松嫩平原退化草地土壤和植被特征研究

方玉鳳，曹志偉，孫洪升，湯羽佳，鄒春明，閆敦梁，任秀彬

( 1.黑龍江省林業科學院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.杜爾伯特蒙古族自治縣林業和草原局，黑龍江 大慶 166200；3.肇東市林業和草原局，黑龍江 綏化 151100；4.林甸縣林業和草原局，黑龍江 大慶 166300)

草原是中國的主要自然景觀之一，約占國土面積的40%，在地球陸地生態系統碳、氮循環中發揮著重要作用。草地生態系統是陸地生態系統中最重要、分布最廣的生態系統類型之一，對發展畜牧業、保持水土等方面有著重大作用。草地退化是草地生態系統逆行演替的一種過程，主要表現在土壤、植物兩個部分，地上主要表現為物種數減少、多樣性下降、生物量降低等方面，地下則表現為土壤肥力的降低；而土壤退化雖然較植物退化滯后，但卻是比植被退化更加嚴重的退化，恢復時間也要更長。草地退化嚴重影響了區域生態環境和可持續發展。

松嫩平原草原區位于黑龍江省西部，以溫性草甸草原和低地草甸為主要草地類型，總面積108.2萬hm，占黑龍江省草原總面積的52%。松嫩草原處于溫帶半濕潤-半干旱過渡帶，生態較脆弱，是受全球變暖影響程度最大的區域之一。根據衛星圖像和實地調查顯示，松嫩平原西部現有鹽堿化土地面積達373萬hm，是世界上三大蘇打鹽堿地集中分布區之一，重度鹽堿化土地面積以每年1.4%的速度擴展，部分土地出現明顯堿斑。該地區草地植物的生長長期受到氮限制，植被退化、土壤鹽堿化、荒漠化進程逐年加劇，土壤養分流失嚴重。

2000年以來，我國強化了草原保護建設，調查顯示，松嫩平原草原區多年生優良牧草比例較20世紀90年代嚴重下降，草原生態退化明顯。因此，有必要開展退化草原實地調查研究，從土壤養分、植物群落、牧草產量等方面進行退化草原分類，有針對性地總結不同退化程度草地的土壤養分特點及植物群落特征，以期為今后開展黑龍江省西部退化草原修復治理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 調查地概況

1.1.1 杜爾伯特蒙古族自治縣自然概況 杜爾伯特蒙古族自治縣屬寒溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫3.6～4.4 ℃，年均降水量420 mm左右，無霜期148 d，主要土壤類型為鹽堿土、風沙土、草甸土、黑鈣土等。

調查區域位于124°17′29″—124°35′06″ E，46°22′33″—46°41′59″ N，調查樣地土壤類型主要為鹽堿土、風沙土、草甸土，優勢種為羊草()、大牛鞭草()等；亞優勢種為虎尾草()、胡枝子()、葡枝委陵菜()等；伴生種為多葉棘豆()、堿蒿()、堿韭()等。

1.1.2 林甸縣自然概況 林甸縣屬北溫帶大陸季風性氣候，四季溫差較大，年平均氣溫4.0 ℃，年降水量417.2 mm，無霜期129 d，主要土壤類型為黑鈣土、鹽堿土、草甸土等。

調查區域位于124°33′45″—125°9′15″ E，46°59′30″—47°17′55″ N，調查樣地土壤以鹽堿土為主，優勢種為羊草、毛稈野古草()、堿蓬()等；亞優勢種為虎尾草、蘆葦()、葡枝委陵菜等；伴生種為糙隱子草()、裂葉蒿()等。

1.1.3 肇東市自然概況 肇東市屬寒溫帶氣候，平均積溫2 772 ℃，年降水量293～656 mm，無霜期140 d，主要土壤類型有黑土、鹽堿土、草甸土等。

調查區域位于125°45′54″—125°54′43″ E，45°55′30″—46°04′50″ N，調查樣地土壤以小蘇打鹽漬化草甸黑鈣土為主，優勢種為拂子茅()、羊草、虎尾草、大牛鞭草、堿蒿等；亞優勢種為全葉馬蘭()、葡枝委陵菜等；伴生種為蒙古蒿()、星星草()等。

1.2 調查設計

選取以上3個市(縣、區)域內具有廣泛代表性的退化草地進行樣地調查。根據松嫩平原氣候特征，2021年9月初在植物發育成熟、生物量相對穩定的時期進行調查。后期結合植被與土壤特征，根據《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標》(GB 19377-2003)對調查樣地進行退化程度分類，分為輕度退化(Light degradation，記為L處理)、中度退化(Moderate degradation，記為M處理)和重度退化(Severe degradation，記為S處理)3種退化程度。

1.3 地上部、地下部測定項目及方法

在各樣地內隨機設置樣方，每個樣地布設3個樣方，樣方規格1 m×1 m，重復樣方之間的距離不超過100 m直徑范圍，記錄每個樣方點的坐標。清查1 m樣方內的所有植物種類、數量、高度、蓋度，將地上部全部刈割，立即稱取鮮樣質量，后帶回實驗室105 ℃烘箱殺青30 min，65 ℃烘干至恒定質量并測定。地下部挖土壤剖面，分為3個土層，即0～10、>10～20、>20～30 cm。環刀在不同土層的剖面取土用于土壤容重的測定。挖坑法取樣(30 cm×30 cm，10 cm一層)用以測定地下部生物量，水洗法分離出根系，65 ℃烘干至恒定質量并測定，將3個土層的根系相加換算地下部生物量。用土鉆分層取土樣帶回實驗室進行土壤理化性質分析，測定方法參照鮑士旦《土壤農化分析》一書。

1.4 相關指標計算公式

式中：為土壤容重(g·cm)；為環刀內土壤鮮質量(g)；為環刀容積(cm)；為土壤含水率(%)

土壤有機碳含量

(%) = 土壤有機質含量 / 1.724

土壤碳密度

(kg·m) = × ×

式中，為土層厚度(cm)；為土壤容重(g·cm)

Margalef豐富度指數

Shannon-Wiener多樣性指數

Pielou均勻度指數

式中：為群落中物種數目；為觀察到的個體總數；為第個物種占總數的比例

1.5 數據統計方法

采用WPS Office Excel進行數據整理和繪圖，使用IBM SPSS Statistics 22.0 Pearson進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 植物群落組成、結構、多樣性及生物量特征

2.1.1 植物群落組成、結構及多樣性特征 根據表1可以發現，輕度退化、中度退化草地群落的優勢種為禾本科植物；重度退化群落的優勢種為堿蓬、堿蒿、堿地膚等耐鹽堿的指示植物。輕度退化草地的物種數最多，中度退化草地的物種數最少，重度退化介于二者之間。隨著退化程度的加劇，群落整體蓋度逐漸降低。輕度退化群落的豐富度指數、多樣性指數最高，中度退化最低，重度退化介于二者之間。

表1 植物群落組成特征

2.1.2 植物群落地上生物量及根生物量特征 由表2可知，根系主要分布在0～10 cm土層中，并且隨著土層深度的增加，根系干質量逐漸減小。在0～30 cm土層內，地下生物量與地上生物量的比值為0.03～3.52，12個調查樣方中，有8個樣方的地下生物量高于地上生物量，比值高于1.00。

表2 植物群落地上生物量及根生物量特征

2.2 土壤理化性質及肥力特征

2.2.1 土壤水分和容重特征 由于取樣地點跨度較大(表3)，土壤含水率差異較大，0～10 cm土層含水率為35.45%～82.22%，>10～20 cm土層含水率為23.30%～53.83%，>20～30 cm土層含水率為6.31%～35.50%，總體來看，土壤含水率隨著土層深度的增加呈現降低的趨勢，表層土壤含水率高，下層土壤含水率較低。土壤容重的變化趨勢與土壤含水率相反，整體表現為隨著土層深度的增加，土壤容重呈現增加的趨勢。

表3 土壤水分和容重特征

2.2.2 土壤pH和電導率 各土層pH和電導率的變化整體上均隨著土層深度的增加而呈現出逐漸增大的趨勢(圖1)。輕度、中度、重度退化草地的pH分別為8.31～9.91、8.85～10.07和9.88～10.31，說明隨著土層加深pH逐漸增大，草地退化程度加重。電導率的變化更加明顯，重度退化草地S～S處理的電導率明顯高于輕度和中度退化草地。

圖1 各土層pH和電導率

2.2.3 土壤全氮和有機質含量 土壤全氮和有機質含量整體表現為隨著土層的加深而逐漸下降，并且整體上呈現出隨著退化程度的加重，含量逐漸降低(表4)，輕度退化草原的0～10 cm土層全氮和有機質含量分別為2.675～3.569 mg·kg和2.30%～3.87%，整體上高于中度和重度退化草原，重度退化草原的全氮和有機質含量最低，分別為0.539～2.608 mg·kg和1.03%～1.79%。土壤有機碳密度整體上表現為隨著土層深度的增加而逐漸降低。

表4 土層全氮、有機質含量及有機碳密度

3 討論

3.1 植物群落組成及生物量特征

輕度、中度退化群落的優勢種為羊草、拂子茅、毛稈野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物為虎尾草、堿蓬、堿蒿和堿地膚等。烏仁其其格的研究認為，優勢種的更替可成為植物群落演替的標識，輕度、中度退化草地仍以禾本科為優勢種，退化指示類的菊科、薔薇科等植物的重要地位在中度退化草地中明顯得到提升，重度退化階段多以耐踐踏的菊科植物占優勢，這與本調查關于群落組成方面得到的結果一致。

調查發現，中度退化草原的植物種類組成、Shannon-Wiener多樣性指數最低，地上生物量隨著退化程度的加重逐漸減小，說明中度退化的植物種類數最少，但地上生物量卻高于重度退化。重度退化群落的優勢種是堿蓬、堿蒿等所占空間較大的藜科、菊科植物，相同蓋度下的多度較禾本科植物要小很多，導致地上生物量小于以禾本科植物為優勢種、植物種類組成較簡單的中度退化草地。有研究認為，草甸地上生物量與土壤含水率、總氮含量均不相關，本調查對地上生物量與土壤指標做的相關分析也顯示為相關性不顯著，因此沒有列出。

三類退化草地的植被根系生物量的分布規律性不明顯，一般表現為隨著深度的增加，根系生物量降低。0～30 cm土層內，植被地下生物量與地上生物量的比值多數大于1，比值為0.03～3.52。地下生物量主要集中在0～10 cm土層中，不同研究得出的根冠比差異很大，有研究認為，中國北方草地的根冠比為0.4～14.3，Fan等人認為，中國北方草地的根冠比均值為24.6，Piao等人的分析認為，不同樣地的根冠比均值為7.7。筆者認為這些結果與本調查得到的結果并不沖突，因為地下生物量的研究較地上部分困難得多，難以獲取準確數據是公認的，挖坑法取樣也具有一定的偏差，若要準確說明，需要更加集中取樣進行分析。

3.2 不同退化類型的土壤特性

隨著草地退化程度的加深，土壤pH逐漸增大，即重度退化土壤pH最高，輕度退化土壤pH最低。電導率的變化更加明顯，重度退化草地的電導率明顯高于輕度退化和中度退化草地。全氮和有機質含量、有機碳密度則表現為隨著退化程度的加重而降低。已有研究表明，草地退化導致土壤有機碳減少，草地地下碳儲量變化規律與土壤有機質變化規律相同，這些結論均與本研究結果相似。

關于地上、地下植物碳儲量的研究報道較多，如辛曉平等利用2002—2009年的調查數據結合遙感技術，對我國北方草地植被碳儲量進行了評估，類似的研究還有Ni、Fan等、馬文紅等、Piao等、樸世龍等，總結來看，大范圍大尺度的評估都是結合了多年大量的數據與衛星遙感技術，得到的碳儲量雖然相差很大，但仍具有一定代表性，此類研究一般是利用轉換率0.4或0.45以地上、地下生物量來進行碳密度的估算；也有對小范圍定點監測實地取樣的研究，測定每一種植物的含碳率來計算該地區植被總碳儲量。鑒于前人對這方面的研究已很成熟，故本研究不再進行這方面的估算，只對土壤有機碳密度進行了計算。結果表明，重度退化草地的土壤有機碳密度最低，0～10 cm土層的有機碳密度為0.629～1.188 kg·m，輕度退化和中度退化草地0～10 cm土層的有機碳密度分別為1.246～2.178和1.775～2.352 kg·m。姜藍齊等利用1980年前后進行的土壤普查數據與2015年實地采樣數據，分析了松嫩平原55個縣區土壤有機碳變化情況，結果表明，不同類型土壤有機碳密度均呈現下降趨勢，堿土卻表現為增加趨勢，由1980年的1.06 kg·m增加到2015年的1.68 kg·m。結合本研究結果，說明已經出現堿斑的重度退化草地的土壤有機質損失嚴重，有機碳密度下降明顯，中度退化草地有機質含量、有機碳密度仍然保持較高水平。

4 結論

研究表明，目前黑龍江省西部松嫩草原輕度、中度退化草原的優勢種為羊草、拂子茅、毛稈野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物為虎尾草、堿蓬、堿蒿和堿地膚等。中度退化草原群落的植物種類組成較簡單、Shannon-Wiener多樣性指數最低。地上生物量隨著退化程度的加重逐漸減少。三類退化草地的植被根系生物量的分布規律性不明顯，一般表現為隨著深度的增加，根系生物量降低。3種退化類型草地的土壤含水率、全氮和有機質含量、有機碳密度均表現為隨著土層深度的增加而逐漸減??；土壤容重、pH和電導率的變化整體上均呈現出隨著土層深度的增加而增大。重度退化草地的土壤有機碳密度最低，中度退化草地的有機質含量、有機碳密度仍然保持較高水平。