三江源區高寒草甸退化對土壤水源涵養功能的影響

徐 翠，張林波，杜加強，郭 楊，吳志豐，徐延達，李 芬，王風玉

(中國環境科學研究院/國家環境保護區域生態過程與功能評估重點實驗室/環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012)

三江源區生態戰略地位極為重要，是我國重要的水源涵養生態功能調節區。長江總水量的1.2%，黃河總水量的40%以及瀾滄江總水量的15%均來自于三江源區［1］。受氣候變化和人類活動的共同影響，20世紀70年代以前三江源區草地已經呈退化趨勢［2］。

高寒草地退化除造成植被狀況［3］發生明顯變化外，還對土壤理化性質［4］產生顯著影響，使土壤肥力［5］、土壤有機碳［6-9］、土壤微生物［10-12］與土壤酶活性［13］等指標明顯下降。土壤理化性質變化對水源涵養功能的發揮具有重要作用［14］。劉敏超等［15］以綜合蓄水量方法計算得到三江源區水源涵養量總計為1.6469×1010t，其中，土壤蓄水量占總量的99%。由此看出草地生態系統水源涵養功能以土壤蓄水為主。而不同的植被類型［16］、生態系統類型［17］以及土地利用與土地覆蓋［18］都會對土壤水源涵養功能產生不同程度的影響。近年來相關研究［19］表明，三江源區水源涵養生態功能明顯下降，源頭產水量逐年減少。因此，研究三江源區生態系統狀況變化與土壤水源涵養功能關系至關重要。

為了深入研究并探討三江源區高寒草地退化對土壤水源涵養功能的影響，本文采用野外實地采樣與室內測試分析的方法，針對三江源區分布面積最廣的高寒草甸，在不同退化程度的高寒草甸生境內分別布設樣地，采樣并分析各退化階段高寒草甸的生物量特征、土壤水文物理性質、土壤水源涵養量的變化趨勢及其相關關系，研究高寒草甸退化對土壤水源涵養功能的影響，為三江源區生態系統水源涵養精確評估與動態監測提供理論基礎與科學依據。

1 研究區概況

三江源區隸屬青藏高原腹地，位于東經 89°45'—102°23'，北緯 31°39'—36°12'，海拔在 3335—6564m 之間，平均海拔為4000m。涉及青海省玉樹、果洛、海南、黃南、海西5個藏族自治州的16個縣以及格爾木市代管的唐古拉鄉［20］，全區行政面積達36.37萬km2。為典型高原大陸性氣候，全年冷熱交替，干濕分明，年尺度與日尺度溫差大，日照時間長，太陽輻射劇烈，植物生長周期短。全年平均氣溫為－5.6—3.8℃，極端最低氣溫低至－48℃，極端最高氣溫高達28℃，年平均降水量范圍在262.2mm到772.8 mm之間［10］。高寒草甸、高寒草原和高山森林是三江源地區重要的植被類型［11］。高寒草甸類草地常見優勢種主要為莎草科嵩草屬(Kobresia Wild.)、苔草屬(Carex L.)以及禾本科披堿草屬(Elymus L.)等植物［21］，常見毒雜草有豆科棘豆屬(Oxytropis DC.)、毛茛科烏頭屬(Aconitum L.)、菊科橐吾屬(Ligularia Cass.)等［22］。土壤類型多為高山草甸土、亞高山草甸土和高山草原土［23］，其中，高山草甸土為地帶性土壤。

2 研究方法

2.1 樣地布設與采樣方法

參考青藏高原草地評價等級標準［24］及GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》，根據研究目的將三江源區高寒草甸退化階段分為未退化、中度退化及重度退化3個階段。為排除土壤類型差異對結果的影響，需要對土壤類型進行劃分。將全國1∶100萬土壤類型圖、全國1∶100萬植被類型圖與實際情況相結合，根據土壤類型與植被類型的代表性，確定樣地植被類型以高寒草甸類為主，土壤類型以亞高山草甸土、高山草甸土與高山草甸草原土為主，綜合考慮三江源區降水量、年積溫、年均溫等水熱條件差異，根據高寒草甸退化程度與土壤類型組合生境(共9種)，以空間分布代替時間演替的方法［7，25］，2012年8月在三江源區黃南州、果洛州及玉樹州境內布設樣地。實地調查中在亞高山草甸土條件下僅選取到1個重度退化草甸，高山草甸草原土條件下未選取到具代表性的未退化高寒草甸。因此，共布設了32個樣地，樣地大小為30m×30m，每一樣地均隨機設置3個1m×1m的植物樣方。樣地基本概況記錄見表1。

采用常規收獲法［26］采集地上生物量。三江源地區高寒草甸生境內約95%以上的根系主要集中在0—20cm［4，27］，利用根鉆采集0—20cm根系樣品以測定地下生物量。在每個植物樣地內挖取3個土壤剖面，采用容積為100cm3的環刀采集0—10cm、10—20cm、20—30cm處原狀土，編號并稱重、密封保存。

2.2 生物量及土壤特征測定

將采集的地上植被樣品置于65℃下烘干至恒重，稱重得到地上生物量。用淘洗法將根系與土壤分離，在65℃下烘干至恒重，稱重得到地下生物量。

參考《森林土壤定位研究方法》［28］與LY/T 1215-1999《森林土壤水分-物理性質的測定》由環刀法一次性連續檢測并計算得到土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等指標。

土壤最大蓄水量集中反映了土壤儲存和調節水分的作用［29］，本研究以土壤最大蓄水量將土壤水源涵養功能定量化［17，30-33］，土壤水源涵養量由各層土壤最大持水量加和得到。

2.3 數據處理與分析方法

采用SPSS 16.0軟件 One-Way ANOVA統計各個指標平均值、標準差，在 P=0.05水平上 Least Significance Difference法檢驗草甸地上生物量、地下生物量、各層土壤容重平均值、非毛管孔隙度平均值、毛管孔隙度平均值、總孔隙度平均值、0—30cm土壤自然含水量、毛管持水量、最小持水量及土壤水源涵養量在不同退化階段間是否存在顯著差異，如存在顯著差異，則標記不同字母，如無顯著差異，則標記同樣字母。Bivariate Correlations分析影響土壤水源涵養量的主要因素，以Pearson相關性系數表征與每一指標間相關性高低，Two-tailed檢驗反映與該指標間是否具有顯著相關性。

3 結果與分析

3.1 高寒草甸退化對生物量的影響

從圖1可以看出，隨著草甸退化程度的加重，地上、地下生物量均呈降低趨勢。與周華坤等［4］研究結果一致。其中，草甸退化對地上生物量的影響較為明顯，而對地下生物量的影響不明顯，可能地下生物量對草地退化的響應具有滯后現象，需要更長的時間才能顯現。

3.2 高寒草甸退化對土壤物理性質的影響

3.2.1 對土壤容重的影響

土壤容重在土壤剖面的垂直分布規律隨草甸退化程度加劇發生變化。未退化、中度退化草甸土壤容重隨土壤深度增加逐漸增大，而在重度退化草甸中呈波動性變化(表2)。草甸由未退化向中度、重度退化階段演替過程中，3層土壤容重平均值顯著增大(P＜0.05，圖2)，這點與西藏當雄草地退化對土壤容重影響特點［6］相吻合，也與魏強等［34］在黃河上游瑪曲的研究結果一致。

圖1 三江源區不同退化階段高寒草甸生物量Fig.1 Biomass of alpine meadow at different degradation stages in Sanjiangyuan Region

表2 高寒草甸不同退化階段土壤物理性質特征Table2 Soil physical properties of alpine meadow at different degradation stages in different soil types

3.2.2 對土壤孔隙度的影響

隨著草甸由未退化向中度、重度退化進程中，土壤非毛管孔隙度在土壤剖面上無明顯的垂直變化規律(表2)。圖2看出，土壤非毛管孔隙度與草地退化程度無明顯變化趨勢，在亞高山草甸土條件下，重度退化階段高寒草甸土壤非毛管孔隙度顯著較高于其他退化階段草甸(P＜0.05)，與黃河上游瑪曲高寒草地不同退化階段的土壤非毛管孔隙度［34］結果一致，可能由于草地沙化或石礫化增大了土壤非毛管孔隙度。而在高山草甸土條件下，中度退化階段則顯著較高于其他退化階段草甸(P＜0.05)?？赡懿煌耐寥李愋蜁共莸赝嘶瘜ν寥婪敲芸紫抖鹊挠绊懠涌旎驕p慢。

圖2 不同退化階段高寒草甸各層土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值Fig.2 Average soil bulk density、non-capillary porosity、capillary porosity、total porosity in different degradation alpine meadow

表2可知，草甸退化影響了土壤毛管孔隙度與總孔隙度在土壤剖面上的變化規律，當草甸處于未退化與中度退化階段時，土壤毛管孔隙度與總孔隙度在土壤剖面上逐漸減少，一旦草甸發生嚴重退化時，則發生波動性變化。由圖2看出高寒草甸土壤毛管孔隙度、總孔隙度由大到小排序:未退化草甸＞中度退化草甸＞重度退化草甸，規律與魏強等［34］研究結果一致。

3.3 高寒草甸退化的土壤持水特征

由表3可知，草甸退化對土壤自然含水量在土壤剖面上的作用規律不明顯。表3與圖3共同說明高寒草甸由未退化向中度、重度退化過程演替過程中，0—10cm、10—20cm、20—30cm及0—30cm土壤自然含水量隨草甸退化程度加劇均呈降低趨勢，西藏當雄草原草地退化對土壤自然含水量也存在這樣的規律［35］。

表3中可看出，草甸退化影響了土壤最大持水量在土壤剖面的垂直分布規律發生變化。高寒草甸在重度退化階段，土壤最大持水量隨在土壤剖面垂直方向呈波動性變化。

高寒草甸退化也影響了土壤最大持水量在土壤剖面的垂直分布規律(表3)，重度退化階段土壤最大持水量隨土壤深度出現波動變化。隨著草甸退化程度加劇，高寒草甸0—30cm土壤毛管持水量呈降低趨勢(圖3)。

圖3 不同退化階段高寒草甸0—30cm土壤自然含水量、毛管持水量、最小持水量及土壤水源涵養量Fig.3 Soil natural water water-holding capacity、capillary water-holding capacity、minimum water-holding capacity and soil water conservation capacity in different degradation alpine meadow

3.4 土壤水源涵養量變化趨勢及其影響因素分析

從圖3可看出，草甸退化過程中土壤水源涵養量呈顯著降低趨勢(P＜0.05)。在亞高山草甸土條件下，未退化、中度退化、重度退化階段草甸土壤水源涵養量平均值分別為1897.44、1701.04、1550.10t/hm2，分別降低了10.35%和18.31%。在高山草甸土條件下，3個退化階段土壤水源涵養量平均值為1884.32、1707.79、1360.04t/hm2，顯著降低了9.37%和27.82%(P＜0.05)。在高山草甸草原土條件下，中度、重度退化草甸土壤水源涵養量平均值分別為 1462.10t/hm2與1082.38t/hm2，顯著減少了 25.97%(P＜0.05)。

表3 不同土壤類型下高寒草甸不同退化階段土壤水分特征Table3 Soil water characteristic of alpine meadow at different degradation stages in different soil types

表4 壤水源涵養量與主要影響因素相關性(雙尾檢驗)Table4 Correlations between soil water conservation capacity and main factors that influence(2-tailed)

高寒草甸土壤水源涵養量與群落地上生物量、地下生物量、土壤容重、土壤總孔隙度以及土壤毛管孔隙度共5項指標間存在極顯著的相關關系(P＜0.01，表4)，與土壤非毛管孔隙度關系不顯著。在上述5項指標中，與草甸土壤水源涵養量存在正相關關系且相關性最高的指標為土壤總孔隙度，其次是土壤毛管孔隙度。從相關性檢驗結果中得到土壤水源涵養量與土壤容重呈現極顯著的負相關關系(P＜0.01)。土壤水源涵養量與地上生物量、地下生物量間也存在顯著相關關系(P＜0.05)，而地上生物量和地下生物量又分別與土壤容重、土壤毛管孔隙度呈顯著相關(P＜0.05)。這是由于高寒草甸草地退化首先表現為植被退化，具體體現在植被覆蓋度降低、毒雜草比例升高、地上生物量降低等方面。高寒草甸植被主要通過發達的根系直接參與土壤的發育過程［4］。伴隨草地退化的地上植被影響地下根系的數量，逐漸對土壤物理化學性質產生作用，繼而造成土壤退化。而土壤退化則具體表現在土壤容重等物理指標發生變化，土壤貧瘠化等。土壤容重與孔隙度是土壤物理性質的重要參數，直接影響著土壤水源涵養量的高低［33］。與表4結果一致，草地退化進程中的植被退化對土壤水源涵養功能具有間接影響作用，土壤退化則直接影響到土壤水源涵養功能。

4 討論與結論

高寒草甸退化進程中，土壤水源涵養量平均值在未退化、中度退化和重度退化3個階段分別為1890.15、1670.76t/hm2以及1361.90t/hm2，中度退化草甸較未退化草甸土壤水源涵養量低11.61%，重度退化草甸低27.95%。三江源區中度退化以上草地面積為 5.7×106hm2，其中，重度退化草地面積為 1.8×106hm2［36］，則中度退化草地面積為3.9×106hm2?？捎嬎愕玫街卸韧嘶共莸赝寥浪春B量減少了8.56×108t，重度退化使草地土壤水源涵養量減少了9.51×108t，則土壤水源涵養量共減少了18.07×108t。因此在計算水源涵養量時充分考慮生態退化狀況是準確評估的基礎。本文僅以3種土壤條件下高寒草甸這一種植被類型進行研究，結果表明不同土壤類型、不同退化程度的水源涵養量存在差異。三江源區植被類型與土壤類型多樣，在今后研究中，應重視土壤類型與植被類型的組合關系對土壤水源涵養量的影響。

隨著草地退化加劇，高寒草甸地下生物量逐漸減少，土壤容重顯著增大(P＜0.05)，毛管孔隙度顯著降低(P＜0.05)，而非毛管孔隙度在草地退化階段顯著高于未退化階段(P＜0.05)。同時，在三江源區高寒草甸退化過程中，土壤水源涵養功能顯著減弱(P＜0.05)，特別是在草甸從中度退化向重度退化演替過程中最為明顯，降低幅度最大達27.82%。表明草地退化對土壤水源涵養功能具有顯著的削弱作用(P＜0.05)，與魏強等［34］的結果趨勢一致。這是因為植被退化逐漸引起土壤退化，根系淺層化減量化，土壤容重增大化［4］。高寒草甸發達的根系會降低土壤下滲率，增大土壤毛管孔隙度，有利于土壤蓄水量的增加［25］，與本研究結果一致，表明未退化草甸土壤水源涵養量較高。而土壤非毛管孔隙度能夠較快容納降水，及時下滲，有利于調節河川徑流，大多學者常以土壤非毛管孔隙度指標度量土壤水源涵養能力［15，37］。而草地生態系統中植被空間層次結果發育較差［17］，土壤結構與孔隙發育緩慢，土壤中大孔隙少而毛管孔隙發達，從而使得土壤本身的持水性能較強，土壤水源涵養功能的發揮受到土壤毛管孔隙度的限制。三江源區草地退化過程中，植被退化導致的土壤緊實度下降，土壤石礫含量升高［38］，增大了土壤非毛管孔隙度，但減少了總孔隙度，可能導致土壤水源涵養量降低。如果以土壤非毛管孔隙度計算水源涵養量則與實際情況不符。三江源區土壤總孔隙度95%以上由毛管孔隙度構成，與在瑪曲實測結果［34，39］一致;相關性分析結果也表明土壤水源涵養量主要取決于土壤毛管孔隙度。因此，三江源區生態系統水源涵養的精確估算還有待進一步深入研究。

高寒草甸地上生物量在三江源區草地退化過程中呈顯著降低趨勢(P＜0.05)，相關分析結果表明地上生物量與土壤水源涵養量間存在極顯著的相關關系(P＜0.01)，陳友君等［40］在內蒙古大針茅草原也得到類似結論?，F階段，地上生物量的遙感反演技術已日漸成熟［41-43］，增加地上生物量影響土壤水源涵養量的機制及其相關關系研究對于建立地上生物量與土壤水源涵養量回歸關系具有重要意義，其結果可為借助遙感反演地上生物量為區域水源涵養量的精確估算與功能實時動態監測提供依據。

致謝:青海省環境科學設計研究院翟永洪院長與李忠主任協助安排野外工作，青海省三江源區黃南州、果洛州、玉樹州林業環保局、草原工作站相關工作人員參與了野外采樣，在此一并致謝。

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