曹麗花，劉合滿，趙世偉

(1.西藏農牧學院資源與環(huán)境系，西藏 林芝 860000；2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

草地生態(tài)系統(tǒng)是分布面積最廣的陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，其面積占全球陸地面積的1/2，在全球陸地碳循環(huán)中起著極為重要的作用[1]。草地退化是指在不利因素影響下，草地生態(tài)功能減退、生產能力下降、經濟價值降低的過程[2]。

西藏有8 206.7萬hm2不同類型的草地，草地總面積占全國的33.2%，其分布特點是，全區(qū)78.4%的草地分布于高海拔的藏西北廣大地區(qū)，該區(qū)域又是荒漠或半荒漠、沙化、退化草地所占比例較大的區(qū)域[3]。且有研究表明[4]，1990-2005年，西藏草地退化面積每年以5%～10%的速度擴大。據調查：當雄縣退化草地面積為4.978萬hm2，占天然草地總面積的7.2%，其中輕度退化草地面積為3.616 hm2，占退化草地面積的72.63%；重度退化面積為1.362萬hm2，占退化草地面積的27.37%[5]。草地退化造成地上生物量下降，減少了有機碳輸入量；部分高寒草甸甚至沙化，使有機碳輸出量增多，最終使土壤有機碳含量降低。

在全球氣候變暖和地方經濟發(fā)展對草原的過度依賴背景下，草原退化將會進一步加劇。草地退化不但對草原的可持續(xù)利用形成了很大的威脅，而且對區(qū)域氣候和生態(tài)的健康發(fā)展也產生了不利的影響。近年來，雖然對青藏高原草原生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)問題有一些相關文獻報道[6-8]，但基礎資料仍十分缺乏。本研究對拉薩當雄縣不同退化草甸土壤有機碳及養(yǎng)分相關性進行研究，以期揭示高寒草甸土壤退化過程中有機碳及相關養(yǎng)分和環(huán)境的變化特點，并為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的退化程度診斷及其恢復治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域概況 西藏當雄縣地處藏北高原，是拉薩市牧業(yè)重點縣，畜牧業(yè)是全縣國民經濟的支柱產業(yè)。平均海拔4 200 m以上，地貌類型為高原山地。當雄縣氣候的主要特點是：冬季寒冷、干燥，夏季溫暖濕潤，雨熱同期，干濕季分明，天氣變化大。年均溫1.3 ℃，年均降水量456.8 mm，年均蒸發(fā)量1 725.7 mm，年均日照時數2 880.9 h，年均太陽輻射總量786.5 kJ/cm2，≥0 ℃年積溫1 800 ℃·d，無霜期僅62 d，牧草生長期90～120 d。地表溫度平均為5.9 ℃，11月-翌年3月為土地凍結期，全年八級以上風力天數平均達17.8 d，多發(fā)生在12月-翌年3月。大雪、冰雹、霜凍、干旱、大風等自然災害頻繁。

1.2樣品采集 2010年4月于拉薩當雄縣進行采樣，其地理位置為30°29.926′ N，90°52.696′ E，海拔4 247 m，草甸優(yōu)勢種群為藏嵩草(Kobresiatibetica)，土壤類型為高寒草甸土。結合野外植被與土壤調查，按照張金屯[9]草地退化程度的劃分標準(表1)，在樣區(qū)內分別選擇正常草甸、輕度退化草甸和嚴重退化草甸3種草甸類型，每種退化類型分別選擇3個樣點，分別采集0～10、10～20 cm土層的混合土壤樣品和環(huán)刀土，土壤樣品自然風干，分別過0.25和1 mm篩孔以供測定。

表1 不同退化程度草地植被覆蓋度及土壤狀況

1.3測定項目與方法 土壤活性有機碳用KMnO4氧化法測定，其操作步驟為：稱取2.5 g土壤樣品于100 mL塑料離心管中，加入25 mL濃度為333 mmol/L的KMnO4溶液，震蕩1 h，然后在轉速4 000 r/min下離心5 min，將其上清液用去離子水以1∶250液稀釋后，在565 nm下測定吸光度，通過其與不加土壤的空白吸光度之差，計算出KMnO4濃度的變化，并進而計算出氧化的碳量[10-11]。

土壤有機質用重鉻酸鉀外加熱法；土壤pH值采用水土比2.5∶1.0酸度計法測定；土壤堿解氮用堿解擴散法測定；速效磷用NaHCO3提取，分光光度計測定；速效鉀用1 mol/L醋酸銨提取，火焰光度計測定；土壤容重用環(huán)刀法；土壤含水量用烘干法測定[12]。

1.4數據處理 采用Excel進行數據處理，利用DPS進行顯著性分析和通徑分析。

2 結果與分析

2.1高寒草甸土壤有機碳及其密度變化 在0～10和10～20 cm土壤層中高寒草甸土壤有機碳含量和有機碳密度的分布特點均表現為：正常草甸>輕度退化草甸>嚴重退化草甸，且0～10 cm土層中有機碳含量和有機碳密度均高于相對應的10～20 cm土層(圖1)。其原因是草地退化后，地上生物量降低了，從而也減少了有機碳的輸入量。在0～10 cm土層中，土壤正常狀態(tài)下有機碳的含量達到55.98 g/kg，比輕度退化和嚴重退化草甸土壤有機碳分別高出37.93%和368.2%；10～20 cm土層中，正常狀態(tài)下土壤有機碳含量比輕度退化和嚴重退化土壤有機碳分別高出6.36%和273.51%。對于0～10 cm土層土壤有機碳密度而言，正常狀態(tài)、輕度退化和嚴重退化條件下分別為526.67、466.07、179.90 kg/m2。

2.2土壤有機碳與其他養(yǎng)分間相關性分析 土壤有機質(主要指土壤碳素)是陸地生物圈生物地球化學循環(huán)的主要成分之一，是指示土壤健康的關鍵指標[13]。對土壤有機碳與其他養(yǎng)分進行相關性分析，結果表明，土壤有機碳與土壤活性有機碳、堿解氮、速效磷及速效鉀之間存在正相關關系(圖2)。

圖1 不同退化程度高寒草甸土壤有機碳含量及有機碳密度

土壤有機碳與活性有機碳之間存在極顯著的正相關關系(P<0.01)，其回歸方程為y=0.074 3x-0.026 1，決定系數R2為0.913 9(圖2A)。

草地生態(tài)系統(tǒng)中，有效性氮素是初級生產力首要的限制資源[14]，也是決定系統(tǒng)物種組成的主要因子[15]。有研究表明[16]，隨著氮肥施用量的增加，退化草甸地上生物量顯著增加。由圖2B可知，土壤有機碳與土壤堿解氮呈極顯著正相關關系(P<0.01)，土壤有機碳含量越高，土壤堿解氮含量也就越高。顏淑云等[17]研究也表明，高寒草地土壤全氮及無機氮與土壤有機碳之間呈極顯著正相關關系。土壤速效磷與土壤有機碳的關系與堿解氮相同，也呈極顯著正相關(P<0.01)(圖2C)；土壤有機碳與速效鉀呈顯著正相關(P<0.05)，其回歸方程為y=4.296 5x+71.667 0(R2=0.665 3)(圖2D)。這表明土壤有機碳與土壤養(yǎng)分之間存在著密切的關系，土壤退化程度加重，將導致土壤養(yǎng)分含量降低。

2.3土壤有機碳與土壤容重、含水量相關性分析 土壤容重是土壤緊實度的指標之一，它與土壤的孔隙度和滲透率密切相關。土壤容重的大小主要受土壤有機質含量、土壤質地等因素的影響。土壤容重大，則土壤緊實，通透性差[18]。由圖3A可見，正常與輕度退化草甸土壤0～10 cm土層土壤容重均小于10～20 cm土層，且隨草甸土壤退化加劇，土壤容重呈增加趨勢，這主要是由于土壤退化后，土壤植被減少，沙化加重而造成的。由圖3B可知，隨土壤退化程度加重，土壤含水量減少。這與蔡曉布和周進[19]的研究結果一致。

統(tǒng)計分析表明，土壤有機碳與土壤容重和土壤含水量之間的關系較為密切，土壤有機碳與土壤容重間的R2為0.773 5(y= -0.016 7x+1.553 1)，且呈顯著負相關關系(P<0.05)；土壤有機碳與土壤含水量間R2為0.715 6(y=0.790 8x+5.424 5)，且呈顯著正相關(P<0.05)。

2.4土壤有機碳與土壤理化性質通徑分析 通徑分析是通過對自變量和因變量之間的相關分解來研究因變量的相對重要性。將土壤有機碳與理化性質進行回歸分析可得線性回歸方程：y=-5.100 7+0.411 5x1+1.402 2x2-0.070 7x3-0.159 2x4，其中y為土壤有機碳，x1、x2、x3、x4分別為土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和含水量。通徑分析結果顯示，x1、x2、x3、x4與土壤有機碳y的通徑系數分別為1.114 2、0.357 3、 -0.372 3和-0.170 3。這表明有機碳的變化對堿解氮的影響最大。

圖2 土壤有機碳與其他養(yǎng)分的關系

圖3 不同退化程度高寒草甸土壤容重及含水量變化

3 結論

在自然因素和人為因素的雙重作用下，草地退化導致植被覆蓋度降低，引起表層土壤<0.84 mm顆粒易受風、水侵蝕而減少[20]，土壤顆粒變粗[21]，地上及地下生物量降低[22]，導致土壤有機碳損失加重，有機碳含量減少。從本研究結果可以看出，隨著土壤退化程度加劇，土壤有機碳含量呈遞減趨勢，在0～10 cm土層中，正常草甸土壤、輕度退化草甸土壤及嚴重退化草甸土壤其有機碳含量分別為55.982 1、40.586 7和11.957 g/kg，且表層土有機碳含量均高于其次層土壤的有機碳含量。

隨著草地退化的加劇，土壤有機碳的損失愈加嚴重，必將對養(yǎng)分及其環(huán)境產生顯著影響。土壤有機碳與其他養(yǎng)分之間存在著密切關系，土壤有機碳與土壤活性有機碳、堿解氮及速效磷之間呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與速效鉀之間呈顯著正相關關系(P<0.05)。其直線回歸方程和決定系數與活性有機碳為y=0.074 3x-0.026 1，R2=0.913 9；與堿解氮為y=2.676 8x+14.425 0，R2=0.977 1；與速效磷為y=0.245 9x+3.347 9，R2=0.931 4；與速效鉀為y=4.296 5x+ 71.667 0，R2=0.665 3。土壤有機碳與土壤物理性質間也存在十分密切的關系，土壤有機碳與土壤容重、土壤含水量的決定系數分別達到0.773 5和0.715 6(P<0.05)，回歸方程分別為y=-0.016 7x+1.553 1和y=0.790 8x+5.424 5。通過土壤有機碳與理化性質的通徑分析表明，土壤堿解氮對土壤有機碳變化的響應最顯著。

[1]Reeder J D,Schuman G E.Influence of livestock grazing on C sequestration in semi-arid mixed-grass and short-grass rangelands [J].Environmental Pollution,2002,116:457-463.

[2]侯向陽.中國草地生態(tài)環(huán)境建設戰(zhàn)略研究[M].北京: 中國農業(yè)出版社,2005:37-38.

[3]周華坤,趙新全,周立,等.青藏高原高寒草甸的植被退化與土壤退化特征研究[J].草地學報,2005,14(3):31-40.

[4]邵偉,蔡曉布.西藏高原草地退化及其成因分析[J].中國水土保持科學,2008,6(10):112-116.

[5]萬軍,強巴達娃.西藏當雄縣草地生態(tài)環(huán)境現狀及恢復措施[J].西藏科技,2000(2):70-71.

[6]徐玲玲,張憲洲,石培禮,等.青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)凈二氧化碳交換量特征[J].生態(tài)學報,2005,25(8):1948-1952.

[7]常天軍,王建林,李鵬,等.藏北高寒草地植被的碳密度與碳貯量[J].生態(tài)科學,2007,26(5):422-427.

[8]李輝霞,劉淑珍.西藏自治區(qū)那曲縣草地退化空間差異分析[J].中國水土保持,2007(2):22-25.

[9]張金屯.應用生態(tài)學[M].北京：科學出版社,2003:173-174.

[10]Wen Q,Zhao X R,Chen H W.Distribution characteristics of microbial biomass carbon in different soil aggregates in semiarid area[J].Scientia Amicultura Sinica,2004,10:1504-1509.

[11]Shen H,Cao Z H.Characteristics and ecological effects of the active organic carbon in soil[J].Chinese Journal of Ecology,1999,18(3):32-38.

[12]鮑士旦.土壤農化分析[M].北京：中國農業(yè)出版社,2007:23-108.

[13]Percival H J,Parfitt R L,Scott N A.Factors controlling soil carbon level in New Zlealand grassland[J].Soil Science Society of America Journal,2000,64:1623-1630.

[14]Vitousek P M,Howarth R W.Nitrogen limitation on land and in the sea[J].Biogeochemistry,1991,13:87-115.

[15]Tilman D.Plant Strategies and Dynamics and Structure of Plant Communities[M].Princeton:Princeton University Press,1988:26-28.

[16]黃軍,王高峰,安沙舟,等.施氮對退化草甸植被結構和生物量及土壤肥力的影響[J].草業(yè)科學,2009,26(3):75-78.

[17]顏淑云,周志宇,秦彧,等.瑪曲高寒草地不同利用方式下土壤氮素含量特征[J].草業(yè)學報,2010,19(2):153-159.

[18]胡慧蓉,楊超本,郭勇.桉樹黑荊樹種植對土壤物理性質的影響[J].西南林學院學報,2000,20(2):85-89.

[19]蔡曉布,周進.退化高寒草原土壤有機碳時空變化及其與土壤物理性質的關系[J].應用生態(tài)學報,2009,20(11):2639-2645.

[20]Mendez M J,Oro L D，Panebianco J E,etal.Organic carbon and nitrogen in soils of semiarid Argentina[J].Journal of Soil and Water Conservation,2006,61(4):230-235.

[21]徐冰,趙淑銀,郭克貞,等.草地開發(fā)與保護過程中土壤顆粒分形特征[J].草業(yè)科學,2009,26(7):143-146.

[22]于健龍,石紅霄,李劍,等.不同退化程度高寒蒿草草甸基況的初步研究[J].草業(yè)科學,2010,27(9):115-118.