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        青海湖北岸退化與封育草地土壤與優(yōu)勢(shì)植物中四種微量元素特征

        2012-08-20 04:06:58李天才曹廣民柳青海周國(guó)英師生波張德罡
        草業(yè)學(xué)報(bào) 2012年5期
        關(guān)鍵詞:植物

        李天才,曹廣民,柳青海,周國(guó)英,師生波,張德罡

        (1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧810008)

        青藏高原高寒草地在退化以后,草原土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)、植被類型和植被分布特征及水土流失等發(fā)生改變[1]。圍欄封育和施肥是草地改良的有效途徑[2],圍欄封育、施肥、補(bǔ)播等措施對(duì)提高草地生產(chǎn)力具有顯著效果[3,4],采取圍欄封育措施后對(duì)改變?nèi)郝洵h(huán)境條件具有較好效果[5],可提高草原群落的蓋度和生產(chǎn)力。但長(zhǎng)期的圍欄活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致群落物種豐富度和多樣性的降低[6],同時(shí)圍欄封育會(huì)使植物種群的分布格局發(fā)生變化[7-9]。單一的改良措施對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能有著消極影響,高寒退化草地生態(tài)系統(tǒng)的綜合改良和恢復(fù)技術(shù)體系的建立迫在眉睫[10,11]。

        礦質(zhì)元素是生命體活動(dòng)的基本營(yíng)養(yǎng)元素,在草地生態(tài)系統(tǒng)中也具有重要的生理生態(tài)學(xué)意義[12]。影響植物體內(nèi)礦質(zhì)元素含量的因素是復(fù)雜多樣的,植物體對(duì)于某種元素的吸收累積能力是長(zhǎng)期選擇和適應(yīng)的結(jié)果;其次土壤環(huán)境中若某一種元素含量較多而且有效性較高時(shí),雖然植物對(duì)它需要的量不多或者完全不需要,但它也會(huì)在植物體內(nèi)較多地積累[13]。退化草地與封育草地的植被類型、群落結(jié)構(gòu)、相似性以及土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)等均有較大差異,則相應(yīng)草地植物中礦質(zhì)元素含量發(fā)生變化是必然的[14,15]。那么,退化草地相對(duì)于封育草地植物中銅、鋅、鐵、錳等礦質(zhì)微量元素具有怎樣的分布特征呢?

        青海湖流域地處青藏高原東北部,屬于全球變化的敏感地區(qū)和脆弱生態(tài)系統(tǒng)的典型地區(qū),由于全球氣候變化和超載過牧等人類活動(dòng)的綜合影響,草地退化極為嚴(yán)重[16-18]。近年來,青海省在“生態(tài)立省”戰(zhàn)略實(shí)施下對(duì)青海湖流域退化草地采取圍欄封育,進(jìn)行植被恢復(fù),極大提高了封育草地植物群落的蓋度和生產(chǎn)力[6]。對(duì)于青海湖流域封育恢復(fù)草地,其中作為植物必需的微量元素滿足其生長(zhǎng)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)供給嗎?選擇青海湖北岸的河邊灘地、那仁火車站、爛泥灣等各樣地內(nèi)封育草地和退化草地為試驗(yàn)樣地,通過各類型草地典型植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素的對(duì)比分析,闡述退化草地植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素的分布特征,探討草地植物生長(zhǎng)與其微量元素營(yíng)養(yǎng)供給之間的相關(guān)關(guān)系,揭示草地微量元素對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性及其響應(yīng)特征。研究將為天然草地保護(hù)、退化草地恢復(fù)、草地資源的可持續(xù)利用以及草地微量元素營(yíng)養(yǎng)研究等提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 樣地選擇

        依據(jù)海拔的梯度增加和樣地草地類型的變化,分別選擇河邊灘地(沼澤草甸)、那仁火車站(芨芨草草原)、爛泥灣(針茅草原)等3個(gè)樣地內(nèi)的退化草地和封育草地為試驗(yàn)樣地,其中各圍欄封育樣地為退化草地樣地的對(duì)照區(qū)。各樣地相關(guān)信息見表1。

        河邊灘地樣地位于三角城種羊場(chǎng)二大隊(duì),距青海湖水面主體約3km的圍欄封育(1985年封育)沼澤化高寒草甸處,草地屬高寒草甸類垂穗披堿草(Elymusnutans)型草甸,植被蓋度98%,禾本科草高30~40cm;退化草地選于圍欄外的自由放牧草地上,禾本科稀疏,高度為35cm,蓋度為5%~10%。

        那仁火車站樣地位于青藏鐵路那仁火車站南1km的圍欄封育(1980年封育)芨芨草(Achnatherumsplendens)草原處,草地屬溫性干草原類,優(yōu)勢(shì)種植物芨芨草分布均勻,蓋度70%;退化草地位于圍欄外的自由放牧草地上,南段植被蓋度45%,北段植被蓋度20%~25%,芨芨草高度南北段差異不大,均在40~50cm。

        爛泥灣樣地位于三角城種羊場(chǎng)北2km的圍欄封育(1980年封育)紫花針茅(Stipapurpurea)草原處,草地屬高寒山地干草原類,優(yōu)勢(shì)種植物紫花針茅分布較均勻,蓋度55%;退化草地位于圍欄外的自由放牧草地上,其中狼毒(Stellerachamaejasme)蓋度為30%。

        表1 青海湖北岸各試驗(yàn)樣地信息Table 1 Information of each test sample on north bank of Qinghai Lake

        1.2 樣品采集

        2009年9月初在各類型的試驗(yàn)樣地內(nèi)進(jìn)行樣方調(diào)查(1.0m×1.0m),測(cè)量植物株高,并依據(jù)植物個(gè)體大小分別采集該區(qū)域內(nèi)優(yōu)勢(shì)種和主要伴生種植物的全草30株以上為同一植物種的分析樣品,各樣地分別采集3份后混合,3樣地采集植物共計(jì)46種138份,陰干,保存?zhèn)溆?;同時(shí)采集0~10cm的土壤樣品,各樣地分別采集3份后混合,共計(jì)6份,陰干,保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3 元素分析

        采集備用的植物樣品首先進(jìn)行沖洗、烘干、粉碎等預(yù)處理,土壤樣品首先進(jìn)行研磨、過篩(孔徑0.149mm)等預(yù)處理后,用HClO4和HNO3(V∶V,1∶4)進(jìn)行消化處理,采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行Cu,Zn,F(xiàn)e,Mn等微量元素的火焰原子吸收光譜法分析。分析儀器為TAS-986分光光度計(jì)(北京普析通用有限公司生產(chǎn))。標(biāo)準(zhǔn)溶液購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        通過Execl統(tǒng)計(jì)各樣本Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量及樣方中植物株高的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)等,對(duì)比各類型草地植物中微量元素分布特征,揭示草地植物與其微量元素之間的相關(guān)性關(guān)系,明確微量元素對(duì)于草地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性及其響應(yīng)特征。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 退化與封育草地植被和土壤中微量元素特征

        青海湖北岸各試驗(yàn)樣地退化草地與封育草地植被各土壤中微量元素分析結(jié)果,見表2和表3。

        表2 青海湖北岸各試驗(yàn)樣地草地植被中微量元素與地上生物量Table 2 Trace elements and ground biomass in grass vegetations of each test sample on north bank of Qinghai Lake

        表3 青海湖北岸各試驗(yàn)樣地土壤(0~10cm)中微量元素Table 3 Contents of trace elements in soil(0-10cm)of each test sample on north bank of Qinghai Lake

        退化草地與封育草地植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量以及植物株高和地上生物量之間具有差異性(表2),表現(xiàn)出退化草地較封育草地植被中微量元素具有蓄積增加而植物株高、蓋度和地上生物量均降低的分布特征。其次,退化草地和封育草地植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物的株高、蓋度和地上生物量之間均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        各類型草地中,退化草地植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量均大于封育草地植被中相應(yīng)微量元素含量,植物株高、蓋度和地上生物量為退化草地小于封育草地(表2)。如:河邊灘地退化草地較封育草地的植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量分別增加25.2%,13.8%,110.2%,167.5%,植物株高、蓋度和地上生物量分別減小了49.8%,41.8%,32.2%,退化草地植被中具有明顯的微量元素蓄積性,而植物株高、蓋度和地上生物量均減小的分布特征,且同類型草地植被的植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物株高、蓋度和地上生物量之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系(表2)。

        退化草地與封育草地土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量和土壤容重也具有差異性(表3),表現(xiàn)出封育草地較退化草地土壤中微量元素含量蓄積增加而土壤容重降低的分布特征,且退化草地和封育草地土壤中微量元素含量與土壤容重具有負(fù)相關(guān)性。其次,退化草地和封育草地土壤與植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量之間具有負(fù)相關(guān)性,而與植物株高、蓋度和地上生物量之間具有正相關(guān)關(guān)系。

        爛泥灣封育草地較退化草地的土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量分別增加72.9%,127.3%,14.8%,14.9%,而土壤容重卻減小了10%,即封育草地土壤中微量元素含量蓄積增加,而土壤容重降低的分布特征。那仁火車站土壤與植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量之間負(fù)相關(guān),而與草地植物株高、蓋度和地上生物量之間具有正相關(guān)性(表2,表3),如:爛泥灣退化草地、封育草地植被中Cu分別為10.480和7.275mg/kg,退化草地植被中Cu增加了44.1%,而土壤中Cu分別為13.99和24.19mg/kg,退化草地土壤中Cu減小了42.2%,即退化草地和封育草地的土壤與植被中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。爛泥灣封育草地植被中植物株高平均增加了30.2%,總蓋度增加了66.8%,地上生物量增加了105.1%(表2)。即同類型草地土壤中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物株高、蓋度和地上生物量之間具有正相關(guān)關(guān)系。

        2.2 退化草地與封育草地同一植物中微量元素特征

        青海湖北岸退化草地與封育草地同一植物中微量元素的分析結(jié)果見表4。

        同類型退化和封育草地的同一植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量以及植物株高間具有明顯的差異(表4),表現(xiàn)出退化草地較封育草地同一植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量高,植物株高卻在降低,即退化草地植物中微量元素具有蓄積增加而植物株高減小的分布特征。其次,退化草地和封育草地的同一植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物株高之間具有負(fù)相關(guān)性。

        表4 青海湖北岸退化草地與封育草地中同一植物的株高與微量元素Table 4 Plant height and trace elements in same plant from degraded and enclosed grassland on north bank of Qinghai Lake

        河邊灘地的青藏苔草、星星草中,爛泥灣的賴草、披針葉黃華中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量均為退化草地高于封育草地,植物株高為退化草地低于封育草地(表4)。如:河邊灘地退化草地較封育草地的青藏苔草中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量分別增加38.7%,27.4%,51.6%,16.1%,植物株高降低了77%,即退化草地植物中微量元素蓄積增加而植物個(gè)體株高卻在降低的分布特征。河邊灘地的青藏苔草、星星草,爛泥灣的賴草、披針葉黃華中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與草地植物株高負(fù)相關(guān),即同類型草地的同一植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物的株高之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        2.3 退化草地與封育草地典型植物中微量元素特征

        青海湖北岸退化草地與封育草地典型植物中微量元素分析結(jié)果見表5~表7。

        退化草地與封育草地典型植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量以及植物株高間具有明顯的差異(表5~表7),表現(xiàn)出退化草地較封育草地典型植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量蓄積增加,植物株高減小的分布特征。其次,退化草地和封育草地典型植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與不同植物的株高之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        河邊灘地退化草地、封育草地的委陵菜中Cu分別為11.200和8.947mg/kg,青藏苔草中Cu分別為7.100和4.354mg/kg,即退化草地較封育草地的委陵菜、青藏苔草中Cu元素含量分別高25.2%和63.1%,植物株高分別減小66.0%和77.0%。退化草地較封育草地植物中微量元素具有蓄積性,而相應(yīng)植物的株高卻在降低。

        表5 青海湖北岸河邊灘地典型植物中微量元素含量Table 5 Contents of trace elements in typical plants of Hebiantandi on north bank of Qinghai Lake

        河邊灘地封育草地中植物株高分別與Cu、Fe等微量元素含量負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為-0.957 4和-0.913 5;爛泥灣退化草地中植物株高與Mn之間相關(guān)系數(shù)為-0.995 6,封育草地中植物株高與Zn之間相關(guān)系數(shù)為-0.435 3;那仁火車站退化草地的8種植物中Zn元素含量與株高之間負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.945 4,封育草地的6種植物中Zn元素含量與株高之間負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.896 1,即草地植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量與植物的株高之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。

        表6 青海湖北岸那仁火車站典型植物中微量元素含量Table 6 Contents of trace elements in typical plants of Naren station on north bank of Qinghai Lake

        3 討論

        退化草地與封育草地植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量以及植物株高、蓋度和地上生物量之間具有明顯的差異性。退化草地實(shí)施長(zhǎng)期的圍欄封育措施后,由于植物群落結(jié)構(gòu)、植被類型以及土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)等發(fā)生了很大改變[1,5],相應(yīng)草地地上植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的微量元素也將會(huì)發(fā)生改變,從而表現(xiàn)出退化草地與封育草地植物和土壤中微量元素含量的差異性和植物株高、蓋度和地上生物量的變化是必然的。

        退化草地較封育草地植物中Cu、Zn、Fe、Mn等微量元素含量具有蓄積增加的趨勢(shì)。各類型草地的同一種植物、不同種植物到植被群落,隨著樣本數(shù)增加,退化草地植物中微量元素蓄積增加表明該自然現(xiàn)象具有數(shù)學(xué)意義上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。

        過度放牧?xí)狗N群生境惡化,生產(chǎn)力下降[17-19],圍欄封育對(duì)提高草地生產(chǎn)力具有顯著效果[6,4,19]。青海湖北岸退化草地較封育草地中植物株高、蓋度和地上生物量的降低,土壤容重的增加是易于理解的,這與前人研究結(jié)果比較一致[20-24]。然而,作為植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素營(yíng)養(yǎng)在退化草地植物中具有蓄積性,且與植物株高、蓋度和地上生物量等具有負(fù)相關(guān)性,其作用機(jī)制是什么?

        由于全球氣候變化和超載過牧等人類活動(dòng)的綜合影響,青海湖流域草地退化極為嚴(yán)重[1,5]。青藏高原退化草地的植被類型和種群分布格局,草地土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)、水土流失等發(fā)生嚴(yán)重改變[1,7]。采取圍欄封育措施后對(duì)于改變?nèi)郝洵h(huán)境條件,提高草原群落的蓋度和草地生產(chǎn)力等具有顯著效果[3-5]。試驗(yàn)結(jié)果表明:青海湖北岸各類型樣地的封育草地較退化草地植物株高、蓋度和地上生物量等明顯增加而土壤容重減小。可見,青海湖北岸實(shí)施長(zhǎng)期圍欄封育措施后,封育草地較退化草地的群落環(huán)境條件大為改變,由于封育草地植物株高、蓋度和地上生物量的明顯增加,封育草地土壤的結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生了極大改變[20,22,24],土壤容重降低,則草地土壤中水分的蒸發(fā)量降低,而土壤的持水能力卻明顯增強(qiáng),土壤環(huán)境中水分的增加改變,相應(yīng)改善了封育草地植物從土壤環(huán)境中攝取必需礦質(zhì)元素的能力。由于封育草地植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的礦質(zhì)元素能夠得到及時(shí)的供給等營(yíng)養(yǎng)條件有利的情況下,則封育草地較退化草地植物株高、蓋度和地上生物量等明顯增加,植物中礦質(zhì)元素的絕對(duì)量(生物量*礦質(zhì)元素含量)也會(huì)增加。又因?yàn)榈V質(zhì)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)作用,長(zhǎng)期圍欄封育草地土壤中礦質(zhì)元素明顯增加保證了相應(yīng)草地植物中礦質(zhì)元素的供給,致使封育草地較退化草地生產(chǎn)力顯著提高。銅、鋅、鐵、錳等微量元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的礦質(zhì)元素之一,在草地植物中作用機(jī)制相同。由此可見,青海湖北岸退化草地較封育草地植物中銅、鋅、鐵、錳等微量元素含量具有蓄積性,且與植物株高、蓋度和地上生物量等具有負(fù)相關(guān)性,其實(shí)是封育草地較退化草地植物中銅、鋅、鐵、錳等微量元素的絕對(duì)量(生物量*元素含量)增加,而退化草地植物中微量元素具有蓄積性僅僅是微量元素的含量在增加,即退化草地由于植物生長(zhǎng)發(fā)育遲緩而使銅、鋅、鐵、錳等微量元素濃縮富集,其微量元素營(yíng)養(yǎng)的絕對(duì)量小于封育草地植物。如:河邊灘地樣地退化草地與封育草地每m2的樣方植物中Cu的絕對(duì)量分別為1.606和1.892mg,爛泥灣樣地退化草地與封育草地每m2的樣方植物中Cu的絕對(duì)量分別為1.096和1.560mg,顯然,封育草地植物中Cu營(yíng)養(yǎng)的絕對(duì)量高于退化草地。因此,作為植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素在退化草地植物中具有蓄積性的試驗(yàn)結(jié)果,只是表明:微量元素的含量在退化草地植物中具有蓄積性。草地植物中微量元素含量與植物株高、蓋度和地上生物量等具有負(fù)相關(guān)性,進(jìn)一步表明:微量元素的含量在退化草地植物中具有蓄積性,而微量元素的絕對(duì)量(生物量*元素含量)與植物株高、蓋度和地上生物量等具有正相關(guān)性,說明草地植物中銅、鋅、鐵、錳等微量元素也是草地植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)之一。

        表7 青海湖北岸爛泥灣典型植物中微量元素含量Table 7 Contents of trace elements in typical plants of Lanniwan in north bank of Qinghai Lake

        在全球氣候變化和人類活動(dòng)干擾的綜合影響下,退化草地由于植物的生長(zhǎng)發(fā)育受到干擾進(jìn)而影響了植物對(duì)微量元素營(yíng)養(yǎng)的需求,導(dǎo)致退化草地植物中微量元素營(yíng)養(yǎng)含量的蓄積增加,即退化草地植物中微量元素營(yíng)養(yǎng)含量的蓄積既是草地退化的結(jié)果,也可能是草地退化的原因之一。一方面草地退化導(dǎo)致了草地植物中微量元素含量的蓄積增加,同時(shí),退化草地植物中微量元素含量的蓄積又引起退化草地的再退化,相互作用,相互影響,導(dǎo)致退化草地的退化速度加快,顯現(xiàn)出當(dāng)前退化草地生態(tài)系統(tǒng)“加速度”退化的真實(shí)景象。

        4 結(jié)論

        青海湖北岸退化草地較封育草地植物中銅、鋅、鐵、錳等微量元素的含量具有蓄積性,且與植物株高、蓋度和地上生物量之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系,既是草地退化的結(jié)果,也可能是草地退化的原因之一,也是對(duì)外界環(huán)境變化的一種“應(yīng)急”響應(yīng)。

        封育草地土壤中微量元素的含量具有蓄積性,是采取長(zhǎng)期封育措施后草地植物生產(chǎn)力提高和礦質(zhì)元素營(yíng)養(yǎng)生物地球化學(xué)循環(huán)的結(jié)果。草地土壤中微量元素是草地植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的主要營(yíng)養(yǎng)源。

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