三江源區(qū)高寒草甸退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響

徐 翠，張林波，杜加強(qiáng)，郭 楊，吳志豐，徐延達(dá)，李 芬，王風(fēng)玉

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院/國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012)

三江源區(qū)生態(tài)戰(zhàn)略地位極為重要，是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)生態(tài)功能調(diào)節(jié)區(qū)。長(zhǎng)江總水量的1.2%，黃河總水量的40%以及瀾滄江總水量的15%均來(lái)自于三江源區(qū)［1］。受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，20世紀(jì)70年代以前三江源區(qū)草地已經(jīng)呈退化趨勢(shì)［2］。

高寒草地退化除造成植被狀況［3］發(fā)生明顯變化外，還對(duì)土壤理化性質(zhì)［4］產(chǎn)生顯著影響，使土壤肥力［5］、土壤有機(jī)碳［6-9］、土壤微生物［10-12］與土壤酶活性［13］等指標(biāo)明顯下降。土壤理化性質(zhì)變化對(duì)水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮具有重要作用［14］。劉敏超等［15］以綜合蓄水量方法計(jì)算得到三江源區(qū)水源涵養(yǎng)量總計(jì)為1.6469×1010t，其中，土壤蓄水量占總量的99%。由此看出草地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能以土壤蓄水為主。而不同的植被類型［16］、生態(tài)系統(tǒng)類型［17］以及土地利用與土地覆蓋［18］都會(huì)對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生不同程度的影響。近年來(lái)相關(guān)研究［19］表明，三江源區(qū)水源涵養(yǎng)生態(tài)功能明顯下降，源頭產(chǎn)水量逐年減少。因此，研究三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況變化與土壤水源涵養(yǎng)功能關(guān)系至關(guān)重要。

為了深入研究并探討三江源區(qū)高寒草地退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響，本文采用野外實(shí)地采樣與室內(nèi)測(cè)試分析的方法，針對(duì)三江源區(qū)分布面積最廣的高寒草甸，在不同退化程度的高寒草甸生境內(nèi)分別布設(shè)樣地，采樣并分析各退化階段高寒草甸的生物量特征、土壤水文物理性質(zhì)、土壤水源涵養(yǎng)量的變化趨勢(shì)及其相關(guān)關(guān)系，研究高寒草甸退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響，為三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)精確評(píng)估與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供理論基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三江源區(qū)隸屬青藏高原腹地，位于東經(jīng) 89°45'—102°23'，北緯 31°39'—36°12'，海拔在 3335—6564m 之間，平均海拔為4000m。涉及青海省玉樹(shù)、果洛、海南、黃南、海西5個(gè)藏族自治州的16個(gè)縣以及格爾木市代管的唐古拉鄉(xiāng)［20］，全區(qū)行政面積達(dá)36.37萬(wàn)km2。為典型高原大陸性氣候，全年冷熱交替，干濕分明，年尺度與日尺度溫差大，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射劇烈，植物生長(zhǎng)周期短。全年平均氣溫為－5.6—3.8℃，極端最低氣溫低至－48℃，極端最高氣溫高達(dá)28℃，年平均降水量范圍在262.2mm到772.8 mm之間［10］。高寒草甸、高寒草原和高山森林是三江源地區(qū)重要的植被類型［11］。高寒草甸類草地常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)種主要為莎草科嵩草屬(Kobresia Wild.)、苔草屬(Carex L.)以及禾本科披堿草屬(Elymus L.)等植物［21］，常見(jiàn)毒雜草有豆科棘豆屬(Oxytropis DC.)、毛茛科烏頭屬(Aconitum L.)、菊科橐吾屬(Ligularia Cass.)等［22］。土壤類型多為高山草甸土、亞高山草甸土和高山草原土［23］，其中，高山草甸土為地帶性土壤。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)與采樣方法

參考青藏高原草地評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［24］及GB 19377—2003《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)》，根據(jù)研究目的將三江源區(qū)高寒草甸退化階段分為未退化、中度退化及重度退化3個(gè)階段。為排除土壤類型差異對(duì)結(jié)果的影響，需要對(duì)土壤類型進(jìn)行劃分。將全國(guó)1∶100萬(wàn)土壤類型圖、全國(guó)1∶100萬(wàn)植被類型圖與實(shí)際情況相結(jié)合，根據(jù)土壤類型與植被類型的代表性，確定樣地植被類型以高寒草甸類為主，土壤類型以亞高山草甸土、高山草甸土與高山草甸草原土為主，綜合考慮三江源區(qū)降水量、年積溫、年均溫等水熱條件差異，根據(jù)高寒草甸退化程度與土壤類型組合生境(共9種)，以空間分布代替時(shí)間演替的方法［7，25］，2012年8月在三江源區(qū)黃南州、果洛州及玉樹(shù)州境內(nèi)布設(shè)樣地。實(shí)地調(diào)查中在亞高山草甸土條件下僅選取到1個(gè)重度退化草甸，高山草甸草原土條件下未選取到具代表性的未退化高寒草甸。因此，共布設(shè)了32個(gè)樣地，樣地大小為30m×30m，每一樣地均隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1m×1m的植物樣方。樣地基本概況記錄見(jiàn)表1。

采用常規(guī)收獲法［26］采集地上生物量。三江源地區(qū)高寒草甸生境內(nèi)約95%以上的根系主要集中在0—20cm［4，27］，利用根鉆采集0—20cm根系樣品以測(cè)定地下生物量。在每個(gè)植物樣地內(nèi)挖取3個(gè)土壤剖面，采用容積為100cm3的環(huán)刀采集0—10cm、10—20cm、20—30cm處原狀土，編號(hào)并稱重、密封保存。

2.2 生物量及土壤特征測(cè)定

將采集的地上植被樣品置于65℃下烘干至恒重，稱重得到地上生物量。用淘洗法將根系與土壤分離，在65℃下烘干至恒重，稱重得到地下生物量。

參考《森林土壤定位研究方法》［28］與LY/T 1215-1999《森林土壤水分-物理性質(zhì)的測(cè)定》由環(huán)刀法一次性連續(xù)檢測(cè)并計(jì)算得到土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度、自然含水量、毛管持水量、最小持水量、最大持水量等指標(biāo)。

土壤最大蓄水量集中反映了土壤儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)水分的作用［29］，本研究以土壤最大蓄水量將土壤水源涵養(yǎng)功能定量化［17，30-33］，土壤水源涵養(yǎng)量由各層土壤最大持水量加和得到。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用SPSS 16.0軟件 One-Way ANOVA統(tǒng)計(jì)各個(gè)指標(biāo)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差，在 P=0.05水平上 Least Significance Difference法檢驗(yàn)草甸地上生物量、地下生物量、各層土壤容重平均值、非毛管孔隙度平均值、毛管孔隙度平均值、總孔隙度平均值、0—30cm土壤自然含水量、毛管持水量、最小持水量及土壤水源涵養(yǎng)量在不同退化階段間是否存在顯著差異，如存在顯著差異，則標(biāo)記不同字母，如無(wú)顯著差異，則標(biāo)記同樣字母。Bivariate Correlations分析影響土壤水源涵養(yǎng)量的主要因素，以Pearson相關(guān)性系數(shù)表征與每一指標(biāo)間相關(guān)性高低，Two-tailed檢驗(yàn)反映與該指標(biāo)間是否具有顯著相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 高寒草甸退化對(duì)生物量的影響

從圖1可以看出，隨著草甸退化程度的加重，地上、地下生物量均呈降低趨勢(shì)。與周華坤等［4］研究結(jié)果一致。其中，草甸退化對(duì)地上生物量的影響較為明顯，而對(duì)地下生物量的影響不明顯，可能地下生物量對(duì)草地退化的響應(yīng)具有滯后現(xiàn)象，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能顯現(xiàn)。

3.2 高寒草甸退化對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

3.2.1 對(duì)土壤容重的影響

土壤容重在土壤剖面的垂直分布規(guī)律隨草甸退化程度加劇發(fā)生變化。未退化、中度退化草甸土壤容重隨土壤深度增加逐漸增大，而在重度退化草甸中呈波動(dòng)性變化(表2)。草甸由未退化向中度、重度退化階段演替過(guò)程中，3層土壤容重平均值顯著增大(P＜0.05，圖2)，這點(diǎn)與西藏當(dāng)雄草地退化對(duì)土壤容重影響特點(diǎn)［6］相吻合，也與魏強(qiáng)等［34］在黃河上游瑪曲的研究結(jié)果一致。

圖1 三江源區(qū)不同退化階段高寒草甸生物量Fig.1 Biomass of alpine meadow at different degradation stages in Sanjiangyuan Region

表2 高寒草甸不同退化階段土壤物理性質(zhì)特征Table2 Soil physical properties of alpine meadow at different degradation stages in different soil types

3.2.2 對(duì)土壤孔隙度的影響

隨著草甸由未退化向中度、重度退化進(jìn)程中，土壤非毛管孔隙度在土壤剖面上無(wú)明顯的垂直變化規(guī)律(表2)。圖2看出，土壤非毛管孔隙度與草地退化程度無(wú)明顯變化趨勢(shì)，在亞高山草甸土條件下，重度退化階段高寒草甸土壤非毛管孔隙度顯著較高于其他退化階段草甸(P＜0.05)，與黃河上游瑪曲高寒草地不同退化階段的土壤非毛管孔隙度［34］結(jié)果一致，可能由于草地沙化或石礫化增大了土壤非毛管孔隙度。而在高山草甸土條件下，中度退化階段則顯著較高于其他退化階段草甸(P＜0.05)?？赡懿煌耐寥李愋蜁?huì)使草地退化對(duì)土壤非毛管孔隙度的影響加快或減慢。

圖2 不同退化階段高寒草甸各層土壤容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度平均值Fig.2 Average soil bulk density、non-capillary porosity、capillary porosity、total porosity in different degradation alpine meadow

表2可知，草甸退化影響了土壤毛管孔隙度與總孔隙度在土壤剖面上的變化規(guī)律，當(dāng)草甸處于未退化與中度退化階段時(shí)，土壤毛管孔隙度與總孔隙度在土壤剖面上逐漸減少，一旦草甸發(fā)生嚴(yán)重退化時(shí)，則發(fā)生波動(dòng)性變化。由圖2看出高寒草甸土壤毛管孔隙度、總孔隙度由大到小排序:未退化草甸＞中度退化草甸＞重度退化草甸，規(guī)律與魏強(qiáng)等［34］研究結(jié)果一致。

3.3 高寒草甸退化的土壤持水特征

由表3可知，草甸退化對(duì)土壤自然含水量在土壤剖面上的作用規(guī)律不明顯。表3與圖3共同說(shuō)明高寒草甸由未退化向中度、重度退化過(guò)程演替過(guò)程中，0—10cm、10—20cm、20—30cm及0—30cm土壤自然含水量隨草甸退化程度加劇均呈降低趨勢(shì)，西藏當(dāng)雄草原草地退化對(duì)土壤自然含水量也存在這樣的規(guī)律［35］。

表3中可看出，草甸退化影響了土壤最大持水量在土壤剖面的垂直分布規(guī)律發(fā)生變化。高寒草甸在重度退化階段，土壤最大持水量隨在土壤剖面垂直方向呈波動(dòng)性變化。

高寒草甸退化也影響了土壤最大持水量在土壤剖面的垂直分布規(guī)律(表3)，重度退化階段土壤最大持水量隨土壤深度出現(xiàn)波動(dòng)變化。隨著草甸退化程度加劇，高寒草甸0—30cm土壤毛管持水量呈降低趨勢(shì)(圖3)。

圖3 不同退化階段高寒草甸0—30cm土壤自然含水量、毛管持水量、最小持水量及土壤水源涵養(yǎng)量Fig.3 Soil natural water water-holding capacity、capillary water-holding capacity、minimum water-holding capacity and soil water conservation capacity in different degradation alpine meadow

3.4 土壤水源涵養(yǎng)量變化趨勢(shì)及其影響因素分析

從圖3可看出，草甸退化過(guò)程中土壤水源涵養(yǎng)量呈顯著降低趨勢(shì)(P＜0.05)。在亞高山草甸土條件下，未退化、中度退化、重度退化階段草甸土壤水源涵養(yǎng)量平均值分別為1897.44、1701.04、1550.10t/hm2，分別降低了10.35%和18.31%。在高山草甸土條件下，3個(gè)退化階段土壤水源涵養(yǎng)量平均值為1884.32、1707.79、1360.04t/hm2，顯著降低了9.37%和27.82%(P＜0.05)。在高山草甸草原土條件下，中度、重度退化草甸土壤水源涵養(yǎng)量平均值分別為 1462.10t/hm2與1082.38t/hm2，顯著減少了 25.97%(P＜0.05)。

表3 不同土壤類型下高寒草甸不同退化階段土壤水分特征Table3 Soil water characteristic of alpine meadow at different degradation stages in different soil types

表4 壤水源涵養(yǎng)量與主要影響因素相關(guān)性(雙尾檢驗(yàn))Table4 Correlations between soil water conservation capacity and main factors that influence(2-tailed)

高寒草甸土壤水源涵養(yǎng)量與群落地上生物量、地下生物量、土壤容重、土壤總孔隙度以及土壤毛管孔隙度共5項(xiàng)指標(biāo)間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P＜0.01，表4)，與土壤非毛管孔隙度關(guān)系不顯著。在上述5項(xiàng)指標(biāo)中，與草甸土壤水源涵養(yǎng)量存在正相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性最高的指標(biāo)為土壤總孔隙度，其次是土壤毛管孔隙度。從相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果中得到土壤水源涵養(yǎng)量與土壤容重呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。土壤水源涵養(yǎng)量與地上生物量、地下生物量間也存在顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，而地上生物量和地下生物量又分別與土壤容重、土壤毛管孔隙度呈顯著相關(guān)(P＜0.05)。這是由于高寒草甸草地退化首先表現(xiàn)為植被退化，具體體現(xiàn)在植被覆蓋度降低、毒雜草比例升高、地上生物量降低等方面。高寒草甸植被主要通過(guò)發(fā)達(dá)的根系直接參與土壤的發(fā)育過(guò)程［4］。伴隨草地退化的地上植被影響地下根系的數(shù)量，逐漸對(duì)土壤物理化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生作用，繼而造成土壤退化。而土壤退化則具體表現(xiàn)在土壤容重等物理指標(biāo)發(fā)生變化，土壤貧瘠化等。土壤容重與孔隙度是土壤物理性質(zhì)的重要參數(shù)，直接影響著土壤水源涵養(yǎng)量的高低［33］。與表4結(jié)果一致，草地退化進(jìn)程中的植被退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能具有間接影響作用，土壤退化則直接影響到土壤水源涵養(yǎng)功能。

4 討論與結(jié)論

高寒草甸退化進(jìn)程中，土壤水源涵養(yǎng)量平均值在未退化、中度退化和重度退化3個(gè)階段分別為1890.15、1670.76t/hm2以及1361.90t/hm2，中度退化草甸較未退化草甸土壤水源涵養(yǎng)量低11.61%，重度退化草甸低27.95%。三江源區(qū)中度退化以上草地面積為 5.7×106hm2，其中，重度退化草地面積為 1.8×106hm2［36］，則中度退化草地面積為3.9×106hm2。可計(jì)算得到中度退化使草地土壤水源涵養(yǎng)量減少了8.56×108t，重度退化使草地土壤水源涵養(yǎng)量減少了9.51×108t，則土壤水源涵養(yǎng)量共減少了18.07×108t。因此在計(jì)算水源涵養(yǎng)量時(shí)充分考慮生態(tài)退化狀況是準(zhǔn)確評(píng)估的基礎(chǔ)。本文僅以3種土壤條件下高寒草甸這一種植被類型進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同土壤類型、不同退化程度的水源涵養(yǎng)量存在差異。三江源區(qū)植被類型與土壤類型多樣，在今后研究中，應(yīng)重視土壤類型與植被類型的組合關(guān)系對(duì)土壤水源涵養(yǎng)量的影響。

隨著草地退化加劇，高寒草甸地下生物量逐漸減少，土壤容重顯著增大(P＜0.05)，毛管孔隙度顯著降低(P＜0.05)，而非毛管孔隙度在草地退化階段顯著高于未退化階段(P＜0.05)。同時(shí)，在三江源區(qū)高寒草甸退化過(guò)程中，土壤水源涵養(yǎng)功能顯著減弱(P＜0.05)，特別是在草甸從中度退化向重度退化演替過(guò)程中最為明顯，降低幅度最大達(dá)27.82%。表明草地退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能具有顯著的削弱作用(P＜0.05)，與魏強(qiáng)等［34］的結(jié)果趨勢(shì)一致。這是因?yàn)橹脖煌嘶饾u引起土壤退化，根系淺層化減量化，土壤容重增大化［4］。高寒草甸發(fā)達(dá)的根系會(huì)降低土壤下滲率，增大土壤毛管孔隙度，有利于土壤蓄水量的增加［25］，與本研究結(jié)果一致，表明未退化草甸土壤水源涵養(yǎng)量較高。而土壤非毛管孔隙度能夠較快容納降水，及時(shí)下滲，有利于調(diào)節(jié)河川徑流，大多學(xué)者常以土壤非毛管孔隙度指標(biāo)度量土壤水源涵養(yǎng)能力［15，37］。而草地生態(tài)系統(tǒng)中植被空間層次結(jié)果發(fā)育較差［17］，土壤結(jié)構(gòu)與孔隙發(fā)育緩慢，土壤中大孔隙少而毛管孔隙發(fā)達(dá)，從而使得土壤本身的持水性能較強(qiáng)，土壤水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮受到土壤毛管孔隙度的限制。三江源區(qū)草地退化過(guò)程中，植被退化導(dǎo)致的土壤緊實(shí)度下降，土壤石礫含量升高［38］，增大了土壤非毛管孔隙度，但減少了總孔隙度，可能導(dǎo)致土壤水源涵養(yǎng)量降低。如果以土壤非毛管孔隙度計(jì)算水源涵養(yǎng)量則與實(shí)際情況不符。三江源區(qū)土壤總孔隙度95%以上由毛管孔隙度構(gòu)成，與在瑪曲實(shí)測(cè)結(jié)果［34，39］一致;相關(guān)性分析結(jié)果也表明土壤水源涵養(yǎng)量主要取決于土壤毛管孔隙度。因此，三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)的精確估算還有待進(jìn)一步深入研究。

高寒草甸地上生物量在三江源區(qū)草地退化過(guò)程中呈顯著降低趨勢(shì)(P＜0.05)，相關(guān)分析結(jié)果表明地上生物量與土壤水源涵養(yǎng)量間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，陳友君等［40］在內(nèi)蒙古大針茅草原也得到類似結(jié)論?，F(xiàn)階段，地上生物量的遙感反演技術(shù)已日漸成熟［41-43］，增加地上生物量影響土壤水源涵養(yǎng)量的機(jī)制及其相關(guān)關(guān)系研究對(duì)于建立地上生物量與土壤水源涵養(yǎng)量回歸關(guān)系具有重要意義，其結(jié)果可為借助遙感反演地上生物量為區(qū)域水源涵養(yǎng)量的精確估算與功能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

致謝:青海省環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院翟永洪院長(zhǎng)與李忠主任協(xié)助安排野外工作，青海省三江源區(qū)黃南州、果洛州、玉樹(shù)州林業(yè)環(huán)保局、草原工作站相關(guān)工作人員參與了野外采樣，在此一并致謝。

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