青藏高原黄河源区高寒草地土壤营养特征变化及质量评价

2022-07-22杨冲王春燕王文颖毛旭峰周华坤陈哲索南吉靳磊马华清

生态环境学报 2022年5期

杨冲，王春燕，王文颖，毛旭峰，周华坤，陈哲，索南吉，靳磊，马华清

1. 青海师范大学地理科学学院，青海西宁 810008；2. 青海师范大学生命科学学院，青海西宁 810008；3. 中国科学院西北高原生物研究所旱区恢复生态学省级重点实验室，青海西宁 810008；4. 兰州大学学报（医学版）编辑部，甘肃兰州 730000

草地生态系统是中国陆地面积最大的生态系统，可利用面积约为3.3×108hm2，其中青藏高原高寒草地的可利用面积达1.059×108hm2，居中国各种草地类型之首（杨银芳，2011；扎西卓玛等，2018）。黄河源区位于青藏高原东北部，横跨青海、甘肃、四川三省，面积约12.2×104km2，约占黄河流域总面积的16%，植被生态系统以高寒草甸和高寒草原生态系统为主，占黄河源区总面积70%以上（胡光印等，2011；徐田伟等，2020）。黄河源区是生态系统最敏感和生物多样性最集中的地区，也是中国重要的畜牧业基地和生态安全屏障，在涵养水源、调节气候、保护物种多样性、维护生态平衡、发展经济等方面有着重要作用（Dong et al.，2009；Wang et al.，2014；尚占环等，2007）。近几十年来由于全球气候变化以及人类活动的影响，该区草地生产力退化加剧，形成大面积的次生裸地，生态环境持续恶化，严重威胁着该区的生态平衡、环境保护和畜牧业的可持续发展（Wu et al.，2010；Li et al.，2015；王启基等，2010）。

土壤作为一种重要的自然资源，是植物生长、发育的物质基础，能够控制和调节植物生长的生态过程，是草地生态系统的重要组成部分，草地退化的直接表现是植被和土壤的退化（李艺妆等，2020；郝爱华等，2020）。土壤营养是土壤能够供给植物生长所需的各种养分的能力，是土壤生产力的基础，也是土壤理化性质的综合反映。为了保护黄河源区的生态环境，恢复治理退化草地，建植人工草地是当前黄河源区治理退化草地采取的主要措施之一（Zhu et al.，2015；孙华方等，2019）。高寒草地从原生状态到退化状态以及建植人工草地恢复措施下的土壤营养状况和质量均会发生改变，土壤营养状况和质量的改变会直接影响植物群落的形态结构与功能，而不同的植物群落通过其生长过程对土壤水分、容重等的互馈作用，又会使得土壤营养状况和质量逐渐发生变化（Wang et al.，2009；Dong et al.，2013；樊博等，2020）。本研究以青藏高原黄河源区高寒草甸、高寒草原和高寒沼泽草甸生态系统为研究对象，针对高寒草地退化与人工植被恢复对土壤营养特征和土壤质量的影响问题，开展黄河源区主要草地生态系统土壤营养特征研究，将原生草地生态系统作为对照，分析草地退化对土壤营养特征和物理特性的影响程度，并对各草地土壤质量进行综合评价，以期全面了解青藏高原黄河源区不同类型高寒草地的土壤营养和质量特征，系统地认识高寒草地的退化机理，准确理解现有人工植被恢复措施对土壤营养和质量的影响程度，并为制订青藏高原黄河源区高寒草地的可持续发展策略提供基础数据与科学依据。

1 研究区域概况

研究地点位于青海省果洛藏族自治州的玛多县和玛沁县境内（图1），地处黄河源区，地理坐标介于 97°54′—101°50′E，32°31′—35°40′N 之间，境内平均海拔4200 m以上，是“中华水塔”的重要组成部分。一年只有冷暖两季，没有四季之分，冷季持续时间长达 7—8个月，全年无绝对无霜期，年平均气温−4—2 ℃，年降水量235—974.6 mm，属高寒半湿润和半干旱气候区。境内植被类型以高寒草原、高寒草甸、高寒灌丛和沼泽草甸为主，局部地区有少量林地、耕地和人工草地分布，畜牧业为当地主要生产方式，放牧家畜主要为藏绵羊（Ovis aries）和牦牛（Bos grunniens）。

图1 研究区示意图Figure 1 Schematic diagram of the study area

2 材料与方法

2.1 样地设置

本研究中设置高寒草原、高寒草甸、沼泽草甸、退化高寒草原、退化高寒草甸、退化高寒草原建植人工草地（4龄）、退化高寒草甸建植人工草地（5 a）、退化高寒草甸建植人工草地（15 a）等8类高寒草地（见表1）。每个草地类型包括3个10 m×10 m的重复样地，重复样地彼此间尽可能紧挨着（空间距离1—3 km，避免假重复），使它们有具有相近的地形、植被和土壤类型，这样共计 24个样地。原生高寒草原、退化高寒草原、退化高寒草原建植人工草地（4 a）样地在禁牧区，基本无放牧。其他样地均为冬季牧场，冬季牧场通常在当年10月至次年5月放牧，放牧家畜为牦牛和藏系绵羊，载畜量为0.9—1.2 sheep·hm−2。

表1 草地详细信息Table 1 Details of sampling locations

2.2 样品采集及处理

每个样地用全球定位系统（GPS）进行定位，本研究包括24个样地，每个样地随机取5个采样点用土钻采集土壤样品，采样深度为20 cm，将5个重复样品混合成1个样，用自封袋封装带回实验室，用孔径2 mm土筛剔除植物根系和石砾等杂物，将筛分出来的土样风干后分别过1 mm和0.15 mm土筛，用于土壤理化性质测定。另在每个样地取土壤剖面，用铝土盒和容积100 cm3环刀取样，分别用于测定土壤含水量和容重。

2.3 分析方法

土壤营养特征指标（王启兰等，2011；张光茹等，2020）为：含水量、容重、pH、有机碳、全碳、可溶性有机氮、铵氮、硝氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾。按照鲍士旦（2005）方法对土壤含水量、pH、容重、可溶性有机氮、铵氮、硝氮、全氮进行测定，按照吕金林等（2017）方法对土壤全碳、有机碳进行测定，按照鲁如坤（2000）方法对土壤全磷、速效磷、全钾、速效钾进行测定。

2.4 数据统计与分析

数据记录用Excel 2007完成，作图用ArcGIS、Prism完成，数据统计分析用SPSS 21完成，数据方差分析前均进行正态性检验，若不符合则进行对数转换使其满足正态性，利用LeveneTest检验其方差齐性，用方差分析（ANOVA，LSD）比较不同处理间差异显著性，所有检验均在P=0.05水平下进行，用平均值和标准差表示测定结果。主成分分析方法，（1）KMO和Bartlett球形度检验，判定选取指标是否可以进行主成分分析，检验标准为Sig.<0.05。（2）用标准化法消除不同指标间由于量纲不同而造成的数量级上的差异。（3）提取特征值大于1，累计方差贡献率大于90%的主成分。（4）主成分特征向量与相应指标的乘积求和，求得主成分方程。（5）将标准化后的值代入各主成分方程得到各主成分得分，主成分得分与相应的主成分贡献率的乘积求和为综合得分。

3 结果与分析

3.1 黄河源区高寒草地土壤营养特征

黄河源区三类原生高寒草地高寒草原、高寒草甸和沼泽草甸生态系统土壤物理和营养特征见图2。高寒草原、高寒草甸和沼泽草甸土壤表层（0—20 cm）容重和pH差异显著（P<0.05），均表现为高寒草原>高寒草甸>沼泽草甸。土壤含水量在3个草地类型间差异显著（P<0.05），具体表现为沼泽草甸 (82.65%)>高寒草甸 (52.05%)>高寒草原(8.60%)。

图2 不同类型高寒草地土壤理化性质特征Figure 2 Characteristics of soil physical and chemical properties in different types of alpine grassland

高寒草原、高寒草甸和沼泽草甸土壤全碳（TC）、有机碳（TOC）、全氮（TN）、可溶性有机氮（SON）含量差异显著（P<0.05），均表现为沼泽草甸>高寒草甸>高寒草原。高寒草甸土壤表层TC、TOC、TN和SON含量仅占沼泽草甸土壤的67.17%、65.19%、47.16%、44.53%，而高寒草原土壤表层TC、TOC、TN和 SON含量仅占沼泽草甸土壤的15.13%、6.83%、13.50%、1.96%。土壤铵态氮含量表现为高寒草甸和沼泽草甸差异不显著（P>0.05），但均显著高于高寒草原（P<0.05），沼泽草甸的土壤硝态氮含量显著高于高寒草甸（P<0.05），高寒草原介于两者之间。

沼泽草甸和高寒草甸的土壤全磷（TP）和速效磷（AP）含量差异均不显著（P>0.05），但均显著高于高寒草原（P<0.05）。土壤全钾（TK）和速效钾（AK）含量在高寒草原和高寒草甸之间差异不显著（P>0.05），但均显著高于沼泽草甸（P<0.05）。

3.2 高寒草地退化对土壤理化性质的影响

3.2.1 高寒草原生态系统退化对土壤理化性质的影响

由图3可知，高寒草原退化除了导致土壤含水量显著降低之外（P<0.05），对其他理化性状及营养成分含量均没有产生显著影响（P>0.05）。具体而言，退化高寒草原与高寒草原相比，土壤含水量减少了36.05%，土壤容重增加了4.6%，pH增加了0.63%，土壤有机碳和全碳含量分别减少了34.25%和9.13%，土壤氨氮、硝氮、可溶性有机氮、全氮含量分别减少了6.59%、19.28%、10.98%、15.87%，土壤速效磷和全磷含量分别减少了0.42%和3.03%，土壤速效钾含量减少了12.91%，土壤全钾含量增加了1.46%。

图3 原生和退化高寒草原土壤理化性质特征Figure 3 Physical and chemical properties of soil in native and degraded alpine grassland

3.2.2 高寒草甸生态系统退化对土壤理化性质的影响

由图4可知，高寒草甸和退化高寒草甸之间土壤容重和土壤pH差异均显著（P<0.05），均表现为退化高寒草甸>高寒草甸。高寒草甸退化导致土壤容重和pH分别增加了15.7%和14.84%。高寒草甸和退化高寒草甸之间土壤含水量差异显著（P<0.05），与高寒草甸相比较，退化高寒草甸土壤含水量减少了66.42%。土壤有机碳和全碳含量在高寒草甸和退化高寒草甸之间差异极显著（P<0.01），均表现为高寒草甸>退化高寒草甸；高寒草甸退化导致土壤77.8%的有机碳和68.89%的全碳流失。土壤铵氮、可溶性有机氮、全氮含量分别在高寒草甸和退化高寒草甸之间差异显著（P<0.05），且有着相同的变化趋势，具体表现均为高寒草甸>退化高寒草甸；高寒草甸退化导致土壤铵氮、可溶性有机氮、全氮含量分别减少了75.56%、87.4%、33.47%。但高寒草甸退化导致土壤硝氮含量显著升高（P<0.05），含量升高近3倍。高寒草甸和退化高寒草甸土壤速效磷和全磷含量差异显著（P<0.05），均为高寒草甸>退化高寒草甸；退化高寒草甸土壤速效磷和全磷含量相当于高寒草甸生态系统退化导致45.86%的速效磷和41.27%的全磷流失。但草甸生态系统退化并没有导致土壤全钾和速效钾含量显著降低（P>0.05）。

图4 原生和退化高寒草甸土壤理化性质特征Figure 4 Physical and chemical properties of native and degraded alpine meadow soil

3.3 退化高寒草地建植人工植被对土壤理化性质的影响

3.3.1 退化高寒草原建植人工植被对土壤质量的影响

以退化高寒草原为对照，分析退化草原人工种草后（4年）对土壤质量的影响。由图5可知，土壤容重和土壤pH在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异不显著（P>0.05）。土壤含水量在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异显著（P<0.05），人工草地土壤含水量（13.73%）显著高于退化高寒草原（5.5%）。土壤有机碳含量在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异显著（P<0.05），退化草地人工种草可显著提升土壤有机碳。土壤全碳含量在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异不显著（P>0.05）。土壤铵氮、硝氮、可溶性有机氮、全氮含量分别在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异显著（P<0.05），均表现为人工草地显著高于退化高寒草原，表明退化草原建植人工草地可显著提高土壤氮素。土壤速效磷、全磷、全钾含量在退化高寒草原和人工草地（4 a）之间差异不显著（P>0.05），但土壤速效钾含量在人工草地显著高于退化草原（P<0.05）。

图5 退化高寒草原建植人工草地对土壤质量的影响Figure 5 Effects of artificial vegetation on soil quality in degraded alpine steppe

3.3.2 退化高寒草甸建植人工植被对土壤质量的影响

以退化高寒草甸为对照，检验退化草甸人工种草后5、15年对土壤质量的影响。由图6可知，土壤容重在退化高寒草甸和人工草地（15 a）之间差异不显著（P>0.05），但两者均与人工草地（5 a）差异显著（P<0.05），具体表现为人工草地 (15 a)>退化高寒草甸>人工草地 (5 a)；土壤pH在退化高寒草甸和人工草地（5龄）之间差异不显著（P>0.05），在退化高寒草甸和人工草地（15 a）之间差异显著（P<0.05），表现为退化高寒草甸>人工草地 (5 a)>人工草地 (15 a)。

图6 退化高寒草甸建植人工草地对土壤质量的影响Figure 6 Effects of artificial vegetation on soil quality in degraded alpine meadow

土壤有机碳和全碳含量在3个草地间差异不显著（P>0.05），表明对于退化高寒草甸而言，人工恢复植被后中短期内土壤碳含量的恢复能力有限。尽管土壤全氮和硝态氮含量在3个草地间差异不显著（P>0.05），但土壤可溶性有机氮和铵态氮含量在人工草地的含量显著高于退化高寒草甸（P<0.05），提高近1倍多，表明植物的生长显著提升了土壤中的可溶性有机氮和铵态氮含量。土壤速效磷和全磷含量分别在 3个草地间差异不显著（P>0.05）。另外，退化草地建植成人工草地可显著提高土壤全钾和速效钾含量。

3.4 基于主成分分析的0—20 cm土壤质量综合评价

3.4.1 KMO和Bartlett球形度检验

KMO统计量的取值在0和1之间，当所有变量间的简单相关系数平方和远远大于偏相关系数平方和时，KMO值接近1，KMO值越接近于1，意味着变量间的相关性越强，原有变量越适合作因子分析；当所有变量间的简单相关系数平方和接近0时，KMO值接近0，KMO值越接近于0，意味着变量间的相关性越弱，原有变量越不适合作因子分析。Kaiser给出了常用的KMO度量标准：0.9以上表示非常适合；0.8表示适合；0.7表示一般；0.6表示不太适合；0.5以下表示极不适合。将土壤含水量、pH、容重、土壤有机碳、全碳、铵氮、硝氮、可溶性有机氮、全氮、速效磷、全磷、速效钾、全钾含量等13个土壤指标经KMO和Bartlett检验，KMO值为0.831，Bartlett的球形度检验的相伴概率P<0.01（极显著水平），说明本研究选取的土壤质量评价指标间存在较强的相关性，采用主成分分析法来评价各样地的土壤质量状况是可行的。

3.4.2 计算贡献率和主成分提取

对主成分进行提取时，依据主成分特征值大于1的原则（Tada et al.，2015），从表2结果共提取2个主成分，第 1主成分对总方差的贡献率为80.105%，第 2主成分对总方差的贡献率为13.690%，累积贡献率为93.795%，说明这2个主成分代表了该试验中原始数据93.795%的信息。

表2 方差分解主成分提取分析Table 2 Extraction analysis of principal components by variance decomposition

3.4.3 计算综合得分并排序

采用主成分分析法对不同高寒草地土壤质量进行综合评价，即利用主成分综合得分的大小来评价土壤质量的高低，主成分综合得分越大，土壤质量越高，反之则越低（刘鑫等，2018）。由表3可知，在0—20 cm土层，土壤质量高低排序为沼泽草甸>高寒草甸>人工草地 (5 a)>人工草地 (15 a)>退化高寒草甸>人工草地 (4 a)>高寒草原>退化高寒草原。

表3 不同高寒草地土壤理化成分综合得分及排序Table 3 Scores and ranking of principal components

4 讨论

4.1 不同类型高寒草地土壤营养特征和质量分析

高寒草原、高寒草甸和沼泽草甸是青藏高原 3种主要的高寒草地类型（旦增塔庆等，2014）。本研究中，3种不同类型高寒草地的土壤理化性状及土壤养分含量存在差异。其中，高寒草原植被盖度较低，植物根系不发达，土层较薄，土壤pH和容重较高，土壤含水量、土壤有机碳以及氮磷含量较低，土壤养分含量最低。高寒草甸植被盖度较高，植物根系发达，土壤含水量较高，土壤有机碳以及土壤氮磷钾含量较高，且在土壤表层形成腐殖层，有利于营养物质的转换和吸收，土壤养分含量较高。沼泽草甸发育于过湿的环境中，位于河谷低洼处，降水较多，并且有河流经过，土壤有机碳含量显著高于其他高寒草地（P<0.05），可能是因为沼泽草甸植被生产力较高，根系发达，有机物质输入多，且沼泽环境具有明显的积水和低温特征，土壤处于缺氧状态，有机物质分解缓慢，土壤中存在大量未分解或半分解的有机残体（何方杰等，2019；赵海燕等，2020），使得土壤有机碳含量较高；土壤理化性状与土壤质量的高低密切相关，土壤理化性状是土壤质量的基础，本研究中土壤质量高低排序为沼泽草甸>高寒草甸>高寒草原，这与已有的研究结果（杨文静等，2019）相一致。

4.2 草地退化对土壤质量的影响

土壤是陆地生态系统的重要成分，是植物赖以生存的物质基础，其理化特性决定着植物群落的类型和生产力的高低，土壤退化与草地退化的关系十分密切，两者相互作用、相互促进（Liu et al.，2017；龙瑞军等，2005；王文颖等，2006；曹建军等，2018）。本研究表明，在高寒草原中，随着草地的退化，植物稀疏植被盖度降低，但是除了土壤含水量以外，土壤其他理化性状在高寒草原和退化高寒草原之间差异不显著（P>0.05），可能是因为土壤与植被比较有较强的抗退化的能力，土壤的退化要滞后于草地植物的退化。另外退化程度、退化时间以及区域环境条件等因素也对土壤理化性状以及土壤质量产生影响（唐仲霞等，2009）。本研究中，从地上生物量和植被盖度的下降情况来看，退化高寒草原属于高寒草原的早期退化阶段，土壤理化性状表现出一定程度的退化，土壤质量有小幅降低。在高寒草甸中，随着草地的退化，植物稀疏植被盖度降低，土壤 pH、容重随草地退化呈增大趋势，土壤含水量呈减少趋势，这与前人的研究结果（王长庭等，2008；伍星等，2013）一致。可能是因为草地退化以后，植被根系减少及其土壤失去植被保护使得细颗粒土壤成分和有机质流失，大量砂砾石出现，导致土壤容重增大；草地退化造成植被盖度减小，导致地表水分蒸发量加大，溶于地下水的可溶性盐类随着毛管水上升、迁移而累积于土壤表面，使土壤碱化；草地退化使得地表植被稀疏，次生裸地面积增加，地表温度升高，地表蒸腾作用增强，土壤水分蒸发增多，土壤含水量降低；除钾含量外，草地退化也导致了土壤碳氮磷含量严重降低。本研究中，从地上生物量和植被盖度的下降情况来看，退化高寒草甸属于高寒草甸的极度退化阶段，土壤理化性状急剧恶化，土壤质量严重降低。总体上，草地退化造成土壤理化性状的下降，也导致了土壤质量的降低，这与已有的研究结果（王长庭等，2007；李晓琴等，2019；詹天宇等，2019；郝爱华等，2020）相一致。

4.3 退化草地上建植人工草地对土壤质量的影响

生态学观点认为，建植人工草地是对原有生态系统的一种扰动。随着人工草地的建植，原有的群落结构特征、土壤理化性状和土壤质量等均会产生变化（董文斌等，2010；王普昶等，2011；张莉等，2012；孙华方等，2020）。本研究中，无论是在退化高寒草原还是退化高寒草甸上建植人工草地均显著增加了植被盖度和地上生物量，而植被的恢复会造成地表水分蒸发降低，导致土壤含水量也明显增加；同时，土壤的pH与土壤含水量之间存在较强的负相关关系（高海峰等，2011），以及建植人工草地的过程中，氮肥的施用也会造成土壤pH降低（唐贤等，2020），所以在退化高寒草原以及退化高寒草甸上建植人工草地均降低了土壤 pH。在退化高寒草原上建植人工草地显著增加了土壤有机碳、铵氮、硝氮、可溶性有机氮、全氮、速效钾含量（P<0.05），但土壤全碳、全磷、速效磷、全钾含量没有显著增加（P>0.05）。总体上，在退化高寒草原上建植人工草地，改善了土壤理化性状，提高了土壤质量。重度退化高寒草甸上建植人工草地可显著增加了土壤铵氮、可溶性有机氮、全钾、速效钾含量（P<0.05），但土壤有机碳、全碳、全氮、全磷、速效磷含量没有显著提高（P>0.05），这与已有的研究结果（侯宪宽等，2015；欧延升等，2019）相一致，可能是因为高寒草地生态系统是一个脆弱的生态系统，发生严重退化后，尽管短期内可有效恢复地上植被，但土壤质量的恢复则是一个长期的过程（王学霞等，2012；姚宝辉等，2019）。

4.4 高寒草地土壤质量综合评价

土壤质量状况数值化的综合评价能较好地反映土壤质量的实际情况。土壤质量评价的相关研究已经取得了丰硕成果，但仍没有一个普适的、统一的评价标准（周天阳等，2018），不同的研究区域、不同的评价目的和对土壤不同功能的侧重决定了评价指标的差异，不同的评价方法也会对土壤质量评价结果产生显著影响（王华等，2009）。常用的土壤质量评价方法包括土壤质量卡片及监测系统（王华等，2009）、土壤质量指数法（Ditzler et al.，2002）、主成分分析法（刘江等，2020）、模糊关联法（Xue et al.，2010）、动态土壤质量模型（王博文等，2006）、管理评估法（Karlen et al.，2008）等。土壤质量受多个因素影响，且各个因素之间存在一定的相关性，致使反映土壤质量状况的若干指标之间存在信息重叠（陈留美等，2008），主成分分析就是把多个指标化为少数几个综合指标的一种统计分析方法，将多个影响土壤质量的因素进行降维分析，提取主成分，弱化变量之间的自相关引起的误差，被广泛应用在土壤质量的评价研究中（张子龙等，2013）。本研究通过主成分分析对青藏高原黄河源区不同的高寒草地土壤质量进行了评价，在参考前人研究的基础上，选取的 13个土壤指标涵盖了土壤的主要营养特征和物理性状，且经 KMO 和 Bartlett检验，KMO 值为 0.831，Bartlett的球形度检验的相伴概率P<0.01，说明本研究选取的土壤质量评价指标间存在较强的相关性，共提取2个主成分，这2个主成分代表了该试验中原始数据93.795%的信息，说明采用主成分分析法来评价各草地的土壤质量状况是科学合理的。