松嫩中部草地退化对植被和土壤特性的影响

刘晓丽，刘艺杉，孙立强，孙 涛

(1.淮北师范大学生命科学学院,安徽 淮北 235000； 2.克劳沃(北京)生态科技有限公司,北京 100029)

松嫩草原是我国十大重点牧区之一，不仅是东北重要的草业和畜牧业生产基地，也是东北西部重要绿色生态屏障[1]。该区处于温带半湿润-半干旱过渡带，具有典型的过渡性和脆弱性，抗外界干扰能力较弱[2]。长期以来，在气候变暖、超载过牧、石油开采和农田垦殖等人类活动影响下[3]，松嫩草地生态系统结构和功能严重受损，导致草地植被退化、土壤盐碱化加剧、生物多样性减少、水土调控功能下降等问题，严重威胁到当地草地生态系统的可持续发展[4-6]。有研究表明，草地退化演替可以改变植被群落特性和土壤养分肥力状况，导致草地生态系统结构功能退化[7-8]。研究不同退化阶段草地的植被和土壤性状，有助于深入理解草地植被群落演替、土壤生态和养分动态变化过程，能为退化草地恢复以及草地资源的可持续利用提供科学依据。当前，有关松嫩草地研究大多集中在草地群落退化演替阶段划分[9]，植被叶片化学计量特性[10-11]，羊草(Leymuschinensis)种子发育进程、休眠特性、光合作用以及植被耐盐碱性[12-14]，羊草功能性状和地上生物量对氮素添加的响应以及松嫩平原栽培牧草对草地土壤氮素添加的响应[15]，不同退化演替阶段植物与土壤关系[7]，土壤水分及盐渍化时空动态[16]，盐碱化草地恢复治理修复等方面[17]。对针对松嫩平原中部草地退化演替对植物群落和土壤性状的影响还需进一步深入研究。本研究拟对该区草地退化演替过程中植被和土壤特性的变化进行分析，以期为松嫩平原草地生态系统恢复和治理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于松嫩平原中部黑龙江省大庆市境内，45°46′-47°02′ N,123°13′-123.16′ E。该区属于温带半湿润季风气候，有明显大陆性季风气候的特征：春季干旱多风，降水稀少，地表蒸发剧烈；夏季降水集中，冬季降雪较少。海拔150～-180 m，年均温4.2℃，≥10 ℃积温2 765 ℃·d，无霜期127～175 d，年日照时数2 600～2 900 h。年降水量400～500 mm，集中在6-9月，占总降水量的80%以上。地带性土壤为黑钙土和地带性盐碱土，pH为7.5～9.0。羊草为广泛分布优势种，其他天然植被主要物种有野古草(Arundinellahirta)、佛子茅(Calamagrostisepigeios)、线叶菊(Filifoliumsibiricum)；盐碱地土壤分布有碱茅(Puccinelliadistans)、碱蓬(Suaedaglauca)等群落。

1.2 样地设置与调查

在研究区参照相关文献依据放牧强度、人类干扰及草地利用现状，将草地退化演替依次分为对应的典型植被群落[7]，选择羊草群落(L.chinensiscommunity,LCC)，野古草群落(A.hirtacommunity,AHC)，碱茅群落(P.distanscommunity,PDC)和碱蓬群落(S.glaucacommunity,SGC)作为研究对象，分别代表轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化4个草地退化演替阶段。草地利用类型主要以刈割和放牧为主。2013年秋，在每个样地内随机设置5个1 m×1 m样方进行植物群落物种组成、高度、盖度和生物量等数量特征调查。植被特性调查的同时，在各样地内分别采集土壤0-10、10-20和20-30 cm土层，5次重复。混匀后带回实验室，风干后，挑去砾石和根系后，密封贮放待测。

1.3 土壤测定方法

土壤容重和孔隙度等物理性质用环刀法取样测定，土壤紧实度用TJSD-750型土壤紧实度仪在样地内按“S”型路线测定，每一土层重复测定10次。其他经过预处理后的土壤样品，参照相关文献[18]，分别进行土壤全氮含量(凯氏定氮法)，全磷含量(氢氧化钠碱熔-钼锑抗比色法)，全钾含量(火焰光度法)，有机质含量(采重铬酸钾容量法)，速效P含量测定(碳酸氢钠法)，速效K含量(火焰光度法)，速效N含量(碱解扩散法)。

1.4 数据分析和处理

植物群落特征分析参考相关文献按以下公式进行计算[19-20]。

丰富度指数(Richness):R=S

(1)

物种多样性Shannon-Wiener指数：

(2)

(3)

式中：Pi为物种i的重要值，S为物种数。

有关数据采用Excel和SPSS 18.0统计软件分析，对植被和土壤各特性指标进行单因素方差分析和LSD检验。

2 结果与分析

2.1 不同退化草地演替阶段植被群落特征

不同退化演替阶段植物群落特性间较大差异，除了不同演替阶段优势种植物不同之外，其他植被群落特性也有很大差异(表1)。物种丰富度、均匀度指数、H′指数和生物量从大到小变化趋势均表现为羊草群落>野古草群落>碱茅群落>碱蓬群落，而群落高度则表现为野古草群落>碱茅群落>羊草群落>碱蓬群落。极度退化碱蓬群落不仅物种较为单一、生物量小，而且群落盖度和多样性指数也较小；中度退化野古草群落的物种数和物种丰富度介于羊草和碱蓬群落之间。

2.2 不同退化演替阶段土壤物理特性

2.2.1土壤水分和容重 草地植被退化对土壤水分和容重含量影响明显(表 2)。土壤水分含量总体表现为羊草群落显著高于其他退化阶段植被群落类型(P<0.05)，但野古草、碱茅和碱蓬群落之间，水分含量呈现出一定的空间垂直异质性，随着土层深度增加，植被群落土壤含水量有下降趋势。土壤容重在0-30 cm土层中，羊草群落和野古草群落之间无显著差异(P>0.05)，但均显著小于碱蓬群落和碱茅群落(P<0.05)。

2.2.2土壤紧实度 土壤紧实度又称之为土壤硬度或土壤坚实度，是土壤物理性状的重要指标之一。土壤紧实度随着土壤土层深度的增加而增大(表2)；不同草地退化演替阶段,羊草群落和野古草群落的土壤紧实度显著小于碱茅群落和碱蓬群落，其中碱蓬群落土壤紧实度显著高于其他群落类型(P<0.05)，但羊草群落和野古草群落间未见显著差异(P>0.05)。

2.2.3土壤孔隙度 土壤孔隙度是反映土壤通透性的重要指标。各植被群落间土壤总孔隙度均随土壤深度的增加不断减小，同一土层不同植被退化演替阶段总孔隙度有所不同(表2)。10-20 cm土层羊草和野古草群落土壤孔隙度显著小于碱茅和碱蓬群落(P<0.05)，20-30 cm土层碱茅群落土壤孔隙度显著大其他植被退化阶段群落类型(P<0.05)。

2.3 不同退化草地对土壤化学特性的影响

2.3.1土壤全量C、N、P、K 含量变化 各退化梯度间土壤全量养分随土层深度增加而下降，土壤有机质、全氮、全磷和全钾均随土层加深而减小(图1)。不同植被退化阶段同一深度土层土壤全量养分表现不同变化趋势，羊草群落和野古草群落土壤有机质和全氮含量显著高于严重退化的碱茅和碱蓬群落(P<0.05)。但是土壤全磷的含量却表现为轻度退化羊草群落含量最高，重度碱茅群落和极度碱蓬群落含量居中，中度退化草地野古草群落含量最低。土壤全钾含量在4个不同退化草地处理之间未呈现出明显差异(P>0.05)。

表1 不同退化阶段植被群落特征Table 1 Characteristics of the different degradation stage of vegetation

LCC为羊草群落，代表轻度退化，AHC为野古草群落，代表中度退化，PDC为碱茅群落，代表重度退化，SGC为碱蓬群落，代表极度退化，不同小写字母表示同一项目不同退化阶段间差异显著(P<0.05),下同。

LCC is theL.chinensiscommunity, representing light degradation; AHC is theA.hirtacommunity, representing middle degradation; PDC is theP.distanscommunity, representing heavy degradation; and SGC is theS.glaucacommunity, representing extreme degradation. Different lowercase letters indicate significant differences between the different communities at the 0.05 level, similarly for the following tables and Fig. 1.

表2 不同土层不同退化草地土壤物理特性Table 2 Soil physical properties in different soil layers under different degradation stage of grassland

图1 不同退化阶段草地土壤有机质、全氮、全磷和全钾的含量Fig. 1 Content of soil organic matter, total nitrogen, total phosphorus and total kalium under different degradation stage of grassland

2.3.2土壤速效N、P、K 含量变化 不同退化草地之间土壤速效N、P、K含量有较大差异，速效N、P、K含量分别在16.38～65.32、3.19～8.27和70.05～88.61 mg·kg-1之间变化(表3)。轻度退化草地羊草群落土壤速效N和速效P显著高于重度和极度退化的碱茅和碱蓬群落(P>0.05)，除了0-20 cm土层土壤速效P在羊草和野古草群落间有显著差异外(P<0.05)，其他土层这两个群落间土壤速效N和P未有显著差异(P>0.05)。与速效N和P的含量不同，0-30cm土层土壤速效K在碱茅群落含量显著高于其他3个群落(P<0.05)。

表3 不同退化草地阶段土壤速效N、P、K含量Table 3 Content of available nitrogen, available phosphorus and available kalium under different degradation stage of grassland

3 讨论

3.1 不同退化草地对植被群落特性影响

不同退化草地间植被群落特性有较大差异。本研究中草地退化，植被群落主要植物种的地位发生明显的替代变化分异。轻度退化阶段草地植被群落主要由羊草、中华隐子草、寸草苔(Carexduriuscula)和贝加尔针茅(Stipabaicalensis)等物种组成。而中度退化阶段，羊草等群落上层的建群优势种受到放牧压力的抑制，其丰富度逐渐减低，下层较为耐牧和低矮的丛生禾草和豆科植物逐渐得到发展，因此整个植被群落优势种演变为野古草，群落高度随之下降，这与之前研究发现的随着放牧强度增加导致植物群落特性变化的研究相似[9]。因家畜长期、频繁啃食和践踏，加之刈割等人类活动的干扰导致该处草地原生植被发生退化，草地植被群落组成、结构和数量发生变化。随着退化演替的进行，植被物种下降、多样性指数下降，羊草等优势种数量减少，而与退化伴随而来的群落内入侵者如虎尾草(Chlorisvirgata)、角碱蓬(Suaedacorniculata)和碱茅等增加，最终演化成盐生植物的单优势种群落，类似的结果在汤洁等[21]对吉林西部退化演替草地的研究中得到印证。

3.2 不同退化草地对土壤物理性质的影响

从土壤含水量、容重、紧实度和孔隙度等方面来分析，羊草和野古草群落具有较好的土壤物理性质。本研究样区分布最广的羊草群落，随着放牧强度增加、牲畜喜食的优良牧草逐渐减少，羊草在群落中的优势地位逐渐发展变化，群落的种类组成出现明显分异，进而导致植物群落组成的变化。这样势必影响到草地植物凋落物的种类和数量，也在某种程度上改变了土壤中根系活、死根比重以及根系空间分布状况，这些均可在一定程度上对土壤容重、土壤保水和通透性等土壤物理性质产生作用。碱茅、碱蓬群落因地上生物量和凋落物较少，加之地表裸斑面积较大，导致地表蒸腾作用强烈，最终形成土壤的持水能力降低。此外，随着放牧强度增加，家畜畜蹄与草地的接触频率和面积加大，增强了对草地的践踏作用，使得土壤变得逐渐紧实，而且导致土壤团聚体结构的破碎化，也进一步致使土壤容重、紧实度和土壤砂粒含量沿退化演替梯度而增加。与其他草地退化诱因不同，在研究区域，石油开采等也是加剧草地土壤理化恶化的一个重要因子。本研究表明进一步确认植被退化演替对土壤物理性质有着显著的影响，这与之前其他研究人员的结果一致[21-22]。

3.3 不同退化草地对土壤化学性质的影响

土壤有机质是形成土壤结构和肥力的重要因子，也是土壤特性的重要指标之一，直接影响着土壤持水能力、水稳性团聚体、抗侵蚀能力以及容重等物理特性，对土壤其他化学特性也有重要影响[7,22]。研究表明自然状态下，植被群落特征和生物量，进而导致土壤化学性质和营养状况发生变化，研究发现群落生物量与土壤有机质和全氮呈正相关[7]。赵锦梅等[23]发现，凋落物归还量及分解速率是决定土壤养分含量状况和养分循环的主要因素。本研究中，羊草群落和野古草群落土壤有机质和全氮的含量高于碱茅和碱蓬群落，这与轻度和中度退化阶段生物量较高、凋落物量和分解归还到土壤中的养分数量有关。羊草和野古草群落植被盖度大、生物量高，土壤表层含丰富的植物凋落物残体，其腐熟分解后的可向土壤输移大量养分，增加土壤肥力，这可能导致本研究羊草和野古草群落土壤有机质、全量N、P和速效养分含量均显著高于碱茅、碱蓬群落的主要因子。除了生物量，植被群落特性与气候因素的耦合也会影响土壤化学特性的变化，在干旱气候条件，植被稀疏群落，土壤水分蒸发量大，蒸腾力带动深层土壤盐分向表层土壤迁移，造成土壤全N、全P、全K含量减低，进而最终导致碱茅和碱蓬群落土壤土壤养分含量较低，这与他人的研究报道类似[21]。

4 结论

松嫩中部草地植物群落组成和物种多样性均随草地退化演替发生了显著变化，草地植物群落组成和物种多样性均随草地退化演替发生了显著变化，羊草群落的物种丰富度、均匀度指数、多样性指数和生物量均高于其他3种植被退化演替阶段。草地退化对土壤理化性状有明显影响。羊草群落和野古草群落土壤有机质和全氮含量显著高于碱蓬群落和碱茅群落。土壤全磷含量以羊草群落最高，野古草群落含量最低。碱茅群落和碱蓬群落土壤的速效养分均小于羊草和野古草群落。植物群落在退化演替进程中，因不同群落组成、类型和生物量的不同，必然影响土壤特性，某一演替阶段的群落和土壤特性，是植被群落与土壤之间协同作用的结果。