東祁連山不同退化程度高寒草甸土壤養(yǎng)分特征研究

張生楹，張德罡，柳小妮，陳建綱，徐長林，段春華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中·美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心，甘肅 蘭州 730070)

祁連山位于青藏高原、內(nèi)蒙古高原和黃土高原的交匯地帶，對(duì)河西綠洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展具有重要的生態(tài)保障作用，但其生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)。在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響下，祁連山高寒地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)正遭受不同程度的退化。高寒草甸草地作為祁連山主體植被之一，對(duì)青藏高原大氣與地面之間的能量流動(dòng)與平衡、水熱交換、生物地球化學(xué)循環(huán)有著極其重要的作用[1-2]。目前,對(duì)不同退化程度高寒草甸土壤養(yǎng)分的研究只是對(duì)其中幾種退化程度的土壤常規(guī)養(yǎng)分進(jìn)行研究[3-5]，而對(duì)未退化到極度退化的高寒草甸土壤常規(guī)和微量養(yǎng)分變化的系統(tǒng)性研究卻很少[6-7]。

放牧普遍存在于東祁連山高寒草甸，并對(duì)高寒草甸退化產(chǎn)生正負(fù)反饋影響，因此，本試驗(yàn)在祁連山東段高寒草甸未退化草地、輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地和極度退化草地的區(qū)域選擇樣地，研究在放牧干擾下的高寒草甸不同退化程度草地土壤養(yǎng)分變化關(guān)系。旨為進(jìn)一步探討高寒草甸不同退化程度的土壤養(yǎng)分變化規(guī)律，以及為高寒草甸不同退化程度草地的合理施肥、恢復(fù)和放牧載畜量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)域自然概況 研究區(qū)域位于甘肅省天?？h金強(qiáng)河地區(qū)，該區(qū)位于祁連山東段，天祝縣西南烏鞘嶺下，南臨馬牙雪山，北依雷公山，東延蘭新公路，西隔瓦藏亞豁與青海為界，南北寬5～15 km，東西長約30 km，地理坐標(biāo)37°11′～37°12′ N，102°29′～102°33′ E。全區(qū)海拔2 900～4 300 m，山地多為黃土覆蓋，無基巖裸露；由河漫灘、階地至高山的土壤依次為草甸土、山地黑鈣土、山地栗鈣土、山地草甸土、高山草甸土等。氣候寒冷潮濕，水熱同期。據(jù)烏鞘嶺氣象站(海拔3 045 m)的資料統(tǒng)計(jì)，年均溫-0.1～0.6 ℃，1月和7月平均氣溫分別為-10.8和12.4 ℃；全年≥0 ℃的積溫為1 300 ℃·d左右，在最熱月(7月)仍有0 ℃以下的低溫出現(xiàn)，全年無絕對(duì)無霜期，無四季之分，僅分冷暖兩季，冬季長達(dá)7個(gè)月。植物生長季為120～140 d。年均降水量415～468 mm，主要集中在7-9月，多地形雨，并隨海拔升高降水量漸增，春季常有旱象，年均蒸發(fā)量1 483～1 614 mm[7-8]。

1.2樣地設(shè)置 根據(jù)草原植被群落退化程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9]，在天祝草原站附近(海拔2 020 m左右，37°11′ N，102°46′ E)選擇未退化、輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化5個(gè)面積均為5 km2左右的高寒草甸樣地(表1)。

1.3土樣采集和分析方法 每處樣地設(shè)置1個(gè)大樣方(50 m×50 m)，在每個(gè)大樣方四角及中心部位各設(shè)置1個(gè)小樣方(50 cm×50 cm)。用土鉆(直徑為4 cm)在各小樣方內(nèi)分別采集土壤樣品5鉆，每10 cm為一層，取樣深度30 cm，共取3層，將同一層樣品混合在一起。然后將土樣置于已標(biāo)記好的塑料袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。帶回實(shí)驗(yàn)室的混合土樣一份采用烘干法測(cè)定土壤含水量，另一份風(fēng)干、去雜、過篩后供土壤酸堿性與養(yǎng)分的測(cè)定[10-11]。

表1 不同退化程度高寒草甸植被特性

土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀分別采用酸度計(jì)(電位法)、重鉻酸鉀容量法-外加熱法、凱氏蒸餾法、硫酸-高氯酸消煮法、NaOH熔融-火焰光度法測(cè)定[11]；土壤有效氮(N)、有效鉀(K2O)、有效磷(P)分別采用堿解擴(kuò)散法、NH4OAc浸提-火焰光度法[12]和高錳酸鉀氧化-葡萄糖還原法測(cè)定[13]；速效銅、鐵、錳和鋅采用DTPA浸提-原子吸收分光光度法測(cè)定[12-14]。

1.4數(shù)據(jù)分析 采用SPSS(17.0)和Excel(2007)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析和比較。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤酸堿性及全量養(yǎng)分變化特征 在0～30 cm土層，土壤中全量養(yǎng)分除了全鉀都是隨土層深度增加而減少(表2)；土壤的pH值變化，隨土層深度增加而增加。有機(jī)質(zhì)含量未退化、輕度退化和極度退化草地較中度退化和重度退化草地在0～30 cm土層總含量要高。土壤中全氮含量隨著退化程度加劇含量明顯下降，在0～30 cm土層，未退化草地比輕度退化、中度退化、重度退化和極度退化草地高出1.15、1.29、1.21和3.89 g·kg-1。全磷含量變化規(guī)律基本與全氮一致。全鉀含量并未因草地退化程度不同而有差異，各樣地都保持在16 g·kg-1左右。

土壤的pH值升高可能因?yàn)椴莸赝嘶脖桓采w率降低，使得土壤有鹽堿化的趨勢(shì)，草地退化越嚴(yán)重土壤堿性越高。各退化草地土壤中有機(jī)質(zhì)差異不明顯，說明有機(jī)質(zhì)是土壤中較穩(wěn)定一個(gè)指標(biāo)，在短期內(nèi)不會(huì)因草地退化而有明顯的下降。土壤中全氮和全磷含量都隨退化程度加劇而下降，可能是因?yàn)榉拍翉?qiáng)度加大，使得地上植被減少，地下根系也隨之減少，對(duì)土壤中全量養(yǎng)分富集作用也減弱。土壤中全鉀含量各草地基本一致，這可能與土壤的成土母質(zhì)有關(guān)。

2.2土壤速效養(yǎng)分變化特征 在0～30 cm土層，速效氮、磷、鉀和鋅的含量隨土層加深而減少，速效銅、錳和鐵含量則隨土層加深而增加(表3)。速效氮和速效磷含量，極度退化草地明顯高于未退化草地、中度退化草地和重度退化草地；速效鉀含量0～10 cm土層極度退化草地比其他草地要高，而在10～30 cm土層，反而低于其他草地；速效銅含量各樣地在0～30 cm總含量差異不明顯。速效鋅變化規(guī)律與速效氮和速效磷基本一致。速效鐵和速效錳隨著退化程度加劇，各土層含量逐漸減少。

表2 各退化草地不同土層土壤酸堿性、有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分變化特征

表3 各退化草地不同土層土壤速效養(yǎng)分變化特征

速效氮、速效磷和速效鋅變化規(guī)律一致，速效鐵和速效錳變化規(guī)律一致，這說明了元素分布的自相關(guān)性。速效鉀在0～10 cm極度退化草地含量較高，說明極度退化草地植物較少，對(duì)土壤表層速效鉀吸收利用較少，使得其在土壤中含量暫時(shí)較高。速效銅在各樣地中含量變化不大，這可能與土壤發(fā)育有關(guān)。

3 討論與結(jié)論

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)環(huán)境，土壤養(yǎng)分含量與植物營養(yǎng)價(jià)值關(guān)系十分緊密，都受到自然因素和人類生產(chǎn)活動(dòng)的影響，由于放牧過程中家畜的過度啃食與踐踏，以及人為開墾利用，加之氣候干暖化，使得東祁連山區(qū)土壤肥力水平隨著退化程度不同而差異較大[1-2]。

未退化高寒草甸草地由于植被生長茂盛，每年能提供大量殘枝落葉，使得土壤pH值接近中性。土壤中有機(jī)質(zhì)含量各高寒草甸草地在0～30 cm土層總含量差異較小，但是高寒草甸輕度退化草地0～10 cm土層和極度退化草地20～30 cm土層含量較高，說明土壤退化過程中有機(jī)碳因?yàn)闃O度退化草地地表裸露，表層土壤有機(jī)質(zhì)隨著降水淋溶到深層土壤[15]。土壤中全氮和全磷都隨著退化程度加劇而含量逐漸較少，可能是不同草地，相同放牧強(qiáng)度，退化較嚴(yán)重的草地植被蓋度又較低，導(dǎo)致家畜過度啃食，植物根系隨著莖葉拔出土壤，使土壤中植物富集的全氮和全磷也隨之流失[16]。土壤中全鉀在同一地區(qū)含量變化不大，這與土壤成土母質(zhì)有關(guān)。

土壤速效養(yǎng)分的變化也是高寒地區(qū)土壤發(fā)育的重要前提。土壤中速效氮、速效磷和速效鋅含量以極度退化高寒草甸草地較高，因?yàn)榈厣现脖桓采w率較低，對(duì)這些能夠在植物體內(nèi)形成蛋白質(zhì)和氨基酸的營養(yǎng)元素吸收有限，使得其在土壤中有較高含量。速效鐵和速效錳隨著退化程度加深，含量下降較大，這是因?yàn)閮?yōu)良牧草隨著退化加劇而減少，有毒有害雜草則增加，而有毒有害雜草對(duì)速效鐵和速效錳吸收較多，使得其在土壤中含量隨退化加劇而較少[17-18]。速效鉀在極度退化高寒草甸草地含量較高，這與優(yōu)良牧草較少和植被覆蓋較低，使得土壤中速效鉀吸收利用率低有關(guān)[19-20]。

本研究表明，土壤中全量和速效養(yǎng)分含量變化并非與退化程度變化完全一致，這可能因?yàn)檫€受氣候變化、植被高度、蓋度、密度、優(yōu)勢(shì)植物種類和組成、植物生長與發(fā)育、動(dòng)植物殘?bào)w降解、動(dòng)物行為、人為因素和微生物等的影響。因此，研究不同退化程度的高寒草甸草地土壤養(yǎng)分含量與變化，但還要注意高寒草甸草地演替的時(shí)空異質(zhì)性，以及更多與其相關(guān)的問題。

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