天山北坡退化山地草甸土壤的主要理化性質(zhì)分析

武紅旗+范燕敏+管光玉+張少華+丁銳+蘭志梅

摘要：草地過度利用造成植被退化，土壤理化性質(zhì)惡化。本研究以天山北坡退化山地草甸為研究對象，分析草地退化對土壤性質(zhì)的影響，為評價草地土壤退化提供理論參考。以封育草地為對照，對比放牧草地（退化草甸土壤）機械組成、含水量及有機碳含量的差異。結(jié)果表明，草甸土壤機械組成中粉粒含量較高，達到70%以上，而且草地退化對土壤機械組成影響不大，僅在15～35 cm土層粉粒含量有顯著降低（P<0.05）。退化草甸土壤表層（0～25 cm）有機碳、土壤含水量顯著降低（P<0.05）。草甸土壤粉粒、砂粒含量與土壤有機碳、含水量極顯著相關(guān)（P<0.01）。因子分析表明在土壤含水量較高的山地草甸，影響土壤性質(zhì)穩(wěn)定性的主要因素為土壤機械組成。

關(guān)鍵詞：山地草甸；退化；土壤機械組成；有機碳；土壤穩(wěn)定性

中圖分類號：S158文獻標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）01-0076-05

Abstract The overuse of grasslands causes vegetation degradation and deterioration of physical and chemical properties of soil. In this study， the effect of grassland degradation on soil properties of the degraded meadow were researched in the north slope of Tianshan Mountains to provide theoretical references for evaluating grassland soil degradation. With the enclosed grassland as control， the soil mechanical composition， moisture content and organic carbon content in degraded meadow soil were studied. The results showed that the silt content was higher in soil mechanical composition， which reached more than 70%. Grassland degradation had little effects on soil mechanical composition， and only in 15～35 cm soil layer， the silt content was decreased significantly （P<0.05）. The organic carbon and water content of degraded grassland soil were reduced significantly （P<0.05） in 0～25 cm layer. The contents of silt and sand in meadow soil were significantly correlated with the soil organic carbon and water content （P<0.05）. The factor analysis results indicated that the main factor affecting the stability of soil properties was soil mechanical composition in mountain meadow with higher water content.

Keywords Mountain meadow； Degradation； Soil mechanical composition； Organic carbon； Soil stability

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，草地植被與土壤之間進行著物質(zhì)與能量的循環(huán)，如果長期無管理的超載放牧必然造成系統(tǒng)物質(zhì)（資源）輸入和輸出的不平衡，最終導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)退化，特別是在相對脆弱的干旱和半干旱生態(tài)區(qū)[1]。相關(guān)研究表明，草地退化導(dǎo)致土壤的滲透性降低，含水量下降，有機質(zhì)含量降低，土壤的團粒結(jié)構(gòu)減少[2]；土壤中細土粒減少，氮素的衰減明顯，從而導(dǎo)致土壤穩(wěn)定性降低[3]。有研究認為，在維持草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，土壤機械組成與植被根系的影響更深刻[4]。土壤的機械組成決定著土壤理化特性及生物學(xué)特性[5]，土壤中養(yǎng)分豐缺與土壤顆粒吸附能力大小有關(guān)，利用土壤的顆粒組成可以估測土壤有機碳的含量[6]。也有研究認為，退化草地土壤有機質(zhì)與土壤全氮有線性相關(guān)性，與機械組成沒有顯著關(guān)系[7]，有機質(zhì)是判斷土壤狀況的主要指標(biāo)[8]。

新疆的山地高草草甸植被種類豐富，優(yōu)良牧草種類繁多，產(chǎn)草量高，營養(yǎng)豐富，是新疆草地的精華，在新疆傳統(tǒng)的季節(jié)畜牧業(yè)中占有非常重要的地位[9]。在生產(chǎn)中可作為天然打草場和放牧利用，但是由于利用方式與利用強度不同，表現(xiàn)出不同的退化特征[10，11]。在退化草地生態(tài)系統(tǒng)的診斷分析中，對退化主導(dǎo)因子、退化階段及強度等要診斷與辨識[12]，土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)境，土壤退化與草地退化關(guān)系密切，但由于土壤具有較強的抗拒退化的能力，即土壤穩(wěn)定性，使其退化比草地植被的退化緩慢，因此在評價退化草地時，需要了解土壤的退化程度[13]。因此，本研究對天山北坡退化與封育山地草甸土壤的主要理化性質(zhì)進行對比分析，了解該類草地土壤的退化程度，判斷土壤的穩(wěn)定性，為退化高草草甸的管理與恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏魯木齊南山西白楊溝西側(cè)的菊花臺旅游景區(qū)內(nèi)的一個緩坡傾斜的洪積扇臺面，海拔2 000～2 400 m。草地類型為雜類草+禾草的山地高草草甸，1985年南山景區(qū)建立后，在景區(qū)入口處對草地進行了圍欄封育，圍欄外自由放牧。endprint

2014年7月進行草地調(diào)查。圍欄內(nèi)主要植物有金蓮花（Trollius chinensis Bunge）、野孜然（Lagoecia cuminoides L.）、畫眉草（Eragrostis pilosa （L.）Beauv.）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.Mazz.）、白三葉草（Trrifolium repens L.）、細葉早熟禾（Poa angustifolia Linn.）、無芒雀麥（Bromus inermis Layss.）、小糠草（Agrostis gigantea Roth）等，草層平均高度44.1 cm，蓋度達100%，每年8月中旬割草一次。圍欄外放牧，同時在旅游旺季，旅游踐踏頻繁，草地植物種類大幅減少，主要植物有畫眉草、天山羽衣草、蒲公英、白三葉草等；草層平均高度1.9 cm，蓋度50%左右。依據(jù)陳佐忠[14]的草地退化判斷標(biāo)準(zhǔn)，該草地出現(xiàn)嚴(yán)重退化。

1.2 取樣及分析

1.2.1 取樣方法 在草地調(diào)查的同時，在圍欄內(nèi)、外各設(shè)置一條100 m的樣線，在每條樣線上隔20 m挖取1個土壤剖面，共5個剖面。按照間隔5 cm深度進行土壤樣品采集，采樣深度至50 cm，每一個土層的樣品用四分法留取1 kg左右放入樣品袋，帶回實驗室一部分用作土壤含水量的測定，一部分撿去可見的細根，然后風(fēng)干、磨細，過土壤篩，用于測定土壤有機碳和土壤機械組成。

1.2.2 樣品分析 土壤有機碳采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；含水量采用烘干法。

土壤機械組成采用 Master Size 2000馬爾文激光粒度儀測定[15]。土壤粒級劃分根據(jù)美國制顆粒分級標(biāo)準(zhǔn)：砂粒 2～0.05 mm，粉粒0.05～0.002 mm，粘粒<0.002 mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

利用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示結(jié)果，對放牧與封育草地土壤性質(zhì)進行單因素方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析；采用Microsoft Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧與封育對土壤機械組成的影響

按照美國制將土壤粒級分組，測定土壤機械組成（表1），由表1可知，不論放牧還是封育，土壤的粉粒含量最高，均大于70%，其次為粘粒，砂粒含量最少。粉粒和砂粒含量在0～5、5～10 cm波動稍大，表現(xiàn)為粉粒含量放牧>封育，砂粒為放牧<封育。10 cm以下土層放牧與封育草地土壤粘粒、砂粒含量差異不大，粉粒表現(xiàn)為放牧<封育，且在15～20、25～35 cm土層有顯著差異（P<0.05）。

由表1可見，僅在0～5 cm表層，土壤粉粒含量顯著低于下層土壤，砂粒含量顯著提高。有研究表明草地退化造成土壤因風(fēng)蝕、水蝕而損失量加大，土壤粗?；痆1]。但是研究區(qū)封育與放牧草地土壤表層機械組成近似，說明草甸土壤細土粒的損失不是由于草地退化引起的，而是山地短時降雨量大，對地表的沖蝕致使表土中細土粒損失。同時，圍欄內(nèi)的植物恢復(fù)較好，植物根系對土壤的切割、穿插造成土壤中孔隙較多，在雨水下滲的同時，會將較多細土粒帶入下層土壤，由15～35 cm土層中封育草地土壤粉粒含量顯著高于放牧可以得到印證。

2.2 放牧與封育對土壤含水量的影響

草地退化導(dǎo)致土壤持水保水能力下降，影響草原生態(tài)環(huán)境，進一步導(dǎo)致各種自然災(zāi)害發(fā)生[16]。對放牧和封育草地土壤含水量進行分析可知（圖1），隨著土層深度增加土壤含水量逐漸降低，封育草地降低幅度較大，放牧草地土壤含水量在土層之間變化很小。封育明顯提高了表層土壤含水量，封育草地0～25 cm土壤含水量顯著高于放牧草地（P<0.05），30 cm以下其含水量低于放牧，但差異不顯著。

2.3 放牧與封育對土壤有機碳含量的影響

土壤有機碳是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，通常與其他土壤養(yǎng)分有顯著相關(guān)性[17，18]。通過對有機碳的分析，可以反映土壤的肥力狀況。由圖2可知，在0～25 cm土層封育草地土壤有機碳顯著高于放牧，25 cm以下土層利用方式對土壤有機碳含量影響不大。封育消除了牲畜的采食和踩踏，地上植被生長旺盛，截留更多的雨水進入土壤，使根系生長量增大，地下生物量增加，但這種影響深度還是有限的，因此，在土壤表層（0～25 cm），封育草地土壤有機碳比放牧有顯著的增加。

草甸土壤有機碳含量較高，尤其0～5 cm表層其含量可達60 g/kg以上，主要是由于土壤各層次質(zhì)地均屬粉質(zhì)壤土，顆粒細小，粒間孔隙小，通氣性不良，保水性良好，致使土壤有機物質(zhì)分解緩慢，土壤有機碳積累。

2.4 草甸土壤性質(zhì)的相關(guān)分析

對土壤有機碳、含水量及機械組成進行相關(guān)性分析（表2）。由表2可知，砂粒含量與有機碳、含水量呈極顯著正相關(guān)，與粘粒、粉粒呈極顯著負相關(guān)；粉粒與有機碳、含水量呈極顯著負相關(guān)，與粘粒呈極顯著正相關(guān)；有機碳與含水量極顯著正相關(guān)，粘粒與有機碳相關(guān)性不顯著。

由相關(guān)性分析可知，土壤主要性質(zhì)之間具有很強的相關(guān)性，草甸土壤究竟受哪些性質(zhì)的影響較大，需進一步進行主成分分析。由主成分分析可知（圖3），土壤的性質(zhì)主要由2個成分構(gòu)成：成分1砂粒對土壤性質(zhì)為正向影響，粉粒含量為負向影響。成分2為粘粒含量，對土壤性質(zhì)為正向影響。由此可知，草甸土壤性質(zhì)之間相互影響，但起決定性的主要是土壤的機械組成。

3 討論

土地利用作為人類利用土地各種活動的綜合反映，在一定程度上影響土壤的機械組成狀況[19，20]。有研究表明退化草地圍封恢復(fù)后，粘粒、粉粒含量增加，砂粒含量下降。但在本研究中，雖然草甸退化造成表土層含水量、有機碳含量顯著下降，但對粘粒、砂粒含量的影響不大，通過主成分分析表明，土壤機械組成是構(gòu)成研究區(qū)土壤性質(zhì)的主要因子，土壤的機械組成穩(wěn)定性決定著土壤的穩(wěn)定性，因此，研究區(qū)草地的退化處于量變階段[21]，土壤的性質(zhì)沒有完全退化。endprint

土壤機械組成不僅與母質(zhì)特征有關(guān)，而且與所處的水熱條件相關(guān)。本研究中，由于研究區(qū)所處的特殊的地理環(huán)境和山地氣候條件，使植被能夠得到充足的水分，植被生物量大，土壤表層有機質(zhì)含量高，對水土的保持起了很大的作用，因此，即使經(jīng)歷了20多年的草地退化歷程，土壤的機械組成并沒有顯著的改變。由此也說明，土壤機械組成比較穩(wěn)定，在評價草地退化對土壤的影響時，多以速效養(yǎng)分、有機碳、含水量等易變因素為主[22]，機械組成可作為參考指標(biāo)。

本研究中，土壤含水量與土壤有機碳呈極顯著正相關(guān)，表明在干旱地區(qū)，土壤有機碳含量與氣候、植被類型有關(guān)[23]。自然界影響有機物質(zhì)分解轉(zhuǎn)化的因素眾多，人類活動的干擾加快了草地土壤有機碳的分解速率[24]，過度放牧造成土壤有機碳含量下降，但是在短期內(nèi)這種影響不顯著，而長期過度放牧?xí)斐赏寥烙袡C碳含量顯著降低，特別是表層（0～30 cm）土壤的有機碳含量[25]，通過圍欄封育可提高土壤的固碳作用[26，27]。本研究中封育與放牧草地土壤有機碳在表層差異顯著，也說明了這一點。

大部分土壤有機碳與土壤顆粒結(jié)合形成有機-無機復(fù)合體，一般而言，土壤中的顆粒越細，與之相結(jié)合的土壤有機碳越多，但不同的土壤或植被類型，有機碳并不完全與粘粒含量具有顯著相關(guān)性[3，7]。本研究中，草地土壤粘粒與土壤有機碳呈負相關(guān)，但不顯著，也印證了這一觀點。

4 結(jié)論

本研究以天山北坡山地草甸為研究對象，通過對比研究區(qū)退化與封育草地土壤的主要理化性質(zhì)，分析影響草地土壤穩(wěn)定性的主要因素。結(jié)果表明，草地退化顯著降低了土壤表層（0～25 cm）有機碳含量、土壤含水量。研究區(qū)土壤機械組成中粉粒含量較高，達到70%以上，而且草地退化對土壤機械組成影響不大。通過相關(guān)分析表明，草甸土壤粉粒、砂粒含量與土壤有機碳、含水量極顯著相關(guān)，但影響土壤性質(zhì)穩(wěn)定性的主要因素為土壤機械組成。

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