祁連山不同退化草地土壤養(yǎng)分變化特征及質(zhì)量綜合評價

馬亞春， 張 潔， 高亞敏，姚 拓*， 李海云， 李昌寧， 金艷麗

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省草原技術(shù)推廣總站， 甘肅 蘭州 730010；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 陜西 楊凌 712100； 4. 蘭州大學(xué)西部生態(tài)安全省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 甘肅 蘭州 730000)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，能夠起到穩(wěn)定和平衡生態(tài)系統(tǒng)的作用，同時也是我國畜牧業(yè)生產(chǎn)的最主要區(qū)域。近年來由于人為因素(過牧、開墾、采礦、粗放管理)和全球變暖等因素致使草地生態(tài)環(huán)境日益惡化，出現(xiàn)天然草場大面積退化、沙化和鹽堿化等現(xiàn)象[1-4]。前人對退化草地修復(fù)和草地健康從不同層面上做了廣泛研究，發(fā)現(xiàn)圍封、施肥和補播是恢復(fù)當(dāng)前草地退化的重要管理措施[5-6]。然而，草地恢復(fù)的前提是要弄清楚以土壤為載體的微生物—植物—動物(人)三者之間的關(guān)系，從而采取針對性的修復(fù)措施，對不同退化草地進行恢復(fù)。土壤載體是一個巨大的緩沖體系，其理化性質(zhì)是一切研究的基礎(chǔ)；它在時空中的異質(zhì)性決定了微生物、草地植被的分布格局[7]，間接影響到畜群結(jié)構(gòu)和草地動物的分布[8]。有研究表明大武河流域[9]、祁連山東段[10]、天祝地區(qū)[11]草地退化導(dǎo)致土壤各種營養(yǎng)物質(zhì)含量(除全鉀)顯著下降，隨退化程度加重，0～10 cm土層未退化草地速效氮含量較中度和重度退化草地分別降低了54%和64%，10～20 cm土層中度和重度退化草地分別降低了37%和21%[9]；與未退化、輕度、中度退化草地相比，天祝重度退化草地中土壤全氮、全磷含量最低，分別為0.70和0.56 g·kg-1，與未退化草地相比，輕度、中度和重度退化草地全氮含量分別下降了10.34%，12.64%和19.54%，全磷分別下降了6.38%，20.21%和40.43%[11]。

土壤養(yǎng)分是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，在退化草地中土壤養(yǎng)分(速效氮、有效磷、有機質(zhì))含量的變化與物種多樣性呈顯著正相關(guān)[12]。額外添加氮素可提高高寒草甸植物的生長高度和生物量，進而提高了高寒草甸生產(chǎn)力，添加磷素能夠提高地下根系的生物量，有機質(zhì)是草地土壤養(yǎng)分的主要來源[13-14]。有研究表明土壤生態(tài)化學(xué)計量學(xué)對于養(yǎng)分限制性具有重要的指示作用，可反映出草地退化中關(guān)鍵養(yǎng)分的限制[15-16]。土壤肥力質(zhì)量是土壤的本質(zhì)屬性之一，與土壤理化性質(zhì)息息相關(guān)，對土壤肥力的綜合評價能夠較為全面的反映土壤質(zhì)量[17]。祁連山高寒草地生境脆弱，近年來因自然和人為等因素導(dǎo)致草地出現(xiàn)不同程度的退化情況[9]。目前，前人的研究多聚焦于不同退化草地土壤養(yǎng)分含量和其與植被、微生物的相關(guān)性研究[7,9-11,17-18]，但對草地土壤養(yǎng)分綜合評價研究較少。同時，土壤復(fù)雜多變的特性導(dǎo)致需要長期追蹤才能獲取較為準確的信息。本文對祁連山同一樣地持續(xù)兩年(2017，2018年)土壤養(yǎng)分變化和其肥力進行研究；進一步探究不同退化草地土壤養(yǎng)分、化學(xué)計量比和肥力綜合評價系數(shù)的變化特征，旨在為祁連山高寒草地土壤健康管理及可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連山(94°10′～103°04′ E，35°50′～39°19′ N)東西長約30 km，南北寬約5～15 km，全區(qū)海拔2 900～4 300 m；年均氣溫-0.1～0.6℃，全年大于零度有效積溫約為1 300℃，年均降水量416 mm，年均蒸發(fā)量1 483～1 614 mm；土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土為主[10]。

1.2 樣地設(shè)置及土樣采集

為與前期2017年[18]研究相同樣地、相同方法、和相同月份進行比較，本研究于2018年8月在康樂、皇城和天祝相同試驗點采樣。在研究區(qū)根據(jù)草地退化程度的劃分標(biāo)準[19]對輕度退化草地(lightly degraded grassland，LDG)、中度退化草地(moderate degraded grassland，MDG)和重度退化草地(severe degraded grassland，SDG)3種不同退化草地進行采樣，每個樣地設(shè)置3個大樣方(25 m×25 m)，在每個大樣方各設(shè)置3個小樣方(50 cm×50 cm)，具體樣地信息見表1。用土鉆在各小樣方中采取0～20 cm、20～40 cm土層土樣，裝入自封袋并用冰盒帶回實驗室，待測。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic profile of the plot

續(xù)表1

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1土壤理化指標(biāo)的測定 土壤有機碳用重鉻酸鉀容量法—稀釋熱法測定含量：稱取0.50 g風(fēng)干土加入500 mL三角瓶中，再加1 mol·L-1重鉻酸鉀溶液10 mL和20 mL濃硫酸搖勻加熱，加3～4滴鄰菲啰啉指示劑并用0.5 mol·L-1硫酸亞鐵滴定為磚紅色為止；全氮用凱氏定氮法測定：稱取1.00 g風(fēng)干土，用5 mL濃硫酸消煮，并用凱氏定氮法測定；全磷用氫氧化鈉熔融法測定：稱取0.25 g風(fēng)干土于鎳坩堝中，加2.00 g氫氧化鈉在茂福爐中400℃熔融，并用鉬藍比色法測定含磷量；堿解氮用堿解擴散法測定：稱取2.00 g風(fēng)干土于擴散皿外室，內(nèi)室加2 mL含甲基紅-溴甲酚綠指示劑的20 g·L-1的硼酸溶液，并在外室加1 mol·L-1氫氧化鈉10 mL，密封40℃培養(yǎng)1 d，用0.01 mol·L-1硫酸滴定；有效磷用碳酸氫鈉浸提法測定：稱取2.50 g風(fēng)干土于三角瓶中，加0.5 mol·L-1碳酸氫鈉50 mL和1.00 g無磷活性炭，并用鉬藍比色法測定含磷量。具體操作步驟參考《土壤農(nóng)化分析(第三版)》[20]。

1.3.2生態(tài)化學(xué)計量比 土壤碳氮比(C/N)、氮磷比(N/P)、碳磷比(C/P)均采用質(zhì)量比。

1.3.3土壤環(huán)境肥力質(zhì)量評價 用王婷[21]、單奇華[22]的方法，并參考表2對測定指標(biāo)量綱進行標(biāo)準化；然后采用改進的內(nèi)梅羅(Nemoro)[23]公式進行土壤環(huán)境肥力質(zhì)量評價指數(shù)的計算：

表2 土壤肥力指標(biāo)分級標(biāo)準Table 2 Soil fertility index grading standards

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行One～Way ANOVA分析，采用Duncan法進行方差分析和顯著性并運用Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全量養(yǎng)分含量變化特征

祁連山不同退化程度高寒草地，康樂、皇城、天祝土壤養(yǎng)分含量變化特征如圖1所示。2018年不同退化草地土壤有機碳、全氮和全磷含量呈隨土層加深而減小的趨勢，且差異顯著(P<0.05)；2017年與2018年相較，土壤養(yǎng)分含量變化趨勢一致。土層0～20 cm，2018年皇城試驗點有機碳和全磷含量隨著退化程度加劇而減小，康樂和天祝試驗點有機碳和全磷含量變化各異；土層20～40 cm，各試驗點有機碳隨著退化程度加劇減小，全氮和全磷含量變化各異。2017年同2018年相較，土壤有機碳、全氮和全磷含量均隨著退化程度的加劇而逐漸減小?？傮w來看，隨著退化程度的加劇，MDG和SDG同LDG樣地相比均表現(xiàn)為下降。2018年在0～20 cm土層中，SDG樣地的土壤有機碳、全氮和全磷相較于LDG樣地，分別平均降低5.34%，4.69%和10.97%；在20～40 cm土層中，SDG樣地的土壤有機碳和全氮相較于LDG樣地，分別降低34.52%和33.45%。

圖1 不同退化草地土壤全量養(yǎng)分含量變化特征(平均值±標(biāo)準誤，n=3)Fig.1 Variation characteristics of total nutrient content in different degraded grassland soils (mean±SE,n=3)注：LDG1、MDG1、SDG1分別表示康樂輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地；LDG2、MDG2、SDG2分別表示皇城輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地；LDG3、MDG3、SDG3分別表示天祝輕度退化草地、中度退化草地、重度退化草地。不同小寫字母表示同一地區(qū)同一土層深度水平差異顯著(P<0.05)，下同Note:LDG1,MDG1 and SDG1 represent lightly degraded grassland of Kangle,moderate degraded grassland and severe degraded grassland,respectively;LDG2,MDG2 and SDG2represnet lightly degraded grassland of Huangcheng,moderate degraded grassland and severe degraded grassland,respectively;LDG3,MDG3 and SDG3,represent lightly degraded grassland of Tianzhu，moderate degraded grassland and severe degraded grassland,respectively. Different lowercase letters indicate significant differences in the same depth of soil layer in the same area at the 0.05 level. The same as below

2.2 土壤速效養(yǎng)分含量變化特征

祁連山不同退化程度高寒草地，康樂、皇城、天祝土壤速效養(yǎng)分含量變化特征如圖2所示。2018年不同退化草地土壤速效養(yǎng)分含量均呈隨土層加深而減小的趨勢，且各樣地間差異顯著(P<0.05)；2017年與2018年相較，土壤速效養(yǎng)分含量變化趨勢一致。在0～20，20～40 cm土層中，2018年各樣地土壤堿解氮含量均隨著退化程度加劇而減?。?017年與2018年相較，各樣地土壤堿解氮含量變化趨勢一致。在0～20 cm土層中，2018年各樣地土壤有效磷含量均隨著退化程度加劇呈先降低后升高；2017年與2018年相較，各樣地土壤有效磷含量均隨著退化程度加劇而減小。在20～40 cm土層中，2018年康樂和皇城試驗點有效磷含量均隨著退化程度加劇呈先降低后升高趨勢，天祝試驗點有效磷含量隨著退化程度加劇而減??；2017年與2018年相較，各樣地土壤有效磷含量均隨著退化程度加劇而減小。從總體來看，隨著退化程度的加劇，各樣地MDG和SDG同LDG樣地相比均表現(xiàn)為下降。2018年在0～20 cm土層中，MDG和SDG樣地的土壤堿解氮和速效磷相較于LDG樣地，分別平均降低25.52%，47.32%和21.83%，3.53%；在20～40 cm土層中，MDG和SDG樣地的土壤堿解氮和速效磷相較于LDG樣地，分別平均降低55.66%，77.35和24.37%，17.97%。

圖2 不同退化草地土壤速效養(yǎng)分含量變化特征(平均值±標(biāo)準誤，n=3)Fig.2 Variation characteristics of soil available nutrient content in different degraded grassland(mean±SE,n=3)

2.3 土壤生態(tài)化學(xué)計量比的變化特征

祁連山不同退化程度高寒草地，康樂、皇城、天祝土壤生態(tài)化學(xué)計量比變化特征如圖3所示。2018年在0～20 cm土層中，各試驗點土壤C/N(16.13～62.59)均隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢；康樂試驗點土壤C/P(136.14～166.46)隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，皇城試驗點土壤C/P(125.71～158.54)隨著退化程度的加劇呈升高趨勢，天祝試驗點土壤C/P(156.40～182.65)隨著退化程度的加劇呈降低趨勢；康樂和天祝試驗點土壤N/P(2.53～8.52)隨著退化程度的加劇呈先升高后降低趨勢，皇城試驗點土壤N/P(6.06～9.33)隨著退化程度的加劇呈升高趨勢。2017年同2018年相較，康樂和皇城試驗點土壤C/N均隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，天祝試驗點土壤C/N隨著退化程度的加劇呈升高趨勢；各試驗點土壤C/P與C/N變化趨勢一致；康樂試驗點土壤N/P隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，皇城和天祝試驗點土壤N/P隨著退化程度的加劇呈先升高后降低趨勢。2018年在20～40 cm土層中，康樂和天祝試驗點土壤C/N(9.42～89.88)均隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，皇城試驗點土壤C/N(14.58～22.16)隨著退化程度的加劇呈先升高后降低趨勢；各試驗點土壤C/P(43.30～207.50)隨著退化程度的加劇呈降低趨勢；康樂和天祝試驗點土壤N/P(1.68～5.86)隨著退化程度的加劇呈先升高后降低趨勢，皇城試驗點土壤N/P(4.36～6.65)隨著退化程度的加劇呈降低趨勢。2017年同2018年相較，康樂試驗點C/N隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，皇城試驗點土壤C/N隨著退化程度的加劇呈降低趨勢，天祝試驗點土壤C/N隨著退化程度的加劇呈升高趨勢；各試驗點土壤C/P與C/N變化趨勢一致；康樂試驗點土壤N/P隨著退化程度的加劇呈先降低后升高趨勢，皇城和天祝試驗點土壤N/P隨著退化程度的加劇呈降低趨勢。

圖3 不同退化草地土壤化學(xué)計量比變化特征(平均值±標(biāo)準誤，n=3)Fig.3 Variation characteristics of soil stoichiometry in different degraded grassland(mean±SE,n=3)

2.4 土壤環(huán)境肥力質(zhì)量綜合評價

由表2和表3可以看出，評價退化草地土壤環(huán)境肥力的指標(biāo)中，除有效磷指數(shù)外，其他單項肥力指數(shù)都表現(xiàn)為隨著退化程度的增加各試驗點環(huán)境單項肥力指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢；隨土層加深草地土壤環(huán)境單項肥力指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。連續(xù)兩年有效磷指數(shù)在不同退化草地中均達到良好(Pi>2)以上標(biāo)準；在LDG的0～20 cm土壤中有機碳、全氮、堿解氮指數(shù)均達到良好標(biāo)準；兩年不同退化草地土壤全磷指數(shù)均為極差標(biāo)準(除2017年LDG3 0～20 cm土層)。2018和2017年兩年中土壤環(huán)境綜合指數(shù)隨著退化程度的加劇整體呈現(xiàn)減小的趨勢(表3)，表現(xiàn)為：LDG>MDG>SDG。2017年土壤肥力質(zhì)量綜合排序為天祝縣抓喜秀龍鄉(xiāng)(1.07)>肅南縣康樂鎮(zhèn)(0.83)>肅南縣皇城鎮(zhèn)(0.81)，2018年順序為肅南縣康樂鎮(zhèn)(0.94)>天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)(0.93)>肅南縣皇城鎮(zhèn)(0.88)。整體兩年土壤肥力質(zhì)量綜合排序為：天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)(1.00)>肅南縣康樂鎮(zhèn)(0.89)>肅南縣皇城鎮(zhèn)(0.84)；隨時間推移MDG與SDG土壤環(huán)境綜合肥力系數(shù)表現(xiàn)出增加的趨勢，LDG則恰好相反。

表3 草地土壤環(huán)境單項肥力系數(shù)和綜合評價系數(shù)(Pi,1)Table 3 Comprehensive evaluation index and single fertility coefficient of grassland soil environment (Pi,1)

3 討論

草地植被退化會引起土壤發(fā)生相應(yīng)的變化，其中的變化機理復(fù)雜多樣，土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)的載體，是研究草地退化的基礎(chǔ)，但土壤養(yǎng)分受環(huán)境和人為等外界因子的影響較大[18,25-26]，因此在同一區(qū)域內(nèi)對退化草地土壤養(yǎng)分進行追蹤研究，并對草地土壤環(huán)境肥力綜合評價，有利于探究退化草地土壤養(yǎng)分特征和其時空變化規(guī)律。本研究發(fā)現(xiàn)，兩年(2017，2018年)中，土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮、有效磷含量均呈現(xiàn)出0～20 cm土層含量高于20～40 cm土層含量，這與姚喜喜的研究結(jié)果一致[27]。出現(xiàn)這一結(jié)果可能是因為高寒草地以草本植被為主，根系多聚集于0～20 cm土層中，使土壤養(yǎng)分來源主要集中于上層；同時地表植被和根系會阻止地表徑流的滲透；另外高寒草地降水量較少，根系富集的地表土壤富含束縛水、根系分泌物、微生物等，造成土壤表層養(yǎng)分含量相對較高。鄧燕[28]等研究發(fā)現(xiàn)草地退化會呈現(xiàn)出地上群落與土壤的同步退化，相對于地上植被的退化，土壤退化呈現(xiàn)一定的滯后性，表層土壤養(yǎng)分受到影響因素較多，下層相對較少，這與本研究在2018年20～40 cm土層中養(yǎng)分變化趨勢呈現(xiàn)結(jié)論一致；周麗[11]在祁連山天祝地區(qū)研究退化高寒草地土壤特性取得相似結(jié)論。本研究發(fā)現(xiàn)2017年土壤養(yǎng)分指標(biāo)含量都隨退化程度的加劇而減小，而2018年在20～40 cm土層養(yǎng)分指標(biāo)含量變化趨勢與2017年一致，在0～20 cm土層表現(xiàn)出差異：有機質(zhì)和有效磷含量表現(xiàn)出LDG>SDG>MDG，全磷呈現(xiàn)隨退化程度加劇而增加的趨勢；與2017年相比，2018年MDG、SDG土壤有機質(zhì)、有機碳、全氮、全磷都呈增加趨勢，LDG的0～20 cm土層中有機碳、全氮和全磷含量均呈現(xiàn)下降?？赡茉蚴峭寥鲤B(yǎng)分來源于土壤母質(zhì)礦化、植物分泌物和凋零物以及動物排泄物，在重度退化草地(SDG)中植被生物量小、蓋度低，植物對礦化和動物排泄的速效養(yǎng)分的吸收量減少，引起SDG土壤養(yǎng)分含量在地表隨退化強度加劇而增加。

土壤生態(tài)化學(xué)計量比能夠敏感的反應(yīng)出土壤有機質(zhì)的分解固持、氮磷素的礦化能力和關(guān)鍵養(yǎng)分的限制因子[29-32]。本研究發(fā)現(xiàn)，兩年中輕度、中度和重度退化草地土壤的C/N范圍分別為16.64～75.54,9.42～58.14和11.27～89.88，說明在重度退化草地中出現(xiàn)氮的礦化釋放降低[29-30]，與前文中得出的SDG氮素含量隨時間增加而積累的結(jié)論相印證。在兩年中不同退化草地土壤C/P范圍為56.06～182.65、57.39～184.28和43.30～207.50，在高寒草地中，不同退化程度草地中的碳磷比相對較高，這說明有機質(zhì)分解中有效磷素養(yǎng)分的含量減小，致使磷素成為高寒草地土壤養(yǎng)分的限制性因素[33]，由政[34]在退耕地植被演替過程化學(xué)計量比的變化研究中發(fā)現(xiàn)隨演替時間的增加碳氮比、碳磷比及氮磷比均呈增長趨勢，這與本研究結(jié)果相似。在兩年中不同退化草地土壤N/P范圍為2.53～8.38,2.96～8.52和1.68～9.33，隨時間的推移不同退化草地土壤C/P分別增加29.19%,34.09%,7.35%；由此可知，在輕度退化草地中，植物的生產(chǎn)力主要受磷素的影響，在中重度退化草地中，限制因子為氮素[31,34]，王建林[35]等研究發(fā)現(xiàn)青藏高原地區(qū)土壤氮磷比、土壤容重、含水量、速效鉀、全氮含量顯著相關(guān)，這與李海云2017年在本實驗區(qū)獲得結(jié)果相似，林麗[36]在高寒草地中研究發(fā)現(xiàn)土壤N/P的特征變化同草地退化演替過程具有較好的同步性，這與本研究結(jié)論類似。

土壤環(huán)境肥料綜合評價能夠較為客觀全面的對土壤肥力進行分類，本研究對祁連山兩年中土壤肥力質(zhì)量綜合排序為：天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)(1.00)>肅南縣康樂鎮(zhèn)(0.89)>肅南縣皇城鎮(zhèn)(0.84)，且綜合評價系數(shù)都表現(xiàn)為隨退化程度的加劇而減小的趨勢；隨時間推移MDG與SDG土壤環(huán)境綜合肥力系數(shù)表現(xiàn)出增加的趨勢，LDG相反；持續(xù)兩年祁連山土壤全磷肥料指數(shù)達到極差標(biāo)準(Pi<1)。這說明天祝地區(qū)土壤肥力高于祁連山其他地區(qū)，對植被的生長具有促進作用，也說明草地退化嚴重影響到土壤的肥力，磷素的欠缺普遍存在于祁連山地區(qū)。宋娟麗[37]對黃土高原草地土壤質(zhì)量特征及評價研究中發(fā)現(xiàn)土壤有機質(zhì)、物理性粘粒、CEC、速效鉀、脲酶及pH值指標(biāo)基本可以滿足土壤質(zhì)量評價的需要，本研究未對土壤鉀素進行研究，具有一定局限性，有待進一步研究。

4 結(jié)論

研究表明祁連山地區(qū)草地退化后，隨時間推移，土壤養(yǎng)分會出現(xiàn)一定積累，但整體退化趨勢不變；土壤退化與草地退化可能存在一定滯后性，且存在肥力的時空異質(zhì)性；土壤全磷含量可能是影響土壤肥力的關(guān)鍵因素；隨時間推移輕度退化草地的退化會加劇，需重視并采取合理措施保護。