不同退化演替阶段高寒草甸表层土壤持水特性的初步研究

范月君，侯向阳，赵得萍，石红霄，周华坤，李 欣

(1.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010010； 2.青海畜牧兽医职业技术学院，青海 湟源 812100；3.中国科学院西北高原生物研究所，青海省寒区恢复生态学重点实验室，青海 西宁 810008；4.青海大学，青海 西宁 810016)

土壤水作为四水(地表水、地下水、大气水、土壤水)转化的重要纽带，参与水资源的形成、转化与消耗主要过程[1]，是土壤水物理学研究的一个重要内容，其本身受到植被总盖度、生态环境等诸多因子和土地利用方式等外界活动的影响[2].放牧是草地基本的社会属性，研究表明，合理利用草地可以优化草地土壤结构，不合理利用可能降低土壤质量，从而引起土壤系统及生态系统退化[3]，使得草地土壤蓄水和持水能力下降.因此研究不同退化演替阶段草地土壤水分和水源涵养能力已成为国内外生态水文的热点问题.

本研究区位于三江源区，自上世纪80年代以来，在自然和人类活动的双重干扰下，草地生态系统退化演替加剧，鼠虫害频发，水土保持和水源涵养能力下降，生态系统服务功能减退和自身修复能力减弱[4].为此，本研究对三江源区不同退化演替阶段下土壤持水能力和渗透性及土壤水库特征进行研究分析，以期为三江源区高寒脆弱生态系统的土壤水源涵养和功能的修复提高提供科学基础数据.

1 研究区域与方法

1.1 研究区域概况

试验区位于青海省玉树州称多县珍秦镇的“农业部玉树高寒草原资源与生态环境重点野外科学观测站”(33°24′30″N， 97°18′00″E)，海拔高度 4 250 m.具体试验地情况见石红霄等文献[5].

1.2 样地设计

采用草地退化标准[6-7]利用空间分布代替时间演替[8]研究不同退化高寒草甸土壤的持水特征变化，以各样地盖度、生物量、土壤紧实度及优良牧草所占比例等作为划分高寒草甸退化演替阶段的主要参考标准，并选择不同退化演替阶段的高寒嵩草草甸样地，依次为轻度退化(Lightly degraded grassland，LG)、中度退化(Moderately degraded grassland，MG)和重度退化草地(Heavily degraded grassland，HG)(见表1).

1.3 土壤水分物理性质的测定与计算

采用环刀法一次性连续测定土壤容重、孔隙度、持水特征等[9].第一步，在水中浸泡12 h装满原状土的环刀后称重，计算最大持水量;后将称重环刀放置在装满石英砂的环刀上2 h，待土壤的非毛管水分全部流出，称重，计算毛管持水量;称重后，将环刀继续放置24 h，称重，此时土壤水分为毛管悬着水，计算最小持水量;最后，将环刀土放置于烘箱中105℃下烘干24 h至恒重，称取环刀中的干土质量.最后根据测定数据，完成土壤容重(ρ，g·cm-3)，非毛管孔隙度(Pac，%)、毛管孔隙度(Pc，%)等指标，将各持水量的单位g·cm-3均换算为t·hm-2.

土壤贮水量的计算公式如下：

Wc＝10000Pchr，Wac＝10000Pachr，Wi＝Wc+Wac，ρ＝ W1/V0，P ＝1-ρ/D

式中：Wc为土壤吸持库容，Wac为土壤滞留库容，Wi为土壤总库容，W土壤实际贮水量，r为水的比重(t·m-3)，ρ为土壤容重(g·cm-3)，W1为干土重(g)，V0为环刀体积(cm3)，D为土壤密度，一般为2.65 g·cm-3.其中土壤含水量的测定用烘干法.

表1 研究区域位置和植被Table 1 Geographical and plant characteristics of K.pygmaea meadow

1.4 土壤入渗速率的测定

入渗速率采用环刀定量加水法.样地内选择代表性9个不同演替阶段草地，在不破坏原生状态情况下垂直砸入环刀土表1.5 cm，量取50 mL自来水缓缓倾注入环刀内并计时，等水分完全渗入土壤中表面无明水记录终止时间，9次重复，利用达西(Darcy.H)模式计算土壤水分入渗速[10].

式中：Kt为某一时段内的入渗速率，Q为透过土柱的水体积，A为入渗面积，H为固定水位深(mm)，L为土层厚度(mm)，t为透过水量 Q所用的时间(min).

1.5 数据分析

基础统计和分析利用 Excel2010软件，采用SPSS18.0软件对土壤容重、最大持水量、毛管持水量、最小持水量和入渗速率进行One-ANOVA分析，多重比较用LSD法.

2 结果与分析

2.1 土壤持水性与孔隙状况

高寒草甸不同退化阶段，土壤总空隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度总体呈现以下变化规律，即LG＞MD ＞HG，在LG中，土壤总空隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度分别为64.02%，17.46%和46.56%高于高寒草甸其他演替阶段.最低值出现在HG，分别为42.03%，11.76%和 30.24%.同时，总空隙度、非毛管孔隙度、毛管孔隙度从另一个侧面反映了不同演替阶段土壤水分在土壤初始水分大小、土壤中滞留时间的长短和蓄水能力的大小，根据测定结果发现，严重退化阶段草地容纳降水能力较弱，水源涵养能力较差(见表2).

2.2 土壤水库贮水能力

非毛管孔隙水分与毛管孔隙贮蓄量之和为土壤水库总库容，它不仅反映水土保持功能和土壤水库贮蓄的潜在能力，也是反映调节水分循环和土壤涵养水源的重要指标.从土壤保水特性来看，吸持库容具有长时间保持在土壤中的能力，是植物根系吸收和土壤蒸散的主要来源;从土壤蓄水特性来看，滞留库容具有较快容纳降水并及时下渗的能力，是涵养水源的重要指标.

根据测定0～8 cm土层的孔隙度，计算得出不同演替阶段土壤各分库容(表2).随着高寒草甸退化加剧，严重退化草地测定土层土壤总库容和、土壤滞留库容、土壤吸持库容均呈现下降趋势.不同演替阶段，LG阶段土壤滞留库容、土壤吸持库容最高，保水能力和蓄水能力较强.

表2 不同演替阶段高山嵩草草甸的持水特性Table 2 Water character ofK.pygmaea meadow along with degraded sucession process

2.3 土壤渗透性的变化

在高寒草甸退化演替系列的进程中，不同演替阶段土壤水分渗透速率差异达到极显著水平(P＜0.01).图1可以看出，MG阶段到LG水分入渗速率变化范围从7.08 mm·min-1减少到了3.48 mm·min-1，而当草地严重退化到HG阶段土壤水分入渗速率急剧增大，为29.99 mm·min-1;同时，对于不同演替阶段饱和持水量的测定发现，HG阶段土壤饱和持水量最低，

说明当高寒草甸严重退化，土壤水分入渗速率极强，而土壤的保水能力却最弱.

图1 渗透速率和饱和持水量特征Fig.1 Characteristics of infiltration rate and saturation moisture capacity

2.4 土壤容重与孔隙度的变化

土壤容重和孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，两者直接影响着土壤蓄水和通气性能.从图2可以看出，不同退化演替阶段，土壤容重均值HG＞MG＞LD，不同退化演替阶段土壤容重的范围0.65～0.95 g/cm3.就孔隙度来看，轻度放牧明显大于重度放牧，总孔隙度表现为：LD＞MG＞HG，变化范围为64.15～75.47%.其中HG阶段最低，这主要与严重退化草地植被地上生物量少，分解腐烂的枯落物也少，进而影响腐殖质的输入，不利于团粒结构的形成有关.

图2 土壤孔隙度和土壤容重特征

2.5 土壤持水能力相关因子的分析

表3的相关分析表明，土壤持水量指标与土壤容重呈极显著负相关(P＜0.01)，和入渗速率显著负相关(P＜0.05)，孔隙度成显著正相关关系(P＜0.05).这与李婧等[11]研究结果基本一致.土壤容重和孔隙度显著负相关(P＜0.05)，说明严重退化草地因过度放牧，土壤压实程度较大，从而导致孔隙度较小，进而影响草地持水能力.同时，研究结果和段兴凤等[12]研究的森林生态系统结果相反，说明土壤持水特性与其生态系统类型和立地条件可能有关，也可能试验只考虑了土壤水物理特征，有关根系等生物因素对土壤持水特性的影响有待进一步研究.

表3 各指标相关性分析Table 3 Correlation analysis of soil moisture capacity

3 讨论与结论

3.1 不同退化演替阶段土壤持水特征

土壤容重和土壤孔隙度是作为土壤水物理性能的重要表征指标[13].在草地不同利用方式下土壤容重和土壤孔隙度呈现一定的变化趋势[14].本研究中不同退化演替阶段高寒草甸土壤容重和土壤孔隙度变异特征明显，且呈现极显著负相关关系(P＜0.01).在退化演替过程中3个阶段，严重退化草地植被覆盖度下降，土壤有机质输入减少，土壤紧实度增加，土壤物理性状呈现土壤孔隙度状况差、土壤容重变大.另外，土壤容重和孔隙度参数不仅决定土壤的导水性、保水性、透气性等，而且与植被生长密切相关，本研究仅从土壤物理性状描述了土壤持水性状，缺乏例如活根、死根数量及细根等地下根系与持水性状的关系，尚不能解释影响高山嵩草草甸土壤持水能力发挥的主要因子和水源涵养的主要机制，有待于进一步研究.从土壤入渗速率来看，在高寒草甸退化演替系列的进程中，不同演替阶段土壤水分渗透速率差异达到极显著水平(P＜0.01).同时和土壤容重和孔隙度存在一定的相关关系，这也说明不同退化演替阶段下土壤物理性状改变尤其是对土壤容重和孔隙度影响改变土壤渗透性.总体来说，LG阶段草地表现出土壤孔隙度大，土壤容重小，进而体现出土壤渗透性和持水能力状况良好，有效地减少了土壤侵蚀和地表径流，有显著防止水土流失效果.

3.2 不同退化演替阶段土壤水库特征及增贮潜力

近20年来，在全球气候变化和人类活动的双重影响下，三江源地区草地生态系统持续退化.据调查，全面退化是三江源区的草地的主要趋势，其中有0.12×108hm2中度以上退化草场面积，占三江源区可利用草场面积的58%[15]，其中“黑土滩”(重度退化草地)面积为1.8×106hm2，占退化草地面积的32.1%[16].根据本研究，在自然条件下，轻度退化草甸0～8 cm土壤最大持水量最高为512.16 t/hm2，重度退化0～8 cm土壤最大持水量最低为336.24 t/hm2，按照重度退化草甸1.8×106hm2粗略估计，三江源重度退化高寒草甸使草地土壤上层水源涵养量减少了3.16×108t.由于本研究仅对0～8 cm土壤层的土壤水源涵养量进行了初步研究，缺乏土壤下层土壤涵养量的计算，但研究也从另一个侧面反映了退化高寒草甸土壤涵养量的增储潜力的最低限，即退化草地恢复到自然状态下其土壤水分涵养量增储潜力至少约为3.16×108t.因此，有关水源涵养量增储潜力有待进一步研究和验证.