圍封對藏北高寒草原土壤礦質(zhì)元素和群落特征的影響

郭晨睿，楊敬坡，李少偉，牛 犇，馬嬌林，武建雙

（1. 河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050018；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081；3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101；4. 西藏自治區(qū)畜牧總站, 西藏 拉薩 850000）

草地是青藏高原面積最大的生態(tài)系統(tǒng)。受氣候變化和過度放牧雙重影響，近年來青藏高原高寒草地嚴(yán)重退化[1]。2003年我國啟動了“退牧還草”工程[2]，廣泛建設(shè)網(wǎng)圍欄來排除放牧干擾、促進(jìn)退化草地自我恢復(fù)[3-5]。關(guān)于圍封年限對植物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響存在很大爭議。有研究認(rèn)為，短期禁牧封育可以改善草地群落組成，提高植被覆蓋度和地上生物量[6-7]，改善土壤理化性質(zhì)以及土壤微生物群落[8-10]。例如，毛紹娟等[11]發(fā)現(xiàn)圍欄封育可以提高藏北高寒草原禾草、莎草等可食牧草生物量，降低雜類草優(yōu)勢度。也有研究認(rèn)為，盡管長期封育可提高植物物種多樣性[12]，但不利于群落生產(chǎn)力的持續(xù)改善[13-14]。當(dāng)前研究對圍欄封育是否顯著影響土壤養(yǎng)分含量也存有一定爭議。有研究表明，短期圍欄封育(2年)能顯著提高青藏高原高寒草甸表層土壤磷含量，但對全碳含量無影響[15]。＞ 10年長期圍欄封育可顯著改善青藏高寒草甸土壤碳氮含量[16-17]。但尹亞麗等[18]在三江源高寒草甸發(fā)現(xiàn)，即使10年圍欄封育也不能明顯改變土壤有機(jī)碳、全氮、全磷含量。在藏北高原僅有少量研究，Lu等[19]發(fā)現(xiàn)短期圍欄封育對藏西北高寒草地0 - 30 cm土壤有機(jī)碳、速效氮和速效磷含量無顯著影響，但可能降低土壤表層(0 - 15 cm)總氮和總磷含量。因此，探討圍欄封育對藏北草地土壤的恢復(fù)效果需要進(jìn)行更全面、更深入地研究。

礦質(zhì)元素是土壤養(yǎng)分重要組成部分，對維持植物正常的生理功能具有重要作用。例如，鎂和鋅是葉綠素的組成成分；鐵、銅、錳等也會影響葉綠素的合成[20]。另外，作為酶的組成成分，某些礦質(zhì)元素會影響植物體內(nèi)氧化還原反應(yīng)及大分子的合成。例如，銅、錳和鋅在植物氧化還原反應(yīng)中起催化作用；鎂和鋅元素可以影響蛋白質(zhì)合成[21-22]。此外，礦質(zhì)元素對于增強(qiáng)植物抗逆性有積極作用。適宜濃度的外源鈣和外源鋅能夠提高植物抗氧化酶活性進(jìn)而提高植物的抗寒性[23-24]。但對圍欄封育是否影響和如何影響草原土壤礦質(zhì)元素含量的研究較少。張建鵬等[25]發(fā)現(xiàn)圍封 13 年會顯著增加沙化草地0 - 20 cm土層銅、錳和鋅的含量，降低10 - 20 cm 土層鐵的含量。Radujkovic等[26]對全球草地生物量和土壤養(yǎng)分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)礦質(zhì)微量元素對草原生產(chǎn)力存在潛在重要影響。因此，針對藏西北干旱氣候區(qū)圍欄封育管理下土壤礦質(zhì)元素動態(tài)進(jìn)行研究有利于更全面了解圍封對草地生態(tài)功能的恢復(fù)機(jī)制。

截至2014年，西藏自治區(qū)共有2.96億畝(約1.97 × 107hm2)草原發(fā)生不同程度的退化，其中68%集中分布在藏北羌塘那曲市和阿里地區(qū)[27]。2003-2012年期間，西藏共建設(shè)圍欄8 641萬畝(約5.76 ×106hm2)[28]，其中藏北地區(qū)共有圍欄4 981萬畝(約3.32 × 106hm2)，主要集中在紫花針茅(Stipa purpurea)草原區(qū)。高寒草原是藏北地區(qū)主要草地類型，約占該地區(qū)總面積45%[29]。因此，本研究以圍欄封育和自由放牧樣地為研究對象，通過連續(xù)4年野外實(shí)地采樣與分析，探究圍欄封育對高寒草原土壤礦質(zhì)元素含量是否有顯著影響；圍欄封育對高寒草原地上生物量及物種多樣性是否有顯著影響；土壤礦質(zhì)元素與地上生物量和物種多樣性是否存在顯著關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

樣地位于西藏那曲市班戈縣(88°56′ ～ 91°18′ E，29°55′ ～ 32°15′ N) 北拉鎮(zhèn)和普保鎮(zhèn)。班戈縣共有草原3 630.93萬畝(約2.42 × 106hm2)，其中紫花針茅類草原846.55萬畝(約5.64 × 105hm2)，平均海拔為4 750 m，地勢西高南低。氣候?qū)俑咴瓉喓畮О敫珊导撅L(fēng)氣候，年平均氣溫0 ℃左右，年平均降水量介于300～450 mm，主要集中在6月 - 9月。土壤類型為高山草原土，植被群落優(yōu)勢物種為紫花針茅，伴生伊凡苔草(Carex ivanovae)、羊茅(Festuca ovina)、早熟禾(Poa annua)等[30]。樣地氣溫與降水?dāng)?shù)據(jù)源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(表1)。

表1 研究區(qū)域概況Table 1 Information of study area

1.2 試驗設(shè)計與樣品采集

所選樣地圍欄在2006年建成。2010-2013年7月下旬或8月上旬，在無雨無雪的天氣條件下對樣地圍欄內(nèi)外進(jìn)行取樣。在圍欄內(nèi)外隨機(jī)拋出30次0.1 m2樣圈，記錄植物物種名稱和出現(xiàn)次數(shù)，用以計算各物種相對頻度。在北拉鎮(zhèn)和普保鎮(zhèn)各選擇一對圍欄封育和自由放牧樣地，在圍欄內(nèi)外分別隨機(jī)設(shè)置5個間隔不小于20 m的0.5 m × 0.5 m樣方，共計5個重復(fù)。分種記錄樣方內(nèi)各植物名稱、蓋度、高度。分物種齊地面剪取植物地上部分，裝入信封保存并帶回。放牧引起的土壤理化性質(zhì)變化主要發(fā)生在土壤表層[31]，這一層次是高寒草原植物根系主要分布區(qū)[32]，因此本研究土壤取樣深度定為0 - 10 cm。在每個樣方的東、南、西、北以及中心點(diǎn)用直徑3 cm的土鉆采集土壤樣品，并進(jìn)行充分混合，去除肉眼可見的碎石、根系和凋落物等雜質(zhì)，裝入土布袋并帶回實(shí)驗室風(fēng)干后進(jìn)行元素分析。

1.3 指標(biāo)測定

地上生物量樣品在65 ℃烘干至恒重并稱重，精確至0.001 g，分物種記錄干重，各樣方地上生物量為各物種干重之和，5個樣方地上生物量平均值為樣地地上生物量。本研究通過樣方內(nèi)各物種相對蓋度(relative coverage, Cr)、相對高度(relative height,Hr)和相對頻度(relative frequency, Fr)計算Shannon-Wiener 指數(shù)。公式如下：

式中：IV為物種重要值，Pi為第i個物種的相對重要值。

土壤風(fēng)干樣品過2 mm篩去除雜質(zhì)后，使用研磨儀(MM400-德國RETSCH)將樣品粉碎研磨。礦質(zhì)常量元素(Ca和Mg)的測定使用醋酸銨溶液作為提取液，礦質(zhì)微量元素(Cu、Mn、Fe和Zn)使用二乙烯三胺五乙酸(DTPA)萃取，采用微波密閉消解電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP-AES)對礦質(zhì)微量和常量元素的含量進(jìn)行測定[33]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用雙因素方差(Two-way ANOVA)分析檢驗各礦質(zhì)元素含量、地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)在不同年份間及圍欄內(nèi)外的差異。采用單因素方差分析比較同一樣地圍欄內(nèi)外土壤礦質(zhì)元素含量的差異。在方差分析前，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(Shapiro-Wilk檢驗)和方差齊性檢驗(Bartlett檢驗)，對不滿足正態(tài)性檢驗的數(shù)據(jù)取對數(shù)或平方根進(jìn)行轉(zhuǎn)換。采用一般線性混合模型，將草地利用方式(圍封或放牧)、樣地位置、采樣年份作為影響因子，通過方差分析量化三者主效應(yīng)及交互作用對各礦質(zhì)元素含量、植物物種多樣性和群落地上生物量的相對影響。采用Spearman 相關(guān)系數(shù)法探究氣候因子、群落特征和土壤各礦質(zhì)元素間的相關(guān)性。利用雙變量回歸分析探究圍欄內(nèi)外地上生物量和物種多樣性隨氣候因子和土壤礦質(zhì)元素含量的變化規(guī)律。最后，采用協(xié)方差分析(ANCOVA)檢驗圍封措施和土壤礦質(zhì)元素對地上生物量和物種多樣性的影響，固定因素為圍封(放牧)處理，協(xié)變量為土壤礦質(zhì)元素。所有數(shù)值均采用平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤來表示。數(shù)據(jù)分析和圖表制作均采用R 4.0.3[34]。

2 結(jié)果

2.1 圍欄內(nèi)外土壤礦質(zhì)元素含量的年際變化

在礦質(zhì)常量元素中，僅普保鎮(zhèn)圍欄內(nèi)外土壤Ca含量在各采樣年份間變化規(guī)律一致(圖1)；北拉鎮(zhèn)樣地圍欄內(nèi)外土壤Ca含量的差異逐年減小。北拉鎮(zhèn)樣地2010年和2011年圍欄外土壤Ca和Mg含量顯著高于圍欄內(nèi)。在礦質(zhì)微量元素中，圍欄內(nèi)外北拉鎮(zhèn)的Zn含量和普保鎮(zhèn)的Mn含量隨年份增減規(guī)律完全一致(圖2)。北拉鎮(zhèn)圍欄內(nèi)外Cu含量在前3年保持穩(wěn)定，但在第4年變化趨勢完全相反且差異顯著(P＜ 0.05)，其他樣地圍欄內(nèi)外微量元素含量大致呈先減小后增加的趨勢。同一元素圍欄內(nèi)外含量差異的年際變化在樣地間不一致。

圖1 各采樣年份礦質(zhì)常量元素含量Figure 1 Mineral macronutrient contents in each sampling year

圖2 各采樣年份礦質(zhì)微量元素含量Figure 2 Mineral trace element contents in each sampling year

與放牧地相比，圍欄封育對土壤Ca、Cu和Mg含量的影響顯著(P＜ 0.05) (表2)，其中圍欄封育在北拉鎮(zhèn)對Ca、Mg和Cu的含量有顯著或極顯著的影響(分別降低了57.1%、24.1%和37.4%)，圍欄封育對普保鎮(zhèn)Cu含量有顯著影響(增加了23.5%) (圖3)。圍欄 × 樣地及圍欄 × 年份對土壤Ca、Cu和Mg含量有顯著的影響(P＜ 0.05) (表2)，圍欄、樣地和年份三者的交互作用對土壤Ca、Cu、Fe和Mn含量的影響顯著(P＜ 0.05)。僅土壤Cu含量在不同樣地間差異顯著(P＜ 0.05)，僅土壤Mn含量在不同采樣年份間差異顯著(P＜ 0.05)；任何一項因素對Zn無顯著影響(P＞ 0.05)。圍欄內(nèi)外表層土壤中，F(xiàn)e含量最高，Cu含量最低，各元素含量從高到低排序為Fe ＞ Ca ＞Mg ＞ Mn ＞ Zn ＞ Cu (圖3)。

表2 圍欄、樣地、年份及其交互作用對土壤礦質(zhì)元素影響的混合效應(yīng)模型分析Table 2 Effects of fencing, site, year, and their interactions on soil mineral elements from mixed-effect model analysis

圖3 各樣地圍欄內(nèi)外礦質(zhì)元素含量統(tǒng)計Figure 3 Mineral element contents inside and outside the fences of each site

2.2 圍欄封育對植物群落特征的影響

圍欄內(nèi)外地上生物量年際變化無明顯規(guī)律。圍欄內(nèi)外地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)相對大小無一致規(guī)律(圖4)。2013年普保鎮(zhèn)圍欄內(nèi)地上生物量(78.48 g·m-2)比圍欄外(41.48 g·m-2)高89.2% (P＜0.05)，其他封育年份圍欄內(nèi)外地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)均無顯著差異(P＞ 0.05) (圖4)。僅2012年北拉鎮(zhèn)封育樣地的地上生物量與2011年相比差異顯著，2011-2012年和2012-2013年普保鎮(zhèn)放牧樣地的Shannon-Wiener 指數(shù)年際變化顯著(P＜ 0.05)，其他年份間地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)的變化均不顯著(P＞ 0.05)。

圖4 各采樣年份地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)Figure 4 Aboveground biomass and Shannon-Wiener index in each sampling year

與放牧地相比，圍欄封育對地上生物量的影響顯著(P＜ 0.05) (表3)。其中，圍欄封育僅在普保鎮(zhèn)對地上生物量有顯著影響(增加了43.8%) (圖5)。圍欄 × 樣地、圍欄 × 年份及圍欄、樣地和年份三者的交互作用對地上生物量的影響顯著(P＜ 0.05) (表3)。僅圍欄 × 年份的交互作用對物種多樣性有顯著影響。但與放牧樣地相比，圍欄封育對兩個樣地物種多樣性沒有顯著影響(P＞ 0.05) (圖5)。

圖5 各樣地圍欄內(nèi)外地上生物量及Shannon-Wiener 指數(shù)Figure 5 Aboveground biomass and Shannon-Wiener index inside and outside the fences of each site

表3 圍欄、樣地、年份及其交互作用對群落特征影響的混合效應(yīng)模型分析Table 3 Effects of fencing, site, year, and their interactions on plant community characteristics from mixed-effect model analysis

2.3 氣候特征、群落特征和土壤礦質(zhì)元素間的關(guān)系

相關(guān)性分析顯示，生長季氣溫與地上生物量和多樣性分別極顯著負(fù)相關(guān)和極顯著正相關(guān)，生長季降水與地上生物量和多樣性分別極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.01) (圖6)。生長季氣溫與各礦質(zhì)元素極顯著正相關(guān)，但生長季降水與各礦質(zhì)元素顯著負(fù)相關(guān)。與生長季降水相比，生長季氣溫與礦質(zhì)元素的相關(guān)系數(shù)絕對值更大。各礦質(zhì)元素之間，Ca 與Mg、Cu與Zn、Mn與Zn、Fe與Mg、Mn和Zn之間極顯著正相關(guān)(P＜ 0.01)。僅土壤Mg與地上生物量顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.05)，但圍欄內(nèi)或圍欄外地上生物量隨土壤礦質(zhì)元素含量增加變化不顯著(P＞ 0.05) (圖7)。土壤礦質(zhì)元素與物種多樣性均無顯著關(guān)系(P＞ 0.05)(圖6)，但圍欄外物種多樣性隨土壤Zn含量增加呈先減小后增加的趨勢，且變化顯著(P＜ 0.05) (圖8)。

圖6 氣候因子、群落特征與土壤礦質(zhì)元素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣圖Figure 6 Correlation coefficient matrix of climatic variables, plant community regimes and soil mineral elements

圖7 地上生物量與氣候變量和土壤礦質(zhì)元素的關(guān)系Figure 7 Relationships of aboveground with climatic variables and soil mineral element contents

圖8 Shannon-Wiener 指數(shù)與氣候變量和土壤礦質(zhì)元素的關(guān)系Figure 8 Relationships of the Shannon-Wiener index with climatic variables and soil mineral element contents

以各礦質(zhì)元素為協(xié)變量進(jìn)行分析，結(jié)果顯示圍欄封育對高寒草原地上生物量和物種多樣性無顯著影響(P＞ 0.05) (表4)。僅土壤Mg對地上生物量有顯著影響(P＜ 0.05)，圍欄封育與土壤Zn的交互作用對物種多樣性有顯著影響，其他土壤礦質(zhì)元素及其與圍欄封育的交互作用對地上生物量和物種多樣性均無顯著影響(P＞ 0.05)。

表4 地上生物量和物種多樣性的協(xié)方差分析Table 4 Results of ANCOVA models for above-ground biomass and biodiversity

3 討論

3.1 圍欄封育對土壤礦質(zhì)元素含量的影響

礦質(zhì)元素是土壤養(yǎng)分重要成分，其含量和分布與母質(zhì)類型、成土過程、土壤理化性質(zhì)、土地利用方式和環(huán)境污染等因素有關(guān)[35]。在青藏高原退化草地和內(nèi)蒙古典型草原的研究發(fā)現(xiàn)，圍欄封育會降低部分樣地表層土壤Ca、Mg和Cu的含量[36-38]。與前人研究相似，本研究在北拉鎮(zhèn)的結(jié)果表明，高寒草原實(shí)施5～8年圍欄封育后表層土壤Ca、Mg和Cu的含量顯著低于自由放牧樣地土壤。這可能是因為家畜排泄物含有Ca元素[39]，且Ca與Mg相關(guān)性較強(qiáng)(表3)，造成圍欄外土壤Ca和Mg含量偏高；另外，在本研究中研究區(qū)域每公頃草的放牧強(qiáng)度小于1只羊[40]，放牧強(qiáng)度不高，沒有對土壤養(yǎng)分造成過度破壞，這可能更有利于土壤養(yǎng)分循環(huán)和肥力保持[41-42]。

此外，實(shí)施圍欄封育后普保鎮(zhèn)地土壤Cu含量增加了23.5%。這與楊紅善等[43]在肅南縣山地草原的研究一致。他們的研究發(fā)現(xiàn)禁牧使0 - 10 cm土層Cu含量增加了13%。排除牲畜對草地植物的采食與踐踏后，圍欄封育可能降低土壤容重，增加植被蓋度和高度，提高土壤持水能力，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)和凋落物分解[44-45]，進(jìn)而改善土壤礦質(zhì)元素含量。

本研究發(fā)現(xiàn)8年圍封沒有顯著改善高寒草原表層土壤Fe、Mn和Zn的含量。這與在青藏高原東北部的研究[46]相似，高寒草甸土壤微量元素含量也不受圍欄封育的影響。藏北地區(qū)氣候寒冷干燥，且本研究封育時間較短。這可能會限制土壤中礦物質(zhì)分解速率[47]，影響土壤微量元素有效性。另外，班戈縣土壤砂粒較多[48]，對微量元素吸附能力較差，造成微量元素易被淋溶，從而限制了土壤養(yǎng)分的恢復(fù)。

高寒草原表層土壤Mn含量在不同年份間差異顯著，其他礦質(zhì)元素含量在各年間無顯著差異(表2)?？赡苁歉鳂拥孛磕甑慕邓蜌鉁赜胁町悾⑶遗c其他礦質(zhì)元素相比，Mn與氣候因素的相關(guān)性更強(qiáng)(圖6)，意味著土壤中Mn含量更容易受到氣候的影響[49]。

3.2 圍欄封育對群落特征的影響

氣候變化和人類活動引起草地退化，對植物群落的影響往往表現(xiàn)為生物量下降，物種多樣性降低等[1]。為了恢復(fù)退化草地，人們常采用圍欄封育等方法[2]。圍封是提高草地地上生物量的有效途徑[6-7]。與前人結(jié)果研究相似，本研究發(fā)現(xiàn)5～8年的圍欄封育增加了普保鎮(zhèn)地上生物量。這可能是因為排除放牧壓力后消除了食草動物對植物的干擾，植被高度和蓋度增加，光合效率隨之增加，從而生物量得到恢復(fù)。

對退化草地實(shí)施圍封，消除了外界干擾源，對生物量和物種多樣性的增加有積極作用[12]，但關(guān)于圍欄封育對地上生物量和群落多樣性的影響仍存在爭議。有研究發(fā)現(xiàn)地上生物量和物種多樣性并未隨著封育時間增加而持續(xù)增加[13,50]。一項在內(nèi)蒙古典型草原的研究表明[50]，較短期封育(2年和7年)并未使群落多樣性得到顯著恢復(fù)。相似地，在本研究中，圍欄封育未顯著增加北拉鎮(zhèn)地上生物量和班戈縣植被多樣性。不同研究地點(diǎn)放牧歷史和放牧率不同，這可能導(dǎo)致物種多樣性對圍欄封育的響應(yīng)不同[51]。藏北高原海拔高、氣溫低，可能使植被收到水分或氮的限制，從而限制了植被生長和物種多樣性的恢復(fù)[52]。

3.3 礦質(zhì)元素對群落特征的影響

礦質(zhì)元素的組成與含量對植物個體生長發(fā)育、群落動態(tài)演替與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮具有關(guān)鍵調(diào)控作用[53]。在對甘肅5種類型草地的研究[54]中發(fā)現(xiàn)，土壤微量元素對植被特征(蓋度、高度和生物量)有重要影響，尤其是Mg和Zn。本研究所測土壤Mg含量約為8.25 mg·g-1，高于其他在青藏高原進(jìn)行的研究[55]。圍欄封育顯著改變了土壤Mg含量，土壤Mg對地上生物量有顯著負(fù)影響。

本研究所測土壤Zn含量為29.78～79.68 mg·kg-1，低于我國土壤Zn含量平均值[56](100 mg·kg-1)；圍欄封育未顯著改變高寒草原土壤Zn含量，土壤Zn含量與對上生物量無顯著影響，但圍欄封育與土壤Zn的交互作用對物種多樣性有顯著影響。研究區(qū)域土壤砂粒土含量多且偏堿性，容易缺乏微量元素[57]。土壤礦質(zhì)微量元素對草地生產(chǎn)力存在潛在的調(diào)控作用[26]，圍欄封育可能通過影響土壤礦質(zhì)元素對生物量物種多樣性等群落特征產(chǎn)生間接影響。因此，在草地恢復(fù)過程中，除關(guān)注土壤養(yǎng)分和常見理化性質(zhì)外，還應(yīng)關(guān)注研究較少的礦質(zhì)元素(特別是Mg和Zn)在土壤和地上植被中的含量，從而更全面地探討圍欄封育等恢復(fù)措施對草地生態(tài)的恢復(fù)機(jī)制。

4 結(jié)論

本研究分析了圍欄封育對藏北高寒草原植物群落特征和土壤礦質(zhì)元素含量的影響。5～8年的圍欄封育只顯著改變了表層土壤Ca、Mg和Cu的含量，沒有顯著改變土壤中Fe、Mn和Zn的含量。圍欄封育只顯著增加了普保鎮(zhèn)地上生物量，對兩個樣地植物物種多樣性均無顯著影響。在各土壤礦質(zhì)元素中，僅Mg與地上生物量存在顯著相關(guān)性。這可能是因為圍欄封育對高寒草原土壤礦質(zhì)元素含量和植物群落的恢復(fù)效果有限。建議設(shè)置長期固定樣地探究圍欄封育下土壤礦質(zhì)元素變化對草地生態(tài)系統(tǒng)功能的調(diào)控機(jī)制。