短期圍封對(duì)高寒草甸土壤有機(jī)碳及主要養(yǎng)分含量的影響

于寶政，彭岳林，屈興樂

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000；2.西藏農(nóng)牧學(xué)院 植物科學(xué)學(xué)院，西藏 林芝 860000；3.西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000)

【研究意義】那曲草原是藏北草原的重要組成部分，在我國草原資源中占有重要地位。那曲高山嵩草草甸位于高原亞寒帶半干旱季風(fēng)型氣候區(qū)，具有物種單一、生態(tài)系統(tǒng)脆弱、易破壞、難恢復(fù)等特點(diǎn)。近年來，由于過度放牧等不合理的開發(fā)利用，以及那曲草原生態(tài)系統(tǒng)本身的脆弱性，使得其生產(chǎn)力及載蓄量下降，植被破壞、土壤侵蝕等現(xiàn)象十分嚴(yán)重。這些現(xiàn)象將會(huì)減少草地地上部分向土壤輸入營養(yǎng)成分的量[1]，以及導(dǎo)致土壤對(duì)養(yǎng)分固持能力的下降，從而加劇土壤侵蝕和土壤養(yǎng)分的流失[2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】土壤養(yǎng)分作為表征土壤質(zhì)量及肥力的重要指標(biāo)[3]，安慧、董曉玉等[4-5]研究表明，過度放牧將會(huì)導(dǎo)致土壤碳、氮、磷、鉀含量下降。對(duì)草地進(jìn)行圍封是目前恢復(fù)草地生態(tài)系統(tǒng)最簡便經(jīng)濟(jì)的有效措施，李強(qiáng)等[6]研究表明，圍封處理可增加草地地上生物量及土壤養(yǎng)分含量，且隨著圍封時(shí)間的延長呈增加趨勢。【本研究切入點(diǎn)】以往的研究對(duì)象大多是退化草地，且是將同一塊草地圍封前后進(jìn)行對(duì)比，并不能排除降水、氣溫等因素對(duì)土壤有機(jī)碳及主要養(yǎng)分含量變化的影響；另外，目前關(guān)于草地恢復(fù)的研究主要集中在圍封處理對(duì)退化草地植物群落組成、生物多樣性及土壤種子庫等方面和長期圍封后對(duì)土壤養(yǎng)分含量變化的影響[7]，而對(duì)未退化草地的圍封處理，以及草地土壤養(yǎng)分在短期圍封后的時(shí)空動(dòng)態(tài)研究尚少見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以那曲地區(qū)那曲縣德吉鄉(xiāng)自由放牧和圍封草地為研究對(duì)象，研究自由放牧和短期圍封處理對(duì)草地土壤養(yǎng)分含量的時(shí)空動(dòng)態(tài)影響，旨在為草地恢復(fù)和可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于那曲地區(qū)那曲縣德吉鄉(xiāng)，屬高原亞寒帶半干旱季風(fēng)氣候，31.64°N， 92.01°E，海拔高度4596 m。該研究區(qū)氣溫低、空氣稀薄、太陽輻射強(qiáng)、日溫差大，日溫差16.1 ℃，年均溫-1.5 ℃，1月平均氣溫-13.2 ℃，7月平均氣溫9.0 ℃，土壤積雪及凍結(jié)期較長，僅7-9月為高原植被生長期。年降水量421.9 mm，年蒸發(fā)量1690.7 mm；境內(nèi)多山，屬高原丘陵地形，此區(qū)域土壤為高山草甸土， 季節(jié)性凍土；地被植物主要優(yōu)勢種為高山嵩草(Kobresiapygmaea)。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集測定

2013 年8 月、2014年8 月、2015年8 月( 夏季，草類盛長期)，選擇那曲地區(qū)那曲縣德吉鄉(xiāng)切瑪熱巴村自由放牧及圍封處理的高山嵩草草甸。每個(gè)樣地間保持一定距離(50～100 m)，按照隨機(jī)布點(diǎn)方式分別在圍欄內(nèi)和圍欄外設(shè)置平行樣地各 3 個(gè)，共設(shè)置 6 個(gè)樣地，分別對(duì)圍欄內(nèi)、外樣地用內(nèi)徑 7 cm 土鉆進(jìn)行取樣， 每個(gè)樣地隨機(jī)布設(shè)采樣點(diǎn)3 個(gè)， 分別采集深度為 0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 層次土樣。將土壤樣品裝入聚乙烯袋中， 貼上標(biāo)簽后帶回實(shí)驗(yàn)室，室內(nèi)去除可見的石塊、植物殘?bào)w等非土壤部分后，自然風(fēng)干。

1.3 土壤養(yǎng)分的測定

土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷及速效鉀的測定方法如下。

(1)土壤有機(jī)碳測定采用重鉻酸鉀-外加熱法[8]。

(2)堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法[9]。

(3)土壤速效磷的測定采用鉬藍(lán)比色法[10]。

(4)土壤速效鉀測定采用NH4OAc浸提，火焰光度法[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖。在SPSS 18.0(IBM公司，美國)中采用單因素方差分析(One-way ANOVA) 結(jié)合LSD和Tamhane多重比較，進(jìn)行高山嵩草草甸自由放牧和圍封兩種不同處理方式下有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀含量的差異顯著性分析，以及相同處理方式下上述土壤養(yǎng)分含量的年際變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機(jī)碳的年際以及圍封變化特征

對(duì)高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續(xù)3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤有機(jī)碳含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

土壤有機(jī)碳在同一處理方式的相同土層不同年份間的含量變化沒有顯著差異，在同一年份不同處理方式的相同土層間的差異也不具有顯著性。

圖中大寫字母表示同一處理方式(圍封或自由放牧)相同土層的年際差異，小寫字母表示同一年度內(nèi)相同土層不同處理方式間的差異；不同字母表示差異性顯著(P<0.05)，下同圖1 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤有機(jī)碳年際變化特征Fig.1 Interannual variability of soil organic carbon in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

圖2 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤堿解氮年際變化特征Fig.2 Interannual variability of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

從0～25 cm土層整體上來看，圍封草甸土壤有機(jī)碳含量在2013-2015年是先上升后下降的變化過程，而自由放牧草甸土壤有機(jī)碳含量則是2014和2015年較之2013年均有所下降，這種情況在表層土壤中更加明顯。這一方面說明通過圍封，土壤有機(jī)碳含量有所上升，但還未到達(dá)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的程度，可能是由于土壤有機(jī)碳含量升高，促進(jìn)了植被的生長，從而對(duì)有機(jī)碳的吸收量也隨之增多，導(dǎo)致了先升后降情況的出現(xiàn)；另一方面也從側(cè)面證明高山嵩草草甸的土壤有機(jī)碳在表層含量最高，其表層土壤有機(jī)碳含量變化在0～25 cm土層中也能夠得到體現(xiàn)。

在0～25 cm土層，整體上土壤有機(jī)碳在2013年自由放牧草甸的含量略高于圍封草甸，2014和2015年圍封草甸的含量略高于自由放牧草甸，這說明圍封的草甸土壤有機(jī)碳含量不一定會(huì)在短期內(nèi)就高于自由放牧草甸，隨著圍封時(shí)間的增加，圍封的草甸土壤有機(jī)碳含量會(huì)逐漸高于自由放牧草甸，可見土壤有機(jī)碳的恢復(fù)和積累是一個(gè)較為緩慢的過程。

2.2 土壤堿解氮的年際以及圍封變化特征

對(duì)高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續(xù)3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤堿解氮含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。

土壤堿解氮在同一處理方式的相同土層不同年份間的含量變化沒有顯著差異，在同一年份不同處理方式的相同土層間的差異也不具有顯著性。

從0～25 cm土層整體上來看，圍封草甸土壤堿解氮含量在2013-2015年也是先上升后下降的變化過程，但是沒有土壤有機(jī)碳明顯。這從一定程度上說明高山嵩草草甸土壤有機(jī)碳與堿解氮含量間存在正相關(guān)關(guān)系，但植被對(duì)不同養(yǎng)分的需求量不同，因此雖然變化規(guī)律一致，但變化幅度卻有所不同。2013年圍封草甸土壤堿解氮含量在各土層均略低于自由放牧草甸，2014年圍封草甸土壤堿解氮含量有所上升，進(jìn)而在0～25 cm土層中略高于自由放牧草甸，而2015年圍封草甸土壤堿解氮含量又略低于自由放牧草甸。這說明圍封處理并沒有使土壤堿解氮含量顯著上升或顯著高于自由放牧草甸。

圖3 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤速效磷年際變化特征Fig.3 Interannual variability of soil rapidly available phosphorus in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

圖4 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤速效鉀年際變化特征Fig.4 Interannual variability of soil rapidly available potassium in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

2.3 土壤速效磷的年際以及圍封變化特征

對(duì)高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續(xù)3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效磷含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

土壤速效磷在相同處理方式樣地的相同土層的年際變化為：在0～5 cm土層圍封草甸和自由放牧草甸都是2013年土壤速效磷含量顯著高于2014和2015年(P<0.05)，2014年與2015年之間無顯著差異；在20～25 cm土層中，圍封草甸2014和2015年土壤速效磷含量顯著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效磷在相同年份相同土層不同樣地間的差異為：2013年土壤速效磷含量在0～5 cm土層圍封草甸顯著高于自由放牧草甸(P<0.05)，其余土層兩者間無顯著差異(P<0.05)；從0～25 cm土層來看，2013和2014年圍封草甸土壤速效磷含量均略高于自由放牧草甸，2015年圍封草甸土壤速效磷含量則略低于自由放牧草甸。

這說明圍封草甸和自由放牧草甸的表層土壤速效磷含量在3年間均有顯著下降，這雖然不一定是因?yàn)閲馓幚?，但通過圍封卻使圍封草甸土壤速效磷含量由2013年的高于自由放牧草甸到2015年的低于自由放牧草甸，這種情況在表層尤為明顯；雖然通過圍封使底層土壤速效磷含量有顯著提高，卻彌補(bǔ)不了表層損失。

2.4 土壤速效鉀的年際以及圍封變化特征

對(duì)高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續(xù)3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效鉀含量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

土壤速效鉀在相同處理方式樣地的相同土層年際變化為：在0～25 cm土層中，圍封草甸土壤速效鉀含量在2013-2015年也是先上升后下降的變化過程，其中2015年土壤速效鉀含量顯著低于2013年(P<0.05)。這說明土壤速效鉀與有機(jī)碳、堿解氮的變化具有一致性，3者在一定程度上具有正相關(guān)關(guān)系；而3者各自在不同年份的變化幅度不同則是由于植被生長對(duì)不同養(yǎng)分吸收量不同造成的。

土壤速效鉀在相同年份相同土層不同樣地間的差異為：圍封草甸土壤速效鉀含量除2014年在0～5 cm土層中略高于自由放牧草甸以外，在其余土層中各年份均略低于自由放牧草甸。這說明通過圍封處理不但沒有使圍封草甸土壤速效鉀含量高于自由放牧草甸，反而使圍封草甸土壤速效鉀含量在整體上顯著低于自由放牧草甸。

3 結(jié) 論

3.1 土壤有機(jī)碳及主要養(yǎng)分的年際變化

土壤有機(jī)碳和堿解氮各層土壤中含量在年際變化上沒有顯著差異。

土壤速效磷在0～5 cm土層圍封草甸和自由放牧草甸含量都是2013年顯著高于2014和2015年(P<0.05)，在20～25 cm土層中，圍封草甸2014和2015年含量顯著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效鉀在圍封草甸0～25 cm土層中含量2015年顯著低于2013年(P<0.05)。同時(shí)，圍封草甸土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效磷含量在2013-2015年都呈現(xiàn)先上升后下降的變化過程。

3.2 土壤有機(jī)碳及主要養(yǎng)分圍封后的變化

除土壤速效磷2013年在0～5 cm土層中圍封草甸含量顯著高于自由放牧草甸(P<0.05)外土壤有機(jī)碳及主要養(yǎng)分在各年份和各土層中，圍封和自由放牧兩種草甸間均無顯著差異。

但從0～25 cm土層整體上來看，通過圍封處理，圍封草甸的土壤有機(jī)碳含量由低于自由放牧草甸逐漸變?yōu)楦哂谧杂煞拍敛莸?，而土壤速效磷則由原來的圍封草甸略高于自由放牧草甸變成略低于自由放牧草甸。圍封草甸的土壤堿解氮含量在大多數(shù)年份中略低于自由放牧草甸；土壤速效鉀含量圍封草甸在絕大部分土層和年份中均略低于自由放牧草甸。

4 討 論

綜合結(jié)論可以看出，圍封可以使土壤有機(jī)碳含量有所上升，但其它土壤養(yǎng)分含量則可能會(huì)下降甚至是顯著下降。在圍封后地上植被量增加，秋冬季枯落物也相應(yīng)增加，這有利于土壤有機(jī)碳的積累，但與此同時(shí)植被對(duì)土壤中養(yǎng)分特別是速效養(yǎng)分的吸收量也相應(yīng)增加，造成其含量的下降。圍封對(duì)土壤有機(jī)碳和堿解氮含量的影響不大，這一結(jié)果與Basher 在坎特伯雷高原研究結(jié)果一致[12]。由此可見，圍封雖然對(duì)保護(hù)生態(tài)穩(wěn)定性差和恢復(fù)退化草地來說是有效手段之一，但其并不一定是在所有情況下都會(huì)產(chǎn)生積極作用，有時(shí)在某些條件下或時(shí)間段內(nèi)也會(huì)沒有作用甚至有負(fù)面影響，而未退化草地通過合理放牧則能夠促進(jìn)牧草分蘗和再生，秋冬季枯草期放牧則可清除枯草有助于牧草春季的萌發(fā)。因此，在使用圍封這一管理手段時(shí)應(yīng)考慮全面、結(jié)合實(shí)際情況，避免出現(xiàn)與期望相反的情況。