周麗,張德罡,贠旭江,,董永平,王加亭,趙雅麗

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.農(nóng)業(yè)部全國畜牧總站，北京 100125；3.甘肅省天?？h草原站，甘肅 天祝 733299)

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退化高寒草甸植被與土壤特征

周麗1,張德罡1,贠旭江1,2,董永平2,王加亭2,趙雅麗3

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.農(nóng)業(yè)部全國畜牧總站，北京 100125；3.甘肅省天?？h草原站，甘肅 天祝 733299)

對甘肅省天?？h4個退化梯度高寒草甸的植被特征和土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著退化程度的加劇，草地地上生物量、植被高度、蓋度、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和土壤含水量都顯著降低(P<0.05)，重度退化草地土壤容重顯著升高(P<0.05)。草地植物群落發(fā)生明顯退化演替，矮生嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(K.capillifolia)和垂穗披堿草(Elymusnutans)的優(yōu)勢種地位被珠芽蓼(Polygonumviviparum)所替代，物種數(shù)由未退化樣地的19種減少到重度退化樣地的7種，退化指示類毒雜草生物量比例逐漸增加，由9.77%上升到62.93%。草地的退化程度會影響草地的植被特征和土壤養(yǎng)分特征，應(yīng)根據(jù)不同退化階段采取不同的恢復(fù)治理策略。

高寒草甸；草地退化；植被特征；土壤養(yǎng)分

近年來，由于人類不合理利用和不利自然因素的影響，我國草地逐年退化，進(jìn)一步造成草地生態(tài)環(huán)境惡化[1]。草地退化程度的加劇，會影響人類生活、環(huán)境質(zhì)量和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。如何合理利用草地、改善和治理草地退化是促進(jìn)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

天祝藏族自治縣是甘肅省重要的牧區(qū)之一，長期的畜牧業(yè)生產(chǎn)和不合理利用，使得天然草地退化嚴(yán)重[2]。草地退化是內(nèi)因和外因綜合作用的結(jié)果[3]，內(nèi)因是脆弱的生態(tài)環(huán)境，外因則是自然氣候因素和人類不合理的利用和干擾[4-7]。對天?？h高寒草甸植被和土壤特性的研究已有很多，大多認(rèn)為放牧強(qiáng)度影響植物群落和土壤養(yǎng)分特征的變化，對不同放牧強(qiáng)度下植被演替的結(jié)果都比較一致，隨放牧強(qiáng)度的增加，植物群落中入侵的毒雜草會替代莎草科和禾本科優(yōu)良牧草的優(yōu)勢種地位[8]，但是由于土壤生態(tài)系統(tǒng)本身的復(fù)雜性[9-10]，對土壤特性的研究結(jié)果不全一致，有研究發(fā)現(xiàn)隨放牧強(qiáng)度的加重，土壤有機(jī)碳、全氮、全磷等養(yǎng)分含量呈現(xiàn)降低趨勢[11-12]，也有研究發(fā)現(xiàn)，全氮含量呈先上升后下降趨勢[13]。因此，進(jìn)行土壤退化問題的研究是草地退化研究的一項非常重要的任務(wù)，尤其是從恢復(fù)生態(tài)學(xué)的層面，對不同退化梯度的草地植物群落和土壤養(yǎng)分特征進(jìn)行研究，有助于更深層次地發(fā)現(xiàn)草地生態(tài)系統(tǒng)實際受損狀況[14]，從而為恢復(fù)和重建退化草地生態(tài)系統(tǒng)提供具有針對性的方法與建議。

本研究采用空間分布代替時間演替的方法對甘肅天?？h4個不同退化梯度高寒草甸植被群落和土壤養(yǎng)分特征的變化進(jìn)行初步分析，以期揭示高寒草甸退化程度對植被和土壤特征的影響，為進(jìn)一步深入研究祁連山退化高寒草甸恢復(fù)和治理提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于甘肅省天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)，該區(qū)域地處烏鞘嶺、歪巴郎山、代乾山及馬牙雪山之間的金強(qiáng)河上游及其支流的狹長地帶[15]。海拔2 787～4 325 m，屬寒冷高原性氣候，年均氣溫-8～4 ℃，年日照時數(shù)2 500～2 700 h，平均降水量265～632 mm，相對無霜期90～140 d。土壤為高寒草甸土，草地群落以莎草科嵩草屬的線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮生嵩草(K.humilis)和蓼科蓼屬的珠芽蓼(Polygonumviviparum)為優(yōu)勢種，主要伴生種有翠雀(Delphiniumgrandiflorum)、烏頭(Aconitumcarmichaeli)、星狀鳳毛菊(Saussureajaponica)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、龍膽(Gentianascabra)、乳漿大戟(Euphorbiaesula)等。

參考各學(xué)者對于高寒草甸退化等級的研究方法[1,16]，通過對紅疙瘩、代乾、南泥溝和岔西灘4個村牧民的圍欄草地植被的實地調(diào)查，分別選取未退化(no degradation)、輕度退化(light degradation)、中度退化(moderate degradation)和重度退化(severe degradation)4個不同退化梯度的冬、春天然放牧草地為樣地。樣地基本情況如表1所示。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic condition of sampling sites

1.2 研究方法

野外調(diào)查于2014年8月進(jìn)行，沿金強(qiáng)河自西向東在已選取的4塊固定樣地中每1 km隨機(jī)設(shè)置一個樣區(qū)，每樣地共設(shè)置7個樣區(qū)，在每個樣區(qū)沿100 m樣線隨機(jī)設(shè)置5個1 m×1 m的樣方分別進(jìn)行地上生物量、植物群落組成、植被平均高度和蓋度的測定，每塊樣地共35個重復(fù)。同時，在樣方內(nèi)用土鉆采集0-30 cm土壤樣品帶回實驗室，測定含水量、全氮、全磷、有機(jī)碳、表層土壤容重。采用齊地面刈割法收獲地上生物量，稱重后將退化指示性植物分離出并稱重，土壤容重測定采用環(huán)刀法[16]，土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定[17]，土壤全磷含量采用鉬銻抗比色法測定[18]，土壤有機(jī)碳含量采用碳氮聯(lián)合分析儀測定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Excel 軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用SPSS19.0進(jìn)行單因素方差分析，比較不同退化梯度間各指標(biāo)的差異，數(shù)據(jù)以“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被特征

隨高寒草甸退化程度的加劇，植物群落組成發(fā)生明顯變化，物種豐富度降低，物種數(shù)由未退化樣地的19種減少為重度退化樣地的7種，草地植物群落發(fā)生退化演替，狼毒(Stellerachamaejasme)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)等雜類草逐漸入侵，莎草科矮生嵩草、線葉嵩草和禾本科垂穗披堿草(Elymusnutans)的優(yōu)勢種地位被珠芽蓼所替代。

隨著退化程度的加劇，高寒草甸植被總蓋度、植被高度、地上生物量均呈現(xiàn)下降趨勢，除輕度與中度退化草地的植被高度差異不顯著外(P>0.05)，其余4個退化梯度間均差異顯著(P<0.05)。其大小依次為未退化草地>輕度退化草地>中度退化草地>重度退化草地(表2)。退化指示性植物生物量比例呈上升趨勢，由未退化時的9.77%上升到重度退化時的62.93%。

2.2 土壤性質(zhì)變化

在0-30 cm土層范圍內(nèi)，隨著草地退化程度的加重，重度退化草地土壤容重達(dá)到最大值(1.19 g·cm-3)，是未退化草地的1.17倍，未退化草地土壤容重最小，為1.02 g·cm-3(表3)。

土壤含水量是影響土壤肥力的一個重要因素，它不但會影響土壤的性質(zhì)，還為一切植物的生長提供了基本生存條件。隨退化程度的加重，土壤含水量逐漸降低，未退化草地、輕度退化草地和中度退化草地均顯著高于重度退化草地(P<0.05)，未退化草地與輕度退化草地間無顯著差異(P>0.05)(表3)。

土壤有機(jī)碳作為土壤養(yǎng)分含量的重要指標(biāo)，其變化可以反映出草地土壤的退化狀況。草地土壤有機(jī)碳含量隨草地退化程度的加劇呈下降趨勢，重度退化草地最低，為27.92 g·kg-1，未退化草地最高，為73.83 g·kg-1。各退化梯度之間差異顯著(P<0.05)(表3)。

不同退化梯度間土壤全磷、全氮含量有所差異，輕度退化和中度退化草地間全氮含量差異不顯著(P>0.05)，未退化和輕度退化草地間全磷含量差異不顯著(P>0.05)，其它樣地間全氮和全磷含量均差異顯著(P<0.05)；與其它退化梯度相比，重度退化草地中土壤全氮、全磷含量最低，分別為0.70和0.56 g·kg-1；與未退化草地相比，輕度、中度和重度退化草地全氮含量分別下降了10.34%、12.64%和19.54%，全磷分別下降了6.38%、20.21%和40.43%。

表2 不同退化梯度高寒草甸的植被特征Table 2 Characteristics of vegetation in different degraded alpine meadow

注：不同小寫字母表示不同退化梯度間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：Different lower case letters within the same column mean significant difference among different alpine meadow at 0.05 level. The same below.

表3 不同退化梯度高寒草甸的土壤性質(zhì)Table 3 Properties of soil in different degraded alpine meadow

3 討論與結(jié)論

3.1 草地退化對植被的影響

隨著高寒草甸退化程度的加劇，草地植被蓋度、高度和地上生物量大體都呈現(xiàn)顯著下降的趨勢，草地植物群落發(fā)生退化演替，物種數(shù)減少，退化指示類毒雜草生物量比例逐漸增加，尤其在重度退化樣地，受植物生態(tài)生物學(xué)特性和動物采食行為的影響，家畜喜食的莎草科和禾本科牧草已很少見，說明草地的退化影響植物群落的多樣性和草地生產(chǎn)力，此結(jié)果與柳小妮等[20]、任青吉等[21]在甘肅省天?？h高寒草甸上的研究結(jié)果一致。

3.2 草地退化對土壤的影響

隨著高寒草甸退化程度的加劇，土壤退化特征表現(xiàn)為土壤含水量、有機(jī)碳、全氮、全磷含量均降低，土壤容重增大。土壤含水量逐漸減小，是因為受地上植被蓋度和生物量減小的影響，同時也受草地植物根系在生長旺季的影響[22]。土壤有機(jī)碳含量由有機(jī)物的輸入和輸出的平衡所決定[23]，地上植被蓋度降低，生產(chǎn)力下降，進(jìn)而土壤碳庫的碳輸入量減小，同時又促進(jìn)了土壤的呼吸作用，增加了土壤的碳輸出量，導(dǎo)致土壤碳儲量降低[24]。該研究中，草地在未退化向重度退化轉(zhuǎn)變的過程中，土壤有機(jī)碳含量下降幅度達(dá)62.18%，說明有機(jī)碳流失非常嚴(yán)重。土壤全氮和全磷含量的減少，一方面可能是地上植被蓋度較低，導(dǎo)致家畜過度啃食，將富集全氮和全磷的植物根系隨莖葉拔出土壤而導(dǎo)致氧分流失[25]，另一方面可能是草地退化的過程中，為了保證地上植物有充足的養(yǎng)分，土壤微生物活動增強(qiáng)，加快了土壤中全量養(yǎng)分的分解。土壤容重反映了土壤的松緊程度和孔隙狀況[26]，由于放牧強(qiáng)度的增加，牲畜對牧草的啃食量有所上升，地上植被數(shù)量減少，地表裸露程度增大，水分蒸發(fā)量增大，同時牲畜對土壤的不斷踐踏，使土壤更加緊實。該研究除了土壤全磷含量的逐漸減小外，其它結(jié)果與干友民等[27]、李鳳霞等[28]的研究結(jié)果一致。在其它研究[8，11，29]中也發(fā)現(xiàn)高寒草甸的退化演變過程中土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量均呈現(xiàn)減小的趨勢，重度退化樣地含量最低，與本研究結(jié)果一致。

草地退化梯度的不同會導(dǎo)致草地群落組成發(fā)生顯著變化，不僅減少了生物量，也引起了土壤性質(zhì)的明顯變化[30-31]。天?？h高寒草甸由未退化到重度退化的演替過程中，土壤物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，肥力不斷下降，草地自身生產(chǎn)力明顯降低，說明草地的退化程度會影響到草地的植被特征和土壤特征。植被退化是高寒草甸土壤退化的直接原因，而土壤退化也必然引起植被退化，植被退化和土壤退化相互作用、相互影響。由于土壤系統(tǒng)本身的特性復(fù)雜，使得土壤特性變化存在滯后效應(yīng)[32]，這種滯后效應(yīng)受放牧強(qiáng)度、持續(xù)時間、牲畜采食、踐踏、糞尿歸還、土壤微生物活動及凋落物分解等多因素的影響，最終導(dǎo)致土壤系統(tǒng)對草地退化的敏感性弱于植物系統(tǒng)，而土壤退化后恢復(fù)時間也要比植被恢復(fù)時間長。草地退化的可逆存在一定的閾限，因此，退化草地的恢復(fù)應(yīng)該建立在減輕草地超載放牧的基礎(chǔ)上，最好是在土壤系統(tǒng)崩潰之前就根據(jù)草地不同退化梯度下土壤養(yǎng)分狀況采取不同的恢復(fù)和治理策略[33]。

本研究分析探討了4個不同退化梯度下高寒草甸的植被和土壤的一些基本特征，揭示了高寒草甸退化過程中植被特征和土壤特性的變化，為進(jìn)一步深入研究植被退化和土壤退化機(jī)理以及恢復(fù)和治理退化草地提供一定的參考。

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(責(zé)任編輯 王芳)

The vegetation and soil characteristics of degraded alpine meadow

Zhou Li1, Zhang De-gang1, Yun Xu-jiang1,2, Dong Yong-ping2, Wang Jia-ting2, Zhao Ya-li3

(1.Pratacultural College, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;2.Ministry of Agriculture, National Animal Husbandry Service, Beijing 100125, China;3.Grassland Station of Tianzhu County, Tianzhu, Gansu 733299, China)

The study on characteristics of vegetation and soil nutritional features of alpine meadow under different degradation gradients were conducted in Tianzhu, Gansu Province. Results showed that the aboveground biomass, vegetation height, coverage, the soil organic carbon, total nitrogen, total phosphorus and soil water contents significantly decreased (P<0.05) along with the degrees of degradation. Soil bulk density in severe degradation significantly increased (P<0.05). Grassland community showed degraded succession significantly such as the dominant species ofKobresiahumilis,K.capillifolia, andElymusnutanswere replaced byPolygonumviviparum. The species number decreased from 19 to 7 and the degraded plants biomass fraction increased from 9.77% to 62.93%. The characteristics of vegetation and soil nutritional features could be affected by degradation degrees, so the relevant strategies for restoration should be provided based on degradation degrees.

alpine meadow; grassland degradation; vegetation characteristics; soil nutrients

Zhang De-gang Email：zhangdg@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0606

2015-11-10 接受日期：2016-03-21

全國畜牧總站項目“草地生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵產(chǎn)品與服務(wù)實物量測度研究”(2130111)

周麗(1990-),女，甘肅榆中人,在讀碩士生,研究方向為草地植物多樣性保護(hù)及利用。E-mail：zhouzhoulili19@163.com

張德罡(1963-)，男，甘肅武威人，教授，博士，研究方向為草地資源與生態(tài)。E-mail：zhangdg@gsau.edu.cn

S812.6+8

A

1001-0629(2016)11-2196-06*

周麗,張德罡,贠旭江,董永平,王加亭,趙雅麗.退化高寒草甸植被與土壤特征.草業(yè)科學(xué),2016,33(11)：2196-2201.

Zhou L,Zhang D G,Yun X J,Dong Y P,Wang J T,Zhao Y L.The vegetation and soil characteristics of degraded alpine meadow.Pratacultural Science，2016,33(11)：2196-2201.