退化演替對(duì)高山草地植被和土壤理化特性影響

李立新， 陳英智

(黑龍省水土保持科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

退化演替對(duì)高山草地植被和土壤理化特性影響

李立新， 陳英智

(黑龍省水土保持科學(xué)研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

摘要：[目的] 分析3種不同草地退化階段(輕度退化，中度退化和重度退化)草地植被和土壤理化特性的變化規(guī)律，為類(lèi)似區(qū)域退化草地植被恢復(fù)提供有效途徑。 [方法] 野外植被調(diào)查、土壤取樣和室內(nèi)分析。 [結(jié)果] 草地退化不同階段草地植物群落組成和物種多樣性均有差異，退化對(duì)草地土壤理化特性有明顯影響。重度退化草地土壤容重顯著高于輕度退化草地(p<0.05)。輕度和中度退化樣地0—10 cm土壤空隙度顯著高于重度退化草地。重度退化草地的土壤有機(jī)質(zhì)、全碳、全鉀、全磷和有效鉀均明顯小于輕度退化草地(p<0.05)，但土壤pH值和有效氮含量沒(méi)有顯著變化。 [結(jié)論] 高山草地退化演替對(duì)該區(qū)土壤物理特性具有顯著影響。

關(guān)鍵詞：高山草地； 退化階段； 植物群落； 土壤特性

祁連山為中國(guó)3大內(nèi)陸河石羊河、疏勒河及黑河的發(fā)源地，是河西走廊綠洲農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的可靠保障。高山草地是中國(guó)西北畜牧業(yè)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，但由于長(zhǎng)期以來(lái)粗放的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理，超載過(guò)目嚴(yán)重，加之受全球氣候變化影響，該區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能?chē)?yán)重受損，出現(xiàn)草地退化、土壤侵蝕加劇、生物多樣性減少、蟲(chóng)害頻發(fā)和生產(chǎn)力顯著降低等嚴(yán)重問(wèn)題，已威脅到草地生態(tài)的和當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)可持續(xù)健康發(fā)展[2-4]。土壤不僅是生物量生產(chǎn)重要的基質(zhì)和許多營(yíng)養(yǎng)的儲(chǔ)存庫(kù)，也是物質(zhì)分解和循環(huán)的場(chǎng)所，其理化特性是衡量生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[5-6]。當(dāng)前，已有草地退化對(duì)土壤有機(jī)碳密度、不同草地類(lèi)型對(duì)土壤微生物數(shù)量分布特征以及草地地上生物量及其與土壤水分關(guān)系的研究[7-9]。但針對(duì)祁連山高山草地退化對(duì)土壤理化特性系統(tǒng)調(diào)查研究相對(duì)較少。本研究擬通過(guò)比較草地不同退化程度土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，揭示高山草地退化過(guò)程中土壤物理化學(xué)特性的變化機(jī)理，為中國(guó)類(lèi)似區(qū)域退化草地植被恢復(fù)提供有效途徑。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山北坡高山草地，海拔2 800～2 900 m。年平均氣溫0~3 ℃，最熱和最冷月氣溫分別為10~14 ℃和-12~-15 ℃，年降水量320~380 mm左右，年日照時(shí)數(shù)2 200 h以上，相對(duì)無(wú)霜期80~110 d。土壤為山地栗鈣土，pH值7.6~8.3。天然植被主要物種有多年生禾本科牧草：西北針茅(Stipakrylovii)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、賴草(Leymussecalinus)以及多年生毒雜草，狼毒(Stellerachamaejasme)、披針葉黃華(Thermopsislanceolata)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2　樣地設(shè)置與調(diào)查

在研究區(qū)選擇具有典型代表性的輕度退化草地(LD)、中度退化(MD)和重度退化草地(HD)樣地。LD樣地主要物種有西北針茅、早熟禾(P.Annua)、扁穗冰草等；MD樣地主要物種為西北針茅、狼毒；HD樣地主要物種有狼毒和披針葉黃華等。該研究區(qū)草地為冬春牧場(chǎng)，一般時(shí)間為每年10月到翌年5月。2010年8月中下旬在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)設(shè)置10個(gè)50 cm×50 cm樣方進(jìn)行植物群落特征調(diào)查，包括所有植物種蓋度、高度和密度，以及植物群落的高度和蓋度；然后齊地分種剪草，烘干稱(chēng)重。植被特征測(cè)定的同時(shí)，在各樣地內(nèi)分別采集0—30 cm表層土壤，10次重復(fù)。混勻，帶回室內(nèi)，樣品經(jīng)風(fēng)干后移出粉碎，挑去礫石和根系后，分別過(guò)20目、80目和100目篩，密封貯放備測(cè)。

1.3　植物群落特征分析

植物種重要值(IV)=

(相對(duì)蓋度+相對(duì)地上生物量)/200

豐富度指數(shù):R=S

物種多樣性Shannon—Wiener指數(shù)(H′)：

式中：pi——物種i的重要值； S——物種總數(shù)。

1.4　土壤測(cè)定方法

土壤容重、土壤持水量和孔隙度等物理性質(zhì)用環(huán)刀法取樣測(cè)定。其他經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的土壤樣品分別進(jìn)行pH值(酸度計(jì)法)、全磷(鉬銻抗比色法)、速效磷(碳酸氫鈉法)、全氮和速效氮(凱氏定氮法和康維皿法)、有機(jī)質(zhì)含量(重鉻酸鉀硫酸溶液氧化法)、速效鉀(火焰光度法)的測(cè)定。此外，亦在各設(shè)置樣地，進(jìn)行土壤緊實(shí)度(緊實(shí)度儀)測(cè)定，20次重復(fù)。

1.5　數(shù)據(jù)處理

有關(guān)數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)土壤各特性指標(biāo)進(jìn)行方差分析和LSD檢驗(yàn)。

2結(jié)果與分析

2.1　不同退化程度草地植被群落特性

表1顯示，高山草地物種數(shù)，物種豐富度和群落蓋度均表現(xiàn)為：輕度退化草地>中度退化草地>重度退化草地。重度退化草地的生物量和高度最高，而豐富度、多樣性和均勻度指數(shù)均明顯低于其他樣地(p<0.05)。輕度退化草地具有最高多樣性指數(shù)和最小的生物量。西北針茅為輕度退化草地優(yōu)勢(shì)種植物，披針葉黃華、高山紫菀和狼毒為重度退化草地的優(yōu)勢(shì)植物。

表1　不同退化階段植被群落特征

注：LD為輕度退化草地，MD為中度退化草地，HD為重度退化草地；表中數(shù)據(jù)為平均值+標(biāo)準(zhǔn)差。下同。

2.2　不同退化草地對(duì)土壤物理特性影響

表2可知，草地退化對(duì)土壤物理性狀有明顯影響。重度退化草地各土層土壤容重顯著高于輕度退化草地(p<0.05)。在同一處理間，草地土壤容重隨著土壤深度的加深而相應(yīng)增加，各處理間0—10 cm土壤容重較低，20—30 cm最低。隨著土層深度的增加，不同退化階段草地土壤含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，重度退化草地土壤各土層最大持水量和毛管持水量均低于輕度退化草地。其原因可能是重度退化草地地上部分生物量較小，植被稀疏、蓋度低，對(duì)水分的截留能力較弱，而裸露的地表可加大水分的蒸發(fā)量；而輕度退化草地植被生物量高、植被生長(zhǎng)交往稠密、加之草地植被蓋度較高，這樣能有效截留降水，使之緩慢滲入土層，同時(shí)，地表植被的覆蓋也可減緩?fù)寥浪值恼舭l(fā)。土壤孔隙度是反映土壤通透性的重要指標(biāo)。不同草地退化階段對(duì)土壤孔隙度的影響有所不同。同時(shí)，輕度退化草地土壤容重、最大持水量、毛管持水量和總孔隙度均顯著高于重度退化草地。土壤特征的這些變化，主要與重度退化草地家畜的長(zhǎng)期踐踏使得土壤緊實(shí)，空氣擴(kuò)散受到限制，土壤微生物活動(dòng)力不強(qiáng)，甚至數(shù)目顯著減少[6]。

表2　不同退化草地及其恢復(fù)措施對(duì)土壤物理特性的影響

注：小寫(xiě)字母表示同一處理不同土壤深度間各指標(biāo)的差異顯著(p<0.05); 大寫(xiě)字母表示同一土層深度,不同處理間各指標(biāo)差異顯著(p<0.05)。下同。

2.3　不同退化草地對(duì)土壤化學(xué)特性影響

不同草地退化階段對(duì)土壤化學(xué)特性的影響詳見(jiàn)表3。由表3可知，不同處理間土壤化學(xué)指標(biāo)隨土層厚度加深呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效氮、有效磷和有效鉀土壤均隨土層加深而變減小，且不同土層間表現(xiàn)為顯著性差異(p<0.05)，頂層土壤最大，底層最小；但土壤pH值則表現(xiàn)為相反的趨勢(shì)，0—10 cm土壤pH值最小，20—30 cm最高。不同樣地間同一深度土層土壤化學(xué)特性表現(xiàn)為不同的趨勢(shì)，輕度退化和中度退化草地土壤氮素含量顯著高于(p<0.05)重度退化草地，說(shuō)明草地退化導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量減少。這與退化草地植物生物量積累減少，促使植物調(diào)落物分解的數(shù)量減少，從而導(dǎo)致其想土壤歸還養(yǎng)分的能力和數(shù)量減少所致有關(guān)[7,10-11]。土壤全氮也表現(xiàn)為類(lèi)似的變化趨勢(shì)，但因不同樣地間和土層深度有所不同，0—10 cm土層重度退化土層全氮含量顯著低于其它樣地，而20—30 cm重度退化草地土壤全氮含量顯著低于其他樣地(p<0.05)。輕度退化和中度退化草地顯著高于重度退化草地，且3個(gè)不同土層深度表現(xiàn)相同變化趨勢(shì)。重度退化草地土壤全鉀含量顯著低于其他樣地(p<0.05)。各樣地土壤有效氮含量表現(xiàn)為輕度和中度退化草地差異不明顯，但高于重度退化草地(p>0.05)。不同樣地間0—10 cm土層土壤有效磷含量沒(méi)有顯著差異。

表3　不同退化草地及其恢復(fù)措施對(duì)土壤化學(xué)特性的影響

注：TC為有機(jī)質(zhì)； TN，TP，TK分別為全氮、全磷、全鉀； AN，AP，AK分別為有效氮、有效磷、有效鉀。

3結(jié) 論

(1) 高山草地退化演替能顯著影響土壤物理特性。草地退化程度加大提高土壤容重，減少土壤最大持水量和毛管持水量。且隨著土層深度增加，高出草地表現(xiàn)出土壤容重有增加、持水量降低趨勢(shì)。

(2) 高山草地隨著草地退化程度加重，土壤有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷和有效鉀含量均有下降趨勢(shì)，但草地退化對(duì)土壤pH值、有效氮含量沒(méi)有顯著影響。

(3) 在高山草地生態(tài)系統(tǒng)管理中，土壤容重、水分含量、有機(jī)質(zhì)可作為評(píng)價(jià)該類(lèi)草地退化程度的有效指標(biāo)，在指導(dǎo)退化草地恢復(fù)重建措施制定、草地合理利用等方面得以應(yīng)用。

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Effect of Degradation Succession on Vegetation and Soil Physical and Chemical Characteristics in Alpine Grassland

LI Lixin, CHEN Yingzhi

(InstituteofSoilandWaterConservationofHeilongjiangProvince,Harbin，Heilongjiang150070，China)

Abstract：[Objective] The changes of soil physical and chemical properties in three levels of degraded grasslands(light degradation grasslands, middle degradation grasslands and heavy degradation grasslands) in alpine grassland in the Qilian Mountain were studied to provide references for the restoration of grasslands in analogous area. [Methods] Vegetation investigation and soil sampling were conducted and the samples were assayed. [Results] Obvious differences were observed in community composition and species diversity. The soil physical and chemical properties under different degraded grasslands were affected by degradation level. The soil bulk density in the heavy degraded grassland was significantly higher(p<0.05) than that of light degraded grassland. The content of soil total porosity of 0—10 cm layer in light degradation grassland was significantly higher than that of heavy degraded grassland. The contents of organic matter, total K, total P and available K in heavy degraded grassland were obviously lower(p<0.05) than those of lighter degraded grassland, but there were no significant differences in the content of pH value and available N. [Conclusion] Soil physical and chemical characteristics were significantly affected by vegetation degraded succession in alpine grassland.

Keywords:alpine grassland; degradation stage; vegetation community; soil characteristics

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)04-0040-03

中圖分類(lèi)號(hào)：S714.2， Q948.15+6

通信作者：陳英智(1966—)，女(漢族)，黑龍江省延壽縣人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事東北黑土區(qū)水土保持生態(tài)建設(shè)研究。E-mail：yingzhichen@163.com。

收稿日期：2014-12-30修回日期：2015-01-31

資助項(xiàng)目：黑龍江省科技攻關(guān)項(xiàng)目“低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理示范與效益研究”(CB08C204-02)

第一作者：李立新(1966—)，男(漢族)，吉林省梨樹(shù)縣人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事低山丘陵區(qū)水土流失綜合治理措施及效益研究。E-mail:0453xyz@163.com。