天山北坡退化山地草甸土壤的主要理化性质分析

武红旗+范燕敏+管光玉+张少华+丁锐+兰志梅

摘要：草地过度利用造成植被退化，土壤理化性质恶化。本研究以天山北坡退化山地草甸为研究对象，分析草地退化对土壤性质的影响，为评价草地土壤退化提供理论参考。以封育草地为对照，对比放牧草地（退化草甸土壤）机械组成、含水量及有机碳含量的差异。结果表明，草甸土壤机械组成中粉粒含量较高，达到70%以上，而且草地退化对土壤机械组成影响不大，仅在15～35 cm土层粉粒含量有显著降低（P<0.05）。退化草甸土壤表层（0～25 cm）有机碳、土壤含水量显著降低（P<0.05）。草甸土壤粉粒、砂粒含量与土壤有机碳、含水量极显著相关（P<0.01）。因子分析表明在土壤含水量较高的山地草甸，影响土壤性质稳定性的主要因素为土壤机械组成。

关键词：山地草甸；退化；土壤机械组成；有机碳；土壤稳定性

中图分类号：S158文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）01-0076-05

Abstract The overuse of grasslands causes vegetation degradation and deterioration of physical and chemical properties of soil. In this study， the effect of grassland degradation on soil properties of the degraded meadow were researched in the north slope of Tianshan Mountains to provide theoretical references for evaluating grassland soil degradation. With the enclosed grassland as control， the soil mechanical composition， moisture content and organic carbon content in degraded meadow soil were studied. The results showed that the silt content was higher in soil mechanical composition， which reached more than 70%. Grassland degradation had little effects on soil mechanical composition， and only in 15～35 cm soil layer， the silt content was decreased significantly （P<0.05）. The organic carbon and water content of degraded grassland soil were reduced significantly （P<0.05） in 0～25 cm layer. The contents of silt and sand in meadow soil were significantly correlated with the soil organic carbon and water content （P<0.05）. The factor analysis results indicated that the main factor affecting the stability of soil properties was soil mechanical composition in mountain meadow with higher water content.

Keywords Mountain meadow； Degradation； Soil mechanical composition； Organic carbon； Soil stability

土壤是草地生態系统的组成部分，草地植被与土壤之间进行着物质与能量的循环，如果长期无管理的超载放牧必然造成系统物质（资源）输入和输出的不平衡，最终导致草地生态系统退化，特别是在相对脆弱的干旱和半干旱生态区[1]。相关研究表明，草地退化导致土壤的渗透性降低，含水量下降，有机质含量降低，土壤的团粒结构减少[2]；土壤中细土粒减少，氮素的衰减明显，从而导致土壤稳定性降低[3]。有研究认为，在维持草地生态系统稳定性方面，土壤机械组成与植被根系的影响更深刻[4]。土壤的机械组成决定着土壤理化特性及生物学特性[5]，土壤中养分丰缺与土壤颗粒吸附能力大小有关，利用土壤的颗粒组成可以估测土壤有机碳的含量[6]。也有研究认为，退化草地土壤有机质与土壤全氮有线性相关性，与机械组成没有显著关系[7]，有机质是判断土壤状况的主要指标[8]。

新疆的山地高草草甸植被种类丰富，优良牧草种类繁多，产草量高，营养丰富，是新疆草地的精华，在新疆传统的季节畜牧业中占有非常重要的地位[9]。在生产中可作为天然打草场和放牧利用，但是由于利用方式与利用强度不同，表现出不同的退化特征[10，11]。在退化草地生态系统的诊断分析中，对退化主导因子、退化阶段及强度等要诊断与辨识[12]，土壤是草地生态系统的基础环境，土壤退化与草地退化关系密切，但由于土壤具有较强的抗拒退化的能力，即土壤稳定性，使其退化比草地植被的退化缓慢，因此在评价退化草地时，需要了解土壤的退化程度[13]。因此，本研究对天山北坡退化与封育山地草甸土壤的主要理化性质进行对比分析，了解该类草地土壤的退化程度，判断土壤的稳定性，为退化高草草甸的管理与恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于乌鲁木齐南山西白杨沟西侧的菊花台旅游景区内的一个缓坡倾斜的洪积扇台面，海拔2 000～2 400 m。草地类型为杂类草+禾草的山地高草草甸，1985年南山景区建立后，在景区入口处对草地进行了围栏封育，围栏外自由放牧。endprint

2014年7月进行草地调查。围栏内主要植物有金莲花（Trollius chinensis Bunge）、野孜然（Lagoecia cuminoides L.）、画眉草（Eragrostis pilosa （L.）Beauv.）、天山羽衣草（Alchemilla tianschanica）、蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.Mazz.）、白三叶草（Trrifolium repens L.）、细叶早熟禾（Poa angustifolia Linn.）、无芒雀麦（Bromus inermis Layss.）、小糠草（Agrostis gigantea Roth）等，草层平均高度44.1 cm，盖度达100%，每年8月中旬割草一次。围栏外放牧，同时在旅游旺季，旅游践踏频繁，草地植物种类大幅减少，主要植物有画眉草、天山羽衣草、蒲公英、白三叶草等；草层平均高度1.9 cm，盖度50%左右。依据陈佐忠[14]的草地退化判断标准，该草地出现严重退化。

1.2 取样及分析

1.2.1 取样方法 在草地调查的同时，在围栏内、外各设置一条100 m的样线，在每条样线上隔20 m挖取1个土壤剖面，共5个剖面。按照间隔5 cm深度进行土壤样品采集，采样深度至50 cm，每一个土层的样品用四分法留取1 kg左右放入样品袋，带回实验室一部分用作土壤含水量的测定，一部分捡去可见的细根，然后风干、磨细，过土壤筛，用于测定土壤有机碳和土壤机械组成。

1.2.2 样品分析 土壤有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法；含水量采用烘干法。

土壤机械组成采用 Master Size 2000马尔文激光粒度仪测定[15]。土壤粒级划分根据美国制颗粒分级标准：砂粒 2～0.05 mm，粉粒0.05～0.002 mm，粘粒<0.002 mm。

1.3 数据处理及分析

利用SPSS 17.0软件对数据统计分析，用平均值±标准差表示结果，对放牧与封育草地土壤性质进行单因素方差分析、相关性分析和主成分分析；采用Microsoft Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 放牧与封育对土壤机械组成的影响

按照美国制将土壤粒级分组，测定土壤机械组成（表1），由表1可知，不论放牧还是封育，土壤的粉粒含量最高，均大于70%，其次為粘粒，砂粒含量最少。粉粒和砂粒含量在0～5、5～10 cm波动稍大，表现为粉粒含量放牧>封育，砂粒为放牧<封育。10 cm以下土层放牧与封育草地土壤粘粒、砂粒含量差异不大，粉粒表现为放牧<封育，且在15～20、25～35 cm土层有显著差异（P<0.05）。

由表1可见，仅在0～5 cm表层，土壤粉粒含量显著低于下层土壤，砂粒含量显著提高。有研究表明草地退化造成土壤因风蚀、水蚀而损失量加大，土壤粗粒化[1]。但是研究区封育与放牧草地土壤表层机械组成近似，说明草甸土壤细土粒的损失不是由于草地退化引起的，而是山地短时降雨量大，对地表的冲蚀致使表土中细土粒损失。同时，围栏内的植物恢复较好，植物根系对土壤的切割、穿插造成土壤中孔隙较多，在雨水下渗的同时，会将较多细土粒带入下层土壤，由15～35 cm土层中封育草地土壤粉粒含量显著高于放牧可以得到印证。

2.2 放牧与封育对土壤含水量的影响

草地退化导致土壤持水保水能力下降，影响草原生态环境，进一步导致各种自然灾害发生[16]。对放牧和封育草地土壤含水量进行分析可知（图1），随着土层深度增加土壤含水量逐渐降低，封育草地降低幅度较大，放牧草地土壤含水量在土层之间变化很小。封育明显提高了表层土壤含水量，封育草地0～25 cm土壤含水量显著高于放牧草地（P<0.05），30 cm以下其含水量低于放牧，但差异不显著。

2.3 放牧与封育对土壤有机碳含量的影响

土壤有机碳是土壤肥力的重要指标之一，通常与其他土壤养分有显著相关性[17，18]。通过对有机碳的分析，可以反映土壤的肥力状况。由图2可知，在0～25 cm土层封育草地土壤有机碳显著高于放牧，25 cm以下土层利用方式对土壤有机碳含量影响不大。封育消除了牲畜的采食和踩踏，地上植被生长旺盛，截留更多的雨水进入土壤，使根系生长量增大，地下生物量增加，但这种影响深度还是有限的，因此，在土壤表层（0～25 cm），封育草地土壤有机碳比放牧有显著的增加。

草甸土壤有机碳含量较高，尤其0～5 cm表层其含量可达60 g/kg以上，主要是由于土壤各层次质地均属粉质壤土，颗粒细小，粒间孔隙小，通气性不良，保水性良好，致使土壤有机物质分解缓慢，土壤有机碳积累。

2.4 草甸土壤性质的相关分析

对土壤有机碳、含水量及机械组成进行相关性分析（表2）。由表2可知，砂粒含量与有机碳、含水量呈极显著正相关，与粘粒、粉粒呈极显著负相关；粉粒与有机碳、含水量呈极显著负相关，与粘粒呈极显著正相关；有机碳与含水量极显著正相关，粘粒与有机碳相关性不显著。

由相关性分析可知，土壤主要性质之间具有很强的相关性，草甸土壤究竟受哪些性质的影响较大，需进一步进行主成分分析。由主成分分析可知（图3），土壤的性质主要由2个成分构成：成分1砂粒对土壤性质为正向影响，粉粒含量为负向影响。成分2为粘粒含量，对土壤性质为正向影响。由此可知，草甸土壤性质之间相互影响，但起决定性的主要是土壤的机械组成。

3 讨论

土地利用作为人类利用土地各种活动的综合反映，在一定程度上影响土壤的机械组成状况[19，20]。有研究表明退化草地围封恢复后，粘粒、粉粒含量增加，砂粒含量下降。但在本研究中，虽然草甸退化造成表土层含水量、有机碳含量显著下降，但对粘粒、砂粒含量的影响不大，通过主成分分析表明，土壤机械组成是构成研究区土壤性质的主要因子，土壤的机械组成稳定性决定着土壤的稳定性，因此，研究区草地的退化处于量变阶段[21]，土壤的性质没有完全退化。endprint

土壤机械组成不仅与母质特征有关，而且与所处的水热条件相关。本研究中，由于研究区所处的特殊的地理环境和山地气候条件，使植被能够得到充足的水分，植被生物量大，土壤表层有机质含量高，对水土的保持起了很大的作用，因此，即使经历了20多年的草地退化歷程，土壤的机械组成并没有显著的改变。由此也说明，土壤机械组成比较稳定，在评价草地退化对土壤的影响时，多以速效养分、有机碳、含水量等易变因素为主[22]，机械组成可作为参考指标。

本研究中，土壤含水量与土壤有机碳呈极显著正相关，表明在干旱地区，土壤有机碳含量与气候、植被类型有关[23]。自然界影响有机物质分解转化的因素众多，人类活动的干扰加快了草地土壤有机碳的分解速率[24]，过度放牧造成土壤有机碳含量下降，但是在短期内这种影响不显著，而长期过度放牧会造成土壤有机碳含量显著降低，特别是表层（0～30 cm）土壤的有机碳含量[25]，通过围栏封育可提高土壤的固碳作用[26，27]。本研究中封育与放牧草地土壤有机碳在表层差异显著，也说明了这一点。

大部分土壤有机碳与土壤颗粒结合形成有机-无机复合体，一般而言，土壤中的颗粒越细，与之相结合的土壤有机碳越多，但不同的土壤或植被类型，有机碳并不完全与粘粒含量具有显著相关性[3，7]。本研究中，草地土壤粘粒与土壤有机碳呈负相关，但不显著，也印证了这一观点。

4 结论

本研究以天山北坡山地草甸为研究对象，通过对比研究区退化与封育草地土壤的主要理化性质，分析影响草地土壤稳定性的主要因素。结果表明，草地退化显著降低了土壤表层（0～25 cm）有机碳含量、土壤含水量。研究区土壤机械组成中粉粒含量较高，达到70%以上，而且草地退化对土壤机械组成影响不大。通过相关分析表明，草甸土壤粉粒、砂粒含量与土壤有机碳、含水量极显著相关，但影响土壤性质稳定性的主要因素为土壤机械组成。

参 考 文 献：

[1] 高英志，韩兴国，汪诗平.放牧对草原土壤的影响[J].生态学报，2004，24（4）：790-797.

[2] 张成霞，南志标.放牧对草地土壤理化特性影响的研究进展[J].草业学报，2010，19（4）：204-211.

[3] 朱志梅，杨持，曹明明，等.多伦草原土壤理化性质在沙漠化过程中的变化[J].水土保持通报，2007，27（1）：1-5.

[4] 胡雷，王长庭，阿的鲁骥，等.高寒草甸植物根系生物量及有机碳含量与土壤机械组成的关系[J].西南民族大学学报（自然科学版），2015，41（1）：6-11.

[5] 邓廷飞，刘彦，颜秋晓，等.贵州典型山银花土壤机械组成与养分特性及其关系[J].水土保持学报，2014，28（5）：209-214.

[6] 史锟，陈卓.宜居山地土壤机械组成对有机碳含量的影响[J].中国农学通报，2008，24（8）：274-278.

[7] 王明君，韩国栋，赵萌莉，等.草甸草原不同放牧强度对土壤有机碳含量的影响[J].草业科学，2007，24（10）：6-10.

[8] 赵云，陈伟，李春鸣，等.东祁连山不同退化程度高寒草甸土壤有机质含量及其与主要养分的关系[J].草业科学，2009，26（5）：20-25.

[9] 许鹏主编.新疆草地资源及其利用[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1993.

[10]靳发兰.不同利用方式下山地高草草甸草地群落变化趋势[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2007.

[11]崔国盈，刘长娥，安沙舟.新疆天山北坡山地草甸草地资源退化生态分析[J].新疆农业科学，2008，45（2）：347-351.

[12]赵万羽，李建龙，齐家国，等.新疆草地生态安全问题、现状与对策分析[J].干旱区研究，2005，22（1）：45-50.

[13]李绍良，陈有君，关世英，等.土壤退化与草地退化关系的研究[J].干旱区资源与环境，2002，16（1）：92-95.

[14]陈佐忠.中国典型草原生态系统[M].北京：科学出版社，2000.

[15]冯腾，陈洪松，张伟，等.激光粒度仪与沉降吸管法测定喀斯特地区土壤机械组成的对比研究[J].农业现代化研究，2013，34（1）：100-103.

[16]李凤霞，张德罡.草地退化指标及恢复措施[J].草原与草坪，2005（1）：24-28.

[17]高洋，王根绪，高永恒.长江源区高寒草地土壤有机质和氮磷含量的分布特征[J].草业科学，2015，32（10）：1548-1554.

[18]杨合龙，孙宗玖，管光玉，等.封育对伊犁绢蒿荒漠草地土壤养分的影响[J].中国草地学报，2015，37（2）：107-111.

[19]William B，Meyer B，Turner L. Changes in land use and land cover：a global perspective[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1994.

[20]田佳倩，周志勇，包彬，等.农牧交错区草地利用方式导致的土壤颗粒组分变化及其对土壤碳氮含量的影响[J].植物生态学报，2008，32（3）：601-610.

[21]刘洪来，鲁为华，陈超.草地退化演替过程及诊断研究进展[J].草地学报，2011，19（5）：865-871.

[22]靳发兰，锡文林，安沙舟，等.高草草甸不同利用方式下草地土壤养分变化[J].新疆农业科学，2010，47（10）：2059-2062.

[23]王发刚，王启基，王文颖，等.土壤有机碳研究进展[J].草业科学，2008，25（2）：48-54.

[24]崔永琴，马剑英，刘小宁，等.人类活动对土壤有机碳库的影响研究进展[J].中国沙漠，2011，31（2）：407-414.

[25]霍艳双，杨波，杨雪栋，等.草地土壤有机碳研究进展[J].中国草地学报，2014，36（6）：90-96.

[26]陈晓鹏，尚占环.中国草地生态系统碳循环研究进展[J].中国草地学报，2011，33（4）：99-110.

[27]石锋，李玉娥，高清竹，等.管理措施对我国草地土壤有机碳的影响[J].草业科学，2009，26（3）：9-15.endprint