新疆巴音布鲁克草原不同退化程度对土壤特性影响

以高寒草原巴音布鲁克草原为研究对象,通过对不同类型草场的草地利用方式、土壤退化程度和植被类型差异的调查,分析不同类型草场退化程度对土壤理化特性的影响,揭示植被和地表特征及草地利用方式对土壤肥力的影响。结果表明:高寒沼泽草场、高寒草原草场的草地利用方式合理,草地未退化,土壤养分含量高,植被状态良好,高寒草甸草场随放牧压力增大,生境退化程度加重,土壤退化程度加大,表现为土壤容重增大,含水率减少,土壤全磷和有机质浓度减少,植被盖度降低;不同类型草场退化程度与土壤容重、pH和水溶性盐浓度呈显著正相关,与含水率、全磷浓度、有机质浓度和植被盖度呈极显著负相关,与植被盖度相关系数高达-0.907,草场退化过程中土壤肥力因子与植被状态呈极显著正相关。

关键词：巴音布鲁克草原;高寒草原;土壤养分;退化程度

土壤是生态系统中诸多生态过程(如营养物质循环、水分平衡、凋落物分解等)的参与者和载体,土壤理化结构和养分状况是度量退化生态系统生态功能恢复与维持的关键指标之一[1]。土壤环境质量直接影响植物群落的生态演替过程,决定着生态系统的结构、功能和生产力水平[2,3,4],其中土壤理化性质作为控制植物生长发育的关键生态因子,是决定土壤肥力和质量的重要指标。研究土壤理化性质的异质性,有利于了解土壤与植物的关系、植被空间格局以及土壤侵蚀、土地利用变化和生态过程等[5,6]。

高寒草原是我国面积最大的一种草地类型[7]。在全球气候变化的大背景下,受过度放牧等人类活动的影响,高寒草原生境发生变化,以草地沙漠化为主的各种草地退化过程不断加剧[8,9,10]。土壤退化是草地退化的核心问题之一[11],近年来国内学者在高寒草原土壤退化方面开展了一些研究,包括土壤环境质量变化与群落物种丰富度、多样性、均匀度间的关系,长期围栏封育对不同草地类型土壤理化性质的影响等[12,13]。在草地土壤退化过程中,不同类型草地与土壤理化性质尤其是肥力变化关系的研究尚较缺乏。笔者以新疆高寒草原——巴音布鲁克草原为研究对象,对其不同类型的草地利用方式、土壤退化程度和植被类型进行调查,分析不同草地类型土壤养分变化与植物群落特征及其相关关系,对深入理解高寒草原生态系统土壤退化过程具有重要的理论意义,以期为巴音布鲁克草原生态环境保护提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

巴音布鲁克草原位于42°10'N~43°30'N,82°32'E~86°15'E,地处新疆维吾尔自治区东、南、西天山的交汇处,位于天山天格尔峰下、开都河上游,海拔为2 400 m,总面积约14 973 km2,包括大尤尔都斯草原和小尤尔都斯草原。年平均气温为-4.7 ℃,每年7月极端最高气温为28 ℃,1月极端最低气温为-48 ℃;积雪天数为150~180 d,无绝对无霜期,年枯草期为7个月,冻土层为4.7 m;年降水量为216.8~361.8 mm,年蒸发量为1 022.9~1 245.7 mm。区域内有高等植物50科160属262种[14]。

巴音布鲁克草原属亚高山高寒草原类型,是世界草原类型中具有代表性的草原。可以划分为高寒沼泽草场、高寒草原草场和高寒草甸草场3种草地类型[15]。区域内有牧民1.8万人,实际放牧为253.08万只绵羊单位,已大大超过草场的承载能力。牲畜的高强度反复啃食,造成草场的逆向演替,加上春夏季时有干旱发生,造成草原沙化、退化、盐碱化(简称“三化”)面积迅速扩展。据统计,目前巴音布鲁克草原沙化面积为14万km2,退化面积为40万km2,盐碱化面积为13万km2[16],其中小尤尔都斯草原退化较为严重。与20世纪80年代相比,草场单位面积产草量平均下降30%~35%,牧草盖度从75%降至45%左右,一些优良牧草种类消失,毒草蔓延[17]。

1.2 研究方法

1.2.1 采样点设置

为了反映巴音布鲁克草原不同草地类型土壤理化性质的差异性,揭示植被和地表特征及草地利用方式对土壤养分变化的影响,从巴音布鲁克草原大尤尔都斯盆地底部自东至西以草地类型、海拔高度、植被类型和植被盖度为指标,在高寒沼泽草场、高寒草原草场、高寒草甸草场上共设置13个采样点,如图1所示。采样时间为2014年8月,每个采样点在1 m×1 m的样方内用原状取土钻取0~5 cm原层土样3个,采用“V”字形法混合为1个土样,冷冻干燥后测定土壤有机质浓度;每个采样点挖土壤剖面1个,采集土样用于测定土壤容重和土壤含水率。

1.2.2 指标检测

土壤含水率采用烘干法测定;土壤容重采用环刀法测定;土壤全磷量采用H2SO4-HClO4消煮后钼蓝比色法测定;土壤有机质浓度采用重铬酸钾容量法测定;土壤pH采用电位法测定;土壤水溶性盐浓度采用电导法测定[18];植被盖度采用盖度框法于现场测定。上述各项测定均重复3次,取平均。

1.2.3 数据统计与分析

采用SPSS 17.0和Excel 2010软件进行数据的统计和分析。

2 试验结果

2.1 不同退化程度对植物群落分布的影响

3种草地类型各采样点生境类型、退化程度、植物群落等见表1。

由表1可知,3种类型草场的不同生境类型对植物群落分布影响较大。高寒沼泽和高寒草原草场各采样点均处于适度放牧状态,由于水资源丰富,土壤湿润,保水能力好,其植物群落丰富,以座花针茅和紫花针茅为主,植被盖度均在80%以上。其中采样点1、采样点2附近有泉眼,土壤湿润,土壤无退化,植被盖度高达100%。高寒草甸草场在轻度放牧下(采样点6~7、采样点10)植物群落以大麦草和金露梅为主;在中度和重度放牧下(采样点8~9、采样点11~13)土壤退化、沙化与盐渍化严重,土壤保水力差,植物群落以高山苔草为主,其中采样点13在土壤盐渍化过于严重的生境状态下无植物生长。

2.2 不同退化程度对土壤含水率与容重的影响

13个采样点表层土壤容重及含水率变化见图2。由图2可知,3种类型草场表层土壤容重表现为高寒草甸草场>高寒草原草场>高寒沼泽草场,且高寒草甸草场与其他2种草场间差异显著。高寒沼泽草场、高寒草原草场在围封、适度放牧、轻度放牧状态下草场土壤基本无退化,其各采样点土壤容重较小,其中高寒沼泽草场的采样点1土壤容重最小,且与高寒草原草场各采样点土壤容重差异不显著(P>0.05);高寒草甸草场在中度放牧状态下,土壤容重差异不显著,但与重度放牧状态下土壤容重差异显著(P<0.05);重度退化的高寒沙丘沙化草甸土壤容重最大,与重度退化的高寒盐碱化荒漠差异不显著(P>0.05),与其他生境土壤容重差异显著(P<0.05);高寒沙丘沙化草甸采样点中,重度退化的采样点9较中度退化的采样点8土壤容重增加了0.97 g/cm3;高寒盐碱化荒漠的2个采样点之间差异显著。

13个采样点表层土壤含水率为1.42%~64.96%,不同采样点表层土壤含水率差异显著。3种类型草场表层土壤含水率表现为高寒沼泽草场>高寒草原草场>高寒草甸草场,且差异显著。高寒沼泽草场的采样点1土壤含水率最大,且与其他采样点差异显著(P<0.05);高寒草原草场各采样点中,除采样点3土壤含水率稍高外,其他各采样点差异不显著(P>0.05);高寒草甸草场中,重度退化的高寒砂砾质荒漠与重度退化的高寒盐碱化荒漠草甸土壤含水率最小,二者差异不显著(P>0.05),但与其他各采样点土壤含水率差异显著(P<0.05)。

2.3 不同退化程度对土壤pH和有机质浓度的影响

13个采样点表层土壤pH和有机质浓度变化见图3。由图3可知,3种类型草场土壤pH为6.25~9.20。高寒沼泽草场的采样点1土壤pH最小,与高寒山地草甸差异不显著(P>0.05),与其他采样点间差异显著(P<0.05);高寒草甸草场中,土壤退化程度越大土壤pH越大,高寒盐碱化荒漠pH最大,与各采样点土壤pH差异显著(P<0.05)。

13个采样点表层土壤有机质浓度为3.95%~54.83%,差异显著。3种类型草场表层土壤有机质浓度表现为高寒沼泽草场>高寒草原草场>高寒草甸草场。高寒沼泽草场、高寒草原草场各采样点表层土壤有机质浓度差异不显著(P>0.05),但与高寒草甸草场各采样点间差异显著(P<0.05)。高寒草甸草场中,高寒山地草甸土壤的有机质浓度偏高;随放牧压力的增加,高寒沙丘沙化草甸、高寒砂砾质荒漠、高寒盐碱化荒漠这3种生境类型土壤有机质浓度明显降低,重度退化的高寒盐碱化荒漠土壤有机质浓度最低,与重度退化的高寒沙丘沙化草甸、高寒砂砾质荒漠间差异不显著(P>0.05)。

2.4 不同退化程度下土壤全磷与水溶性盐浓度差异

13个采样点表层土壤全磷与水溶性盐浓度见表2。由表2可知,3种类型草场间土壤全磷浓度差异显著,且随草地退化程度加大,土壤全磷浓度明显减小。各采样点土壤全磷浓度为35.41~145.77 mg/kg,总体表现为高寒草原草场、高寒沼泽草场>高寒草甸草场。高寒沼泽草场、高寒草原草场放牧压力小,草场无退化或轻度退化,土壤全磷浓度相对较高,其各采样点的差异不显著(P>0.05),但与高寒草甸草场采样点间差异显著(P<0.05)。高寒沙丘沙化草甸、高寒砂砾质荒漠、高寒盐碱化荒漠间土壤全磷浓度差异不显著,其中重度退化的高寒沙丘沙化草甸比中度退化的全磷浓度低,高寒砂砾质荒漠也有相同的变化规律。

各采样点表层土壤水溶性盐浓度为1.95~33.56 g/kg,总体表现为高寒草原草场、高寒沼泽草场<高寒草甸草场。高寒草甸草场不同采样点土壤水溶性盐浓度差异显著,与植被盖度、草地利用方式、退化程度和地表特征相关,表现为土壤退化程度越低,植被盖度越高,水溶性盐浓度越低,高寒盐碱化荒漠水溶性盐浓度最高。

3 讨论

3.1 不同退化程度下土壤物理性质差异

作为土壤紧实度的敏感指标,土壤容重是表征土壤质量的重要参数,容重的大小主要受到土壤有机质浓度、土壤质地及放牧家畜践踏程度的影响[22,23]。由3种类型草场表层土壤容重可知,高寒沼泽草场周围水资源丰富,植被盖度大,放牧强度小,所以土壤容重最小;相同立地条件下,随着放牧压力的增强,牲畜对土壤的压实作用愈来愈强,土壤孔隙分布的空间格局发生变化,土壤的总孔隙减少,土壤的容重随着土壤退化程度加剧而逐渐增加[24,25,26,27]。土壤含水率是研究透水性和土壤饱和导水率的重要参数,是衡量土壤渗透能力的重要指标。土壤含水率大小反映土壤水分和养分保蓄的能力,还影响土壤的通气状况和水分利用,也是土壤肥力状况的指标之一[28]。已有研究表明,草地生态环境状况越好,草地周围环境水资源越丰富,则土壤渗透率越大,土壤含水率越大[29]。但过度放牧导致土壤容重的改变和不同程度的退化,这将影响土壤的渗透性和蓄水能力。因此,土壤容重大,土壤含水率小,通常表明土壤存在着退化趋势,且土壤容重越大,含水率越小,土壤退化越严重[30,31]。

3.2 不同退化程度下土壤化学性质差异

土壤pH是草地土壤质量演变的主要标志和土壤结构的关键影响因子[32,33]。高寒盐碱化荒漠土壤的pH最高可能因为过度放牧,高寒草原气候干旱等,导致草地退化植被盖度降低,使得土壤保水力下降,土壤含盐量升高,从而使土壤pH偏高。土壤有机质(主要指土壤碳素)是陆地生物圈生物地球化学循环的主要成分之一,是指示土壤健康的关键指标,是最大的有机碳库,占整个系统有机碳的90%左右,影响水分关系和侵蚀潜力,在土壤结构中是一个关键因子,由其变化情况可知土壤退化与否[34,35,36,37]。高寒沼泽草场、高寒草原草场在适度放牧条件下,由于动物的践踏使凋落物破碎并与土壤充分接触,这有助于凋落物的分解,也有助于有机质和养分元素转移至土壤中[38]。而高寒草甸草场地面枯落物较少,加上过度放牧等原因造成土壤退化严重,使土壤板结,肥力下降,且不利于地上植被生长。但不同草地类型土壤有机质浓度均随草地退化加剧而显著下降[39,40,41],这与草地退化过程中土壤沙化程度提高,土壤通透性增强,加之植被类型变化,导致有机质矿化分解量增大[42]有关。土壤全磷包括速效磷、有机磷、无机磷和微生物磷。世界上多数草地普遍缺磷,巴音布鲁克草原土壤磷浓度普遍偏高,远远高于所推荐的磷浓度(0.14%~0.3%)[43],说明该区域磷储备丰富。但不同草地类型全磷浓度随生境恶化而下降,可能是因为放牧强度加大,使地上植被生物量减少,地下根系也随之减少,对土壤中全量养分富集作用减弱。

3.3 退化程度、植被盖度与土壤理化因子的相关性

土壤的物理和化学性质与植被特性间彼此联系、相互作用,共同影响并决定着高寒草原土壤肥力的演化方向。其中,土壤含水率、容重等物理因子的变化是高寒草原土壤退化发生、发展的重要前提,而植被特性的变化则对土壤肥力的演化起着主导作用,其相互作用机制对土壤有机质的转化过程、转化效率和土壤肥力的演化方向等具有显著影响。由表3可知,不同类型草场退化程度与土壤容重、pH和水溶性盐浓度呈显著正相关(P<0.05),与含水率、全磷浓度、有机质浓度和植被盖度呈极显著负相关,与植被盖度的相关系数高达-0.907。土壤肥力因子(全磷浓度、有机质浓度)与植被盖度均呈极显著正相关(P<0.01)。

在巴音布鲁克草原高寒、干旱的恶劣气候条件下,土壤表层易受到草原退化导致的土层变薄、理化性状恶化、有机物来源减少、土壤侵蚀等不利影响,随退化程度的加剧,其表层土壤中养分浓度以及植被盖度显著下降。已有研究表明,草地植被盖度越高,其凋落物和死亡的根系进入土壤使养分浓度显著增加,草地盖度增加能有效保护地表,使风蚀减少[44,45],有效缓解土壤的沙化程度。巴音布鲁克草原不同类型草地表层土壤中有机质、全磷浓度和含水率随退化程度的加剧逐渐降低,这与刘国庆等[46]的研究结果一致。不同类型草地退化程度与土壤容重、pH和水溶性盐浓度呈正相关,则随草地退化的加剧,土壤沙化程度明显提高,土壤含水率急剧下降,适于微生物生存的土壤环境严重恶化,土壤有机残体的转化受到强烈影响,并最终导致土壤物理、化学性质的改变和植被群落的显著退化。

4 结论

(1)巴音布鲁克草原不同类型草场退化程度对植物群落分布、土壤物理与化学性质影响较大。高寒沼泽草场和高寒草原草场由于草地利用方式合理,草地未退化,土壤养分浓度高,植被状态良好。高寒草甸草场随放牧压力越大,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、高寒砂砾质荒漠和高寒盐碱化荒漠土壤容重增大,含水率减少,土壤全磷和有机质浓度减少、植被盖度降低;高寒盐碱化荒漠生境恶化,土壤pH偏大,土壤可溶性盐浓度高,土壤养分浓度低,同时面临植被盖度低,甚至无覆盖等问题。

(2)巴音布鲁克草原不同类型草场退化程度与土壤容重、pH和水溶性盐浓度呈显著正相关,与含水率、全磷浓度、有机质浓度和植被盖度呈极显著负相关,与植被盖度的相关系数高达-0.907。草场退化过程中土壤肥力因子与植被状态呈极显著正相关。在高寒、干旱的自然条件下,巴音布鲁克草原过度放牧导致土壤发生不同程度的退化,影响土壤的渗透性和蓄水能力,对土壤中全量养分富集作用减弱。高寒草原土壤物理性质的变化对化学性质具有重要的调控作用,化学性质对土壤肥力的演变则具有关键影响。