不同措施下三江源區(qū)“黑土山”土壤治理效果分析

吳建麗，施建軍, 王曉麗，趙之重，王彥龍,王海波,賀有龍，李思瑤

(1.青海大學畜牧獸醫(yī)科學院/青海省畜牧獸醫(yī)科學院，青海 西寧 810016；2.青海民族大學，青海 西寧 810007；3.青海省果洛州草原工作站, 青海 果洛 8140003)

三江源區(qū)作為長江、黃河、瀾滄江的發(fā)源地，具有較高的調節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1]。該區(qū)域草地類型屬于高寒草甸類，該類型是維系水-土-草-畜-氣的重要草地生態(tài)系統(tǒng)[2]。在過度放牧、嚙齒類動物的活動、過度開墾農用地等的影響下[3]，草地生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴重的破壞，呈現出不同程度的退化現象。因此，采用適當、合理且有效的方式對該區(qū)域的草地進行治理勢在必行。目前，前人對該區(qū)退化高寒草甸的治理已經做過大量研究，并總結出了根據退化等級分級治理的模式，如輕度退化草地可采取圍欄封育、滅鼠、改變畜群結構和輪牧等措施，中度退化可采取施肥、補播等措施，以建植人工草地的方式治理重度退化草地[1，4-5]。董全民等[5]研究中以禿斑地面積和可食牧草比例為指標，將退化草地分為輕度、中度、重度、極度4個等級，并依據地形條件及工程治理的需求將極度退化草地分為三類，坡度7°以下為灘地，一般稱為“黑土灘”，7°≤坡度<25°為緩坡地，坡度≥25°為陡坡地，后兩類統(tǒng)稱為“黑土山”[5]。目前，有關退化草地的研究集中在“黑土灘”，而關于“黑土山”的研究尚在初期；此外，退化草地的治理往往以恢復植被為目標，忽略了“草地退化”不僅指草地生產生態(tài)功能和生態(tài)系統(tǒng)的退化，還包括其生存環(huán)境—土壤的退化[6]，尤其土壤中的氮磷元素往往是植被生長的限制性元素[7]，所以土壤的治理對退化草地的修復同樣具有重要意義。因此，在三江源區(qū)研究快速、有效改善土壤的措施意義重大。

退化草地土壤的主要特征為結構差、肥力下降、微生物活性降低[8-9]，因而采取適宜措施治理退化草地將從土壤理化性質、微生物等方面影響土壤質量，并且不同措施對土壤產生的干擾程度不同。團聚體是土壤結構的基本單元[10]，影響土壤的侵蝕、水分和養(yǎng)分的運輸、氣體交換等生態(tài)功能[11-12]。于雙[13]對寧夏荒漠草原淺翻、深翻和免耕播種的研究中發(fā)現淺翻下土壤團聚度較高，土壤較穩(wěn)定，抗侵蝕能力較強，朱建寧等[14]研究發(fā)現淺翻耕可以提高土壤含水量，伊斯拉依·達吾提[15]研究認為淺翻耕可以提高土壤孔隙度，而程科等[16-17]研究中免耕可以提高土壤表層大團聚體含量與穩(wěn)定性，相對于傳統(tǒng)翻耕，免耕、少耕可以改變土壤物理性質，有效的改善土壤結構。也有研究發(fā)現翻耕提高了有機碳、全氮、和全鉀的含量[13,18-19]，而全磷、速效磷含量在不同的研究中存在差異，其中李福的研究中全磷、速效磷含量在深翻、深松、重耙下增加了，張旭龍的研究中翻耕降低了全磷、速效磷含量[20-21]，而在免耕和深松保護性耕作下土壤養(yǎng)分提高了[22-23]。翻耕和免耕對微生物量的影響不同，陳武榮等[24]在喀斯特玉米地的研究中發(fā)現，相比于免耕，翻耕降低了微生物量碳含量，但唐先亮等[25]水稻地的研究中翻耕反而提高了微生物量碳氮含量。因此，耕作方式在水田和旱地產生的影響不同，尤其對微生物量的影響較大，劉子剛等[26]研究認為這與pH有關。雖然擾動對土壤的影響存在差異，但是，李洋陽等[27]對傳統(tǒng)耕作、深松耕、免耕覆蓋做了綜合性評價，認為免耕、深松等保護性耕作具有更高的生態(tài)效益和綜合效益，對土壤的恢復效果更好。

本次研究以青海省達日縣“黑土山”試點工程治理后的草地為研究對象，從治理后草地土壤的理化性質、微生物量入手，分析適宜且簡便可行的“黑土山”土壤治理技術，為高寒退化坡地的治理提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省果洛藏族自治州達日縣(99°40′～100°13′E，33°23′～33°40′N)，平均海拔4 000 m以上，年均氣溫-1.3℃，年平均降水量為540 mm，屬高寒半濕潤氣候。植被類型為高寒草甸類，原生植被主要以高山嵩草(Kobresiapygmaea)為主，全年牧草生長期120 d左右，土壤厚度不均且肥力較低。研究區(qū)由于氣候以及人為因素原生草甸發(fā)生退化，地面禿斑地比例≥80%，植物以毒雜草為主，處于重度退化階段，主要植物種類以黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)、蕨麻(Potentillaanserina)、白苞筋骨草(Ajugalupulina)、黃花綠絨蒿(Meconopsisgeorgei)等為主。

1.2 研究方法

退化草地在建植人工草地之前進行機械滅鼠處理，之后選擇不同機械進行翻耕、耙平的整地措施，耙平采用十字交叉耙平，以清除雜物和草根，然后選擇2種鄉(xiāng)土草種‘同德’短芒披堿草(Elymussibiricus‘Tongde’)和‘青?！莸卦缡旌?Poapratensis‘Qinghai’)在2019年5月20到6月20號之間按1∶1.22的比例進行混播，同德短芒披堿草實際播種量為每畝1.8 kg，發(fā)芽率達90%以上，‘青?！莸卦缡旌虒嶋H播種量為每畝2.2 kg，發(fā)芽率達80%以上，施每畝12 kg的磷酸二銨為底肥，底肥與種子混合播種，最后鎮(zhèn)壓并覆蓋無紡布以保證溫度和水分，由于土壤肥力低，次年以每畝10 kg的尿素為追肥，研究區(qū)圍欄封育，在建植當年至次年10月刈割之前完全禁牧，之后留茬3～5 cm刈割。試驗以試點工程實際采用的機械為主選取6種治理措施，MT1+MS：微耕機翻耕一遍+人工撒播；MT2+MS：微耕機翻耕兩遍+人工撒種；RT+SS：旋耕機旋耕+播種機播種；ED+MS：挖掘機開溝+人工條播；NT+S：免耕播種；MR+MS：人工耙翻+人工撒播。

試驗所在的工程區(qū)主要是半陰半陽坡，坡度以小于30°為主，依據不同區(qū)域所采取的措施不同的特點，選擇代表性的6種治理措施布設試驗監(jiān)測區(qū)。同一種治理措施的樣地選擇3塊作為重復，在每塊試驗地內隨機選取5個0.5 m×0.5 m的樣方，依據治理區(qū)情況試驗共選擇了18塊樣地。6種治理措施表1所示：

表1 樣地基本情況

1.3 土壤特征調查

2020年8月中下旬，在植被采集后的樣方內用直徑3.5 cm的土鉆分層取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm的土樣，每個樣方各土層取5鉆，同一土層的混合成一個土樣，共270份土樣，將每份土樣分成兩份，一份用于土壤理化特性測定，另一份置于冰盒帶回實驗室做土壤微生物量測定。

1.4 實驗方法

土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤含水量采用烘干稱重法測定；土壤團聚體采用濕法測定；有機碳使用水合熱法測定；全氮含量采用半微量凱氏定氮法-全自動不間斷化學分析儀測定；全磷含量采用鉬銻抗比色法-紫外可見分光光度計測定；土壤微生物量碳、氮、磷含量采用氯仿熏蒸提取法測定。

1.5 數據處理及統(tǒng)計分析方法

采用Microsoft Excel 2019軟件整理和分析數據，用Spss 20.0軟件對不同建植措施下的土壤進行單因素方差統(tǒng)計分析，用最小顯著差異檢驗進行檢驗，顯著水平為0.05。

2 研究結果

2.1 土壤物理特性

2.1.1含水量的變化 6種治理措施的土壤含水量隨土層加深不斷減小，但均不顯著，其中措施ED+MS各土層的土壤含水量最低(P<0.05)，措施NT+S各土層的土壤含水量最高(圖1)。0～10 cm土層中，措施ED+MS的土壤含水量比措施MT1+MS、MT2+MS、RT+SS、NT+S、MR+MS分別降低了43.63%，47.01%，32.49%，55.97%，51.25%；10～20 cm土層中，措施NT+S的土壤含水量比措施ED+MS提高了57.00%；20～30 cm土層中，措施ED+MS的土壤含水量比措施NT+S降低了66.26%。

圖1 不同治理措施對土壤含水量的影響

2.1.2容重的變化 6種治理措施的土壤容重隨土層加深不斷增大，但均不顯著，在各土層中措施ED+MS的土壤容重最高(P<0.05)，措施NT+S、MR+MS的容重較低(圖2)。0～10 cm土層中，措施ED+MS的土壤容重比措施NT+S高出了52.44%；10～20 cm土層中，措施ED+MS的土壤容重比措施NT+S高出50.17%；20～30 cm土層中，措施ED+MS的土壤容重比措施MR+MS高56.40%。

圖2 不同治理措施對土壤容重的影響

2.1.3水穩(wěn)性團聚體質量百分數的變化 土壤水穩(wěn)性團聚體即粒徑≥0.25 mm的顆粒組成的團聚體，水穩(wěn)性團聚體含量越高，土壤結構越穩(wěn)定[28]。6種治理措施下，同一措施不同土層的土壤水穩(wěn)性團聚體質量百分數雖有差異，但均不顯著(圖3)。

圖3 不同治理措施對水穩(wěn)性團聚體質量百分數的影響

在0～10 cm土層，水穩(wěn)性團聚體質量百分數在措施NT+S最高(P<0.05)，措施ED+MS最低，措施NT+S的水穩(wěn)性團聚體質量百分數比措施ED+MS提高了41.24%；10～20 cm土層，措施MT1+MS的水穩(wěn)性團聚體質量百分數最高，但6個措施的水穩(wěn)性團聚體質量百分數之間不顯著，其中措施ED+MS下最低，比措施MT1+MS降低了34.39%；在20～30 cm土層，措施MT1+MS的土壤水穩(wěn)性團聚體質量百分數最高，但6種措施間差異不顯著，其中，措施ED+MS的土壤水穩(wěn)性團聚體質量百分數最低，比措施MT1+MS降低了25.49%。

2.2 土壤化學特性

2.2.1有機碳含量變化 土壤有機碳含量影響土壤的養(yǎng)分循環(huán)，進而影響土壤的肥力和生產力[29]。不同治理措施下土壤有機碳含量隨土層加深不斷減小，措施NT+S有機碳含量在各土層中均最高(圖4)。0～10 cm土層，有機碳含量在措施NT+S最高為22.65 g·kg-1(P<0.05)，措施MR+MS的有機碳含量最低(P<0.05)，比措施NT+S降低48.75%；10～20 cm土層，措施MT2+MS的有機碳含量最低為6.23 g·kg-1(P<0.05)，比措施NT+S低了11.00 g·kg-1；20～30 cm土層，有機碳含量在措施NT+S最高為17.01 g·kg-1(P<0.05)，在措施MT1+MS、MT2+MS下較低，分別比措施NT+S降低了65.32%，66.86%。

圖4 不同治理措施下土壤有機碳含量變化

2.2.2全氮含量變化 氮是植物生長發(fā)育的必需元素，對植被的產量和品質起重要作用[30]。不同治理措施下土壤全氮含量隨土層加深不斷減小，措施NT+S各土層間全氮含量最高，措施ED+MS各土層間全氮含量最低(圖5)。0～10 cm土層，措施NT+S的全氮含量比措施ED+MS高48.69%；10～20 cm土層，措施ED+MS的全氮含量比措施NT+S降低了88.44%；20～30 cm土層，措施MT1+MS，NT+S，MR+MS的全氮含量比措施MT2+MS，RT+MS，ED+MR較高，措施NT+S的全氮含量比措施ED+MS提高了1.07%。

圖5 不同治理措施下土壤全氮含量變化

2.2.3全磷含量變化 土壤中的磷元素是植被生長的限制性元素之一，對生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產力、氮固定、碳儲存具有重要的作用[31]。不同治理措施下土壤全磷含量隨土層加深不斷減小，各土層措施NT+S的全磷含量最高(P<0.05)(圖6)。0～10 cm土層，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS間差異不顯著，措施ED+MS的全磷含量最低，比措施NT+S降低了19.56%；10～20 cm土層，措施RT+SS和ED+MS下較低，比措施NT+S分別降低了18.20%，19.17%；20～30 cm土層，措施ED+MS下土壤全磷最低(P<0.05)，比措施NT+S降低了28.97%。

圖6 不同治理措施下土壤全磷含量變化

2.3 土壤微生物量碳氮磷含量

2.3.1微生物量碳含量變化 不同治理措施下土壤微生物量碳含量隨土層的加深不斷降低，各土層土壤微生物量碳含量在措施NT+S最高(P<0.05)(圖7)。0～10 cm土層，微生物量碳含量在措施ED+MS、MR+MS較低，比措施NT+S分別降低了81.96%，85.86%；10～20 cm土層，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS間差異不顯著，措施RT+SS的微生物量碳含量最低，比措施NT+S降低了1.01%；20～30 cm土層，土壤微生物量碳含量在措施ED+MS和MR+MS下較低，比措施NT+S分別降低了1.01%，1.03%。

圖7 不同治理措施下土壤微生物量碳含量變化

2.3.2微生物量氮含量變化 不同治理措施下土壤微生物氮含量隨土層的加深不斷降低，各土層土壤微生物量氮含量在措施NT+S最高(P<0.05)(圖8)。0～10 cm土層，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS間差異不顯著，其中措施RT+SS的微生物量氮含量比措施NT+S降低了1.14%；10～20 cm土層，土壤微生物量氮含量在措施MT2+MS，RT+SS，MR+MS較低，分別比措施NT+S降低了1.12%，1.32%，1.02%；20～30 cm土層，土壤微生物量氮含量在措施MT2+MS和MR+MS下較低，比措施NT+S分別降低了81.60%，1.18%。

圖8 不同治理措施下土壤微生物氮含量變化

2.3.3微生物量磷含量變化 不同治理措施下土壤微生物磷含量隨土層的加深不斷降低，0～10 cm、10～20 cm土層土壤微生物量磷含量在措施NT+S最高(P<0.05)(圖9)。0～10 cm土層，措施MT2+MS的微生物量磷含量最低，比措施NT+S降低11.51%%；10～20 cm土層，土壤微生物量磷含量在措施RT+SS最低(P<0.05)，比措施NT+S降低了5.67%；20～30 cm土層，土壤微生物量磷含量在各措施均不顯著，其中措施NT+S下最高，措施MR+MS下最低，比措施NT+S降低了68.00%。

圖9 不同治理措施下土壤微生物量磷含量變化

3 討論

土壤水分是植被吸收水分的主要方式，受降水、植被、利用方式[32]和擾動方式的影響。在本次研究中0～30 cm土層中，土壤含水量隨土層加深不斷降低，這與前人的研究結論一致。這可能與降雨有關[33]，采樣時間為8月中后旬，剛好是當地的雨季，因此表層的土層含水量可能較高，但同樣由于當地的蒸發(fā)量大，所以表層含水量雖高，但差異不顯著。也有可能與植被也有關[34]，治理后的草地植被蓋度增大，蒸發(fā)量相對降低，進而表層的含水量較高。本文中挖掘機開溝條播的措施下，草地土壤含水量在各土層中顯著最低，這可能與不同的治理措施造成的擾動大小不同有關[35]。挖掘機體型大，自重高，在開溝播種的同時也碾壓了地表，使土壤變得更緊實，土壤內部空間更小，導致水分下滲的作用下降；免耕播種下土壤的含水量在各土層中最高，這與鄭洪兵等多人的研究結果一致[35,36-38]，相對于翻耕，免耕播種時土壤含水量更高。張川的研究中土壤含水量與容重呈極顯著負相關，即單位體積下含水量越高，容重就越小[39]。免耕播種有利于大團聚體的形成，這與張祥彩等的研究結論一致[40]；微耕機作業(yè)一遍時水穩(wěn)團聚體含量較高，這與植被的恢復有關，而植被恢復可反作用在土壤上，進而促進土壤大團聚體的形成，大量研究發(fā)現不管在黃土丘陵區(qū)或沙化較嚴重地帶植被恢復可以改善土壤結構[12,41]。另一方面，與微耕機作業(yè)兩遍比較，對比明顯，也說明了適當的翻耕有助于土壤大團聚體的形成，而當翻耕兩遍時，對上層土壤的擾動強度較大，表層土壤中的水穩(wěn)團性聚體被破壞，與賈映蘭的研究一致[42]；挖掘機作業(yè)下，各土層水穩(wěn)團聚體含量均最低，這可能是由于挖掘機開溝播種時土壤含水量小、容重大，土壤環(huán)境限制了團聚體形成[43]。

土壤有機碳、全氮和全磷通常被認為是衡量土壤基礎肥力的指標[44]，同樣土壤中的碳、氮、磷也是植被獲取養(yǎng)分的主要來源，對植物的生長及生理活動具有重要作用。土壤養(yǎng)分含量均在表層最高，并隨土層的加深不斷減小，表明土壤養(yǎng)分來源于補播時施的肥和植被對土壤的回饋[18]。土壤有機碳在微耕機翻耕兩遍時在10～30 cm土層最低，人工耙地播種時在表層最低，這可能和翻耕有關，武均等人認為翻耕會破環(huán)土壤中的大團聚體，使有機質發(fā)生礦化作用而損失，擾動越大，有機碳損失越高[45]；另外一種可能是翻耕使土壤中的有機質暴露在外，使有機質不斷被風力或水力侵蝕損失[46]，有研究表明風蝕具有降低土壤有機質、全氮、全磷的特征[47]；同理，有機碳、全氮、全磷含量在免耕播種時最高，有研究認為相比于傳統(tǒng)翻耕，免耕播種反而能改善土壤結構，提高土壤養(yǎng)分含量[44,48]。

土壤微生物量指土壤中生活的全部微生物總量，主要包括細菌、真菌、藻類和原生動物等[49]。土壤微生物量是土壤活性養(yǎng)分的儲存庫，對周圍環(huán)境的變化反應極其敏感[50]。土壤微生物量碳氮磷均在表層最高，并隨土層加深不斷降低，這是由于表層水、肥、氣、熱條件好，又有表層的凋落物或動物殘體的分解周轉，促進微生物的生長繁殖，增加了表層微生物量，這與楊佳佳等人的研究結果一致[51]。免耕播種對土壤的擾動小，對草地植被破壞程度低，使免耕播種相比于其他播種方式下積累了較多的動植物殘體在地表，這些殘體經分解后使表層土壤的微生物量增加了[52-53]；另一方面，擾動小的土壤環(huán)境中微生物群落較為穩(wěn)定[54]，有利于微生物量的積累，本研究中微生物量碳氮磷含量均在免耕播種下最高。土壤水分可以影響微生物的活性，對分解一些化合物的能力產生抑制作用[55]，且與微生物量呈正相關[56]。微生物量碳含量在挖掘機開溝播種和人工耙地播種下較低，前者是因為碾壓使土壤緊實，容重增大，土壤孔隙度減小，氣體交換受阻，含水量較小，導致微生物的活性下降，微生物量碳含量減少，后者是因為全人工作業(yè)下，植被蓋度和地上生物量低，回饋到土壤中的植物殘體少，進而微生物量碳含量低。

本文基于三江源區(qū)地理位置特殊，氣候惡劣，土層薄、養(yǎng)分低，缺乏技術和牧草播種機具的現狀，結合三江源二期工程建設做了本次研究，本次研究中雖然不同程度的干擾對土壤的理化性質、微生物量的影響存在差異，但免耕播種時土壤水穩(wěn)性團聚體含量、養(yǎng)分含量和微生物量均較高，說明以免耕播種的方式治理退化高寒坡地是可行的。土壤特征和微生物的變化是一個長期的變化過程，并且治理措施對其的影響還涉及到植被-土壤之間的改變，尤其治理3年后植被群落對土壤侵蝕的影響是非常重要的部分，因此，后期將進一步研究6種措施對土壤的改善以及侵蝕情況。

4 結論

本研究通過對土壤物理性質、養(yǎng)分以及微生物量碳氮磷含量的分析發(fā)現，在免耕播種時土壤的恢復效果最好。因此，免耕播種可有效改善高寒退化坡地。