孫華方, 李希來,2,3, 金立群, 張 靜, 李清德

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院, 青海 西寧 810016; 2.青海大學(xué) 省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810016; 3.中國科學(xué)院 西北高原生物研究所,青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008; 4.青海省民和縣農(nóng)牧局， 青海 民和 810800)

黃河源區(qū)地處青藏高原腹地，是中華民族最重要的淡水資源庫,也是高寒生物自然種質(zhì)基因資源庫[1]。隨著全球氣候變暖與過度人為影響，黃河源區(qū)高寒濕地、草甸發(fā)生退化，局部草甸出現(xiàn)破碎化、島嶼化，退化為成“黑土灘”,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量流失，土壤堿化、旱化，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境與人類生產(chǎn)活動(dòng)[2-4]。目前，退化草地的人工干預(yù)治理方法大致可分為兩類：第一類是充分依靠現(xiàn)存植被，通過補(bǔ)播改良措施、圍欄封育等形成半人工草地；第二類是進(jìn)行翻耕種植禾本科植物牧草形成人工草地[5]。大量研究表明，人工草地的建立能夠短時(shí)間提高地上植被覆蓋率，減少蒸發(fā)量，減少水土流失，提高草地生產(chǎn)力[6]，但人工草地與天然草地不同，其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，極易發(fā)生退化，再次形成“黑土灘”[2]。對人工草地植被群落結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)的調(diào)查，能夠了解人工草地植被群落及土壤養(yǎng)分演替狀況，一定程度上可預(yù)測人工草地的演替方向。目前，三江源大部分人工草地植被群落結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)等方面研究[7-9]時(shí)間尺度短，缺乏對長時(shí)間建植人工草地的系統(tǒng)研究。

本文擬選取黃河源區(qū)青海省果洛州瑪沁縣大武灘上不同建植年限(3，11，17 a)的人工草地，對植物群落特征和土壤養(yǎng)分分布異質(zhì)性進(jìn)行調(diào)查分析，旨在準(zhǔn)確把握人工草地植被與土壤的恢復(fù)狀況，找出引起不同建植年限人工草地植被特征與土壤養(yǎng)分差異的驅(qū)動(dòng)因子，為退化高寒草甸(濕地)的近自然恢復(fù)和縮短退化草地恢復(fù)時(shí)間提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究樣地概況

試驗(yàn)地區(qū)位于青海省果洛州瑪沁縣，年均降水量443 mm，年平均氣溫-0.6 ℃，牧草生長期156 d，土壤類型為高山草甸土。

選擇瑪沁縣乳品廠、磚瓦場、格多牧委會種植年限分別為17 a(2000年種植)、11 a(2006年種植)、3 a(2014年種植)的垂穗披堿草(Elymusnutans)單播人工草地，面積均為100 m×100 m(表1)。人工草地建植之前屬于典型“黑土灘”退化草地，優(yōu)勢種莎草科植物被毒雜草取代，原生植被不足10%，裸露地大面積存在，植被主要由鐵棒槌(Aconitumpendulum)、鵝絨葦陵菜(Potentillaanserina)、黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)等組成。人工草地所用垂穗披堿草種子由當(dāng)?shù)夭葑逊敝硤錾a(chǎn)，播量為45 kg/hm2，施肥量為45 kg/hm2(磷酸二銨復(fù)合肥)，農(nóng)藝措施為:深翻—耙平—施肥—撒種—覆土—鎮(zhèn)壓—圍欄封育，詳見馬玉壽等[5]研究報(bào)道。人工草地冬季放牧利用(每年12月至次年4月)，生長季完全禁牧，使用C-型肉毒素控制高原鼠兔種群數(shù)量。

表1 試驗(yàn)區(qū)人工草地概況

1.2 研究方法

2017年8月，在3 a和11 a的人工草地隨機(jī)設(shè)置3條樣線，由于建植17 a的人工草地局部地區(qū)發(fā)生退化，設(shè)置6條樣線進(jìn)行采樣。每條樣線長30 m，每隔10 m在樣線附近布置1個(gè)0.5 m×0.5 m的樣方。調(diào)查樣方內(nèi)植物總蓋度、禾本科、莎草科、雜類草蓋度、垂穗披堿草蓋度、生物土壤結(jié)皮蓋度，清點(diǎn)樣方內(nèi)生殖枝數(shù)量。挖取樣方內(nèi)0—10 cm土壤，自封袋封裝標(biāo)記帶至實(shí)驗(yàn)室備用。計(jì)算多樣性指數(shù)(Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù))[10]。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀和pH值這8項(xiàng)指標(biāo)由青海省農(nóng)林科學(xué)院分析測試中心檢測，電位法測定土壤pH值，重鉻酸鉀—H2SO4氧化—(油浴)外加熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)，半微量凱氏定氮法測定土壤全氮，“堿解—鉬銻抗比色法”測定土壤全磷，“堿熔—火焰光度”法測定土壤全鉀，“堿解—擴(kuò)散”法測定土壤速效氮，“鹽酸—硫酸浸提法”測定土壤速效磷，“中性1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度發(fā)”測定土壤速效鉀。

隨機(jī)森林法：是基于分類樹的一種集成算法。通常利用平均準(zhǔn)確率降低度判斷變量的重要性。平均準(zhǔn)確率降低度是指變量取值發(fā)生輕微變化后，隨機(jī)森林分析的準(zhǔn)確性的降低程度，準(zhǔn)確率降低度越大，代表該變量越重要。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植年限人工草地植被特征

不同年限人工草地垂穗披堿草蓋度差異不顯著(p>0.05)。建植年限較長(17,11 a)的人工草地上植被總蓋度均在90%以上，顯著高于3 a樣地中植被總蓋度(78.33%，p<0.01)。莎草科植物蓋度隨著建植年限的增加逐漸增加，從3 a樣地的1%增加到17 a樣地的9.4%。建植11 a的人工草地中植物生殖枝數(shù)量最多，且多為禾本科植物生殖枝，在不同年限之間數(shù)量差異不顯著(p>0.05)。建植11 a和17 a的人工草地植物多樣性指數(shù)顯著高于3 a人工草地中多樣性指數(shù)(表2)。

表2 不同年限人工草地植物群落特征(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

注：不同大寫字母表示均值間差異極顯著(p<0.01); 不同小寫字母表示均值間差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同種植年限人工草地土壤特征

人工草地土壤全氮、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨著建植年限的增加而增加(見圖1)。不同年限人工草地土壤全氮含量之間差異極顯著(p<0.01)，當(dāng)人工草地建植3 a時(shí)，土壤全氮含量為2.78 g/kg，在建植17 a時(shí)，土壤全N含量是建植3 a的土壤全N的1.5倍，為4.24 g/kg。17 a人工草地土壤速效氮含量與3 a人工草地土壤速效氮含量差異極顯著(p<0.01)，但3 a人工草地土壤速效氮含量與11 a人工草地含量差異不大。建植3 a人工草地中速效鉀的含量為150 mg/kg左右，其含量分別顯著小于建植11，17 a人工草地土壤速效鉀含量(p<0.05)。隨建植年限增加，土壤全磷含量、速效磷含量有下降趨勢，建植3 a人工草地中土壤全磷含量、速效磷含量最高。土壤全鉀含量在11 a人工草地土壤中含量最多(25.40 g/kg)。3，11，17a人工草地土壤pH之間差異顯著(p<0.05)，隨著人工草地年限增加由弱堿性逐漸趨向于中性。

2.3 不同年限人工草地植被與土壤特征變化

不同年限人工草地植被和土壤特征存在差異(見圖2)。全氮的平均準(zhǔn)確率降低度最大，為25.71，即不同年限人工草地土壤中全氮含量差異最大；其次是有機(jī)質(zhì)，為18.55；生物土壤結(jié)皮不同年限人工草地中的分布差異也很大，平均準(zhǔn)確率降低度數(shù)值為13.41，pH值為10.28。均勻度指數(shù)、禾本科蓋度在不同年限人工草地間差異較小，而土壤養(yǎng)分中全磷、全鉀不同年限間差異最小。

如表3所示，人工草地中土壤全氮含量與禾本科植物蓋度、莎草科植物蓋度、Shannon-Wiener指數(shù)以及速效氮、速效磷含量顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.383，0.335，0.358，0.802，-0.370；p<0.05)，而與Simpson指數(shù)、速效鉀含量極顯著相關(guān)(0.462，0.671；p<0.01)。有機(jī)質(zhì)含量與Simpon指數(shù)以及速效氮、速效鉀相關(guān)性很強(qiáng)，且均為正相關(guān)關(guān)系(0.796，0.659，p<0.01)。生物土壤結(jié)皮與速效磷含量之間顯示顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.416；p<0.05)，與Simpson指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(0.363；p<0.05)。土壤pH值而與莎草科植物之間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.342；p<0.05)，與速效磷之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.524；p<0.01)?？偵w度與禾本科植物蓋度、生殖枝數(shù)、速效氮以及速效磷之間有顯著相關(guān)關(guān)系(0.418，0.414，0.399，-0.392；p<0.05)，與速效鉀之間具有極顯著正相關(guān)關(guān)系(0.640，p<0.01)。

注：不同大寫字母表示均值差間差異極顯著(p<0.01); 不同小寫字母表示均值差間差異顯著(p<0.05)。圖1 不同年限人工草地土壤化學(xué)性質(zhì)特征

圖2 不同年限人工草地土壤養(yǎng)分與植被的差異性大小排序表3 土壤性質(zhì)與植被特征的關(guān)系

相關(guān)系數(shù)垂穗披堿草蓋度%禾本科蓋度%莎草科蓋度%Simpson指數(shù)Shannon-Wiener指數(shù)Pielou均勻度指數(shù)生殖枝數(shù)/(個(gè)·m-2)速效氮速效磷速效鉀全氮-0.293-0.383*0.335* 0.462**0.358*0.2000.0650.802*-0.370*0.671**有機(jī)質(zhì)-0.243-0.109 0.3130.413*0.317-0.017 -0.03 0.796**-0.3720.659**生物土壤結(jié)皮蓋度-0.0820.126-0.129 0.363*0.337*-0.098 0.218-0.034 -0.416*0.275pH值-0.045-0.056 -0.342*-0.190 -0.190 -0.235 0.085-0.203 -0.524**0.377*總蓋度0.2920.418*-0.093 0.2180.1940.120 0.414*0.399*-0.392*0.640**

注：*表示在0.05水平到達(dá)顯著，**表示在0.01水平達(dá)到顯著。

3 討 論

3.1 不同年限人工草地植被特征的變化

建立人工草地是治理退化草地的一種十分有效的方法。在人工草地初期，垂穗披堿草占據(jù)優(yōu)勢，表現(xiàn)出明顯的生產(chǎn)性。隨著建植年限增加和人為放牧活動(dòng)，以及外來物種侵入，人工草地土壤種子庫逐漸形成，垂穗披堿草人工草地中出現(xiàn)了一些其他科屬植物，如在建植3 a的人工草地中逐漸出現(xiàn)了少量其他的禾本科植物，如早熟禾、洽草等，物種多樣性也增加，這一結(jié)果與周華坤等[11]的研究結(jié)果相似。建植初期的人工草地蓋度僅在78%左右，呈現(xiàn)部分裸露地表，為雜類草的生長和土壤種子庫[12]的形成提供良好的條件。隨人工草地覆蓋度的增加，抑制了水土流失，有利于人工草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[13-15]。伴隨著人工草地的逐步演替，苔蘚等低等植物開始出現(xiàn)，還有少量的莎草科植物，如矮嵩草(Kobresiahumilis)等，這說明人工草地開始進(jìn)入自然恢復(fù)過程。隨建植年限的增加，苔蘚等生物結(jié)皮的蓋度變大，如建植11 a的人工草地中苔蘚結(jié)皮蓋度達(dá)到了54.67%。隨著人工草地建植年限的延長，草地物種多樣性增加，如Simpson指數(shù)從0.37增加到0.94，使人工草地群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，說明人工草地從生產(chǎn)恢復(fù)型逐漸向生態(tài)恢復(fù)型轉(zhuǎn)化。

莎草科植物如高山嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草等是高寒草甸的優(yōu)勢種，而17 a人工草地優(yōu)勢種依然是披堿草等禾本科類植物，莎草科植物蓋度較小，說明人工草地仍處于演替中，演替至天然原生草地還需要更長的時(shí)間。

3.2 不同年限人工草地土壤特征的變化

土壤養(yǎng)分分布特征受多方面的影響，如植被特征、放牧活動(dòng)等。不同年限人工草地植被特征不同，植被對養(yǎng)分的利用方式也不同，導(dǎo)致不同年限人工草地土壤具有異質(zhì)性。調(diào)查分析，不同建植年限人工草地中土壤全氮含量差異最大，其次是有機(jī)質(zhì)。全氮含量與禾本科植物蓋度之間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，即禾本科植物不利于土壤全氮的積累，可能與禾本科植物自身生長特征有關(guān)，首先禾本科植物需從土壤中吸收氮素維持自己的生長，其次是枯死的禾本科植物的根茬、莖干C/N比很高，可達(dá)到100∶1，高的C/N條件下微生物對其分解的過程中，因氮素不足影響地上植被養(yǎng)分回歸土壤[16]。所以建植初期(3 a)以禾本科植物為優(yōu)勢種的人工草地中土壤養(yǎng)分的分布主要受禾本科植物的影響。隨著建植年限的增長，植物多樣性增加，禾本科植物逐漸被固氮、易降解的植物取代，與此同時(shí)，生物結(jié)皮也大量出現(xiàn)，促進(jìn)了土壤全氮及其他養(yǎng)分的積累[17]。

土壤有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。引起土壤有機(jī)質(zhì)分布差異性的原因有很多，其中放牧活動(dòng)是一個(gè)重要影響因素。家畜可以通過啃食活動(dòng)影響地上植被分布特征，間接影響土壤有機(jī)質(zhì)的分布[18]。在建植年限較短的人工草地中，群落結(jié)構(gòu)單一，耐牧性差，放牧利用后，地上生物量大量減少，影響了養(yǎng)分的歸還，有機(jī)質(zhì)與其他土壤養(yǎng)分積累效率降低甚至是負(fù)積累；而畜蹄的踩踏增加土壤緊實(shí)度，對土壤養(yǎng)分的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，與此同時(shí)，在建植年限短地表較松軟的人工草地中，畜蹄的踩踏會造成地面塌陷，產(chǎn)生水土流失，加速土壤養(yǎng)分的流失。當(dāng)人工草地群落結(jié)構(gòu)趨于多樣復(fù)雜后，草地耐牧性變強(qiáng)，不同生態(tài)位植物可補(bǔ)償放牧帶來的不良影響。此外，隨著土壤環(huán)境變好，土壤微生物數(shù)量增多[19-20]，在微生物的作用下有機(jī)質(zhì)向速效養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化效率增加，有利于速效氮與速效鉀的積累，也可人為施加氮肥以促進(jìn)植被生長，而植被覆蓋度作為一個(gè)影響土壤養(yǎng)分的關(guān)鍵因素，可減少水土流失，保水保肥。與此同時(shí)，土壤pH值也逐漸趨于中性，退化草地土壤恢復(fù)趨勢明顯。但各建植年限人工草地土壤養(yǎng)分距離原生草甸土壤全氮含量(7.0～7.03 g/kg)、土壤有機(jī)質(zhì)含量(103.1 g/kg)[7,21]相差很多，因此需要更長時(shí)間，人工草地的土壤才能夠完全恢復(fù)。

放牧活動(dòng)是青藏高原草地主要的利用方式，家畜的不同生活習(xí)性、踩踏行為都會對植被與土壤分布產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)研究結(jié)果中土壤全氮、速效氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量隨著建植年限的增加，逐漸積累增加，與王長庭等[22]的研究結(jié)果有些不同，隨著建植年限的增加土壤全氮與有機(jī)質(zhì)先減少后增加，可能是在研究樣地內(nèi)出現(xiàn)過度放牧現(xiàn)象，導(dǎo)致地上植物群落分布特征發(fā)生變化，地上生物量減少，引起植物對土壤全氮的利用方式發(fā)生了改變，導(dǎo)致土壤全氮的分布發(fā)生改變。本研究人工草地利用方式為生長季完全禁牧，冬季放牧，土壤全氮與有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)逐漸積累的趨勢。目前對放牧管理有很多方式，如禁牧、劃區(qū)輪牧、自由放牧、刈割等。禁牧有利于增加物種豐富度，提高土壤質(zhì)量[23]，但會造成草場浪費(fèi)，而自由放牧可能會引起局部放牧過重，局部草場浪費(fèi)，引起草地生態(tài)系統(tǒng)大的差異性，容易引起草地退化。本研究人工草地利用方式雖然實(shí)行冬季放牧，植被在生長季節(jié)能夠正常生長繁殖，但局部的過度放牧使人工草地演替緩慢，尤其對建植年限較短的人工草地影響更大。所以，對不同年限人工草地的利用方式以及人工草地放牧強(qiáng)度的閾值問題應(yīng)得到重視和進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

隨著人工草地年限增加，垂穗披堿草優(yōu)勢度降低，物種多樣性增加；原生高寒草甸優(yōu)勢種如高山嵩草、矮嵩草等莎草科植物，隨著人工草地恢復(fù)年限的增加，蓋度逐漸增加，人工草地趨于近自然恢復(fù)演替；人工草地土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效氮等養(yǎng)分含量隨著生長年限的增加而逐漸增加，土壤pH值逐漸趨于中性，說明人工草地土壤也在逐漸趨于自然恢復(fù)中，但建植17 a的人工草地土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量僅是原生高寒草甸土壤的一半左右，所以土壤養(yǎng)分達(dá)到完全恢復(fù)還需要很長時(shí)間。

不同恢復(fù)年限人工草地差異最大的是土壤全氮、有機(jī)質(zhì)含量，減輕放牧強(qiáng)度會縮短人工草地的恢復(fù)時(shí)間，同樣，優(yōu)化人工草地植物群落結(jié)構(gòu)，篩選適合在高寒地區(qū)生長的固氮植物或施加有機(jī)肥來促使人工草地的快速恢復(fù)，將是今后需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問題。