尕海濕地植被退化與土壤蓄水性能

當(dāng)知才讓

（甘肅黃河首曲國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，甘肅 瑪曲 747300）

濕地是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，能夠調(diào)節(jié)氣候、保持水土、涵養(yǎng)水源、抵御洪水，被譽(yù)為“地球之腎”[2]。近些年，受氣候變化和過(guò)度放牧影響，部分區(qū)域的濕地出現(xiàn)不同程度植被退化，帶來(lái)土壤水源涵養(yǎng)力降低、沙漠化程度加深等一系列問(wèn)題[3-5]。植被退化引起了濕地下墊面土壤結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤蓄水性能。

尕海濕地位于甘肅省碌曲縣，是青藏高原濕地的重要組成部分。近年來(lái)，尕海濕地植被退化，土壤物理性質(zhì)也出現(xiàn)不同程度的變化[6]。目前對(duì)尕海濕地研究主要集中在土壤有機(jī)碳含量、生物多樣性等方面[7-8]，而對(duì)植被退化過(guò)程中濕地土壤蓄水性能的報(bào)道相對(duì)較少。鑒于此，選擇尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)作為對(duì)象，研究植被退化對(duì)土壤蓄水性能的影響，旨在揭示濕地土壤對(duì)植被退化的響應(yīng)過(guò)程及變化趨勢(shì)，以深入理解高寒濕地植被退化機(jī)制及其環(huán)境效應(yīng)，為預(yù)防高寒區(qū)濕地植被退化和植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

尕海濕地位于甘肅省碌曲縣尕海—?jiǎng)t岔國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，面積4.31 萬(wàn)hm2，地理坐標(biāo)102°05′00″～102°29′45″E、33°58′12″～34°30′24″N，海拔3 430～4 300 m，為典型的高原濕地。研究區(qū)屬于青藏高原氣候帶高寒濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫1.2 ℃，7 月氣溫最高，1 月氣溫最低，年較差19.6℃；年均降水量781.8 mm，主要集中在7～9 月，年均蒸發(fā)量1 150.5 mm；長(zhǎng)冬無(wú)夏，年平均冬季240 d，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。土壤類(lèi)型主要包括暗色沼澤化草甸土、沼澤土和泥炭土等[9]。濕地植被以嵩草屬為建群種，主要植物有西藏嵩草Kobresia tibetica、青藏薹草Carex moocroftii、線葉蒿Artemisia subulata、冷蒿A.frigida、密毛白蓮蒿A.sacrorum、蕨麻Potentilla anserina、散穗早熟禾Poa subfastigiata 等[2]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置

尕海湖周邊濕地植被退化程度由湖邊向外依次加重。根據(jù)張曉龍等人[10]的濕地退化標(biāo)準(zhǔn)，以及馬維偉等人[11]研究成果，在尕海湖周邊依次劃分為4 個(gè)植被退化梯度帶：未、輕、中、重。每個(gè)退化帶隨機(jī)選擇3 個(gè)樣地，共計(jì)12 個(gè)樣地，記載植被和地理及環(huán)境特征[11]，具體見(jiàn)表1。

表1 樣地基本資料

2.2 土樣采集方法及測(cè)定

每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取5 個(gè)樣方，樣方規(guī)格50 cm×50 cm。清除樣方表層枯枝落葉，挖掘土壤剖面，環(huán)刀分層采取原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。取樣層：淺，0～10 cm；中，10～20 cm；深，20～40 cm。環(huán)刀浸水法測(cè)定土壤容重、土壤飽和持水量、毛管持水量、田間持水量，計(jì)算土中徑流量[12]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

Excel 2010 軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS 25.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析及多重比較分析，判定閾值0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤飽和持水量與退化程度的關(guān)系

圖1 顯示，淺層土壤飽和持水量分為未、輕—中—重2 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與淺層土壤飽和持水量之間存在關(guān)聯(lián)。淺層土壤飽和持水量數(shù)值，未＞輕—中—重等效組，說(shuō)明伴隨植被退化淺層土壤飽和持水量呈降低趨勢(shì)。重退化組淺層土壤飽和持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明植被重度退化可能導(dǎo)致淺層土壤飽和持水量大幅度變化。未退化組淺層土壤飽和持水量標(biāo)準(zhǔn)差也較大，說(shuō)明除植被退化外，還可能存在其他因素影響淺層土壤飽和持水量。

中層土壤飽和持水量，在未、輕、中、重4 個(gè)退化組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與中層土壤飽和持水量之間不存在關(guān)聯(lián)。未、輕、重3 個(gè)退化組中層土壤飽和持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響中層土壤飽和持水量。

深層土壤飽和持水量分為未—輕、中、重3 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與深層土壤飽和持水量之間存在關(guān)聯(lián)。深層土壤飽和持水量數(shù)值，未—輕＜重＜中等效組，說(shuō)明伴隨植被退化深層土壤飽和持水量呈增加趨勢(shì)。未、中退化組深層土壤飽和持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，而且飽和持水量數(shù)值，中＞重退化組，說(shuō)明存在非植被因素影響深層土壤飽和持水量。綜合而言，深層土壤飽和持水量的變化可能在較大程度上受非植被因素影響。

圖1 不同退化程度各土層土壤飽和持水量

3.2 土壤毛管持水量與退化程度的關(guān)系

圖2 顯示，淺層土壤毛管持水量分為未、輕、重3 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，中退化組與輕、重2 個(gè)退化組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與淺層土壤毛管持水量之間存在關(guān)聯(lián)。淺層土壤毛管持水量數(shù)值，未＞輕＞重退化組，說(shuō)明伴隨植被退化淺層土壤毛管持水量呈降低趨勢(shì)。未退化組淺層土壤毛管持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響淺層土壤毛管持水量。

中層土壤毛管持水量，未、輕、中、重4 個(gè)退化組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與中層土壤毛管持水量之間不存在關(guān)聯(lián)。未、輕、重3 個(gè)退化組中層土壤毛管持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響中層土壤毛管持水量。

深層土壤毛管持水量分為未—輕、中2 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，重退化組與2個(gè)等效組均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與深層土壤毛管持水量之間存在關(guān)聯(lián)。深層土壤毛管持水量數(shù)值，未—輕＜中等效組，重退化組介于2 個(gè)等效組之間，說(shuō)明伴隨植被退化深層土壤毛管持水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。未、中退化組深層土壤毛管持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響深層土壤毛管持水量。綜合而言，深層土壤毛管持水量可能較大程度上受非植被因素影響。

圖2 不同退化程度各土層土壤毛管持水量

3.3 土壤田間持水量與退化程度的關(guān)系

圖3 顯示，淺層土壤田間持水量，未、輕、中、重4 個(gè)退化組之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與淺層土壤田間持水量之間存在關(guān)聯(lián)。淺層土壤田間持水量數(shù)值，未＞輕＞中＞重退化組，說(shuō)明伴隨植被退化淺層土壤田間持水量呈單調(diào)降低趨勢(shì)。未、中退化組淺層土壤田間持水量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響淺層土壤田間持水量。

圖3 顯示，中層土壤田間持水量，未、輕、中、重4 個(gè)退化組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與中層土壤田間持水量之間不存在關(guān)聯(lián)。中退化組中層土壤田間持水量標(biāo)準(zhǔn)差均較大，說(shuō)明存在非植被因素影響中層土壤田間持水量。

圖3 不同退化程度各土層土壤田間持水量

圖3 顯示，深層土壤田間持水量分為未—輕—重、中2 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與深層土壤田間持水量之間存在關(guān)聯(lián)。深層土壤田間持水量數(shù)值，未—輕—重＜中等效組，說(shuō)明伴隨植被退化深層土壤田間持水量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。4 個(gè)退化組深層土壤田間持水量標(biāo)準(zhǔn)差均較大，說(shuō)明存在非植被因素影響深層土壤田間持水量。綜合而言，深層土壤田間持水量的變化可能較大程度上受非植被因素影響。

3.4 土壤土內(nèi)徑流量與退化程度的關(guān)系

圖4 顯示，淺層土內(nèi)徑流量，未、輕、中、重4個(gè)退化組之間無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與淺層土內(nèi)徑流量之間不存在關(guān)聯(lián)。未、重度退化組淺層土內(nèi)徑流量標(biāo)準(zhǔn)差非常大，高達(dá)組平均值的近1/2，說(shuō)明存在非植被因素影響淺層土內(nèi)徑流量劇烈變化。綜合而言，淺層土內(nèi)徑流量的變化可能強(qiáng)烈受非植被因素影響。

中層土內(nèi)徑流量分為輕—重、中2 等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，未退化組與2 個(gè)等效組之間均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與中層土內(nèi)徑流之間存在關(guān)聯(lián)。中層土內(nèi)徑流量數(shù)值，中＞輕—重等效組，未退化組介于2 個(gè)等效組之間，說(shuō)明伴隨植被退化中層土內(nèi)徑流量呈波動(dòng)增加趨勢(shì)。未、輕、中3 個(gè)退化組中層土內(nèi)徑流量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響中層土內(nèi)徑流量。綜合而言，中層土內(nèi)徑流量的變化可能較大程度上受非植被因素影響。

深層土內(nèi)徑流量分為未—輕、中—重2 個(gè)等效組，組內(nèi)無(wú)而組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，說(shuō)明植被退化與深層土內(nèi)徑流量之間存在關(guān)聯(lián)。深層土內(nèi)徑流量數(shù)值，未—輕＜中—重等效組，說(shuō)明伴隨植被退化深層土內(nèi)徑流量呈增加趨勢(shì)。未、輕、重退化組深層土內(nèi)徑流量標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明存在非植被因素影響深層土內(nèi)徑流量。綜合而言，深層土內(nèi)徑流量隨植被退化而增加，并受其他因素的影響。

圖4 不同退化程度各土層土內(nèi)徑流量

3.5 綜合分析

田間持水量反映土壤蓄水性能。由圖3 可以看出，伴隨植被退化，淺層土壤蓄水性能呈單調(diào)降低趨勢(shì)，中層則無(wú)變化，深層呈波動(dòng)變化趨勢(shì)。植被覆蓋地表，不可能越過(guò)中層單獨(dú)影響深層土壤蓄水性能。因此，深層土壤蓄水性能伴隨植被退化的波動(dòng)是非植被因素所致。土壤水分通過(guò)毛細(xì)作用蓄存在毛管孔隙中[13]，植被枯枝落葉降解后的腐殖質(zhì)可以粘結(jié)土壤顆粒形成團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加毛管孔隙，從而提高土壤蓄水性能。因此，尕海濕地淺層土壤蓄水性能隨植被退化呈單調(diào)降低的趨勢(shì)，說(shuō)明植被退化降低淺層土壤蓄水性能。

土中徑流量反映土壤失水性能。由圖4 可以看出，植被退化與淺層土壤失水性能無(wú)關(guān)，與中、深層失水性能存在關(guān)聯(lián)；伴隨植被退化，中、深層土內(nèi)徑流量增加但有所波動(dòng)。土內(nèi)徑流是土壤水分在重力作用下的運(yùn)動(dòng)，發(fā)生在孔徑大于毛管孔的容氣孔中。缺少植被覆蓋，地表土壤顆粒易受風(fēng)蝕影響，地表團(tuán)粒還會(huì)在降雨沖擊作用下崩解隨水入滲阻塞容氣孔隙，從而影響土壤失水性能。植被退化，土壤內(nèi)的死亡根系腐爛留下容氣孔隙，從而增加土壤失水性能。因此，伴隨植被退化，淺層土壤失水性能不受影響，而中層土壤受到一定促進(jìn)，深層則更受促進(jìn)，說(shuō)明尕海濕地土壤失水性能的變化主要源于根系枯死。值得注意的是，淺層土壤未、重退化組土內(nèi)徑流量標(biāo)準(zhǔn)差異常大，說(shuō)明引起淺層土內(nèi)徑流性能劇烈變化的因素不是植被退化，而是非植被因素。

土壤飽和持水量和毛管持水量包涵田間持水量和土內(nèi)徑流量2 項(xiàng)指標(biāo)，在一定程度是后者的綜合反映。對(duì)比圖1、圖2 與圖3 可見(jiàn)，伴隨植被退化，土壤飽和持水量和毛管持水量變化趨勢(shì)與田間持水量相似，其差異恰恰在土內(nèi)徑流量的變化中得到解釋。因此，研究土壤蓄水和失水性能，只需通過(guò)田間持水量和土內(nèi)徑流量2 項(xiàng)指標(biāo)即可，無(wú)需討論土壤飽和持水量和毛管持水量2 項(xiàng)指標(biāo)。

4 結(jié)論與討論

伴隨植被退化，尕海濕地0～10 cm 土層蓄水性能降低，田間持水量由32.81 mm 降低到15.65 mm；10～40 cm 土層蓄水性能則存在一定波動(dòng)性變化；非植被因素也會(huì)引起土壤蓄水性能的較大變化。伴隨植被退化，尕海濕地0～10 cm 土層失水性能不受影響，10～40 cm 土層失水性能則存在一定波動(dòng)性變化，非植被因素也會(huì)引起土壤失水性能劇烈變化?？傊?，植被退化降低尕海濕地0～10 cm 土層蓄水性能，一定程度上影響10 cm以下土壤蓄水性能和失水性能，非植被因素也會(huì)引起土壤蓄水和失水性能的變化，甚至劇烈變化。

本次研究發(fā)現(xiàn)，非植被因素引起尕海濕地土壤蓄水和失水性能變化，尤其引起0～10 cm 土層失水性能劇烈變化，其影響程度甚至超過(guò)植被退化。除植被退化之外，具體還有哪些因素影響尕海濕地土壤蓄水、失水性能，尚需進(jìn)一步研究確定。

致謝：本文撰寫(xiě)過(guò)程中得到了甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)馬維偉老師全面幫助，修改過(guò)程中得到了甘肅省林業(yè)科學(xué)研究院王俊杰研究員大力指導(dǎo)，在此一并致謝。