松嫩平原退化草地土壤和植被特征研究

方玉凤，曹志伟，孙洪升，汤羽佳，邹春明，闫敦梁，任秀彬

( 1.黑龙江省林业科学院齐齐哈尔分院，黑龙江 齐齐哈尔 161000；2.杜尔伯特蒙古族自治县林业和草原局，黑龙江 大庆 166200；3.肇东市林业和草原局，黑龙江 绥化 151100；4.林甸县林业和草原局，黑龙江 大庆 166300)

草原是中国的主要自然景观之一，约占国土面积的40%，在地球陆地生态系统碳、氮循环中发挥着重要作用。草地生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一，对发展畜牧业、保持水土等方面有着重大作用。草地退化是草地生态系统逆行演替的一种过程，主要表现在土壤、植物两个部分，地上主要表现为物种数减少、多样性下降、生物量降低等方面，地下则表现为土壤肥力的降低；而土壤退化虽然较植物退化滞后，但却是比植被退化更加严重的退化，恢复时间也要更长。草地退化严重影响了区域生态环境和可持续发展。

松嫩平原草原区位于黑龙江省西部，以温性草甸草原和低地草甸为主要草地类型，总面积108.2万hm，占黑龙江省草原总面积的52%。松嫩草原处于温带半湿润-半干旱过渡带，生态较脆弱，是受全球变暖影响程度最大的区域之一。根据卫星图像和实地调查显示，松嫩平原西部现有盐碱化土地面积达373万hm，是世界上三大苏打盐碱地集中分布区之一，重度盐碱化土地面积以每年1.4%的速度扩展，部分土地出现明显碱斑。该地区草地植物的生长长期受到氮限制，植被退化、土壤盐碱化、荒漠化进程逐年加剧，土壤养分流失严重。

2000年以来，我国强化了草原保护建设，调查显示，松嫩平原草原区多年生优良牧草比例较20世纪90年代严重下降，草原生态退化明显。因此，有必要开展退化草原实地调查研究，从土壤养分、植物群落、牧草产量等方面进行退化草原分类，有针对性地总结不同退化程度草地的土壤养分特点及植物群落特征，以期为今后开展黑龙江省西部退化草原修复治理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 调查地概况

1.1.1 杜尔伯特蒙古族自治县自然概况 杜尔伯特蒙古族自治县属寒温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温3.6～4.4 ℃，年均降水量420 mm左右，无霜期148 d，主要土壤类型为盐碱土、风沙土、草甸土、黑钙土等。

调查区域位于124°17′29″—124°35′06″ E，46°22′33″—46°41′59″ N，调查样地土壤类型主要为盐碱土、风沙土、草甸土，优势种为羊草()、大牛鞭草()等；亚优势种为虎尾草()、胡枝子()、葡枝委陵菜()等；伴生种为多叶棘豆()、碱蒿()、碱韭()等。

1.1.2 林甸县自然概况 林甸县属北温带大陆季风性气候，四季温差较大，年平均气温4.0 ℃，年降水量417.2 mm，无霜期129 d，主要土壤类型为黑钙土、盐碱土、草甸土等。

调查区域位于124°33′45″—125°9′15″ E，46°59′30″—47°17′55″ N，调查样地土壤以盐碱土为主，优势种为羊草、毛秆野古草()、碱蓬()等；亚优势种为虎尾草、芦苇()、葡枝委陵菜等；伴生种为糙隐子草()、裂叶蒿()等。

1.1.3 肇东市自然概况 肇东市属寒温带气候，平均积温2 772 ℃，年降水量293～656 mm，无霜期140 d，主要土壤类型有黑土、盐碱土、草甸土等。

调查区域位于125°45′54″—125°54′43″ E，45°55′30″—46°04′50″ N，调查样地土壤以小苏打盐渍化草甸黑钙土为主，优势种为拂子茅()、羊草、虎尾草、大牛鞭草、碱蒿等；亚优势种为全叶马兰()、葡枝委陵菜等；伴生种为蒙古蒿()、星星草()等。

1.2 调查设计

选取以上3个市(县、区)域内具有广泛代表性的退化草地进行样地调查。根据松嫩平原气候特征，2021年9月初在植物发育成熟、生物量相对稳定的时期进行调查。后期结合植被与土壤特征，根据《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标》(GB 19377-2003)对调查样地进行退化程度分类，分为轻度退化(Light degradation，记为L处理)、中度退化(Moderate degradation，记为M处理)和重度退化(Severe degradation，记为S处理)3种退化程度。

1.3 地上部、地下部测定项目及方法

在各样地内随机设置样方，每个样地布设3个样方，样方规格1 m×1 m，重复样方之间的距离不超过100 m直径范围，记录每个样方点的坐标。清查1 m样方内的所有植物种类、数量、高度、盖度，将地上部全部刈割，立即称取鲜样质量，后带回实验室105 ℃烘箱杀青30 min，65 ℃烘干至恒定质量并测定。地下部挖土壤剖面，分为3个土层，即0～10、>10～20、>20～30 cm。环刀在不同土层的剖面取土用于土壤容重的测定。挖坑法取样(30 cm×30 cm，10 cm一层)用以测定地下部生物量，水洗法分离出根系，65 ℃烘干至恒定质量并测定，将3个土层的根系相加换算地下部生物量。用土钻分层取土样带回实验室进行土壤理化性质分析，测定方法参照鲍士旦《土壤农化分析》一书。

1.4 相关指标计算公式

式中：为土壤容重(g·cm)；为环刀内土壤鲜质量(g)；为环刀容积(cm)；为土壤含水率(%)

土壤有机碳含量

(%) = 土壤有机质含量 / 1.724

土壤碳密度

(kg·m) = × ×

式中，为土层厚度(cm)；为土壤容重(g·cm)

Margalef丰富度指数

Shannon-Wiener多样性指数

Pielou均匀度指数

式中：为群落中物种数目；为观察到的个体总数；为第个物种占总数的比例

1.5 数据统计方法

采用WPS Office Excel进行数据整理和绘图，使用IBM SPSS Statistics 22.0 Pearson进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 植物群落组成、结构、多样性及生物量特征

2.1.1 植物群落组成、结构及多样性特征 根据表1可以发现，轻度退化、中度退化草地群落的优势种为禾本科植物；重度退化群落的优势种为碱蓬、碱蒿、碱地肤等耐盐碱的指示植物。轻度退化草地的物种数最多，中度退化草地的物种数最少，重度退化介于二者之间。随着退化程度的加剧，群落整体盖度逐渐降低。轻度退化群落的丰富度指数、多样性指数最高，中度退化最低，重度退化介于二者之间。

表1 植物群落组成特征

2.1.2 植物群落地上生物量及根生物量特征 由表2可知，根系主要分布在0～10 cm土层中，并且随着土层深度的增加，根系干质量逐渐减小。在0～30 cm土层内，地下生物量与地上生物量的比值为0.03～3.52，12个调查样方中，有8个样方的地下生物量高于地上生物量，比值高于1.00。

表2 植物群落地上生物量及根生物量特征

2.2 土壤理化性质及肥力特征

2.2.1 土壤水分和容重特征 由于取样地点跨度较大(表3)，土壤含水率差异较大，0～10 cm土层含水率为35.45%～82.22%，>10～20 cm土层含水率为23.30%～53.83%，>20～30 cm土层含水率为6.31%～35.50%，总体来看，土壤含水率随着土层深度的增加呈现降低的趋势，表层土壤含水率高，下层土壤含水率较低。土壤容重的变化趋势与土壤含水率相反，整体表现为随着土层深度的增加，土壤容重呈现增加的趋势。

表3 土壤水分和容重特征

2.2.2 土壤pH和电导率 各土层pH和电导率的变化整体上均随着土层深度的增加而呈现出逐渐增大的趋势(图1)。轻度、中度、重度退化草地的pH分别为8.31～9.91、8.85～10.07和9.88～10.31，说明随着土层加深pH逐渐增大，草地退化程度加重。电导率的变化更加明显，重度退化草地S～S处理的电导率明显高于轻度和中度退化草地。

图1 各土层pH和电导率

2.2.3 土壤全氮和有机质含量 土壤全氮和有机质含量整体表现为随着土层的加深而逐渐下降，并且整体上呈现出随着退化程度的加重，含量逐渐降低(表4)，轻度退化草原的0～10 cm土层全氮和有机质含量分别为2.675～3.569 mg·kg和2.30%～3.87%，整体上高于中度和重度退化草原，重度退化草原的全氮和有机质含量最低，分别为0.539～2.608 mg·kg和1.03%～1.79%。土壤有机碳密度整体上表现为随着土层深度的增加而逐渐降低。

表4 土层全氮、有机质含量及有机碳密度

3 讨论

3.1 植物群落组成及生物量特征

轻度、中度退化群落的优势种为羊草、拂子茅、毛秆野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物为虎尾草、碱蓬、碱蒿和碱地肤等。乌仁其其格的研究认为，优势种的更替可成为植物群落演替的标识，轻度、中度退化草地仍以禾本科为优势种，退化指示类的菊科、蔷薇科等植物的重要地位在中度退化草地中明显得到提升，重度退化阶段多以耐践踏的菊科植物占优势，这与本调查关于群落组成方面得到的结果一致。

调查发现，中度退化草原的植物种类组成、Shannon-Wiener多样性指数最低，地上生物量随着退化程度的加重逐渐减小，说明中度退化的植物种类数最少，但地上生物量却高于重度退化。重度退化群落的优势种是碱蓬、碱蒿等所占空间较大的藜科、菊科植物，相同盖度下的多度较禾本科植物要小很多，导致地上生物量小于以禾本科植物为优势种、植物种类组成较简单的中度退化草地。有研究认为，草甸地上生物量与土壤含水率、总氮含量均不相关，本调查对地上生物量与土壤指标做的相关分析也显示为相关性不显著，因此没有列出。

三类退化草地的植被根系生物量的分布规律性不明显，一般表现为随着深度的增加，根系生物量降低。0～30 cm土层内，植被地下生物量与地上生物量的比值多数大于1，比值为0.03～3.52。地下生物量主要集中在0～10 cm土层中，不同研究得出的根冠比差异很大，有研究认为，中国北方草地的根冠比为0.4～14.3，Fan等人认为，中国北方草地的根冠比均值为24.6，Piao等人的分析认为，不同样地的根冠比均值为7.7。笔者认为这些结果与本调查得到的结果并不冲突，因为地下生物量的研究较地上部分困难得多，难以获取准确数据是公认的，挖坑法取样也具有一定的偏差，若要准确说明，需要更加集中取样进行分析。

3.2 不同退化类型的土壤特性

随着草地退化程度的加深，土壤pH逐渐增大，即重度退化土壤pH最高，轻度退化土壤pH最低。电导率的变化更加明显，重度退化草地的电导率明显高于轻度退化和中度退化草地。全氮和有机质含量、有机碳密度则表现为随着退化程度的加重而降低。已有研究表明，草地退化导致土壤有机碳减少，草地地下碳储量变化规律与土壤有机质变化规律相同，这些结论均与本研究结果相似。

关于地上、地下植物碳储量的研究报道较多，如辛晓平等利用2002—2009年的调查数据结合遥感技术，对我国北方草地植被碳储量进行了评估，类似的研究还有Ni、Fan等、马文红等、Piao等、朴世龙等，总结来看，大范围大尺度的评估都是结合了多年大量的数据与卫星遥感技术，得到的碳储量虽然相差很大，但仍具有一定代表性，此类研究一般是利用转换率0.4或0.45以地上、地下生物量来进行碳密度的估算；也有对小范围定点监测实地取样的研究，测定每一种植物的含碳率来计算该地区植被总碳储量。鉴于前人对这方面的研究已很成熟，故本研究不再进行这方面的估算，只对土壤有机碳密度进行了计算。结果表明，重度退化草地的土壤有机碳密度最低，0～10 cm土层的有机碳密度为0.629～1.188 kg·m，轻度退化和中度退化草地0～10 cm土层的有机碳密度分别为1.246～2.178和1.775～2.352 kg·m。姜蓝齐等利用1980年前后进行的土壤普查数据与2015年实地采样数据，分析了松嫩平原55个县区土壤有机碳变化情况，结果表明，不同类型土壤有机碳密度均呈现下降趋势，碱土却表现为增加趋势，由1980年的1.06 kg·m增加到2015年的1.68 kg·m。结合本研究结果，说明已经出现碱斑的重度退化草地的土壤有机质损失严重，有机碳密度下降明显，中度退化草地有机质含量、有机碳密度仍然保持较高水平。

4 结论

研究表明，目前黑龙江省西部松嫩草原轻度、中度退化草原的优势种为羊草、拂子茅、毛秆野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物为虎尾草、碱蓬、碱蒿和碱地肤等。中度退化草原群落的植物种类组成较简单、Shannon-Wiener多样性指数最低。地上生物量随着退化程度的加重逐渐减少。三类退化草地的植被根系生物量的分布规律性不明显，一般表现为随着深度的增加，根系生物量降低。3种退化类型草地的土壤含水率、全氮和有机质含量、有机碳密度均表现为随着土层深度的增加而逐渐减小；土壤容重、pH和电导率的变化整体上均呈现出随着土层深度的增加而增大。重度退化草地的土壤有机碳密度最低，中度退化草地的有机质含量、有机碳密度仍然保持较高水平。