三種影響條件下黃河源區(qū)高寒草地土壤物理及力學(xué)性質(zhì)

邢光延，申紫雁，劉昌義，胡夏嵩，李希來，付江濤，盧海靜，趙吉美

三種影響條件下黃河源區(qū)高寒草地土壤物理及力學(xué)性質(zhì)

邢光延1,4，申紫雁2，劉昌義2，胡夏嵩2※，李希來1，付江濤3，盧海靜1，趙吉美1

（1. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016；2. 青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧 810016；3. 青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，西寧 810016；4. 青海大學(xué)土木工程學(xué)院，西寧 810016）

為探討放牧和鼠害對(duì)黃河源區(qū)高寒退化草地土壤物理力學(xué)性質(zhì)的影響，該研究選取位于黃河源區(qū)青海河南縣高寒草地作為研究區(qū)，分別設(shè)置禁鼠、禁牧和自然3種影響條件，并將草地依次劃分為未退化、輕度退化、中度退化、重度退化4種退化類型。通過測(cè)定3種影響條件下4種退化類型草地的土壤含水率、密度、含根量、黏聚力和內(nèi)摩擦角，分析3種影響條件對(duì)不同退化類型草地土壤物理力學(xué)性質(zhì)的影響；采用灰色關(guān)聯(lián)分析法探討不同退化類型草地土壤含水率、密度、含根量對(duì)土壤黏聚力的影響程度。結(jié)果表明：隨著草地退化程度加劇，土壤含水率、含根量及黏聚力均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，而土壤密度則呈逐漸增大的變化趨勢(shì)。進(jìn)一步研究表明，同一退化類型草地，土壤黏聚力由大至小依次為禁鼠、禁牧和自然條件，且禁鼠條件土壤黏聚力顯著大于自然條件（<0.05）；未退化和輕度退化草地，土壤黏聚力與含根量間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高，關(guān)聯(lián)度為0.706～0.778，而中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力與密度和含水率間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較大，關(guān)聯(lián)度分別為0.586～0.785和0.622～0.779。研究結(jié)果對(duì)于科學(xué)有效防治黃河源區(qū)高寒草地退化及其所引起的水土流失、淺層滑坡等災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

物理力學(xué)性質(zhì)；土壤；黏聚力；黃河源區(qū)；高寒草地；禁鼠；禁牧

0 引 言

黃河源區(qū)作為黃河主要水源補(bǔ)給區(qū)，其生態(tài)環(huán)境對(duì)整個(gè)流域生態(tài)健康和安全起到重要作用[1]。近年來，隨著全球氣候變化和人類工程活動(dòng)日趨頻繁，黃河源區(qū)高寒草地出現(xiàn)不同程度退化現(xiàn)象[2-3]。劉啟興等[4]對(duì)黃河源區(qū)2000—2016年植被覆蓋時(shí)空變化的研究結(jié)果表明，黃河源區(qū)70.4%的區(qū)域歸一化植被指數(shù)（NDVI）呈增加趨勢(shì)，增加速率為0～0.004/a，但在扎陵湖、鄂陵湖西部和南部、黃河源區(qū)中南部以及若爾蓋濕地北部等地區(qū)，植被NDVI減少0～0.2，這表明高寒草地退化趨勢(shì)尚未得到有效遏制。相關(guān)研究結(jié)果表明，導(dǎo)致源區(qū)草地退化影響因子主要為氣候、野生動(dòng)物和人類活動(dòng)等因素[5-6]。黃河源地處青藏高原，屬于典型高原大陸性氣候，區(qū)內(nèi)降雨量稀少，蒸發(fā)量大，寒冷干燥，其中干旱、風(fēng)害、雪災(zāi)等災(zāi)害嚴(yán)重影響區(qū)內(nèi)草地植被正常生長，并導(dǎo)致土地裸露、沙化等不良現(xiàn)象的發(fā)生[7-9]。王金枝等[10]采用層次分析法對(duì)藏北那曲高寒草地退化影響因素進(jìn)行了權(quán)重計(jì)算分析，指出過度放牧、鼠蟲害對(duì)高寒草地退化的貢獻(xiàn)率相對(duì)較高，分別為28.6%和17.1%。相關(guān)研究亦表明，源區(qū)家畜放牧和嚙齒類動(dòng)物擾動(dòng)是影響草地生態(tài)系統(tǒng)的兩大因素[11-12]。

國內(nèi)外學(xué)者就源區(qū)放牧和嚙齒類動(dòng)物對(duì)草地土壤理化性質(zhì)影響方面，已開展了較為廣泛的研究[13-16]。肖翔等[17]在青藏高原東北緣選擇3個(gè)高寒草甸牦牛夏季牧場(chǎng)，通過分析放牧強(qiáng)度對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響，指出隨著放牧強(qiáng)度增加，土壤容重呈逐漸增大的變化趨勢(shì)，而土壤孔隙度、含水率呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，土壤電導(dǎo)率則呈先增加后減小的變化趨勢(shì)。馮峰等[18]在青藏高原東緣瑪曲縣境內(nèi)高寒草地，開展高原鼠兔（）種群密度與植被和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系研究，指出高原鼠兔的種群密度與植被高度、植物物種豐富度之間均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤pH值和速效氮呈正相關(guān)關(guān)系。葉國輝等[19]在甘南藏族自治州瑪曲縣高寒草甸，選擇3個(gè)不同干擾強(qiáng)度的高原鼠兔（）棲息區(qū)，研究鼠兔干擾與植物群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，指出隨著高原鼠兔干擾強(qiáng)度的增加，植物群落的平均高度增加而蓋度降低，土壤有機(jī)質(zhì)和全磷含量顯著增加，pH值和土壤緊實(shí)度顯著下降，并進(jìn)一步通過冗余分析，發(fā)現(xiàn)高原鼠兔干擾下的高寒草甸植物功能群分布與土壤全磷和全鉀含量顯著相關(guān)。

相關(guān)研究表明，植物根系的存在影響土壤含水率、孔隙度和抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)指標(biāo)，草本植物根系通過其加筋作用將土壤網(wǎng)結(jié)為整體形成根-土復(fù)合體，可有效提高土壤力學(xué)強(qiáng)度，從而起到減少水土流失和防治高寒草地退化的作用[20-21]。有關(guān)黃河源區(qū)高寒草地根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度方面的研究已有相關(guān)報(bào)道[22-24]。劉昌義等[25]通過開展黃河源區(qū)高寒草地退化程度對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響研究，認(rèn)為隨著草地退化程度加劇，原生植物種類及數(shù)量減少，次生植物逐漸取代原生植物并構(gòu)成優(yōu)勢(shì)植物種類，其結(jié)果使得根-土復(fù)合體的根系含量下降，并導(dǎo)致根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度減小。申紫雁等[26]通過研究黃河源區(qū)高寒草地不同深度土壤理化性質(zhì)與抗剪強(qiáng)度關(guān)系，指出草地土壤黏聚力隨土壤深度增加而降低，而裸地土壤黏聚力則隨土壤深度的增加而增大；草地根-土復(fù)合體黏聚力與速效磷、含根量和有機(jī)質(zhì)間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高，裸地土壤黏聚力則與密度、pH值和土壤顆粒限制粒徑間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高。羅露瑤等[27]通過開展不同根長和含根量的重塑根-土復(fù)合體直剪試驗(yàn)，認(rèn)為植被根系能顯著提高土體抗剪強(qiáng)度，當(dāng)含根量由3%增至24%時(shí)，根長為2、4、6 cm的根-土復(fù)合體其含根量分別為15%、18%和21%時(shí)達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值，且根-土復(fù)合體的黏聚力值較素土分別增加19.2、16.9、17.2 kPa。

綜上所述，已有研究主要是探討黃河源區(qū)鼠害、放牧對(duì)草地植被群落特征和土壤理化性質(zhì)等方面的影響；而有關(guān)高寒草地土壤力學(xué)性質(zhì)方面的相關(guān)研究則主要為源區(qū)草地退化程度、海拔、根參數(shù)、土壤深度和理化性質(zhì)等對(duì)根-土復(fù)合體力學(xué)強(qiáng)度的影響，其中，涉及源區(qū)鼠害、放牧對(duì)草地土壤力學(xué)強(qiáng)度影響方面的相關(guān)研究成果則相對(duì)較少?；诖?，本項(xiàng)研究選取位于黃河源區(qū)青海河南縣高寒草地作為試驗(yàn)區(qū)，分別設(shè)置禁鼠、禁牧和自然3種影響條件，研究不同影響條件下土壤含水率、密度、含根量、黏聚力和內(nèi)摩擦角變化特征，并進(jìn)一步探討土壤含水率、密度、含根量對(duì)土壤黏聚力的影響程度，擬為科學(xué)有效防治黃河源區(qū)因草地退化引起的水土流失和土壤侵蝕等災(zāi)害的發(fā)生提供理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

選取位于黃河源區(qū)青海黃南藏族自治州河南蒙古族自治縣境內(nèi)高寒草地作為試驗(yàn)區(qū)，研究區(qū)地理坐標(biāo)為北緯34°41'，東經(jīng)101°46'，海拔為3 617 m。區(qū)內(nèi)屬典型高原大陸性氣候，空氣相對(duì)稀薄、輻射強(qiáng)烈且日照時(shí)間長，受西南季風(fēng)影響較為明顯；區(qū)內(nèi)年降雨量為297.2 mm，年蒸發(fā)量為1 349.7 mm[25]。

1.2 影響條件設(shè)置

本項(xiàng)研究于2018年5月建立試驗(yàn)區(qū)，在區(qū)內(nèi)分別設(shè)置禁鼠、禁牧和自然3種影響條件。其中，禁鼠條件采用家畜普通圍欄及鐵皮防鼠圍欄和鐵絲網(wǎng)聯(lián)合防護(hù)，以有效防止牲畜和鼠類進(jìn)入圍欄內(nèi)影響草地，該圍欄區(qū)長×寬×高為200 m×200 m×1.4 m，采用鐵皮圍欄防止高原鼠類經(jīng)地表進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)，采用埋入地下0.5 m深、孔徑為0.8 cm的鐵絲網(wǎng)防止高原鼠類由地下鼠洞進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)；禁牧條件使用家畜普通圍欄進(jìn)行防護(hù)，防止牲畜啃食和踐踏草地，存在鼠類啃食和地表、地下活動(dòng)，其圍欄區(qū)規(guī)格和禁鼠條件一致；自然條件未采用圍欄進(jìn)行草地防護(hù)，草地中存在鼠類和放牧活動(dòng)，其鼠類密度用堵洞法測(cè)得，有效洞口密度為300個(gè)/hm2[28]，放牧強(qiáng)度約為2.5羊單位/hm2[29]（1只羊等于1個(gè)羊單位，1頭牛等于5個(gè)羊單位，1匹馬等于5個(gè)羊單位），放牧?xí)r間為每年的5 —9月[29]。試驗(yàn)區(qū)設(shè)置的3種影響條件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)3種影響條件設(shè)置方案示意圖

1.3 試驗(yàn)材料

對(duì)試驗(yàn)區(qū)開展野外調(diào)查與取樣發(fā)現(xiàn)草地呈現(xiàn)不同程度的退化現(xiàn)象。以青海省地方標(biāo)準(zhǔn)《高寒草原退化等級(jí)劃分》（DB63/T 981—2011）[30]為依據(jù)，結(jié)合區(qū)內(nèi)高寒草地退化特征、植物種類和植物種數(shù)量等方面的差異性，在3種影響條件下分別設(shè)置未退化、輕度退化、中度退化和重度退化4種退化類型草地，4種退化類型草地植被組成及其特征如表1所示。研究區(qū)野外采樣于2019年7月進(jìn)行，原位制取試樣過程中，3種影響條件每種退化類型草地分別隨機(jī)設(shè)置3個(gè)0.5 m×0.5 m的樣方。另外，為了考慮禁鼠、禁牧對(duì)草地不同深度土壤物理力學(xué)性質(zhì)的影響，每個(gè)樣方分別在地表以下0～10 cm和10～20 cm深度處取樣，其中土壤含水率試驗(yàn)每層平行取2個(gè)土樣，土壤直剪試驗(yàn)每層平行取4個(gè)土樣（同時(shí)作為密度試驗(yàn)的土樣），4個(gè)土樣取樣位置設(shè)置在0.5 m×0.5 m樣方對(duì)角線的1/4處，取樣后及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

表1 研究區(qū)4種退化類型草地植被組成及其特征

1.4 試驗(yàn)儀器與方法

土壤含水率測(cè)定采用烘干法[31]，使用儀器為BZ-TR-1A型烘箱和樂祺LQ-c型電子秤，烘箱量程為室溫～250 ℃，精度為±1 ℃，電子秤量程為0.05～3 000 g，精度為0.01 g。土壤密度測(cè)定采用環(huán)刀法[31]，使用的電子秤和含水率試驗(yàn)一致。土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角通過室內(nèi)直剪試驗(yàn)獲得，使用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀在4種不同垂直壓力（50、100、200、300 kPa）下以2.4 mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切試驗(yàn)，使試樣在1～2 min內(nèi)減損。

土壤含根量測(cè)試需待土壤直剪試驗(yàn)結(jié)束后，將一組4個(gè)復(fù)合體試樣放置在孔徑為0.05 mm篩網(wǎng)中進(jìn)行沖洗，分離出的根系清洗干凈后烘干，隨即對(duì)干根質(zhì)量進(jìn)行稱量，使用儀器為英衡YH-B型分析天平，量程為0.002～200 g，精度為0.001 g，并計(jì)算得到土壤含根量指標(biāo)[32]。其計(jì)算式為

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

通過Excel 2019進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算，采用Origin 9.0進(jìn)行圖表繪制，采用SPSS 24.0進(jìn)行One-way ANOVA分析，采用RStudio 4.0.5進(jìn)行非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)。

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法分析3種影響條件下，4種退化類型草地土壤含水率、密度、含根量對(duì)土壤黏聚力的影響程度。具體方法如下：

設(shè)參考數(shù)列為

比較數(shù)列為

式中參考數(shù)列0()為3種影響條件下4種退化類型草地土壤黏聚力，相對(duì)應(yīng)的比較數(shù)列()為土壤含水率、密度、含根量，故=1,2,3；每種退化類型草地土壤密度、含水率、含根量和黏聚力在地表以下0～10 cm和10～20 cm各有3個(gè)重復(fù)，故=1,2,…,6。采用均值化轉(zhuǎn)換對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其轉(zhuǎn)換為數(shù)量級(jí)相近的無量綱數(shù)據(jù)。其計(jì)算式為

其中

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理性質(zhì)

2.1.1 土壤含水率

如圖2所示為土壤含水率測(cè)試結(jié)果。由該圖可知，隨著草地退化程度加劇，土壤含水率均表現(xiàn)為逐漸降低的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)在自然、禁鼠、禁牧條件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤含水率較未退化草地下降幅度分別為30.31%、31.09%，29.67%、26.72%，24.46%、18.58%。造成不同退化類型草地土壤水分差異的植被因素主要有植被蓋度和地上生物量。草地植被蓋度愈高，地表根系分布愈密集，地表徑流系數(shù)愈小，降水入滲量愈多，因此土壤水分補(bǔ)充量愈大，土壤含水率愈高，即土壤水分與植被覆蓋度之間具有顯著正相關(guān)關(guān)系[33-34]。此外，相關(guān)研究結(jié)果亦表明，草地的蒸散發(fā)會(huì)影響地表土壤含水率[34]，未退化草地植被繁茂，生長季植物蒸騰旺盛，土壤水分高，蒸散發(fā)受水分的限制較小，草地蒸散發(fā)較大；而重度退化草地植被蓋度明顯降低，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤水分快速補(bǔ)給深層土壤，而持續(xù)的蒸散發(fā)導(dǎo)致表層土壤水分較低[34]。綜合考慮表層土壤水分補(bǔ)給量和蒸散發(fā)，未退化草地植被蓋度高，且根系生長較為發(fā)達(dá)，可起到有效改善草地土壤含水率的作用。進(jìn)一步分析可知，所取試樣地表以下10～20 cm土壤含水率均較地表以下0～10 cm土壤含水率小。主要原因?yàn)椴莸?～10 cm深度植物根系多于10～20 cm深度，植物根系愈多，其降水入滲量愈大，土壤含水率愈高。

同一退化類型草地，土壤含水率由大至小依次為禁牧、自然、禁鼠條件。同一退化類型草地，自然條件下土壤含水率較禁鼠高，主要?dú)w因于自然條件存在鼠類擾動(dòng)等因素影響，促進(jìn)草地表層積雪融水和降水儲(chǔ)藏在地下土壤層中，使得地表以下土壤持水能力得到顯著增加。同一退化類型草地，自然條件下土壤含水率較禁牧低，主要原因在于自然條件存在牛羊啃食和踐踏影響，造成草地土壤表面硬度增大、土壤總孔隙度減小、土壤的滲透阻力加大，從而導(dǎo)致土壤保水和持水能力下降[35]。另外，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤通氣透水性變差，導(dǎo)致降水多集中在土壤表層而不能向下滲透，土壤水分向下運(yùn)動(dòng)量少，所以水分蒸發(fā)快[35]。

未退化、輕度退化、中度退化草地，不同影響條件間地表以下0～10、10～20 cm土壤含水率差異均不顯著。重度退化草地，禁牧條件地表以下0～10 cm土壤含水率顯著大于禁鼠條件（<0.05），禁牧條件地表以下10～20 cm土壤含水率顯著大于自然和禁鼠條件（<0.05）。這說明重度退化草地土壤含水率對(duì)放牧表現(xiàn)出敏感性。由于放牧使重度退化草地土壤被壓實(shí)，土壤孔隙度減少，土壤保水和持水能力下降，因此，通過禁牧措施可以明顯改善重度退化草地土壤的含水率。

注：不同小寫字母表示同一影響條件不同退化類型之間在P<0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示同一退化類型不同影響條件之間在P<0.05水平上差異顯著，n=3，下同。

2.1.2 土壤密度

如圖3所示為土壤密度測(cè)試結(jié)果。由該圖可知，隨著草地退化程度加劇，土壤密度均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)在自然、禁鼠、禁牧條件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤密度較未退化草地增加幅度分別為13.01%、11.90%，11.47%、11.20%，17.31%、12.07%。這是由于隨著草地退化程度加劇，植被蓋度明顯下降，土壤地下生物量減少，土壤孔隙度下降，土壤密度增大。本項(xiàng)研究中，中度退化和重度退化草地與未退化草地相比較，其土壤密度增長幅度顯著小于陳奇樂等[36]對(duì)河北張北壩上高原區(qū)不同退化草地0～20 cm土壤容重的測(cè)試結(jié)果，其原因在于張北壩上草地退化程度相對(duì)更為嚴(yán)重，受到過牧和鼠害等因素對(duì)其影響程度更為強(qiáng)烈，使得退化程度相對(duì)較嚴(yán)重的草地土壤被壓實(shí)[37]。因此，對(duì)于退化程度嚴(yán)重的草地，應(yīng)采取防鼠、禁牧措施減少放牧和鼠害對(duì)其的影響，防止草地植被嚴(yán)重退化后土壤也隨之退化。進(jìn)一步分析可知，所取試樣地表以下10～20 cm土壤密度均較地表以下0～10 cm土壤密度大。這是由于地表以下0～10 cm植物根系多于地表以下10～20 cm，植物根系愈多，土壤愈疏松，土壤密度愈小。

同一退化類型草地，土壤密度由大至小依次為自然、禁鼠、禁牧條件。同一退化類型草地，自然條件下土壤密度較禁鼠高，主要?dú)w因于自然條件存在鼠類覓食活動(dòng)等因素的影響，使得草地土壤緊實(shí)度增加。該結(jié)果與楊晶等[11]有關(guān)高原鼢鼠干擾強(qiáng)度增加，土壤容重增加的結(jié)論相一致。同一退化類型草地，自然條件下土壤密度較禁牧高，主要原因在于自然條件存在牛羊啃食和踐踏等因素影響，結(jié)果造成草地土壤不同程度壓實(shí)，使得土壤密度較高。該結(jié)果與董全民等[35]、劉憶軒等[38]有關(guān)放牧強(qiáng)度增大，牲畜踐踏作用不斷增強(qiáng)，土壤總孔隙度減小，土壤容重和緊實(shí)度增加的結(jié)論基本一致。這說明通過采取禁鼠、禁牧措施，可有效減緩?fù)寥揽紫抖鹊慕档秃屯寥烂芏鹊脑黾印?/p>

未退化草地，不同影響條件間地表以下0～10 cm土壤密度差異不顯著；輕度退化、中度退化、重度退化草地，禁鼠和自然條件地表以下0～10 cm土壤密度顯著大于禁牧條件（<0.05）。未退化和輕度退化草地，不同影響條件間地表以下10～20 cm土壤密度差異不顯著；中度退化草地，禁鼠和自然條件地表以下10～20 cm土壤密度顯著大于禁牧（<0.05）；重度退化草地，自然條件地表以下10～20 cm土壤密度顯著大于禁牧條件（<0.05）。這反映出放牧對(duì)中度退化和重度退化草地土壤的密度影響較為顯著，因此，通過禁牧措施可以明顯減緩?fù)嘶潭葒?yán)重草地土壤密度的增加。

2.1.3 土壤含根量

如圖4所示為土壤含根量測(cè)試結(jié)果。由該圖可知，隨著草地退化程度加劇，土壤含根量均呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)在自然、禁鼠、禁牧條件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤含根量較未退化草地減小幅度分別為79.51%、81.28%，85.90%、86.29%，78.22%、78.70%。這是由于隨著草地退化程度加劇，植被蓋度明顯下降，土壤地下生物量也隨之減少。進(jìn)一步分析可知，所取試樣地表以下10～20 cm土壤含根量均較地表以下0～10 cm土壤含根量小。其歸因于草本植物根系主要分布于土壤表層，且隨著土壤深度的增加，地下生物量逐漸減小。

同一退化類型草地，土壤含根量由大至小依次為禁鼠、禁牧、自然條件。同一退化類型草地，自然條件下土壤含根量較禁鼠低，主要?dú)w因于自然條件存在鼠類活動(dòng)等因素?cái)_動(dòng)，受到鼠類挖掘土壤和啃食草地根系影響，使得地下根系數(shù)量減少。該結(jié)果與楊子翰等[39]、楊晶等[11]有關(guān)隨著高原鼢鼠種群密度或干擾強(qiáng)度的增加，土壤地下生物量逐漸減小的結(jié)論相一致。同一退化類型草地，自然條件下土壤含根量較禁牧小，主要原因在于自然條件存在牛羊啃食、踐踏，對(duì)土壤的“壓實(shí)”效應(yīng)會(huì)對(duì)根系生長產(chǎn)生影響。一般來說，較高的土壤緊實(shí)度不利于土壤透氣透水，降低根系向下的穿透能力，明顯減少土壤表層根系[38]。這說明通過采取禁鼠、禁牧措施，可有效緩解土壤地下生物量的減少，起到有效防治高寒草地植被和土壤退化的作用。

同一退化類型草地，不同影響條件間地表以下0～10、10～20 cm土壤的含根量差異均不顯著。這是由于本研究從建立試驗(yàn)區(qū)到采樣僅間隔1年，土壤含根量對(duì)禁牧和禁鼠的反應(yīng)表現(xiàn)出“滯后效應(yīng)”。

2.2 土壤力學(xué)性質(zhì)

2.2.1 土壤黏聚力

在含植被根系的土壤結(jié)構(gòu)中，黏聚力反映了土壤內(nèi)部之間的粘結(jié)能力[40]。如圖5所示為草地土壤黏聚力的試驗(yàn)結(jié)果。由該圖可知，隨著草地退化程度加劇，土壤黏聚力均呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)在自然、禁鼠、禁牧條件下，重度退化草地地表以下0～10、10～20 cm土壤黏聚力較未退化草地降低幅度分別為83.50%、77.08%，78.13%、76.18%，82.36%、76.65%。這是由于隨著草地退化程度的加劇，植物根系含量減少，草地土壤黏聚力亦呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。進(jìn)一步分析可知，未退化和輕度退化草地，地表以下0～10 cm土壤黏聚力較地表以下10～20 cm大，而中度退化和重度退化草地，地表以下10～20 cm土壤黏聚力較地表以下0～10 cm大。這是由于土壤黏聚力受土壤含水率、密度、含根量的交互影響，未退化和輕度退化草地地表以下0～10 cm土壤含根量顯著大于地表以下10～20 cm，而兩層土壤的含水率和密度差異并不大，因此，地表以下0～10 cm土壤黏聚力較地表以下10～20 cm大；中度退化和重度退化草地，植被蓋度明顯下降，地表以下0～10 cm和10～20 cm的土壤含根量差異減小，而地表以下0～10 cm土壤含水率較地表以下10～20 cm大，地表以下0～10 cm土壤密度較地表以下10～20 cm小，因此，地表以下10～20 cm土壤黏聚力較地表以下0～10 cm大。

同一退化類型草地，土壤黏聚力由大至小依次為禁鼠、禁牧、自然條件。其原因在于禁牧條件存在鼠兔和高原鼢鼠對(duì)草地地上和地下部分覓食和掘穴等作用，導(dǎo)致地下土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)較疏松且根系含量低，而自然條件既存在高原鼢鼠和鼠兔對(duì)草地地下和地上部分覓食、掘穴活動(dòng)等影響，還存在牛羊踐踏導(dǎo)致草地土壤緊實(shí)度、密度增加，孔隙率降低，影響植物根系在土壤中的生長和分布，進(jìn)一步使得土壤含根量降低，導(dǎo)致根系對(duì)土壤黏聚力的增強(qiáng)作用較其他2種影響條件小，故自然條件下土壤黏聚力相對(duì)最小。

未退化草地，3種影響條件間地表以下0～10 cm土壤黏聚力存在顯著差異，土壤黏聚力由大至小依次為禁鼠、禁牧、自然條件（<0.05）；輕度退化和中度退化草地，禁鼠條件地表以下0～10 cm土壤黏聚力顯著大于禁牧和自然條件（<0.05）；重度退化草地，禁鼠條件地表以下0～10 cm土壤黏聚力顯著大于自然條件（<0.05）。同一退化類型草地，禁鼠條件地表以下10～20 cm土壤黏聚力顯著大于禁牧和自然條件（<0.05）。綜上，同一退化類型草地，禁鼠條件土壤黏聚力顯著大于自然條件（<0.05），因此，禁鼠能有效提高草地土壤黏聚力。

2.2.2 土壤內(nèi)摩擦角

在含植被根系的土壤結(jié)構(gòu)中，內(nèi)摩擦角反映了土壤內(nèi)部之間的摩擦阻力[40]。如圖6所示為草地土壤內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)結(jié)果。由該圖可知，隨著草地退化程度加劇，草地土壤內(nèi)摩擦角未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律；3種影響條件對(duì)4種退化類型草地土壤內(nèi)摩擦角影響的差異性亦未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。進(jìn)一步分析可知，同一退化類型草地，土壤內(nèi)摩擦角由大至小依次為禁牧、禁鼠、自然條件。這是由于土壤含根量對(duì)土壤內(nèi)摩擦角基本沒有影響，土壤密度和含水率對(duì)土壤內(nèi)摩擦角影響顯著，隨著含水率的增加，土壤內(nèi)摩擦角呈減小的趨勢(shì)，但其減小的幅度差別不大，而在高含水率條件下，土壤內(nèi)摩擦角隨密度的增加而減小[40]。

圖5 不同取樣深度的草地土壤黏聚力

不考慮草地退化類型，同一土壤深度，每種影響條件包含4種退化類型草地的土壤內(nèi)摩擦角，樣本數(shù)=12，基于非參數(shù)Wilcoxon檢驗(yàn)分析3種影響條件對(duì)草地土壤內(nèi)摩擦角的影響，結(jié)果表明禁牧條件地表以下0～10 cm土壤內(nèi)摩擦角顯著大于禁鼠（<0.05）和自然條件（<0.0001），禁鼠條件地表以下0～10 cm土壤內(nèi)摩擦角顯著大于自然條件（<0.01）；禁牧條件地表以下10～20 cm土壤內(nèi)摩擦角顯著大于禁鼠（<0.05）和自然條件（<0.05）。綜上，不考慮草地退化類型，禁牧條件土壤內(nèi)摩擦角顯著大于自然條件（<0.05），由此可知，禁牧能有效提高草地土壤內(nèi)摩擦角。

綜合2.1和2.2的結(jié)果與分析，本項(xiàng)研究通過設(shè)置禁牧、禁鼠條件，可有效改善土壤物理性質(zhì)和促進(jìn)植物生長，能夠有效提高草地土壤力學(xué)強(qiáng)度的降低和起到緩解區(qū)內(nèi)草地退化的作用。

2.3 土壤黏聚力與土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度特征

如表2所示為土壤黏聚力與土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果。由該表可知，隨著草地退化程度的加劇，土壤黏聚力與含水率和密度間的關(guān)聯(lián)度總體呈增加的變化趨勢(shì)，土壤黏聚力與含根量間的關(guān)聯(lián)度總體呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。

表2 土壤黏聚力與土壤物理性質(zhì)指標(biāo)間關(guān)聯(lián)度

未退化和輕度退化草地，土壤黏聚力與含根量間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高，其關(guān)聯(lián)度為0.706～0.778；土壤黏聚力與密度和含水率間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較低，其關(guān)聯(lián)度分別為0.564～0.692和0.545～0.603。該結(jié)果反映出未退化和輕度退化草地，土壤含根量對(duì)土壤黏聚力影響相對(duì)較大，且土壤含根量愈大，土壤黏聚力亦愈大。中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力與含根量間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小，其關(guān)聯(lián)度為0.553～0.675；而土壤黏聚力與密度和含水率之間的關(guān)聯(lián)度則相對(duì)較大，其關(guān)聯(lián)度分別增大至0.586～0.785和0.622～0.779。該結(jié)果反映出中度退化和重度退化草地，土壤含根量對(duì)土壤黏聚力的影響逐漸減小，而土壤密度和含水率對(duì)土壤黏聚力的影響逐漸增大。由此可知，中度退化和重度退化草地，影響土壤黏聚力的主要因素為含水率和密度。

該研究為基于禁鼠、禁牧一年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，后續(xù)研究需設(shè)置不同時(shí)空對(duì)照組，以便更加科學(xué)合理地比較分析禁鼠、禁牧對(duì)高寒草地土壤物理力學(xué)性質(zhì)的影響。

3 結(jié) 論

1）3種影響條件下，隨著草地退化程度的加劇，土壤含水率呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，土壤密度呈逐漸增大的變化趨勢(shì)；同一退化類型草地，土壤含水率由大至小依次為禁牧、自然和禁鼠條件，土壤密度由大至小依次為自然、禁鼠和禁牧條件。

2）3種影響條件下，土壤含根量和黏聚力隨草地退化程度的加劇，表現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢(shì)；同一退化類型草地，土壤含根量和黏聚力由大至小依次為禁鼠、禁牧和自然條件。

3）同一退化類型草地，禁鼠條件土壤黏聚力顯著大于自然條件（<0.05）；不考慮草地退化類型，禁牧條件土壤內(nèi)摩擦角顯著大于自然條件（<0.05），表明禁鼠、禁牧能有效提高草地土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角。

4）未退化和輕度退化草地，土壤黏聚力與含根量間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較高，關(guān)聯(lián)度為0.706～0.778，故含根量對(duì)土壤黏聚力的影響相對(duì)較大；中度退化和重度退化草地，土壤黏聚力與密度和含水率間的關(guān)聯(lián)度相對(duì)較大，關(guān)聯(lián)度分別為0.586～0.785和0.622～0.779，故影響土壤黏聚力的主要因素為含水率和密度。

[1] 鄭新民. 黃河源區(qū)生態(tài)環(huán)境問題與對(duì)策[J]. 人民黃河，2000(1)：29-32.

Zheng Xinmin. Ecological environment problems and countermeasures in the source region of the Yellow River[J]. Yellow River, 2000(1): 29-32. (in Chinese with English abstract)

[2] Li G R, Li X L, Chen W T, et al. Effects of degradation severity on the physical, chemical and mechanical properties of topsoil in alpine meadow on the Qinghai-Tibet Plateau, west China[J]. Catena, 2020, 187: 104370-104379.

[3] Zhang Y L, Liu L S, Bai W Q, et al. Grassland degradation in the source region of the Yellow River[J]. Acta Geographica Sinica, 2006, 61(1): 3-14.

[4] 劉啟興，董國濤，景海濤，等. 2000-2016年黃河源區(qū)植被NDVI變化趨勢(shì)及影響因素[J]. 水土保持研究，2019，26(3)：86-92.

Liu Qixing, Dong Guotao, Jing Haitao, et al. Change trend of vegetation NDVI and its influencing factors in the source region of the Yellow River in the period from 2000 to 2016[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(3): 86-92. (in Chinese with English abstract)

[5] Wang J S, Zhang X Z, Chen B X, et al. Causes and restoration of degraded alpine grassland in northern Tibet[J]. Journal of Resources and Ecology, 2013, 4(1): 43-49.

[6] 崔慶虎，蔣志剛，劉季科，等. 青藏高原草地退化原因述評(píng)[J]. 草業(yè)科學(xué)，2007，24(5)：20-26.

Cui Qinghu, Jiang Zhigang, Liu Jike, et al. A Review of the cause of rangeland degradation on Qinghai-Tibet Plateau[J]. Pratacultural Science, 2007, 24(5): 20-26. (in Chinese with English abstract)

[7] 林慧龍，王釗齊，尚占環(huán). 江河源區(qū)“黑土灘”退化草地禿斑與鼠洞的分形特征[J]. 草地學(xué)報(bào)，2010，18(4)：477-484.

Lin Huilong, Wang Zhaoqi, Shang Zhanhuan. Features on fractal dimension of barren patch and mouse hole among different degenerated succession stages on alpine meadow in the source region of the Yangtze and Yellow River, Qinghai-Tibetan Plateau, China[J]. Acta Agrestia Sinica, 2010, 18(4): 477-484. (in Chinese with English abstract)

[8] Wang Z Q, Zhang Y Z, Yang Y, et al. Quantitative assess the driving forces on the grassland degradation in the Qinghai-Tibet Plateau, in China[J]. Ecological Informatics, 2016, 33: 32-44.

[9] 杜際增，王根緒，李元壽. 近45年長江黃河源區(qū)高寒草地退化特征及成因分析[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2015，24(6)：5-15.

Du Jizeng, Wang Genxu, Li Yuanshou. Rate and causes of degradation of alpine grassland in the source regions of the Yangtze and Yellow Rivers during the last 45 years[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(6): 5-15. (in Chinese with English abstract)

[10] 王金枝，顏亮，吳海東，等. 基于層次分析法研究藏北高寒草地退化的影響因素[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2020，26(1)：17-24.

Wang Jinzhi, Yan Liang, Wu Haidong, et al. Study of alpine grassland degradation in northern Tibet based on an analytical hierarchy process[J]. Chinese Journal of Applied and Environmental Biology, 2020, 26(1): 17-24. (in Chinese with English abstract)

[11] 楊晶，張倩，姚寶輝，等. 高原鼢鼠擾動(dòng)對(duì)高寒草甸土壤理化特性及植物生物量的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2020，28(2)：492-499.

Yang Jing, Zhang Qian, Yao Baohui, et al. Effects of plateau zokor disturbance on soil physicochemical properties and plant biomass in alpine meadow[J]. Acta Agrestia Sinica, 2020, 28(2): 492-499. (in Chinese with English abstract)

[12] 孫華方，趙之重，金立群，等. 高寒草甸植被特征與土壤全效養(yǎng)分對(duì)放牧與高原鼠兔擾動(dòng)的響應(yīng)[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，37(2)：1-8.

Sun Huafang, Zhao Zhizhong, Jin Liqun, et al. Responses of alpine meadow vegetation characteristics and soil total nutrient to the disturbance of grazing and[J]. Journal of Qinghai University, 2019, 37(2): 1-8. (in Chinese with English abstract)

[13] Yaregal M, Ayana A, Aster A. Effects of grazing intensity to water source on grassland condition, yield and nutritional content of selected grass species in Northwest Ethiopia[J]. Ecological Processes, 2019, 8(1): 1-13.

[14] Liu C L, Li W L, Xu J, et al. Response of soil nutrients and stoichiometry to grazing management in alpine grassland on the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Soil & Tillage Research, 2020, 206: 104822-104832.

[15] 于成，賈婷婷，龐曉攀，等. 高原鼠兔干擾強(qiáng)度對(duì)高寒草甸土壤碳氮分布的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2016，53(3)：768-778.

Yu Cheng, Jia Tingting, Pang Xiaopan, et al. Effects of plateau pika () disturbing soil carbon and nitrogen distribution in alpine meadow[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(3): 768-778. (in Chinese with English abstract)

[16] 姜翠霞，胡長勝，魏海燕，等. 夏季模擬放牧對(duì)青藏高原冬春草場(chǎng)牧草品質(zhì)和土壤養(yǎng)分的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2020，28(5)：1473-1477.

Jiang Cuixia, Hu Changsheng, Wei Haiyan, et al. The Effect of modulating different utilizing intensity in summer season on forage quality and soil nutrients of winter & spring pasture on Qinghai-Tibetan Plateau[J]. Acta Agrestia Sinica, 2020, 28(5): 1473-1477. (in Chinese with English abstract)

[17] 肖翔，格日才旦，侯扶江. 青藏高原放牧和地形對(duì)高寒草甸群落 α 多樣性和土壤物理性質(zhì)的影響[J]. 草業(yè)科學(xué)，2019，36(12)：3041-3051.

Xiao Xiang, Gericaidan, Hou Fujiang. Effects of grazing and topography on α diversity and physical properties of the soil of alpine meadow communities in the Qinghai-Tibet Plateau[J]. Pratacultural Science, 2019, 36(12): 3041-3051. (in Chinese with English abstract)

[18] 馮峰，貢保草，?？瞬? 不同放牧模式下高原鼠兔密度與高寒植被和土壤的關(guān)系[J]. 草業(yè)科學(xué)，2019，36(11)：2915-2925.

Feng Feng, Gong Baocao, Niu Kechang. Linking density of plateau pika to vegetation characteristics and soil response to different grazing regimes[J]. Pratacultural Science, 2019, 36(11): 2915-2925. (in Chinese with English abstract)

[19] 葉國輝，楚彬，周睿，等. 高原鼠兔干擾下高寒草甸植物功能群分布與土壤因子的關(guān)系[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2019，38(8)：2382-2388.

Ye Guohui, Chu Bin, Zhou Rui, et al. Relationship between plant functional group distribution and soil properties under the disturbance of plateau pika ()[J]. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(8): 2382-2388. (in Chinese with English abstract)

[20] Gonzalez-Ollauri A, Mickovski S B. Using the root spread information of pioneer plants to quantify their mitigation potential against shallow landslides and erosion in temperate humid climates[J]. Ecological Engineering, 2016, 95: 302-315.

[21] 李華坦，李國榮，趙玉嬌，等. 模擬自然降雨條件下植物根系增強(qiáng)邊坡土體抗剪強(qiáng)度特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(4)：142-149.

Li Huatan, Li Guorong, Zhao Yujiao, et al. Characteristics of slope soil shear strength reinforced by vegetation roots under artificially simulated rainfall condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 142-149. (in Chinese with English abstract)

[22] 劉昌義，胡夏嵩，李希來，等. 黃河源區(qū)高寒草地根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度與土壤營養(yǎng)元素分布關(guān)系[J]. 山地學(xué)報(bào)，2020，38(3)：349-359.

Liu Changyi, Hu Xiasong, Li Xilai, et al. Relationship between shear strength of root-soil complex and distribution of soil nutrient elements in Alpine grassland in the source region of the Yellow River[J]. Mountain Research, 2020, 38(3): 349-359. (in Chinese with English abstract)

[23] 李本鋒，朱海麗，謝彬山，等. 黃河源區(qū)河岸帶高寒草甸植物根-土復(fù)合體抗拉特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2020，39(2)：424-432.

Li Benfeng, Zhu Haili, Xie Binshan, et al. Study on tensile properties of root-soil composite of alpine meadow plants in the riparian zone of the Yellow River source region[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2020, 39(2): 424-432. (in Chinese with English abstract)

[24] 劉昌義，竇增寧，胡夏嵩，等. 黃河源區(qū)高寒草地植物組合對(duì)根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度的影響[J]. 草地學(xué)報(bào)，2019，27(1)：43-52.

Liu Changyi, Dou Zengning, Hu Xiasong, et al. Research on the effect of plant combination types on the shear strength of the root-soil composite system of alpine grassland in the source region of the Yellow River[J]. Acta Agrestia Sinica, 2019, 27(1): 43-52. (in Chinese with English abstract)

[25] 劉昌義，胡夏嵩，竇增寧，等. 黃河源區(qū)高寒草地植被根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)及退化程度閾值確定[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2017，26(9)：14-26.

Liu Changyi, Hu XiaSong, Dou Zengning, et al. Shear strength tests of the root soil composite system of alpine grassland vegetation at different stages of degradation and the determination of thresholds in the Yellow River source region[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(9): 14-26. (in Chinese with English abstract)

[26] 申紫雁，劉昌義，胡夏嵩，等. 黃河源區(qū)高寒草地不同深度土壤理化性質(zhì)與抗剪強(qiáng)度關(guān)系研究[J]. 干旱區(qū)研究，2021，38(2)：392-401.

Shen Ziyan, Liu Changyi, Hu Xiasong, et al. Relationships between the physical and chemical properties of soil and the shear strength of root-soil composite systems at different soil depths in alpine grassland in the source region of the Yellow River[J]. Arid Zone Research, 2021, 38(2): 392-401. (in Chinese with English abstract)

[27] 羅露瑤，宋路，朱海麗，等. 根系參數(shù)對(duì)根土復(fù)合體抗剪力學(xué)特性的影響[J]. 人民黃河，2020，42(10)：42-46.

Luo Luyao, Song Lu, Zhu Haili, et al. Effect of root parameters to the shear resistance of root soil composite[J]. Yellow River, 2020, 42(10): 42-46. (in Chinese with English abstract)

[28] 宋梓涵，李希來，李杰霞，等. 高原鼠兔跑道對(duì)高寒草甸退化斑塊擴(kuò)大與連通的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2020，39(10)：3276-3284.

Song Zihan, Li Xilai Li Jiexia, et al. Effects of plateau pika () trails on enlargement and connection of degraded patches in alpine meadow[J]. Chinese Journal of Ecology, 2020, 39(10): 3276-3284. (in Chinese with English abstract)

[29] 張寶成，白艷芬. 氣候變暖對(duì)青藏高原高寒草甸生產(chǎn)力的影響—以河南縣為例[J]. 黑龍江畜牧獸醫(yī)，2016(9)：154-156.

Zhang Baocheng, Bai Yanfen. Effects of climate warming on Alpine meadow productivity in the Qinghai-Tibet Plateau: A case study in Henan County[J]. Heilongjiang Animal Science and Veterinary Medicine, 2016(9): 154-156. (in Chinese with English abstract)

[30] 中國科學(xué)院西北高原生物研究所. 高寒草原退化等級(jí)劃分：DB63/T 981-2011[S].

[31] 中華人民共和國水利部.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50123-2019[S]. 北京：中國計(jì)劃出版社，2019.

[32] 楊亞川，莫永京，王芝芳，等. 土壤-草本植被根系復(fù)合體抗水蝕強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，2(1)：31-38.

Yang Yachuan, Mo Yongjing, Wang Zhifang, et al. Experimental study on anti-water erosion and shear strength of soil-root composite[J]. Journal of China Agricultural University, 1996, 2(1): 31-38. (in Chinese with English abstract)

[33] 王一博，王根緒，吳青柏，等. 植被退化對(duì)高寒土壤水文特征的影響[J]. 冰川凍土，2010，32(5)：989-998.

Wang Yibo, Wang Genxu, Wu Qingbai, et al. The impact of vegetation degeneration on hydrology features of alpine soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2010, 32(5): 989-998. (in Chinese with English abstract)

[34] 劉文玲，馬育軍，吳藝楠，等. 青海湖流域高原鼠兔擾動(dòng)對(duì)不同地表類型土壤水分特征的影響[J]. 中國水土保持科學(xué)，2017，15(2)：62-69.

Liu Wenling, Ma Yujun, Wu Yinan, et al. Effects of plateau pika’s disturbance on soil moisture characteristics of different land surface types in Qinghai Lake watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(2): 62-69. (in Chinese with English abstract)

[35] 董全民，趙新全，馬玉壽，等. 江河源區(qū)披堿草和星星草混播草地土壤物理性狀對(duì)耗牛放牧強(qiáng)度的響應(yīng)[J]. 草業(yè)科學(xué)，2005，22(6)：65-70.

Dong Quanmin, Zhao Xinquan, Ma Yushou, et al. Study on responses of soil physical character to stocking rate of yaks on mixed sown pastures of perennial grasses in Yangtze and Yellow Rivers source region[J]. Pratacultural Science, 2005, 22(6): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[36] 陳奇樂，謝夢(mèng)姣，李智，等. 壩上高原區(qū)不同退化草地土壤特征分析[J]. 中國草地學(xué)報(bào)，2020，42(5)：103-109.

Chen Qile, Xie Mengjiao, Li Zhi, et al. Analysis of soil characteristics of different degraded grasslands in Bashang Plateau[J]. Chinese Journal of Grassland, 2020, 42(5): 103-109. (in Chinese with English abstract)

[37] 郭麗鮮. 河北壩上退化草地植被恢復(fù)與治理措施研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

Guo Lixian. Study on the Vegetation Restoration and Controlling Measures of Degenerated Grassland in Bashang area of Hebei Province[D]. Beijing: China Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[38] 劉憶軒，李多才，侯扶江. 甘肅馬鹿春秋季放牧對(duì)高寒草原土壤理化性質(zhì)的影響[J]. 草業(yè)科學(xué)，2019，36(2)：273-283.

Liu Yixuan, Li Duocai, Hou Fujiang. Effect of grazing in spring and autumn on the physical and chemical properties of soil in Qilian Mountain[J]. Pratacultural Science, 2019, 36(2): 273-283. (in Chinese with English abstract)

[39] 楊子翰，陳泰祥，鄭巧燕，等. 高原鼢鼠干擾對(duì)高寒草甸植物群落特征的影響[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào)，2020，29(5)：13-20.

Yang Zihan, Chen Taixiang, Zheng Qiaoyan, et al. Effects of the excavation activities of plateau zokor) on the plant community characteristics of alpine meadow[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2020, 29(5): l3-20. (in Chinese with English abstract)

[40] 賀長彬，尤泳，王德成，等. 退化草地復(fù)合體力學(xué)特性與影響因素研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(4)：79-89.

He Changbin, You Yong, Wang Decheng, et al. Mechanical characteristics of soil-root composite and its influence factors in degenerated grassland[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(4): 79-89. (in Chinese with English abstract)

Soil physical and mechanical properties of alpine grassland in the source region of the Yellow River under three influence conditions

Xing Guangyan1,4, Shen Ziyan2, Liu Changyi2, Hu Xiasong2※, Li Xilai1, Fu Jiangtao3, Lu Haijing1, Zhao Jimei1

(1.,,810016,; 2.,,810016,; 3.,,810016,; 4.,,810016,)

This study aims to explore the effects of grazing and rodent damage on the soil physical and mechanical properties of alpine degraded grassland in the source region of the Yellow River. The alpine grassland in Henan County, Qinghai Province, China was selected as the study area. Three influence conditions were set, including the no-pika condition (Rodents, cattle and sheep were prohibited from eating and trampling), no-grazing condition (Cattle and sheep were forbidden to eat and trample, while rodents were allowed to eat and trample), and natural condition (Rodents, cattle and sheep were allowed to eat and trample) in this region. Four degradation types were divided into: the non-degraded, slightly, moderately, and heavily degraded grassland. Some parameters were measured, including the soil moisture content, density, root content, cohesion and internal friction angle of four degraded grasslands under three influence conditions. An analysis was made on the variation characteristics of soil physical and mechanical properties. The one-way analysis of variance (ANOVA) was utilized to evaluate the parameters under various influence conditions and degradation types. A nonparametric Wilcoxon test was carried out to determine the effects of three influence conditions on the internal friction angle of soil without considering degradation types. A grey correlation analysis was implemented to clarify the effects of soil moisture content, density and root content on the cohesion of soil in four degraded grasslands. The results showed that the soil moisture content, root content, and cohesion decreased gradually, whereas, the soil density increased gradually with the aggravation of grassland degradation. By contrast, there was less outstanding change in the internal friction angle of soil with the aggravation of grassland degradation. The cohesion of soil was ranked in the descending order under the same degradation type: no-pika, no-grazing, and natural condition. The internal friction angle of soil was ranked from large to small: no-grazing, no-pika, and natural condition. Among them, the cohesion of soil under no-pika condition was significantly higher than that under natural condition (<0.05). Regardless of grassland degradation types, the internal friction angle of soil under no-grazing condition was significantly higher than that under natural condition (<0.05). Therefore, the rodent and grazing prohibition can improve soil cohesion and internal friction angle of grassland. In addition, there was the relatively high correlation between the cohesion of soil and root content, ranging from 0.706 to 0.778 for the non-degraded and slightly degraded grasslands. There was the relatively high correlation between the cohesion of soil with the density and moisture content for the moderately and heavily degraded grasslands. Specifically, the correlation degrees were 0.586-0.785 and 0.622-0.779, respectively. The results can also provide the theoretical reference and practical guiding significance to effectively prevent the occurrence of natural disasters, such as the soil erosion and shallow landslide that caused by the degradation of alpine grassland in the source region of the Yellow River.

physical and mechanical properties; soils; cohesion; the source region of the Yellow River; alpine grassland; no-pika; no grazing

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020

S157.2

A

1002-6819(2022)-16-0180-10

邢光延，申紫雁，劉昌義，等. 三種影響條件下黃河源區(qū)高寒草地土壤物理及力學(xué)性質(zhì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(16)：180-189.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020 http://www.tcsae.org

Xing Guangyan, Shen Ziyan, Liu Changyi, et al. Soil physical and mechanical properties of alpine grassland in the source region of the Yellow River under three influence conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(16): 180-189. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.16.020 http://www.tcsae.org

2021-12-12

2022-08-12

青海省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2020-ZJ-906，2020-ZJ-904）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41572306，42041006）；第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0905-14）；地質(zhì)資源與地質(zhì)工程學(xué)科碩士點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目（41250103）

邢光延，博士研究生，研究方向?yàn)楦咴鷳B(tài)修復(fù)與環(huán)境模擬。Email：1241703033@qq.com

胡夏嵩，博士，教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害防治。Email：huxiasong@tsinghua.org.cn