黄河源流域单元退化高寒草甸空间分布及其对土壤理化性质的响应

张宇鹏， 吴笑天， 李希来*， 徐文印， 董心普， 王 苑，张 辉

(1.青海大学农牧学院， 青海 西宁 810016； 2.青海省自然资源综合调查监测院， 青海 西宁 810001；3.青海省地理空间和自然资源大数据中心， 青海 西宁 810001)

受海拔、坡度等自然条件的影响，不同区域的草地植被分布格局呈现明显地域分异特点[1-2]，高寒草甸是黄河源区主要的陆地生态系统类型。近年来，人类活动和气候变化导致黄河源区高寒草甸不断退化[3-5]。土壤是植物生长的物质基础，其结构与性质在空间分布上具有较大的差异性，因此在探究草地退化形成机制过程中土壤性质变化是众多学者关注的焦点，有研究表明土壤退化加剧了生物多样性水平的下降，加速了草地退化[6-8]。

黄河源是三江源区的重要组成部分，受青藏高原活跃的地质作用影响，其河流密布、沟壑纵横，呈现流域高山地貌单元，土壤理化性质表现出明显的空间异质性，因此在研究中将流域单元作为草地生态系统研究的基本单位是越来越多学者的共识。目前关于草地退化后对土壤理化性质产生的影响以及植被功能群与土壤属性间达到反馈平衡的研究较多，且这些研究大多是基于较小空间尺度的样点研究，探究了不同退化级别的高寒草甸土壤理化性质差异[9-10]。从流域单元土壤理化性质空间分布特征入手，探究其对草地退化的驱动作用的研究相对较少，因此基于典型流域单元探究退化高寒草甸分布对土壤理化性质的响应，对揭示黄河源草地退化地貌学机制具有重要的科学意义。

因此，本研究遵循青藏高原“山水林田湖草沙(冰)”生命共同体概念与理论，通过地理信息技术在空间尺度上探讨黄河源退化高寒草甸分布特征的基础上，选取典型流域单元研究其土壤理化性质空间异质性对退化高寒草甸空间分布特征的影响，为研究和分析基于流域单元黄河源高寒草甸退化关键驱动因子以及高寒草甸生态修复提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

黄河源位于三江源区东部，涉及青海省东南部17个县域，总面积合计11.70万 km2。区域内草地、林地、农田、荒漠等生态系统种类丰富。草地资源以高寒草甸、高寒草原为主，大部分区域海拔在3 000 m以上，气候寒冷干燥，多年平均温度-3.98℃，多年平均降水量309.63 mm，牧草生长期70～90 d(图1)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area注:本图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)1568号的标准地图制作，底图无修改Note：This map was made based on the standard map downloaded from the standard map service website of the Ministry of Natural Resources with the approval number GS(2016)1568. The base map has not been modified

1.2 退化高寒草甸释义

本研究所指的退化高寒草甸是指“黑土滩”退化草地，其特征是高寒草甸发生显著的秃斑化退化(如图2)。目前关于“黑土滩”退化高寒草甸的定义并不明确，其退化程度评价标准也不统一。本研究综合前人研究成果，根据实地测量与调研，发现发生“黑土滩”退化植被覆盖度小于70%时对草地生产力具有较大影响。因此本研究中退化高寒草甸是指原生植被覆盖度小于70%的“黑土滩”秃斑化退化高寒草甸[11-13]。

图2 退化高寒草甸示意图Fig.2 Schematic diagram of degraded alpine meadow

1.3 退化高寒草甸数据获取与验证

通过2018年7—8月多源高分辨率遥感影像获取退化高寒草甸数据，退化高寒草甸均发生于黄河源高寒草甸类、低地草甸类、山地草甸类等草地类型范围内。多源高分辨率遥感影像由青海省自然资源综合调查监测院提供，其中优于1.0 m分辨率主影像为“高分2号”卫星多源航空航天遥感影像数据，优于2.0 m分辨率副影像来源于“高分1号”“资源3号”“天绘1号”卫星影像数据。使用ENVI 5.4/IDL 8.6平台，遥感影像数据经几何校正、影像融合等遥感影像预处理流程，形成影像底图，并收集、整合基础地理信息数据及多行业专题数据形成辅助判读知识库。在此基础上通过实地踏勘、典型地类影像分析等方式建立退化高寒草甸典型解译标志。根据典型解译标志和辅助专题数据库，采用基于计算机算法自动分类识别和人机交互目视解译相结合的方式，开展退化高寒草甸的内业判读和解译；对内业判读难度较大的区域，通过实地踏勘、拍照取证等方式进行精度验证和补充判读修正，得到退化高寒草甸地表覆盖数据，退化高寒草甸斑块统计标准为≥400 m2(图3)。基于2020年所购买的“珠海1号”优于1.0 m高空间分辨率遥感影像，在研究区内随机选取和划分6个观测样区，每个样区400 km2，通过目视解译获得草地退化图斑主要验证数据集；选取研究区内典型退化草地样区，通过无人机航摄获得研究区内优于0.1 m高空间分辨率航拍影像，并进行目视解译获得草地退化图斑辅助验证数据集。将本研究所使用的退化草地图斑数据集与主要验证数据集和辅助验证数据集进行比对以验证数据质量。本次验证结果显示总体分类精度为98.93%，Kappa系数为0.977 2，退化草地图斑数据集的总体分类精度较高，Kappa系数位于0.80～1.00之间，表明高寒退化草地图斑分类结果精度非常好。

图3 退化高寒草甸识别流程图Fig.3 Flow chart of degraded alpine meadow extraction

1.4 退化高寒草甸坡度分析

使用分辨率为30 m的黄河源数字高程模型(Digital elevation model，DEM)数据，以1°为间距，在ArcGIS10.7平台中制作黄河源坡度图(图4)，结合黄河源退化高寒草甸数据分析其坡度分布特征。

图4 黄河源坡度图Fig.4 Slope inclination map of source region of Yellow River

1.5 典型流域单元选取与土壤样品采集

2019年8月，在黄河源范围内随机选取3个区域，每个区域选取3个典型流域，选取原则为“两河汇一河”的呈“Y”字形流域单元(图5)。在观察流域单元区域地形特征基础上，在每个典型流域中随机选取流域单元横断面3个，以河流为界，在每个横断面分别呈直线于山顶、山腰、山麓、阶地处设置6个采样点(图6)，其中点1与点6为坡顶区域，点2和点5为坡中区域，点3为阶地区域，点4为滩地区域，使用水平仪记录采样点坡度。在每个采样点使用土壤采样钻机随机采集3个土壤原状土柱，采集到碎石层为止，所采集的原状土柱直径10 cm，记录土层厚度后以20 cm为单位进行分割装袋密封保存带回实验室。所采集的土壤样品自然风干及碾碎后挑出大的植物根系及石砾，过0.25 mm筛装入密封袋保存待测。取样时高寒草甸处于正常放牧当中。

图6 采样点分布示意图Fig.6 Distribution schematic diagram of sampling points

1.6 土壤样品测定方法

土层厚度是指第一层碎石层以上土层的厚度，采用卷尺直接测量法测定；土壤水分含量采用烘干法测定，土壤水分含量(%)=(m湿土-m烘干土)/m湿土×100；土壤pH值采用pH计法(土水质量比1∶5)测定；土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定；土壤硝态氮含量采用酚二磺酸比色法测定；土壤铵态氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-蒸馏法测定；土壤速效磷含量采用钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量采用火焰光度法测定[14]。

1.7 数据处理

使用Excel记录整理数据并作图；采用SPSS(IBM SPSS Statiatics 20)软件对数据进行One-Way ANOVA统计分析和Duncan氏新复极差法进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 黄河源退化高寒草甸空间分布特征

本研究识别黄河源退化高寒草甸斑块合计45 804个，面积合计14 239.47 km2，占黄河源总面积的12.17%。退化高寒草甸在黄河源区17个县域均有分布，分布趋势表现为黄河源区域内西北和西南部分布面积明显多于东北和东南部(图7)。

图7 黄河源退化高寒草甸分布图Fig.7 Distribution map of degraded alpine meadow in the source region of Yellow River

黄河源退化高寒草甸在0°～1°坡度范围内分布最多，面积达到1 669.52 km2，在1°～2°坡度范围内面积为1 312.35 km2，2°～5°范围内随着坡度增加面积逐步有所增加，在4°～5°范围内达到1 093.45 km2，随后随着坡度的增加面积逐步减少，在54°之后无分布。但退化高寒草甸在31°～32°坡度范围内分布面积较30°～31°坡度范围内大(图8)。

图8 黄河源退化高寒草甸坡度分布图Fig.8 Distribution map of slope inclination of degraded alpine meadow in the source region of Yellow River

残差是在数理统计中实际值与拟合值(估计值)之间的差，残差蕴含了有关模型基本假设的重要信息，通过残差曲线的变化可以找到线性关系中的突变点。为更明显体现黄河源退化高寒草甸模型拟合曲线的函数特征，更精确分析黄河源退化高寒草甸坡度分布特征，提取模型拟合曲线的常规残差，根据各坡度残差值大小判断模型拟合曲线的突变点。图9的结果表明黄河源退化高寒草甸随坡度分布面积模型曲线共有4个突变点，分别出现在3°，7°，15°和32°。

图9 残差值分布图Fig.9 Distribution chart of residual value

2.2 流域单元地形地貌特征

表1结果表明，采样点1最大坡度36°、最小坡度31°、平均坡度34.00°，采样点2最大坡度36°、最小坡度29°、平均坡度32.67°，采样区域6最大坡度37°、最小坡度33°、平均坡度34.33°，采样点1，2，6坡度差异不显著。而采样点5最大坡度28°、最小坡度28°、平均坡度为28.00°，坡度显著低于采样区域1，2，6(P<0.05)。坡度最小的为采样点4，根据实地观察采样点4主要为滩地区域，最大坡度3°、最小坡度2°、平均坡度2.33°。而采样点3为阶地区域，最大坡度8°、最小坡度7°、平均坡度7.19°。因此，以河流为界，两侧坡面形态有所不同，采样点1和6坡度差异不显著；采样点5和2坡度差异显著(P<0.05)，而采样点4与采样点3坡度亦差异显著(P<0.05)。

表1 不同采样点的坡度及土层厚度Table 1 Slope and soil thickness of different sampling points

本研究中土层厚度是指第一层碎石层以上土层的厚度，土层厚度影响土壤水分养分运动与分布，两侧坡顶(采样点1和6)土层厚度分别为26.67 cm和25.00 cm，土层厚度差异不显著；采样点2土层厚度为53.33 cm，采样点5土层厚度为46.00 cm，采样点4土层厚度达到83.33 cm，采样点3土层厚度达151.67 cm。由此可见，坡面土层厚度呈现出由坡顶到坡麓逐渐增厚的趋势，阶地区域土层厚度显著高于其他区域(P<0.05)。

2.3 流域单元退化高寒草甸地形分布特征

结合黄河源退化高寒草甸分布数据以及流域单元地形数据，流域单元中坡度0°～3°区域为河谷滩涂，流域单元中坡度3°～7°区域为阶地，因此流域单元中坡度0°～7°区域为滩地-阶地区域，这一区域内退化高寒草甸数量最多，面积达到8 238.71 km2，占退化高寒草甸总面积的57.86%。流域单元中坡度7°～15°区域为坡地，随着坡度的增加退化高寒草甸面积逐步降低，流域单元中坡度7°～15°区域退化高寒草甸面积达到4 347.28 km2，占退化高寒草甸总面积的30.53%。流域单元中坡度15°～32°区域为陡坡地，流域单元中坡度15°～16°区域退化高寒草甸面积显著低于流域单元中坡度14～15°区域，流域单元中坡度32°～33°区域退化高寒草甸面积显著低于流域单元中坡度31°～32°区域，退化高寒草甸面积达到1 621.75 km2，占退化高寒草甸总面积的11.39%。退化高寒草甸在流域单元中坡度33°～54°区域内虽然也有所分布，但面积所占比例仅为0.22%。

2.4 流域单元土壤理化性质特征

2.4.1土壤水分分布特征 表2结果表明，由于地形、坡度、土层厚度有所不同，不同采样区域相同土层的土壤水分含量也有所不同，总体而言采样点3阶地区域不同土层含水量较低。同时6个采样点土壤含水量均表现出由表层向底层逐渐减少的趋势。这可能是主要由于黄河源区内降雨频繁但每次降水量不大，加之黄河源区内土壤水分蒸散量较大，因此土壤表层较为湿润，可供下渗水分较少，再加上土壤结构缺乏保水层不利于保水，下层土壤含水量较表层土壤低。

表2 不同区域土壤含水量Table 2 Soil moisture content of different regions

2.4.2土壤pH特征 由表3可知，6个采样点土壤pH值均表现出由表层土壤向底层逐渐增大的趋势。流域单元中0～20 cm土壤中，pH值最高的是采样点4，其次是点3、点1和点2，pH值最低的是点5和点6；20～40 cm土壤pH值最高的是采样点3和4，其次是点1和2，最小的是点5和6。因此，黄河源流域单元中坡底土壤pH值高于坡中和坡顶，且有阶地的缓坡一侧高于无阶地的陡坡一侧，这可能与两侧坡度不同，水分运移状态不同有关。

表3 不同区域土壤pH值Table 3 Soil pH of different regions

2.4.3土壤有机质分布特征 表4结果表明，6个采样点土壤有机质含量均表现为由表层向底层显著降低的趋势。相同土层中均是采样点5土壤有机质含量最高，其次是采样点4。在有阶地的缓坡一侧各层土壤有机质含量较无阶地的陡坡一侧变异程度小，这可能与缓坡一侧人类、动物活动更为频繁有关。

表4 不同区域土壤有机质Table 4 Soil organic matter of different regions

2.4.5土壤碱解氮分布特征 碱解氮在土壤中的含量不稳定，易受土壤水热条件和生物活动的影响而发生变化，但它能反映近期土壤的氮素供应能力。由表5可知，6个采样区域土壤碱解氮含量均表现为由表层土壤向底层显著降低的趋势，0～20 cm土壤碱解氮含量显著高于20 cm以下土壤，其中变异程度最大的是采样点3和采样点4。0～20 cm表层土壤中碱解氮含量呈现出由坡顶向坡底逐渐累积的趋势。土壤碱解氮含量的高低取决于有机质含量的高低和质量的好坏以及放入氮素化肥数量的多少。因此黄河源流域单元土壤碱解氮与土壤有机质的分布特征有一定的相似性。

表5 不同区域土壤碱解氮含量Table 5 Soil available nitrogen content of different regions

2.4.6土壤硝态氮分布特征 由表6可知，流域单元0～20 cm土壤中，硝态氮含量最高的是采样点1，含量达到25.87 mg·kg-1，其次是采样点2，5，6。硝态氮最低的是采样点3和4，含量分别为18.00 mg·kg-1和18.73 mg·kg-1。其余各层土壤中硝态氮含量也是坡顶高于坡底，这可能是由于受重力影响坡底土壤紧实度较高，土壤通气性差，氮素氧化状况比坡顶区域差。

表6 不同区域土壤硝态氮含量Table 6 Soil nitrate nitrogen content of different regions

2.4.7土壤铵态氮分布特征 黄河源区土壤铵态氮含量较硝态氮含量低。由表7可知，流域单元内土壤铵态氮在不同区域由表层土壤向底层逐步降低。流域单元中0～20 cm土壤中，铵态氮含量坡底高于坡顶，各层含量最高的是采样点3或4，分布特征趋势与硝态氮相反。

表7 不同区域土壤铵态氮含量Table 7 Soil ammonium nitrogen content of different regions

2.4.8土壤速效磷分布特征 速效磷是土壤有效磷储库中对植物最为有效的部分，也是评价土壤供磷水平的重要指标。根据表8可知流域单元内土壤速效磷含量在不同区域也是由表层土壤向底层逐步减少。流域单元中0～20 cm土壤中，速效磷含量最高的是采样点4，达到25.03 mg·kg-1，其次是采样点3，达到23.39 mg·kg-1，其他采样点速效磷含量介于12.67～18.22 mg·kg-1之间；其他不同采样点同一土层中速效磷含量差异并不显著，这可能与磷在土壤中移动性较差而且黄河源土壤中速效磷含量本身较低有关。

表8 不同区域土壤速效磷含量Table 8 Soil available phosphorus content of different regions

2.4.9土壤速效钾分布特征 速效钾包括土壤溶液钾及土壤交换性钾，表9结果显示，与有机质、碱解氮和速效磷一致，黄河源流域单元内土壤速效钾含量在不同区域由表层土壤向底层逐步减少，且在0～20 cm土壤中速效钾含量显著大于20 cm以下土壤。而流域单元中不同采样点同一土层中速效钾含量最高的均是采样点3，有阶地的缓坡一侧速效钾含量较无阶地陡坡一侧高。这可能是由于缓坡一侧土层薄，速效钾随着水分运移淋失速率更快。

表9 不同区域土壤速效钾含量Table 9 Soil available potassium content of different regions

3 讨论

在大空间尺度上不同区域土壤理化性质存在明显的差异[15-16]。本研究的结果表明由于特殊的地形地貌黄河源区内小空间尺度上土壤理化性质也有较大差异，同一流域单元中不同坡度区域土壤理化性质空间异质性也较为明显。

植被类型及其生长状况与土壤理化性质之间的关系密切，有研究表明在过度放牧及全球变暖的背景下草地土壤养分、水分供需失衡会致使草地退化[17-18]。随着退化程度的加剧土壤理化性质有较大的变化[19-21]。随着草地退化程度的加剧土壤水分、有机碳、铵态氮和硝态氮含量均降低，速效磷、速效钾含量也减少[22-25]。本研究的结果表明黄河源流域单元中草地土壤水分和养分含量随着土壤深度的增加显著降低，这与申紫雁、鲍根生、胡艳欣、高露、张丽娅等的结果一致[26-30]。因此前人关于草地退化导致了土壤水分、有机质含量显著降低，土壤养分减少的结论需要进一步探讨。土壤养分减少可能是由于草地底层土壤养分含量本身较低，草地退化水土流失致使底层土壤露出，其土壤水分、有机质含量本来就比表层土壤少，同时草地退化后植被覆盖度降低，土壤水分蒸发量进一步增加，在频繁降雨的影响下土壤养分淋失也进一步增强。

关于退化草地分布特征的研究表明，在流域中山顶、山坡、阶地和湿地等区域均是牛羊等牲畜取食区域，而地势相对平坦的区域是其首选的采食区域[31-34]。本研究在实施过程中实地调研发现，相对于其它区域，流域单元中坡度为0°～7°的“滩地-阶地”(采样点3和4)区域是人类活动及放牧频率较高的区域，同时也是啮齿动物活动频率最高的区域，是流域单元中最容易退化的区域[35-36]。

黄河源流域单元中不同区域同一土层除硝态氮外的土壤养分含量均表现为由坡顶向坡底汇集，“滩地-阶地”区域土壤养分含量较高，这可能是土壤养分随着土壤水分运移的结果。但“滩地-阶地”区域土壤含水量相对较低，这可能是由于河谷中空气流动频繁，阶地区域较其他区域地形突出，在空气流动作用下水分蒸发量也有所增加。因此流域单元中土壤养分不足可能并不是驱动草地退化的主要因素。“滩地-阶地”区域坡度小于7.19°，地势相对平坦，土层相对干燥，适合啮齿动物栖息繁衍，加上过度放牧活动，导致草地更容易发生退化。因此在过度放牧与啮齿动物活动的共同作用下，土壤水分含量对黄河源流域单元退化高寒草甸的分布有较大的影响。

4 结论

综上所述，黄河源区中退化高寒草甸面积合计14 239.47 km2，流域单元中坡度为0°～7°的“滩地-阶地”区域退化高寒草甸面积占总面积的57.86%，流域单元中“滩地-阶地”区域是流域单元中最容易退化的区域。流域单元中同一区域土壤水分、养分含量从表层土壤到底层土壤逐步降低，土壤pH值逐步增大；除硝态氮外的土壤养分在“滩地-阶地”区域含量均最高，但土壤水分含量较低。在过度放牧与啮齿动物活动的共同作用下，土壤水分含量是影响黄河源流域单元退化高寒草甸分布的重要因素。