邵建翔， 劉育紅， 馬 輝， 魏衛(wèi)東,2*

(1. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016； 2. 青海省高寒草地適應(yīng)性管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810016)

青藏高原高寒草地作為我國面積最大、分布最廣的一種草地類型，與我國的生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)。然而由于人類活動(dòng)如過度放牧、過度開墾等影響造成高寒草地遭到不同程度的破壞[1]。為了恢復(fù)草地土壤肥力，維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性，研究草地土壤物理、化學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要[2]。目前針對高寒草地土壤理化性質(zhì)，已取得了較為豐富的研究結(jié)果，但由于土壤系統(tǒng)的復(fù)雜性、不同研究方法的差異性、研究樣地的空間異質(zhì)性、測定方法的不一致等原因，導(dǎo)致雖均以高寒草地土壤為研究對象，但取得的研究結(jié)果卻并不十分一致甚至結(jié)果相左。如吳江琪[3]研究表明，隨著草地退化加劇，土壤全磷含量上升；賀有龍[4]的研究結(jié)果則顯示，隨著草地退化加劇，土壤全磷顯著降低；隨著草地退化加劇，張生楹等[5]發(fā)現(xiàn)土壤全鉀含量相差不大；王玉琴[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤全鉀含量呈增大的趨勢。因此，在退化高寒草地，如果進(jìn)一步開展以土壤理化性質(zhì)為目標(biāo)的基礎(chǔ)性研究，或用于指導(dǎo)退化高寒草地恢復(fù)采取相應(yīng)措施時(shí)，難以有效利用已有的這些研究結(jié)果。為此，如果能夠?qū)σ延械拇罅垦芯拷Y(jié)果進(jìn)行科學(xué)綜合并將其數(shù)量化，則將極大地提高已有研究成果的應(yīng)用價(jià)值。

對已有研究結(jié)果的傳統(tǒng)述評往往具有一定局限性，如在綜述過程中可能帶有一定的主觀性，或當(dāng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)信息量很大時(shí)，缺乏科學(xué)且行之有效的匯總方法。而Meta分析(Meta-Analysis)是一種引入到生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的綜合定量分析方法，其對于研究文獻(xiàn)的檢索、納入、排除都有明確的原則體系，為每項(xiàng)研究給予的權(quán)重基于預(yù)先規(guī)定的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，這就為綜合分析提供了更加客觀的方法。本文利用退化高寒草地土壤理化性質(zhì)方面已有的研究結(jié)果，基于Meta方法分析高寒草甸、高寒草原在不同退化程度下土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 文獻(xiàn)收集及納入

2021年2月使用關(guān)鍵詞“高寒草地&退化”和“alpine meadow&alpine grassland°radation”)等在CNKI、萬方、維普、ScienceDirect、Engineering Village、web of science數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，檢索2000年至今的相關(guān)文獻(xiàn)，共檢索出2 490篇，排除重復(fù)文獻(xiàn)后為1 971篇，然后結(jié)合本研究目的，按下列標(biāo)準(zhǔn)作為納入Meta研究的條件對文獻(xiàn)進(jìn)行篩選[7]：①試驗(yàn)樣地為高寒草甸、高寒草原，樣地設(shè)置包括不同退化程度(含未退化)；②包含土壤理化性質(zhì)相關(guān)描述；③土樣在0～10 cm，10～20 cm范圍分層采集后分析測定得到理化性質(zhì)數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)為具體數(shù)值或圖表，數(shù)據(jù)包含平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。通過篩選最終納入79篇與高寒草地不同退化程度土壤理化性質(zhì)相關(guān)的文獻(xiàn)(表1)[4-5,8-83]。

表1 文獻(xiàn)內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)Table 1 Data in the literatures

本文選定的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)為：土壤含水量(Soil moisture content，SMC)、土壤酸堿度(pH)、土壤容重(Bulk density，BD)、土壤有機(jī)碳(Soil organ carbon，SOC)、土壤全氮(Total N，TN)、土壤全磷(Total P，TP)、土壤全鉀(Total K，TK)、土壤速效氮(Available N，AN)、土壤速效磷(Available P，AP)、土壤速效鉀(Available K，AK)。高寒草地退化程度包括為4個(gè)梯度，分別是未退化、輕度退化、中度退化、重度退化。草地退化程度依據(jù)任繼周[84]、趙新全[85]等的方法，結(jié)合“天然草地退化、沙化、鹽漬化分級指標(biāo)”(GB 19377-2003)進(jìn)行劃分。

1.2 數(shù)據(jù)提取整理

對納入分析的文獻(xiàn)進(jìn)行整理，提取各處理組的樣地?cái)?shù)、土壤理化性質(zhì)指標(biāo)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。按照Meta分析的要求將未退化草地設(shè)為對照組。進(jìn)行Meta分析時(shí)按不同草地類型即高寒草甸、高寒草原分別進(jìn)行，并按0～10 cm，10～20 cm兩個(gè)土層進(jìn)行亞組分析。

納入分析的文獻(xiàn)能夠直接提取平均值、標(biāo)準(zhǔn)差的則直接提取，文獻(xiàn)研究數(shù)據(jù)為圖表的，利用GetData2.2.0軟件提取數(shù)據(jù)；將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行整合；文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為有機(jī)質(zhì)含量時(shí)，按照有機(jī)質(zhì)(g·kg-1)=土壤有機(jī)碳(g·kg-1)×1.724換算為土壤有機(jī)碳含量；Meta分析結(jié)果使用sigmaplot12.5繪圖。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

利用Openmee軟件進(jìn)行Meta分析，處理組與對照組兩組均值數(shù)值之比作為響應(yīng)比R[86]，用響應(yīng)比反映不同退化程度草地土壤理化性質(zhì)的變化。

計(jì)算公式如下：

lnR=ln(Xt/Xc)

式中：Xt為處理組(輕度、中度、重度)的平均值，Xc為對照組(未退化草地)的平均值。

式中：nt和nc為樣本量，是處理組和對照組的重復(fù)次數(shù)，St和Sc分別為處理組和對照組標(biāo)準(zhǔn)差。利用方差的倒數(shù)W做權(quán)重因子對每個(gè)效應(yīng)量進(jìn)行加權(quán)，最后得出綜合響應(yīng)比M。

W= 1/v

M=lnRR(effect size)作為非參數(shù)權(quán)重加權(quán)之后的綜合效應(yīng)值:lnR×W

分析結(jié)果即效應(yīng)值的95%CI沒有跨越0時(shí)，該效應(yīng)達(dá)顯著水平(P<0.05)。

另外，用綜合響應(yīng)比lnRR計(jì)算相對變化率Y反映不同退化程度下土壤理化性質(zhì)的變化趨勢。計(jì)算公式為[87]：

Y=(RR-1)×100%

即Y=[exp(M)-1]×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 0～10 cm土層退化高寒草甸主要理化性質(zhì)特征

0～10 cm土層內(nèi)，不同退化程度高寒草甸土壤含水量較未退化差異顯著(P<0.05)，而中度、重度退化下，土壤容重較未退化差異顯著(P<0.05)。其中，土壤含水量隨退化加劇而持續(xù)下降，土壤容重隨退化加劇而持續(xù)上升，其相對變化率分別為：-28.68%，-40.6%，-51.22%；14.45%，25.1%，39.23%。

化學(xué)性質(zhì)中pH、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、速效氮各退化程度與未退化間差異顯著(P<0.05)，重度退化下的全鉀，中度、重度退化下的速效磷較未退化差異顯著(P<0.05)。土壤pH隨高寒草甸退化呈上升趨勢，其相對變化率為：1.81%，4.7%，5.65%。其余各指標(biāo)隨高寒草甸退化加劇呈下降趨勢。其中，土壤有機(jī)碳相對變化率為：-23.89%，-36.55%，-55.91%；全氮相對變化率：-19.82%，-30.02%，-51.03%；全磷相對變化率為：-14.52%，-20.94%，-37.62%；全鉀相對變化率為：-1.78%，-6.94%，-15.46%；速效氮相對變化率為：-28.68%，-35.85%，-36.61%；速效磷相對變化率為：-1.09%，-17.05%，-27.53%；速效鉀相對變化率為：-6.48%，-7.96%，-24.27%(圖1)?？梢钥闯觯吆莸?～10 cm土層隨著退化加劇，理化性質(zhì)的變化更為劇烈。

圖1 0～10 cm土層退化高寒草甸主要理化性質(zhì)特征Fig.1 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine meadows in the 0～10 cm soil layer注：n為相關(guān)指標(biāo)納入的文獻(xiàn)數(shù)，實(shí)心點(diǎn)表示效應(yīng)具有顯著性(95%CI不重疊0)，空心點(diǎn)表示效應(yīng)不存在顯著性，下同Note:n is the number of literatures,filled dots indicate that the effect is significant (95% CI does not overlap 0) and hollow dots indicate that the effect is not significant,the same as below

2.2 10～20 cm土層退化高寒草甸主要理化性質(zhì)特征

在10～20 cm土層的物理性質(zhì)變化趨勢中不同退化程度高寒草甸土壤含水量、容重較未退化差異顯著(P<0.05)。其中，土壤含水量隨退化程度加劇而顯著下降，其相對變化率為：-26.21%，-45.66%，-40.31%；土壤容重隨退化程度加劇顯著上升，其相對變化率為：13.42%，22.01%，25.23%。

各退化程度下高寒草甸pH、土壤有機(jī)碳、全氮、全磷以及中度、重度退化下的速效磷較未退化差異顯著(P<0.05)。退化高寒草甸pH隨退化加劇而持續(xù)上升，其余各指標(biāo)不同退化程度與未退化相比，均呈現(xiàn)下降趨勢，但下降幅度與0～10 cm土層不同。其中，土壤有機(jī)碳、全氮隨退化程度加劇而不斷下降，輕度、中度、重度退化較未退化其相對變化率分別為：-26.14%，-37.74%，58.48%；-7.59%，-21.33%，-24.04%(圖2)。而土壤全磷相對變化率為：-11.39%，-18.04%，-17.55%；土壤全鉀相對變化率為：-2.46%，-2.95%，-2.66%；土壤速效氮相對變化率為：-11.04%，-8.97%，-11.83%；速效磷相對變化率為：-1.78%，-16.8%，-13.58%；速效鉀相對變化率為：-7.41%，-3.82%，-10.05%。反映出隨著土層加深，土壤理化性質(zhì)變化不如0～10 cm土層有規(guī)律，但總體上看土壤容重、pH隨著退化加劇而上升，土壤含水量、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀隨著退化加劇呈現(xiàn)不同程度的下降。

圖2 10～20 cm土層退化高寒草甸主要理化性質(zhì)特征Fig.2 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 10～20 cm soil layer

2.3 0～10 cm土層退化高寒草原主要理化性質(zhì)特征

高寒草原0～10 cm土層物理性質(zhì)對退化的響應(yīng)與高寒草甸一致。隨著高寒草原退化加劇，土壤含水量呈下降趨勢，土壤容重與之相反。其中，各退化程度下土壤含水量較未退化差異顯著(P<0.05)。土壤含水量、容重相對變化率分別為：-24.49%，-43.61%，-51.95%；10.84%，17.23%，20.92%(圖3)。

圖3 0～10 cm土層退化高寒草原主要理化性質(zhì)特征Fig.3 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 0～10 cm soil layer

各退化程度下土壤有機(jī)碳、全氮；輕度、中度退化下pH；中度、重度退化下速效氮；重度退化下速效鉀與未退化相比均差異顯著(P<0.05)。土壤有機(jī)碳、全氮、速效氮、速效磷隨高寒草原退化加劇而下降劇烈，其相對變化率分別為：-15.63%，-38.36%，-56.95%；-18.2%，-36.61%，-37.74%；-8.14%，-25.76%，-42.76%；-1.19%，-9.42%，-13.58%。土壤全磷、速效鉀各退化程度較未退化均呈下降趨勢，但下降幅度各異，其相對變化率為：-1.19%，-8.05%，-4.97%；-27.45%，-32.63%，-31.47%。土壤全鉀輕度退化較未退化增加，而但在中度、重度退化程度又下降，其相對變化率為：14.11%，-9.51%，-11.39%。土壤pH輕度退化較未退化下降，但隨退化加劇下降幅度逐漸放緩，其相對變化率為：-1.488%，-0.19%，0.0%?？傮w來看，0～10 cm土層退化高寒草原較未退化相比，土壤容重上升、土壤含水量下降，化學(xué)性質(zhì)各指標(biāo)大體上呈現(xiàn)下降趨勢。

2.4 10～20 cm土層退化高寒草原主要理化性質(zhì)特征

研究結(jié)果顯示，10～20 cm土層各退化程度土壤含水量、重度退化下容重較未退化均差異顯著(P<0.05)。其變化規(guī)律與高寒草原0～10 cm土層以及相同土層的高寒草甸一致。隨著高寒草原退化加劇土壤含水量下降、土壤容重上升，其相對變化率分別為：-24.87%，-41.08%，-63.13%；8.11%，10.73%，27.37%(圖4)。

圖4 10～20 cm土層退化高寒草原主要理化性質(zhì)特征Fig.4 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 10～20 cm soil layer

各退化程度下土壤有機(jī)碳；輕度、中度退化下pH；重度退化下全氮、速效氮較未退化相比均差異顯著(P<0.05)。pH、土壤有機(jī)碳、速效鉀各退化程度較未退化均呈下降趨勢，其相對變化率依次為：-2.27%，-3.05%，-2.17%；-18.12%，-33.56%，-54.06%；-39.28%，-33.23%，-38.18%。土壤全氮、全磷、全鉀速效氮、速效磷各退化程度較未退化相比漲跌各不相同，其中全氮相對變化率為：7.25%，-16.88%，-49.74%；全磷相對變化率為-9.69%，-6.38%，3.04%；全鉀相對變化率為1.4%，-3.14%，-2.85%；速效磷相對變化率為-10.86%，-13.41%，8.11%(圖4)。

2.5 退化高寒草地理化性質(zhì)0～10 cm與10～20 cm土層間的相關(guān)性

不同退化程度高寒草甸淺層土壤理化性質(zhì)在兩個(gè)土層間的相關(guān)性表現(xiàn)不同。輕度退化下TK、AP，中度退化下TK，重度退化下SMC、AN兩土層間呈顯著相關(guān)(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)，其他各理化指標(biāo)兩土層間相關(guān)性均不顯著(表2)。

表2 主要理化性質(zhì)在0～10 cm、10～20 cm兩個(gè)土壤深度間的相關(guān)性Table 2 Correlation of the main physicochemical properties between two soil depths,0～10 cm and 10～20 cm

不同退化程度高寒草原淺層土壤理化性質(zhì)在兩個(gè)土層間的相關(guān)性有所不同，輕度退化下TP、TK，中度退化下TK，三個(gè)退化程度下AK兩土層間呈顯著相關(guān)(P<0.05)或極顯著相關(guān)(P<0.01)，其他各理化指標(biāo)兩土層間相關(guān)性均不顯著。

3 討論

3.1 草地退化對土壤理化性質(zhì)的影響

草地退化可以直接或間接地改變草地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分和環(huán)境，最終影響草地生態(tài)[88]。本研究中，我們綜合考慮了不同退化程度下高寒草甸、高寒草原的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，高寒草地0～20 cm土層內(nèi)，退化高寒草甸與高寒草原土壤含水量、容重、有機(jī)碳變化規(guī)律一致，均隨著草地退化加劇土壤含水量、有機(jī)碳顯著下降(P<0.05)，土壤容重上升。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因之一在于，高寒草地過度放牧等人為擾動(dòng)致使土壤表層緊實(shí)，蓄水能力和通透性下降，且這種不利影響隨著放牧強(qiáng)度的增加而加大，最終導(dǎo)致高寒草地土壤含水量的降低和土壤容重的上升更加劇烈[89]。而土壤有機(jī)碳與草地植物關(guān)系密切，有機(jī)碳含量呈動(dòng)態(tài)平衡且易受外部因素干擾[90]，退化高寒草地不僅表現(xiàn)為土壤退化，植被群落也相應(yīng)退化，由此改變了植物的碳同化能力進(jìn)而影響到植被群落的碳循環(huán)，加之土壤養(yǎng)分下降使得微生物所需能源物質(zhì)不足，影響到土壤微生物活性。因此，植被覆蓋度、土壤有機(jī)質(zhì)輸入和循環(huán)、微生物活性等的共同作用造成土壤有機(jī)碳含量下降。

全效、速效養(yǎng)分總體來看，0～20 cm土層內(nèi)高寒草甸隨退化加劇大致呈現(xiàn)全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀下降的變化趨勢。0～10 cm高寒草原除輕度退化下全鉀有所上升外，其余指標(biāo)與高寒草甸變化趨勢相同，而0～20 cm土層高寒草原各指標(biāo)的變化規(guī)律性不明顯。高寒草甸各指標(biāo)均下降，與草地退化在一定程度上影響地表植被，隨之在風(fēng)蝕、水蝕等的侵蝕作用下造成土壤養(yǎng)分不同程度流失有關(guān)[15]。另外，從研究結(jié)果看，高寒草原土壤理化性質(zhì)的變化趨勢規(guī)律性不如高寒草甸，可能的原因是，養(yǎng)分含量與土壤微生物有著密切的相關(guān)性，高寒草原與高寒草甸相比，土壤微生物區(qū)系發(fā)生了不同的改變，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分變化呈現(xiàn)不同特點(diǎn)。同時(shí)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)整體穩(wěn)定性也不如高寒草甸，且高寒草原環(huán)境的變化相對復(fù)雜，導(dǎo)致同等退化程度下高寒草原各指標(biāo)的變化幅度更大。

3.2 草地退化對生態(tài)與生產(chǎn)功能的影響

土壤養(yǎng)分含量對微生物具有決定性的影響[93]，微生物所需的六大營養(yǎng)素主要有碳源、氮源、水、能源、無機(jī)鹽、生長因子，其中全氮、有機(jī)碳是土壤微生物繁殖的首要因素。本研究發(fā)現(xiàn)，草地退化后土壤含水量、有機(jī)碳顯著下降，土壤全氮含量降低，因此，高寒草地退化對土壤微生物數(shù)量有所影響。另外，土壤有機(jī)碳、全氮是土壤肥力的基礎(chǔ)[94]，土壤容重則影響著土壤的物理屬性，退化發(fā)生后，有機(jī)碳等含量下降，土壤容重有所上升，這些理化性質(zhì)的變化都不利于植物根系生長，所以退化高寒草地一定程度影響上群落植物的生長。另外，賈玉山等證明草地牧草可消化總養(yǎng)分與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮呈正相關(guān)關(guān)系[95]，因此退化高寒草地，在一定程度可以上改變牧草可消化總養(yǎng)分的下降，從而降低飼料轉(zhuǎn)化比。

3.3 高寒草地土壤理化性質(zhì)變化在不同土層的相關(guān)性

根據(jù)研究結(jié)果看出，高寒草地0～20 cm土層內(nèi)，高寒草甸較高寒草原隨土壤的加深養(yǎng)分下降速度更快。可能是由于高寒草甸多為淺根系植物，淺根系對草地退化更為敏感造成土壤養(yǎng)分隨土壤深度加深下降幅度更大。同時(shí)高寒草原不同退化程度及高寒草甸輕度、中度退化程度下淺層土壤內(nèi)K含量隨土層厚度增加下降速度越快。高寒草甸、高寒草原輕度退化下淺層土壤內(nèi)P含量隨土層厚度增加下降速度越快。因此對輕度退化高寒草地淺層土壤施適當(dāng)P肥，對不同退化高寒草地淺層土壤內(nèi)均可施適當(dāng)K肥。

4 結(jié)論

高寒草地0～20 cm土層內(nèi)退化高寒草甸pH較未退化呈上升趨勢，退化高寒草原pH較未退化呈下降趨勢。其余指標(biāo)隨退化程度加劇大致呈現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)，對植被生長、微生物繁殖產(chǎn)生不利影響。同時(shí)對高寒草地輕度退化可以施P肥，高寒草地不同退化草地施K肥以緩解淺層土壤P、K含量下降速度。