黃河上游瑪曲不同退化程度高寒草地土壤物理特性研究

魏 強(qiáng)，王 芳，陳文業(yè)，朱 麗，李廣宇，戚登臣

(甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅蘭州730020)

黃河源區(qū)地處青藏高原腹地，是涵養(yǎng)水源的重要區(qū)域，是我國生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)和氣候變化啟動區(qū)[1]。該地區(qū)廣泛分布著占據(jù)青藏高原絕大部分面積的高寒草地，其環(huán)境的變化影響到整個流域的生態(tài)安全和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。然而，數(shù)年來在全球氣候變化的大背景下，特別是在人類活動日益頻繁的干擾和破壞下，加之鼠兔害的頻繁發(fā)生，致使黃河源區(qū)的高寒草地遭到不同程度的退化。對于草地退化，首先是地上植被發(fā)生明顯變化，如優(yōu)良牧草種類減少，產(chǎn)量降低，有毒有害植物擴(kuò)展蔓延，以及草地生產(chǎn)力降低等現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上進(jìn)而發(fā)生土壤環(huán)境系統(tǒng)的退化。

土壤退化是指土壤物理性能、化學(xué)性能及土壤生物的退化，主要表現(xiàn)在土壤容重增加，孔隙度變小，滲透性能和理水調(diào)洪功能降低，有機(jī)質(zhì)含量下降，土壤微生物數(shù)量減少，土壤酶活性降低，以及土壤的貧瘠化和粗?；Ｍ寥劳嘶遣莸赝嘶暮诵膯栴}[2]，因土壤是SPAC(土壤—植被—大氣連續(xù)體)系統(tǒng)的重要組成部分，是地上植物生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤環(huán)境的好壞不僅關(guān)系到植物的生長，而且還直接影響著生產(chǎn)力的高低。土壤退化與植被退化并非同步進(jìn)行，土壤退化明顯要滯后于植被退化，且土壤退化表現(xiàn)不明顯，土壤一但發(fā)生退化則恢復(fù)難度極大，需要時間更長。

對于草地土壤退化的研究，目前大多集中在土壤物理性質(zhì)方面。因土壤物理性質(zhì)是土壤的結(jié)構(gòu)狀況、養(yǎng)分狀況、持水性能、保水能力及滲透能力的綜合反映，良好的土壤物理性質(zhì)對涵養(yǎng)水源、保持水土、增強(qiáng)土壤抗蝕、抗沖性能有重要的意義[3]。同時，土壤理化性質(zhì)也是研究水分在土壤中傳輸?shù)幕A(chǔ)和前提[4]，而土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律直接影響到土壤中水分運動方式及途徑。在土壤物理特性中，土壤容重與孔隙度是反映不同植被間土壤物理性質(zhì)的兩項重要指標(biāo)[5]，由于各植被的凋落物層組成、分解狀況和地下根系及土壤發(fā)育存在差異，從而造成各植被間土壤物理性質(zhì)有所不同，并且差異很大。

地處黃河源區(qū)的瑪曲，近年來高寒草地退化(特別是草地沙化)十分嚴(yán)重，其主要集中在黃河沿岸，沙化帶長達(dá)119 km，占瑪曲縣境內(nèi)黃河總長的27%[6]。目前，關(guān)于黃河上游瑪曲段不同退化高寒草地的研究，主要集中在植被群落結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性和物種多樣性等方面[7-9]，而對土壤退化特別是土壤物理性質(zhì)變化方面的研究較少。本研究以黃河上游瑪曲段最具有代表性的亞高山草甸草地為研究對象，通過對不同退化程度高寒草地土壤理化性質(zhì)的研究，揭示高寒草甸草地退化過程中土壤物理性質(zhì)的變化規(guī)律，以期為高寒退化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建以及今后合理利用草地資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

瑪曲縣位于黃河上游，甘肅省西南部，甘、青、川3省交界處，地理位置屬青藏高原東端(33°06′30″—34°30′15″N ，100°45′45″—102°29′00″E)，海拔 3 300 ～4 806 m。全縣總面積9.605×105hm2，擁有天然草場8.587×105hm2，占土地總面積的89.54%，可利用草場8.303×105hm2，占草場總面積的96.7%?？?cè)丝?.71萬人，其中藏族人口占88%。黃河由南、東、北環(huán)繞而過，形成“九曲黃河”第一灣，全境流程433 km[6，10]。氣候以高寒濕潤氣候為主要特征，年均氣溫1℃～2℃，活動積溫253.6℃，平均風(fēng)速7.5 m/s，最大風(fēng)速36 m/s，年均日照2 583.9 h，年降水量596.4 mm，年蒸發(fā)量1 353.4 mm[6，10]。土壤類型主要有高山草甸土、亞高山草甸土、草甸土、沼澤土、泥炭土、草甸化沼澤土、暗棕壤土等，其中草甸土為本區(qū)的代表性土壤。植被類型屬于川西藏東高原灌叢草甸區(qū)，灌木主要有高山杜鵑(Rhododendron lapponicum)、高山柳(Salix cupularis)、金露梅(Potentilla fruticosa)和沙棘(Hippophae rhamnoides)等，草本植物主要有矮蒿草(Artemisis feddei)、線葉蒿(Kobresia capilli folia)、藏蒿草(Kobresia tibetica)、珠 芽蓼(Polygonum viviparum)、高山龍膽(Gentiana algida)、莎草科(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、菊科(Compositae)等。草地類型有亞高山草甸草地、灌叢草甸草地、高山草甸草地、草原化草甸草地、沼澤化草甸草地、沼澤類草地等6種，其中亞高山草甸草地是該縣草地的主體和精華，禾本科和莎草科為各類草地的主要建群種和優(yōu)勢種，自古以來就是“羌中畜牧甲天下”和“亞洲第一草場”的美譽(yù)[10]。

2 研究方法

2.1 采樣方法

本研究以瑪曲黃河沿岸最具有代表性的亞高山草甸草地為研究對象，根據(jù)研究區(qū)域草地退化程度，采用草地退化五級梯度標(biāo)準(zhǔn)[11]，利用空間分布代替時間演替的方法來研究土壤物理特征的變化。原植物群落隨放牧強(qiáng)度的變化，最明顯地表現(xiàn)在居民點或家畜飲水點周圍相繼分布的環(huán)帶狀變化上，即由此向外放射，沿半徑方向構(gòu)成草原群落的放牧強(qiáng)度梯度和相應(yīng)的放牧退化等級[12-13]。所以，以距離牧民定居點遠(yuǎn)近劃分并選擇不同退化程度的亞高山草甸草地樣地共5處，依次為未退化草地、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(已沙化草地)，樣地面積均為30 m×30 m，土壤均為草甸土，母質(zhì)為洪積沖積物，質(zhì)地為輕壤—沙壤土。

2009年7月在瑪曲縣歐拉鄉(xiāng)，選擇不同退化程度的草地進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的研究。未退化草地位于 33°40′30″N ，101°52′29″E ，海拔 3 446 m;優(yōu)勢種為披堿草，雜草類為老鸛草、珠殃殃、鵝絨委陵菜等，種數(shù)約8～10種;高度 78 cm，蓋度98%，地上生物量747.20 g/m2;土壤良好。輕度退化草地位于33°40′06″N ，101°52′19″E ，海拔 3 448 m;優(yōu)勢種主要為披堿草、薄發(fā)早熟禾和紫羊茅，其次為花苜蓿;雜草類為高山唐松草、莓葉委陵菜、老鸛草等，種數(shù)約7～9種;莎草科很少，僅為1～2種;高度48 cm ，蓋度86%;地上生物量645.08 g/m2;土壤基本正常。中度退化草地位于33°40′09″N ，101°52′12″E，海拔3 449 m;優(yōu)勢種為莧葉莎草、苔草;雜草類為高山唐松草、莓葉委陵菜、肉果草、金蓮花、狼毒等，種數(shù)約 9～12種;豆科為米口袋、花苜蓿和棘豆;禾本科較少，主要為披堿草、薄發(fā)早熟禾和紫羊茅;高度19 cm，蓋度60%;地上生物量270.80 g/m2;土壤輕度沙化。重度退化草地位于33°40′17″N ，101°52′06″E，海拔3 451 m;優(yōu)勢種為高山唐松草、火絨草、金蓮花、狼毒、莓葉委陵菜等;豆科為米口袋和棘豆;莎草科為嵩草、莧葉莎草、苔草;禾本科較少，主要為披堿草和紫羊茅;高度18 cm，蓋度53%;地上生物量206.52 g/m2;土壤中度沙化。極度退化草地位于 33°40′21″N ，101°52′27″E ，海拔3 445 m;優(yōu)勢種主要為苔草和嵩草，其次為鵝觀草;雜草類為粘毛鼠尾草和防風(fēng);高度24 cm，蓋度38%，地上生物量131.00 g/m2;土壤嚴(yán)重沙化。由于該區(qū)草地根系主要分布在0—30 cm的土壤層中，因此以0—30 cm土壤層作為研究對象進(jìn)行土壤物理特性的研究。

在所選典型樣地的中心位置，按走蛇形方式各挖3個土壤剖面，相鄰?fù)寥榔拭骈g距在5 m之內(nèi)，用土壤環(huán)刀分層(0—10，10—20，20—30 cm)取樣，每層3次重復(fù)，每種植被類型每層總重復(fù)數(shù)為9次，將所取樣品拿回室內(nèi)進(jìn)行土壤容重、孔隙度、入滲特性、持水量和蓄水力的測定。

2.2 分析方法

土壤容重測定采用環(huán)刀法[14];土壤毛孔隙度測定采用環(huán)刀浸水法，土壤總孔隙度計算采用以下公式:P=93.947-32.999b，式中:b——土壤容重[14];土壤持水量采用環(huán)刀浸水法[14];土壤滲透性測定采用雙環(huán)滲透法[14];土壤蓄水力計算采用以下公式:

式中:Wt——土壤最大貯水量(t/hm2);W0——土壤非毛管貯水量(t/hm2);Pt——土壤總孔隙度(%);Po——土壤非毛管孔隙度(%);h——土壤厚度(m)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入及繪圖，利用SAS 9.0分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析、多重比較及檢驗。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤容重

土壤容重說明土壤的松緊程度及孔隙狀況，反映土壤的透水性、通氣性和植物根系生長的阻力狀況，是土壤物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)[15]。土壤容重越小，孔隙度越大，說明土壤發(fā)育良好，有利于植物生長。結(jié)果表明(表1)，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，土壤容重差異顯著，隨草地退化程度的加重而不斷增加，變動范圍為1.085～1.447 g/cm3，極度退化草地是未退化草地的1.33倍，產(chǎn)生差異的原因是由于過度放牧，牲畜長期對土壤踐踏而使土壤逐漸變緊實，此外是由于地上植被發(fā)生顯著退化，在強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用下草地不斷沙化所致。容重隨土壤深度的增加而不斷增加，變動范圍為 1.111～1.248 g/cm3，20—30 cm 是0—10 cm 的1.12倍，產(chǎn)生差異的原因是由于地上植被發(fā)生顯著退化，植被蓋度大大降低，使原本就很薄(土壤層僅為30—40 cm，下面為沙礫沖積物)的土壤在強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用下不斷變薄所致。

3.2 土壤孔隙度

土壤總孔隙度是反映土壤中所有孔隙的總量，實際上是土壤水和土壤空氣兩者所占的容積之和[16]。土壤孔隙度大小直接影響土壤中的水分與通氣狀況，從而影響到地上植物的生長。土壤孔隙度大，土壤通氣好，有利于植物根系的生長，同時高的孔隙度使土壤具有較好的水分滲透性，從而增加了土壤的蓄水能力。結(jié)果表明(表1)，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，土壤總孔隙度差異極顯著，隨草地退化程度的加重而不斷減少，變動范圍為46.214%～58.162%，未退化草地是極度退化草地的1.26倍;隨土壤深度的增加，總孔隙度在不斷減少，變動范圍為52.783%～57.285%，0—10 cm 是20—30 cm 的1.09倍;不同退化草地間土壤總孔隙度產(chǎn)生差異的原因是土壤容重不同所致。

對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，毛管孔隙度差異顯著，隨草地退化程度的加重先增大后減少，變動范圍為37.939%～52.728%，大小依次為極度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜中度退化草地＜輕度退化草地，輕度退化草地是極度退化草地的1.39倍;隨土壤深度的增加先增加后減少，變動范圍為47.567%～50.787%，10—20 cm是20—30 cm的1.07倍;不同退化草地間毛管孔隙度產(chǎn)生差異的原因是土壤中含沙量不同所致。

表1 不同退化高寒草地土壤物理特性統(tǒng)計分析

對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，非毛管孔隙度隨草地退化程度的加重先減少后增加，變動范圍為4.837%～8.275%，大小依次為中退化草地＜輕度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜極度退化草地，極度退化草地是中度退化草地的1.70倍;隨土壤深度的增加，非毛管孔隙度在不斷減少，變動范圍為5.216%～6.897%，0—10 cm是20—30 cm的1.32倍。

由非毛管孔隙度大小可以看出，在5種不同退化程度草地中，未退化草地土壤理水調(diào)洪能力較強(qiáng)，因而土壤非毛管孔隙度大，而土壤非毛管孔隙度大小是反映土壤理水調(diào)洪能力大小的一項重要指標(biāo)[17];極度退化草地土壤理水調(diào)洪能力強(qiáng)，這與其它區(qū)域研究結(jié)果不相吻合，產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是該區(qū)域土壤層很薄，僅為30—40 cm，以下全為沙礫沖積物，又極度退化草地已成為嚴(yán)重沙化草地，土壤中沙粒含量多，因此非毛管孔隙大，土壤透水性強(qiáng)，即使暴雨也不會產(chǎn)生地表徑流。

3.3 土壤持水量

土壤水是土壤最重要的組成部分之一，它與地上植物生長有著密切關(guān)系，一般可分為最大持水量、毛管持水量和田間持水量，其大小與土壤的孔隙度有直接關(guān)系[16]。土壤最大持水量是土壤貯水能力的一項指標(biāo)，是反映土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，它是土壤涵蓄潛力的最大值，也可以反映土壤水源涵養(yǎng)的能力。當(dāng)土壤總孔隙度大時，土壤的最大持水量就大，土壤貯存水量多，在小強(qiáng)度長歷時的降水過程中，土壤中容納的降水就多，從而降低了地表徑流所發(fā)生的頻率。結(jié)果表明(表1)，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，最大持水量差異顯著，隨草地退化程度的加重而不斷減少，變動范圍為26.765%～52.369%，未退化草地是極度退化草地的1.96倍;隨土壤深度的增加而不斷減少，變動范圍為40.504%～50.057%，0—10 cm 是20—30 cm的1.24倍;不同退化草地間最大持水量產(chǎn)生差異的主要原因是土壤總孔隙度不同所致。

田間持水量是指土壤毛管懸著水達(dá)到最多時的含水量，它是山區(qū)、丘陵、崗坡地等地勢較高處植物吸收水分的主要來源，其大小主要受土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)、松緊狀況等影響[16]。結(jié)果表明(表1)，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，田間持水量差異極顯著，隨草地退化程度的加重先增加后減小，變動范圍為18.564%～42.972%，大小依次為極度退化草地＜未退化草地＜重度退化草地＜中度退化草地＜輕度退化草地，輕度退化草地是極度退化草地的2.31倍;隨土壤深度的增加，田間持水量先增加后減少，變動范圍為32.531%～38.487%，10—20 cm是 20—30 cm的1.18倍;不同退化草地間田間持水量產(chǎn)生差異的原因是土壤毛管孔隙度不同所致。田間持水量大小也反映了土壤中植被可利用的有效水的多少，田間持水量越大，表明土壤中的有效水越多[18]。由此可以看出，輕度退化草地土壤中的有效水分多，極度退化草地土壤中有效水分極少，不利于植物的生長和發(fā)育。

3.4 土壤貯水力

土壤貯水力是評價不同植被類型下土壤涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)水循環(huán)的主要指標(biāo)之一[19]。從土壤保水能力來看，毛管孔隙中的水分可以長時間保持在土壤中，主要用于植物根系吸收和土壤蒸發(fā);從土壤蓄水能力來看，非毛管孔隙能較快容納降水并及時下滲，更加有利于涵養(yǎng)水源，因此土壤非毛管孔隙持水量被許多學(xué)者作為評價林地土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標(biāo)[19-20]。

土壤總貯水量是毛管孔隙與非毛管孔隙水分貯蓄量之和，是反映土壤貯蓄和調(diào)節(jié)水分的潛在能力，它是土壤涵蓄潛力的最大值，也可以反映土壤水源涵養(yǎng)的能力。結(jié)果表明(表1)，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，總貯水量差異極顯著，隨草地退化程度的加重而不斷減少，變動范圍為1 386.420～1 744.872 t/hm2，輕度退化草地是極度退化草地的1.26倍;隨土壤深度的增加而不斷減少，變動范圍為 527.833～572.852 t/hm2，0—10 cm是20—30 cm的1.09倍;不同退化草地間土壤總貯水量產(chǎn)生差異的原因是土壤總孔隙度不同所致。

從土壤蓄水能力方面來看，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，土壤蓄水能力差異極顯著，隨草地退化程度的加重先減少后增加，變動范圍為145.098～248.241 t/hm2，大小依次為輕度退化草地＜中度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜極度退化草地，輕度退化草地是極度退化草地的1.71倍;隨土壤深度的增加而不斷減少，變動范圍為52.161～ 68.973 t/hm2，0—10 cm 是 20—30 cm 的1.32倍;不同退化草地間土壤蓄水能力產(chǎn)生差異的原因是土壤非毛管孔隙度不同所致。

3.5 土壤滲透性

土壤滲透性也是土壤理水調(diào)洪功能極為重要的特征參數(shù)之一，是將地表徑流轉(zhuǎn)化為壤中流、地下徑流的能力，對土壤侵蝕影響極大[21]，它與土壤非毛管孔隙度有直接的關(guān)系。已有研究表明土壤滲透性能越好，地表徑流就越少，土壤流失量也會相應(yīng)減少。由于土地利用方式的不同，即使是同一類型的土地，其滲透性也會有很大差異，因此分析瑪曲不同退化程度草地的土壤滲透性對該地區(qū)草地的合理利用具有重要的指導(dǎo)意義。研究結(jié)果表明，對于不同退化程度草地，在0—30 cm土層范圍內(nèi)，土壤入滲性能隨草地退化程度的加重先減少后增大，大小依次為中度退化草地＜輕度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜極度退化草地(圖1)。

導(dǎo)致不同退化草地土壤入滲性能出現(xiàn)上述結(jié)果的原因不盡相同，對于中度退化和輕度退化草地，主要是因牲畜對土壤長期踐踏而使土壤逐漸變緊實所致;對于重度退化和極度退化草地，主要是因長期過度放牧致使植被蓋度大大降低，再加之風(fēng)的侵蝕作用，從而使草地出現(xiàn)不同程度的沙化，進(jìn)而引起土壤中沙粒含量不斷增多，因此極度退化草地土壤入滲性能明顯要高于未退化草地。對于0—30 cm土層范圍內(nèi)，未退化草地入滲性能隨土壤深度的增加而減小，0—10 cm明顯要好于10—20 cm和20—30 cm;其它4種草地變化不一致，無明顯規(guī)律;中度退化和極度退化草地各土壤層間差別不明顯，而輕度退化和重度退化草地差別明顯。對于0—10 cm土壤層，未退化和極度退化草地入滲性能與其它3種草地差別較大，大小依次為輕度退化草地＜中度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜極度退化草地;在整個入滲過程中，未退化與極度退化草地初滲速率與穩(wěn)滲速率差值較大，達(dá)穩(wěn)滲速率所需時間較長(約為40 min)，其它3種草地入滲速率變化較小，達(dá)穩(wěn)滲速率所需時間較短(約為6 min)，表明未退化草地土壤滲透性能良好。對于10—20 cm土壤層，極度退化草地入滲性能與其它4種草地差別較大，大小依次為輕度退化草地＜中退化草地＜未退化草地＜重度退化草地＜極度退化草地;在整個入滲過程中，5種不同退化程度草地初滲速率與穩(wěn)滲速率差值較小，除未退化和極度退化草地外(達(dá)穩(wěn)滲速率時間約為45 min)，其它3種草地達(dá)穩(wěn)滲速率所需時間較短(約為6 min)。對于20—30 cm土壤層，極度退化草地入滲性能與其它4種草地差別較大，大小依次為中度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜輕度退化草地＜極度退化草地;在整個入滲過程中，極度退化草地初滲速率與穩(wěn)滲速率差值較大，其它4種退化草地變化較小;除未退化和極度退化草地外，其它3種草地達(dá)穩(wěn)滲速率所需時間短(約為15 min)。

圖1 不同退化高寒草地土壤入滲過程

從圖1中土壤入滲過程可以看出，瑪曲5種不同退化草地間土壤滲透性變化較大，未退化草地土壤透水性良好，土壤保水和蓄水功能強(qiáng)，水土流失小;極度退化草地已成為沙化草地，土壤透水性良好，土壤蓄水功能強(qiáng)，但土壤保水功能很差，絕大部分降水經(jīng)土壤而轉(zhuǎn)變成壤中流和地下徑流，為地上植被生長所提供的有效水分少;中度退化草地土壤透水性較差，土壤保水和蓄水功能較弱，水土流失較大。

4 結(jié)論

通過對瑪曲5種不同退化高寒草地土壤容重、孔隙度、持水量、貯水力和入滲特性方面的研究，初步得出以下幾點結(jié)論:

(1)對于0—30 cm土壤層，不同退化草地間土壤容重、孔隙度、持水量和貯水量差異顯著。土壤容重隨草地退化程度的加重而不斷增加，變動范圍為1.085～1.447 g/cm3;隨土壤深度的增加而不斷增加，變動范圍為 1.111～1.248 g/cm3。土壤總孔隙度、最大持水量和總貯水量隨草地退化程度的加重而不斷減少，變動范圍依次為 46.214%～58.162%，26.765%～52.369%，1 386.420～ 1 744.872 t/hm2;隨土壤深度的增加而不斷減少，變動范圍依次為52.783%～57.285%，40.504%～ 50.057%，527.833～572.852 t/hm2。

(2)對于0—30 cm土壤層，土壤入滲性能隨草地退化程度的加重先減少后增大，大小依次為中度退化草地＜輕度退化草地＜重度退化草地＜未退化草地＜極度退化草地;未退化草地入滲性能隨土壤深度的增加而減小，0—10 cm明顯要好于 10—20 cm和20—30 cm。從土壤入滲過程可以看出，未退化草地土壤透水性良好，土壤涵蓄水源功能強(qiáng);重度退化草地土壤透水性較差，土壤涵蓄水源功能弱。

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