東祁連山山地草甸土壤物理性質(zhì)對微量元素含量和退化程度的響應(yīng)

關(guān)鍵詞：東祁連山;山地草甸;土壤;微量元素;植被;退化

祁連山位于青藏高原，蒙新高原和黃土高原的交匯處，是全球氣候變化最為敏感的區(qū)域[1]，也是西北地區(qū)的重要生態(tài)安全屏障[2]，具有涵養(yǎng)水源、維護(hù)生態(tài)平衡等重要作用。草地作為祁連山地區(qū)最大的生態(tài)系統(tǒng)，是祁連山生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分之一[3]。近幾年，由于氣候變暖、區(qū)域氣候變化、人為破壞、保護(hù)措施落后等原因，祁連山地區(qū)的草地生態(tài)環(huán)境受到了嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致草地退化，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4]。草地退化在地上主要表現(xiàn)為物種數(shù)減少、多樣性下降、生物量降低等[5]。土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的匱乏并不會直接造成植物的死亡，導(dǎo)致植物死亡的重要因素是土壤物理特性的改變，即草地退化引起草地土壤的退化，進(jìn)而使土壤物理特征發(fā)生變化，最終影響植物的生長發(fā)育[8]。在高寒草原退化過程中，地上植被會退化，土壤和植物中微量元素含量也隨之降低[12]。因此，研究草地退化對土壤性質(zhì)的影響具有重要意義。

土壤的物理性質(zhì)包括土壤的結(jié)構(gòu)狀況、持水性能、持水能力及水滲透能力[12]，而土壤孔隙度對水的入滲率和儲存量有直接的影響，是一種對土壤結(jié)構(gòu)性特征進(jìn)行評估的重要因子[14]。另外，微量元素也是植物生長發(fā)育好壞的主要指標(biāo)之一，它的活性狀態(tài)對農(nóng)作物的生長、代謝、產(chǎn)量、品質(zhì)和人體的健康都起著重要的作用[15]，土壤微量元素Mg，Zn，Cu和Mn與草地植被關(guān)系密切且在一定程度上影響著草地植被狀況[1]，當(dāng)植物體內(nèi)缺Mn時，光合作用就會受到抑制，從而造成光合產(chǎn)物的減少和干物質(zhì)的蓄積[16];缺Mo會顯著降低冬小麥的葉綠素含量，并造成其組織結(jié)構(gòu)的畸形，造成基粒的發(fā)育不全，表現(xiàn)為葉片黃化和光合作用減弱[17];Co也能改善植物對脅迫的抗性，如抗旱，病蟲害，低溫等[18];Se、Zn為人體必需微量元素，土壤中Se、Zn通過生物地球化學(xué)作用對區(qū)域人體健康構(gòu)成影響[19]。退化草地的微量元素銅、鋅含量比較缺乏[20]。近些年，對土壤微量元素特征分析的研究越來越多，梁婷等[21]發(fā)現(xiàn)隨著退化程度的加劇，F(xiàn)e、Mn、Cu、Mo含量在優(yōu)勢植物及其土壤體系內(nèi)總體增加，Zn總含量變化呈“U”形。肖海龍等[16]分析發(fā)現(xiàn)，隨著高寒草原退化的加劇，土壤中微量元素的含量均呈下降趨勢。李強(qiáng)等[22]研究表明海拔顯著影響著高寒草甸土壤微量元素的分布，高寒草甸土壤管理過程中應(yīng)該關(guān)注微量元素Mo和Fe。

祁連山的山地草甸是以中生植物為主組成的群落，其生長環(huán)境是山區(qū)溫帶氣候，海拔較高，溫度較低，蒸騰較少，對保持植被群落結(jié)構(gòu)、保證生態(tài)系統(tǒng)功能方面起到了重要作用[23]，近年來，對草地退化的研究大多集中于高寒草甸和高寒草原等草地類型[24]，對山地草甸退化中土壤物理性質(zhì)與土壤微量元素的含量變化關(guān)系研究較少，因此，本文擬選取祁連山東段天?？h山地草甸為研究區(qū)域，通過探究不同退化程度山地草甸土壤物理性質(zhì)及微量元素含量的變化，來揭示山地草甸土壤物理性質(zhì)是否影響土壤微量元素含量，為精準(zhǔn)分析微量元素的變化狀況剔除影響因子。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于甘肅省天?？h的抓喜秀龍鎮(zhèn)境內(nèi)（37°40'N，102°32'E）的山地草甸，地勢西北高東南低，海拔在2878～3425m 之間，地勢較平坦。年平均光照時間大約為2500～2700h，日溫度和溫度垂直變化顯著，季節(jié)變化小。年降水量約400mm 左右，年蒸發(fā)約1600mm 左右，降水多集中于7—9月，屬于大陸性半干旱區(qū)，無絕對的無霜期，土壤類型主要為山地暗栗鈣土，從東南到西北植被的橫向分布呈下降趨勢，大致可劃分為森林、灌叢、草原和荒漠4個地帶，分布在此地的地面植被群落主要由中生植物植被構(gòu)成。

1.2 樣地選擇和樣品采集

綜合考慮植被和土壤的各個指標(biāo)，根據(jù)草地退化程度劃分的評價標(biāo)準(zhǔn)（BG19377-2003），選取未退化（Non degraded grassland，MND）、輕度退化（Lightly degraded grassland，MLD）、中度退化（Moderatelydegradedgrassland，MMD）和重度退化（Severelydegradedgrassland，MHD）山地草甸。

于2022年7—8月植物生長旺盛期，分別在以上4個典型樣地（不同退化樣地間距離為100m 內(nèi)）中，按照隨機(jī)性和代表性的原則在每一個梯度范圍之內(nèi)的同海拔高度（3000左右相差小于5m）處布置5個2m×2m 的大樣方，在每一個大樣方之內(nèi)分別按對角線設(shè)3個50cm×50cm 的小樣方（圖1），每個樣地做15個重復(fù)樣本，去除表面的枯落物之后，用環(huán)刀隨機(jī)鉆取兩份0～10cm 的土壤樣本，將樣本按照編號裝袋，將其帶回到實(shí)驗(yàn)室陰干，用于測定其物理性質(zhì)（容重、含水量、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度）和微量元素含量。

四個退化梯度樣地蓋度、高度、生物量和優(yōu)勢種調(diào)查結(jié)果見表1。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 土壤物理性質(zhì)的測定 土壤容重和含水率測定：將采集的原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室，稱重（鮮土+環(huán)刀重）為M0，放置在烘箱，105℃烘至恒重，稱重（干土+環(huán)刀）為M1，去掉干土后將環(huán)刀稱重為M2。土壤容重和土壤含水量計算公式[25]為：

土壤容重（g·cm3）=（M1—M2）/100

土壤含水量（%）=（M0—M1）/（M1—M2）×100%

土壤毛管持水量、飽和持水量和田間持水量測定：參考《土壤物理性質(zhì)測定方法》[25]。采集的原狀土帶回實(shí)驗(yàn)室后，將環(huán)刀有孔的一端垂直向下，放置在一鐵盤（鐵盤深度為8～10cm）中，向鐵盤中加入蒸餾水，使蒸餾水緩慢的上升至環(huán)刀上沿，浸泡12h，浸泡過程中補(bǔ)加蒸餾水，稱重M3（土壤飽和含水量），將環(huán)刀（環(huán)刀方向不能倒轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)移至平鋪的干砂砂盤上，放置2h，稱重M4（毛管持水量）;然后繼續(xù)放置24h，稱重M5;最后，將環(huán)刀轉(zhuǎn)移至烘箱，105℃烘至恒重，稱重（M6），將干土去掉，環(huán)刀稱重（M7）[26]。

非毛管孔隙度=（飽和持水量-毛管持水量）×土壤容重

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重

總孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

1.3.2 土壤微量元素的測定 使用氫氟酸-濃鹽酸-濃硝酸（1∶1∶3）進(jìn)行消煮，并用原子吸收光譜法、石墨爐測定土壤樣品中鋅（Zn）、鈷（Co）、鎂（Mg）、錳（Mn）、銅（Cu）、鈣（Ca）、硒（Se）、鉬（Mo）和鐵（Fe）含量[27]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)，利用MicrosoftExcel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，并用SPSS24.0、R語言和Canoco5.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度山地草甸土壤物理性質(zhì)

隨著退化程度的加劇，土壤容重呈先升高后降低的趨勢，在MND 處為最低（圖2A），MMD 的土壤容重顯著高于MLD 和MHD，MLD 和MHD 顯著高于MND（P lt;0.05），與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的土壤容重分別增加15.38%，40.41%和15.38%;土壤含水量先降低后升高，在MMD處為最低（圖2B），總趨勢均為下降，MND的土壤含水量顯著高于MLD，MHD 顯著高于MLD，MLD顯著高于MMD（P lt;0.05），與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的土壤含水量均減少39.47%，54.22%和27.60%;土壤總孔隙度持續(xù)下降，在MHD處為最低（圖2C），MND的土壤總孔隙度顯著高于MLD，MLD 顯著高于MMD 和MHD（Plt;0.05），與MND相比，MLD、MMD和MHD的土壤總孔隙度均減少16.69%，31.45%和31.97%。

隨退化程度的加劇，土壤非毛管孔隙度先升高后降低，在MND 處最小3.05%，與MND 相比，MLD、MMD和MHD的土壤非毛管孔隙度均升高92.50%，49.56%和8.80%;而毛管孔隙度的趨勢先降低后升高，在MMD最小37.54%，MLD、MMD和MHD的毛管孔隙度均降低22.39%，36.26%和34.13%（圖3）。

隨退化程度的加劇，土壤飽和持水量先降低后升高，總體趨勢為降低，在MMD 處最低為45.84，與MND相比，MLD、MMD和MHD的土壤飽和持水量均減少21.84%，46.94%和37.85%;土壤毛管持水量先降低后升高，總體趨勢為降低，在MMD處為最低40.61，與MND 相比，MLD、MMD 和MHD的土壤毛管持水量均減少26.45%，49.75% 和38.24%;田間持水量先降低后升高，總的趨勢為降低，在MMD 處最低為35.99%，與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的田間持水量均減少26.93%，50.65%和41.22%（圖4）。

2.2 不同退化程度山地草甸土壤微量元素

隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤Zn，Mn和Ca含量不斷降低，土壤Co，Cu和Mo含量先升高后降低，土壤Mg含量先降低后又升高，土壤Fe含量先降低后升高再降低，土壤Se含量不斷升高（圖5）。隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤Zn，Mn和Ca含量整體降低，土壤Se，F(xiàn)e，Mg，Mo，Cu和Co含量整體升高。

2.3 山地草甸土壤物理性質(zhì)與微量元素含量的關(guān)系

相關(guān)性分析表明（表2），土壤容重與土壤Mn呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Ca呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05）;土壤含水量與土壤Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05）;土壤飽和持水量與土壤Se和土壤Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Zn、土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01）;土壤毛管持水量與土壤Zn呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Se和土壤Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01）;土壤田間持水量與土壤Zn呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（P lt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與土壤Se呈極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）;毛管孔隙度與土壤Zn呈顯著正相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與土壤Se和土壤Mo呈極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）;總孔隙度與土壤Zn和Mn呈顯著正相關(guān)（P lt;0.05），與土壤Mo呈顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.05），與土壤Ca呈極顯著正相關(guān)（Plt;0.01），與土壤Se呈極顯著負(fù)相關(guān)（Plt;0.01）。

土壤物理性質(zhì)與微量元素RDA分析結(jié)果表明，前兩軸土壤微量元素對土壤物理性質(zhì)的解釋率為80.69%和15.71%，累計解釋率為96.40%，具有生物統(tǒng)計學(xué)意義，即前兩軸可較完全地反映土壤物理性質(zhì)與土壤微量元素之間的信息（圖6）。土壤飽和含水量、總孔隙度、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度與土壤Ca、Zn、Mg和Mn含量呈顯著正相關(guān);土壤容重和土壤非毛管孔隙度與土壤Mo和Cu含量呈顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 不同退化程度山地草甸土壤的物理特征

土壤中部分物理性質(zhì)制約土壤肥力水平，良好的土壤物理性質(zhì)有利于植物扎根和根系的延伸，同時土壤物理性質(zhì)也與土壤的化學(xué)性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)關(guān)系密切[28]。通過有效改善土壤物理性質(zhì)，如降低土壤容重、增加土壤含水量等，可以改變土壤化學(xué)性質(zhì)、加強(qiáng)土壤微生物活動、提高酶活性、增加土壤微量元素含量[29]。土壤容重越小，孔隙度越大，說明土壤發(fā)育良好，有利于水分的保持和滲透[30]。本研究表明，隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤容重呈先升高后降低的趨勢，在MND處最低，即未退化土壤容重最小，與范燕敏[31]的研究結(jié)果一致。陳奇樂等[32]對張北壩上地區(qū)不同退化程度草地的研究結(jié)果表明，土壤容重在MMD和MHD顯著增大，土壤總孔隙度和土壤含水量在MMD 和MHD 顯著減小。而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤總孔隙度一直降低，在MHD 處最低，而土壤含水量先降低后升高，在MMD處最低，總趨勢均為下降，這可能是草地類型不同導(dǎo)致[33]。蘇世鋒等[34]對黑河源區(qū)的單播和混播栽培草地的研究發(fā)現(xiàn)，土壤毛管孔隙度表現(xiàn)為MND最大，顯著高于其他草地，本試驗(yàn)中土壤非毛管孔隙度先升高后降低，在MND處最小，而毛管孔隙度的趨勢則恰恰相反，在MLD處最小，不一致的原因是研究區(qū)地域不同導(dǎo)致[35]。魏強(qiáng)等[36]對黃河上游瑪曲5種不同退化高寒草地土壤物理特性的研究結(jié)果表明，田間持水量隨草地退化程度的加劇先增加后減小，而本試驗(yàn)的土壤毛管持水量先降低后升高，在MMD 處為最低，總的趨勢為降低，土壤飽和持水量和田間持水量的變化規(guī)律與土壤飽和持水量變化基本類似均在MMD 處為最低，原因可能由于地域差異以及地面生長植物種類不同導(dǎo)致[35]。

3.2 不同退化程度山地草甸土壤的微量元素

土壤母質(zhì)與土壤中微量元素含量密切相關(guān)，山地草甸的退化，會對土壤的理化特性造成一定的影響，且會導(dǎo)致微量元素在土壤中的分布和含量發(fā)生變化[37]。土壤微量元素在生物體內(nèi)一系列的物質(zhì)代謝中發(fā)揮著關(guān)鍵的生理生化作用，這些元素直接參與到生物體的新陳代謝中，在植物生長發(fā)育中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用[38-39]。本研究表明，隨著退化程度的加劇，土壤Zn，Mn和Ca含量下降，而Se，F(xiàn)e，Mg，Mo，Cu和Co含量整體呈升高的趨勢，其中Fe和Mo的含量變化與陳利云等[40]對豆科植物根際微量元素含量的研究結(jié)果一致，原因是退化程度越大地表植被越少對其利用的也少，導(dǎo)致其未消耗含量較多;Fe和Cu含量變化與李天才等[41]對青海湖北岸退化和封育草地土壤與優(yōu)勢植物中的4種微量元素的特性分析研究結(jié)果也一致，但是土壤Zn和Mn含量變化不一致，這可能是由于地域以及時空條件所致。土壤Zn含量變化與馬玉壽等[42]通過對三江源區(qū)“黑土型”退化草地研究一致，但是土壤Cu、Se和Mo等含量變化與其不一致，這可能是由于研究土壤類型不同所導(dǎo)致。土壤Ca和Mg含量變化與鄒麗娜等[43]通過對瑪曲草地的研究一致。

3.3 山地草甸土壤物理性質(zhì)與微量元素之間的關(guān)系

通過有效改善土壤物理性質(zhì)，如降低土壤容重、增加土壤含水量等，可以改變土壤化學(xué)性質(zhì)、加強(qiáng)土壤微生物活動、提高酶活性、增加土壤微量元素含量[44]。近年來對于土壤物理性質(zhì)變化特征與微量元素之間的關(guān)系的研究較少，F(xiàn)ei等[45]研究發(fā)現(xiàn)土壤質(zhì)地對于微量元素有影響。武妙等[46]分析土壤中主要微量元素與土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)的關(guān)系。熊凱[47]研究表明土壤微量元素間接與土壤水分物理性質(zhì)之間呈現(xiàn)普遍的極顯著相關(guān)關(guān)系。而本試驗(yàn)得出土壤飽和含水量、總孔隙度、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度顯著影響土壤Ca、Zn、Mg和Mn含量;土壤容重和土壤非毛管孔隙度顯著影響土壤Mo和Cu含量。

4 結(jié)論

退化程度顯著影響著東祁連山山地草甸部分土壤物理性質(zhì)以及土壤微量元素的分布，而土壤微量元素又受到部分土壤物理性質(zhì)的影響，因此建議在未來考慮土壤微量元素的變化時將土壤物理性質(zhì)的變化剔除，使得測得的土壤微量元素的變化值更加符合實(shí)際應(yīng)用。