不同措施下三江源区“黑土山”土壤治理效果分析

2023-02-10吴建丽施建军王晓丽赵之重王彦龙王海波贺有龙李思瑶

草地学报 2023年1期

吴建丽，施建军, 王晓丽，赵之重，王彦龙,王海波,贺有龙，李思瑶

(1.青海大学畜牧兽医科学院/青海省畜牧兽医科学院，青海西宁 810016；2.青海民族大学，青海西宁 810007；3.青海省果洛州草原工作站, 青海果洛 8140003)

三江源区作为长江、黄河、澜沧江的发源地，具有较高的调节气候、涵养水源、保持水土等生态系统服务功能[1]。该区域草地类型属于高寒草甸类，该类型是维系水-土-草-畜-气的重要草地生态系统[2]。在过度放牧、啮齿类动物的活动、过度开垦农用地等的影响下[3]，草地生态系统遭到了严重的破坏，呈现出不同程度的退化现象。因此，采用适当、合理且有效的方式对该区域的草地进行治理势在必行。目前，前人对该区退化高寒草甸的治理已经做过大量研究，并总结出了根据退化等级分级治理的模式，如轻度退化草地可采取围栏封育、灭鼠、改变畜群结构和轮牧等措施，中度退化可采取施肥、补播等措施，以建植人工草地的方式治理重度退化草地[1，4-5]。董全民等[5]研究中以秃斑地面积和可食牧草比例为指标，将退化草地分为轻度、中度、重度、极度4个等级，并依据地形条件及工程治理的需求将极度退化草地分为三类，坡度7°以下为滩地，一般称为“黑土滩”，7°≤坡度<25°为缓坡地，坡度≥25°为陡坡地，后两类统称为“黑土山”[5]。目前，有关退化草地的研究集中在“黑土滩”，而关于“黑土山”的研究尚在初期；此外，退化草地的治理往往以恢复植被为目标，忽略了“草地退化”不仅指草地生产生态功能和生态系统的退化，还包括其生存环境—土壤的退化[6]，尤其土壤中的氮磷元素往往是植被生长的限制性元素[7]，所以土壤的治理对退化草地的修复同样具有重要意义。因此，在三江源区研究快速、有效改善土壤的措施意义重大。

退化草地土壤的主要特征为结构差、肥力下降、微生物活性降低[8-9]，因而采取适宜措施治理退化草地将从土壤理化性质、微生物等方面影响土壤质量，并且不同措施对土壤产生的干扰程度不同。团聚体是土壤结构的基本单元[10]，影响土壤的侵蚀、水分和养分的运输、气体交换等生态功能[11-12]。于双[13]对宁夏荒漠草原浅翻、深翻和免耕播种的研究中发现浅翻下土壤团聚度较高，土壤较稳定，抗侵蚀能力较强，朱建宁等[14]研究发现浅翻耕可以提高土壤含水量，伊斯拉依·达吾提[15]研究认为浅翻耕可以提高土壤孔隙度，而程科等[16-17]研究中免耕可以提高土壤表层大团聚体含量与稳定性，相对于传统翻耕，免耕、少耕可以改变土壤物理性质，有效的改善土壤结构。也有研究发现翻耕提高了有机碳、全氮、和全钾的含量[13,18-19]，而全磷、速效磷含量在不同的研究中存在差异，其中李福的研究中全磷、速效磷含量在深翻、深松、重耙下增加了，张旭龙的研究中翻耕降低了全磷、速效磷含量[20-21]，而在免耕和深松保护性耕作下土壤养分提高了[22-23]。翻耕和免耕对微生物量的影响不同，陈武荣等[24]在喀斯特玉米地的研究中发现，相比于免耕，翻耕降低了微生物量碳含量，但唐先亮等[25]水稻地的研究中翻耕反而提高了微生物量碳氮含量。因此，耕作方式在水田和旱地产生的影响不同，尤其对微生物量的影响较大，刘子刚等[26]研究认为这与pH有关。虽然扰动对土壤的影响存在差异，但是，李洋阳等[27]对传统耕作、深松耕、免耕覆盖做了综合性评价，认为免耕、深松等保护性耕作具有更高的生态效益和综合效益，对土壤的恢复效果更好。

本次研究以青海省达日县“黑土山”试点工程治理后的草地为研究对象，从治理后草地土壤的理化性质、微生物量入手，分析适宜且简便可行的“黑土山”土壤治理技术，为高寒退化坡地的治理提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省果洛藏族自治州达日县(99°40′～100°13′E，33°23′～33°40′N)，平均海拔4 000 m以上，年均气温-1.3℃，年平均降水量为540 mm，属高寒半湿润气候。植被类型为高寒草甸类，原生植被主要以高山嵩草(Kobresiapygmaea)为主，全年牧草生长期120 d左右，土壤厚度不均且肥力较低。研究区由于气候以及人为因素原生草甸发生退化，地面秃斑地比例≥80%，植物以毒杂草为主，处于重度退化阶段，主要植物种类以黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、甘肃马先蒿(Pediculariskansuensis)、蕨麻(Potentillaanserina)、白苞筋骨草(Ajugalupulina)、黄花绿绒蒿(Meconopsisgeorgei)等为主。

1.2 研究方法

退化草地在建植人工草地之前进行机械灭鼠处理，之后选择不同机械进行翻耕、耙平的整地措施，耙平采用十字交叉耙平，以清除杂物和草根，然后选择2种乡土草种‘同德’短芒披碱草(Elymussibiricus‘Tongde’)和‘青海’草地早熟禾(Poapratensis‘Qinghai’)在2019年5月20到6月20号之间按1∶1.22的比例进行混播，同德短芒披碱草实际播种量为每亩1.8 kg，发芽率达90%以上，‘青海’草地早熟禾实际播种量为每亩2.2 kg，发芽率达80%以上，施每亩12 kg的磷酸二铵为底肥，底肥与种子混合播种，最后镇压并覆盖无纺布以保证温度和水分，由于土壤肥力低，次年以每亩10 kg的尿素为追肥，研究区围栏封育，在建植当年至次年10月刈割之前完全禁牧，之后留茬3～5 cm刈割。试验以试点工程实际采用的机械为主选取6种治理措施，MT1+MS：微耕机翻耕一遍+人工撒播；MT2+MS：微耕机翻耕两遍+人工撒种；RT+SS：旋耕机旋耕+播种机播种；ED+MS：挖掘机开沟+人工条播；NT+S：免耕播种；MR+MS：人工耙翻+人工撒播。

试验所在的工程区主要是半阴半阳坡，坡度以小于30°为主，依据不同区域所采取的措施不同的特点，选择代表性的6种治理措施布设试验监测区。同一种治理措施的样地选择3块作为重复，在每块试验地内随机选取5个0.5 m×0.5 m的样方，依据治理区情况试验共选择了18块样地。6种治理措施表1所示：

表1 样地基本情况

1.3 土壤特征调查

2020年8月中下旬，在植被采集后的样方内用直径3.5 cm的土钻分层取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm的土样，每个样方各土层取5钻，同一土层的混合成一个土样，共270份土样，将每份土样分成两份，一份用于土壤理化特性测定，另一份置于冰盒带回实验室做土壤微生物量测定。

1.4 实验方法

土壤容重采用环刀法测定；土壤含水量采用烘干称重法测定；土壤团聚体采用湿法测定；有机碳使用水合热法测定；全氮含量采用半微量凯氏定氮法-全自动不间断化学分析仪测定；全磷含量采用钼锑抗比色法-紫外可见分光光度计测定；土壤微生物量碳、氮、磷含量采用氯仿熏蒸提取法测定。

1.5 数据处理及统计分析方法

采用Microsoft Excel 2019软件整理和分析数据，用Spss 20.0软件对不同建植措施下的土壤进行单因素方差统计分析，用最小显著差异检验进行检验，显著水平为0.05。

2 研究结果

2.1 土壤物理特性

2.1.1含水量的变化 6种治理措施的土壤含水量随土层加深不断减小，但均不显著，其中措施ED+MS各土层的土壤含水量最低(P<0.05)，措施NT+S各土层的土壤含水量最高(图1)。0～10 cm土层中，措施ED+MS的土壤含水量比措施MT1+MS、MT2+MS、RT+SS、NT+S、MR+MS分别降低了43.63%，47.01%，32.49%，55.97%，51.25%；10～20 cm土层中，措施NT+S的土壤含水量比措施ED+MS提高了57.00%；20～30 cm土层中，措施ED+MS的土壤含水量比措施NT+S降低了66.26%。

图1 不同治理措施对土壤含水量的影响

2.1.2容重的变化 6种治理措施的土壤容重随土层加深不断增大，但均不显著，在各土层中措施ED+MS的土壤容重最高(P<0.05)，措施NT+S、MR+MS的容重较低(图2)。0～10 cm土层中，措施ED+MS的土壤容重比措施NT+S高出了52.44%；10～20 cm土层中，措施ED+MS的土壤容重比措施NT+S高出50.17%；20～30 cm土层中，措施ED+MS的土壤容重比措施MR+MS高56.40%。

图2 不同治理措施对土壤容重的影响

2.1.3水稳性团聚体质量百分数的变化土壤水稳性团聚体即粒径≥0.25 mm的颗粒组成的团聚体，水稳性团聚体含量越高，土壤结构越稳定[28]。6种治理措施下，同一措施不同土层的土壤水稳性团聚体质量百分数虽有差异，但均不显著(图3)。

图3 不同治理措施对水稳性团聚体质量百分数的影响

在0～10 cm土层，水稳性团聚体质量百分数在措施NT+S最高(P<0.05)，措施ED+MS最低，措施NT+S的水稳性团聚体质量百分数比措施ED+MS提高了41.24%；10～20 cm土层，措施MT1+MS的水稳性团聚体质量百分数最高，但6个措施的水稳性团聚体质量百分数之间不显著，其中措施ED+MS下最低，比措施MT1+MS降低了34.39%；在20～30 cm土层，措施MT1+MS的土壤水稳性团聚体质量百分数最高，但6种措施间差异不显著，其中，措施ED+MS的土壤水稳性团聚体质量百分数最低，比措施MT1+MS降低了25.49%。

2.2 土壤化学特性

2.2.1有机碳含量变化土壤有机碳含量影响土壤的养分循环，进而影响土壤的肥力和生产力[29]。不同治理措施下土壤有机碳含量随土层加深不断减小，措施NT+S有机碳含量在各土层中均最高(图4)。0～10 cm土层，有机碳含量在措施NT+S最高为22.65 g·kg-1(P<0.05)，措施MR+MS的有机碳含量最低(P<0.05)，比措施NT+S降低48.75%；10～20 cm土层，措施MT2+MS的有机碳含量最低为6.23 g·kg-1(P<0.05)，比措施NT+S低了11.00 g·kg-1；20～30 cm土层，有机碳含量在措施NT+S最高为17.01 g·kg-1(P<0.05)，在措施MT1+MS、MT2+MS下较低，分别比措施NT+S降低了65.32%，66.86%。

图4 不同治理措施下土壤有机碳含量变化

2.2.2全氮含量变化氮是植物生长发育的必需元素，对植被的产量和品质起重要作用[30]。不同治理措施下土壤全氮含量随土层加深不断减小，措施NT+S各土层间全氮含量最高，措施ED+MS各土层间全氮含量最低(图5)。0～10 cm土层，措施NT+S的全氮含量比措施ED+MS高48.69%；10～20 cm土层，措施ED+MS的全氮含量比措施NT+S降低了88.44%；20～30 cm土层，措施MT1+MS，NT+S，MR+MS的全氮含量比措施MT2+MS，RT+MS，ED+MR较高，措施NT+S的全氮含量比措施ED+MS提高了1.07%。

图5 不同治理措施下土壤全氮含量变化

2.2.3全磷含量变化土壤中的磷元素是植被生长的限制性元素之一，对生态系统净初级生产力、氮固定、碳储存具有重要的作用[31]。不同治理措施下土壤全磷含量随土层加深不断减小，各土层措施NT+S的全磷含量最高(P<0.05)(图6)。0～10 cm土层，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS间差异不显著，措施ED+MS的全磷含量最低，比措施NT+S降低了19.56%；10～20 cm土层，措施RT+SS和ED+MS下较低，比措施NT+S分别降低了18.20%，19.17%；20～30 cm土层，措施ED+MS下土壤全磷最低(P<0.05)，比措施NT+S降低了28.97%。

图6 不同治理措施下土壤全磷含量变化

2.3 土壤微生物量碳氮磷含量

2.3.1微生物量碳含量变化不同治理措施下土壤微生物量碳含量随土层的加深不断降低，各土层土壤微生物量碳含量在措施NT+S最高(P<0.05)(图7)。0～10 cm土层，微生物量碳含量在措施ED+MS、MR+MS较低，比措施NT+S分别降低了81.96%，85.86%；10～20 cm土层，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS间差异不显著，措施RT+SS的微生物量碳含量最低，比措施NT+S降低了1.01%；20～30 cm土层，土壤微生物量碳含量在措施ED+MS和MR+MS下较低，比措施NT+S分别降低了1.01%，1.03%。

图7 不同治理措施下土壤微生物量碳含量变化

2.3.2微生物量氮含量变化不同治理措施下土壤微生物氮含量随土层的加深不断降低，各土层土壤微生物量氮含量在措施NT+S最高(P<0.05)(图8)。0～10 cm土层，措施MT1+MS，MT2+MS，RT+SS，ED+MS，MR+MS间差异不显著，其中措施RT+SS的微生物量氮含量比措施NT+S降低了1.14%；10～20 cm土层，土壤微生物量氮含量在措施MT2+MS，RT+SS，MR+MS较低，分别比措施NT+S降低了1.12%，1.32%，1.02%；20～30 cm土层，土壤微生物量氮含量在措施MT2+MS和MR+MS下较低，比措施NT+S分别降低了81.60%，1.18%。

图8 不同治理措施下土壤微生物氮含量变化

2.3.3微生物量磷含量变化不同治理措施下土壤微生物磷含量随土层的加深不断降低，0～10 cm、10～20 cm土层土壤微生物量磷含量在措施NT+S最高(P<0.05)(图9)。0～10 cm土层，措施MT2+MS的微生物量磷含量最低，比措施NT+S降低11.51%%；10～20 cm土层，土壤微生物量磷含量在措施RT+SS最低(P<0.05)，比措施NT+S降低了5.67%；20～30 cm土层，土壤微生物量磷含量在各措施均不显著，其中措施NT+S下最高，措施MR+MS下最低，比措施NT+S降低了68.00%。

图9 不同治理措施下土壤微生物量磷含量变化

3 讨论

土壤水分是植被吸收水分的主要方式，受降水、植被、利用方式[32]和扰动方式的影响。在本次研究中0～30 cm土层中，土壤含水量随土层加深不断降低，这与前人的研究结论一致。这可能与降雨有关[33]，采样时间为8月中后旬，刚好是当地的雨季，因此表层的土层含水量可能较高，但同样由于当地的蒸发量大，所以表层含水量虽高，但差异不显著。也有可能与植被也有关[34]，治理后的草地植被盖度增大，蒸发量相对降低，进而表层的含水量较高。本文中挖掘机开沟条播的措施下，草地土壤含水量在各土层中显著最低，这可能与不同的治理措施造成的扰动大小不同有关[35]。挖掘机体型大，自重高，在开沟播种的同时也碾压了地表，使土壤变得更紧实，土壤内部空间更小，导致水分下渗的作用下降；免耕播种下土壤的含水量在各土层中最高，这与郑洪兵等多人的研究结果一致[35,36-38]，相对于翻耕，免耕播种时土壤含水量更高。张川的研究中土壤含水量与容重呈极显著负相关，即单位体积下含水量越高，容重就越小[39]。免耕播种有利于大团聚体的形成，这与张祥彩等的研究结论一致[40]；微耕机作业一遍时水稳团聚体含量较高，这与植被的恢复有关，而植被恢复可反作用在土壤上，进而促进土壤大团聚体的形成，大量研究发现不管在黄土丘陵区或沙化较严重地带植被恢复可以改善土壤结构[12,41]。另一方面，与微耕机作业两遍比较，对比明显，也说明了适当的翻耕有助于土壤大团聚体的形成，而当翻耕两遍时，对上层土壤的扰动强度较大，表层土壤中的水稳团性聚体被破坏，与贾映兰的研究一致[42]；挖掘机作业下，各土层水稳团聚体含量均最低，这可能是由于挖掘机开沟播种时土壤含水量小、容重大，土壤环境限制了团聚体形成[43]。

土壤有机碳、全氮和全磷通常被认为是衡量土壤基础肥力的指标[44]，同样土壤中的碳、氮、磷也是植被获取养分的主要来源，对植物的生长及生理活动具有重要作用。土壤养分含量均在表层最高，并随土层的加深不断减小，表明土壤养分来源于补播时施的肥和植被对土壤的回馈[18]。土壤有机碳在微耕机翻耕两遍时在10～30 cm土层最低，人工耙地播种时在表层最低，这可能和翻耕有关，武均等人认为翻耕会破环土壤中的大团聚体，使有机质发生矿化作用而损失，扰动越大，有机碳损失越高[45]；另外一种可能是翻耕使土壤中的有机质暴露在外，使有机质不断被风力或水力侵蚀损失[46]，有研究表明风蚀具有降低土壤有机质、全氮、全磷的特征[47]；同理，有机碳、全氮、全磷含量在免耕播种时最高，有研究认为相比于传统翻耕，免耕播种反而能改善土壤结构，提高土壤养分含量[44,48]。

土壤微生物量指土壤中生活的全部微生物总量，主要包括细菌、真菌、藻类和原生动物等[49]。土壤微生物量是土壤活性养分的储存库，对周围环境的变化反应极其敏感[50]。土壤微生物量碳氮磷均在表层最高，并随土层加深不断降低，这是由于表层水、肥、气、热条件好，又有表层的凋落物或动物残体的分解周转，促进微生物的生长繁殖，增加了表层微生物量，这与杨佳佳等人的研究结果一致[51]。免耕播种对土壤的扰动小，对草地植被破坏程度低，使免耕播种相比于其他播种方式下积累了较多的动植物残体在地表，这些残体经分解后使表层土壤的微生物量增加了[52-53]；另一方面，扰动小的土壤环境中微生物群落较为稳定[54]，有利于微生物量的积累，本研究中微生物量碳氮磷含量均在免耕播种下最高。土壤水分可以影响微生物的活性，对分解一些化合物的能力产生抑制作用[55]，且与微生物量呈正相关[56]。微生物量碳含量在挖掘机开沟播种和人工耙地播种下较低，前者是因为碾压使土壤紧实，容重增大，土壤孔隙度减小，气体交换受阻，含水量较小，导致微生物的活性下降，微生物量碳含量减少，后者是因为全人工作业下，植被盖度和地上生物量低，回馈到土壤中的植物残体少，进而微生物量碳含量低。

本文基于三江源区地理位置特殊，气候恶劣，土层薄、养分低，缺乏技术和牧草播种机具的现状，结合三江源二期工程建设做了本次研究，本次研究中虽然不同程度的干扰对土壤的理化性质、微生物量的影响存在差异，但免耕播种时土壤水稳性团聚体含量、养分含量和微生物量均较高，说明以免耕播种的方式治理退化高寒坡地是可行的。土壤特征和微生物的变化是一个长期的变化过程，并且治理措施对其的影响还涉及到植被-土壤之间的改变，尤其治理3年后植被群落对土壤侵蚀的影响是非常重要的部分，因此，后期将进一步研究6种措施对土壤的改善以及侵蚀情况。