若爾蓋沙化草地恢復(fù)過程中土壤特性及水源涵養(yǎng)功能

稅 偉,白劍平,簡小枚,祁新華,蘇正安,陳 勇,蔡應(yīng)君

1 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福州 350116 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,成都 611130 3 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 4 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 5 若爾蓋縣林業(yè)局,若爾蓋 624500

若爾蓋沙化草地恢復(fù)過程中土壤特性及水源涵養(yǎng)功能

稅 偉1,2,*,白劍平2,簡小枚1,祁新華3,蘇正安4,陳 勇2,蔡應(yīng)君5

1 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,福州 350116 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,成都 611130 3 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 4 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 5 若爾蓋縣林業(yè)局,若爾蓋 624500

1995年以來,政府大力開展對若爾蓋沙化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建工作,其生態(tài)恢復(fù)效益受到廣泛關(guān)注。而水源涵養(yǎng)功能作為衡量草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度的重要生態(tài)指標(biāo),其變化對水分循環(huán)及全球氣候變化有一定的影響和響應(yīng)。以若爾蓋縣不同治理年限的沙化草地治理區(qū)為研究對象(包括1995年、2007年、2009年、2010年、2011年的治理區(qū),2012年的正常放牧區(qū)和2012年的無治理區(qū)),采用野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,將土壤含水量作為研究指標(biāo),結(jié)合土壤的理化性質(zhì),分析沙化草地在恢復(fù)重建過程中水源涵養(yǎng)功能的變化及其影響因素,結(jié)果表明：若爾蓋草地在恢復(fù)重建過程中,(1)土壤質(zhì)地發(fā)生變化,由緊砂土逐漸恢復(fù)成砂壤土,保水能力及保肥性都得到顯著提高;土壤容重隨著治理時(shí)間的增加而降低,由無治理區(qū)的1.7 g/cm3下降到正常放牧區(qū)的1.3 g/cm3;(2)土壤pH值隨著治理時(shí)間的增加而逐漸降低,由7.6逐漸下降到6.7,土壤總體上為中性土,適宜植被生長;土壤有機(jī)質(zhì)的變化相對不明顯,但治理區(qū)的有機(jī)質(zhì)遠(yuǎn)低于正常放牧區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì),總體呈緩慢上升趨勢;(3)土壤含水量呈“V”型變化趨勢,在治理初期,土壤含水量先減小,2009年治理區(qū)的含水量最低,僅為6.8%,但到了治理后期,土壤的含水量開始增加,1995年的沙化治理區(qū)含水量達(dá)到了12.1%,說明水源涵養(yǎng)能力得到相應(yīng)的提升;(4)經(jīng)過相關(guān)分析,土壤含水量和有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、土壤pH值、生物量以及土壤碳含量呈顯著相關(guān)關(guān)系,其中,含水量與有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地以及土壤碳含量呈極顯著正相關(guān),而與pH值呈顯著負(fù)相關(guān);(5)隨著治理時(shí)間的增加,土壤退化指數(shù)逐漸減小,土壤狀況得到不斷的改善。

若爾蓋草地;草地沙化;土壤理化性質(zhì);水源涵養(yǎng)

若爾蓋草原地處青藏高原的東部邊緣,是長江、黃河流域重要的水源涵養(yǎng)調(diào)節(jié)地及我國生物多樣性重要集中區(qū),享有“高原之腎”的美譽(yù),亦被科技界稱為“中華民族的水塔”,具有重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位[1]。若爾蓋草原還是我國重要的草原牧區(qū),不僅為人類的生存提供了產(chǎn)品和服務(wù)[2],還能維持高寒地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的格局和功能,其興衰對生態(tài)環(huán)境建設(shè)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的影響[3]。草地生態(tài)系統(tǒng)和氣候條件關(guān)系密切,兩者間存在復(fù)雜的反饋關(guān)系,一方面,若爾蓋草地作為世界上獨(dú)特的高寒草地生態(tài)系統(tǒng),是北半球氣候的重要啟動(dòng)區(qū)和調(diào)節(jié)區(qū),影響著我國乃至全球的氣候變化[4];另一方面,氣候變化通過影響草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能顯著地改變著草地生態(tài)系統(tǒng)提供服務(wù)的能力[5]?！笆濉币?guī)劃中提出,我國需深度參與全球氣候治理,為應(yīng)對全球氣候變化做出貢獻(xiàn)。因此,草地作為影響全球氣候的環(huán)境敏感區(qū)與生態(tài)脆弱區(qū),對其進(jìn)行系統(tǒng)保育和合理利用是應(yīng)對全球氣候變化的重要舉措[6]。

近幾年來,由于不合理的人類活動(dòng)和自然因素的雙重影響,若爾蓋發(fā)生不同程度的退化,孫小弟等[7- 8]認(rèn)為,草地退化導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生逆行演替,改變了植被及其生境頂級或亞頂級狀態(tài)的演替模式,不僅改變了植物群落特征,還影響固碳能力及水土保持等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)通過支持、調(diào)節(jié)、供給和文化等各種功能,為人類福祉的達(dá)成起到了關(guān)鍵的作用,是人類福祉實(shí)現(xiàn)的基石[9]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的喪失和退化將對人類福祉產(chǎn)生重要影響,威脅人類的安全與健康,也威脅著區(qū)域,乃至全球的生態(tài)安全[10]?！笆濉币?guī)劃中提出,需全面提升生態(tài)系統(tǒng)功能,保護(hù)治理草原生態(tài)系統(tǒng),推進(jìn)禁牧休牧輪牧和天然草地退牧還草工程,加強(qiáng)“三化”草原治理,使草原植被綜合蓋度達(dá)到56%,并強(qiáng)化江河源頭和水源涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)保護(hù)。我國草原的人為干擾方式主要有放牧、禁牧和農(nóng)田開墾3種類型,放牧和農(nóng)田開墾是造成草地逆向演替的主要不利干擾方式,而圍封禁牧主要是采取自然恢復(fù)和人工恢復(fù)相結(jié)合的模式,使退化草地發(fā)生正向演替,恢復(fù)到不同的演替階段,這是當(dāng)前沙化草地恢復(fù)重建的重要措施之一[11]。在草地退化及其負(fù)面效應(yīng)已經(jīng)成為影響牧區(qū)社會經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的核心問題的背景下,20世紀(jì)80年代以來,國家政策性地對沙化草地的恢復(fù)給予了重視,制定了相關(guān)的恢復(fù)重建措施,如圍封禁牧、種草等治理模式,并取得非常顯著的治理效果[12]。但由于若爾蓋高寒草地的可進(jìn)入性的限制以及政府相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏,較少有學(xué)者從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度對沙化草地的恢復(fù)重建過程及其所取得的生態(tài)效益給予評估。特別地,草地生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)能起到很好的調(diào)節(jié)徑流及消洪補(bǔ)枯的作用[13- 14],趙同謙[15]和于格[16]等也認(rèn)為水保作用是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)服務(wù)功能之一,能起到截留降水和涵養(yǎng)水分的作用。但我國對水源涵養(yǎng)功能的研究相對較少,主要集中在森林、濕地生態(tài)系統(tǒng)和草地在退化過程中水源涵養(yǎng)功能的變化,如水源涵養(yǎng)林的建設(shè)以及水土保持的區(qū)劃等,而較少針對沙化草地恢復(fù)重建過程中水源涵養(yǎng)功能的變化進(jìn)行研究[17],尤其對于政府恢復(fù)治理工程下的土壤水源涵養(yǎng)功能的變化的研究就更少。

在全球水資源短缺的時(shí)代背景下,水資源的保護(hù)顯得迫在眉睫[18]。而若爾蓋草地作為重要的生態(tài)服務(wù)功能區(qū),其水源涵養(yǎng)能力在水文調(diào)節(jié)和植物生長上均有重要的作用,水源涵養(yǎng)功能的發(fā)揮受到土壤理化性質(zhì)的顯著影響[19]。其中,水分不僅是影響植物生長的重要因素,也是沙化草地覆被恢復(fù)與重建的關(guān)鍵因子[20]。草地水源涵養(yǎng)主要體現(xiàn)在植被水源涵養(yǎng)量和土壤水源涵養(yǎng)量兩方面[21]：一是植被不僅能涵養(yǎng)水源,還能調(diào)節(jié)氣候,有“綠色水庫”之稱[22],通過植被恢復(fù)重建有利于控制土壤沙化,降低水土流失[23];另一方面,土壤有疏松性和持水性等獨(dú)特的物理性質(zhì),有利于水分的涵養(yǎng)。由于土壤涵養(yǎng)能力高于植被對水源的涵養(yǎng)能力,是草地涵養(yǎng)水源的主體[24],因此,以研究土壤水源涵養(yǎng)量為主,將土壤理化性質(zhì)中的水分物理指標(biāo)作為衡量土壤水源涵養(yǎng)量的基礎(chǔ)指標(biāo),采用野外采樣和室內(nèi)分析相結(jié)合的方法,結(jié)合土壤的理化性質(zhì)和土壤恢復(fù)指數(shù)衡量土壤的恢復(fù)程度,從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的角度,評估1995年以來在政府的政策性恢復(fù)治理工程下,不同治理年限的沙化草地的水源涵養(yǎng)功能變化及其影響因素,進(jìn)一步對政府重建及生態(tài)恢復(fù)效益研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

圖1 若爾蓋縣區(qū)位Fig.1 Location in Zoigê County

若爾蓋高原位于青藏高原東北邊緣,地理坐標(biāo)介于102°08′—103°39′E, 32°56′—34°19′N之間,平均海拔3500 m,是中國最大的高原。若爾蓋高原主要的草地類型為濕地和草甸[25],天然草原面積達(dá)80.84×104hm2,其行政區(qū)域主要包括四川省的若爾蓋縣、紅原縣、松潘縣和阿壩縣,甘肅省的碌曲縣、瑪曲縣以及青海省的久治縣(圖1)[26]。若爾蓋草原屬于高山大陸季風(fēng)氣候區(qū),為高寒溫帶濕潤氣候,冬季嚴(yán)寒,夏季涼爽,干雨季節(jié)分明,雨熱同季,日照充足,晝夜溫差大。由于若爾蓋縣特殊地理位置及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,將其作為本文的研究區(qū)域。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示,在1981—2010年,若爾蓋縣累年平均相對濕度60%,年平均氣溫1.4℃,極端最高氣溫為25.6 ℃,極端最低氣溫為-30.6℃,年平均降雨量642.8 mm,年均日照2417 h,年平均風(fēng)速2.3 m/s,最大風(fēng)速為36 m/s。

若爾蓋縣的畜牧業(yè)主要以牦牛、綿羊和馬為主。近幾十年來,由于全球氣候變化及放牧等因素的影響,若爾蓋草地不斷沙化,政府采取相應(yīng)的恢復(fù)重建措施,出現(xiàn)了不同恢復(fù)程度的草地治理區(qū),形成了多種生境類型并存的景觀生態(tài)格局。未治理區(qū)由于過度放牧,植物組成相對簡單,伴隨出現(xiàn)沙生苔草等沙生植物。恢復(fù)治理區(qū)的植被組成與正常放牧的草地植被組成差別不大,包括豆科、禾本科牧草,以及莎草科、瑞香科和薔薇科等雜類草[27]。若爾蓋草地的成土母質(zhì)依不同地形有規(guī)律分布,多為三迭系砂巖、板巖和第四紀(jì)的松散堆積物,土壤含沙量比較高。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

自1995年起,若爾蓋林業(yè)局對草地采取圍欄禁牧和栽種等多種方式并存的恢復(fù)治理措施。為了評估政府恢復(fù)治理工程的生態(tài)效益,依地貌、光熱條件、基質(zhì)等基本一致原則,于2012年9月選取林業(yè)局在2011年、2010年、2009年、2007年和1995年實(shí)施恢復(fù)工程的治理區(qū)樣地(記：A、B、C、D、E),并選擇了2012年的無治理區(qū)樣地(CK1)和正常放牧下的樣地(CK2)進(jìn)行比較,對這些樣地的植被和土壤進(jìn)行調(diào)查評估。以采樣時(shí)間2012年作為基點(diǎn),則2011年的治理年限為1a,2010年的治理年限為2a,2009年的治理年限為3a,2007年的治理年限為5a,而1995年距采樣時(shí)間的年限達(dá)到17a。其中,2011年、2010年、2009年和2007年所實(shí)施的沙化治理措施相似,主要是采用植苗+種草+施肥+圍欄的模式;而1995年沙化治理區(qū)由于當(dāng)時(shí)條件的限制,主要采用將植樹和種草相結(jié)合的農(nóng)業(yè)栽種治理模式(E)(圖2)。

圖2 不同年限的治理樣地Fig.2 Test samples of different timesA：2011年沙化治理區(qū);B：2010年沙化治理區(qū);C：2009年沙化治理區(qū);D：2007年沙化治理區(qū);E：1995年沙化治理區(qū);CK1：未治理區(qū);CK2：正常放牧區(qū)

在選取的樣地上隨機(jī)設(shè)置樣方,樣方面積1 m×1 m,每一樣地設(shè)3個(gè)樣方,樣方草地水平間距不小于100 m[28]。采用常規(guī)收獲法采集樣方的植被和土壤樣本,調(diào)查內(nèi)容包括：土壤容重、土壤質(zhì)地、pH值、有機(jī)質(zhì)和土壤含水量以及植被群落基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

將采集的0—20 cm土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后磨碎,分別過20目和100目尼龍篩,保存待測,根據(jù)魯如坤編寫的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》中的測定方法[29],運(yùn)用環(huán)刀浸水法測定土壤的容重;按照卡欽斯基的土壤質(zhì)地簡易分類法,測定土壤物理性黏粒(<0.01 mm)的含量;在水土比例為5∶1的混合溶液下,運(yùn)用酸度計(jì)測定土壤pH值;采用重鉻酸鉀—硫酸外加熱氧化法測定樣本的有機(jī)質(zhì)[30];利用風(fēng)干土與在105℃下的烘干土之間的差額來計(jì)算土壤含水量;而對于地上生物量的測定,首先測定已采集植被的鮮重,然后利用烘箱在105℃下殺青30 min,最后在80℃下烘干至恒重,稱其干重。

根據(jù)所測的土壤質(zhì)地、土壤容重、土壤含水量、土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì),選取正常放牧草地作為基準(zhǔn)土地利用類型,計(jì)算土壤退化指數(shù),并通過土壤退化程度反向分析治理區(qū)土壤的恢復(fù)狀況,土壤退化指數(shù)的計(jì)算公式[31]：

利用SPSS 22.0和Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析不同治理年限的草地的水源涵養(yǎng)功能與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性。

2 結(jié)果分析

2.1.1 土壤物理性質(zhì)變化分析

土壤質(zhì)地和土壤容重是土壤物理性質(zhì),其中,土壤質(zhì)地是土壤中不同大小的礦物顆粒的組合狀況,其與土壤通氣、保肥、保水狀況及耕作的難易有密切的關(guān)系,也是擬定土壤利用、管理和評價(jià)土壤肥力和作物生長適宜性的重要依據(jù)。根據(jù)卡欽斯基土壤質(zhì)地基本分類方法,測定了土壤物理性黏粒(<0.01 mm)的含量,發(fā)現(xiàn)未治理區(qū)和管護(hù)期少于5a的治理區(qū)的粒級含量小于10%,為緊砂土;在管護(hù)期多于5a的治理區(qū)和正常放牧區(qū)的粒級含量大于10%,為砂壤土(圖3)。土壤容重是反映土壤孔隙度、土壤保水性和土壤保肥性的重要物理性狀指標(biāo)。通過環(huán)刀法測定不同治理年限的沙化土壤發(fā)現(xiàn),未治理區(qū)(CK1)的土壤容重為1.7 g/cm3,正常放牧區(qū)(CK2)的土壤容重為1.3 g/cm3,不同治理年限草地的土壤容重隨著治理時(shí)間的增加呈遞減趨勢(圖3b)。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)樣地土壤質(zhì)地和土壤容重變化Fig.3 Change of soil texture and bulk density in different test samples

2.1.2 土壤化學(xué)性質(zhì)變化

土壤pH值和土壤有機(jī)質(zhì)是土壤的化學(xué)性質(zhì),土壤pH值是影響植物種類和群落演替的重要因素,而土壤有機(jī)質(zhì)含量反映土壤肥力的高低,直接關(guān)系到植物生長發(fā)育的土壤環(huán)境和植物生物量。通過采集0—5、5—10 cm以及10—20 cm的土壤樣本進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn),若爾蓋草地土壤總體呈中性。不同深度土壤的pH值隨著治理年限的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。不同深度的土壤pH值的最高值都出現(xiàn)在管護(hù)期內(nèi),分別為7.6、7.4和7.1,而最低值分別為7.0、7.0和6.7;0—5 cm土層的pH值最高,為7.3—7.6,10—20 cm土層的pH值最低,為6.7—7.1(圖4)。隨著治理年限的增加,樣地各土層的土壤有機(jī)質(zhì)含量變化不明顯,但總體呈先增加后減少的趨勢。各層土壤有機(jī)質(zhì)含量最大值都出現(xiàn)在2007年(D)：0—5 cm的土壤有機(jī)質(zhì)最高為1.24 g/kg,5—10 cm土壤有機(jī)質(zhì)最高為1.34 g/kg,10—20 cm的土壤有機(jī)質(zhì)最高為1.33 g/kg;土壤有機(jī)質(zhì)最低含量出現(xiàn)在1995年(E)(由于當(dāng)時(shí)條件的限制,其治理模式與其他年限的模式略有差異),5—10 cm土壤有機(jī)質(zhì)僅有0.86 g/kg;且從圖中可明顯看出,不同治理年限的草地的有機(jī)質(zhì)含量都遠(yuǎn)低于正常放牧區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量(圖4)。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)樣地土壤pH值和有機(jī)質(zhì)的變化Fig.4 Change of soil pH value and organic matter in different test samples

2.2 土壤持水性能變化

2.2.1 土壤含水量

圖5 不同實(shí)驗(yàn)樣地土壤含水量變化 Fig.5 Change of soil moisture content in different test samples

草地的水土保持功能是憑借草地地下發(fā)達(dá)且成網(wǎng)絡(luò)的根系和地上植被,通過穩(wěn)定土壤、截留天然降水,緩解降雨勢能對土壤的直接沖擊,從而起到有效的固土保肥、防止風(fēng)蝕和水蝕等作用。土壤含水量是土壤重要的物理性狀之一,因地上植被、土壤類型、年降水量以及干擾因素的不同而導(dǎo)致土壤含水量有所差別。研究結(jié)果表明：土壤含水量與治理年限沒有存在明顯的關(guān)聯(lián),但總體上治理區(qū)的土壤含水量遠(yuǎn)低于放牧區(qū)(圖5)。在若爾蓋高寒草地沙化治理區(qū)的恢復(fù)演替進(jìn)程中,2011年(A)、2010年(B)、2009年(C)、2007年(D)和1995年(E)的土壤含水量分別為11.3%、10.6%、6.8%、8.4%和12.1%,而正常放牧區(qū)(CK2)的土壤含水量為23.2%。

2.2.2 土壤水源涵養(yǎng)的相關(guān)性

根據(jù)對若爾蓋高寒草地沙化治理區(qū)的實(shí)地考察,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,影響土壤含水量的主要因素有：土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、pH值、生物量和土壤碳含量(表1)。其中,土壤含水量和土壤理化性質(zhì)之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系：土壤含水量與有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地和土壤碳含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);而與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);與生物量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),植被蓋度、土壤容重與土壤含水量之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

表1 土壤含水量的相關(guān)分析

**在0.01的水平上顯著;*在0.05的水平上顯著

2.3 土壤恢復(fù)指數(shù)評價(jià)

圖6 不同實(shí)驗(yàn)樣地的土壤退化指數(shù)Fig.6 Soil degradation index in different test samples

設(shè)定基準(zhǔn)土地利用類型為正常放牧區(qū)的草地,假設(shè)其它土地利用類型均由該基準(zhǔn)的土地利用類型轉(zhuǎn)變而來,計(jì)算土壤中各種屬性的其它土地利用類型與基準(zhǔn)土地利用類型之間的差異(以百分?jǐn)?shù)表示),用土壤退化指數(shù)表示,反向分析經(jīng)過生態(tài)工程治理后的土壤改良狀況,由圖6可看出,2011年(A)、2010年(B)、2009年(C)的土壤退化指數(shù)分別為-46%、-42%和-37% (P<1%),土壤退化程度嚴(yán)重,恢復(fù)程度遠(yuǎn)低于正常放牧區(qū)(CK2),其中以2011年(A)的土壤恢復(fù)最慢;2007年(D)土壤退化指數(shù)為-29%,土壤退化程度較為嚴(yán)重,但恢復(fù)效果高于治理年限不超過5a的治理區(qū);1995年(E)土壤退化指數(shù)為-15%,與放牧區(qū)相比沒有顯著變化,說明1995年(E)土壤沒有發(fā)生明顯的退化?？傮w上,沙化草地隨著治理時(shí)間的增加而顯著恢復(fù)。

3 討論

3.1 草地恢復(fù)過程中水源涵養(yǎng)變化

對若爾蓋沙化草地政策性恢復(fù)治理過程的生態(tài)效益進(jìn)行評估時(shí)發(fā)現(xiàn),沙化草地治理區(qū)的生態(tài)恢復(fù)演替實(shí)質(zhì)是土壤與植物相互作用與影響的過程,因此,對沙化草地采取圍欄禁牧、施肥等多種治理措施后,植被與土壤間形成一個(gè)互作的良性循環(huán)系統(tǒng),沙化草地發(fā)生正向演替,草地生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)。而水源涵養(yǎng)作為草地生態(tài)系統(tǒng)的重要服務(wù)功能之一,在土壤—植被恢復(fù)體系中得到了一定程度的改善[32]。隨著治理年限的推移,土壤含水量也逐漸增高,主要集中在7%—12%之間,雖低于正常放牧區(qū)的土壤含水量,但比其他研究地區(qū)的沙化草地高5—8倍,這與李新榮對沙地水分動(dòng)態(tài)的研究結(jié)論類似[33]。無治理區(qū)的土壤含水量高于2007年、2009年的草地治理區(qū),這主要由于沙化地的孔隙度較大,降水能很快滲透,導(dǎo)致所測土壤含水量高于治理區(qū)的含水量[34];從治理的5個(gè)樣地的土壤含水量來看,2009年治理樣地的含水量最低,這主要由于草地超過管護(hù)期,區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)無序狀態(tài),放牧等活動(dòng)的出現(xiàn)導(dǎo)致圍欄等治理工程被破壞,人工植被遭到啃噬,使恢復(fù)效果不明顯;但總體上,隨著治理年限的增加,土壤含水量呈“V”字形變化,這種趨勢的變化的原因主要有：第一,由于降水的沖刷和土壤質(zhì)地的改變,土壤孔隙被堵塞或挾帶泥沙的水流進(jìn)入土表時(shí)細(xì)小的顆粒沉淀在土壤表面形成一層薄的土壤結(jié)皮,導(dǎo)致水流無法往下滲,這種土壤結(jié)皮的存在對水分入滲能力產(chǎn)生一定的影響[35];第二,根系對土壤下層水分的吸收和砂壤土的毛細(xì)管作用向上不斷輸送水分,導(dǎo)致治理區(qū)所測土壤水分反而降低;第三,在治理后期,隨著植被的逐漸恢復(fù),治理區(qū)土壤被植被及枯枝落葉覆蓋,土壤中的水分不易蒸發(fā),所測土壤含水量開始升高[36],水分開始蓄留,土壤水源涵養(yǎng)功能得到恢復(fù),也進(jìn)一步說明政府實(shí)施的退耕還草工程、天然林保護(hù)工程起到了實(shí)質(zhì)性的恢復(fù)效果。

3.2 水源涵養(yǎng)的影響因素及與各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的關(guān)系

運(yùn)用相關(guān)分析得出治理區(qū)土壤涵養(yǎng)水源的影響因素為土壤質(zhì)地、土壤pH值、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤碳含量和生物量,這些因子的變化對水源涵養(yǎng)功能起到了重要的作用。若爾蓋草地由于放牧等人為因素的影響,土壤類型主要以緊砂土為主,總孔隙度小、保水性差、土壤含水量低、有機(jī)質(zhì)礦化率高以及保肥性能弱,不利于植被生長,這與閔安民的研究結(jié)果一致[37];但隨著治理年限的增加,土壤理化性質(zhì)逐漸改善,草地的土壤類型主要為砂壤土,砂壤土有利于土壤有機(jī)質(zhì)和土壤孔隙度的增加,提高土壤滲透能力和吸附能力,使水源涵養(yǎng)功能得到改善[38]。土壤pH值的變化顯著影響群落演替和水土保持功能,經(jīng)過沙化治理后,pH值降低、土壤的容重降低以及質(zhì)地提高,這些性質(zhì)的改善為植物的生長提供了良好的生長環(huán)境,更有利于土壤水分的留存,這與Wu等的研究結(jié)果一致[39]。隨著恢復(fù)進(jìn)程的發(fā)展,植被的生長及其植被凋落物的累積開始促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加,但土壤有機(jī)質(zhì)含量總體仍較低,這主要是由于沙化草地土壤中的有機(jī)質(zhì)含有的可溶性元素會隨水淋洗滲漏而流失,且水蝕對土壤的組分遷移有較大的影響,容易加劇有機(jī)質(zhì)的分解,導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)含量的減少;另一方面,隨著治理年限的增加,一年生植物開始增加,其根系太少不利于土壤有機(jī)質(zhì)的積累,不利于碳含量流通以及水分的涵養(yǎng)[40- 41]。土壤碳含量的增加也有利于含水量的增加,如何志斌等[42]對云杉林斑表層土壤的研究認(rèn)為,土壤碳含量與含水量呈顯著正相關(guān)性,有機(jī)碳含量增加會顯著改善土壤的水源涵養(yǎng)功能。從相關(guān)分析可發(fā)現(xiàn),土壤含水量和植被蓋度、土壤容重沒有顯著的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)高寒草地退化后,土壤趨于干旱,持水能力減弱,土壤容重上升,孔隙度減小,保水性降低;通過政府對沙化草地的治理,高寒草地保持著原有的植物群落和較高植被覆蓋度,根系的生長和蓋度增加以及土壤中植物枯枝落葉的積累,使得土壤疏松多孔,進(jìn)一步導(dǎo)致土壤容重降低,土壤上層具有較高的持水能力,降水通過表層向深層土壤滲透的速度緩慢,且具有較均勻的土壤水分空間分布,水源涵養(yǎng)功能得到恢復(fù),但總的來說,即使進(jìn)行了人工土壤改良措施,土壤水分含量與持水功能的改善進(jìn)程也十分緩慢,這與其他研究不一致,楊曉暉等[43]認(rèn)為,不同的植被類型、土壤容重以及土地覆蓋都會對土壤的水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生不同程度的影響。植被恢復(fù)對水分有積極作用,雖然植被蓋度和土壤含水量沒有顯著相關(guān)性(P>0.05),但土壤質(zhì)地和生物量都顯著影響植物蓋度(P<0.05),說明植被蓋度可通過影響土壤的性質(zhì)間接影響土壤含水量,如王根緒等[44]對高寒草地植被蓋度與水分循環(huán)之間的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),植被蓋度與水分呈顯著的正相關(guān)。

草地各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著一定的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系[45],在沙化草地的治理過程中,主要采取圍封禁牧、種草等的理措施,減少草地的產(chǎn)品供給能力從而提高其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),如調(diào)節(jié)、支持服務(wù),這不僅有利于提高人類社會的福祉,而且將極大地保障人類后代從草地生態(tài)系統(tǒng)所獲取的利益。另一方面,草地生態(tài)系統(tǒng)中,多重生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在著相互增益的協(xié)同關(guān)系：生物量和水分的關(guān)系密切,水分是生物量形成的主要限制因子,土壤含水量越高,則地上生物量越高,水分對地上生物量的影響具有放大效應(yīng)[46],而植物生物量是衡量植物初級物質(zhì)生產(chǎn)功能的重要指標(biāo),說明水源涵養(yǎng)能力的提高有助于植物初級生產(chǎn)能力的提升。反過來,隨著治理年限的增加,植物初級物質(zhì)生產(chǎn)能力以及固碳能力的變化有助于草地土壤持水性能的進(jìn)一步改善。植物蓋度作為生物多樣性的指標(biāo)之一,植被蓋度的提高不僅使草地具有截流降水的功能,而且比空曠裸地有較高的滲透性和保水能力,對土壤涵養(yǎng)水源有著重要的意義,同時(shí)在生物多樣性功能提高時(shí),水源涵養(yǎng)功能也得到了一定程度的恢復(fù)?？偟膩碚f,在政府的恢復(fù)治理工程下,草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐漸改善,水源涵養(yǎng)功能也得到相應(yīng)的提高。

4 結(jié)論

若爾蓋草地在恢復(fù)重建過程中,土壤質(zhì)地由緊砂土逐漸恢復(fù)成砂壤土,土壤保水性能提高;土壤容重隨治理時(shí)間的增加而降低,由1.7 g/cm3下降到1.3 g/cm3;而土壤pH值也從7.6逐漸下降到6.7,根據(jù)土壤酸堿度分類,土壤呈中性,更有利于植被的生長;土壤有機(jī)質(zhì)的變化不明顯,總體呈緩慢上升趨勢,但仍遠(yuǎn)低于正常放牧區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì);土壤含水量呈先減小后增加的“V”字形變化;土壤質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、土壤碳含量以及地上生物量的改變有利于土壤水源涵養(yǎng)能力的變化,而土壤pH值是造成水源涵養(yǎng)功能下降的重要因素;隨著治理年限的增加,土壤逐漸恢復(fù)并趨近正常放牧區(qū)的狀態(tài)?？傊?隨著生態(tài)工程的進(jìn)行,土壤的理化性質(zhì)得到了持續(xù)的改善,治理區(qū)的水土保持功能得到了不斷的增強(qiáng)。

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Changes in water conservation and soil physicochemical properties during the recovery of desertified grassland in Zoigê, China

SHUI Wei1,2,*, BAI Jianping2, JIAN Xiaomei1, QI Xinhua3, SU Zheng′an4, CHEN Yong2, CAI Yingjun5

1CollegeofEnvironmentandResources,FuzhouUniversity,Fuzhou350116,China2CollegeofAgronomy,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China3CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China4InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China5ForestryBureauofZoigêCounty,Zoigê 624500,China

The restoration and reconstruction of desertified grassland has been continually initiated by the central government of China since 1995, and the ecological benefits of grassland restoration gained attention both home and abroad. In particular, the water conservation function of grassland is regarded as the primary indicator of the ecosystem′s restoration and is one of the most important grassland ecosystem services. Changes in water conservation are related to the water cycle and global climate change. The present study investigates the moisture and physicochemical properties of desertified grassland soil over several years (managed sample plot in 1995, 2007, 2009, 2010, and 2011; non-managed sample plot in 2012; and normal grazing area in 2012) in Zoigê County, using both field investigation and experiments to analyze the dynamics of water conservation and its determinants. During the recovery process, 1) Soil texture had changed that tight sandy soil was gradually converted to sandy loam, water conservation and fertilizer preservation capacity were increased, and bulk soil density decreased from 1.7 g/cm3in the non-managed area to 1.3 g/cm3in the normal grazing area. 2) Soil pH value decreased from 7.6 to 6.7 with the duration of management, and according to the classification of soil pH, the soil was neutral soil which was suitable for vegetation growth. Meanwhile, soil organic matter of the treatment areas was far lower than that of the normal grazing area, although the organic matter exhibited an upward trend. 3) Soil moisture exhibited a V-shaped trend that the content decreased in the early stage of management and the content of managed area in 2009 was lowest for only 6.8%. But in the late stage of management, the content increased from 6.8% to 12.1% in the managed area in 1995, in which the grassland had been restored and water conservation got improvement. 4) Correlation analysis indicated that soil moisture was significantly correlated with organic matter content, soil texture, pH, biomass, and soil carbon content, although the relationship between soil moisture and pH was negative. 5) As the duration of treatment increased, the soil degradation index decreased, and the soil conditions improved greatly.

Zoigê grassland; desertification; soil physicochemical properties; water conservation

美國國家地理科研基金資助項(xiàng)目(9336- 13); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41401313); 四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目資助項(xiàng)目(12ZA273);福州大學(xué)人才基金(510211)

2016- 07- 22;

2016- 11- 07

10.5846/stxb201607221492

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shuiweiman@163.com; shuiwei@fzu.edu.cn

稅偉,白劍平,簡小枚,祁新華,蘇正安,陳勇,蔡應(yīng)君.若爾蓋沙化草地恢復(fù)過程中土壤特性及水源涵養(yǎng)功能.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):277- 285.

Shui W, Bai J P, Jian X M, Qi X H, Su Z A, Chen Y, Cai Y J.Changes in water conservation and soil physicochemical properties during the recovery of desertified grassland in Zoigê, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):277- 285.