黃河源流域單元退化高寒草甸空間分布及其對土壤理化性質的響應

張宇鵬， 吳笑天， 李希來*， 徐文印， 董心普， 王 苑，張 輝

(1.青海大學農牧學院， 青海 西寧 810016； 2.青海省自然資源綜合調查監測院， 青海 西寧 810001；3.青海省地理空間和自然資源大數據中心， 青海 西寧 810001)

受海拔、坡度等自然條件的影響，不同區域的草地植被分布格局呈現明顯地域分異特點[1-2]，高寒草甸是黃河源區主要的陸地生態系統類型。近年來，人類活動和氣候變化導致黃河源區高寒草甸不斷退化[3-5]。土壤是植物生長的物質基礎，其結構與性質在空間分布上具有較大的差異性，因此在探究草地退化形成機制過程中土壤性質變化是眾多學者關注的焦點，有研究表明土壤退化加劇了生物多樣性水平的下降，加速了草地退化[6-8]。

黃河源是三江源區的重要組成部分，受青藏高原活躍的地質作用影響，其河流密布、溝壑縱橫，呈現流域高山地貌單元，土壤理化性質表現出明顯的空間異質性，因此在研究中將流域單元作為草地生態系統研究的基本單位是越來越多學者的共識。目前關于草地退化后對土壤理化性質產生的影響以及植被功能群與土壤屬性間達到反饋平衡的研究較多，且這些研究大多是基于較小空間尺度的樣點研究，探究了不同退化級別的高寒草甸土壤理化性質差異[9-10]。從流域單元土壤理化性質空間分布特征入手，探究其對草地退化的驅動作用的研究相對較少，因此基于典型流域單元探究退化高寒草甸分布對土壤理化性質的響應，對揭示黃河源草地退化地貌學機制具有重要的科學意義。

因此，本研究遵循青藏高原“山水林田湖草沙(冰)”生命共同體概念與理論，通過地理信息技術在空間尺度上探討黃河源退化高寒草甸分布特征的基礎上，選取典型流域單元研究其土壤理化性質空間異質性對退化高寒草甸空間分布特征的影響，為研究和分析基于流域單元黃河源高寒草甸退化關鍵驅動因子以及高寒草甸生態修復提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

黃河源位于三江源區東部，涉及青海省東南部17個縣域，總面積合計11.70萬 km2。區域內草地、林地、農田、荒漠等生態系統種類豐富。草地資源以高寒草甸、高寒草原為主，大部分區域海拔在3 000 m以上，氣候寒冷干燥，多年平均溫度-3.98℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生長期70～90 d(圖1)。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of the study area注:本圖基于自然資源部標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2016)1568號的標準地圖制作，底圖無修改Note：This map was made based on the standard map downloaded from the standard map service website of the Ministry of Natural Resources with the approval number GS(2016)1568. The base map has not been modified

1.2 退化高寒草甸釋義

本研究所指的退化高寒草甸是指“黑土灘”退化草地，其特征是高寒草甸發生顯著的禿斑化退化(如圖2)。目前關于“黑土灘”退化高寒草甸的定義并不明確，其退化程度評價標準也不統一。本研究綜合前人研究成果，根據實地測量與調研，發現發生“黑土灘”退化植被覆蓋度小于70%時對草地生產力具有較大影響。因此本研究中退化高寒草甸是指原生植被覆蓋度小于70%的“黑土灘”禿斑化退化高寒草甸[11-13]。

圖2 退化高寒草甸示意圖Fig.2 Schematic diagram of degraded alpine meadow

1.3 退化高寒草甸數據獲取與驗證

通過2018年7—8月多源高分辨率遙感影像獲取退化高寒草甸數據，退化高寒草甸均發生于黃河源高寒草甸類、低地草甸類、山地草甸類等草地類型范圍內。多源高分辨率遙感影像由青海省自然資源綜合調查監測院提供，其中優于1.0 m分辨率主影像為“高分2號”衛星多源航空航天遙感影像數據，優于2.0 m分辨率副影像來源于“高分1號”“資源3號”“天繪1號”衛星影像數據。使用ENVI 5.4/IDL 8.6平臺，遙感影像數據經幾何校正、影像融合等遙感影像預處理流程，形成影像底圖，并收集、整合基礎地理信息數據及多行業專題數據形成輔助判讀知識庫。在此基礎上通過實地踏勘、典型地類影像分析等方式建立退化高寒草甸典型解譯標志。根據典型解譯標志和輔助專題數據庫，采用基于計算機算法自動分類識別和人機交互目視解譯相結合的方式，開展退化高寒草甸的內業判讀和解譯；對內業判讀難度較大的區域，通過實地踏勘、拍照取證等方式進行精度驗證和補充判讀修正，得到退化高寒草甸地表覆蓋數據，退化高寒草甸斑塊統計標準為≥400 m2(圖3)。基于2020年所購買的“珠海1號”優于1.0 m高空間分辨率遙感影像，在研究區內隨機選取和劃分6個觀測樣區，每個樣區400 km2，通過目視解譯獲得草地退化圖斑主要驗證數據集；選取研究區內典型退化草地樣區，通過無人機航攝獲得研究區內優于0.1 m高空間分辨率航拍影像，并進行目視解譯獲得草地退化圖斑輔助驗證數據集。將本研究所使用的退化草地圖斑數據集與主要驗證數據集和輔助驗證數據集進行比對以驗證數據質量。本次驗證結果顯示總體分類精度為98.93%，Kappa系數為0.977 2，退化草地圖斑數據集的總體分類精度較高，Kappa系數位于0.80～1.00之間，表明高寒退化草地圖斑分類結果精度非常好。

圖3 退化高寒草甸識別流程圖Fig.3 Flow chart of degraded alpine meadow extraction

1.4 退化高寒草甸坡度分析

使用分辨率為30 m的黃河源數字高程模型(Digital elevation model，DEM)數據，以1°為間距，在ArcGIS10.7平臺中制作黃河源坡度圖(圖4)，結合黃河源退化高寒草甸數據分析其坡度分布特征。

圖4 黃河源坡度圖Fig.4 Slope inclination map of source region of Yellow River

1.5 典型流域單元選取與土壤樣品采集

2019年8月，在黃河源范圍內隨機選取3個區域，每個區域選取3個典型流域，選取原則為“兩河匯一河”的呈“Y”字形流域單元(圖5)。在觀察流域單元區域地形特征基礎上，在每個典型流域中隨機選取流域單元橫斷面3個，以河流為界，在每個橫斷面分別呈直線于山頂、山腰、山麓、階地處設置6個采樣點(圖6)，其中點1與點6為坡頂區域，點2和點5為坡中區域，點3為階地區域，點4為灘地區域，使用水平儀記錄采樣點坡度。在每個采樣點使用土壤采樣鉆機隨機采集3個土壤原狀土柱，采集到碎石層為止，所采集的原狀土柱直徑10 cm，記錄土層厚度后以20 cm為單位進行分割裝袋密封保存帶回實驗室。所采集的土壤樣品自然風干及碾碎后挑出大的植物根系及石礫，過0.25 mm篩裝入密封袋保存待測。取樣時高寒草甸處于正常放牧當中。

圖6 采樣點分布示意圖Fig.6 Distribution schematic diagram of sampling points

1.6 土壤樣品測定方法

土層厚度是指第一層碎石層以上土層的厚度，采用卷尺直接測量法測定；土壤水分含量采用烘干法測定，土壤水分含量(%)=(m濕土-m烘干土)/m濕土×100；土壤pH值采用pH計法(土水質量比1∶5)測定；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤硝態氮含量采用酚二磺酸比色法測定；土壤銨態氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-蒸餾法測定；土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量采用火焰光度法測定[14]。

1.7 數據處理

使用Excel記錄整理數據并作圖；采用SPSS(IBM SPSS Statiatics 20)軟件對數據進行One-Way ANOVA統計分析和Duncan氏新復極差法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 黃河源退化高寒草甸空間分布特征

本研究識別黃河源退化高寒草甸斑塊合計45 804個，面積合計14 239.47 km2，占黃河源總面積的12.17%。退化高寒草甸在黃河源區17個縣域均有分布，分布趨勢表現為黃河源區域內西北和西南部分布面積明顯多于東北和東南部(圖7)。

圖7 黃河源退化高寒草甸分布圖Fig.7 Distribution map of degraded alpine meadow in the source region of Yellow River

黃河源退化高寒草甸在0°～1°坡度范圍內分布最多，面積達到1 669.52 km2，在1°～2°坡度范圍內面積為1 312.35 km2，2°～5°范圍內隨著坡度增加面積逐步有所增加，在4°～5°范圍內達到1 093.45 km2，隨后隨著坡度的增加面積逐步減少，在54°之后無分布。但退化高寒草甸在31°～32°坡度范圍內分布面積較30°～31°坡度范圍內大(圖8)。

圖8 黃河源退化高寒草甸坡度分布圖Fig.8 Distribution map of slope inclination of degraded alpine meadow in the source region of Yellow River

殘差是在數理統計中實際值與擬合值(估計值)之間的差，殘差蘊含了有關模型基本假設的重要信息，通過殘差曲線的變化可以找到線性關系中的突變點。為更明顯體現黃河源退化高寒草甸模型擬合曲線的函數特征，更精確分析黃河源退化高寒草甸坡度分布特征，提取模型擬合曲線的常規殘差，根據各坡度殘差值大小判斷模型擬合曲線的突變點。圖9的結果表明黃河源退化高寒草甸隨坡度分布面積模型曲線共有4個突變點，分別出現在3°，7°，15°和32°。

圖9 殘差值分布圖Fig.9 Distribution chart of residual value

2.2 流域單元地形地貌特征

表1結果表明，采樣點1最大坡度36°、最小坡度31°、平均坡度34.00°，采樣點2最大坡度36°、最小坡度29°、平均坡度32.67°，采樣區域6最大坡度37°、最小坡度33°、平均坡度34.33°，采樣點1，2，6坡度差異不顯著。而采樣點5最大坡度28°、最小坡度28°、平均坡度為28.00°，坡度顯著低于采樣區域1，2，6(P<0.05)。坡度最小的為采樣點4，根據實地觀察采樣點4主要為灘地區域，最大坡度3°、最小坡度2°、平均坡度2.33°。而采樣點3為階地區域，最大坡度8°、最小坡度7°、平均坡度7.19°。因此，以河流為界，兩側坡面形態有所不同，采樣點1和6坡度差異不顯著；采樣點5和2坡度差異顯著(P<0.05)，而采樣點4與采樣點3坡度亦差異顯著(P<0.05)。

表1 不同采樣點的坡度及土層厚度Table 1 Slope and soil thickness of different sampling points

本研究中土層厚度是指第一層碎石層以上土層的厚度，土層厚度影響土壤水分養分運動與分布，兩側坡頂(采樣點1和6)土層厚度分別為26.67 cm和25.00 cm，土層厚度差異不顯著；采樣點2土層厚度為53.33 cm，采樣點5土層厚度為46.00 cm，采樣點4土層厚度達到83.33 cm，采樣點3土層厚度達151.67 cm。由此可見，坡面土層厚度呈現出由坡頂到坡麓逐漸增厚的趨勢，階地區域土層厚度顯著高于其他區域(P<0.05)。

2.3 流域單元退化高寒草甸地形分布特征

結合黃河源退化高寒草甸分布數據以及流域單元地形數據，流域單元中坡度0°～3°區域為河谷灘涂，流域單元中坡度3°～7°區域為階地，因此流域單元中坡度0°～7°區域為灘地-階地區域，這一區域內退化高寒草甸數量最多，面積達到8 238.71 km2，占退化高寒草甸總面積的57.86%。流域單元中坡度7°～15°區域為坡地，隨著坡度的增加退化高寒草甸面積逐步降低，流域單元中坡度7°～15°區域退化高寒草甸面積達到4 347.28 km2，占退化高寒草甸總面積的30.53%。流域單元中坡度15°～32°區域為陡坡地，流域單元中坡度15°～16°區域退化高寒草甸面積顯著低于流域單元中坡度14～15°區域，流域單元中坡度32°～33°區域退化高寒草甸面積顯著低于流域單元中坡度31°～32°區域，退化高寒草甸面積達到1 621.75 km2，占退化高寒草甸總面積的11.39%。退化高寒草甸在流域單元中坡度33°～54°區域內雖然也有所分布，但面積所占比例僅為0.22%。

2.4 流域單元土壤理化性質特征

2.4.1土壤水分分布特征 表2結果表明，由于地形、坡度、土層厚度有所不同，不同采樣區域相同土層的土壤水分含量也有所不同，總體而言采樣點3階地區域不同土層含水量較低。同時6個采樣點土壤含水量均表現出由表層向底層逐漸減少的趨勢。這可能是主要由于黃河源區內降雨頻繁但每次降水量不大，加之黃河源區內土壤水分蒸散量較大，因此土壤表層較為濕潤，可供下滲水分較少，再加上土壤結構缺乏保水層不利于保水，下層土壤含水量較表層土壤低。

表2 不同區域土壤含水量Table 2 Soil moisture content of different regions

2.4.2土壤pH特征 由表3可知，6個采樣點土壤pH值均表現出由表層土壤向底層逐漸增大的趨勢。流域單元中0～20 cm土壤中，pH值最高的是采樣點4，其次是點3、點1和點2，pH值最低的是點5和點6；20～40 cm土壤pH值最高的是采樣點3和4，其次是點1和2，最小的是點5和6。因此，黃河源流域單元中坡底土壤pH值高于坡中和坡頂，且有階地的緩坡一側高于無階地的陡坡一側，這可能與兩側坡度不同，水分運移狀態不同有關。

表3 不同區域土壤pH值Table 3 Soil pH of different regions

2.4.3土壤有機質分布特征 表4結果表明，6個采樣點土壤有機質含量均表現為由表層向底層顯著降低的趨勢。相同土層中均是采樣點5土壤有機質含量最高，其次是采樣點4。在有階地的緩坡一側各層土壤有機質含量較無階地的陡坡一側變異程度小，這可能與緩坡一側人類、動物活動更為頻繁有關。

表4 不同區域土壤有機質Table 4 Soil organic matter of different regions

2.4.5土壤堿解氮分布特征 堿解氮在土壤中的含量不穩定，易受土壤水熱條件和生物活動的影響而發生變化，但它能反映近期土壤的氮素供應能力。由表5可知，6個采樣區域土壤堿解氮含量均表現為由表層土壤向底層顯著降低的趨勢，0～20 cm土壤堿解氮含量顯著高于20 cm以下土壤，其中變異程度最大的是采樣點3和采樣點4。0～20 cm表層土壤中堿解氮含量呈現出由坡頂向坡底逐漸累積的趨勢。土壤堿解氮含量的高低取決于有機質含量的高低和質量的好壞以及放入氮素化肥數量的多少。因此黃河源流域單元土壤堿解氮與土壤有機質的分布特征有一定的相似性。

表5 不同區域土壤堿解氮含量Table 5 Soil available nitrogen content of different regions

2.4.6土壤硝態氮分布特征 由表6可知，流域單元0～20 cm土壤中，硝態氮含量最高的是采樣點1，含量達到25.87 mg·kg-1，其次是采樣點2，5，6。硝態氮最低的是采樣點3和4，含量分別為18.00 mg·kg-1和18.73 mg·kg-1。其余各層土壤中硝態氮含量也是坡頂高于坡底，這可能是由于受重力影響坡底土壤緊實度較高，土壤通氣性差，氮素氧化狀況比坡頂區域差。

表6 不同區域土壤硝態氮含量Table 6 Soil nitrate nitrogen content of different regions

2.4.7土壤銨態氮分布特征 黃河源區土壤銨態氮含量較硝態氮含量低。由表7可知，流域單元內土壤銨態氮在不同區域由表層土壤向底層逐步降低。流域單元中0～20 cm土壤中，銨態氮含量坡底高于坡頂，各層含量最高的是采樣點3或4，分布特征趨勢與硝態氮相反。

表7 不同區域土壤銨態氮含量Table 7 Soil ammonium nitrogen content of different regions

2.4.8土壤速效磷分布特征 速效磷是土壤有效磷儲庫中對植物最為有效的部分，也是評價土壤供磷水平的重要指標。根據表8可知流域單元內土壤速效磷含量在不同區域也是由表層土壤向底層逐步減少。流域單元中0～20 cm土壤中，速效磷含量最高的是采樣點4，達到25.03 mg·kg-1，其次是采樣點3，達到23.39 mg·kg-1，其他采樣點速效磷含量介于12.67～18.22 mg·kg-1之間；其他不同采樣點同一土層中速效磷含量差異并不顯著，這可能與磷在土壤中移動性較差而且黃河源土壤中速效磷含量本身較低有關。

表8 不同區域土壤速效磷含量Table 8 Soil available phosphorus content of different regions

2.4.9土壤速效鉀分布特征 速效鉀包括土壤溶液鉀及土壤交換性鉀，表9結果顯示，與有機質、堿解氮和速效磷一致，黃河源流域單元內土壤速效鉀含量在不同區域由表層土壤向底層逐步減少，且在0～20 cm土壤中速效鉀含量顯著大于20 cm以下土壤。而流域單元中不同采樣點同一土層中速效鉀含量最高的均是采樣點3，有階地的緩坡一側速效鉀含量較無階地陡坡一側高。這可能是由于緩坡一側土層薄，速效鉀隨著水分運移淋失速率更快。

表9 不同區域土壤速效鉀含量Table 9 Soil available potassium content of different regions

3 討論

在大空間尺度上不同區域土壤理化性質存在明顯的差異[15-16]。本研究的結果表明由于特殊的地形地貌黃河源區內小空間尺度上土壤理化性質也有較大差異，同一流域單元中不同坡度區域土壤理化性質空間異質性也較為明顯。

植被類型及其生長狀況與土壤理化性質之間的關系密切，有研究表明在過度放牧及全球變暖的背景下草地土壤養分、水分供需失衡會致使草地退化[17-18]。隨著退化程度的加劇土壤理化性質有較大的變化[19-21]。隨著草地退化程度的加劇土壤水分、有機碳、銨態氮和硝態氮含量均降低，速效磷、速效鉀含量也減少[22-25]。本研究的結果表明黃河源流域單元中草地土壤水分和養分含量隨著土壤深度的增加顯著降低，這與申紫雁、鮑根生、胡艷欣、高露、張麗婭等的結果一致[26-30]。因此前人關于草地退化導致了土壤水分、有機質含量顯著降低，土壤養分減少的結論需要進一步探討。土壤養分減少可能是由于草地底層土壤養分含量本身較低，草地退化水土流失致使底層土壤露出，其土壤水分、有機質含量本來就比表層土壤少，同時草地退化后植被覆蓋度降低，土壤水分蒸發量進一步增加，在頻繁降雨的影響下土壤養分淋失也進一步增強。

關于退化草地分布特征的研究表明，在流域中山頂、山坡、階地和濕地等區域均是牛羊等牲畜取食區域，而地勢相對平坦的區域是其首選的采食區域[31-34]。本研究在實施過程中實地調研發現，相對于其它區域，流域單元中坡度為0°～7°的“灘地-階地”(采樣點3和4)區域是人類活動及放牧頻率較高的區域，同時也是嚙齒動物活動頻率最高的區域，是流域單元中最容易退化的區域[35-36]。

黃河源流域單元中不同區域同一土層除硝態氮外的土壤養分含量均表現為由坡頂向坡底匯集，“灘地-階地”區域土壤養分含量較高，這可能是土壤養分隨著土壤水分運移的結果。但“灘地-階地”區域土壤含水量相對較低，這可能是由于河谷中空氣流動頻繁，階地區域較其他區域地形突出，在空氣流動作用下水分蒸發量也有所增加。因此流域單元中土壤養分不足可能并不是驅動草地退化的主要因素?！盀┑?階地”區域坡度小于7.19°，地勢相對平坦，土層相對干燥，適合嚙齒動物棲息繁衍，加上過度放牧活動，導致草地更容易發生退化。因此在過度放牧與嚙齒動物活動的共同作用下，土壤水分含量對黃河源流域單元退化高寒草甸的分布有較大的影響。

4 結論

綜上所述，黃河源區中退化高寒草甸面積合計14 239.47 km2，流域單元中坡度為0°～7°的“灘地-階地”區域退化高寒草甸面積占總面積的57.86%，流域單元中“灘地-階地”區域是流域單元中最容易退化的區域。流域單元中同一區域土壤水分、養分含量從表層土壤到底層土壤逐步降低，土壤pH值逐步增大；除硝態氮外的土壤養分在“灘地-階地”區域含量均最高，但土壤水分含量較低。在過度放牧與嚙齒動物活動的共同作用下，土壤水分含量是影響黃河源流域單元退化高寒草甸分布的重要因素。