李國(guó)榮, 李希來(lái), 陳文婷, 李進(jìn)芳, 朱海麗, 鐘伶志
(1.青海大學(xué), 西寧 810016; 2.青藏高原北緣新生代資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810016)
高寒草甸是青藏高原特別是三江源地區(qū)主要的草地類型,黃河源區(qū)地處青藏高原腹地,廣泛分布著占據(jù)青藏高原絕大部分面積的高寒草甸草地[1],其在涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護(hù)和碳素固定等方面起著不可替代的生態(tài)屏障作用[2-3]。近年來(lái)由于高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性和草甸區(qū)域性的嚴(yán)重超載,致使草畜矛盾日益尖銳,生態(tài)系統(tǒng)也正在發(fā)生著劇烈的變化[4-6]。土壤養(yǎng)分狀況對(duì)于植物的生長(zhǎng)起著關(guān)鍵性的作用,直接影響著植被群落的組成、結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力水平[7],土壤有機(jī)碳、全氮、全磷和全鉀等可能受一些獨(dú)特環(huán)境因子的影響,土壤養(yǎng)分流失進(jìn)一步加劇了植被退化和生態(tài)環(huán)境失衡[8-10]。因此,研究退化草地的土壤養(yǎng)分流失規(guī)律,對(duì)于深入分析高寒草甸區(qū)草地退化機(jī)理具有重要意義。
高寒草地土壤養(yǎng)分流失不僅與過(guò)度放牧、鼠害有關(guān)[11-15],也與風(fēng)蝕作用[16-18]、凍融破壞作用等有關(guān)[19-21]。近年來(lái)諸多學(xué)者研究認(rèn)為草地退化后土壤侵蝕伴隨著土壤養(yǎng)分的流失,也加劇了水土流失[22-23]。林春英等[24]研究認(rèn)為土壤養(yǎng)分在垂直方向上表現(xiàn)出上層高于下層的規(guī)律,且土壤養(yǎng)分隨退化程度和土層深度的增加而遞減[25-27]。周俊等[28]提出徑流和泥沙運(yùn)移是土壤養(yǎng)分流失的主要途徑之一,98%的養(yǎng)分是隨泥沙流失而流失的。Xi等[29]研究認(rèn)為土壤中N的輸入對(duì)降水或雨量的減少比較敏感,水蝕作用下高寒草地土壤有機(jī)碳分布表現(xiàn)為沿坡面遷移的特征,且差異顯著[30]。目前有關(guān)降雨條件下土壤養(yǎng)分流失方面的研究較多,但涉及高寒退化草地土壤養(yǎng)分隨降雨侵蝕的流失規(guī)律有待于進(jìn)一步深入研究,尤其是量化分析降雨侵蝕作用下土壤養(yǎng)分隨坡度和草地退化程度的變化規(guī)律,對(duì)于揭示高寒草甸草地退化機(jī)理具有重要意義,也為三江源植被恢復(fù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
研究區(qū)位于青海省黃南州河南縣,屬黃河源高寒草甸區(qū),地理位置為東經(jīng)101°47′,北緯34°44′,區(qū)內(nèi)海拔約3 600 m,具有典型的高原大陸性氣候特點(diǎn),年均氣溫在-1.3~1.6℃[31];年平均降水量為630.7 mm,平均蒸發(fā)量為1 442.9 mm,極端最高氣溫為24.6℃,極端最低氣溫為-30.2℃[32-33]。該地區(qū)每年11月—次年4月份為寒冷、干燥、多大風(fēng)天氣,最大風(fēng)速達(dá)到23.7 m/s。該地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜,氣候惡劣,在鼠害、水蝕、風(fēng)蝕等因素影響下原生草甸出現(xiàn)禿斑、裸露和破碎化現(xiàn)象。地形地貌以河流、河漫灘濕地、階地、山地為主[34],土壤類型為高山草甸土,植被主要為矮嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、高山嵩草(Kobresiapygmaea),草甸退化區(qū)分布有黃花棘豆(Oxytroposochrocephala)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、乳白香青(Anaphalislactea)、高原毛茛(Ranunculustanguticus)等。該地區(qū)土壤總體特征是土層年輕,土層薄,有機(jī)質(zhì)分解慢,肥效低[35],且每年的6—9月份降雨比較集中,從而加劇了退化草地的水土流失現(xiàn)象,給區(qū)域生態(tài)環(huán)境和畜牧業(yè)發(fā)展帶來(lái)重要影響[31]。
試驗(yàn)小區(qū)樣方規(guī)格設(shè)定為2 m×2 m,其中退化草地的坡度初步擬選10°,20°,30°共3種坡度類型,并根據(jù)植被退化程度的差異,劃分輕度退化(覆蓋度為70%~90%)、中度退化(覆蓋度為40%~60%)和重度退化(覆蓋度為10%~30%)3種退化區(qū)等級(jí)。
(1) 土層剖面的土壤養(yǎng)分測(cè)定:以10°的中度退化草地為對(duì)象,從地表開始每隔10 cm取樣1次,每次取樣設(shè)定5次重復(fù)。根據(jù)野外退化區(qū)土層剖面觀測(cè),植被根系的分布深度主要在40 cm以內(nèi),而試驗(yàn)中取樣最大深度設(shè)定為70 cm。
(2) 不同草地退化區(qū)土壤養(yǎng)分測(cè)定:在3種坡度、3種退化區(qū)內(nèi)分別取樣,取樣深度為表層1—2 cm土層內(nèi),取樣時(shí)不同坡度、不同退化區(qū)及每個(gè)小區(qū)的樣品采集各重復(fù)5次。
(3) 降雨條件下土壤養(yǎng)分流失規(guī)律試驗(yàn):以坡度為20°的中度退化區(qū)為研究對(duì)象,測(cè)試時(shí)間為2016年7—8月降雨比較集中的時(shí)期,采用野外人工模擬降雨裝置開展野外現(xiàn)場(chǎng)模擬降雨,降雨強(qiáng)度設(shè)定為30 mm/h,降雨歷時(shí)為1 h,取樣時(shí)每隔5 min收集被沖刷運(yùn)移的泥沙,然后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行養(yǎng)分測(cè)定。由于模擬降雨的工作量較大,故不同小區(qū)只設(shè)定3次重復(fù)。
上述土壤養(yǎng)分的測(cè)試指標(biāo)主要包括土壤有機(jī)質(zhì)、土壤腐殖質(zhì)以及土壤全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、pH值,每次取完樣品并經(jīng)密封后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試和分析。已有文獻(xiàn)資料中有關(guān)土壤腐殖質(zhì)的流失特征分析相對(duì)較少,但考慮到腐殖質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分,具有重要的肥力和環(huán)境調(diào)節(jié)功能[36],其含量和構(gòu)成不僅反映土壤肥力質(zhì)量和養(yǎng)分循環(huán)特征[37],也對(duì)評(píng)價(jià)降雨侵蝕作用下坡面養(yǎng)分流失特征有重要參考意義,因此在試驗(yàn)中也對(duì)土壤腐殖質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試,其測(cè)試方法采用比色法測(cè)定[38]。
土壤養(yǎng)分含量指標(biāo)是評(píng)價(jià)植被生長(zhǎng)區(qū)土壤肥力的重要因子,養(yǎng)分含量的差異,直接影響土壤培育植被、改善生態(tài)環(huán)境的能力[39]。試驗(yàn)結(jié)果表明,高寒退化草地區(qū)土壤養(yǎng)分主要分布在距地表80 cm的土層中,其含量變化隨土層深度的增加呈遞減趨勢(shì)。從圖1中可以看出,土壤養(yǎng)分主要集中在地表土層中,且距地表40 cm內(nèi)的土層中,養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而遞減的趨勢(shì)較明顯,其中與坡面土壤相比,深度為10 cm的土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、全氮、速效鉀、速效磷和堿解氮含量分別降低了28.2%,42.5%,24.7%,31.0%,37.7%和26.0%。分析認(rèn)為,出現(xiàn)上述變化規(guī)律的主要原因是土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)和部分養(yǎng)分指標(biāo)來(lái)源于植物的枯枝落葉和腐朽根系,而草地表層是草地植被落葉和根系的密集區(qū),因此表層土壤中的養(yǎng)分含量均較高。此外,從野外草甸區(qū)土層剖面可以看出,大部分植被根系分布范圍也在地表0—40 cm范圍內(nèi)(圖2),其為土壤中積累各類養(yǎng)分含量創(chuàng)造了條件,而且植被覆蓋越大、越接近地表,土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)及其他養(yǎng)分的積累量越高,說(shuō)明植被枯枝落葉和腐爛根系對(duì)土壤養(yǎng)分的積累具有重要作用和意義。
圖1土壤養(yǎng)分隨土層深度的變化規(guī)律
圖2高寒草甸土層及植被根系分布剖面
根據(jù)野外觀測(cè)發(fā)現(xiàn),高寒草甸退化草地區(qū)域均有不同程度的水土流失現(xiàn)象,且養(yǎng)分含量隨坡度和退化程度存在差異。測(cè)試結(jié)果表明,在退化程度相同時(shí),土壤表層的養(yǎng)分含量隨坡度的增大而減小;坡度相同的情況下,土壤表層的養(yǎng)分含量隨退化程度的加劇而減小,且草地退化越嚴(yán)重,則表層土壤略呈弱堿性,測(cè)試結(jié)果見表1。從測(cè)試數(shù)據(jù)得出,坡度相同的情況下,土壤養(yǎng)分的測(cè)試指標(biāo)均隨草地退化的加劇而呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其中以10°邊坡為例,重度退化區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷、全磷和全鉀的含量比中度退化區(qū)分別降低了49.9%,49.7%,49.5%,28.1%,38.4%,23.4%,11.3%和4.2%,比輕度退化區(qū)分別降低了79.4%,60.4%,67.5%,67.6%,78.9%,56.1%,28.3%和14.9%,與10°退化區(qū)相比較,20°和30°退化區(qū)的養(yǎng)分含量隨草地退化程度的下降幅度相對(duì)較大。此外,以重度退化區(qū)為例進(jìn)行分析后得出,天然退化草地表層土壤養(yǎng)分含量均隨坡度的增加而減小,其中與10°草地相比,坡度為20°的重度退化區(qū)表層土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀的含量分別降低了7.4%,18.3%,11.3%,15.2%,5.6%,30°的區(qū)域分別降低了44.7%,32.0%,41.8%,18.5%,12.2%,其全磷、速效磷和全鉀含量相比于30°草地,降低幅度在5%以內(nèi)。
表1 不同草地退化區(qū)表層土壤養(yǎng)分含量測(cè)試結(jié)果
注:表中的測(cè)試結(jié)果為5個(gè)重復(fù)樣品的平均值。
降雨侵蝕產(chǎn)生退化草地表層土壤顆粒和養(yǎng)分的流失,也對(duì)植被的生長(zhǎng)和繁殖造成一定的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行,草地退化區(qū)坡面土壤養(yǎng)分隨著徑流和沖刷的泥沙一起流失,其中土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、堿解氮和速效鉀的流失量比較明顯。從圖3中可以看出,地表土壤養(yǎng)分的流失主要集中在降雨開始后的30 min內(nèi),且流失最大的是腐殖質(zhì),其流失幅度為66.4%,其次為堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和速效磷,其流失幅度分別為65.5%,56.7%,56.3%,53.4%和24.6%,全磷和全鉀含量隨降雨侵蝕的變化幅度相對(duì)較小,分別為8.8%和3.8%;降雨持續(xù)30 min后,由于坡面根—土結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,土壤顆粒及養(yǎng)分流失趨勢(shì)趨于緩和。分析認(rèn)為,降雨初期土壤坡面松散顆粒較多,土壤顆粒隨徑流迅速流失[40],養(yǎng)分隨著徑流和泥沙運(yùn)移,且降雨持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),徑流量和泥沙量也隨之增加,土壤養(yǎng)分流失加劇[41],說(shuō)明降雨侵蝕產(chǎn)生的徑流是土壤顆粒和養(yǎng)分流失的主動(dòng)力。
圖3土壤養(yǎng)分含量隨降雨時(shí)間的變化
為了對(duì)比分析相同覆蓋和降雨條件下不同區(qū)域養(yǎng)分流失量,評(píng)價(jià)高寒退化草地區(qū)表層土壤養(yǎng)分流失特點(diǎn),試驗(yàn)中也對(duì)同等條件下的黃土草本覆蓋區(qū)也進(jìn)行了原位測(cè)試,并計(jì)算了表層土壤養(yǎng)分流失量,測(cè)試及計(jì)算結(jié)果見表2。
試驗(yàn)結(jié)果表明,同等條件下各區(qū)域的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、全鉀、全磷、全氮的流失量相對(duì)較大,其次為速效鉀、堿解氮和速效磷,其中高寒退化草地區(qū)表層土壤養(yǎng)分流失量明顯大于黃土區(qū)(p>0.05),且計(jì)算得出高寒草甸區(qū)所有養(yǎng)分指標(biāo)的總流失率為38.5%,黃土區(qū)總流失率為41.2%。分析認(rèn)為高寒退化草地根—土結(jié)構(gòu)相對(duì)致密,草地植被生長(zhǎng)中所積累的養(yǎng)分較多,因此在降雨侵蝕作用下退化區(qū)表層土壤養(yǎng)分流失量相對(duì)較大,而黃土區(qū)地表積累的養(yǎng)分相對(duì)較少,且土壤結(jié)構(gòu)松散,降雨侵蝕產(chǎn)生的泥沙流失量相對(duì)較大,其養(yǎng)分總流失率較大。
表2 高寒草地退化區(qū)與黃土區(qū)表層土壤養(yǎng)分流失量
根據(jù)文獻(xiàn)資料,戴矜君等[42]在坡度為10°的土槽中通過(guò)人工種植紫花苜蓿(Medicagosativa)和狗尾草(Setariavirides),并在降雨強(qiáng)度3 mm/h、降雨歷時(shí)60 min條件下測(cè)試了全氮、全磷和速效鉀隨徑流的流失量。為了進(jìn)一步對(duì)比不同區(qū)域土壤養(yǎng)分流失特點(diǎn),分析時(shí)將文獻(xiàn)中的流失量進(jìn)行了等面積計(jì)算,結(jié)果得出人工種植紫花苜蓿(120株/m2)后的全氮、全磷和速效鉀的流失量分別比草地退化區(qū)減小了24.713,43.390,0.479 mg,種植狗尾草(120株/m2)后的全氮、全磷和速效鉀的流失量分別比草地退化區(qū)減小了22.319,43.053,0.293 mg。上述對(duì)比結(jié)果說(shuō)明在降雨侵蝕作用下高寒草甸退化草地的養(yǎng)分流失量均大于黃土區(qū)和人工種植試驗(yàn)區(qū),這一結(jié)果也反映了高寒草地區(qū)養(yǎng)分流失是草地退化的原因之一。
(1) 高寒退化草地區(qū)土壤養(yǎng)分主要分布在距地表80 cm的土層中,養(yǎng)分含量隨土層深度的增加而遞減,其中40 cm范圍內(nèi)養(yǎng)分變化趨勢(shì)較明顯;與坡面表層土壤相比,土層深度增加到10 cm,則土壤養(yǎng)分含量降低26.0%~42.5%。
(2) 土壤表層的養(yǎng)分含量隨坡度和退化程度的增加而減?。煌葪l件下坡度為10°的重度退化區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀、速效磷、全磷和全鉀的含量分別比中度退化區(qū)降低了4.2%~49.9%,比輕度退化區(qū)分別降低了14.9%~79.4%;草地退化越嚴(yán)重,則表層土壤略呈弱堿性。坡度為20°和30°的重度退化區(qū)表層土壤養(yǎng)分指標(biāo)比10°退化區(qū)分別降低了5.6%~18.3%和12.2%~44.7%,其中全磷、速效磷和全鉀也隨退化程度的加劇而降低,但變化幅度相對(duì)較小。
(3) 草地退化區(qū)坡面土壤養(yǎng)分隨徑流和沖刷而流失,且養(yǎng)分流失主要集中在降雨開始后的30 min內(nèi),其中流失最大的是腐殖質(zhì),其次為堿解氮、有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和速效磷,流失幅度達(dá)24.6%~66.4%,速效磷和全磷含量隨降雨侵蝕的變化幅度相對(duì)較小。降雨侵蝕作用下高寒草甸退化草地的養(yǎng)分流失量比黃土區(qū)及人工種植區(qū)均大,反映了高寒草地區(qū)養(yǎng)分流失是草地退化的原因之一。
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