巴音布鲁克高寒草原不同退化阶段土壤养分的变化

阿依敏·波拉提，安沙舟，董乙强，张爱宁，杨 娇

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐830052)

巴音布鲁克高寒草原不同退化阶段土壤养分的变化

阿依敏·波拉提，安沙舟，董乙强，张爱宁，杨 娇

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐830052)

【目的】研究巴音布鲁克高寒草原退化草地土壤理化性状、土壤养分特征，为退化草地合理利用提供理论依据。【方法】采用常规土壤理化性质测定方法，对巴音布鲁克高寒草原退化草地土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾、土壤水分及容重等特征进行分析。【结果】随着草地退化程度的加剧，土壤各层(0～30 cm)有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷、含水量均呈下降趋势;而容重和pH值呈增加趋势;与未退化草地相比，重度退化草地土壤各层(0～30 cm)有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和含水量分别降低了25.22%～31.96%、37.69%～48.44%、28.00%～30.24%、35.53%～52.47%、33.89%～44.84%和35.44%～57.62%;重度退化草地20～30 cm土层速效钾含量显著高于未退化草地，是未退化草地的1.96倍;全钾含量对退化程度的响应不明显(P＞0.05)。【结论】巴音布鲁克高寒草原不同退化草地土壤养分含量明显下降。

退化演替;高寒草原;土壤养分;有机碳;巴音布鲁克

0 引言

【研究意义】我国拥有各种类型的草地4×108hm2，是当地发展草食家畜的主要生产资料，广大牧民的经济活动迄今为止仍然主要依赖于草地［1］。随着人口的不断增加和现代工、农业文明的冲击，草地生态系统遭遇到前所未有的破坏，其中90%以上的草地出现不同程度的退化［2］;从草地经营学角度而言的草地退化是指草地生产力降低、质量下降和生境变劣等，这一切都是不利于草地生产的过程［3］。高寒草原是高寒、干旱条件下由耐寒的多年生旱生草本植物构成的草地生态系统，是我国面积最大的一个草地类型。然而，在全球气候变化，特别是在人类活动日益频繁的背景下，高寒草原已遭到不同程度的干扰和破坏［4］。巴音布鲁克草原位于开都河源流区，拥有高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原、山地草甸和沼泽化高寒草甸等草地类型，这些草地不仅是该地区畜牧业发展的物质基础，同时在涵养水源、保持水土等方面起着重要作用，也对整个塔里木河流域的生态安全和新疆经济发展起到举足轻重的作用。然而由于自然条件和经营管理问题，巴音布鲁克草原退化极其严重，退化草地占可利用草地的49.2%［5］，超载放牧导致该地区出现草地退化、土壤沙化、害草蔓延等一系列的生态问题［6］。土壤作为草地生态系统中生命活动的主要场所，对草地植被的生长发育起着极其重要的作用，土壤养分含量直接影响到草地植被的恢复生长和演替，而其物理性状是反映土壤质量的主要参数和重要组成部分［7－8］。因此，对退化草地土壤理化性质的监测，可以更加深入地理解草地退化和恢复程度。【前人研究进展】近年来针对退化草地的土壤养分影响，开展了大量研究。如周翰舒等［9］研究表明，随着草地的退化，土壤有效磷和微生物数量有所降低;字洪标等［10］研究表明，不同退化演替过程中的高寒草甸土壤理化性质分布格局发生变化，土壤容重随土层深度的增加而增大，而土壤含水量则随土层的加深而显著降低，土壤总氮、全磷、速效磷、速效钾随土层深度的增加而显著降低;王彩虹等［11］研究发现，不同退化阶段的伊犁绢蒿荒漠草地土壤有机质含量随着草地退化的加剧而增加。【本研究切入点】以最具典型性的巴音布鲁克草原中的高寒草原类型为研究对象，在不同退化演替过程中，对土壤理化性状、土壤养分等特征进行分析，寻找不同退化过程中巴音布鲁克高寒草原土壤养分成分的变化规律。【拟解决的关键问题】巴音布鲁克高寒草原草地退化后，判断不同退化阶段草地与土壤养分的关系，为草地改良和生态恢复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究选取新疆地区具有代表性的高寒草原—巴音布鲁克草原，该地段位于和静县境内，由小尤尔都斯盆地和大尤尔都斯盆地组成，位于42°40'～43°10'N，83°10'～85°50'E，平均海拔2 502 m。多年平均降水量280.5 mm，年均气温－4.2℃，全年积雪日数137 d，属典型的高寒气候。土壤类型为亚高山草原土。研究区为典型紫花针茅(Stipa purpurea)+羊茅(Festuca ovina)的高寒草原类型，草地群落种类较丰富，群落总盖度约50%，主要物种有紫花针茅、羊茅、冰草(Agropyron cristatum)、溚草(Koeleria cristata)、天山赖草(Leymus tianschanicus)、绢毛委陵菜(Potentilla sericea)、点地梅(Androsace sp.)等。其中紫花针茅为群落的绝对优势种。

1.2 方法

1.2.1 样地选取

研究采用完全随机试验设计，根据草地退化4级梯度标准［12］，将研究区草地划分为4个演替阶段:未退化(ND)、轻度退化(LD)、中度退化(MD)和重度退化(HD)，并在4个演替阶段草地上，设置22个样地，每个样地选取三个1 m×1 m的样方取样，样地间距大于5 km(取样合计108个小样方)。

1.2.2 测定指标

于2015年8月进行野外土壤样品的采集。在每个样地中记录植被的物种，并测定其高度、盖度、地上生物量等;同时，在草地植被样方测定的基础上，在每个样方内用环刀分别取0～10、10～20和20～30 cm的土样，并将同一样点同一层次土壤混合成一个混合样，用于土壤容重及含水量的测定，重复5次。即每土钻随机取样5个钻，取样深度为0～30 cm，将5钻土混合成一个样，用布袋封装并带回实验室。形成混合样后用布袋封装并带回实验室后，捡出较大的植物根系或残体、石砾等杂物后自然风干，然后将每个土样磨碎后均匀混合，一部分过1 mm筛，用于测定速效钾、速效磷、碱解氮、pH值;另一部分过0.25 mm筛，用于有机碳、全氮、全磷、全钾的测定。其中，土壤pH使用酸度计测定法(水土比为2.5∶1);土壤含水量采用80℃，48 h烘干称重法;土壤容重采用环刀法。土壤有机碳、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾含量依次采用重铬酸钾外加热法、奈氏比色法、HClO4－H2SO4熔融－钼锑抗比色法、HClO4－H2SO4熔融火焰光度计法、碱解扩散法、Olsen法，NH4OAC浸提火焰光度法进行测定［13］。表1

1.3 数据处理

用Excel 2010数据处理软件及SPSS 19.0统计分析软件并采用Origin 8.0软件绘图。通过单因素方差分析比较不同退化程度草地土壤有机碳、全量养分、速效养分、pH及土壤含水量和容重的变化。

2 结果与分析

2.1 草地不同退化程度对土壤有机碳和全量养分的影响

研究表明，0～30 cm土壤各指标对草地不同退化程度的响应不同。随退化程度的加剧，土壤有机碳在0～30 cm基本呈现持续降低趋势，且在重度退化下降至最低，比未退化草地显著降低31.96%，27.34%，25.22%(P＜0.05);轻度与中度退化间差异不明显(P＞0.05)。与土壤有机碳一样，随不同退化程度的加剧，土壤全氮、全磷在0～30 cm基本呈下降变化，且在重度退化下降至最低，重度退化较未退化分别显著降低了37.69%～48.44%、28.00%～30.24%(P＜0.05)。全钾含量对草地退化响应不明显(P＞0.05)。表2

表1 样地概况Table1 Survey of sample plots

表2 不同退化阶段土壤有机碳、全量氮磷钾含量变化Table2 The changes of soil organic C，total N，P，K under different degraded stages

2.2 草地不同退化程度对土壤速效养分的影响

研究表明，0～30 cm各土层碱解氮随草地不同退化程度的加剧呈下降变化，且在重度退化后达到最低，较未退化降低36.53%、41.30%、52.47%。轻度与中度退化间差异不明显(P＞ 0.05)。与土壤碱解氮一样，土壤全磷表现为未退化＞轻度退化＞中度退化＞重度退化，与未退化比，重度退化以后0～30 cm土层速效磷含量显著降低了34.43%、44.84%、33.89%。轻度与中度退化间差异不明显(P＞0.05)。对于土壤速效钾而言，0～10、0～20 cm土层速效钾含量均随退化程度的加剧呈下降趋势，与未退化比，重度退化后依次降低37.15%、49.98%、 96.82%。在重度退化过程中20～30 cm土层速效钾含量要显著高于未退化(P＜0.05)，是未退化的1.96倍。图1

图1 不同退化阶段土壤速效养分含量变化特征Fig.1 The changes of soil available nutrient under different degraded stagess

2.3 草地不同退化程度对土壤含水量、容重、pH的影响

随不同退化程度的加剧，0～30 cm各土层含水量基本呈逐渐下降趋势，且在重度退化下降至最低，比未退化显著降低35.44%、44.64%、57.62%。轻度与中度退化间差异不明显(P＞0.05)。表明随着退化程度的加剧，土壤的保水能力也随着下降。容重及pH呈一定的增加趋势，与未退化比，重度退化以后0～30 cm土壤容重增加55.56%、100%、163.63%。不同退化过程中0～30 cm土层pH为7.17～7.97，比未退化显著降低5.16%、4.86%、5.42%，出现了土壤碱渍化趋势。表3

3 讨论

3.1 土壤有机碳和全量养分对不同退化阶段的响应规律

随着草地退化面积的增大和退化程度的加剧，草地健康状况的监测工作日益受到重视。目前，选择哪些指标作为监测草地退化的依据成为研究的重点。研究发现，随着高寒草原草地退化程度的加剧，不同退化程度下0～30 cm各土层之间，土壤有机碳含量呈逐渐下降趋势(P＜0.05)。表明随着退化程度的加剧，草地群落生产力降低，群落固碳能力下降，从而减少了土壤碳库的碳输入量。这与伍星［14］、马维伟［15］、王长庭［16］等随草地退化程度的加剧土壤有机碳显著下降的结果一致。研究还显示随着草地退化程度的加重，土壤全氮、全磷均呈下降趋势，表明随着退化程度的加剧，家畜的践踏和踩食的干扰，也不断消耗了土壤养分，并且植被的退化也增加了地表土壤的风蚀，以及地表凋落物较少，导致转化为有机物质的量相对较低，因此全氮和全磷含量就随着减少。这与罗亚勇［17］、李丹等［18］随着高寒草甸的退化，不同土层土壤的全氮、全磷均呈降低趋势的结果一致。研究结果还表明，不同退化程度草地间土壤全钾含量无显著差异，在轻度、中度、重度退化草地土壤全钾含量没有发生剧烈变化，与前人［19］不同退化程度草甸草原土壤理化性质与地上生物量关系研究结果不一致。原因可能是不同退化阶段加剧，但是不同土层土壤养分的消耗和积累达到了一种动态平衡，再加上土壤退化滞后于植被的退化，有时植被退化到重度退化程度而土壤还保持较好的性状。

3.2 土壤速效养分对不同退化阶段的响应规律

土壤速效养分的变化也是高寒地区土壤发育的重要前提，土壤速效养分的含量和它们的相关关系对植物的分布类型，盖度多度以及生长状况起着决定性作用。研究表明，土壤中碱解氮和速效磷含量随着高寒草甸退化程度的加剧呈下降趋势，这与赵自稳等［20］在山地草甸退化使土壤有机质和速效养分含量有所下降，并且对表层土的影响要大于深层土研究结果相一致。但与前人［21－22］高寒草甸不同退化梯度草地土壤养分变化研究结果不一致;与陈涛等［23］随着退化程度的增加，那曲地区草地土壤的碱解氮、有效磷含量逐渐降低，有效钾含量先升后降结果部分一致。原因可能是随着退化程度的加剧，放牧家畜的减少，践踏作用的减弱，导致了凋落物粉粹后进入土壤，从而就阻止了有机质的循环，再加上放牧家畜排泄物的减少都引起了土壤碱解氮和速效磷含量的的降低。研究还表明，与未退化草地相比，轻度退化、中度退化和重度退化下草地0～10和10～20 cm速效钾含量显著降低，然而，重度退化草地速效钾含量在20～30 cm土层有一定程度升高趋势。这与张生楹等［24］东祁连山不同退化程度高寒草甸土壤养分特征研究结果不一致。原因可能是有些植物种类和组成有关，如羊茅等禾草类植物较多，而这些植物的根系多而密，从而加速了有机质的循环，就导致了速效磷含量较高。

3.3 土壤物理性质与化学性质对不同退化阶段的响应规律

土壤含水量，容重和pH是土壤质量的重要参数。研究结果表明，随着草地退化程度的加剧，土壤含水量逐渐降低，土壤容重和pH值增大，研究结果与前人研究结论表现出一致性，如林璐等［25］对呼伦贝尔典型退化草原土壤理化性质与微生物性状的研究发现随着退化程度的加剧，土壤水分显著下降，土壤容重显著增加;秦嘉海等［26］在祁连山黑河上游不同退化草地土壤理化性质的变化规律研究中指出随土壤退化程度的加剧土壤pH值明显增大。如魏卫东等［27］研究结果也显示土壤容重和pH值随高寒草地退化程度的加剧和土壤深度的增加而增大。以上表明随着退化程度的加剧，群落盖度降低，对土壤的覆盖度减少，导致地表蒸发量较大，土壤含水量就会减少从而也就会出现碱渍化趋势。而且家畜对草地土壤的践踏和踩食的影响，孔隙度减少，再加上地上生物量的减少，导致植被根系也随着减少，从而就会出现土壤容重的增大。

4 结论

4.1 随着草地退化程度的加剧，土壤0～30 cm各土层有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷均表现出下降趋势。

4.2 与未退化草地相比，重度退化草地20～30 cm土层速效钾含量有一定的上升趋势;全钾对不同退化程度响应不明显。

4.3 随着草地退化程度的加剧，土壤含水量呈下降趋势，而容重和pH呈增加趋势。

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Changes of Soil Nutrients in Different Degradation Stages of Alpine Steppe in Bayanbulak

Ayimin Bolati，AN Sha－zhou，DONG Yi－qiang，ZHANG Ai－ning，YANG Jiao
(ollege of Pratacultural and Environmental Sciences/Key Laboratory of Grassland Resources and Ecology of Xinjiang，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China)

【Objective】This project aims to study the soil physicochemical properties of degraded alpine grassland and soil nutrient characteristics in Bayinbuluk in the hope of providing a theoretical basis for rational utilization of grassland degradation.【Method】Using conventional soil physical and chemical detection method to analyze soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，total potassium，alkali－hydrolyzable nitrogen，available phosphorus，available potassium，pH，soil moisture and bulk density index in Bayanbulak degraded grassland.【Result】With degradation degree aggravated，the contents of soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，available phosphorus and soil water content in the different layers of soil(0－30 cm)declined，but soil bulk density and pH showed a trend of increase.Compared with non degraded areas，the content of soil organic matter，total nitrogen，total phosphorus，alkali－hydrolyzable nitrogen，available phosphorus and soil water decreased between 25.22%－31.96%，37.69%－48.44%，28.00%－28.98%，35.53%－52.47%，33.89%－44.84%and 35.44%－57.62%in each soil layer(0－30 cm).The available potassium in the soil layer of 20－30 cm increased remarkably after heavy degradation，which was 1.96 times higher than that of the non degraded land.Total K content showed no significant difference(P＞0.05).【Conclusion】Soil nutrient contents decreased significantly in different alpine grasslands in Bayanbulak.

degenerated succession;alpine steppe;soil nutrition;organic carbon;Bayanbulak

AN Sha－zhou(1956－)，native place:Fuping，Shaanxi.Professor，DAG;research field:grassland resource and ecology.(Email)xjasz@126.com

S14

A

1001－4330(2017)05－0953－08

10.6048/j.issn.1001－4330.2017.05.021

2017－04－13

国家自然科学基金项目“巴音布鲁克高寒湿地CO2和CH4排放对水分变化的响应(41305136)”

阿依敏·波拉提(1993－)，女，新疆塔城人，硕士研究生，研究方向为草地资源与生态，(E－mail)1120637302@qq.com

安沙舟(1956－)，陕西富平人，教授，博士，研究方向为草地资源与生态，(E－mail)xjasz@126.com

Supported by:The National Natural Science Foundation of China"Response to Moisture Change of CO2and CH4Emission in Bayanbulak Alpine Wetland"(41305136)