三江源區(qū)不同利用方式草地生物量及土壤養(yǎng)分特征

李亞娟，孫燦燦，曹廣民，龍瑞軍

(1.甘肅農業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州　730070； 2.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧　810008；3.蘭州大學 草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州　730020)

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三江源區(qū)不同利用方式草地生物量及土壤養(yǎng)分特征

李亞娟1，孫燦燦1，曹廣民2，龍瑞軍3

(1.甘肅農業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070； 2.中國科學院西北高原生物研究所，青海 西寧810008；3.蘭州大學 草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州730020)

以三江源區(qū)瑪多縣高寒草原、退化高寒草原和垂穗披堿草人工草地為研究對象，研究了不同土地利用方式對地上、地下生物量以及土壤有機碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷含量的影響。結果表明：總生物量的高低排序為高寒草原>人工草地>退化高寒草原，人工草地和退化高寒草原的總生物量分別僅為高寒草原的32.9%和22.8%，人工草地對地上植被的恢復效果較好，地上部生物量最高，為高寒草原地上生物量的359.2%，但對地下生物量的恢復并不理想，0～10 cm地下生物量僅為高寒草原的11.5%。3種利用方式草地土壤碳氮磷養(yǎng)分含量均處于較低水平；退化和人工種植草地0～10 cm土層的有機碳、全氮、全磷、有效氮、有效磷含量明顯較高，而10 cm以下土層的各樣分含量明顯下降；退化對下層土壤的全磷和有效磷含量沒有明顯的影響，不同利用方式草地的全磷和有效磷含量在不同土層的變異也不明顯。

高寒草原；利用方式；退化草地；人工草地；植物量；土壤養(yǎng)分

三江源區(qū)地處青藏高原腹地，是我國江河中下游地區(qū)和東南亞國家生態(tài)環(huán)境安全和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)屏障[1]。近年來，由于全球氣候變暖和人類活動的影響,三江源區(qū)高寒草甸退化逐年加劇，嚴重退化后形成大面積的次生裸地[2-3]。高寒草原是三江源區(qū)的主要原生草地類型，由于退化而變?yōu)橥嘶吆菰?，環(huán)境退化又促使氣候干旱和蒸發(fā)量的上升,進而反過來加劇草場退化[4-5]。

人工草地建植作為三江源區(qū)草地恢復的一項重要措施，有助于改善土壤理化性質，提高土壤養(yǎng)分含量，同時保持水土，調節(jié)氣候，對畜牧業(yè)的發(fā)展和草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復都起了重要作用[6-7]。近年來，在高寒草甸重度和極度退化草地上改建的人工和半人工草地，雖能快速恢復“黑土灘”退化草地植被[8]，還能提供優(yōu)質高產的牧草，從而減輕天然草地的壓力，但是改建的人工草地由于管理不當和人類活動干預也出現了退化跡象[9]。這些變化最終導致三江源區(qū)土地利用方式的變化，導致進入土壤中的物質和植物殘體的數量和性質各異[10]。諸多學者對三江源區(qū)高寒草地放牧管理、草地退化過程中植被群落演替以及土壤有機碳庫的變化等方面進行了大量研究[11-13]，但對該區(qū)域土地利用方式變化方面的研究較少，尤其缺乏土地利用方式變化對草地生產力和土壤營養(yǎng)物質的綜合研究。

因此，研究以三江源區(qū)的瑪多縣典型高寒草原、退化高寒草原及垂穗披堿草人工草地為研究對象，研究利用方式變化對草地生產力以及土壤營養(yǎng)物質狀況的影響，以揭示該區(qū)域草地退化和人工恢復對土壤養(yǎng)分含量的影響，為當地高寒草地退化防治、人工草地的管理以及生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據。

1　材料和方法

1.1試驗地概況

試驗地位于青海省果洛藏族自治州西北部的瑪多縣，地勢自西北向東南傾斜，海拔4 200～5 000 m，氣候屬高寒草原氣候，一年之中無四季之分，只有冷暖之別，冬季漫長而嚴寒，夏季短促而溫涼。年平均氣溫-4.1℃，年均降水量300 mm。樣地原生草地類型為高寒草原，土壤類型為高山草原土，土層厚度50～60 cm，土壤質地為砂壤質。樣地位于瑪多縣鄂陵湖管理站，基本概況見表1。

1.2樣品采集與處理

于青海省瑪多縣鄂陵湖管理站附近，選擇具有典型性和代表性的未退化高寒草原、退化高寒草原及垂穗披堿草人工草地3種土地利用方式草地，每個樣地選取3個采樣點，樣點均分布于灘地上(坡度為<5°)，50 cm×50 cm樣方進行地上生物量測定，根土法進行樣品采集并進行地下生物量的測定。用直徑為6 cm 的土鉆分別對0～10，10～20和20～40 cm土層的土壤取樣，分層分別裝袋，用孔徑2 mm 土壤篩分出根系和土壤，將土壤樣品風干，過1 mm和0.25 mm篩備用。

1.3測定指標與方法

土壤有機碳含量用重鉻酸鉀硫酸外加熱法；全氮含量用半微量凱氏定氮法；全磷含量用鉬銻抗比色法；有效氮用堿解擴散吸收法；有效磷用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定[14]。

所有試驗數據用Excel 2003進行整理計算，用SPSS 17.0數據分析軟件進行統(tǒng)計分析。

表1　不同利用方式草地基本概況

2　結果與分析

2.1土地利用方式對草地植物生物量的影響

相比高寒草原，退化高寒草原地上、地下和總生物量均顯著降低，總的生物量僅為高寒草原的22.8%(表2)。人工草地雖然地上部生物量最高，為高寒草原地上生物量的359.2%，但各土層地下生物量均很小，造成總生物量也很小，僅為高寒草原的32.9%。3種利用方式中高寒草原的總生物量高達1 382.2 g/m2，主要原因是地下生物量很大，0～10 cm土層的生物量有800.5 g/m2，20～40 cm的生物量高達179.6 g/m2，退化和人工種植都造成地下生物量急劇下降，尤其是人工草地10 cm以下土層的生物量較小，10～20 cm和20～40 cm土層的生物量分別僅為5.9和4.6 g/m2。

表2　不同土地利用方式草地的生物量

注：數據為平均值±標準差；不同小寫字母表示不同土地利用方式之間差異顯著(P<0.05)。下同

2.2土地利用方式對草地土壤碳、氮素含量的影響

碳、氮是植物生長所必需的大量元素，土地利用方式的變化對土壤-植物體系氮素循環(huán)具有顯著影響[15]，研究區(qū)域3種土地利用方式土壤的有機碳、全氮和有效氮平均含量均處于較低水平，有機碳均小于15 g/kg，全氮均小于0.5 g/kg，有效氮小于85 mg/kg(表3)。

在0～10 cm土層，土壤有機碳、全氮和有效氮含量均表現出人工草地和退化高寒草原高于高寒草原的趨勢，退化高寒草原和人工草地的有機碳含量分別比高寒草原增加了37.1%和38.5%，有效氮含量分別比高寒草原增加了17.9%和11.4%；10～20 cm土層，有機碳與0～10 cm土層相似，3種利用方式的全氮含量差異不顯著(P>0.05)，有效氮的高低順序為高寒草原>退化高寒草原>人工草地；而20～40 cm土層，有機碳、全氮和有效氮含量均表現出高寒草原>退化高寒草原>人工草地的規(guī)律性。試驗表明，退化和開墾均導致0～10 cm土層的碳、氮含量增加，而10 cm以下土層的碳氮含量卻明顯下降。

3種土地利用方式土壤的有機碳、全氮和有效氮含量均表現出隨土層深度增加而降低的趨勢，各土層之間差異顯著(P<0.05)，退化高寒草原和人工草地土壤養(yǎng)分沿土壤剖面的降低幅度更大，這兩種利用方式土壤的有機碳含量分別從0～10 cm土層的13.72 g/kg 和13.86 g/kg降到20～40 cm土層中的4.82 g/kg和4.50 g/kg，全氮含量分別從0～10 cm土層的0.33 g/kg和0.36 g/kg降到20～40 cm土層的0.10 g/kg和0.16 g/kg，有效氮含量分別從0～10 cm土層的85.1 mg/kg和80.4 mg/kg降到20～40 cm土層的16.7 mg/kg和25.6 mg/kg(表3)。

表3　不同土地利用方式土壤的有機碳、全氮和有效氮含量

注：不同大寫字母表示相同土地利用方式不同土層之間差異顯著(P<0.05)，下同

2.3土地利用方式對草地土壤全磷和有效磷含量的影響

磷素對草地生態(tài)系統(tǒng)生產力和持續(xù)性都具有重要作用，牧草中所含的磷主要來源于土壤中的有效磷，3種土地利用方式土壤的全磷和有效磷含量均處于較低水平，人工草地的3個土層的全磷含量均最高，而退化對土壤全磷沒有明顯影響(表4)。退化對土壤的有效磷含量也影響不大，除了人工草地表層土壤的有效磷含量是7.8 mg/kg外，3種利用方式各土層的有效磷含量變異在5.0～6.0 mg/kg，人工草地表層土壤有效磷含量相對較高可能與施肥有關，而人工草地表層較高的全磷和有效磷含量也可能是其地上生物量較大的原因之一。

3種利用方式土壤的全磷含量在3個土層之間差異均顯著(P>0.05)，除人工草地的表層土壤外，其他3種利用方式3個土層之間有效磷含量差異也不顯著(P>0.05)。說明退化和人工種植對土壤全磷和有效磷在土壤剖面的分布沒有明顯影響，這可能與磷素在土壤中的移動性差有關。

表4　不同土地利用方式土壤的全磷和有效磷含量

3　討論

退化造成高寒草原地上、地下和總生物量的顯著下降，這與已有的研究一致[16-18]，尤其是地下生物量，退化高寒草原20 cm以下土層的生物量很小，人工種植對地上生物量雖然有明顯的恢復效果，但對地下生物量沒有恢復效果。劉偉等[19]在青藏高原的研究表明，隨著草地退化程度的加劇，植物根系有向表層聚集的趨勢，退化后地下生物量主要集中在0～20 cm土層，20 cm以下土層的地下生物量極小。

對土壤碳氮磷營養(yǎng)元素的進一步研究表明，研究區(qū)域土壤有機碳、全氮、有效氮、全磷和有效磷含量整體較低，施肥雖然使人工草地表層土壤的碳氮磷含量有所升高，但含量依然偏低，不利于草地生產力的恢復和可持續(xù)發(fā)展。草地退化和人工種植均使0～10 cm土層的有機碳、全氮、全磷、有效氮和有效磷含量明顯升高。但也有研究表明，退化和開墾會導致土壤主要營養(yǎng)元素含量明顯降低[20-22]，何貴永等[23]的研究也表明長時間放牧會加快了土壤養(yǎng)分的周轉，而使土壤養(yǎng)分匱缺，土壤肥力下降，草地退化。筆者之前的研究也表明退化導致土壤有機碳、全氮和全磷含量均顯著升高[24]，有研究也表明退化對土壤養(yǎng)分的影響與退化程度有關，重度退化條件土壤有效養(yǎng)分會升高[25-26]。因此，退化和人工種植對草地土壤養(yǎng)分的影響較為復雜，這與退化程度以及區(qū)域環(huán)境條件等都有關系，本研究的樣地退化較嚴重，植被總蓋度不足30%，表層凋落物較多，可能會使土壤養(yǎng)分處于暫時的豐富狀態(tài)。

張生楹等[27]的研究認為，開墾利用后土壤養(yǎng)分含量明顯受到人為的控制和干擾，土壤有機碳、有效氮和有效磷均升高，這與此次研究結果一致，也是試驗中人工草地利用方式具有較高地上生物量的重要原因。研究也發(fā)現，退化和人工種植導致20 cm以下土層有機碳、全氮、全磷和有效氮含量急劇下降，退化對土壤有效磷的影響不大，而人工種植后表層土壤的有效磷含量明顯升高。退化和人工種植對土壤全磷和有效磷的分布沒有明顯影響，也有研究表明退化程度對全磷和有效磷的變化趨勢影響不明顯[28-29]，這也說明土壤全磷和有效磷受利用方式變化影響較小。

4　結論

草地退化導致高寒草原生物量明顯降低，而垂穗披堿草人工草地對草地地上植被的恢復效果較好，但對地下生物量的恢復并不理想，這可能造成人工草地的可持續(xù)性差。退化和人工草地均導致表層的有機碳、全氮、有效氮、有效磷含量明顯升高，而下層以上各養(yǎng)分有機碳、全氮、有效氮含量則明顯下降；退化對土壤全磷和有效磷含量影響不大，不同利用方式草地的全磷和有效磷含量的變異也不明顯。研究區(qū)域各利用方式草地土壤碳氮磷養(yǎng)分含量均處于較低水平，建議在退化草地的防治和恢復過程中加強土壤養(yǎng)分的補給及可持續(xù)的土壤養(yǎng)分管理。

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Study on plant biomass and soil nutrients under different land use patterns in Three-river Headwater Area

LI Ya-juan1,SUN Can-can1，CAO Guang-min2,LONG Rui-jun3

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China； 2.NorthwestPlateauInstitutionofBiology,ChineseAcademyofSciences,Xining,QinhaiProvince810008,China； 3.CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou,GansuProvince730020,China)

Three land use patterns in Maduo county located in Three-river Headwater Area.including alpine steppe,degraded alpine steppe and sowed grassland withElymusnutanswere selected to study the effects of land use pattern on above ground biomass,and underground biomass,soil organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,available nitrogen and available phosphrous content.The results showed that the rank of total biomass in three land use patterns was alpine steppe> sowed grassland >degraded alpine steppe.The total biomass of sowed grassland and degraded alpine steppe accounted for 32.9% and 22.8% of that of alpine steppe respectively.The sowed grassland had good recovery effect on the above ground vegetation because of its highest aboveground biomass,which accounted for 359.2% of that of alpine steppe,however,the underground biomass of sowed grassland was lower,which accounted for 11.5% of that of alpine steppe.Soil nutrients of three land use patterns were all lower level.Soil organic carbon,total nitrogen,total phosphorus,available nitrogen and available phosphorus in 0～10 cm soil both in degradation and artificial grassland were all higher,but these nutrients below 10 cm soil were all lower.Degradation had no obvious impact on soil total phosphorus and available phosphorus below 10 cm soil,and soil total phosphorus and available phosphorus under different land use patterns did not show obvious changes along the soil profile.

alpine steppe；land use patterns；degraded grassland；artificial grassland；phytomass；soil nutrients

2016-05-13；

2016-06-22

甘肅省青年科學基金(1506RJYA027)；甘肅農業(yè)大學創(chuàng)新基金(GSAU-STS-1417)資助

李亞娟(1981-)，女，甘肅慶陽人，博士，講師，主要從事草地土壤學方面的研究。

E-mail：liyj@gsau.edu.cn

S 153

A

1009-5500(2016)04-0048-06