新疆巴音布魯克草原不同退化程度對土壤特性影響

環(huán)境修復網(wǎng)訊:以高寒草原巴音布魯克草原為研究對象,通過對不同類型草場的草地利用方式、土壤退化程度和植被類型差異的調(diào)查,分析不同類型草場退化程度對土壤理化特性的影響,揭示植被和地表特征及草地利用方式對土壤肥力的影響。結(jié)果表明:高寒沼澤草場、高寒草原草場的草地利用方式合理,草地未退化,土壤養(yǎng)分含量高,植被狀態(tài)良好,高寒草甸草場隨放牧壓力增大,生境退化程度加重,土壤退化程度加大,表現(xiàn)為土壤容重增大,含水率減少,土壤全磷和有機質(zhì)濃度減少,植被蓋度降低;不同類型草場退化程度與土壤容重、pH和水溶性鹽濃度呈顯著正相關(guān),與含水率、全磷濃度、有機質(zhì)濃度和植被蓋度呈極顯著負相關(guān),與植被蓋度相關(guān)系數(shù)高達-0.907,草場退化過程中土壤肥力因子與植被狀態(tài)呈極顯著正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：巴音布魯克草原;高寒草原;土壤養(yǎng)分;退化程度

土壤是生態(tài)系統(tǒng)中諸多生態(tài)過程(如營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、水分平衡、凋落物分解等)的參與者和載體,土壤理化結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量退化生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能恢復與維持的關(guān)鍵指標之一[1]。土壤環(huán)境質(zhì)量直接影響植物群落的生態(tài)演替過程,決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平[2,3,4],其中土壤理化性質(zhì)作為控制植物生長發(fā)育的關(guān)鍵生態(tài)因子,是決定土壤肥力和質(zhì)量的重要指標。研究土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性,有利于了解土壤與植物的關(guān)系、植被空間格局以及土壤侵蝕、土地利用變化和生態(tài)過程等[5,6]。

高寒草原是我國面積最大的一種草地類型[7]。在全球氣候變化的大背景下,受過度放牧等人類活動的影響,高寒草原生境發(fā)生變化,以草地沙漠化為主的各種草地退化過程不斷加劇[8,9,10]。土壤退化是草地退化的核心問題之一[11],近年來國內(nèi)學者在高寒草原土壤退化方面開展了一些研究,包括土壤環(huán)境質(zhì)量變化與群落物種豐富度、多樣性、均勻度間的關(guān)系,長期圍欄封育對不同草地類型土壤理化性質(zhì)的影響等[12,13]。在草地土壤退化過程中,不同類型草地與土壤理化性質(zhì)尤其是肥力變化關(guān)系的研究尚較缺乏。筆者以新疆高寒草原——巴音布魯克草原為研究對象,對其不同類型的草地利用方式、土壤退化程度和植被類型進行調(diào)查,分析不同草地類型土壤養(yǎng)分變化與植物群落特征及其相關(guān)關(guān)系,對深入理解高寒草原生態(tài)系統(tǒng)土壤退化過程具有重要的理論意義,以期為巴音布魯克草原生態(tài)環(huán)境保護提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

巴音布魯克草原位于42°10'N~43°30'N,82°32'E~86°15'E,地處新疆維吾爾自治區(qū)東、南、西天山的交匯處,位于天山天格爾峰下、開都河上游,海拔為2 400 m,總面積約14 973 km2,包括大尤爾都斯草原和小尤爾都斯草原。年平均氣溫為-4.7 ℃,每年7月極端最高氣溫為28 ℃,1月極端最低氣溫為-48 ℃;積雪天數(shù)為150~180 d,無絕對無霜期,年枯草期為7個月,凍土層為4.7 m;年降水量為216.8~361.8 mm,年蒸發(fā)量為1 022.9~1 245.7 mm。區(qū)域內(nèi)有高等植物50科160屬262種[14]。

巴音布魯克草原屬亞高山高寒草原類型,是世界草原類型中具有代表性的草原?？梢詣澐譃楦吆訚刹輬觥⒏吆菰輬龊透吆莸椴輬?種草地類型[15]。區(qū)域內(nèi)有牧民1.8萬人,實際放牧為253.08萬只綿羊單位,已大大超過草場的承載能力。牲畜的高強度反復啃食,造成草場的逆向演替,加上春夏季時有干旱發(fā)生,造成草原沙化、退化、鹽堿化(簡稱“三化”)面積迅速擴展。據(jù)統(tǒng)計,目前巴音布魯克草原沙化面積為14萬km2,退化面積為40萬km2,鹽堿化面積為13萬km2[16],其中小尤爾都斯草原退化較為嚴重。與20世紀80年代相比,草場單位面積產(chǎn)草量平均下降30%~35%,牧草蓋度從75%降至45%左右,一些優(yōu)良牧草種類消失,毒草蔓延[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 采樣點設(shè)置

為了反映巴音布魯克草原不同草地類型土壤理化性質(zhì)的差異性,揭示植被和地表特征及草地利用方式對土壤養(yǎng)分變化的影響,從巴音布魯克草原大尤爾都斯盆地底部自東至西以草地類型、海拔高度、植被類型和植被蓋度為指標,在高寒沼澤草場、高寒草原草場、高寒草甸草場上共設(shè)置13個采樣點,如圖1所示。采樣時間為2014年8月,每個采樣點在1 m×1 m的樣方內(nèi)用原狀取土鉆取0~5 cm原層土樣3個,采用“V”字形法混合為1個土樣,冷凍干燥后測定土壤有機質(zhì)濃度;每個采樣點挖土壤剖面1個,采集土樣用于測定土壤容重和土壤含水率。

1.2.2 指標檢測

土壤含水率采用烘干法測定;土壤容重采用環(huán)刀法測定;土壤全磷量采用H2SO4-HClO4消煮后鉬藍比色法測定;土壤有機質(zhì)濃度采用重鉻酸鉀容量法測定;土壤pH采用電位法測定;土壤水溶性鹽濃度采用電導法測定[18];植被蓋度采用蓋度框法于現(xiàn)場測定。上述各項測定均重復3次,取平均。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 17.0和Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同退化程度對植物群落分布的影響

3種草地類型各采樣點生境類型、退化程度、植物群落等見表1。

由表1可知,3種類型草場的不同生境類型對植物群落分布影響較大。高寒沼澤和高寒草原草場各采樣點均處于適度放牧狀態(tài),由于水資源豐富,土壤濕潤,保水能力好,其植物群落豐富,以座花針茅和紫花針茅為主,植被蓋度均在80%以上。其中采樣點1、采樣點2附近有泉眼,土壤濕潤,土壤無退化,植被蓋度高達100%。高寒草甸草場在輕度放牧下(采樣點6~7、采樣點10)植物群落以大麥草和金露梅為主;在中度和重度放牧下(采樣點8~9、采樣點11~13)土壤退化、沙化與鹽漬化嚴重,土壤保水力差,植物群落以高山苔草為主,其中采樣點13在土壤鹽漬化過于嚴重的生境狀態(tài)下無植物生長。

2.2 不同退化程度對土壤含水率與容重的影響

13個采樣點表層土壤容重及含水率變化見圖2。由圖2可知,3種類型草場表層土壤容重表現(xiàn)為高寒草甸草場>高寒草原草場>高寒沼澤草場,且高寒草甸草場與其他2種草場間差異顯著。高寒沼澤草場、高寒草原草場在圍封、適度放牧、輕度放牧狀態(tài)下草場土壤基本無退化,其各采樣點土壤容重較小,其中高寒沼澤草場的采樣點1土壤容重最小,且與高寒草原草場各采樣點土壤容重差異不顯著(P>0.05);高寒草甸草場在中度放牧狀態(tài)下,土壤容重差異不顯著,但與重度放牧狀態(tài)下土壤容重差異顯著(P<0.05);重度退化的高寒沙丘沙化草甸土壤容重最大,與重度退化的高寒鹽堿化荒漠差異不顯著(P>0.05),與其他生境土壤容重差異顯著(P<0.05);高寒沙丘沙化草甸采樣點中,重度退化的采樣點9較中度退化的采樣點8土壤容重增加了0.97 g/cm3;高寒鹽堿化荒漠的2個采樣點之間差異顯著。

13個采樣點表層土壤含水率為1.42%~64.96%,不同采樣點表層土壤含水率差異顯著。3種類型草場表層土壤含水率表現(xiàn)為高寒沼澤草場>高寒草原草場>高寒草甸草場,且差異顯著。高寒沼澤草場的采樣點1土壤含水率最大,且與其他采樣點差異顯著(P<0.05);高寒草原草場各采樣點中,除采樣點3土壤含水率稍高外,其他各采樣點差異不顯著(P>0.05);高寒草甸草場中,重度退化的高寒砂礫質(zhì)荒漠與重度退化的高寒鹽堿化荒漠草甸土壤含水率最小,二者差異不顯著(P>0.05),但與其他各采樣點土壤含水率差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同退化程度對土壤pH和有機質(zhì)濃度的影響

13個采樣點表層土壤pH和有機質(zhì)濃度變化見圖3。由圖3可知,3種類型草場土壤pH為6.25~9.20。高寒沼澤草場的采樣點1土壤pH最小,與高寒山地草甸差異不顯著(P>0.05),與其他采樣點間差異顯著(P<0.05);高寒草甸草場中,土壤退化程度越大土壤pH越大,高寒鹽堿化荒漠pH最大,與各采樣點土壤pH差異顯著(P<0.05)。

13個采樣點表層土壤有機質(zhì)濃度為3.95%~54.83%,差異顯著。3種類型草場表層土壤有機質(zhì)濃度表現(xiàn)為高寒沼澤草場>高寒草原草場>高寒草甸草場。高寒沼澤草場、高寒草原草場各采樣點表層土壤有機質(zhì)濃度差異不顯著(P>0.05),但與高寒草甸草場各采樣點間差異顯著(P<0.05)。高寒草甸草場中,高寒山地草甸土壤的有機質(zhì)濃度偏高;隨放牧壓力的增加,高寒沙丘沙化草甸、高寒砂礫質(zhì)荒漠、高寒鹽堿化荒漠這3種生境類型土壤有機質(zhì)濃度明顯降低,重度退化的高寒鹽堿化荒漠土壤有機質(zhì)濃度最低,與重度退化的高寒沙丘沙化草甸、高寒砂礫質(zhì)荒漠間差異不顯著(P>0.05)。

2.4 不同退化程度下土壤全磷與水溶性鹽濃度差異

13個采樣點表層土壤全磷與水溶性鹽濃度見表2。由表2可知,3種類型草場間土壤全磷濃度差異顯著,且隨草地退化程度加大,土壤全磷濃度明顯減小。各采樣點土壤全磷濃度為35.41~145.77 mg/kg,總體表現(xiàn)為高寒草原草場、高寒沼澤草場>高寒草甸草場。高寒沼澤草場、高寒草原草場放牧壓力小,草場無退化或輕度退化,土壤全磷濃度相對較高,其各采樣點的差異不顯著(P>0.05),但與高寒草甸草場采樣點間差異顯著(P<0.05)。高寒沙丘沙化草甸、高寒砂礫質(zhì)荒漠、高寒鹽堿化荒漠間土壤全磷濃度差異不顯著,其中重度退化的高寒沙丘沙化草甸比中度退化的全磷濃度低,高寒砂礫質(zhì)荒漠也有相同的變化規(guī)律。

各采樣點表層土壤水溶性鹽濃度為1.95~33.56 g/kg,總體表現(xiàn)為高寒草原草場、高寒沼澤草場<高寒草甸草場。高寒草甸草場不同采樣點土壤水溶性鹽濃度差異顯著,與植被蓋度、草地利用方式、退化程度和地表特征相關(guān),表現(xiàn)為土壤退化程度越低,植被蓋度越高,水溶性鹽濃度越低,高寒鹽堿化荒漠水溶性鹽濃度最高。

3 討論

3.1 不同退化程度下土壤物理性質(zhì)差異

作為土壤緊實度的敏感指標,土壤容重是表征土壤質(zhì)量的重要參數(shù),容重的大小主要受到土壤有機質(zhì)濃度、土壤質(zhì)地及放牧家畜踐踏程度的影響[22,23]。由3種類型草場表層土壤容重可知,高寒沼澤草場周圍水資源豐富,植被蓋度大,放牧強度小,所以土壤容重最小;相同立地條件下,隨著放牧壓力的增強,牲畜對土壤的壓實作用愈來愈強,土壤孔隙分布的空間格局發(fā)生變化,土壤的總孔隙減少,土壤的容重隨著土壤退化程度加劇而逐漸增加[24,25,26,27]。土壤含水率是研究透水性和土壤飽和導水率的重要參數(shù),是衡量土壤滲透能力的重要指標。土壤含水率大小反映土壤水分和養(yǎng)分保蓄的能力,還影響土壤的通氣狀況和水分利用,也是土壤肥力狀況的指標之一[28]。已有研究表明,草地生態(tài)環(huán)境狀況越好,草地周圍環(huán)境水資源越豐富,則土壤滲透率越大,土壤含水率越大[29]。但過度放牧導致土壤容重的改變和不同程度的退化,這將影響土壤的滲透性和蓄水能力。因此,土壤容重大,土壤含水率小,通常表明土壤存在著退化趨勢,且土壤容重越大,含水率越小,土壤退化越嚴重[30,31]。

3.2 不同退化程度下土壤化學性質(zhì)差異

土壤pH是草地土壤質(zhì)量演變的主要標志和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因子[32,33]。高寒鹽堿化荒漠土壤的pH最高可能因為過度放牧,高寒草原氣候干旱等,導致草地退化植被蓋度降低,使得土壤保水力下降,土壤含鹽量升高,從而使土壤pH偏高。土壤有機質(zhì)(主要指土壤碳素)是陸地生物圈生物地球化學循環(huán)的主要成分之一,是指示土壤健康的關(guān)鍵指標,是最大的有機碳庫,占整個系統(tǒng)有機碳的90%左右,影響水分關(guān)系和侵蝕潛力,在土壤結(jié)構(gòu)中是一個關(guān)鍵因子,由其變化情況可知土壤退化與否[34,35,36,37]。高寒沼澤草場、高寒草原草場在適度放牧條件下,由于動物的踐踏使凋落物破碎并與土壤充分接觸,這有助于凋落物的分解,也有助于有機質(zhì)和養(yǎng)分元素轉(zhuǎn)移至土壤中[38]。而高寒草甸草場地面枯落物較少,加上過度放牧等原因造成土壤退化嚴重,使土壤板結(jié),肥力下降,且不利于地上植被生長。但不同草地類型土壤有機質(zhì)濃度均隨草地退化加劇而顯著下降[39,40,41],這與草地退化過程中土壤沙化程度提高,土壤通透性增強,加之植被類型變化,導致有機質(zhì)礦化分解量增大[42]有關(guān)。土壤全磷包括速效磷、有機磷、無機磷和微生物磷。世界上多數(shù)草地普遍缺磷,巴音布魯克草原土壤磷濃度普遍偏高,遠遠高于所推薦的磷濃度(0.14%~0.3%)[43],說明該區(qū)域磷儲備豐富。但不同草地類型全磷濃度隨生境惡化而下降,可能是因為放牧強度加大,使地上植被生物量減少,地下根系也隨之減少,對土壤中全量養(yǎng)分富集作用減弱。

3.3 退化程度、植被蓋度與土壤理化因子的相關(guān)性

土壤的物理和化學性質(zhì)與植被特性間彼此聯(lián)系、相互作用,共同影響并決定著高寒草原土壤肥力的演化方向。其中,土壤含水率、容重等物理因子的變化是高寒草原土壤退化發(fā)生、發(fā)展的重要前提,而植被特性的變化則對土壤肥力的演化起著主導作用,其相互作用機制對土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程、轉(zhuǎn)化效率和土壤肥力的演化方向等具有顯著影響。由表3可知,不同類型草場退化程度與土壤容重、pH和水溶性鹽濃度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與含水率、全磷濃度、有機質(zhì)濃度和植被蓋度呈極顯著負相關(guān),與植被蓋度的相關(guān)系數(shù)高達-0.907。土壤肥力因子(全磷濃度、有機質(zhì)濃度)與植被蓋度均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

在巴音布魯克草原高寒、干旱的惡劣氣候條件下,土壤表層易受到草原退化導致的土層變薄、理化性狀惡化、有機物來源減少、土壤侵蝕等不利影響,隨退化程度的加劇,其表層土壤中養(yǎng)分濃度以及植被蓋度顯著下降。已有研究表明,草地植被蓋度越高,其凋落物和死亡的根系進入土壤使養(yǎng)分濃度顯著增加,草地蓋度增加能有效保護地表,使風蝕減少[44,45],有效緩解土壤的沙化程度。巴音布魯克草原不同類型草地表層土壤中有機質(zhì)、全磷濃度和含水率隨退化程度的加劇逐漸降低,這與劉國慶等[46]的研究結(jié)果一致。不同類型草地退化程度與土壤容重、pH和水溶性鹽濃度呈正相關(guān),則隨草地退化的加劇,土壤沙化程度明顯提高,土壤含水率急劇下降,適于微生物生存的土壤環(huán)境嚴重惡化,土壤有機殘體的轉(zhuǎn)化受到強烈影響,并最終導致土壤物理、化學性質(zhì)的改變和植被群落的顯著退化。

4 結(jié)論

(1)巴音布魯克草原不同類型草場退化程度對植物群落分布、土壤物理與化學性質(zhì)影響較大。高寒沼澤草場和高寒草原草場由于草地利用方式合理,草地未退化,土壤養(yǎng)分濃度高,植被狀態(tài)良好。高寒草甸草場隨放牧壓力越大,生境退化程度加重,土壤退化程度加大,其中高寒沙丘沙化草甸、高寒砂礫質(zhì)荒漠和高寒鹽堿化荒漠土壤容重增大,含水率減少,土壤全磷和有機質(zhì)濃度減少、植被蓋度降低;高寒鹽堿化荒漠生境惡化,土壤pH偏大,土壤可溶性鹽濃度高,土壤養(yǎng)分濃度低,同時面臨植被蓋度低,甚至無覆蓋等問題。

(2)巴音布魯克草原不同類型草場退化程度與土壤容重、pH和水溶性鹽濃度呈顯著正相關(guān),與含水率、全磷濃度、有機質(zhì)濃度和植被蓋度呈極顯著負相關(guān),與植被蓋度的相關(guān)系數(shù)高達-0.907。草場退化過程中土壤肥力因子與植被狀態(tài)呈極顯著正相關(guān)。在高寒、干旱的自然條件下,巴音布魯克草原過度放牧導致土壤發(fā)生不同程度的退化,影響土壤的滲透性和蓄水能力,對土壤中全量養(yǎng)分富集作用減弱。高寒草原土壤物理性質(zhì)的變化對化學性質(zhì)具有重要的調(diào)控作用,化學性質(zhì)對土壤肥力的演變則具有關(guān)鍵影響。