魏衛(wèi)東, 劉育紅, 馬輝, 李積蘭

青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院, 西寧 810016

1 前言

地處青藏高原腹地的青海省三江源區(qū)是長(zhǎng)江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地, 生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱, 是青海省乃至全國(guó)重要的生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)。三江源區(qū)高寒草甸是在青藏高原特有的氣候、地理、地質(zhì)等環(huán)境條件下經(jīng)長(zhǎng)期演化和發(fā)展形成的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)[1],草地生產(chǎn)力水平低, 系統(tǒng)穩(wěn)定性差, 易受自然及人為因素干擾, 自我修復(fù)能力弱, 一旦發(fā)生退化演替,恢復(fù)困難、緩慢甚至不可逆轉(zhuǎn), 使得草地生產(chǎn)和服務(wù)功能降低[2]。自1980年以來, 三江源區(qū)人口增加、高寒草甸超載過牧、嚙齒動(dòng)物及害蟲危害嚴(yán)重、土壤侵蝕加劇, 加之全球氣候變化共同導(dǎo)致高寒草甸退化[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料, 青海省高寒草甸退化面積 1 994.6萬(wàn)hm2, 占全省高寒草甸總面積的78.4%[4], 草地退化形勢(shì)嚴(yán)峻, 區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化, 威脅著廣大牧民群眾的生存與發(fā)展, 也威脅三江中下游廣大地區(qū)的生態(tài)安全, 削弱了三江源區(qū)的生態(tài)屏障作用。為此, 在高寒草甸退化、退化草地土壤等領(lǐng)域已經(jīng)開展了較為豐富的研究并取得了一定的研究成果。近些年來, 研究主要集中在退化草地植物群落及群落特征與部分土壤指標(biāo)關(guān)系方面[5-8]; 高寒草甸不同退化階段土壤化學(xué)性質(zhì)變化方面[9-11], 尤其是對(duì)退化高寒草甸土壤有機(jī)碳、有機(jī)碳組分、土壤碳儲(chǔ)量的研究[12-15]; 高寒草甸退化草地土壤粒徑等物理性質(zhì)方面[16-19]; 也有以高寒草甸退化草地土壤酶活性、土壤呼吸為對(duì)象的研究[20-21]。這些研究中, 大多探討的是高寒草甸草地發(fā)生不同程度退化后植物群落以及土壤中碳、氮、磷、土壤顆粒粒徑、土壤含水量等的變化規(guī)律, 將退化草地土壤中有代表性的多個(gè)物理、化學(xué)指標(biāo)結(jié)合在一起, 探討多個(gè)土壤因子共同作用下與草地退化間存在何種關(guān)系、相互間又有何種作用方式的研究還相對(duì)缺乏。因此, 從高寒草甸草地土壤理化因子與不同退化程度草地間的關(guān)系角度看, 存在的主要科學(xué)問題有： 草地退化對(duì)土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生了怎樣的影響, 土壤理化性質(zhì)與草地退化呈現(xiàn)怎樣的關(guān)系, 土壤理化性質(zhì)與草地退化關(guān)系密切程度, 采用哪些土壤理化指標(biāo)能夠更敏感地指示草地退化的變化與發(fā)展?；谶@些科學(xué)問題,在三江源區(qū)高寒草甸草地選擇具有典型高寒草甸特征的研究樣地, 在進(jìn)行草地退化現(xiàn)狀調(diào)查、退化草地植物群落特征觀測(cè)、退化草地土壤樣品采集及測(cè)定基礎(chǔ)上, 運(yùn)用數(shù)量生態(tài)學(xué)中的冗余分析(redundancy analysis, RDA)方法研究高寒草甸草地土壤與草地退化的內(nèi)在聯(lián)系, 以期揭示土壤因子對(duì)草地退化的響應(yīng)及反饋規(guī)律, 為高寒草甸退化草地的相關(guān)研究和生態(tài)治理提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原腹地的青海省三江源自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)的果洛藏族自治州(以下簡(jiǎn)稱果洛州)瑪沁縣、甘德縣、達(dá)日縣。果洛州(N32°21′—35°45′,E96°56′—101°45′)總面積 7.6 萬(wàn) km2, 可利用草地面積 585.6萬(wàn) hm2, 其中高寒草甸占 56.3%; 全州平均海拔4 200 m, 大氣含氧量?jī)H為海平面的60%; 果洛州屬高原大陸性氣候, 氣溫低、溫差大、輻射強(qiáng)、多陣性大風(fēng), 年均溫-4 ℃, 年均降水量 513.2 mm,年均蒸發(fā)量1 462.4 mm, 年均日照時(shí)數(shù)2 260.3 h,全年無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期, 一年無(wú)四季之分, 只有冷暖之別; 果洛州境內(nèi)河流縱橫、湖泊眾多、黃河自西至東橫穿全境; 境內(nèi)高寒草甸草地植物群落中莎草科高山嵩草(Kobresia pygmaea)、矮嵩草(Kobresia humilis)等為優(yōu)勢(shì)種, 伴生種以禾本科(Gramineae)、菊科(Compositae)、龍膽科(Gentianaceae)、薔薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae) 等植物為主; 高寒草甸草地土壤類型以高山草甸土分布最多。

2.2 樣地設(shè)置

在青海省果洛州瑪沁縣、甘德縣、達(dá)日縣具有典型高寒草甸特征的天然草地設(shè)置 20塊研究樣地(表1)。各研究樣地依據(jù)任繼周[22]、趙新全[23]關(guān)于草地退化程度劃分的方法, 結(jié)合研究樣地草地類型、土壤侵蝕現(xiàn)狀、鼠蟲危害情況等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià), 劃分為 4個(gè)退化程度, 即： 未退化(un-degradation、UD)、輕度退化(light degradation、LD)、中度退化(moderate degradation、MD)和重度退化(heavy degradation、HD); 設(shè)置研究樣地時(shí), 坡向均為陽(yáng)坡、坡度 11-21°。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

2016年8月, 在選定的20個(gè)研究樣地內(nèi), 每個(gè)樣地隨機(jī)設(shè)置6個(gè)1×1 m觀測(cè)樣方, 對(duì)每個(gè)觀測(cè)樣方進(jìn)行植物群落特征調(diào)查。調(diào)查指標(biāo)包括植被覆蓋度(多人目測(cè)平均法)、物種數(shù)、株高(自地表至植株頂端自然高度, 每樣方測(cè)定20株, 不足20株的物種按實(shí)際株數(shù)測(cè)定)、地上生物量(分物種齊地面刈割稱量鮮重)等; 利用群落調(diào)查指標(biāo)計(jì)算物種多樣性指數(shù)(Shannon-wiener)、均勻性指數(shù)(Pielou)。完成植物群落特征調(diào)查后, 在每個(gè)樣方內(nèi)土鉆采集0—30 cm土層的土樣, 重復(fù) 3次, 同一樣地不同樣方土樣混合為一個(gè)土壤樣品, 帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。在采集土樣的同時(shí), 環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、測(cè)溫計(jì)測(cè)定土壤溫度、水分測(cè)定儀(TDR300)測(cè)定土壤水分含量。土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法為： 土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法[24]; 土壤全氮采用半微量凱氏定氮法、土壤全磷采用鉬銻抗比色法[25];土壤有效氮采用比色法, 土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法、土壤全鉀和土壤有效鉀采用火焰光度法[24]; 土壤顆粒組成采用比重計(jì)法[26], 測(cè)定粘粒占比(粒徑＜0.002 mm)和砂粒占比(0.05 mm＜粒徑＜2 mm); 土壤pH采用水土體積比2.5∶1的電位法[24]。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法

表1 樣地基本特征Tab. 1 Basic characteristics of the plots

為了反映高寒草甸土壤因子與草地退化的關(guān)系,應(yīng)用 Canoco4.5軟件基于線性模型進(jìn)行冗余分析。冗余分析需要 2個(gè)數(shù)據(jù)矩陣[27], 本研究將樣地植物群落特征作為一個(gè) 6×20維數(shù)據(jù)矩陣(等同于Canoco中的 species), 本文中稱為退化草地樣地特征, 包含蓋度、地上生物量、物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)、草地類型共6個(gè)指標(biāo); 將退化草地樣地土壤主要理化性質(zhì)作為一個(gè) 13×20維環(huán)境因子矩陣(等同于Canoco中的environment), 包含土壤有機(jī)碳、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全鉀、有效鉀、容重、土壤溫度、土壤水分含量、粘粒占比、砂粒占比、pH共13個(gè)指標(biāo)。退化草地樣地特征數(shù)據(jù)矩陣中草地類型為定性指標(biāo), 納入分析時(shí)進(jìn)行編碼, 1： 高山嵩草草地; 2： 高山嵩草、圓穗蓼草地; 3：高山嵩草、雜類草草地; 4： 矮嵩草、高山嵩草草地; 5：線葉嵩草草地; 6： 線葉嵩草、珠芽蓼草地; 7： 線葉嵩草、雜類草草地; 8： 金露梅、高山嵩草、苔草草地。進(jìn)行冗余分析時(shí), 對(duì)退化草地樣地特征數(shù)據(jù)進(jìn)行中心化和標(biāo)準(zhǔn)化、排序軸特征值采用 Monte Carlo permutation test檢驗(yàn)顯著性, 采用Cano Draw作圖;通過前向選擇(forward selection)對(duì)土壤因子重要性進(jìn)行排序, Monte Carlo permutation test隨機(jī)置換999次檢驗(yàn)土壤因子的邊際作用(marginal effects), 反映其對(duì)退化草地樣地特征作用的顯著性[28]。SPSS20.0統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 高寒草甸研究樣地退化程度分析

利用退化草地樣地特征和土壤因子兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行冗余分析。退化草地樣地排序結(jié)果顯示, 20個(gè)高寒草甸研究樣地沿第一排序軸因群落特征、退化程度的不同分為 4個(gè)區(qū)域而分布在不同空間(圖1)。樣地號(hào)為 1、5、6、12、13的研究樣地較為集中, 退化程度為UD; 樣地號(hào)為2、7、8、14、15的研究樣地較為集中, 退化程度為L(zhǎng)D; 樣地號(hào)為3、4、9、16、17的研究樣地較為集中, 退化程度為MD; 樣地號(hào)為10、11、18、19、20的研究樣地較為集中, 退化程度為HD。說明冗余分析第一排序軸主要反映高寒草甸草地退化程度變化, 自左向右表示草地退化程度加劇。

排序圖中分布在不同區(qū)域的樣地沿第一排序軸水平方向UD、LD樣地位置臨近, 并與MD、HD樣地位置相對(duì)較遠(yuǎn), 反映出不同退化程度草地群落特征存在顯著性差異(P＜0.05)(圖1、表 2)。蓋度、地上生物量、均勻性指數(shù) UD樣地最大, 而群落物種數(shù)、多樣性指數(shù) LD樣地最大, 群落特征各項(xiàng)指標(biāo)HD樣地均最小。

圖1 樣地RDA二維排序圖Fig. 1 RDA two-dimensional ordination diagram of the plots

3.2 高寒草甸群落特征與草地退化關(guān)系

表2 不同退化程度草地群落特征Tab. 2 Community characteristics of different degraded degree grassland

利用退化草地樣地特征和土壤因子兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行冗余分析, 能夠反映出樣地退化與樣地群落特征間的相互關(guān)系。圖2顯示, 草地群落中, 植被覆蓋度、地上生物量、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)均沿第一排序軸自左向右減小, 反映出這 4個(gè)指標(biāo)與草地退化程度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系, 并且 4個(gè)指標(biāo)與第一排序軸夾角的大小為植被覆蓋度＜地上生物量＜多樣性指數(shù)＜均勻性指數(shù), 則4個(gè)指標(biāo)與草地退化之間的相關(guān)程度為植被覆蓋度＞地上生物量＞多樣性指數(shù)＞均勻性指數(shù), 說明第一排序軸主要反映植被覆蓋度、地上生物量、多樣性指數(shù)等的變化。物種數(shù)與第二排序軸的夾角較小, 反映出物種數(shù)與第二排序軸的相關(guān)程度較高, 物種數(shù)沿第二排序軸自下向上減少, 同樣反映出草地退化的程度, 說明第二排序軸主要反映物種數(shù)的變化。草地類型與第一、第二排序軸的夾角近似, 說明該指標(biāo)不能反映高寒草甸草地退化情況。

從草地群落特征與研究樣地空間分布關(guān)系看,植被覆蓋度、地上生物量、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)與UD、LD樣地間關(guān)聯(lián)性更強(qiáng), 而與MD、HD樣地間關(guān)聯(lián)性較弱; 物種數(shù)與LD、MD樣地間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng); 所有群落特征指標(biāo)與 HD樣地關(guān)聯(lián)性均較弱(圖2)。

3.3 高寒草甸土壤因子與草地退化關(guān)系

高寒草甸土壤因子與草地退化冗余分析結(jié)果表明, 第一、第二排序軸特征值分別為0.715、0.103, 兩個(gè)排序軸共解釋了 81.8%的草地退化變化和 90.3%的草地退化與土壤因子關(guān)系。由此可知, 第一、第二排序軸能夠很好反映草地退化與土壤因子間的關(guān)系, 利用退化草地群落特征和土壤因子兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行冗余分析排序效果較好。從第一、第二排序軸看, 退化與土壤因子間的相關(guān)系數(shù)分別為0.993、0.912, 進(jìn)一步反映出草地退化與土壤因子關(guān)系密切。冗余分析四個(gè)排序軸共解釋了 90.5%的退化變化和 99.9%的退化與土壤因子關(guān)系, Monte Carlo permutation test表明, 第一排序軸及四個(gè)排序軸所反映的土壤因子均與草地退化樣地之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(表 3、RDA1)。

圖2 群落特征與不同退化程度樣地RDA二維排序圖Fig. 2 RDA two-dimensional ordination diagram of community characteristics and different degraded degree plots

表3 土壤因子與草地退化RDA結(jié)果Tab. 3 RDA results of soil factors and grassland degradation

冗余分析排序圖顯示, 土壤溫度、容重與第一排序軸正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為0.929、0.915; 土壤含水量、全氮、有效氮、全磷、有機(jī)碳均與第一排序軸負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為-0.916、-0.907、-0.859、-0.809、-0.662, 說明第一排序軸主要反映土壤溫度、容重、土壤含水量、全氮等因子的綜合變化情況; 沙粒占比與第二排序軸正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)為 0.736; 有效鉀、粘粒占比與第二排序軸負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為-0.636、-0.630, 說明第二排序軸主要反映沙粒占比、有效鉀、粘粒占比的綜合變化情況(圖3、表4、RDA1)。從退化草地樣地與土壤因子排序空間分布看, 土壤水分含量、全氮、全磷、有效氮、土壤有機(jī)碳與UD樣地正相關(guān), 而與MD、HD樣地負(fù)相關(guān); 土壤有效磷、有效鉀、粘粒占比與LD樣地正相關(guān), 與MD、HD樣地負(fù)相關(guān); 容重、土壤溫度、沙粒占比則與MD、HD樣地正相關(guān); pH、全鉀與退化樣地的關(guān)聯(lián)性較弱。由此反映出樣地土壤含水量、全氮、有效氮、全磷、有機(jī)碳在UD樣地含量較高, 隨著草地退化程度的加劇逐漸減小; 容重、土壤溫度、沙粒占比在 HD樣地較高, 隨著退化程度的加劇逐漸增大。對(duì)土壤因子邊際作用進(jìn)行檢驗(yàn), 結(jié)果表明,土壤有機(jī)碳等8個(gè)土壤因子與草地退化有極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01), 有效鉀與草地退化有顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05); 9個(gè)土壤因子與草地退化之間相關(guān)程度順序?yàn)橥寥罍囟龋救葜兀就寥篮浚救居行У救祝居袡C(jī)碳＞有效磷＞有效鉀(表4、RDA1)。

圖3 土壤因子與草地退化RDA二維排序圖Fig. 3 RDA two-dimensional ordination diagram of soil factors and grassland degradation

表4 土壤因子與草地退化RDA排序相關(guān)系數(shù)及土壤因子邊際作用檢驗(yàn)Tab. 4 Soil factors- grassland degradation correlations coefficient of RDA ordination and marginal effects of soil factors test

3.4 高寒草甸敏感土壤因子與草地退化關(guān)系

高寒草甸草地退化是一個(gè)復(fù)雜的過程, 退化進(jìn)程對(duì)土壤因子的影響、土壤因子對(duì)草地退化的反饋是逐漸和持續(xù)的。從退化草地諸多土壤因子中篩選出敏感性因子, 作為表征草地退化及退化程度的指示指標(biāo), 有利于高寒草甸草地退化程度的判斷。本研究中, 除全鉀、pH、粘粒占比、沙粒占比外, 其他土壤因子均與草地退化有顯著相關(guān)。因此, 依據(jù)土壤因子邊際作用檢驗(yàn)結(jié)果、土壤因子篩選簡(jiǎn)便性原則, 篩選出土壤溫度、容重、土壤含水量、全氮、有效氮、全磷、有機(jī)碳、有效磷、有效鉀共9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行退化草地敏感性土壤因子冗余分析。結(jié)果表明, 第一、第二排序軸特征值分別為0.702、0.090, 兩個(gè)排序軸共解釋了 79.2%的草地退化變化和 93.3%的草地退化與土壤因子關(guān)系, 四個(gè)排序軸共解釋了100%的退化與土壤因子關(guān)系(表3、RDA2)。由此可知, 利用篩選后的土壤因子數(shù)據(jù)矩陣, 能夠很好地反映退化與土壤因子間的關(guān)系。土壤溫度、容重與第一排序軸正相關(guān), 土壤含水量、全氮、有效氮、全磷、有機(jī)碳、有效磷、有效鉀均與第一排序軸負(fù)相關(guān)(表 4、RDA2), Monte Carlo permutation test表明,第一排序軸及所有排序軸所反映的敏感土壤因子均與草地退化樣地之間呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)(表3、RDA2), 反映出利用退化草地樣地特征和篩選后的土壤因子兩個(gè)數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行冗余分析排序效果較好, 篩選后的土壤因子能夠作為高寒草甸草地退化的敏感性指示指標(biāo)。

4 討論

高寒草甸是青海省三江源區(qū)以及青藏高原高寒地區(qū)的主要草地類型之一。由于高寒草地受高海拔、低溫寒冷等因素的綜合作用, 草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單, 易受環(huán)境和人為因素的擾動(dòng)而發(fā)生草地退化。高寒草甸草地退化時(shí), 土壤因子對(duì)草地退化的響應(yīng)與反饋同時(shí)存在。由于土壤因子包含土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及微生物學(xué)特征等, 種類繁多且相互間作用復(fù)雜, 使得土壤因子與草地間的關(guān)系需要采用適宜的方法來反映。而RDA排序可以將研究樣地或樣方與環(huán)境因子排列在一定空間, 使排序軸能夠反映一定的生態(tài)梯度, 以此解釋物種、植被乃至草地的分布與環(huán)境因子間的生態(tài)關(guān)系[29]。本文RDA二維排序圖就反映出草地退化與土壤因子間極顯著相關(guān)(P＜0.01), 第一、第二排序軸能夠解釋90.3%的草地退化與土壤因子間的變化。將RDA排序應(yīng)用于生態(tài)領(lǐng)域的研究已有報(bào)道, 王興等[30]在寧夏荒漠草原棄耕地應(yīng)用 RDA對(duì)草地土壤與植被間關(guān)系進(jìn)行分析,認(rèn)為植物群落多樣性指數(shù)受到土壤碳酸鈣、全鹽等的顯著影響; 龍健等[31]對(duì)典型喀斯特山區(qū)土壤與石漠化關(guān)系RDA分析后得出土壤有機(jī)碳、全氮等是石漠化過程中的土壤指示因子的結(jié)論; 白小航等[32]將RDA排序用于亞高山草甸群落格局與環(huán)境因子間關(guān)系分析中, 表明群落分布格局與坡向、土壤溫度、海拔等因子間極顯著相關(guān)(P＜0.01); 酈威等[33]對(duì)遼寧南部太子河流域河岸帶土壤的理化特征與環(huán)境因子關(guān)系進(jìn)行RDA排序, 表明海拔、年降水量等是影響土壤空間差異的主導(dǎo)因子。由此可以看出, 在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域, 冗余分析不失為一種反映環(huán)境與物種、植被、群落間關(guān)系的方法。事實(shí)上冗余分析除了應(yīng)用于自然科學(xué)方面, 在社會(huì)科學(xué)方面也有應(yīng)用[34]。

冗余分析應(yīng)用于植被與環(huán)境間關(guān)系的研究也存在不足。程曉莉等[35]對(duì)草地退化過程中個(gè)體分布格局與土壤元素異質(zhì)性進(jìn)行研究, 結(jié)論為內(nèi)蒙古草原退化進(jìn)程中, 植被異質(zhì)化導(dǎo)致了土壤元素異質(zhì)化,說明草地退化時(shí), 植被退化早于土壤退化, 這一結(jié)論與李紹良等[36]的研究一致, 說明草地退化過程中植被退化與土壤退化存在時(shí)間差。但是應(yīng)用冗余分析法研究土壤因子與草地退化之間關(guān)系時(shí), 卻不能反映植被退化與土壤退化的時(shí)間順序問題。另外,冗余分析可以從多維度較好地綜合反映土壤因子與草地退化間的關(guān)系, 但是不能反映不同土壤因子在草地退化過程中的互作以及土壤因子之間的因果關(guān)系, 如土壤有機(jī)碳含量的降低是導(dǎo)致土壤容重和土壤含水量變化的原因之一, 而土壤容重和土壤含水量的變化又會(huì)導(dǎo)致土壤溫度發(fā)生變化,而土壤有機(jī)碳含量的變化又與草地群落變化有關(guān)。因此, 應(yīng)將冗余分析與其他研究方法結(jié)合, 以期在高寒草地更加深入地揭示土壤因子與草地之間的作用機(jī)理。

伴隨高寒草地的退化, 土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分含量等因素是不斷變化的, 并且不同土壤因子對(duì)高寒草地退化的影響不同。林麗等[6]發(fā)現(xiàn), 高寒矮嵩草草甸土壤速效氮、速效磷含量隨退化演替程度的加劇而降低; 周華坤等[37]則發(fā)現(xiàn), 在果洛州瑪沁縣高寒嵩草草甸, 隨著草地退化程度的加大, 土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、濕度等減小而土壤容重在增加。但是在這些研究中, 側(cè)重分析的是土壤因子隨草地退化程度不同呈現(xiàn)的變化趨勢(shì), 卻均未探討不同土壤因子與草地退化之間關(guān)系的密切程度。本文研究不同土壤因子與草地退化之間相關(guān)性后發(fā)現(xiàn), 13個(gè)土壤因子中,土壤溫度(r= 0.929)、容重(r= 0.915)、土壤含水量(r= -0.916)、全氮(r= -0.907)、有效氮(r= -0.859)、全磷(r= -0.809)、有機(jī)碳(r= -0.662)等與草地退化相關(guān)程度更高且相關(guān)關(guān)系極顯著(P＜0.01), 反映了在草地退化時(shí), 不同土壤因子的重要性不同。從這一結(jié)論也可以看出, 高寒草地退化時(shí), 土壤物理因子較土壤化學(xué)因子與草地退化間的關(guān)系更顯著。說明當(dāng)草地土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化后, 草地退化狀況更加嚴(yán)重且危險(xiǎn), 退化草地的治理難度就更大。由此也引申出, 高寒草甸退化草地針對(duì)土壤環(huán)境的治理,需從眾多土壤因子中抓主要矛盾。而本研究從13個(gè)土壤因子中就篩選出了少量的、與草地退化關(guān)聯(lián)程度高的、對(duì)草地退化響應(yīng)更敏感的土壤因子來表征草地退化狀況。篩選后的9個(gè)敏感性因子經(jīng)冗余分析, 第一、第二排序軸能夠解釋高達(dá)93.3%的土壤因子與草地退化之間的變化, 說明利用篩選的土壤因子是可以表征草地退化狀況的。這種精簡(jiǎn)的土壤因子在實(shí)際的高寒草地生態(tài)環(huán)境問題研究中, 結(jié)合草地植被群落特征, 在確定研究對(duì)象或研究樣地退化程度時(shí), 明確且更具有操作性。從敏感土壤因子與草地退化之間關(guān)系看出, 土壤容重隨退化程度加劇而變大, 這與字洪標(biāo)等[38]、馮瑞章等[39]的研究結(jié)果一致; 土壤含水量、全氮、全磷、有效鉀、土壤有機(jī)碳隨退化程度加劇而減小, 與曹麗花等[40]、周麗等[41]、羅亞勇等[42]的研究結(jié)果一致。本研究中發(fā)現(xiàn), pH與草地退化的關(guān)聯(lián)性較弱, 與楊元武等[43]得出的高寒草甸土壤 pH隨退化程度加劇逐漸升高的結(jié)論不一致, 可能的原因在于高寒草甸空間異質(zhì)性大, 不同研究設(shè)置的樣地成土母質(zhì)不同、區(qū)域小環(huán)境不同導(dǎo)致同一土壤指標(biāo)在退化草地中的變化趨勢(shì)不同。

本研究雖然探討了冗余分析篩選出敏感性土壤因子可用于表征高寒草地退化狀況, 但是也發(fā)現(xiàn),這種分析方法并沒有反映出敏感土壤因子在草地退化進(jìn)程中的閾值。而草地退化的實(shí)際情況是, 土壤因子水平的變化是漸進(jìn)的, 當(dāng)達(dá)到某一閾值時(shí)才會(huì)引起草地退化質(zhì)的變化。這一問題, 目前尚未見報(bào)道, 同樣有待于深入研究。

高寒草地生態(tài)系統(tǒng)在青藏高原分布廣、空間變異顯著, 草地退化情況以及與土壤因子的關(guān)系極其復(fù)雜, 在今后開展關(guān)于高寒草地退化與土壤因子之間相關(guān)性研究時(shí), 應(yīng)以更多的高寒草地退化樣地為樣本, 納入更多的土壤因子指標(biāo), 如土壤微生物、土壤活性有機(jī)碳、土壤基礎(chǔ)呼吸以及反應(yīng)靈敏、測(cè)定便利, 具有專一性的土壤酶指標(biāo)等[44], 以期在更廣的維度反映自然規(guī)律, 深刻揭示高寒草地生態(tài)系統(tǒng)植被退化、土壤退化發(fā)生機(jī)理, 為研究和治理高寒草地生態(tài)系統(tǒng)問題提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 周華坤, 姚步青, 于龍, 等. 三江源區(qū)高寒草地退化演替與生態(tài)恢復(fù)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2016： 18-19.

[2] 李博. 中國(guó)北方草地退化及其防治對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 1997, 30(6)： 1-9.

[3] 魏衛(wèi)東, 劉育紅. 不同退化程度高寒草地土壤微生物量碳特征分析[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2)： 205-210.

[4] 辛有俊, 杜鐵瑛. 青海天然草地退化及恢復(fù)研究[M]. 西寧： 青海人民出版社, 2013.

[5] 楊時(shí)海, 李英年, 蒲繼延, 等. 三種高寒草甸植被類型植物群落結(jié)構(gòu)及其土壤環(huán)境因子研究[J]. 草地學(xué)報(bào), 2006,14(1)： 77-83.

[6] 林麗, 李以康, 張法偉, 等. 高寒矮嵩草群落退化演替系列氮磷生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(17)：5245-5251.

[7] 宗寧, 石培禮, 蔣婧, 等. 淺耕對(duì)西藏高原退化草甸土壤和植物群落特征的影響[J]. 草業(yè)科學(xué), 2014, 31(1)： 8-14.

[8] 石紅霄, 侯向陽(yáng), 師尚禮, 等. 高山嵩草草甸初級(jí)生產(chǎn)力、多樣性與土壤因子的關(guān)系[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(10)：40-47.

[9] 張生楹, 張德罡, 柳小妮, 等. 東祁連山不同退化程度高寒草甸土壤養(yǎng)分特征研究[J]. 草業(yè)科學(xué), 2012, 29(7)：1028-1032.

[10] 陳淑燕, 張德罡. 不同退化階段高寒草甸草地土壤鉀素的變化分析[J]. 草原與草坪, 2013, 33(3)： 74-77.

[11] 羅亞勇, 張宇, 張靜輝, 等. 不同退化階段高寒草甸土壤化學(xué)計(jì)量特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2012, 31(2)： 254-260.

[12] 劉淑麗, 林麗, 張法偉, 等. 放牧季節(jié)及退化程度對(duì)高寒草甸土壤有機(jī)碳的影響[J]. 草業(yè)科學(xué), 2016, 33(1)：11-18.

[13] 劉育紅, 魏衛(wèi)東, 溫小成, 等. 退化高寒草甸土壤有機(jī)碳組分特征[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(2)： 168-174.

[14] 劉淑麗, 林麗, 杜巖功, 等. 青海省高寒草甸不同退化階段土壤無(wú)機(jī)碳分異特征[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2014, 33(5)：1290-1296.

[15] 林麗, 張法偉, 李以康, 等. 高寒矮嵩草草甸退化過程土壤碳氮儲(chǔ)量及 C/N化學(xué)計(jì)量學(xué)特征[J]. 中國(guó)草地學(xué)報(bào),2012, 34(3)： 42-47.

[16] 孫哲, 王一博, 劉國(guó)華, 等. 基于多重分形理論的多年凍土區(qū)高寒草甸退化過程中土壤粒徑分析[J]. 冰川凍土,2015, 37(4)： 980-990.

[17] 魏茂宏, 林慧龍. 江河源區(qū)高寒草甸退化序列土壤粒徑分布及其分形維數(shù)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué), 2014, 25(3)：679-686.

[18] 尤全剛, 薛嫻, 彭飛, 等. 高寒草甸草地退化對(duì)土壤水熱性質(zhì)的影響及其環(huán)境效應(yīng)[J]. 中國(guó)沙漠, 2015, 35(5)：1183-1192.

[19] 張泉, 劉詠梅, 楊勤科, 等. 祁連山退化高寒草甸土壤水分空間變異特征分析[J]. 冰川凍土, 2014, 36(1)： 88-94.

[20] 胡雷, 王長(zhǎng)庭, 王根緒, 等. 三江源區(qū)不同退化演替階段高寒草甸土壤酶活性和微生物群落結(jié)構(gòu)的變化[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(3)： 8-19.

[21] 魏衛(wèi)東, 劉育紅. 三江源區(qū)高寒草甸退化對(duì)土壤呼吸的影響[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī), 2014, (19)： 102-105.

[22] 任繼周. 草業(yè)科學(xué)研究方法[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1998.

[23] 趙新全. 三江源區(qū)退化草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與可持續(xù)管理[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2011： 127-128.

[24] 張甘霖, 龔子同. 土壤調(diào)查實(shí)驗(yàn)室分析方法[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2012： 38-80.

[25] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 北京： 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1999： 30-38.

[26] 陳麗瓊. 比重計(jì)法測(cè)定土壤顆粒組成的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊, 2010, 29(4)： 97-99.

[27] FRANKLIN J, WISER S K, DRAKE D, et al. Environment,disturbance history and rain forest composition across the islands of Tonga, Western Polynesia [J]. Journal of Vegetation Science, 2006, 17： 233-244.

[28] LEGENDRE P, LEGENDRE L. Numerical ecology [M].Amsterdam： Elsevier, 2012： 126.

[29] 張金屯. 數(shù)量生態(tài)學(xué)[M]. 北京： 科學(xué)出版社, 2011： 124.

[30] 王興, 宋乃平, 楊新國(guó), 等. 荒漠草原棄耕地恢復(fù)草地土壤與植被的RDA分析[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2)： 90-97.

[31] 龍健, 廖洪凱, 李娟, 等. 基于冗余分析的典型喀斯特山區(qū)土壤-石漠化關(guān)系研究[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(6)：2131-2138.

[32] 白曉航, 張金屯, 曹科, 等. 小五臺(tái)山亞高山草甸的群落特征及物種多樣性[J]. 草業(yè)科學(xué), 2016, 33(12)： 2538-2543.

[33] 酈威, 盧振蘭, 孔維靜, 等. 太子河河岸帶土壤理化性質(zhì)特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)科學(xué), 2013, 32(1)：90-97.

[34] 李洪英, 遲遠(yuǎn)英. 中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)影響因素冗余分析研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2016, 35(3)： 172-177.

[35] 程曉莉, 安樹青, 李遠(yuǎn), 等. 鄂爾多斯草地退化過程中個(gè)體分布格局與土壤元素異質(zhì)性[J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2003,27(4)： 503-509.

[36] 李紹良, 陳有君, 關(guān)世英, 等. 土壤退化與草地退化關(guān)系的研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2002, 16(1)： 92-95.

[37] 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]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2005, 14(3)：31-40.

[38] 字洪標(biāo), 胡雷, 阿的魯驥, 等. 不同退化演替階段高寒草甸群落根土比和土壤理化特征分布格局[J]. 草地學(xué)報(bào),2015, 23(6)： 1151-1160.

[39] 馮瑞章, 周萬(wàn)海, 龍瑞軍, 等. 江河源區(qū)不同退化程度高寒草地土壤物理、化學(xué)及生物學(xué)特征研究[J]. 土壤通報(bào),2010, 41(2)： 263-269.

[40] 曹麗花, 劉合滿, 趙世偉. 退化高寒草甸土壤有機(jī)碳分布特征及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[J]. 草業(yè)科學(xué), 2011,28(8)： 1411-1415.

[41] 周麗, 張德罡, 贠旭江, 等. 退化高寒草甸植被與土壤特征[J]. 草業(yè)科學(xué), 2016, 33(11)： 2196-2201.

[42] 羅亞勇, 孟慶濤, 張靜輝, 等. 青藏高原東緣高寒草甸退化過程中植物群落物種多樣性、生產(chǎn)力與土壤特性的關(guān)系[J]. 冰川凍土, 2014, 36(5)： 1298-1305.

[43] 楊元武, 李希來, 周旭輝, 等. 高寒草甸植物群落退化與土壤環(huán)境特征的關(guān)系研究[J]. 草地學(xué)報(bào), 2016, 24(6)：1211-1217.

[44] GARCIA C, HEMANDER T. Biological and biochemical indicators in derelict soils subject to erosion [J]. Soil Biology and Biochemistry, 1997, 29(2)： 171-177.