不同管理措施对青海湖流域高寒草地土壤养分的影响

苏洪烨, 张中华, 佘延娣, 马 丽, 毛旭锋, 贾顺斌, 马 真, 周华坤, 黄小涛*

(1. 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； 2. 青海师范大学，青海 西宁 810008； 3. 青海省草原总站，青海 西宁 810008； 4. 中国科学院大学，北京 100049)

青海湖流域位于青藏高原东北部，是沟通青海省南部、西部和东部地区的枢纽地带，也是防止荒漠化从西向东蔓延的生态屏障[1-2]。该区域高寒草地生态系统分布最为广泛，是青海省重要的畜牧业基地，并具有不可替代的生态价值[3]。近年来，青海湖流域因不合理的放牧活动导致草地退化现象广泛存在[4-5]，破坏了该区域土壤的物理结构，使土壤养分散失严重[6]。为了扭转该区域高寒草地退化加重的局面，政府采取了适度放牧[7]、围栏封育[8]和草灌结合[9]等恢复治理措施，这些管理措施必然引起该区域土壤养分特性发生变化。研究表明不同区域土壤养分在不同管理措施下并没有体现统一的变化规律[10-11]。如在我国西藏高寒草甸、新疆亚高山草甸以及宁夏荒漠草原围封措施可以增加退化草地中土壤的有机碳、氮和磷的含量[12-14]，而在美国中北部的半干旱草地放牧措施相比围封措施显著提高了土壤有机碳含量[15]。

土壤养分特性作为评价草地生态系统土地资源优劣的重要指标对植物生长至关重要[16]，影响着草地生态系统功能的稳定和可持续发展[17]。随着人类放牧活动的加剧，家畜动物通过采食、践踏以及粪便排泄物归还等途径影响了土壤的物理结构和高寒草地的物质循环，从而改变了土壤的化学组成[11]。围栏封育通过消除不良人为干扰使草地得以休养生息，改善了土壤理化性质[12]。草灌结合作为人工草地建植方式之一，是将优良灌木和优质牧草进行人工种植，进而改善植物生长条件，提高草地生产力，土壤养分特性也随之改变[18]。因此，不同管理措施会导致青海湖流域高寒草地土壤养分变化的差异[5,8,19]。然而，目前不同管理措施对青海湖流域高寒草地土壤养分的影响如何尚未有明确认识，这不利于青海湖流域生态保护与经济可持续发展。基于此，本研究通过对围栏封育(Fence enclosure，FE)、传统放牧(Traditional grazing，TG)和草灌结合(Combination of grass and bush，CGB)3种青海湖流域高寒草地主要管理措施下不同土层深度土壤养分的测定和分析，探讨了其土壤养分的变化情况，为该区域生态保护及高寒草地资源的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究采样点位于青海湖西岸共和县石乃亥乡(99°36′14″ E，36°59′59″ N)，海拔约3 200 m，气候类型为典型的高原干旱大陆性气候，该区域日照辐射强，昼夜温差大，年均温0.7℃，最冷月(1月)月均气温—14.2℃，最热月(7月)月均气温10.9℃，年降水量约为368.1 mm，年蒸发量约为1 484.5 mm，无霜期约30 d。土壤类型为栗钙土，植被功能类型为代表性的高寒草地生态系统，主要分布的优势草本植物有阿洼早熟禾(Poaararatica)、紫花针茅(Stipapurpurea)、天山赖草(Leymustianschanicus)、二裂叶委陵菜(Potentillabifurca)和猪毛蒿(Artemisiascoparia)等[20]。

1.2 研究方法

1.2.1样地布置 2018年9月在青海湖西岸共和县石乃亥乡多年放牧草场选取海拔和地势等情况基本一致的高寒草地布置实验样地，采用完全随机区组实验方法设置围栏封育(FE)、传统放牧(TG)和草灌结合(CGB)3种不同草地管理措施，每种措施设置3个重复(共计9个样区)，各样区设置为50 m × 50 m，管理时间为2年。将TG样区作为对照，具体措施为全年连续放牧，放牧家畜为体重约30 kg的河谷型藏绵羊，相当于0.6个羊单位[21]，放牧强度为2.4羊单位·ha-1；FE样区全年禁牧；CGB样区具体措施为围栏封育和优质灌木种植，优质灌木为沙棘(Hippophaerhamnoides)，样区内按照株距1 m、行距2 m进行种植。

1.2.2样品采集 2020年9月中旬，每个样区随机选取4个0.5 m×0.5 m的样方，齐地面刈割样方内所有植物后，采用3点取样法收集样方内土壤样品，分别采集0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土层土壤，将3个点相同深度土壤充分混匀，并去除植物根系为该样方土壤样品，将土壤样品置于自封袋中带回实验室进行分析。自然风干后的土壤样品，碾磨过0.15 mm筛，用于测定土壤有机质和全磷含量；过0.25 mm筛土样，用于测定土壤全氮含量；过1 mm筛土样，用于测定速效磷含量；过2 mm筛土样，用于测定速效氮含量。新鲜土壤样品碾磨后过2 mm筛，用于测定铵态氮和硝态氮含量。

1.2.3样品测定及分析 测定的土壤养分指标包括有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、铵态氮和硝态氮含量。土壤有机质(Organic matter，OM)含量采用重铬酸钾容量法-外加热法分析测定；全氮(Total nitrogen，TN)和全磷(Total phosphorus，TP)含量的分析测定分别采用凯氏法消解和氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法；土壤速效养分速效氮(Available nitrogen，AN)、速效磷(Available phosphorus，AP)、铵态氮(Ammonia nitrogen，AN)和硝态氮(Nitric nitrogen，NN)含量的分析测定分别采用碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、纳氏试剂比色法和紫外分光光度法[22]。

1.3 数据处理及分析

应用Excel 2019对野外试验数据进行录入；采用SPSS 25.0中单因素方差分析(One-Way ANOVA)对3种管理措施下同一土层深度和同种管理措施下不同土层深度的土壤养分进行差异性检验，再运用Duncan方法对平均值进行多重比较。制图采用Origin 2021。

2 结果与分析

2.1 不同管理措施对不同土层深度土壤有机质的影响

由图1可知，在围栏封育、草灌结合和传统放牧3种不同管理措施下，土壤有机质含量均在0～10 cm土层最高，随着土层深度增加，有机质含量均显著降低(P< 0.05)。0～10 cm和10～20 cm土层中有机质含量变化表现为FE > CGB > TG；20～30 cm土层中有机质含量表现为FE>CGB,FE>TG，草灌结合和传统放牧措施下该层有机质含量并无显著差异；围栏封育措施下，不同土层深度土壤有机质含量均显著高于草灌结合和传统放牧(P<0.05)。

图1 不同管理措施下的土壤有机质Fig.1 The concentration of soil organic matter under different managements注：FE表示围栏封育；CGB表示草灌结合；TG表示传统放牧。不同小写字母表示不同土层深度差异显著(P < 0.05)，不同大写字母表示不同管理措施差异显著(P<0.05)，下同Note:FE indicates fence enclosure;CGB indicates combination of grass and bush;TG indicates traditional grazing. Different lowercase letters indicate significant differences between different soil depth at the 0.05 level,different uppercase letters indicate significant differences between different managements at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同管理措施对不同土层深度土壤全量养分的影响

2.2.1土壤全量养分对不同土层深度的响应 围栏封育措施下土壤全氮含量在0～10 cm和10～20 cm土层显著高于20～30 cm；全磷含量在0～10 cm土层显著高于10～20 cm和20～30 cm(P<0.05)。传统放牧措施下土壤全氮含量在0～10 cm土层显著高于10～20 cm和20～30 cm；全磷含量在0～10 cm和10～20 cm土层显著高于20～30 cm(P<0.05)。草灌结合措施下土壤全氮含量在不同土层间并无显著差异；全磷含量表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm(P<0.05)。全量养分含量总体表现为自表层向下逐渐降低(表1)。

2.2.2土壤全量养分对不同管理措施的响应 围栏封育、草灌结合和传统放牧3种不同管理措施对土壤全量养分影响较小，主要对0～10 cm土层全氮含量产生影响，该层中全氮含量表现为FE > CGB > TG；不同管理措施对全磷含量无影响，0～10 cm,10～20 cm和20～30 cm土层中全磷含量在不同管理措施下均无显著差异(表1)。

表1 不同管理措施下的土壤全量养分含量Table 1 Soil total nutrients under different managements

2.3 不同管理措施对不同土层深度土壤速效养分的影响

2.3.1土壤速效养分对不同土层深度的响应 围栏封育和传统放牧措施下速效氮和速效磷含量表现为随土层深度增加而降低，不同土层间含量有显著差异(P< 0.05)；草灌结合措施下速效氮和速效磷在0～10 cm土层中含量最大，10～20 cm和20～30 cm土层间无显著差异；在不同管理措施下速效氮和速效磷含量在0～10 cm和10～20 cm土层最高。铵态氮含量在不同管理措施下不同土层间均无显著性差异。硝态氮在不同管理措施下均表现为在0～10 cm土层中含量最高(P< 0.05)；在围栏封育和草灌结合措施下，10～20 cm和20～30 cm土层中硝态氮含量无显著差异；而在传统放牧措施下，硝态氮含量随土层深度增加而降低，且不同土层间含量存在显著差异(P< 0.05，表2)。

2.3.2土壤速效养分对不同管理措施的响应 围栏封育、草灌结合和传统放牧3种不同管理措施对铵态氮含量的影响均不显著。不同管理措施对土壤速效氮含量的影响主要体现在0～10 cm和10～20 cm土层，0～10 cm土层中速效氮含量表现为FE>TG，CGB>TG(P<0.05)，10～20 cm土层中速效氮含量表现为FE>TG，FE>CGB(P<0.05)，对20～30 cm土层中速效氮含量的影响不显著；围栏封育措施下0～10 cm土层硝态氮含量显著高于其他2种措施(P< 0.05)；不同管理措施对土壤速效磷含量的影响主要体现在10～20 cm土层中，表现为FE>TG>CGB(P<0.05，表2)。

表2 不同管理措施下的土壤速效养分Table 2 Soil available nutrients under different managements

3 讨论

3.1 土壤有机质及全量养分对不同管理措施的响应

本研究发现，围栏封育措施下青海湖流域土壤有机质含量高于草灌结合措施和传统放牧措施。这是因为围栏措施能够使植被盖度、物种多样性、凋落物和土壤养分等增加，在一定程度上提高草地生态系统碳储量[23]，促进有机质的增加；而传统放牧和草灌结合措施由于牲畜采食、践踏、人为干预等对土壤干扰活动较大，影响土壤对地表枯落物的摄入，加速了表层腐殖质的分解，土壤获取有机碳能力降低[11]，这与多数不同区域的研究结果一致[5,14,24]。

土壤全氮磷含量对不同管理措施的响应较小，主要体现在表层土壤全氮含量的变化。本研究表明青海湖流域围栏封育下0～10 cm土层中全氮含量高于传统放牧和草灌结合，这与张法伟等[25]在青藏高原高寒草甸对不同土地利用格局下土壤全氮含量变化的研究结果一致，放牧虽能增加土壤氮素的矿化和粪尿回归，从而增加土壤全氮含量，但以动物产品和粪尿释放的形式转移量更大，同时放牧家畜采食提高了氮循环速率，促进了土壤中氮素向地上植物器官的运输分配[26]；草灌结合作为人工建植方式之一，耕蚀作用加速了土壤表层全氮的分解速率[27]。与0～10 cm土层相比，10～30 cm土层中根系和有机质含量相对较少[28]，土壤的固有养分特性不易发生改变，因此不同管理措施主要对0～10 cm土层全氮含量影响较为显著，随着土层深度增加全氮含量无较大变化。青海湖流域土壤全磷含量在不同管理措施下并无显著差异，这是由于全磷是土壤中相对稳定的指标，其含量主要取决于土壤母质和类型，同时土壤全磷含量也与土壤有机磷的净矿化作用、土壤磷素的微生物和非生物固定作用有关[29]，土壤全磷含量在不同地区可能有不同的趋势，这需要更多的研究进行验证。

3.2 土壤速效养分对不同管理措施的响应

4 结论

研究表明，草灌结合和传统放牧措施由于加大了对土壤的干扰程度，加速了土壤养分的流失，草地恢复效果并不明显；而围栏封育措施避免了不合理的人为干扰，更有利于土壤养分的固持。因此，对青海湖流域退化高寒草地进行恢复时应尽量采取围栏封育等自然恢复措施。另外，不同管理措施主要对0～10 cm和10～20 cm土层中土壤养分产生影响，深层土壤养分不易受外界条件影响而发生变化。综上，本研究可以深化对不同管理措施下高寒草地土壤养分的认识，并为当地草地生态保护提供理论参考和数据支撑。