阿依敏·波拉提，安沙舟，董乙強(qiáng)，張愛(ài)寧，楊 嬌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

巴音布魯克高寒草原不同退化階段土壤養(yǎng)分的變化

阿依敏·波拉提，安沙舟，董乙強(qiáng)，張愛(ài)寧，楊 嬌

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊830052)

【目的】研究巴音布魯克高寒草原退化草地土壤理化性狀、土壤養(yǎng)分特征，為退化草地合理利用提供理論依據(jù)?！痉椒ā坎捎贸Ｒ?guī)土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法，對(duì)巴音布魯克高寒草原退化草地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、土壤水分及容重等特征進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】隨著草地退化程度的加劇，土壤各層(0～30 cm)有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷、含水量均呈下降趨勢(shì);而容重和pH值呈增加趨勢(shì);與未退化草地相比，重度退化草地土壤各層(0～30 cm)有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和含水量分別降低了25.22%～31.96%、37.69%～48.44%、28.00%～30.24%、35.53%～52.47%、33.89%～44.84%和35.44%～57.62%;重度退化草地20～30 cm土層速效鉀含量顯著高于未退化草地，是未退化草地的1.96倍;全鉀含量對(duì)退化程度的響應(yīng)不明顯(P＞0.05)?！窘Y(jié)論】巴音布魯克高寒草原不同退化草地土壤養(yǎng)分含量明顯下降。

退化演替;高寒草原;土壤養(yǎng)分;有機(jī)碳;巴音布魯克

0 引言

【研究意義】我國(guó)擁有各種類(lèi)型的草地4×108hm2，是當(dāng)?shù)匕l(fā)展草食家畜的主要生產(chǎn)資料，廣大牧民的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)迄今為止仍然主要依賴(lài)于草地［1］。隨著人口的不斷增加和現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)文明的沖擊，草地生態(tài)系統(tǒng)遭遇到前所未有的破壞，其中90%以上的草地出現(xiàn)不同程度的退化［2］;從草地經(jīng)營(yíng)學(xué)角度而言的草地退化是指草地生產(chǎn)力降低、質(zhì)量下降和生境變劣等，這一切都是不利于草地生產(chǎn)的過(guò)程［3］。高寒草原是高寒、干旱條件下由耐寒的多年生旱生草本植物構(gòu)成的草地生態(tài)系統(tǒng)，是我國(guó)面積最大的一個(gè)草地類(lèi)型。然而，在全球氣候變化，特別是在人類(lèi)活動(dòng)日益頻繁的背景下，高寒草原已遭到不同程度的干擾和破壞［4］。巴音布魯克草原位于開(kāi)都河源流區(qū)，擁有高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原、山地草甸和沼澤化高寒草甸等草地類(lèi)型，這些草地不僅是該地區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)在涵養(yǎng)水源、保持水土等方面起著重要作用，也對(duì)整個(gè)塔里木河流域的生態(tài)安全和新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到舉足輕重的作用。然而由于自然條件和經(jīng)營(yíng)管理問(wèn)題，巴音布魯克草原退化極其嚴(yán)重，退化草地占可利用草地的49.2%［5］，超載放牧導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)草地退化、土壤沙化、害草蔓延等一系列的生態(tài)問(wèn)題［6］。土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)中生命活動(dòng)的主要場(chǎng)所，對(duì)草地植被的生長(zhǎng)發(fā)育起著極其重要的作用，土壤養(yǎng)分含量直接影響到草地植被的恢復(fù)生長(zhǎng)和演替，而其物理性狀是反映土壤質(zhì)量的主要參數(shù)和重要組成部分［7－8］。因此，對(duì)退化草地土壤理化性質(zhì)的監(jiān)測(cè)，可以更加深入地理解草地退化和恢復(fù)程度?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近年來(lái)針對(duì)退化草地的土壤養(yǎng)分影響，開(kāi)展了大量研究。如周翰舒等［9］研究表明，隨著草地的退化，土壤有效磷和微生物數(shù)量有所降低;字洪標(biāo)等［10］研究表明，不同退化演替過(guò)程中的高寒草甸土壤理化性質(zhì)分布格局發(fā)生變化，土壤容重隨土層深度的增加而增大，而土壤含水量則隨土層的加深而顯著降低，土壤總氮、全磷、速效磷、速效鉀隨土層深度的增加而顯著降低;王彩虹等［11］研究發(fā)現(xiàn)，不同退化階段的伊犁絹蒿荒漠草地土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著草地退化的加劇而增加?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以最具典型性的巴音布魯克草原中的高寒草原類(lèi)型為研究對(duì)象，在不同退化演替過(guò)程中，對(duì)土壤理化性狀、土壤養(yǎng)分等特征進(jìn)行分析，尋找不同退化過(guò)程中巴音布魯克高寒草原土壤養(yǎng)分成分的變化規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】巴音布魯克高寒草原草地退化后，判斷不同退化階段草地與土壤養(yǎng)分的關(guān)系，為草地改良和生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究選取新疆地區(qū)具有代表性的高寒草原—巴音布魯克草原，該地段位于和靜縣境內(nèi)，由小尤爾都斯盆地和大尤爾都斯盆地組成，位于42°40'～43°10'N，83°10'～85°50'E，平均海拔2 502 m。多年平均降水量280.5 mm，年均氣溫－4.2℃，全年積雪日數(shù)137 d，屬典型的高寒氣候。土壤類(lèi)型為亞高山草原土。研究區(qū)為典型紫花針茅(Stipa purpurea)+羊茅(Festuca ovina)的高寒草原類(lèi)型，草地群落種類(lèi)較豐富，群落總蓋度約50%，主要物種有紫花針茅、羊茅、冰草(Agropyron cristatum)、溚草(Koeleria cristata)、天山賴(lài)草(Leymus tianschanicus)、絹毛委陵菜(Potentilla sericea)、點(diǎn)地梅(Androsace sp.)等。其中紫花針茅為群落的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。

1.2 方法

1.2.1 樣地選取

研究采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)草地退化4級(jí)梯度標(biāo)準(zhǔn)［12］，將研究區(qū)草地劃分為4個(gè)演替階段:未退化(ND)、輕度退化(LD)、中度退化(MD)和重度退化(HD)，并在4個(gè)演替階段草地上，設(shè)置22個(gè)樣地，每個(gè)樣地選取三個(gè)1 m×1 m的樣方取樣，樣地間距大于5 km(取樣合計(jì)108個(gè)小樣方)。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

于2015年8月進(jìn)行野外土壤樣品的采集。在每個(gè)樣地中記錄植被的物種，并測(cè)定其高度、蓋度、地上生物量等;同時(shí)，在草地植被樣方測(cè)定的基礎(chǔ)上，在每個(gè)樣方內(nèi)用環(huán)刀分別取0～10、10～20和20～30 cm的土樣，并將同一樣點(diǎn)同一層次土壤混合成一個(gè)混合樣，用于土壤容重及含水量的測(cè)定，重復(fù)5次。即每土鉆隨機(jī)取樣5個(gè)鉆，取樣深度為0～30 cm，將5鉆土混合成一個(gè)樣，用布袋封裝并帶回實(shí)驗(yàn)室。形成混合樣后用布袋封裝并帶回實(shí)驗(yàn)室后，撿出較大的植物根系或殘?bào)w、石礫等雜物后自然風(fēng)干，然后將每個(gè)土樣磨碎后均勻混合，一部分過(guò)1 mm篩，用于測(cè)定速效鉀、速效磷、堿解氮、pH值;另一部分過(guò)0.25 mm篩，用于有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀的測(cè)定。其中，土壤pH使用酸度計(jì)測(cè)定法(水土比為2.5∶1);土壤含水量采用80℃，48 h烘干稱(chēng)重法;土壤容重采用環(huán)刀法。土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀含量依次采用重鉻酸鉀外加熱法、奈氏比色法、HClO4－H2SO4熔融－鉬銻抗比色法、HClO4－H2SO4熔融火焰光度計(jì)法、堿解擴(kuò)散法、Olsen法，NH4OAC浸提火焰光度法進(jìn)行測(cè)定［13］。表1

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010數(shù)據(jù)處理軟件及SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件并采用Origin 8.0軟件繪圖。通過(guò)單因素方差分析比較不同退化程度草地土壤有機(jī)碳、全量養(yǎng)分、速效養(yǎng)分、pH及土壤含水量和容重的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 草地不同退化程度對(duì)土壤有機(jī)碳和全量養(yǎng)分的影響

研究表明，0～30 cm土壤各指標(biāo)對(duì)草地不同退化程度的響應(yīng)不同。隨退化程度的加劇，土壤有機(jī)碳在0～30 cm基本呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)，且在重度退化下降至最低，比未退化草地顯著降低31.96%，27.34%，25.22%(P＜0.05);輕度與中度退化間差異不明顯(P＞0.05)。與土壤有機(jī)碳一樣，隨不同退化程度的加劇，土壤全氮、全磷在0～30 cm基本呈下降變化，且在重度退化下降至最低，重度退化較未退化分別顯著降低了37.69%～48.44%、28.00%～30.24%(P＜0.05)。全鉀含量對(duì)草地退化響應(yīng)不明顯(P＞0.05)。表2

表1 樣地概況Table1 Survey of sample plots

表2 不同退化階段土壤有機(jī)碳、全量氮磷鉀含量變化Table2 The changes of soil organic C，total N，P，K under different degraded stages

2.2 草地不同退化程度對(duì)土壤速效養(yǎng)分的影響

研究表明，0～30 cm各土層堿解氮隨草地不同退化程度的加劇呈下降變化，且在重度退化后達(dá)到最低，較未退化降低36.53%、41.30%、52.47%。輕度與中度退化間差異不明顯(P＞ 0.05)。與土壤堿解氮一樣，土壤全磷表現(xiàn)為未退化＞輕度退化＞中度退化＞重度退化，與未退化比，重度退化以后0～30 cm土層速效磷含量顯著降低了34.43%、44.84%、33.89%。輕度與中度退化間差異不明顯(P＞0.05)。對(duì)于土壤速效鉀而言，0～10、0～20 cm土層速效鉀含量均隨退化程度的加劇呈下降趨勢(shì)，與未退化比，重度退化后依次降低37.15%、49.98%、 96.82%。在重度退化過(guò)程中20～30 cm土層速效鉀含量要顯著高于未退化(P＜0.05)，是未退化的1.96倍。圖1

圖1 不同退化階段土壤速效養(yǎng)分含量變化特征Fig.1 The changes of soil available nutrient under different degraded stagess

2.3 草地不同退化程度對(duì)土壤含水量、容重、pH的影響

隨不同退化程度的加劇，0～30 cm各土層含水量基本呈逐漸下降趨勢(shì)，且在重度退化下降至最低，比未退化顯著降低35.44%、44.64%、57.62%。輕度與中度退化間差異不明顯(P＞0.05)。表明隨著退化程度的加劇，土壤的保水能力也隨著下降。容重及pH呈一定的增加趨勢(shì)，與未退化比，重度退化以后0～30 cm土壤容重增加55.56%、100%、163.63%。不同退化過(guò)程中0～30 cm土層pH為7.17～7.97，比未退化顯著降低5.16%、4.86%、5.42%，出現(xiàn)了土壤堿漬化趨勢(shì)。表3

3 討論

3.1 土壤有機(jī)碳和全量養(yǎng)分對(duì)不同退化階段的響應(yīng)規(guī)律

隨著草地退化面積的增大和退化程度的加劇，草地健康狀況的監(jiān)測(cè)工作日益受到重視。目前，選擇哪些指標(biāo)作為監(jiān)測(cè)草地退化的依據(jù)成為研究的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著高寒草原草地退化程度的加劇，不同退化程度下0～30 cm各土層之間，土壤有機(jī)碳含量呈逐漸下降趨勢(shì)(P＜0.05)。表明隨著退化程度的加劇，草地群落生產(chǎn)力降低，群落固碳能力下降，從而減少了土壤碳庫(kù)的碳輸入量。這與伍星［14］、馬維偉［15］、王長(zhǎng)庭［16］等隨草地退化程度的加劇土壤有機(jī)碳顯著下降的結(jié)果一致。研究還顯示隨著草地退化程度的加重，土壤全氮、全磷均呈下降趨勢(shì)，表明隨著退化程度的加劇，家畜的踐踏和踩食的干擾，也不斷消耗了土壤養(yǎng)分，并且植被的退化也增加了地表土壤的風(fēng)蝕，以及地表凋落物較少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化為有機(jī)物質(zhì)的量相對(duì)較低，因此全氮和全磷含量就隨著減少。這與羅亞勇［17］、李丹等［18］隨著高寒草甸的退化，不同土層土壤的全氮、全磷均呈降低趨勢(shì)的結(jié)果一致。研究結(jié)果還表明，不同退化程度草地間土壤全鉀含量無(wú)顯著差異，在輕度、中度、重度退化草地土壤全鉀含量沒(méi)有發(fā)生劇烈變化，與前人［19］不同退化程度草甸草原土壤理化性質(zhì)與地上生物量關(guān)系研究結(jié)果不一致。原因可能是不同退化階段加劇，但是不同土層土壤養(yǎng)分的消耗和積累達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)平衡，再加上土壤退化滯后于植被的退化，有時(shí)植被退化到重度退化程度而土壤還保持較好的性狀。

3.2 土壤速效養(yǎng)分對(duì)不同退化階段的響應(yīng)規(guī)律

土壤速效養(yǎng)分的變化也是高寒地區(qū)土壤發(fā)育的重要前提，土壤速效養(yǎng)分的含量和它們的相關(guān)關(guān)系對(duì)植物的分布類(lèi)型，蓋度多度以及生長(zhǎng)狀況起著決定性作用。研究表明，土壤中堿解氮和速效磷含量隨著高寒草甸退化程度的加劇呈下降趨勢(shì)，這與趙自穩(wěn)等［20］在山地草甸退化使土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量有所下降，并且對(duì)表層土的影響要大于深層土研究結(jié)果相一致。但與前人［21－22］高寒草甸不同退化梯度草地土壤養(yǎng)分變化研究結(jié)果不一致;與陳濤等［23］隨著退化程度的增加，那曲地區(qū)草地土壤的堿解氮、有效磷含量逐漸降低，有效鉀含量先升后降結(jié)果部分一致。原因可能是隨著退化程度的加劇，放牧家畜的減少，踐踏作用的減弱，導(dǎo)致了凋落物粉粹后進(jìn)入土壤，從而就阻止了有機(jī)質(zhì)的循環(huán)，再加上放牧家畜排泄物的減少都引起了土壤堿解氮和速效磷含量的的降低。研究還表明，與未退化草地相比，輕度退化、中度退化和重度退化下草地0～10和10～20 cm速效鉀含量顯著降低，然而，重度退化草地速效鉀含量在20～30 cm土層有一定程度升高趨勢(shì)。這與張生楹等［24］東祁連山不同退化程度高寒草甸土壤養(yǎng)分特征研究結(jié)果不一致。原因可能是有些植物種類(lèi)和組成有關(guān)，如羊茅等禾草類(lèi)植物較多，而這些植物的根系多而密，從而加速了有機(jī)質(zhì)的循環(huán)，就導(dǎo)致了速效磷含量較高。

3.3 土壤物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)對(duì)不同退化階段的響應(yīng)規(guī)律

土壤含水量，容重和pH是土壤質(zhì)量的重要參數(shù)。研究結(jié)果表明，隨著草地退化程度的加劇，土壤含水量逐漸降低，土壤容重和pH值增大，研究結(jié)果與前人研究結(jié)論表現(xiàn)出一致性，如林璐等［25］對(duì)呼倫貝爾典型退化草原土壤理化性質(zhì)與微生物性狀的研究發(fā)現(xiàn)隨著退化程度的加劇，土壤水分顯著下降，土壤容重顯著增加;秦嘉海等［26］在祁連山黑河上游不同退化草地土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律研究中指出隨土壤退化程度的加劇土壤pH值明顯增大。如魏衛(wèi)東等［27］研究結(jié)果也顯示土壤容重和pH值隨高寒草地退化程度的加劇和土壤深度的增加而增大。以上表明隨著退化程度的加劇，群落蓋度降低，對(duì)土壤的覆蓋度減少，導(dǎo)致地表蒸發(fā)量較大，土壤含水量就會(huì)減少?gòu)亩簿蜁?huì)出現(xiàn)堿漬化趨勢(shì)。而且家畜對(duì)草地土壤的踐踏和踩食的影響，孔隙度減少，再加上地上生物量的減少，導(dǎo)致植被根系也隨著減少，從而就會(huì)出現(xiàn)土壤容重的增大。

4 結(jié)論

4.1 隨著草地退化程度的加劇，土壤0～30 cm各土層有機(jī)碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

4.2 與未退化草地相比，重度退化草地20～30 cm土層速效鉀含量有一定的上升趨勢(shì);全鉀對(duì)不同退化程度響應(yīng)不明顯。

4.3 隨著草地退化程度的加劇，土壤含水量呈下降趨勢(shì)，而容重和pH呈增加趨勢(shì)。

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Changes of Soil Nutrients in Different Degradation Stages of Alpine Steppe in Bayanbulak

Ayimin Bolati，AN Sha－zhou，DONG Yi－qiang，ZHANG Ai－ning，YANG Jiao
(ollege of Pratacultural and Environmental Sciences/Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China)

【Objective】This project aims to study the soil physicochemical properties of degraded alpine grassland and soil nutrient characteristics in Bayinbuluk in the hope of providing a theoretical basis for rational utilization of grassland degradation.【Method】Using conventional soil physical and chemical detection method to analyze soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，total potassium，alkali－h(huán)ydrolyzable nitrogen，available phosphorus，available potassium，pH，soil moisture and bulk density index in Bayanbulak degraded grassland.【Result】With degradation degree aggravated，the contents of soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，available phosphorus and soil water content in the different layers of soil(0－30 cm)declined，but soil bulk density and pH showed a trend of increase.Compared with non degraded areas，the content of soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，alkali－h(huán)ydrolyzable nitrogen，available phosphorus and soil water decreased between 25.22%－31.96%，37.69%－48.44%，28.00%－28.98%，35.53%－52.47%，33.89%－44.84%and 35.44%－57.62%in each soil layer(0－30 cm).The available potassium in the soil layer of 20－30 cm increased remarkably after heavy degradation，which was 1.96 times higher than that of the non degraded land.Total K content showed no significant difference(P＞0.05).【Conclusion】Soil nutrient contents decreased significantly in different alpine grasslands in Bayanbulak.

degenerated succession;alpine steppe;soil nutrition;organic carbon;Bayanbulak

AN Sha－zhou(1956－)，native place:Fuping，Shaanxi.Professor，DAG;research field:grassland resource and ecology.(Email)xjasz@126.com

S14

A

1001－4330(2017)05－0953－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.021

2017－04－13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“巴音布魯克高寒濕地CO2和CH4排放對(duì)水分變化的響應(yīng)(41305136)”

阿依敏·波拉提(1993－)，女，新疆塔城人，碩士研究生，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)，(E－mail)1120637302@qq.com

安沙舟(1956－)，陜西富平人，教授，博士，研究方向?yàn)椴莸刭Y源與生態(tài)，(E－mail)xjasz@126.com

Supported by:The National Natural Science Foundation of China"Response to Moisture Change of CO2and CH4Emission in Bayanbulak Alpine Wetland"(41305136)