此外，木本植物树冠也可能成为鸟类栖息地，树冠层下成为哺乳动物寻求遮阴和隐蔽的地点，同时它们的排泄物还能丰富土壤养分，增强局部的养分循环，从而有助于“沃岛”效应的发生(图1b)。

草地灌丛化产生的“沃岛”效应可以归结为：首先，人类干扰活动会破坏草地植被的均一性，致使土壤通透性增强。由于高温和高蒸发的影响，阻止或者延迟了氮的吸收、反硝化以及氨化等一系列过程，使得养分流失。而富含养分的土壤、种子库、枯落物会在风力和降水的作用下聚集到灌木植物树冠下，提高灌丛下土壤水分的入渗和土壤肥力。这些综合效应叠加在一起使灌丛对环境扰动具有更强的抵抗力。其次，灌木植物作为收集养分的“机器”，通过凋落物和树冠层淋洗将养分沉积于树冠层下土壤中，增加了灌丛的自持能力。最后，土壤微生物和土壤动物在灌丛下活动较为活跃，进一步促进了养分循环，而草本植物生物量的降低，进一步增加了灌木植物的适居性。这些因素共同作用，形成正反馈，促使灌丛向不断稳定和加强的方向发展，最终形成“沃岛”。

学术上对于“沃岛”在生态环境中的效应还存在分歧。一些学者认为，受干旱或人为强烈干扰的草地生态系统，灌木下存在土壤资源的局部聚集现象，这种资源的不断聚集导致了灌木分布面积的逐步扩大，灌木的过度扩散又反过来加速了灌木下养分的聚集。这种灌木与土壤间的正反馈效应加速了土地荒漠化的形成过程。如美国奇瓦瓦沙漠的荒漠化与灌丛化密切相关。草地灌丛化会导致生物多样性降低，Okin等通过对北美洲13个草地生态系统的分析，发现随木本植物的入侵，物种丰富度平均下降45%。但是，另一些学者则认为，荒漠灌丛“沃岛”的存在更有利于枯落物的蓄积与分解，加速了土壤养分的循环与积累，促进了植物根系的生长，导致更多的根际沉积；同时，灌丛下土壤微生物代谢活性增强，而根际的活跃又会进一步增加“沃岛”中的资源量。在围栏封育恢复过程中，土壤-植被-土壤生物系统间的相互促进作用改善局部环境，通过植被不断恢复，提高相邻空地土壤的质量，有利于植被的更新和生长，形成良性循环，加速了区域内植被的恢复进程。李新荣研究了沙坡头地区人工固沙植被近50年多年来的演变与区域生态环境的恢复，证明了沙漠缀块状分布的灌木植被在植被恢复过程中的重要作用，这种荒漠化逆转理论范式的成功和实践证明，在排除放牧等干扰的情况下，灌丛“沃岛”的逆行演替可能会成为干旱、半干旱地区荒漠草原生态系统植被自我恢复的一种重要驱动力。但是在荒漠草原地区，此类研究依然较为薄弱。