黃河源湖泊濕地退化過程土壤和植被的變化特征

劉凱, 李希來,, 金立群, 孫華方, 李清德

1. 青海大學農牧學院, 西寧 810016 2. 青海省民和縣農牧局, 民和 810800

黃河源湖泊濕地退化過程土壤和植被的變化特征

劉凱1, 李希來1,*, 金立群1, 孫華方1, 李清德2

1. 青海大學農牧學院, 西寧 810016 2. 青海省民和縣農牧局, 民和 810800

在研究黃河源瑪多縣湖泊濕地退化過程植被和土壤變化的基礎上, 探討湖泊濕地退化機理, 為高原湖泊濕地的生態修復提供基礎資料。結果表明: 黃河源瑪多縣湖泊濕地隨著退化程度的加重, 湖泊濕地植被優勢種植物減少,植物種數增加了(2±0.25)種, 植被蓋度降低了(15.4±13.71) %, 高度降低了(1.8±2.31) cm; 隨著退化程度的加劇, 土壤含水量減少(11.9±1.15) %, 土壤溫度升高(0.76±0.11) ℃, 土壤質地為砂壤土, 小于 0.01 mm 物理黏粒含量下降了(1.3±0.4), 土壤pH由8.42升高到8.52。高原湖泊濕地土壤養分含量在垂直方向上呈現上層高于下層的規律。濕地土壤有機質、全N、全P2O5、堿解N和速效P隨退化程度的加劇而減小, 而土壤全K2O和速效K含量在增加。

湖泊濕地; 退化程度; 植被特征; 土壤理化性質; 黃河源

1 前言

湖泊濕地被定義為與湖泊的淺水區聯系在一起的, 水生植物群或水生植物生長的水域沼澤。由于高原植物基本上是由草本或低矮的灌木組成, 所以積水的存在是湖泊濕地的顯著特征[1]。湖泊濕地在抵御洪水、控制污染、調節徑流、美化環境、改善氣候及維護區域生態平衡等方面有著其它生態系統所不能替代的作用[2–4]。湖泊濕地的嚴重退化已成為我國主要的生態問題之一, 濕地退化是由于人類對濕地自然資源過度地以及不合理地利用而造成的濕地生態系統結構破壞、生物多樣性減少、生物生產力下降等生態環境惡化現象[5]。氣候變化是高原濕地早期退化階段最重要的因素, 而過度放牧和嚙齒類動物的破壞是此過程的加速器[6], 青藏高原高寒濕地的面積已經減少了10%[7], 并且隨著時間的推移, 水分和濕地面積減少的速度變得越來越快[8]。在高寒濕地的退化過程中,植被類型更替明顯,群落內毒雜草比例隨著退化進程逐漸增加,使群落的結構發生改變,從而弱化了濕地的功能[9-10]。林春英等[11–13,25]報道了黃河源區河漫灘濕地退化過程土壤和植被的變化。本文對高原湖泊濕地退化過程中土壤和植被的變化進行研究, 目的是為了制定湖泊濕地恢復對策,為治理退化湖泊濕地提供基礎資料。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

瑪多縣位于青海省果洛藏族自治州西北部, 地理坐標北緯33°50′—35°40′, 東經96°50′—99°20′。南北寬約207公里, 東西長約228公里, 全縣總面積25253平方公里。瑪多縣屬高平原地區, 海拔大部分在4500—5000 m之間, 地形起伏不大, 相對平坦,瑪多地區占優勢的地貌類型是寬谷和河湖盆地, 它們多為斷陷作用所形成。屬高寒草原氣候, 一年之中無四季之分, 只有冷暖之別, 而通常又把冷暖兩季分別稱為冬季和夏季。冬季漫長而嚴寒, 干燥多大風, 夏季短促而溫涼, 多雨?，敹嗫h的年蒸發量超過1260 mm, 而年降水量為303.9 mm[14], 嚴重缺水?，敹嗫h年平均氣溫–4.1 ℃, 除5—9月份, 各月平均氣溫在–3.0 ℃以下。瑪多縣因湖泊眾多而享有“千湖之縣”的雅稱, 著名的扎陵湖、鄂陵湖就在境內,地處三江源國家級自然保護區的核心區, 地理位置優越水利資源豐富, 具有及其重要的研究價值[15–17]。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地選取

2015年8月在瑪多縣進行野外實地調查, 選取瑪多縣5個湖泊濕地(見圖1), 分別為鄂陵湖, 距牛頭碑5公里處, 距牛頭碑10公里處, 距牛頭碑15公里處,星星海, 地理位置見表1。按照任繼周[18]的方法對濕地群落的退化狀況進行調查, 并結合高原湖泊濕地中的禾本科植物、莎草科植物優勢度及蓋度, 將湖泊濕地人為分為階段1(典型湖泊濕地, 以禾本科植物為主)、階段2(湖泊濕地與非湖泊濕地的過渡地帶,以莎草科植物為主)和階段3(非湖泊濕地, 以毒雜草植物為主)三個退化階段[19]。

2.2.2 樣地布置

每個湖泊濕地采取樣線法, 隨機選取三條樣線,樣線是按以湖泊濕地為中心向外延伸, 在每條樣線上間隔30m左右確定三個退化階段進行取樣調查,每條樣線的各個階段各設置1個1 m×1 m的樣方進行植物群落學調查, 按經濟類群(禾本科、莎草科、毒雜草)記錄植物群落高度、蓋度、鮮重等指標。在各個樣方(1 m×1 m)內, 用GPS(Magellan explorist 610)測定海拔、經度、緯度, 用鋼卷尺測定植物高度10次, 目測法測定植物蓋度, 用收獲法測定地上生物量, 用土壤水分溫度電導率速測儀(TDR)測得每一樣方0—7.5、7.5—15、15—22.5 cm的土壤含水量和溫度。土壤溫度的測定主要集中在中午時間進行測定, 防止早晚的溫差影響測定的結果。

2.2.3 土壤樣品的采集與測定

每一樣方用土鉆取土3鉆, 分為0—7.5、7.5—15、15—22.5 cm 3層, 將同一退化階段的同一層混合在一起, 裝入自封袋編號, 帶回實驗室使其自然風干, 將土壤樣送青海鑫隆農業科技有限公司, 利用重鉻酸鉀容量法進行分析有機質總量; 用凱氏定氮法分析全N總量; 用硫酸鈉–納氏試劑比色法測定堿解N總量; HClO4–H2SO4鉬銻抗比色法測全P2O5總量; 采用 NH4OAc火焰光度計法測定全K2O總量和速效K總量; 用碳酸氫鈉浸提測定速效P總量; 用IQ150 便攜式pH計測定pH值。

2.3 數據處理

2.3.1 數據分析

使用EXCEL 2007進行數據整理, 并繪制曲線圖。采用SPSS 20進行數據統計分析, 主要是單因素方差分析和相關性分析。

圖1 研究區取樣點分布Fig.1 Distribution of sampling points

表1 試驗樣地地理位置Tab.1 Specific geographical location of sampling sites

2.3.2 土壤質地計算公式[20]

溫度校正數=(土壤懸液溫度–20)×0.6

校正后甲種比重計讀數=甲種比重計原讀數+

溫度校正數

土粒重量百分數=＜0.01 mm物理性粘粒%

3 結果與分析

3.1 湖泊濕地植被特征

表2中數據顯示, 隨著濕地退化程度的加大, 植被豐富度增加了(2±0.25)種, 植被蓋度降低了(15.4±13.71) %, 高度降低了(1.8±2.31) cm, 群落結構趨于復雜化, 這是由于濕地生境的改變促進了植物的種間競爭。土壤含水量隨著濕地退化處于下降趨勢,出現了許多旱生或需水量較低的植物[22]。植被蓋度隨濕地退化呈下降趨勢, 從階段1的64%下降到階段3的48.6%, 隨退化梯度加深, 裸地面積逐漸增大。地上生物量在退化階段2最高, 造成這一結果的原因是由于濕地與草地間的過度階段, 既有一定的濕地植物又有草地植物。植被高度隨退化的加劇逐漸降低, 濕地植物逐漸減少, 毒雜草增多。

表2 高原濕地不同退化階段植物群落特征Tab. 2 Characteristics of plant communities at different

根據2015年8月對瑪多縣湖泊濕地調查結果(表3), 5個湖泊濕地中均未出現豆科植物。禾本科植物蓋度在階段1是最大的, 并且階段1與階段2和階段3之間差異顯著(P＜0.05), 階段2與階段3 之間差異不顯著。莎草科植物蓋度在階段2是最大的, 且階段2與階段1和階段3之間差異顯著(P＜0.05), 階段1與階段3之間差異不顯著。毒雜草類植被蓋度在階段3最大, 各階段之間差異不顯著。這一結果也驗證了我們人為劃分的3個退化階段。

濕地面積的變化主要是由土壤含水量引起的,瑪多縣濕地面積變化的主要因子是降水量[23]。多重比較分析不同退化階段的土壤含水量, 得出3個階段之間土壤含水量差異顯著(P＜0.05, 表5)。土壤含水量與其他植被因子的相關性分析(表4), 得出土壤含水量與植被高度和植被豐富度顯著相關(P＜0.05)。從圖2和圖3可以看出, 以土壤含水量為橫坐標, 植被高度和植被蓋度為縱坐標, R2分別為0.143和0.155,高原湖泊濕地與退化湖泊濕地之間區別明顯, 湖泊濕地土壤含水量明顯大于30%, 退化湖泊濕地小于20%。

表3 植物經濟類群在高原濕地各退化階段的分布情況Tab. 3 The distribution of plant communities in each degradation

表4 土壤含水量與湖泊濕地植被特征的相關性Tab.4 Correlation between soil moisture content and vegetation characteristics of lacustrine wetland

圖3 土壤含水量與植被豐富度的關系Fig.3 Relationship between soil moisture content and vegetation richness

3.2 湖泊濕地土壤物理性質

由表5可知, 瑪多縣湖泊濕地退化過程中隨著退化加劇, 土壤溫度在逐步的升高, 階段1上層高于下層。土壤含水量在階段1、階段2和階段3之間差異顯著(P＜0.05), 湖泊濕地在階段1土壤含水量最大,為31.93±1.90%。根據表3中土壤質地的結果并結合卡慶斯基土壤質地分類表可知, 瑪多縣湖泊濕地退化土壤皆為砂壤土, 隨著退化程度的加劇, 小于0.01 mm物理黏粒含量基本上呈現減少的趨勢, 各階段之間差異不顯著。

表5 不同退化階段湖泊濕地的土壤物理性質變化Tab.5 The changes of soil physical properties of lacustrine wetland at different stages of degradation

3.3 湖泊濕地土壤化學性質

土壤含水量與土壤化學因子的相關性分析結果表明(表6), 土壤含水量與土壤全N和土壤全K2O是極顯著相關的(P＜0.01), 與土壤有機質是顯著相關的(P＜0.05)。土壤含水量與全N和土壤有機質呈正相關, 隨著土壤含水量的增加而增加, 從圖4中可以明顯看出湖泊濕地與退化濕地之間的區別。土壤含水量與土壤全K2O是負相關的, 隨著土壤含水量的增加而減少(圖4)。

表6 不同退化階段濕地土壤含水量與土壤化學性質的相關性Tab.6 Correlation between soil water content and soil chemical properties

圖4 土壤含水量與土壤化學性質的顯著相關性Fig. 4 Significant correlation between soil water content and soil chemical properties

土壤有機質、氮素和磷素等是土壤主要的養分指標, 同時有機質還是形成土壤結構的重要因素,直接影響土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蝕能力和土壤容重等, 是土壤特性的重要指標之一[23]。從表7可見, 高原湖泊濕地退化中不同退化階段土壤的pH都大于7, 說明瑪多縣湖泊濕地土壤偏堿性, pH也隨退化程度加劇在增加, pH在階段1和階段2與階段3之間差異顯著(P＜0.05)。其余各土壤養分因子各階段之間均無顯著性, 但是都呈現一種遞減或者遞增的規律。有機質隨濕地退化加劇而減少, 同一梯度下呈現上層高于下層的規律。退化過程中土壤全N、全P2O5、堿解N和速效P隨湖泊濕地退化加劇而減小, 這顯然與有機質分解、凋落物的影響有關?，敹嗫h湖泊濕地退化各階段土壤全K2O和速效K,隨湖泊濕地退化加劇而增加, 這是因為礦物鉀主要存于土壤粗粒部分, 約占全鉀90%左右, 植物極難吸收,所以逐步的積累起來, 從而使速效鉀也在緩慢的增加[24]。

表7 不同退化階段湖泊濕地的土壤化學性質變化Tab.7 Changes of soil chemical properties of lacustrine wetland in different stages of degradation

4 討論

湖泊濕地退化包括植物群落特征的變化和土壤理化性質的退化, 二者相互作用。隨著湖泊濕地的退化植物豐富度明顯增加, 而植被蓋度、地上生物量和高度都在降低。湖泊濕地中植被豐富度和植被蓋度相比于其他類型的濕地顯得更低一些, 這是因為湖泊濕地非常容易受湖泊湖水的影響, 在湖水比較多時, 湖泊濕地中有一部分是水體, 而在湖水較低時, 水生植物枯死, 有一部分是由淤泥組成的, 這一數據結果與文獻報道高原湖泊濕地結果接近[21]。湖泊退化的加劇使得群落的結構趨向復雜, 毒雜草增加,豐富度越來越大。這一結論與黃河源區河漫灘濕地的退化[25]和鄱陽湖濕地[26]中植物多樣性的變化趨勢相同, 這是因為氣候變化以及凍土消融的結果[27],過度放牧等人類干擾活動加劇了高原濕地的退化28]?，敹嗫h位于青藏高原腹地, 第一產業是牧業, 絕大部分經濟收入依賴于畜牧業, 擴大牲畜數量來實現經濟增長。所以說瑪多縣濕地退化主要是由放牧過度導致。瑪多縣退化的湖泊濕地土壤皆為砂壤土,隨著退化程度的加劇, 小于0.01 mm物理黏粒含量基本上呈現減少的趨勢, 土壤水分也是呈現減少的趨勢。土壤水分的多少能夠直接影響濕地植物群落的演替[29]。土壤的溫度是隨著退化的加劇而升高,濕地土壤溫度的這種變化同時也說明, 隨著濕地的退化, 濕地的冷濕效應也受到影響, 濕地土壤的熱力學特性遭到破壞[30]。濕地的退化直接的響應是土壤水分的減少, 進而影響的是土壤的物理特性和化學特性[31]。

高原湖泊濕地土壤pH大于7, 說明該地區濕地土壤為堿性。隨著濕地退化的加劇, 有機質、全氮、堿解氮、全磷和速效磷含量基本都隨著濕地退化而遞減, 但沒有明顯的差異顯著性。速效鉀含量與全鉀含量增加, 可能是土壤全K含量主要與成土母質密切相關[32]。隨著退化程度的加劇, 土壤環境不斷惡化, 土壤質量逐漸降低, 養分含量也逐漸減少。Amador等[33]認為, 土壤水份和碳、氮、鉀等養分之間的有機耦合是通過水分狀況調節的生態交互作用而實現, 濕地的退化首先是水分的減少, 進而影響其他的土壤養分的退化。這是由于人為活動和過度放牧, 濕地植被不斷退化, 地表凋落物逐漸減少,裸露土壤受風吹及雨水的沖刷, 造成土壤流失, 土壤中的營養元素也隨之流失, 且隨著退化過程的加劇, 土壤性狀逐漸趨于惡化。

高原湖泊濕地退化過程中土壤與植被的變化受多種因子的影響, 與氣候因子(降水、氣溫、輻射等)、土壤動物和微生物數量等其他生態因子的關系,本文未能考慮, 有待于進一步研究分析。

5 結論

隨著高原湖泊濕地的退化, 植被豐富度明顯增加, 而植被蓋度、地上生物量和高度都是降低的。高原湖泊濕地退化的加劇, 生境旱化使得植被群落的結構趨向復雜, 湖泊濕地優勢種植物減少, 毒雜草植物增加, 豐富度變大。高原湖泊濕地的退化, 導致濕地土壤含水量明顯下降, 隨之伴隨著濕地土壤全N和土壤有機質的顯著下降, 而土壤全K2O有明顯上升的現象。高原湖泊濕地的退化與氣候變化和人類放牧活動的加劇有關。

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Characteristics of soil and vegetation in the process of lacustrine wetland degradation in the Yellow River source zone

LIU Kai1, LI Xilai1,*, JIN Liqun1, SUN Huafang1, LI Qingde2
1. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining 810016, China 2. Minhe Bureau of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai Province, Minhe 810800, China

The vegetation and soil characteristics of the degraded lacustrine wetlands located at Maduo County in the Yellow River source zone were studied in order to understand the process of wetland degradation. The results showed that with the degree of degradation in lacustrine wetland, the number of plant species iwas ncreased by (2±0.25), the vegetation coverage was decreased by (15.4 ±13.71) % and the height was reduced by (1.8±2.31) cm. With the increase of degradation degree, the soil temperature was rose by (0.76±0.11) ℃, and the water content was decreased by (11.9±1.15%). Soil texture was sandy loam, clay content was decreased by (1.3±0.4) (less than 0.01 mm), and soil pH was increased from 8.42 to 8.52. In the vertical direction, the nutrient content of wetland soil in upper level was higher than the lower level in Maduo. The organic matter, total N, total P2O5, available N and available P were decreased with the increase of degradation degree, but total K2O and available K were increased. This study can provide basic background data for ecological restoration of lacustrine wetlands in the Yellow River source zone.

lacustrine wetland; degradation degree; vegetation characteristics; soil physical and chemical properties; the Yellow River source zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.004

S812

A

1008-8873(2017)03-023-08

劉凱, 李希來, 金立群, 等. 黃河源湖泊濕地退化過程土壤和植被的變化特征[J]. 生態科學, 2017, 36(3): 23-30.

LIU Kai, LI Xilai, JIN Liqun, et al. Characteristics of soil and vegetation in the process of lacustrine wetland degradation in the Yellow River source zone[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 23-30.

2016-12-12;

2017-1-20

國家重點研發計劃項目(2016YFC0501903); 青海省科技廳項目(2015-SF-117); 農業部公益性行業(農業)科研專項(201203041); 國家國際科技合作專項項目(2015DFG31870); 教育部長江學者和創新團隊發展計劃(IRT13074)

劉凱(1992—), 男, 青海互助人, 在讀碩士, 主要從事高寒濕地退化與生態修復研究, E-mail:953457883@qq.com

*通信作者:李希來, 男, 河南孟津人, 博士生導師, 教授, 主要從事高寒草甸生態學和高原生態修復研究, E-mail: xilai-li@163.com