黄河源湖泊湿地退化过程土壤和植被的变化特征

刘凯, 李希来,, 金立群, 孙华方, 李清德

1. 青海大学农牧学院, 西宁 810016 2. 青海省民和县农牧局, 民和 810800

黄河源湖泊湿地退化过程土壤和植被的变化特征

刘凯1, 李希来1,*, 金立群1, 孙华方1, 李清德2

1. 青海大学农牧学院, 西宁 810016 2. 青海省民和县农牧局, 民和 810800

在研究黄河源玛多县湖泊湿地退化过程植被和土壤变化的基础上, 探讨湖泊湿地退化机理, 为高原湖泊湿地的生态修复提供基础资料。结果表明: 黄河源玛多县湖泊湿地随着退化程度的加重, 湖泊湿地植被优势种植物减少,植物种数增加了(2±0.25)种, 植被盖度降低了(15.4±13.71) %, 高度降低了(1.8±2.31) cm; 随着退化程度的加剧, 土壤含水量减少(11.9±1.15) %, 土壤温度升高(0.76±0.11) ℃, 土壤质地为砂壤土, 小于 0.01 mm 物理黏粒含量下降了(1.3±0.4), 土壤pH由8.42升高到8.52。高原湖泊湿地土壤养分含量在垂直方向上呈现上层高于下层的规律。湿地土壤有机质、全N、全P2O5、碱解N和速效P随退化程度的加剧而减小, 而土壤全K2O和速效K含量在增加。

湖泊湿地; 退化程度; 植被特征; 土壤理化性质; 黄河源

1 前言

湖泊湿地被定义为与湖泊的浅水区联系在一起的, 水生植物群或水生植物生长的水域沼泽。由于高原植物基本上是由草本或低矮的灌木组成, 所以积水的存在是湖泊湿地的显著特征[1]。湖泊湿地在抵御洪水、控制污染、调节径流、美化环境、改善气候及维护区域生态平衡等方面有着其它生态系统所不能替代的作用[2–4]。湖泊湿地的严重退化已成为我国主要的生态问题之一, 湿地退化是由于人类对湿地自然资源过度地以及不合理地利用而造成的湿地生态系统结构破坏、生物多样性减少、生物生产力下降等生态环境恶化现象[5]。气候变化是高原湿地早期退化阶段最重要的因素, 而过度放牧和啮齿类动物的破坏是此过程的加速器[6], 青藏高原高寒湿地的面积已经减少了10%[7], 并且随着时间的推移, 水分和湿地面积减少的速度变得越来越快[8]。在高寒湿地的退化过程中,植被类型更替明显,群落内毒杂草比例随着退化进程逐渐增加,使群落的结构发生改变,从而弱化了湿地的功能[9-10]。林春英等[11–13,25]报道了黄河源区河漫滩湿地退化过程土壤和植被的变化。本文对高原湖泊湿地退化过程中土壤和植被的变化进行研究, 目的是为了制定湖泊湿地恢复对策,为治理退化湖泊湿地提供基础资料。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

玛多县位于青海省果洛藏族自治州西北部, 地理坐标北纬33°50′—35°40′, 东经96°50′—99°20′。南北宽约207公里, 东西长约228公里, 全县总面积25253平方公里。玛多县属高平原地区, 海拔大部分在4500—5000 m之间, 地形起伏不大, 相对平坦,玛多地区占优势的地貌类型是宽谷和河湖盆地, 它们多为断陷作用所形成。属高寒草原气候, 一年之中无四季之分, 只有冷暖之别, 而通常又把冷暖两季分别称为冬季和夏季。冬季漫长而严寒, 干燥多大风, 夏季短促而温凉, 多雨。玛多县的年蒸发量超过1260 mm, 而年降水量为303.9 mm[14], 严重缺水。玛多县年平均气温–4.1 ℃, 除5—9月份, 各月平均气温在–3.0 ℃以下。玛多县因湖泊众多而享有“千湖之县”的雅称, 著名的扎陵湖、鄂陵湖就在境内,地处三江源国家级自然保护区的核心区, 地理位置优越水利资源丰富, 具有及其重要的研究价值[15–17]。

2.2 研究方法

2.2.1 样地选取

2015年8月在玛多县进行野外实地调查, 选取玛多县5个湖泊湿地(见图1), 分别为鄂陵湖, 距牛头碑5公里处, 距牛头碑10公里处, 距牛头碑15公里处,星星海, 地理位置见表1。按照任继周[18]的方法对湿地群落的退化状况进行调查, 并结合高原湖泊湿地中的禾本科植物、莎草科植物优势度及盖度, 将湖泊湿地人为分为阶段1(典型湖泊湿地, 以禾本科植物为主)、阶段2(湖泊湿地与非湖泊湿地的过渡地带,以莎草科植物为主)和阶段3(非湖泊湿地, 以毒杂草植物为主)三个退化阶段[19]。

2.2.2 样地布置

每个湖泊湿地采取样线法, 随机选取三条样线,样线是按以湖泊湿地为中心向外延伸, 在每条样线上间隔30m左右确定三个退化阶段进行取样调查,每条样线的各个阶段各设置1个1 m×1 m的样方进行植物群落学调查, 按经济类群(禾本科、莎草科、毒杂草)记录植物群落高度、盖度、鲜重等指标。在各个样方(1 m×1 m)内, 用GPS(Magellan explorist 610)测定海拔、经度、纬度, 用钢卷尺测定植物高度10次, 目测法测定植物盖度, 用收获法测定地上生物量, 用土壤水分温度电导率速测仪(TDR)测得每一样方0—7.5、7.5—15、15—22.5 cm的土壤含水量和温度。土壤温度的测定主要集中在中午时间进行测定, 防止早晚的温差影响测定的结果。

2.2.3 土壤样品的采集与测定

每一样方用土钻取土3钻, 分为0—7.5、7.5—15、15—22.5 cm 3层, 将同一退化阶段的同一层混合在一起, 装入自封袋编号, 带回实验室使其自然风干, 将土壤样送青海鑫隆农业科技有限公司, 利用重铬酸钾容量法进行分析有机质总量; 用凯氏定氮法分析全N总量; 用硫酸钠–纳氏试剂比色法测定碱解N总量; HClO4–H2SO4钼锑抗比色法测全P2O5总量; 采用 NH4OAc火焰光度计法测定全K2O总量和速效K总量; 用碳酸氢钠浸提测定速效P总量; 用IQ150 便携式pH计测定pH值。

2.3 数据处理

2.3.1 数据分析

使用EXCEL 2007进行数据整理, 并绘制曲线图。采用SPSS 20进行数据统计分析, 主要是单因素方差分析和相关性分析。

图1 研究区取样点分布Fig.1 Distribution of sampling points

表1 试验样地地理位置Tab.1 Specific geographical location of sampling sites

2.3.2 土壤质地计算公式[20]

温度校正数=(土壤悬液温度–20)×0.6

校正后甲种比重计读数=甲种比重计原读数+

温度校正数

土粒重量百分数=＜0.01 mm物理性粘粒%

3 结果与分析

3.1 湖泊湿地植被特征

表2中数据显示, 随着湿地退化程度的加大, 植被丰富度增加了(2±0.25)种, 植被盖度降低了(15.4±13.71) %, 高度降低了(1.8±2.31) cm, 群落结构趋于复杂化, 这是由于湿地生境的改变促进了植物的种间竞争。土壤含水量随着湿地退化处于下降趋势,出现了许多旱生或需水量较低的植物[22]。植被盖度随湿地退化呈下降趋势, 从阶段1的64%下降到阶段3的48.6%, 随退化梯度加深, 裸地面积逐渐增大。地上生物量在退化阶段2最高, 造成这一结果的原因是由于湿地与草地间的过度阶段, 既有一定的湿地植物又有草地植物。植被高度随退化的加剧逐渐降低, 湿地植物逐渐减少, 毒杂草增多。

表2 高原湿地不同退化阶段植物群落特征Tab. 2 Characteristics of plant communities at different

根据2015年8月对玛多县湖泊湿地调查结果(表3), 5个湖泊湿地中均未出现豆科植物。禾本科植物盖度在阶段1是最大的, 并且阶段1与阶段2和阶段3之间差异显著(P＜0.05), 阶段2与阶段3 之间差异不显著。莎草科植物盖度在阶段2是最大的, 且阶段2与阶段1和阶段3之间差异显著(P＜0.05), 阶段1与阶段3之间差异不显著。毒杂草类植被盖度在阶段3最大, 各阶段之间差异不显著。这一结果也验证了我们人为划分的3个退化阶段。

湿地面积的变化主要是由土壤含水量引起的,玛多县湿地面积变化的主要因子是降水量[23]。多重比较分析不同退化阶段的土壤含水量, 得出3个阶段之间土壤含水量差异显著(P＜0.05, 表5)。土壤含水量与其他植被因子的相关性分析(表4), 得出土壤含水量与植被高度和植被丰富度显著相关(P＜0.05)。从图2和图3可以看出, 以土壤含水量为横坐标, 植被高度和植被盖度为纵坐标, R2分别为0.143和0.155,高原湖泊湿地与退化湖泊湿地之间区别明显, 湖泊湿地土壤含水量明显大于30%, 退化湖泊湿地小于20%。

表3 植物经济类群在高原湿地各退化阶段的分布情况Tab. 3 The distribution of plant communities in each degradation

表4 土壤含水量与湖泊湿地植被特征的相关性Tab.4 Correlation between soil moisture content and vegetation characteristics of lacustrine wetland

图3 土壤含水量与植被丰富度的关系Fig.3 Relationship between soil moisture content and vegetation richness

3.2 湖泊湿地土壤物理性质

由表5可知, 玛多县湖泊湿地退化过程中随着退化加剧, 土壤温度在逐步的升高, 阶段1上层高于下层。土壤含水量在阶段1、阶段2和阶段3之间差异显著(P＜0.05), 湖泊湿地在阶段1土壤含水量最大,为31.93±1.90%。根据表3中土壤质地的结果并结合卡庆斯基土壤质地分类表可知, 玛多县湖泊湿地退化土壤皆为砂壤土, 随着退化程度的加剧, 小于0.01 mm物理黏粒含量基本上呈现减少的趋势, 各阶段之间差异不显著。

表5 不同退化阶段湖泊湿地的土壤物理性质变化Tab.5 The changes of soil physical properties of lacustrine wetland at different stages of degradation

3.3 湖泊湿地土壤化学性质

土壤含水量与土壤化学因子的相关性分析结果表明(表6), 土壤含水量与土壤全N和土壤全K2O是极显著相关的(P＜0.01), 与土壤有机质是显著相关的(P＜0.05)。土壤含水量与全N和土壤有机质呈正相关, 随着土壤含水量的增加而增加, 从图4中可以明显看出湖泊湿地与退化湿地之间的区别。土壤含水量与土壤全K2O是负相关的, 随着土壤含水量的增加而减少(图4)。

表6 不同退化阶段湿地土壤含水量与土壤化学性质的相关性Tab.6 Correlation between soil water content and soil chemical properties

图4 土壤含水量与土壤化学性质的显著相关性Fig. 4 Significant correlation between soil water content and soil chemical properties

土壤有机质、氮素和磷素等是土壤主要的养分指标, 同时有机质还是形成土壤结构的重要因素,直接影响土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蚀能力和土壤容重等, 是土壤特性的重要指标之一[23]。从表7可见, 高原湖泊湿地退化中不同退化阶段土壤的pH都大于7, 说明玛多县湖泊湿地土壤偏碱性, pH也随退化程度加剧在增加, pH在阶段1和阶段2与阶段3之间差异显著(P＜0.05)。其余各土壤养分因子各阶段之间均无显著性, 但是都呈现一种递减或者递增的规律。有机质随湿地退化加剧而减少, 同一梯度下呈现上层高于下层的规律。退化过程中土壤全N、全P2O5、碱解N和速效P随湖泊湿地退化加剧而减小, 这显然与有机质分解、凋落物的影响有关。玛多县湖泊湿地退化各阶段土壤全K2O和速效K,随湖泊湿地退化加剧而增加, 这是因为矿物钾主要存于土壤粗粒部分, 约占全钾90%左右, 植物极难吸收,所以逐步的积累起来, 从而使速效钾也在缓慢的增加[24]。

表7 不同退化阶段湖泊湿地的土壤化学性质变化Tab.7 Changes of soil chemical properties of lacustrine wetland in different stages of degradation

4 讨论

湖泊湿地退化包括植物群落特征的变化和土壤理化性质的退化, 二者相互作用。随着湖泊湿地的退化植物丰富度明显增加, 而植被盖度、地上生物量和高度都在降低。湖泊湿地中植被丰富度和植被盖度相比于其他类型的湿地显得更低一些, 这是因为湖泊湿地非常容易受湖泊湖水的影响, 在湖水比较多时, 湖泊湿地中有一部分是水体, 而在湖水较低时, 水生植物枯死, 有一部分是由淤泥组成的, 这一数据结果与文献报道高原湖泊湿地结果接近[21]。湖泊退化的加剧使得群落的结构趋向复杂, 毒杂草增加,丰富度越来越大。这一结论与黄河源区河漫滩湿地的退化[25]和鄱阳湖湿地[26]中植物多样性的变化趋势相同, 这是因为气候变化以及冻土消融的结果[27],过度放牧等人类干扰活动加剧了高原湿地的退化28]。玛多县位于青藏高原腹地, 第一产业是牧业, 绝大部分经济收入依赖于畜牧业, 扩大牲畜数量来实现经济增长。所以说玛多县湿地退化主要是由放牧过度导致。玛多县退化的湖泊湿地土壤皆为砂壤土,随着退化程度的加剧, 小于0.01 mm物理黏粒含量基本上呈现减少的趋势, 土壤水分也是呈现减少的趋势。土壤水分的多少能够直接影响湿地植物群落的演替[29]。土壤的温度是随着退化的加剧而升高,湿地土壤温度的这种变化同时也说明, 随着湿地的退化, 湿地的冷湿效应也受到影响, 湿地土壤的热力学特性遭到破坏[30]。湿地的退化直接的响应是土壤水分的减少, 进而影响的是土壤的物理特性和化学特性[31]。

高原湖泊湿地土壤pH大于7, 说明该地区湿地土壤为碱性。随着湿地退化的加剧, 有机质、全氮、碱解氮、全磷和速效磷含量基本都随着湿地退化而递减, 但没有明显的差异显著性。速效钾含量与全钾含量增加, 可能是土壤全K含量主要与成土母质密切相关[32]。随着退化程度的加剧, 土壤环境不断恶化, 土壤质量逐渐降低, 养分含量也逐渐减少。Amador等[33]认为, 土壤水份和碳、氮、钾等养分之间的有机耦合是通过水分状况调节的生态交互作用而实现, 湿地的退化首先是水分的减少, 进而影响其他的土壤养分的退化。这是由于人为活动和过度放牧, 湿地植被不断退化, 地表凋落物逐渐减少,裸露土壤受风吹及雨水的冲刷, 造成土壤流失, 土壤中的营养元素也随之流失, 且随着退化过程的加剧, 土壤性状逐渐趋于恶化。

高原湖泊湿地退化过程中土壤与植被的变化受多种因子的影响, 与气候因子(降水、气温、辐射等)、土壤动物和微生物数量等其他生态因子的关系,本文未能考虑, 有待于进一步研究分析。

5 结论

随着高原湖泊湿地的退化, 植被丰富度明显增加, 而植被盖度、地上生物量和高度都是降低的。高原湖泊湿地退化的加剧, 生境旱化使得植被群落的结构趋向复杂, 湖泊湿地优势种植物减少, 毒杂草植物增加, 丰富度变大。高原湖泊湿地的退化, 导致湿地土壤含水量明显下降, 随之伴随着湿地土壤全N和土壤有机质的显著下降, 而土壤全K2O有明显上升的现象。高原湖泊湿地的退化与气候变化和人类放牧活动的加剧有关。

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Characteristics of soil and vegetation in the process of lacustrine wetland degradation in the Yellow River source zone

LIU Kai1, LI Xilai1,*, JIN Liqun1, SUN Huafang1, LI Qingde2
1. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining 810016, China 2. Minhe Bureau of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai Province, Minhe 810800, China

The vegetation and soil characteristics of the degraded lacustrine wetlands located at Maduo County in the Yellow River source zone were studied in order to understand the process of wetland degradation. The results showed that with the degree of degradation in lacustrine wetland, the number of plant species iwas ncreased by (2±0.25), the vegetation coverage was decreased by (15.4 ±13.71) % and the height was reduced by (1.8±2.31) cm. With the increase of degradation degree, the soil temperature was rose by (0.76±0.11) ℃, and the water content was decreased by (11.9±1.15%). Soil texture was sandy loam, clay content was decreased by (1.3±0.4) (less than 0.01 mm), and soil pH was increased from 8.42 to 8.52. In the vertical direction, the nutrient content of wetland soil in upper level was higher than the lower level in Maduo. The organic matter, total N, total P2O5, available N and available P were decreased with the increase of degradation degree, but total K2O and available K were increased. This study can provide basic background data for ecological restoration of lacustrine wetlands in the Yellow River source zone.

lacustrine wetland; degradation degree; vegetation characteristics; soil physical and chemical properties; the Yellow River source zone

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.004

S812

A

1008-8873(2017)03-023-08

刘凯, 李希来, 金立群, 等. 黄河源湖泊湿地退化过程土壤和植被的变化特征[J]. 生态科学, 2017, 36(3): 23-30.

LIU Kai, LI Xilai, JIN Liqun, et al. Characteristics of soil and vegetation in the process of lacustrine wetland degradation in the Yellow River source zone[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 23-30.

2016-12-12;

2017-1-20

国家重点研发计划项目(2016YFC0501903); 青海省科技厅项目(2015-SF-117); 农业部公益性行业(农业)科研专项(201203041); 国家国际科技合作专项项目(2015DFG31870); 教育部长江学者和创新团队发展计划(IRT13074)

刘凯(1992—), 男, 青海互助人, 在读硕士, 主要从事高寒湿地退化与生态修复研究, E-mail:953457883@qq.com

*通信作者:李希来, 男, 河南孟津人, 博士生导师, 教授, 主要从事高寒草甸生态学和高原生态修复研究, E-mail: xilai-li@163.com