典型草原放牧退化梯度上土壤水势与群落结构的关系

李天良+吴赟+潘慧+霍光伟+乌云娜

摘要：指出了土壤水势是判断土壤干旱程度的重要指标，越来越受到国内外研究者的关注，并已经成为土壤的一项重要物理指标。研究发现土壤水势在一定程度上决定了植物光合动态和干物质的累积过程，特别是在受到干旱胁迫的情况下，土壤水势往往和其他胁迫因素（如高温胁迫）一起作用于植物生理过程。通过对不同放牧强度下的土壤水势日进程等进行的研究得出：土壤水势日进程均具有一个较为明显的峰值，呈“单峰型”分布，综合表现为：轻牧>中牧>重牧；物种数变化趋势为：中度放牧>轻度放牧>重度放牧。

关键词：放牧强度；土壤水势；干旱胁迫；单峰型；优势种

中图分类号：Q948.15

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22000104

1 引言

水资源缺乏是制约干旱与半干旱地区生态环境建设的主要因子，深入了解流域水文生态特征，有助于持续、扎实地推进生态环境建设[1]。影响土壤水运动的因素很多，其中降水[2]、坡向、蒸散、土壤孔隙度、导水率、根系分布等是最重要的因素[3，4]。研究发现土壤水势在一定程度上决定了植物光合动态和干物质的积累过程，特别是受到干旱胁迫的情况下，土壤水势往往和其他胁迫因素（如高温胁迫）一起作用于植物生理过程[5]。在轻度和中度水分胁迫条件下，植物光合作用的下降主要与气孔限制因素有关[6]，而严重的水分胁迫可以导致许多与光合作用有关的活性成分含量及活力降低，造成光合速率的大幅下降，植物生长受限。

一般说来，植物的整个表面都可以吸收水分，但是土壤水却是植物体水分供应的主要来源。土壤水分是土壤肥力的重要因子之一，是土壤的血脉[7]。它不断供给陆生植物因蒸腾所消耗掉的水分，被植物体直接吸收利用，并为植物的光合作用提供物质基础，成为有机界与无机界的纽带[8]。土壤水分对植物生长最直接的影响在于它能有效地溶解土壤中的营养物质供植物体吸收利用，并通过对土壤温度和空气状况的影响，极大地影响着土壤中营养物质的转化和植物根系对土壤养分的吸收和利用。同时，土壤水分还影响着植物体的蒸腾作用。土壤水分最明显的作用是影响植株的大小、叶面积及作物产量。从长远来看，由于土壤水分亏缺的普遍存在，它所引起的植物生长和作物產量的减少超过所有其它胁迫的总和[9]。因此，结合土壤因子对半干旱地区

草原土壤水分的多时空动态变化规律定位观测，掌握植物的耗水规律，了解其水文生态功能，是研究草原生态系统不可缺少的中心环节，具有一定的理论和实践意义。

2 研究区域概况

试验区位于内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎右旗境内克鲁伦河流域的中温型典型草原区。地理位置为东经 115°31′～117 °43′，北纬47 °36 ′～49 °50′，呼伦贝尔市西部中俄蒙三国交界处。东北部与全国最大的陆路口岸城市满洲里毗邻。在试验区选择呼伦镇、莫农塔拉、杭乌拉三个样地。样地地理位置分布详见表1。

该地区属于温带半干旱季风气候，年均降水量为300 mm，年均气温为2 ℃，年均积温（≥0 ℃） 2600～2700 ℃（生长季）。土壤类型主要为栗钙土。试验地植被种类丰富，以禾本科和菊科为主的植物种类繁多。全旗共有野生植物 66科、232属、472种。在植被调查过程中，总共记载的植物种类有40种，主要包括禾本科、豆科、菊科、莎草科、蔷薇科、毛茛科、唇形科、十字花科、石竹科等（详见表2）。

3 试验内容与研究方法

3.1 试验设计

根据试验研究目的和任务，在试验区内按照天然草原各亚类构成比例及分布情况，选择具有代表性的草原作为研究对象。在呼伦镇，莫农，杭乌拉三个地方分别设置轻、中、重3个不同放牧梯度样地。

试验区内天然草原的土壤水势，影响其主要的原因是由于放牧程度的不同引起的，分别测量轻牧梯度下不同深度下土壤水势日进程，中牧梯度下不同深度下土壤水势日进程，重牧梯度下不同深度下土壤水势日进程。

3.2 试验内容及方法

在不同放牧梯度上的试验区，根据种类组成特征选取具有代表性的放牧梯度样地。在每个样地设置一条50 m监测样线，每隔5 m设一个1 m×1 m的样方，调查样方中出现的植物种类进行统计。最后将10个样方调查数据进行汇总，按算术平均法获得取各组成成分相应指标的平均值。野外调查时间为2010年7月。使用Excel和SPSS13.0软件进行数据统计分析和作图。

4 结果与分析

4.1 同放牧梯度上不同深度土壤水势日进程的变化

如图1所示，轻度放牧条件下土壤各层水势变化趋于稳定，中度放牧干扰下土壤水势变化趋势复杂，而重度放牧条件下的表层土壤水势变化趋势不明显，而随着土壤深度的增加表现出一定的差异性。

轻度放牧梯度上，0～10 cm和10～20 cm的水势变化表现一致，随着时间的增加水势能趋于饱和状态，20～30 cm及30～40 cm的土壤水势随时间的变化无明显增加减少的趋势，且在40 cm时的土壤水势更趋近与饱和状态。

中度放牧梯度上，水势随时间变化的曲线趋势较为复杂，0～10 cm土壤水势平均分布在较低水平，偏离饱和状态；10～20 cm的土壤水势却在11：00时出现峰值，随后下降；20～30 cm的土壤水势随时间的推移逐渐升高，越趋近于土壤水分的饱和状态；而30～40 cm的土壤水势在13：00是出现峰值，随后开始平缓下滑。

重度放牧梯度上，表层土壤0～10 cm、10～20 cm的土壤水势变化趋势一致，均随之时间的推移呈平缓下滑趋势，但接近土壤水分的饱和状态；20～30 cm、30～40 cm的变化规律相一致，从6：00～13：00，土壤水势随时间的增加而逐渐升高，趋近土壤水分饱和，到13：00时出现峰值，随土壤水势随时间的推移，开始下降。endprint

4.2 放牧梯度上不同土层土壤水势的变化特征

由图2a所示，不同放牧压力下，0～10 cm土壤水势的变化表现出明显的差异性，輕度放牧梯度上，土壤水势的变化随时间的增加而逐渐升高，逐渐趋近饱和状态；重度放牧条件下，土壤水势在11：00出现峰值，即此时土壤水分状态最接近饱和；重度放牧梯度上，土壤水势却与轻牧变化趋势相反，水势逐渐下降，即土壤水分随时间的变化而逐渐被消耗。由图2b所示，重度放牧压力下10～20 cm的土壤水势略高于轻度和中度放牧，中度放牧压力下的土壤水势平均略高于轻度放牧压力，产生这种现象的原因可能与其地表植物根系对其土壤水分的利用效率。由图2c所示，不同放牧梯度上20～30 cm土壤水势均随时间的递增呈现逐渐升高的趋势，中度放牧梯度上土壤水势呈曲线上升趋势，重度放牧梯度上在13：00时激增而后下降，而轻度放牧梯度上土壤水势变化趋势较小在-1.5～-2.0之间波动。

4.3 不同土壤水势下群落组成的变化

由表3可知，轻度放牧强度优势种为克氏针茅，轻度放牧强度优势种为羊草，重度放牧强度优势种为多根葱；物种数变化趋势为中度放牧>轻度放牧>重度放牧。

5 讨论

土壤水势是判断土壤干旱程度的唯一指标，研究发现土壤水势在一定程度上决定了植物光合动态和干物质的积累过程，特别是在受到干旱胁迫的情况下，土壤水势往往和其他胁迫因素（如高温胁迫）一起作用于植物生理过程。土壤水分含量与土壤表被植物覆盖率密切相关，地表覆盖率高，土壤水分保持力较好，表层土壤水势绝对值较低，即越容易达到饱和状态；地表覆盖率低，土壤沙化，土壤水分蒸发量增高，表层土壤水分较少，因此土壤水势绝对值相对较高，土壤较为干旱。随着土壤深度的增加，植物根系对其水分利用率较低，因此，深层土壤水势变化较不明显。

克氏针茅属多年生密丛型草本，克氏针茅在典型地带性生境中的代表类型，是克氏针茅+糙隐子草草地，分布广而面积最大。在略趋湿润时，形成克氏针茅-大针茅草地；趋于低湿时，形成克氏针茅-羊草草地；趋于干旱温暖时，形成克氏针茅-短花针茅草地；趋于干旱时，形成克氏针茅-戈壁针茅或克氏针茅-克列门茨针茅草地；土壤沙砾质化时，形成小叶锦鸡儿-克氏针茅草地或克氏针茅-冰草草地；海拔上升时，形成克氏针茅-羊茅草地；放牧利用过度时，则促使小半灌木作用增强而形成克氏针茅-冷蒿草地。

多根葱属于草原荒漠葱类， 因其根系发达而得名。 其大量分布在荒漠化草原地带。适宜的降水幅度为150～250 mm，对土壤要求不严格，除表土强烈沙化生长不良外，沙壤土、壤土乃至黏土均能很好地生长，土壤质地越细，往往长势越佳。它比克氏针茅更能适应干旱的环境。

因此，在土壤水势较高的轻牧，形成了克氏针茅-羊草草地；在中度放牧时，土壤水势较低，于是形成了克氏针茅-冷蒿草地；重度放牧时，土壤水势低，克氏针茅罕有所见，优势种变为多根葱。

6 结论

（1）在不同放牧梯度下，土壤水势日进程均具有一个较为明显的峰值，呈单峰状分布，综合表现为轻牧>中牧>重牧。

（2）在不同的土壤水势条件下，群落的组成也相应不同，根据土壤水势的表现：轻牧>中牧>重牧，对应各层次的优势种相应不同，轻牧为克氏针茅，中牧为糙隐子草，重牧为多根葱，因为各群落对干旱的适应能力强弱不同。

参考文献：

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Abstract： Soil water potential is the only index of soil drought.It has gained more and more attention of domestic and international researchers and hasbecome an important soil physical index. Some studies found that in certain degree of soil water plant photosynthesis determines the dynamic and dry matter accumulation process， especially in the case by drought stress. Soil water potential oftenacts onplant physiological processes along with other stress factors （such as high temperature stress）. Through the study of the daily process of soil water potential under different grazing intensities， the daily process of soil water potential has a more obvious peak， showing a “single peak” distribution as the following：light grazing>moderate grazing >heavy grazing. The change trend of number is： moderate grazing>light grazing > heavy grazing.

Key words： grazing stress；soil water potential；drought stress；single-peak curves；dominant speciesendprint