劉 彤，毛 亮，龐曉攀，金少紅，張 靜，郭正剛

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草業(yè)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))，甘肅 蘭州 730020)

前植物生產(chǎn)層

青藏高原高寒草原區(qū)工程跡地面積對(duì)其恢復(fù)過程中土壤水分和養(yǎng)分含量變化的影響

劉 彤，毛 亮，龐曉攀，金少紅，張 靜，郭正剛

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草業(yè)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))，甘肅 蘭州 730020)

工程跡地面積嚴(yán)重影響著青藏高原受損天然草原的恢復(fù)程度。本研究測(cè)定了歷經(jīng)18年恢復(fù)期的不同面積的工程跡地(55、156、254、583 m2)的土壤水分、有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，以工程跡地附近的青藏苔草(Carexmoorcroftii)+紫花針茅(Stipapurpurea)天然草原作為對(duì)照，揭示工程跡地面積對(duì)土壤持水力、養(yǎng)分潛力和養(yǎng)分供給能力恢復(fù)程度的影響。結(jié)果表明，工程跡地面積小于254 m2時(shí)，0-20 cm土層土壤含水量與天然草原土壤差異不顯著(Pgt;0.05)，但當(dāng)其增至583 m2時(shí)，土壤含水量卻顯著低于天然草原(Plt;0.05)；工程跡地面積小于254 m2時(shí)，0-10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著高于天然草原，10-20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量卻顯著低于天然草原，但它們均顯著高于工程跡地面積為583 m2時(shí)的土壤有機(jī)質(zhì)含量(Plt;0.05)；工程跡地為55 m2時(shí)，其土壤全氮含量和天然草原差異不顯著(Pgt;0.05)，但當(dāng)跡地面積大于156 m2時(shí)，土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著低于天然草原(Plt;0.05)，且隨工程跡地面積增加，降低幅度逐漸增加；0-10 cm土層全磷含量隨工程跡地面積增加先增加后降低(Plt;0.05)，在156和254 m2時(shí)較高；土壤速效磷含量卻先降低后增加，在156和254 m2時(shí)較低。土壤全鉀和速效鉀含量隨工程跡地面積增加先升高后降低，均以254 m2時(shí)最大，當(dāng)工程跡地面積大于254 m2時(shí)，土壤全鉀和速效鉀含量低于天然草原，當(dāng)其小于254 m2時(shí)土壤全鉀和速效鉀含量高于天然草原。土壤含水量、養(yǎng)分潛質(zhì)和養(yǎng)分含量對(duì)工程跡地面積響應(yīng)的結(jié)果表明，工程跡地面積小于254 m2時(shí)土壤持水量、養(yǎng)分潛力和養(yǎng)分供給力基本得到恢復(fù)。

工程跡地面積；土壤含水量；土壤有機(jī)質(zhì)；土壤養(yǎng)分含量；高寒草原

高寒草原是青藏高原高寒植被的主要組分，肩負(fù)著當(dāng)?shù)厥澄锇踩腿珖?guó)生態(tài)安全的屏障的重任[1-2]，然而人為的外部擾動(dòng)往往造成高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的變化[3-4]。如鐵路建設(shè)、公路修繕、高壓線架設(shè)等人類工程穿越青藏高原高寒草原時(shí)，總會(huì)突然性地破壞地表植被，形成面積大小不等的工程跡地[5]，這些跡地上地表植被夏季隔熱和冬季保溫功效驟減，區(qū)域內(nèi)水循環(huán)途徑改變[6]，從而迫使高寒草原生態(tài)系統(tǒng)退化，因此工程跡地恢復(fù)是青藏高原退化高寒草原恢復(fù)的重要組成部分[7-8]。工程跡地在土壤種子庫(kù)和植物無(wú)性繁殖體的作用下具有一定的自然恢復(fù)能力，但其自然恢復(fù)能力受控于工程跡地面積大小和恢復(fù)時(shí)間[9]。毛亮等[10]證實(shí)了高寒草原植被系統(tǒng)的恢復(fù)能力隨著工程跡地面積增加而減小。Julie等[11]認(rèn)為土壤對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育、功能群形成和植物群落演替起導(dǎo)向作用，因此，青藏高原高寒草原區(qū)工程跡地土壤功能的修復(fù)是工程跡地恢復(fù)的基礎(chǔ)組分。

土壤是植物健康生長(zhǎng)的養(yǎng)分庫(kù)，也是植物所需水分的主要供給源[12]。工程跡地內(nèi)表層土壤被突然壓緊或破壞之后，其物理性質(zhì)發(fā)生顯著變化，這種變化不僅影響著土壤儲(chǔ)水量，而且影響著土壤微生物活性，從而改變土壤養(yǎng)分形成和積累過程[13]。馬世震等[14]指出青藏公路沿線高寒草原區(qū)取土場(chǎng)自然恢復(fù)進(jìn)程與取土場(chǎng)面積的大小密切相關(guān)，這與不同面積工程跡地內(nèi)土壤供給植物水分和養(yǎng)分的能力存在分異有關(guān)。如采礦跡地表層土壤粗糲化，導(dǎo)致其持水性差，養(yǎng)分易流失，而水分和養(yǎng)分的損耗量與采礦跡地范圍具有一定的關(guān)聯(lián)性[15]。因此，工程跡地面積過大、無(wú)法自然恢復(fù)時(shí)，往往成為風(fēng)蝕和水蝕的起源點(diǎn)[16-17]。研究表明，青藏高原高寒草原區(qū)公路跡地已恢復(fù)的植物群落，土壤表層粒度大于0.5 mm的粗礫和礫石含量是天然草原的12.3%，有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別為天然草原土壤的91.3%和89.2%[18]，然而，目前關(guān)于工程跡地土壤養(yǎng)分積累和物理性質(zhì)改善的研究均以地表已經(jīng)擁有恢復(fù)植物群落的地段為基礎(chǔ)，忽略了相同地段因面積較大而經(jīng)歷相同時(shí)期后，地表至今仍沒有恢復(fù)植物群落的地段，因此，研究工程跡地面積大小對(duì)其土壤養(yǎng)分和水分修復(fù)的影響，對(duì)全面揭示工程跡地土壤恢復(fù)過程具有重要的意義。本研究通過分析經(jīng)歷相同恢復(fù)時(shí)間后，工程跡地不同面積對(duì)土壤水分、養(yǎng)分潛力和養(yǎng)分的影響，全面揭示青藏高原高寒草原區(qū)工程跡地土壤在自然恢復(fù)過程中的修復(fù)能力，為合理控制施工面積、降低工程跡地修復(fù)成本提供科學(xué)參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

研究地區(qū)位于青藏高原腹地沱沱地區(qū)，即青藏公路沱沱河向北20 km的地區(qū)，地理坐標(biāo)為92°37′ E，34°22′ N，海拔4 550～4 560 m，高原大陸性氣候，全年冰凍期為331 d，無(wú)霜期9～50 d；年內(nèi)平均氣溫在-4.2 ℃左右，最低氣溫-14.8 ℃，最高氣溫為6.7 ℃；年平均降水量275.92 mm，夏季和冬季降水量分別占全年降水的70%和8%[19]。植被類型是高寒草原，優(yōu)勢(shì)種為青藏苔草(Carexmoorcroftii)和紫花針茅(Stipapurpurea)，常見伴生種有草地早熟禾(Poapratensis)、短穗兔耳草(Lagotisbrachystachya)和矮火絨草(Leontopodiumnanum)等。土壤類型為高山草原土，表層沙礫化，質(zhì)地為沙壤[5]。

1.2研究方法

1.2.1樣地設(shè)置 工程跡地選在1994年擴(kuò)建和修繕青藏公路時(shí)路基周邊，未修筑公路之前是青藏苔草+紫花針茅草原，修建公路時(shí)遺留了很多面積大小不一的工程跡地。為避免取土深度和工程跡地性狀的影響，選擇跡地板塊時(shí)設(shè)置兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：跡地形狀基本為常見的長(zhǎng)方形，跡地深度不能超過20 cm。首先，在300 m×2 000 m的范圍內(nèi)實(shí)測(cè)了56個(gè)面積大小不一的工程跡地，各個(gè)跡地面積通過分割法求得，調(diào)查了各個(gè)跡地內(nèi)恢復(fù)群落的優(yōu)勢(shì)種頻度、高度和蓋度。然后，以優(yōu)勢(shì)種頻度、群落高度和蓋度作為變量，對(duì)56個(gè)工程跡地進(jìn)行聚類，結(jié)果表明，56個(gè)工程跡地可劃分為4個(gè)類群，4個(gè)類群工程跡地面積的平均值分別為55、156、254和583 m2。根據(jù)4個(gè)類群工程跡地面積平均值設(shè)置樣地，工程跡地面積梯度分別為(55±10)、(156±20)、(254±30)和(583±40) m2，形成4個(gè)面積梯度處理，最后在56個(gè)樣地內(nèi)每個(gè)面積處理梯度中隨機(jī)選取樣地3個(gè)，作為樣地重復(fù)，每個(gè)梯度內(nèi)面積和周長(zhǎng)最大限度地保持接近[10](表1)；在靠近工程跡地最近的青藏苔草+紫花針茅天然草原布設(shè)3個(gè)10 m×10 m的樣地，作為對(duì)照；共計(jì)15個(gè)樣地，各樣地的海拔、坡向、地表基況基本保持一致。

表1 12個(gè)工程跡地樣地的周邊和面積

每個(gè)樣地內(nèi)沿“S”形曲線選取10個(gè)采樣點(diǎn)測(cè)定土壤水分，高寒草原區(qū)植物根系活動(dòng)受凍土的影響，根〗系集中分布在0-20 cm土層，所以土壤水分測(cè)定范圍為0-20 cm，采用TDR儀測(cè)定。在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線布設(shè)15個(gè)土壤養(yǎng)分取樣點(diǎn)，利用內(nèi)徑為3.5 cm的土鉆，分別收集0-10和10-20 cm兩個(gè)土層土樣，每個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)取樣5鉆，將3個(gè)取樣點(diǎn)的土壤充分混合，作為一個(gè)樣品處理，每個(gè)樣地內(nèi)每層土壤樣品為5個(gè)，然后采用自封袋將其帶回實(shí)驗(yàn)室分析養(yǎng)分。共計(jì)每層土壤采集供試土壤樣品75個(gè)，野外調(diào)查于2012年8月進(jìn)行。

1.2.2土壤樣品分析方法 根據(jù)土壤分析的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]，土壤有機(jī)質(zhì)用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測(cè)定，土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤全磷利用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤速效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀用NaOH熔融-火焰光度計(jì)法測(cè)定，土壤速效鉀用NH4Ac-火焰光度法測(cè)定。硝態(tài)氮和銨態(tài)氮用FIASTAR 5000連續(xù)性流動(dòng)分析儀(瑞典FOSS公司生產(chǎn))測(cè)定。

1.3數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行對(duì)青藏高原工程跡地的土壤水分、有機(jī)質(zhì)、全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷、全磷、速效鉀、全鉀含量進(jìn)行One way-ANOVA方差分析，若差異顯著，采用LSD進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果

2.1工程跡地面積對(duì)土壤含水量的影響

自然恢復(fù)18年后，工程跡地面積對(duì)土壤含水量的恢復(fù)具有明顯的影響，整體表現(xiàn)為隨工程跡地面積增加，土壤含水量下降(圖1)。當(dāng)工程跡地面積≤254 m2時(shí)，各個(gè)工程跡地面積內(nèi)土壤含水量與對(duì)照差異不顯著(Pgt;0.05)，這說明工程跡地面積不超過254 m2時(shí)，土壤含水量已經(jīng)得到恢復(fù)，但工程跡地面積擴(kuò)大到583 m2時(shí)，其土壤水分含量顯著低于天然草原和工程跡地面積為55 m2時(shí)的土壤含水量(Plt;0.05)，但與工程跡地面積為156和254 m2的土壤含水量差異不顯著；這表明青藏高原高寒草原區(qū)，工程跡地面積大小影響了土壤含水量的恢復(fù)程度，工程跡地的面積在254 m2及以下時(shí)，土壤水分能夠得到有效恢復(fù)。

圖1 青藏高原高寒草原區(qū)不同面積工程跡地自然恢復(fù)18年后的土壤含水量

注：不同小寫字母表示差異顯著(Plt;0.05)。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level.

2.2工程跡地面積對(duì)土壤養(yǎng)分潛力的影響

天然草地和工程跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量垂直格局存在分異(圖2)，工程跡地內(nèi)0-10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量高于10-20 cm土層，但天然草地內(nèi)有機(jī)質(zhì)含量卻表現(xiàn)為0-10 cm土層低于10-20 cm土層。當(dāng)工程跡地面積小于254 m2時(shí)，其0-10 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于天然草原土壤有機(jī)質(zhì)含量，10-20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著低于天然草原土壤有機(jī)質(zhì)含量(Plt;0.05)，0-10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量隨著工程跡地面積增加逐漸減少，而0-20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量雖然整體趨同于0-10 cm，但55和156 m2間差異不顯著(Pgt;0.05)。當(dāng)工程跡地面積達(dá)583 m2時(shí)，0-10和10-20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均顯著低于天然草原所對(duì)應(yīng)土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量(Plt;0.05)，說明不同工程跡地面積土壤有機(jī)質(zhì)含量恢復(fù)過程存在明顯的分異性，當(dāng)工程跡地面積小于254 m2時(shí)其0-10 cm有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)達(dá)到天然草原水平，同時(shí)也說明工程跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量恢復(fù)存在先表層后深層的現(xiàn)象。

圖2 青藏高原高寒草原區(qū)不同面積工程跡地自然恢復(fù)18年后的土壤有機(jī)質(zhì)含量

注：不同小寫字母表示同一土層不同面積間差異顯著(Plt;0.05)。圖3、圖4同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference among different areas for the same soil layer at the 0.05 level; similarly for Fig. 3 and Fig. 4.

2.3工程跡地面積對(duì)土壤氮素含量的影響

工程跡地面積為55 m2時(shí)，0-10 cm土層的土壤全氮含量與天然草原0-10 cm土層土壤全氮含量差異不顯著(Pgt;0.05)(表2)，而其余面積工程跡地的土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著低于天然草原土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(Plt;0.05)。不同面積工程跡地內(nèi)，0-10和10-20 cm土層土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均隨工程跡地面積增加呈降低趨勢(shì)，工程跡地面積為583 m2時(shí)，其土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著低于其他面積的工程跡地土壤全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。當(dāng)工程跡地面積小于254 m2時(shí)，0-10 cm土層土壤全氮和硝態(tài)氮含量低于10-20 cm土層土壤全氮和硝態(tài)氮含量，其與天然草原土壤分布格局一致，即全氮和硝態(tài)氮主要富集于0-10 cm土層；當(dāng)工程跡地面積達(dá)583 m2時(shí)，卻表現(xiàn)為0-10 cm土層土壤全氮和銨態(tài)氮含量高于10-20 cm土層土壤全氮含量。0-10 cm土層土壤銨態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于10-20 cm土層土壤銨態(tài)氮含量，與硝態(tài)氮含量垂直分布格局不一致，這主要與兩種氮素的特性有關(guān)。

2.4工程跡地面積對(duì)土壤磷含量的影響

工程跡地面積對(duì)不同土層土壤全磷和速效磷含量的影響存在一定的分異性(圖3)。隨著工程跡地面積增加，0-10 cm土層土壤全磷含量先顯著增加后顯著降低(Plt;0.05)，在156 m2時(shí)最高，而對(duì)10-20 cm土層土壤全磷含量無(wú)顯著影響(Pgt;0.05)(圖3)。土壤速效磷含量卻隨著工程跡地面積增加表現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢(shì)，在254 m2時(shí)最低(圖3)。工程跡地面積為55 m2時(shí)，土壤全磷含量和天然草原垂直分布一樣，表現(xiàn)為0-10和10-20 cm差異不大；當(dāng)工程跡地面積為156和254 m2時(shí)，0-10 cm層土壤全磷含量高于10-20 cm層土壤全磷含量；但當(dāng)工程跡地面積為583 m2時(shí)，則表現(xiàn)0-10 cm層土壤全磷含量低于10-20 cm層土壤全磷含量。速效磷含量垂直分布格局從天然草原到工程跡地表現(xiàn)一致，均為0-10 cm土層大于10-20 cm土層，這說明全磷和速效磷含量恢復(fù)對(duì)工程跡地面積的響應(yīng)不一樣，全磷在工程跡地面積為254 m2時(shí)基本得到恢復(fù)，但速效磷含量卻降低到最低。

表2 青藏高原高寒草原區(qū)不同面積工程跡地中土壤氮素含量變化

注：同列不同小寫字母表示同一土層不同工程跡地面積間差異顯著(Plt;0.05)。

Note: Different lowercase letters within the same column for the same soil layer indicate significant difference among the sites used for engineering construction at the 0.05 level.

圖3 青藏高原高寒草原區(qū)不同面積工程跡地自然恢復(fù)18年后的土壤全磷和速效磷含量

2.5工程跡地面積對(duì)土壤鉀素含量的影響

從天然草原到工程跡地，0-10和10-20 cm土層中土壤全鉀和速效鉀含量整體表現(xiàn)為先升高后降低的變化趨勢(shì)，且均以面積為254 m2的工程跡地最高(圖4)，但在工程跡地面積從156 m2增至583 m2的過程中，全鉀含量差異不顯著(Pgt;0.05)，而速效鉀含量卻表現(xiàn)為顯著增加然后顯著降低(Plt;0.05)。天然草原和工程跡地面積為55 m2時(shí)，0-10和10-20 cm土層的土壤全鉀和速效鉀含量接近，但當(dāng)工程跡地面積超過156 m2時(shí)，0-10 cm土層全鉀含量明顯低于10-20 cm土層全鉀含量，而0-10 cm土層速效鉀含量明顯高于10-20 cm土層速效鉀含量，說明工程跡地面積越小，越有利于土壤全鉀垂直分布格局的恢復(fù)，無(wú)論是全鉀還是速效鉀含量，均在工程跡地面積為254 m2最高，且超過了天然草原。

圖4 青藏高原高寒草原區(qū)不同面積工程跡地自然恢復(fù)18年后的土壤全鉀和速效鉀含量

3 討論與結(jié)論

3.1青藏高原高寒草原不同工程跡地面積對(duì)土壤持水量的影響

天然草原在長(zhǎng)期演變過程中形成了較為適應(yīng)的水分運(yùn)移機(jī)制，然而工程跡地形成時(shí)突發(fā)性地改變了這種水分運(yùn)移機(jī)制，人為割斷了土壤-植被-大氣系統(tǒng)中水分運(yùn)移途徑，因此，恢復(fù)土壤含水量是青藏高原工程跡地生態(tài)恢復(fù)的基礎(chǔ)。工程跡地土壤含水量一定程度上反映了土壤水分供給能力，預(yù)示著天然草原水源涵養(yǎng)能力的恢復(fù)程度。本研究表明，青藏高原高寒草原區(qū)工程跡地土壤含水量恢復(fù)力受工程跡地面積的約束，經(jīng)歷18年的恢復(fù)期后，面積小于254 m2的工程跡地的土壤含水量基本得到恢復(fù)，而面積超過583 m2的工程跡地的土壤含水量依然沒有恢復(fù)，這是因?yàn)楣こ疼E地經(jīng)過取土后，其地勢(shì)相對(duì)較低，降水受重力勢(shì)作用而逐漸以徑流的方式匯集于工程跡地，有利于植物生長(zhǎng)，而植物根系反過來蓄養(yǎng)了水分，逐漸恢復(fù)了土壤-植被-大氣水分循環(huán)系統(tǒng)，從而增加了工程跡地土壤持水力，實(shí)現(xiàn)土壤含水量恢復(fù)的目標(biāo)，但當(dāng)工程跡地面積過大時(shí)，地表降水匯集程度相對(duì)較弱，植被恢復(fù)進(jìn)程慢，蓋度較小[10]，土壤-植被-大氣水分循環(huán)系統(tǒng)在自然條件下的恢復(fù)程度較弱，降水匯集地表后，缺乏植被的再次蓄養(yǎng)作用，短時(shí)間內(nèi)土壤水分通過蒸發(fā)返回大氣，含水量降低，滿足不了植被生長(zhǎng)發(fā)育的需求[20-21]，長(zhǎng)期簡(jiǎn)單的循環(huán)造成了土壤含水量較低的局面，一定程度上不利于土壤的持水能力。人類工程活動(dòng)破壞了天然草原土壤-植被-大氣系統(tǒng)的水分循環(huán)過程，因此，工程跡地土壤水分較天然草原土壤水分的存儲(chǔ)時(shí)間相對(duì)較短，大面積的工程跡地較小面積的工程跡地加劇了土壤水分的非植物利用型損耗，不利于草地植物的生長(zhǎng)和恢復(fù)，這反之加劇了大面積工程跡地土壤水分的無(wú)效耗損。從土壤含水量對(duì)4個(gè)梯度工程跡地面積的響應(yīng)過程看出，工程跡地的面積在254 m2以下，其土壤含水量能夠得到有效恢復(fù)。

3.2青藏高原高寒草原區(qū)不同工程跡地面積對(duì)土壤養(yǎng)分潛力和含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)常常被看作是土壤潛在養(yǎng)分含量的指標(biāo)，因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量分別預(yù)示著土壤長(zhǎng)遠(yuǎn)和目前的供給力，有機(jī)質(zhì)含量高說明土壤具有長(zhǎng)遠(yuǎn)養(yǎng)分的供給能力，養(yǎng)分含量高說明土壤當(dāng)前具有較高的供給能力。本研究表明：歷經(jīng)相同時(shí)間的自然恢復(fù)，當(dāng)工程跡地面積小于254 m2，其淺層土壤的有機(jī)質(zhì)含量已經(jīng)恢復(fù)到大于天然草原水平，而深層土壤有機(jī)質(zhì)雖然得到一定的恢復(fù)，但仍然小于天然草原，說明面積小于254 m2的工程跡地養(yǎng)分潛力基本恢復(fù)，但從土壤有機(jī)質(zhì)垂直分布格局分析，土壤有機(jī)質(zhì)積累具有從淺層向深層運(yùn)移的特征，說明面積小于254 m2的工程跡地目前正處于有機(jī)質(zhì)向深層積累的階段，但當(dāng)工程跡地面積增至583 m2，無(wú)論在0-10 cm土層還是10-20 cm土層，土壤有機(jī)質(zhì)含量均小于其他面積工程跡地和天然草原，說明此面積不利于有機(jī)質(zhì)的積累，這與有機(jī)質(zhì)的來源密切相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)主要來自動(dòng)植物殘?bào)w分解和家畜排泄物，當(dāng)工程跡地面積小于254 m2時(shí)，工程跡地草原植物群落恢復(fù)良好[10]，這不僅提供了大量植物殘?bào)w，而且有利于家畜采食逗留，增加了有機(jī)質(zhì)原料的輸入量，當(dāng)工程跡地面積為583 m2，草原植物群落恢復(fù)困難，地表覆蓋稀疏，不利于家畜采食停留，客觀上降低了有機(jī)質(zhì)原料的輸入量，形成土壤養(yǎng)分潛力較低的客觀現(xiàn)實(shí)。因此從土壤養(yǎng)分潛力恢復(fù)度的角度，254 m2可能是4個(gè)面積梯度中有機(jī)質(zhì)恢復(fù)的最高臨界值。

土壤有機(jī)質(zhì)僅表示土壤潛在的養(yǎng)分供給能力，而土壤養(yǎng)分是草原植物養(yǎng)分需求的現(xiàn)實(shí)供給能力，因此，土壤養(yǎng)分的高低一定程度上預(yù)示著目前草原植物的生長(zhǎng)狀況。當(dāng)工程跡地面積小于254 m2時(shí)，工程跡地內(nèi)土壤全鉀、速效鉀和全磷均已恢復(fù)甚至超過天然草原的水平，全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮雖然沒有恢復(fù)到天然草原水平，但恢復(fù)到了90%，而當(dāng)工程跡地面積為583 m2時(shí)，土壤養(yǎng)分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然草原，說明該面積的工程跡地其土壤養(yǎng)分仍然沒有實(shí)現(xiàn)恢復(fù)，其本質(zhì)原因是土壤有機(jī)質(zhì)含量過低，無(wú)法提供充裕的現(xiàn)實(shí)養(yǎng)分形成源。不同養(yǎng)分元素恢復(fù)程度隨工程跡地面積變化而產(chǎn)生分異，主要是與各種元素及其形態(tài)的特性密切關(guān)聯(lián)。

青藏高原高寒草原區(qū)，土壤氮素來源基本包括氮沉降和有機(jī)質(zhì)分解，但當(dāng)研究地區(qū)相對(duì)較小時(shí)，大氣氮沉降基本是一致的，因此，工程跡地面積對(duì)土壤氮素的影響主要與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)，當(dāng)工程跡地面積小于254 m2，地表草原植被恢復(fù)較好，枯枝落葉豐富，經(jīng)過土壤微生物作用，實(shí)現(xiàn)了土壤氮素的恢復(fù)，其已經(jīng)超過了天然草原氮素的90%。而當(dāng)工程跡地面積從254 m2增加到583 m2時(shí)，地表植被恢復(fù)程度相對(duì)較低，減少了土壤氮素的供給源，從而降低了土壤氮素含量。硝態(tài)氮主要集中于深層，而銨態(tài)氮主要集中于淺層，這種分異性與兩種氮素形態(tài)的自身特性密切相關(guān)。硝態(tài)氮帶有負(fù)電荷，銨態(tài)氮帶有正電荷，土壤膠體帶有負(fù)電荷，因此土壤膠體能夠吸附銨態(tài)氮，使其分布于沉積位置，即土壤淺層，而土壤膠體不能吸附硝態(tài)氮，因此硝態(tài)氮隨著淋溶而逐漸滲入深層土壤。

高寒草原土壤磷除小部分來源于干濕沉降外，大部分來自于土壤母質(zhì)，而其損耗主要包括植物吸收和地表徑流流失，其中地表徑流流失占主導(dǎo)地位[21]。工程跡地面積為583 m2時(shí)，地表植被覆蓋度低，降水容易形成地表徑流，因此土壤表層全磷隨徑流而流失，導(dǎo)致其含量降低，而工程跡地面積對(duì)深層土壤全磷含量沒有明顯影響，這與在川西北亞高山草地[22]的研究結(jié)果一致。本研究表明，土壤速效磷隨工程跡地面積增加先增加后降低，這主要與土壤有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。當(dāng)工程跡地面積小于254 m2，土壤較高的有機(jī)質(zhì)含量，增強(qiáng)了其與土壤速效磷爭(zhēng)奪土壤固相表面專性吸附點(diǎn)位的能力，從而降低了土壤對(duì)有效磷的吸附，增加了土壤中速效磷含量；當(dāng)工程跡地面積為583 m2，較低的有機(jī)質(zhì)含量減輕了土壤固相表面專性吸附速效磷的能力，為速效磷能吸附在土壤固相上提供了足夠的空間，故速效磷含量增加。

隨著工程跡地面積增加，地表草原植物逐漸稀疏，裸露面積增加，蒸發(fā)量相對(duì)增加，從而使土壤干濕交替速率變得更加頻繁，這促進(jìn)了土壤對(duì)全鉀的固定[23]，因此隨著工程跡地面積增加，土壤全鉀含量逐漸增加；而對(duì)速效鉀而言，在583 m2時(shí)，稀疏的草原植被減弱了其隔熱效應(yīng)，地表溫度升高速度較快，迫使交換性鉀離子減少，客觀上形成速效鉀含量的降低，而當(dāng)工程跡地面積小于254 m2，恢復(fù)較好的草原植物群落通過夏季隔熱，使土壤中溫度相對(duì)穩(wěn)定[24]，減少了交換性鉀離子流失量和速率，形成速效鉀含量較高的現(xiàn)實(shí)。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

EffectofareasoflandusedforengineeringconstructiononsoilmoistureandnutrientinthealpinestepperegionsoftheQinghai-TibetPlateau

Liu Tong, Mao Liang, Pang Xiao-pan, Jin Shao-hong, Zhang Jing, Guo Zheng-gang

(State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, National Demonstration Center for Experimental Grassland Science Education (Lanzhou University), Lanzhou 730020, Gansu, China)

The area of land used for engineering construction greatly affects the restorable degree of destroyed natural steppe on the Qinghai-Tibetan Plateau. An experiment was carried out to disclose the effect of land use for engineering construction on the conservation of water, potential nutrients, and present nutrients of soil in land that had been used for engineering construction and had experienced identical restoration periods. This study showed that the soil moisture content did not different between land used for engineering construction and natural steppe when the area used for construction was below 254 m2. Furthermore, the soil moisture of land used for engineering construction was smaller than that of natural steppe when the area used was 583 m2(Plt;0.05). The organic matter content at a soil depth of 0-10 cm in land used for engineering construction was bigger and that at a depth of 10-20 cm was smaller than that of natural steppe when the area used for engineering construction was below 254 m2. However, the organic matter content at both soil depths in land used for engineering construction was smaller when the area used was 583 m2(Plt;0.05). The soil total nitrogen content did not differ between land used for engineering construction and natural steppe when the area used was 55 m2. The soil total nitrogen, ammonium nitrogen, and nitrate nitrogen contents of land used for engineering construction were significantly lower than those of natural steppe (Plt;0.05) when the land used for engineering construction was over 156 m2. The amplitudes of these declines in nitrogen content correlated with the area of land used for engineering construction. The total phosphorus content at a soil depth of 0-10 cm first increased and then decreased as the area of land used for engineering construction increased (Plt;0.05), peaking at 156 and 254 m2. The available phosphorus contents at soil depths of 0-10 and 10-20 cm first decreased and then increased as the area of land used for engineering construction increased, reaching nadirs at 156 and 254 m2. The total potassium and available potassium contents in soil first increased and then decreased as the area of land used for engineering construction increased, peaking at 254 m2. The total potassium and available potassium contents of land used for engineering construction were lower than those of natural steppe when the area used was over 254 m2, and they were bigger than those of natural steppe when the area used was below 254 m2. These results suggested that the conservation of water, potential nutrients, and present nutrients in the soil of land used for engineering construction were similar to those of natural steppe when the area of land used for engineering construction was below 254 m2, but differed in larger areas, when all the tested areas had experienced identical restoration periods.

area of land used for engineering construction; soil moisture content; soil organic matter content; soil nutrient content; alpine steppe

Guo Zheng-gang E-mail:guozhg@lzu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0602

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S812.2;S153.6

A

1001-0629(2017)11-2175-08

2016-12-07接受日期2017-03-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(31172258)；蘭州大學(xué)2017年度創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育基地項(xiàng)目

劉彤(1995-),女，甘肅太京人，在讀本科生。E-mail:liut14@lzu.edu.cn

共同第一作者：毛亮(1988-)，男，甘肅臨洮人，碩士，主要從事草地恢復(fù)研究。E-mail:562015010@qq.com

郭正剛(1973-),男,甘肅岷縣人,教授,博導(dǎo)，博士,主要從事草業(yè)生態(tài)學(xué)和鼠兔檢測(cè)防控研究。E-mail:guozhg@lzu.edu.cn