張?chǎng)┠?，金少紅，于 成，龐曉攀，王 娟，郭正剛

(蘭州大學(xué)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)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

土壤是高寒草甸植物繁殖和擴(kuò)張的基床[1-2]，而土壤養(yǎng)分是草原植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，更是維持植物群落生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的保障[2-4]。然而土壤養(yǎng)分含量往往易受生物干擾而改變，甚至在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生重新配置[5]，其在生態(tài)環(huán)境脆弱、氣候相對(duì)嚴(yán)寒的青藏高原地區(qū)尤為突出[6]。因此,分析土壤養(yǎng)分含量對(duì)土壤擾動(dòng)者的響應(yīng)，是維持青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)健康的重要內(nèi)容。

高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)是青藏高原特有的營(yíng)家族生活的小型嚙齒類(lèi)動(dòng)物，它們通過(guò)挖洞、覆土、采食、排泄和鼠尸等形式，直接或間接地參與高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)[7-8]，因此被認(rèn)為是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的一種主要的土壤生物干擾者[9]。目前關(guān)于高原鼠兔干擾對(duì)土壤的影響仍然存在爭(zhēng)議。有研究表明，高原鼠兔干擾對(duì)高寒草甸土壤會(huì)產(chǎn)生積極作用，表現(xiàn)在增加土壤表層有機(jī)質(zhì)含量、含水量和養(yǎng)分含量[7,10]；但另外一些研究卻表明，高原鼠兔干擾會(huì)對(duì)高寒草甸產(chǎn)生不利作用，表現(xiàn)在降低土壤肥力，增加CO2排放量[11]，降低優(yōu)質(zhì)牧草比例[12-13]，加速高寒草甸退化[4,14-15]。造成這種差異的主要原因是有些研究考慮了高原鼠兔干擾強(qiáng)度[4,15]，而有些研究則忽略了高原鼠兔的干擾強(qiáng)度[7,10-14]。最新研究表明，高原鼠兔干擾對(duì)高寒草甸土壤養(yǎng)分的影響不僅與干擾強(qiáng)度有關(guān)[4,16]，還與草甸類(lèi)型有關(guān)[17-18]。

高原鼠兔具有移動(dòng)特征，且一年內(nèi)能夠生2～5胎[19]，因此利用高原鼠兔密度直接確定其干擾強(qiáng)度具有一定的難度。高原鼠兔對(duì)土壤的干擾，是高原鼠兔多種行為的綜合結(jié)果，目前國(guó)內(nèi)外均采用單位面積有效洞口密度劃分高原鼠兔干擾強(qiáng)度[18,20-21]。然而高原鼠兔的廢棄洞口，依然能夠通過(guò)影響土壤含水量和通氣性而影響土壤性質(zhì)，表現(xiàn)在廢棄鼠洞仍然能接納天然降水入滲，增加土壤含水量，富集土壤有機(jī)質(zhì)[7,15]。陳劍等[22]認(rèn)為高原鼠兔總洞口密度不僅能反映高原鼠兔干擾強(qiáng)度，而且能反映高原鼠兔挖掘的活動(dòng)量。事實(shí)上，野外調(diào)查高原鼠兔洞口時(shí)，測(cè)定總洞口密度要比測(cè)定有效洞口密度簡(jiǎn)單，省時(shí)省力，因此，研究高原鼠兔干擾影響高寒草甸土壤性質(zhì)時(shí)，對(duì)究竟是總洞口密度還是有效洞口密度更具有指示性，目前沒(méi)有共識(shí)性結(jié)論。若有效洞口密度和總洞口密度兩者之間可以相互替代，那么用總洞口密度替代有效洞口密度，將會(huì)簡(jiǎn)化調(diào)查工作的難度，給野外調(diào)查工作帶來(lái)極大便利，節(jié)省人力和物力。然而高原鼠兔總洞口密度和有效洞口密度對(duì)高寒草甸土壤性質(zhì)的影響是否趨同，尚需科學(xué)研究提供證據(jù)。

青藏高原高寒草地中草甸類(lèi)型較多[23]，其中高山嵩草(Kobresiapygmaea)草甸是高寒草地的主要類(lèi)型之一，也是高原鼠兔最適棲息的草甸類(lèi)型之一[20]。本研究以高山嵩草草甸為對(duì)象，通過(guò)分析高原鼠兔干擾對(duì)土壤主要養(yǎng)分的影響，以及高原鼠兔總洞口密度和有效洞口密度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系，闡明能否用高原鼠兔總洞口密度替代有效洞口密度來(lái)研究高原鼠兔干擾對(duì)高寒草甸土壤性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究地區(qū)位于青藏高原東緣，隸屬甘肅省瑪曲縣境內(nèi)(33°06′-34°30′ N，100°40′-102°29′ E)，海拔3 300～4 806 m，屬典型高原大陸性氣候，多風(fēng)、寒冷且潮濕，年均溫1.2 ℃，月均溫差異較大，1月份的月均溫低達(dá)-10 ℃，7月份的月均溫則高達(dá)11.7 ℃。年降水量約為564 mm，主要集中在5-9月，年蒸發(fā)量為1 000～1 500 mm。全年日照時(shí)數(shù)約為2 613.9 h，年內(nèi)相對(duì)無(wú)霜期僅19 d，沒(méi)有絕對(duì)無(wú)霜期。

土壤類(lèi)型為亞高山草甸土，其中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)多以有機(jī)態(tài)形式存在，表層草皮層約有7 cm厚，有機(jī)質(zhì)含量可達(dá)到100～150 g·kg-1，土壤潛在肥力較高[24]。草地類(lèi)型為高寒草甸，以莎草科嵩草屬的高山嵩草為主要優(yōu)勢(shì)種，常見(jiàn)伴生種有垂穗披堿草(Elymusnutans)、小花草玉梅(Anemonerivularisvar.flore-minore)、鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、莓葉委陵菜(Potentillafragarioides)等[25-27]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和野外調(diào)查

2016年7月在瑪曲縣完成野外樣地調(diào)查和取樣。調(diào)查區(qū)為圍欄的冷季草地，即夏季不放牧，圍欄主要是避免夏季其他草食動(dòng)物的干擾，且便于冷季家畜放牧。首先選擇高原鼠兔干擾樣地，以高原鼠兔洞口和高原鼠兔出沒(méi)為基準(zhǔn)。然后根據(jù)草甸類(lèi)型和地貌特征，在干擾樣地附近選擇等同面積的未干擾樣地，以沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高原鼠兔和高原鼠兔洞口為基準(zhǔn)[28]。驅(qū)車(chē)沿公路前行下一個(gè)地點(diǎn)，選擇另外一個(gè)干擾樣地和未干擾樣地，共計(jì)選擇10個(gè)干擾樣地和10個(gè)未干擾樣地。10個(gè)干擾樣地和10個(gè)未干擾樣地地貌基本一致，草甸類(lèi)型均為高山嵩草草甸，植物群落組分基本相似，優(yōu)勢(shì)種為高山嵩草，主要伴生種有達(dá)烏里秦艽(Gentianadahurica)、小花草玉梅、莓葉委陵菜等[25-27]。各研究地點(diǎn)之間的距離為1～5 km，每個(gè)地點(diǎn)干擾樣地和未干擾樣地之間距離為500～1 000 m，形成一個(gè)緩沖區(qū)域，干擾樣地和未干擾樣地整體上呈現(xiàn)為交錯(cuò)分布狀態(tài)[17,29]。樣地面積為25 m×25 m，每個(gè)樣地的四角采用木樁標(biāo)記，四周采用塑料繩標(biāo)記。干擾樣地內(nèi)，觀測(cè)高原鼠兔的總洞口數(shù)(包括新鮮、廢棄及枯竭的洞穴)并記錄[29]，然后采用3 d堵洞法測(cè)定各樣地的有效洞口數(shù)并取其平均值[20,30-31]，10個(gè)干擾樣地內(nèi)有效洞口密度和總洞口密度變化較大(表1)。在各干擾樣地和未干擾樣地內(nèi)采用“W”型布置5個(gè)1 m×1 m的樣方，樣方間隔約8 m，在每個(gè)樣方內(nèi)用直徑為10 cm的土鉆隨機(jī)收集0-20 cm的土樣3次，在干擾樣地內(nèi)避免取樣點(diǎn)位于洞口和裸斑處，將3次取得的土樣混合均勻成一個(gè)土樣，總共收集到100個(gè)土樣，將所有土樣均裝入密封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 樣地內(nèi)高原鼠兔洞口密度Table 1 The densities of burrow entrances for plateau pika in study areas entrance·hm-2

1.3 土壤樣品分析

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)首先去除土壤樣品中的植物調(diào)落物，根系及石頭等雜質(zhì)，然后在室溫條件下自然風(fēng)干，再經(jīng)充分研磨后過(guò)0.25 mm的尼龍篩，以分析土壤N、P、K和C含量。土壤全氮(total nitroges,TN)采用凱氏定氮法測(cè)定，土壤有機(jī)碳(soil organic carbon,SOC)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，土壤銨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)采用自動(dòng)流動(dòng)分析儀測(cè)定，土壤全磷(total P,TP)和速效磷(available P,AP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定，土壤全鉀(total K,TK)和速效鉀(available K,AK)采用火焰分光光度計(jì)測(cè)定，測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[32]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

首先采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析高原鼠兔干擾對(duì)土壤氮、磷、鉀和碳含量的影響是否顯著，若差異不顯著，則不做進(jìn)一步分析；若差異顯著，再用R-3.3.2-windows軟件的ggplot2程序包擬合干擾梯度和土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 高原鼠兔干擾對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

高原鼠兔干擾顯著影響了土壤有機(jī)碳(F=1.034，df=18，sig(雙側(cè))=0.032)、全氮(F=0.043，df=18，sig(雙側(cè))=0.003)、全磷(F=1.744，df=18，sig(雙側(cè))=0.038)、銨態(tài)氮(F=0.012，df=18，sig(雙側(cè))=0.027)、硝態(tài)氮(F=0.814，df=18，sig(雙側(cè))=0.030)和速效磷(F=0.214，df=18，sig(雙側(cè))=0.047)含量，但土壤全鉀和速效鉀含量的影響不顯著(P>0.05)，表現(xiàn)為干擾樣地土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著高于未干擾樣地的土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(P<0.05)，而干擾樣地土壤速效磷含量卻顯著低于未干擾樣地土壤速效磷含量(圖1)。

2.2 高原鼠兔洞口密度與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系

高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度與土壤有機(jī)碳含量的關(guān)系基本趨同，表現(xiàn)為隨高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度增加，土壤有機(jī)碳含量先增加后降低，分別在670和1 271個(gè)·hm-2時(shí)最高(圖2)。

2.3 高原鼠兔洞口密度與土壤氮含量的關(guān)系

隨高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度增加，土壤全氮和速效氮含量變化趨勢(shì)不一致，其中土壤全氮含量先增加后降低，在754和1 381個(gè)·hm-2時(shí)達(dá)到最高，然而土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量卻先降低后增加，其中銨態(tài)氮含量在有效洞口密度為717 個(gè)·hm-2，總洞口密度為1 345個(gè)·hm-2時(shí)最低，硝態(tài)氮含量在有效洞口密度為577個(gè)·hm-2，總洞口密度為1 156個(gè)·hm-2時(shí)最低(圖3)。

圖1 高原鼠兔干擾對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Fig. 1 Effects of plateau pika disturbance on the concentration of soil nutrients

圖2 高原鼠兔洞口密度對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響Fig. 2 Effects of the density of burrow entrances of plateau pika on the concentration of organic carbon in the soil

圖中灰色陰影部分表示95%的置信區(qū)間，垂直線(xiàn)表示拐點(diǎn)位置，ABED表示有效洞口密度，TBED表示總洞口密度，下同。

The shaded part of the figure indicates the 95% confidence interval, the vertical line indicates the position of the inflection point, ABEDindicates the density of active burrow entrances, TBEDindicates the density of total burrow entrances; similarly for the following figures.

2.4 高原鼠兔洞口密度與土壤磷含量的關(guān)系

高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度對(duì)土壤全磷含量和速效磷含量的影響不同。隨高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度增加，土壤全磷含量表現(xiàn)為先增加后降低，且在有效洞口密度為666個(gè)·hm-2，總洞口密度為1 264個(gè)·hm-2時(shí)達(dá)到最高；而土壤速效磷含量卻表現(xiàn)為先降低后增加，在有效洞口密度為697個(gè)·hm-2，總洞口密度為1 306個(gè)·hm-2時(shí)最低(圖4)。

3 討論與結(jié)論

作為土壤擾動(dòng)者，高原鼠兔是高寒草甸土壤養(yǎng)分含量變化的主要影響者之一[33-34]。本研究表明，高原鼠兔干擾雖然沒(méi)有顯著影響土壤全鉀和速效鉀含量，但顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，降低了土壤速效磷含量，這與囊鼠干擾增加北美草原土壤全氮含量[35]，土撥鼠干擾增加奇瓦瓦州草原土壤碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果一致[36]。高原鼠兔干擾增加有機(jī)碳和全氮含量的主要途徑可能包括下列幾個(gè)方面：首先，高原鼠兔覆土作用掩埋植被[14,37]，增加了土壤有機(jī)碳的輸入量；其次，高原鼠兔排泄物會(huì)形成肥島[34,38]，增加土壤有機(jī)質(zhì)輸入量，因此，高原鼠兔干擾樣地內(nèi)土壤有機(jī)碳和全氮含量增加。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量取決于土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率和參與分解的微生物的活性[7,39]，高原鼠兔干擾后土壤有機(jī)碳和全氮含量的增加會(huì)提高土壤微生物獲得自身氮素的能力，從而間接提高了有機(jī)質(zhì)的分解速率[10]，加快土壤礦化作用[33]；然而高原鼠兔干擾加速了土壤水分從表層向深層的滲透[17]，其淋溶作用使土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮向深層土壤轉(zhuǎn)移，另外，植物吸收一定量的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，但整體上銨態(tài)氮和硝態(tài)氮減少量可能小于礦化作用增加的量，因此高原鼠兔干擾最終會(huì)增加土壤淺層的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。土壤全磷和全鉀含量主要取決于土壤母質(zhì)，而土壤全磷包含有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷，有機(jī)磷含量與土壤有機(jī)質(zhì)含量正相關(guān)，而土壤有機(jī)質(zhì)中含鉀量較少[40]，因此，高原鼠兔干擾對(duì)土壤鉀含量的變化影響甚微，出現(xiàn)母質(zhì)相同時(shí)，高原鼠兔干擾會(huì)顯著增加土壤全磷含量，而對(duì)土壤全鉀含量沒(méi)有影響的現(xiàn)象。高原鼠兔干擾降低了土壤速效磷含量，主要是由于高原鼠兔干擾后土壤水分下滲能力增加，淋溶作用將速效磷帶到深層土壤，同時(shí)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收作用增強(qiáng)[17]，從而導(dǎo)致淺層土壤速效磷降低。土壤速效鉀含量主要取決于土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)[40],這主要取決于土壤類(lèi)型，由于干擾樣地和未干擾樣地土壤類(lèi)型一致，故高原鼠兔干擾沒(méi)有明顯影響土壤速效鉀含量。

圖3 高原鼠兔洞口密度對(duì)土壤氮含量的影響Fig. 3 Effects of the density of burrow entrances of plateau pika on the concentration of nitrogen in the soil

圖4 高原鼠兔洞口密度對(duì)土壤磷含量的影響Fig. 4 Effects of the density of burrow entrances of plateau pika on the concentration of phosphorus in the soil

高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度對(duì)土壤主要養(yǎng)分含量的影響趨勢(shì)一致，其中全效養(yǎng)分含量(土壤有機(jī)碳、全氮和全磷)隨高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化過(guò)程，而速效養(yǎng)分含量(銨態(tài)氮，硝態(tài)氮，速效磷)呈現(xiàn)為先降低后增加的變化趨勢(shì)，這與Pang和Guo[18]以及Yu等[17]對(duì)高原鼠兔有效洞口密度與土壤主要養(yǎng)分含量關(guān)系的研究結(jié)果類(lèi)似，說(shuō)明高原鼠兔干擾對(duì)土壤養(yǎng)分的影響存在理論閾值，且高原鼠兔總洞口密度的閾值大于有效洞口密度，干擾程度在有效洞口密度與總洞口密度各自的閾值范圍內(nèi)，土壤全效養(yǎng)分含量均會(huì)顯著增加，而干擾強(qiáng)度低于或高于該閾值時(shí)，全效養(yǎng)分含量會(huì)降低[17-18,41]。在低干擾強(qiáng)度時(shí)，草地植被蓋度和生物量相對(duì)較高，植被緩沖作用使土壤溫度較低[16]，且致密草氈層使土壤水分下滲困難，以地表徑流形式流失[15]，土壤含水量較低，因此微生物活性變化不大，有機(jī)質(zhì)分解作用和土壤礦化作用變化不大。與低干擾強(qiáng)度相比，中等干擾強(qiáng)度時(shí)高原鼠兔能夠掩埋更多的植被，尿液和糞便等排泄物也會(huì)增多，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮輸入增加，適宜高原鼠兔干擾增加了土壤通透性和持水能力[16,24]，土壤溫度相對(duì)升高，礦化作用和分解作用相對(duì)增強(qiáng)，但整體上表現(xiàn)為輸入大于輸出，因此中干擾強(qiáng)度時(shí)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量達(dá)到最大；當(dāng)高原鼠兔干擾強(qiáng)度超過(guò)閾值時(shí)，植被蓋度和生物量更低[42-43]，土壤有機(jī)質(zhì)的來(lái)源大幅度減少，高原鼠兔挖掘活動(dòng)產(chǎn)生的裸斑面積增大，土壤溫度和通氣性增強(qiáng)，蒸發(fā)量增大[18,21]，從而刺激微生物活性增強(qiáng)，促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的分解速率，土壤礦化作用增強(qiáng)，使土壤有機(jī)質(zhì)和全氮輸出增加，因此土壤有機(jī)碳和全氮含量降低。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和速效磷含量在高原鼠兔有效洞口密度與總洞口密度閾值范圍內(nèi)顯著降低，主要原因可能是中等干擾程度下，植被蓋度和生物量雖然有一定程度的降低[25]，但植物群落組分內(nèi)禾本科植物比例或類(lèi)禾草植物比例顯著增加，而禾本科植物喜食氮素[18]，從而使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量降低，隨干擾強(qiáng)度增加，植物組分雜草比例增加[28]，加之植被蓋度和生物量大幅度降低[42-43]，其吸收和利用銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的能力減弱，使銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量逐漸增加。土壤中速效磷主要來(lái)源于土壤母質(zhì)，高原鼠兔干擾后在淋溶作用的影響下，速效磷含量逐漸降低，同時(shí)在高原鼠兔中度干擾時(shí)，其洞口附近的植物生物量有所改善[14]，植物對(duì)養(yǎng)分的吸收作用增強(qiáng)[17]，因此在中度干擾時(shí)土壤速效磷含量最低。隨高原鼠兔干擾的增加植被蓋度和生物量顯著降低[42-43]，植物吸收和利用速效磷的能力減弱，淋溶作用降低的量可能小于植被吸收利用減少而增加的量，因此速效磷含量逐漸升高。

綜上，高原鼠兔干擾對(duì)土壤全效養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量的影響不一致，高原鼠兔有效洞口密度和總洞口密度與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系一致，但采用總洞口密度測(cè)定時(shí)土壤養(yǎng)分含量變化的拐點(diǎn)大于有效洞口密度，二者變化過(guò)程趨同。因此，在評(píng)估高原鼠兔干擾程度對(duì)高寒草甸土壤養(yǎng)分含量影響的趨勢(shì)時(shí)，可考慮用研究區(qū)域內(nèi)高原鼠兔總洞口密度代替有效洞口密度，可以改進(jìn)有效洞口密度測(cè)定時(shí)費(fèi)工費(fèi)時(shí)費(fèi)力的不足之處。