川西北高寒沙化草地圍欄禁牧?xí)r段和恢復(fù)過(guò)程的耦合機(jī)理研究

黃怡, 趙聰, 楊洋, 劉軻, 牟秋雨, 楊林, 胡進(jìn)耀*

1. 綿陽(yáng)師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000；

2. 西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 611756；

3. 森林與草原防災(zāi)減災(zāi)四川省高校工程研究中心，四川 綿陽(yáng) 621000

川西北高寒沙化草地是長(zhǎng)江流域及黃河流域重要的地下水維護(hù)及調(diào)控源頭，還是中國(guó)生物多樣性的重要地域[1]。目前沙化草地恢復(fù)耦合機(jī)理研究主要在干旱地區(qū)和半干旱地區(qū)，而對(duì)于較為濕潤(rùn)的高寒沙化草地研究較少[2-4]。氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，也是植物從土壤中吸收量最大的礦質(zhì)元素[5]。自然界中限制各種生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力高低的主要因子，也是氮素[5]。研究高寒沙化草地恢復(fù)耦合機(jī)理，明確土壤氮素的變化特征和土壤氮素與沙化土地恢復(fù)之間的關(guān)系，對(duì)于如何恢復(fù)高寒沙化草地，保護(hù)高寒地區(qū)草甸等方面有重要作用，也利于掌握高寒沙化草地恢復(fù)過(guò)程對(duì)土壤肥力的影響機(jī)制[6]。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化對(duì)禁牧的響應(yīng)較快，因此有機(jī)質(zhì)可作為恢復(fù)過(guò)程中植物種類(lèi)選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及禁牧期的恢復(fù)效果，由于土壤有機(jī)質(zhì)和氮素在草原生態(tài)系統(tǒng)中的理化作用，其在土壤中的儲(chǔ)量、分布能夠直接影響草原生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮[12]。且對(duì)該地區(qū)恢復(fù)時(shí)段和恢復(fù)過(guò)程的耦合機(jī)理或機(jī)制的研究對(duì)于實(shí)踐中確定禁牧?xí)r間等有直接的指導(dǎo)作用。利用空間代替時(shí)間的方法，研討了禁牧不同時(shí)間的川西北高寒草地的土壤水解性氮，全氮及土壤有機(jī)質(zhì)含量和關(guān)系，以揭示其禁牧后恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)過(guò)程的耦合機(jī)理或機(jī)制，為地方政府生態(tài)恢復(fù)高寒沙化草地提供了方法參考。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于青藏高原的東部邊際，地理坐標(biāo)介于102°08'—103°39'E，32°56'—34°19'N 間，海拔3 330～3 770 m，是中國(guó)最大的高原。濕地和草甸為其主要的草地類(lèi)型，大陸性高原寒帶季風(fēng)氣候?yàn)槠錃夂蝾?lèi)型，有春秋急促、較長(zhǎng)冬無(wú)夏的特點(diǎn)。其同比降水量791.95 mm，降水主要分散在5—10月，同比溫度為0.9 ℃，同比積雪期為76 d，沒(méi)有絕對(duì)的無(wú)霜期。

日照較長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，同比日照2 158.7 h，太陽(yáng)輻射年比重為6 194 MJ·m?2[7-9]。未治理區(qū)因?yàn)檫^(guò)分放牧，樹(shù)木組成相對(duì)單純，伴同發(fā)生沙生苔草等等鹽生樹(shù)木。[10-11]圍欄禁牧治理區(qū)的植被組成與正常放養(yǎng)的草地植被組成種類(lèi)差別不太大，包括黃花蒿、充斥堿草，及早熟禾、臭草及冰草、甘肅馬先蒿、莎草等雜草[12-14]。川西北草地的成土母質(zhì)依不同地理環(huán)境有基本規(guī)律分布，多為三迭系泥巖、泥巖及第四紀(jì)的松散堆積物，土壤含沙量較為高[20]。

1.2 土壤樣品采集

于2018年7月在研究區(qū)進(jìn)行調(diào)查取樣。在地理位置相近，地形、海拔、坡向等相同的地域，選擇了未圍欄禁牧的沙地草地及施行5年及10年的放養(yǎng)禁令的沙地（見(jiàn)表1）。在現(xiàn)場(chǎng)選擇3個(gè)樣地，樣地大小為20×20 m，五點(diǎn)取樣法分層取樣。取樣分為0～20 cm，20～40 cm 兩層。

表 1 圍欄禁牧樣地信息表Tab. 1 Basic information of grazing exclusion sample plots

1.3 測(cè)定方法

每個(gè)樣方中，對(duì)于植物高度的測(cè)量，是通過(guò)卷尺測(cè)量所有植物的自然高度，再取平均值。目測(cè)估算植物覆蓋率，并以百分比表示。

樣品送至四川華標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)重鉻酸鉀外部加熱法測(cè)定，對(duì)于全氮通過(guò)半微量開(kāi)爾文法測(cè)定，對(duì)于水解性氮通過(guò)堿水解擴(kuò)散法測(cè)定[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析、相關(guān)分析采用SPSS 17.0軟件，利用EXCEL 2010處理表格。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被蓋度和高度變化

不同圍欄禁牧?xí)r間地層植被有顯著增加，隨著圍欄禁牧?xí)r間的增長(zhǎng)，沙化草地植被蓋度及平均高度增加(見(jiàn)圖1)。方差分析的結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地樹(shù)木蓋度及平均株高均達(dá)極顯著差異水平 (F=135.011，P<0.01)、>(F=51.283，P<0.01)，隔離帶禁牧5及10年沙化草地植被平均蓋度分別為26%、39.3%，植被平均高度分別為47.30 cm及69.60 cm；圍欄禁牧10年的沙化草地樹(shù)木蓋度及平均株高極顯著高于圍欄禁牧5年沙化草地，圍欄禁牧5年也極顯著高于未禁牧的沙化草地。說(shuō)明了沙化草地展開(kāi)圍欄禁牧過(guò)程中，地層樹(shù)木逐漸獲得恢復(fù)。

2.2 土壤有機(jī)質(zhì)變化

研討結(jié)果顯示，研討區(qū)沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度介于 0.78～5.29 g·kg?1間 (見(jiàn)表 2)。隨著隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)覆蓋層土壤有機(jī)質(zhì)濃度逐漸增多，其中，0～20 cm覆蓋層，隔離帶禁牧5年、10年及未修補(bǔ)沙化草地相比土壤有機(jī)質(zhì)濃度分別增多17.07%、34.05%。方差分析結(jié)果顯示，0～20 cm覆蓋層土壤有機(jī)質(zhì)濃度差異達(dá)到明顯顯著水平(F=7.676，P<0.05)，隔離帶禁牧5年、10年后沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度都明顯高于未修補(bǔ)沙化草地，圍欄禁牧10年也明顯高于圍欄禁牧5年沙化草地，說(shuō)明圍欄禁牧過(guò)程對(duì)于沙化草地展開(kāi)圍欄禁牧過(guò)程中，

圖 1 不同圍欄禁牧?xí)r間群落平均高度、平均蓋度變化Fig. 1 Changes of average height and coverage of community in different grazing exclusion time

表 2 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤有機(jī)質(zhì)含量Tab. 2 Soil organic matter content in different grazing exclusion time

有機(jī)質(zhì)濃度在土壤0～20 cm覆蓋層有很大的提高，且顯現(xiàn)出后期的增多波幅緩于前期的特性。其在20～40 cm覆蓋層，不同圍欄禁牧?xí)r間沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)濃度降幅不及0～20 cm覆蓋層，其中，圍欄禁牧10年沙化草地明顯高于圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地，而是圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地間差異還高達(dá)明顯總體水平。其濃度差異也還高達(dá)明顯顯著水平(F=7.201，P<0.05)。

2.3 土壤全氮變化

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，研討區(qū)不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地土壤全氮濃度在 0.016～0.028 g·kg?1（見(jiàn)表3）。隨隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)覆蓋層土壤全氮濃度也隨之增多，其中，0～20 cm覆蓋層變動(dòng)最為顯著，隔離帶禁牧5年與未修補(bǔ)沙化草地相比土壤全氮濃度增多了19.68%，隔離帶禁牧?xí)r間為10年后沙化草地土壤全氮濃度顯著增多。方差分析結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地0～20 cm覆蓋層土壤全氮濃度差異顯著水平（F=7.156*，P<0.05），其中，圍欄禁牧10年沙化草地、明顯高于圍欄禁牧5年及未修補(bǔ)沙化草地。20～40 cm土層降幅仍然顯著低于0～20 cm土層。方差分析結(jié)果顯示，不同隔離帶禁牧?xí)r間沙化草地20～40 cm覆蓋層土壤全氮濃度差異達(dá)顯著水平（F=17.370*，P<0.05）。隔離帶禁牧過(guò)程中隨土層深度的增加沙化草地土壤全氮的增多波幅逐漸增多，說(shuō)明0～20 cm土層土壤因受生物學(xué)作用的影響小于下層土壤。

表 3 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤全氮含量Tab. 3 Total soil nitrogen content in different grazing exclusion time

2.4 土壤水解性氮變化

土壤水解性氮能夠被植物直接吸收，其含量一直作為衡量土壤氮素水平的重要指標(biāo)。隨著圍欄禁牧?xí)r間的增加，在研究區(qū)沙化草地土壤中，土壤水解性氮含量呈現(xiàn)逐步增加的特征。各土層土壤水解性氮含量卻呈現(xiàn)先減少和增加的特征，其中，0～20 cm土層，圍欄禁牧5年沙化草地較未修復(fù)沙化草地水解性氮含量減少了23.80%，圍欄禁牧10年沙化草地較圍欄禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了24.19%；方差分析結(jié)果表明，該土層土壤水解性氮含量差異未達(dá)到極顯著水平(F=1.858，P>0.05 )。20～40 cm土層，圍欄禁牧5年沙化草地較未修復(fù)沙化草地水解性氮含量減少了31.49%，圍欄禁牧10年沙化草地較圍欄禁牧5年沙化草地水解性氮含量增加了1.13%。方差分析結(jié)果表明，不同圍欄禁牧?xí)r間沙化草地 20～40 cm土層土壤水解性氮含量差異未達(dá)顯著水平(F=2.948，P>0.05)。說(shuō)明圍欄禁牧過(guò)程中沙化草地表層土壤水解性氮含量是先減少在增加（見(jiàn)表4）。

表 4 不同圍欄禁牧?xí)r間土壤水解性氮含量Tab. 4 Soil hydrolytic nitrogen content in different grazing exclusion time

2.5 植被蓋度和高度與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解性氮相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果顯示，研討區(qū)沙化草地植被蓋度及植被高度與土壤有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，其也與全氮呈正相關(guān)關(guān)系，樹(shù)木蓋度與土壤有機(jī)質(zhì)的顯著相關(guān)(r值為0.795*，P<0.05)，與土壤全氮的極顯著相關(guān)(r值為0.800**，P<0.01)，其中樹(shù)木高度與土壤有機(jī)質(zhì)及全氮極顯著正相關(guān) (r值為0.831**、0.835**、0.840**，P<0.01)(見(jiàn)表5)，樹(shù)木對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)及養(yǎng)分的積聚具備顯著影響，在沒(méi)有外源追肥的前提之下，土壤的碳化、磷主要源于生物學(xué)作用，伴隨禁牧?xí)r間的增多，沙化草地表面的植物恢復(fù)，生物量增多，蓋度變大，同時(shí)沙化草地表面凋落物也會(huì)增多，隨之土壤中微生物活性加強(qiáng)，土壤有機(jī)質(zhì)及氮素濃度逐漸增多。

表 5 相關(guān)性分析Tab. 5 Result of the correlation analysis

3 討論

研究表明，圍欄禁牧10年的草地現(xiàn)狀為沙化較為明顯，形成了典型的露沙草地，有少量的枯枝落葉，圍欄禁牧5年的草地現(xiàn)狀為沙化明顯，草地露沙嚴(yán)重，枯枝落葉量極少，未圍欄禁牧的沙化草地現(xiàn)狀為草地完全沙化，表層沙粒多，幾乎沒(méi)有枯枝落葉。建議在西北高寒沙化草地恢復(fù)過(guò)程中，禁牧?xí)r間應(yīng)該盡量控制在10年以上。

土壤返回量、土壤質(zhì)地和植被類(lèi)型等多種因素都會(huì)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量產(chǎn)生影響，特別是較大的返回量可促進(jìn)土壤中更多有機(jī)質(zhì)的積累。有研究表明隨著圍欄放牧禁令的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加[17-18]，本文結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。隨著隔離帶禁牧?xí)r間的增多，沙化草地各個(gè)土層土壤有機(jī)質(zhì)濃度都呈現(xiàn)出增多態(tài)勢(shì)，隔離帶禁牧10年沙化草地土壤有機(jī)質(zhì)比未修復(fù)沙化草地顯著增多；20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)濃度增多波幅顯著高于0～20 cm土層。在禁止放牧過(guò)程中，放牧禁令有利于形成更好的凋落物層，降低土壤侵蝕強(qiáng)度，分解過(guò)程中凋落物中所含的養(yǎng)分逐漸釋放到土壤中，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。放牧禁令后期有機(jī)質(zhì)含量的增加表明，禁牧十年后，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)的積累尚未達(dá)到頂峰[1]。筆者建議高寒沙化草地圍欄禁牧生態(tài)恢復(fù)模式，可以同時(shí)考慮人工恢復(fù)或自然恢復(fù)和人工恢復(fù)[19]。

土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)規(guī)律一致，但是在圍欄禁牧過(guò)程中，水解性氮卻是先減少在增加，說(shuō)明在恢復(fù)過(guò)程中，地表植被逐漸恢復(fù)，是植物生長(zhǎng)先吸收了部分水解性氮，導(dǎo)致水解性氮含量減少，在隨著恢復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)，形成了較好的枯枝落葉層，有機(jī)質(zhì)也開(kāi)始了分解形成氮素，故土壤水解性氮也才開(kāi)始恢復(fù)[20-21]。本文研究結(jié)果表明，自然恢復(fù)或人工修復(fù)過(guò)程中，植物群落缺乏水解性氮?？梢酝ㄟ^(guò)增施氮肥，加快恢復(fù)速度。

在土壤剖面上，20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的增加低于0～20 cm土層。如果不添加外部養(yǎng)分，則凋落物和植物根系會(huì)對(duì)0～20 cm土壤層中的土壤有機(jī)質(zhì)和總氮產(chǎn)生很大影響。

在禁止圍欄放牧期間，枯葉繼續(xù)堆積。伴隨著土壤微生物和動(dòng)物的共同作用，植物根系殘留物和土壤表面凋落物就會(huì)逐漸分解，并轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)。該部分有機(jī)質(zhì)首先就會(huì)進(jìn)入0～20 cm的土壤層，并在該土壤層積累。