无纺布对不同坡度高寒退化草甸地上植被和土壤理化特征的影响

高志香, 梁德飞, 李宏林, 李希来,

无纺布对不同坡度高寒退化草甸地上植被和土壤理化特征的影响

高志香1, 梁德飞2, *, 李宏林2, 李希来1, 2

1. 青海大学农牧学院, 西宁 810016 2. 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室, 西宁 810016

当前三江源区高寒草甸在气候变化和人类活动作用下已经大面积退化。由于该区域地势复杂, 除滩地之外, 不同坡度的退化草地治理技术研究亟待加强。针对退化草地恢复已有大量研究, 然而对草地干扰相对较低的无纺布覆盖技术研究薄弱。基于以上, 在三江源区不同坡度的高寒退化草甸通过铺设无纺布, 来探讨无纺布对不同坡度退化草地植被及土壤理化性质的影响。结果发现: 缓坡地地上生物量、植被高度、土壤水分显著低于陡坡地; 无纺布覆盖能显著提升植被地上生物量、盖度、物种分盖度和、含水量以及碳、氮积累; 且对缓坡地植被地上生物量、物种分盖度和及土壤水分的促进幅度更大。因此无纺布覆盖对植被及土壤提升效应说明这是一项适宜于高寒退化草甸的恢复技术, 特别对水热条件相对较差的缓坡退化草地治理中, 此项技术适宜推广。

无纺布; 地上植被; 土壤理化; 缓坡陡坡; 高寒退化草甸

0 前言

近年来, 气候变化和人类活动干扰导致三江源区高寒草甸出现大面积退化[1-3],不仅限制区域畜牧业可持续发展, 也威胁我国大部分区域生态安全,因此高寒区退化草地的恢复治理迫在眉睫[4]。

高寒、低氧的严酷环境决定了高寒草甸生态系统的脆弱及难以恢复性[5], 因而对退化草地进行适度的人工干预促进恢复是必要措施。先前广泛应用于退化草地恢复的施肥、播种、围栏封育等各种措施中[6-7], 无纺布技术对退化草地恢复的研究相对匮乏。牧草返青期是植被生长最关键阶段[8], 在此时进行无纺布覆盖有助于土壤保水保墒, 降低土壤温湿度波动; 还能保障种子萌发所需的水热条件, 促进土壤种子库的萌发[9-10]; 也有助于促进牧草建植, 提升牧草营养的可利用性[11], 以及退化草地的恢复力。同时, 无纺布易降解(一般在铺设25天后能完全降解)[12], 成本低廉(21元·亩), 覆盖于地表对草地的干扰较低, 有较大的推广潜力。而先前关于无纺布的研究大多集中于育苗、草坪管理等方面[13], 在高寒区草地退化治理中的研究报道极少。

青藏高原三江源区地形复杂, 草地分布坡度差异很大, 且大部分高寒草地分布在7°以上坡地。其中缓坡地(7°≤坡度＜25°)占高寒草甸总面积的35%, 陡坡地(坡度≥25°)占总面积的7%。受气候、土壤理化特征等因素影响, 坡地植物群落的退化驱动因子以及对干扰的响应等可能不同于滩地。然而以往研究多集中于小范围的滩地和坡度小于7°的草地, 而对大于7°的缓坡地和陡坡地很少涉及[14]。

本研究在三江源区高寒退化草甸进行无纺布铺设来探讨对不同坡度(陡坡地和缓坡地)地上植被和土壤理化特征的影响, 为区域退化草地的恢复治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究地概述

研究样地位于青海省果洛藏族自治州玛沁县大武镇(北纬34°25¢20.41¢¢, 东经100°19¢55.72¢¢, 海拔3768 m)。样地坡面朝向西偏北12.3°, 其中陡坡地平均坡度28°, 缓坡地平均坡度10°; 年均温-3.9 ℃, 年均降水量528.8 mm, 多集中与生长季6—9月, 年均蒸发量2471.6 mm, 无绝对无霜期; 该区域为典型高寒草甸植被, 由于过度放牧及气候变化等干扰至中度退化[15], 天然草地优势种矮生嵩草(), 高山嵩草(), 垂穗披碱草(), 草地早熟禾()逐渐为伏毛铁棒锤(), 黄帚橐吾()等毒杂草所替代, 且伴有裸斑地, 土壤为高山草甸土。

1.2 实验设计和样品采集

2018年5月初(牧草返青期), 在高寒退化草甸陡坡地和缓坡地分别围封100×100 m样地, 在其中随机选取8个10 m×10 m样地, 保证样地间距大于3 m。其中4个样地用一次性筷子将无纺布(规格: 20 g·m2)固定于地表, 设置为无纺布处理, 另外4个不做处理作为自然对照。无纺布铺设方向与坡向一致, 以降低风吹雨刷被破坏的风险。样地处理布置完成后, 在所有16个样地的地下10 cm处放置温、湿度观测探头(HOBO Pro, 美国), 连续监测无纺布降解前各处理的土壤温、湿度变化, 数据记录时间间隔1 h。无纺布铺设完成25 d后, 将未完全降解的无纺布人工去除。

2018年8月底(生长旺盛期), 在各处理样地中随机选取50 cm×50 cm样方进行植被调查, 共需调查样方16个。记录样方中出现的物种，确定物种丰富度, 目测法估测样方所出现物种的垂直投影面积以确定植被总盖度以及各物种的分盖度[16], 同时测量样方中所出现物种的高度(随机重复3次)。样方调查结束后, 将样方内地上部分齐地表剪下, 带回实验室60 ℃烘干48 h称重测定地上生物量(精确至0.0001 g)。并在每个样地中“S”型随机选点3个, 每个点用土钻取0—10 cm的表层土壤3次并混匀, 共需采集土壤样品48个。土壤样品带回实验室进行碳、氮、磷测定: 土壤碳利用TOC仪进行测定(岛津-日本), 土壤全氮、全磷经浓硫酸+催化剂消煮后利用流动注射分析仪测定(SEAL A++, 德国)[17-18]。

1.3 统计分析

双因素方差分析(ANOVA)检验无纺布覆盖和坡度对植被特征及土壤理化的影响, 随后用LSD法进行两两比较检验不同处理间的差异。SPSS 20.0进行数据分析, Origin Pro中完成作图, 显著性水平<0.05。

2 结果分析

2.1 无纺布对不同坡度地上植被的影响

不同坡度间地上生物量差异显著(表1): 陡坡地样方内平均地上生物量112.75 g, 显著高于缓坡地70.27 g(图1A); 同时无纺布覆盖能显著促进缓坡地植被地上生物量, 增大幅度32.95 g, 而对陡坡地地上生物量没有显著影响; 因此无纺布覆盖通过与坡度交互影响植被地上生物量(表1)。与地上生物量相似, 陡坡地植被平均高度16.63 cm, 显著高于缓坡地9.5 cm(图1B); 同时无纺布覆盖能显著提高缓坡地植被高度, 比对照高度增加了6.08 cm(图1B), 然而无纺布覆盖对陡坡地植被高度没有显著影响, 说明无纺布与坡度对植被高度存在显著的交互作用(表1)。与地上生物量和植被高度不一致的是, 样地植被平均盖度86.63%, 平均物种分盖度之和93.45%, 且在不同坡度间没有显著差异(表1)。而无纺布覆盖能显著影响植被盖度及物种分盖度(表1): 无纺布覆盖后, 缓坡地植被盖度升高9.25%, 显著高于对照, 而陡坡地植被盖度升高5.75%, 与对照差异不显著(图1C); 无纺布覆盖使得缓坡地物种分盖度之和升高43.03%, 陡坡地升高21.2%(图1D), 无纺布覆盖对缓坡地的促进幅度显著高于陡坡地, 因此与不同坡度存在显著的交互作用改变物种分盖度之和(表1)。另外, 实验样地平均物种丰富度22.36, 在本实验时间内, 坡度和无纺布处理以及二者相互作用都对其没有显著影响(表1)。

样方面积0.25 m2。灰色表示无纺布覆盖, 无色表示对照。不同小写字母代表相同坡度下处理间差异显著。不同大写字母表示不同坡度间差异显著。误差棒表示平均值±标准误(n=4)

Figure 1 The effect of non-woven fabric on above-ground biomass (A), height (B), coverage (C) and sum of species coverage (D) in steep and gentle slope

表1 双因素方差分析无纺布和坡度对高寒退化草甸地上植被特征的影响。

更重要的是, 所有实验监测植被特征中, 坡度对植被地上生物量影响最大(F=23.756), 陡坡和缓坡间差异达到极显著(<0.001, 表1); 无纺布处理对植被物种分盖度之和影响最大(F=67.534), 达到了极显著水平(<0.001), 其次是地上生物量, 植被总盖度和高度(表1); 无纺布覆盖和坡度的交互作用对植被高度的影响最大(F=8.571), 其次是物种分盖度之和, 地上生物量。

2.2 无纺布对不同坡度土壤理化的影响

缓坡地土壤温度9.76 ℃, 略高于陡坡地8.85 ℃, 但坡度间土壤温度没有显著差异(表2)。无纺布覆盖能显著影响土壤温度(表2), 表现为在缓坡地土壤平均温度升高1.91 ℃, 陡坡地升高1.23 ℃(图3A)。无纺布覆盖还能降低土壤温度的波动幅度, 陡坡地最大温差从对照的8.10 ℃下降至无纺布覆盖的6.20 ℃; 缓坡地土壤温差从对照的10.87 ℃下降至无纺布覆盖的6.47 ℃(图2A); 无纺布覆盖对温度波动的稳定效应在温度波动较大的缓坡地更明显(图2A)。

坡度间土壤水分差异显著(表2), 陡坡地平均土壤水分51.79%, 显著高于缓坡地41.54%(图3B)。无纺布覆盖能显著提升土壤水分含量(图3B), 且与坡度存在显著的交互作用(表2): 表现在无纺布覆盖后缓坡地土壤水分升高19.12%, 高于陡坡地的12.04%(图3B)。与土壤温度相似, 无纺布覆盖能降低土壤水分的波动: 表现为陡坡地土壤水分的最大差值从对照的23.23%下降至无纺布覆盖后的9.53%,缓坡地土壤水分最大差值从18.13%下降至无纺布覆盖的6.27%(图2B)。

图2 无纺布覆盖后25 d内平均土壤温度(A)和土壤水分(B)的日变化。

Figure 2 Change of the average soil temperature (A) and soil moisture (B) after non-woven coverage 25 days

灰色表示无纺布覆盖, 无色表示对照。不同小写字母代表相同坡度下处理间差异显著。不同大写字母表示不同坡度间差异显著。误差棒表示平均值±标准误(n=4)

Figure 3 The effect of non-woven fabric on soil temperature (A), soil water (B), the content of soil carbon (C) and soil nitrogen (D) in Steep and gentle slope

表2 双因素方差分析无纺布和坡度高寒退化草甸土壤特征的影响

不同坡度退化草地土壤碳、氮、磷含量没有显著差异(表2)。无纺布覆盖显著影响土壤碳、氮含量(表2), 表现为无纺布覆盖后土壤碳含量在陡坡地从44.44%上升至52.87%, 在缓坡地从46.09%上升至53.15%(图3C); 同时土壤氮含量在陡坡地从2.61 mg·g-1上升至3.83 mg·g-1, 在缓坡地从2.81 mg·g-1上升至3.67 mg·g-1(图3D); 无纺布覆盖和坡度对土壤碳、氮含量没有显著交互作用(表2)。与土壤碳、氮变化不一致的是, 样地平均土壤磷含量0.46 mg·g-1, 在不同坡度间没有显著差异, 且对无纺布覆盖没有显著响应(表2)。

同时, 无纺布处理对土壤水分的提升效应最大(F=164.486), 其次是土壤氮含量, 碳含量以及土壤温度(表2)。

3 讨论

研究样地坡向西偏北12.3°, 属阴坡朝向, 能接受的阳光辐射更少, 因此蒸腾散更低的陡坡地土壤温度较低而水分相对丰富。植物生长水分限制被缓解, 从而初级生产力更高, 长势更好[19]。尤其是群落中水分利用效率较低的杂草类群[20], 如黄帚橐吾、刺参植株较大, 且生物量及高度更高, 因此在水分条件较好的陡坡地更适宜于其生长, 可以进一步提升陡坡地平均地上生物量及植被高度(图1A, B)。

无纺布具有防潮, 隔热以及透气等性能[21], 铺设于地表阻隔了大气与土壤的直接接触, 这种类似于凋落物沉积的缓冲作用不仅能延缓气温的剧烈变化对土壤过程的负影响, 也能减少土壤水分的蒸腾散失[22], 因此无纺布覆盖能适度提升土壤温湿度, 并使之维持在相对稳定的水平(图2, 图3A, B)。更重要的是, 在蒸腾散更大, 土壤水分更匮乏的缓坡地, 无纺布覆盖对土壤含水量的提升幅度更大(图1B)。无纺布对土壤温湿度的正效应有益于土壤微生物活动[23]。土壤温湿度的提升以及维持稳定的范围有助于促进土壤微生物代谢水平, 利于微生物多样性增加, 也有利于胞外酶活性的升高[24]。如参与土壤碳积累的葡萄糖苷酶活性随土壤温度(一定范围内)升高, 以及环境稳定性的升高而升高[25], 从而不论在陡坡、缓坡, 无纺布覆盖亦能促进土壤碳积累(图3C)。微生物作用的土壤碳积累增多, 缓解微生物生产脲酶、蛋白酶的碳限制[26], 从而协同促进土壤氮含量的提升(图3D)。大量研究表明土壤养分匮乏是导致高寒草甸大面积退化的关键因素[27], 因此无纺布覆盖不仅仅改善土壤温湿度等微生境, 还能通过促进土壤养分过程(碳、氮积累)而延缓草地退化。另外, 与土壤碳氮表现不一致的是, 无纺布覆盖对土壤磷动态没有显著影响, 可能是由于相对于氮, 生态系统磷循环相对封闭, 磷元素不是此区域的限制因素[28-29]。

生态系统地上-地下过程相互作用, 相互反馈[30], 因此无纺布调控的土壤理化进程进一步改变地上植被特征(表1)。地上生物量及物种分盖度之和因无纺布的覆盖而显著增高, 且在水热波动较大的缓坡地, 无纺布对地上生物量和物种分盖度和的提升效应更大。其原因是无纺布覆盖后形成的更稳定、波动更小的温湿度环境不仅仅在整体上促进植物生长, 而且直接促进生物量增加[31]; 也能显著促进禾本科类群(披碱草、冷地早熟禾等)簇生营养叶片的生长[32], 这种生长使群落叶片重叠面积增大, 因此无纺布覆盖后物种分盖度之和在缓坡地上升幅度更大。促进禾本科类群的生长, 有助于草甸层的稳定而减缓草甸裸斑地的扩散[33]。同时, 本研究所选样地均为中度退化草地, 植被特征相似的同时伴生着相近面积的裸斑地, 牧草返青期进行无纺布覆盖的适宜微生境条件有利于土壤种子库的萌发建植, 从而延缓退化草地裸斑地的扩散, 促进了草地的恢复[34]。同时, 无纺布覆盖能增高缓坡地植被高度却对陡坡地植被高度没有影响, 甚至表现出降低的趋势(图1B), 这种此消彼长过程导致无纺布覆盖对植被平均高度没有显著影响, 但能和坡度交互影响植被高度(表1)。其原因可能是无纺布覆盖增大禾草类群簇生营养叶片的同时, 降低了对其茎秆及种子等繁殖体能量分配。虽然涉及此过程的潜在机理尚需进一步深入探讨, 然而无纺布覆盖通过限制禾本科类群的茎秆生长而降低了植被平均高度[35]。同时植被高度的提升能有效的限制草地啮齿动物的种群扩散[36], 从而间接的促进退化高寒草地的恢复[37]。另外, 物种的竞争、建植、生态位建立等过程所需时间较长[38], 即便在无纺布覆盖的人工干预下, 因此在不同坡度间和处理间植被物种丰富度没有显著差异(表1), 尚需延长观测时间, 持续监测不同坡度条件下植被演替动态。

综上所述, 无纺布覆盖通过提升土壤理化性质而有益于退化草地地上植被生长而促进了高寒退化草甸的恢复。更重要的是, 无纺布覆盖在显著提升缓坡退化草甸土壤温湿度水平的同时有助于稳定植被生长的土壤微环境, 从而促进植被生长, 因此是一项适宜于高寒退化草地的恢复技术, 特别是对水分等立地条件更差的缓坡退化草甸。

4 结论

在青藏高原高寒退化草甸, 无纺布覆盖有助于土壤保水保墒, 并能促进土壤碳氮积累, 从而通过改善系统地上-地下反馈过程而促进植被地上生物量, 植被高度及盖度的增高。因此牧草返青季铺设无纺布能有效的延缓高寒草地退化, 特别在蒸腾散、水分限制更大的缓坡草地, 是一项较有效、经济的恢复措施。

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Effect of non-woven fabric coverage on plant vegetation and soil characteristics of steep-gentle slope degraded grassland in Qinghai-Tibet Plateau

GAO Zhixiang1, LIANG Defei2,*, LI Honglin2, LI Xilai1

1. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining 810016, China 2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China

In recent years, climate change and human activities have aggravated the degradation of alpine meadow in Qinghai Tibetan, in which had the characteristic of complex terrain and large slope span. Multiple restoration measures for degraded grassland were set in this area. Among these methods, the technology of relatively low interference to grassland- non woven fabric coverage could reduce the loss of water, and stabilize the fluctuation of soil temperature, which was more widely used in restoration of degraded grassland. However, the research for this technology was rare in alpine degraded meadow, especially on the habitat of different slopes. The study tested the effect of non-woven fabric coverage on the plant vegetation and soil physicochemical characteristics of alpine degraded meadow in gentle and steep slope. The result suggested that the plant above-ground biomass, average height, and the content of soil water in gentle slope were lower than in steep slope. Moreover, above-ground biomass, vegetation coverage, the sum of species coverage, soil water, and the content of soil carbon and nitrogen were promoted on non-woven fabric coverage. The interaction between non-woven fabric and slope significantly promoted the plant above-ground biomass, the sum of species coverage and the content of soil water, and the magnitude of positive effect was higher in gentle slope. These findings suggested that the non-woven fabric coverage was a suitable way for restoration of alpine degraded meadow, especially in gentle slope.

non-woven fabric; plant vegetation; soil characteristics; gentle and steep slope; degraded alpine meadow.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.002

S812.3

A

1008-8873(2021)05-008-08

2016-01-05;

2016-06-27

国家自然科学基金(31901380); 青海省自然科学基金(2018-ZJ-969Q)

高志香(1996—), 女, 青海湟中人, 硕士研究生, E-mail: 2047581599@qq.com

通信作者:梁德飞, 男, 讲师, E-mail: liangdefei-go@163.com

高志香, 梁德飞, 李宏林, 等. 无纺布对不同坡度高寒退化草甸地上植被和土壤理化特征的影响[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 8-15.

GAO Zhixiang, LIANG Defei, LI Honglin, et al. Effect of Non-woven fabric coverage on plant vegetation and soil characteristics of Steep-Gentle slope degraded grassland in Qinghai-Tibet Plateau[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 8-15.