典型草原放牧退化梯度上土壤水勢與群落結(jié)構(gòu)的關(guān)系

李天良+吳赟+潘慧+霍光偉+烏云娜

摘要：指出了土壤水勢是判斷土壤干旱程度的重要指標(biāo)，越來越受到國內(nèi)外研究者的關(guān)注，并已經(jīng)成為土壤的一項(xiàng)重要物理指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)土壤水勢在一定程度上決定了植物光合動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)的累積過程，特別是在受到干旱脅迫的情況下，土壤水勢往往和其他脅迫因素（如高溫脅迫）一起作用于植物生理過程。通過對不同放牧強(qiáng)度下的土壤水勢日進(jìn)程等進(jìn)行的研究得出：土壤水勢日進(jìn)程均具有一個(gè)較為明顯的峰值，呈“單峰型”分布，綜合表現(xiàn)為：輕牧>中牧>重牧；物種數(shù)變化趨勢為：中度放牧>輕度放牧>重度放牧。

關(guān)鍵詞：放牧強(qiáng)度；土壤水勢；干旱脅迫；單峰型；優(yōu)勢種

中圖分類號(hào)：Q948.15

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）22000104

1 引言

水資源缺乏是制約干旱與半干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要因子，深入了解流域水文生態(tài)特征，有助于持續(xù)、扎實(shí)地推進(jìn)生態(tài)環(huán)境建設(shè)[1]。影響土壤水運(yùn)動(dòng)的因素很多，其中降水[2]、坡向、蒸散、土壤孔隙度、導(dǎo)水率、根系分布等是最重要的因素[3，4]。研究發(fā)現(xiàn)土壤水勢在一定程度上決定了植物光合動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)的積累過程，特別是受到干旱脅迫的情況下，土壤水勢往往和其他脅迫因素（如高溫脅迫）一起作用于植物生理過程[5]。在輕度和中度水分脅迫條件下，植物光合作用的下降主要與氣孔限制因素有關(guān)[6]，而嚴(yán)重的水分脅迫可以導(dǎo)致許多與光合作用有關(guān)的活性成分含量及活力降低，造成光合速率的大幅下降，植物生長受限。

一般說來，植物的整個(gè)表面都可以吸收水分，但是土壤水卻是植物體水分供應(yīng)的主要來源。土壤水分是土壤肥力的重要因子之一，是土壤的血脈[7]。它不斷供給陸生植物因蒸騰所消耗掉的水分，被植物體直接吸收利用，并為植物的光合作用提供物質(zhì)基礎(chǔ)，成為有機(jī)界與無機(jī)界的紐帶[8]。土壤水分對植物生長最直接的影響在于它能有效地溶解土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)供植物體吸收利用，并通過對土壤溫度和空氣狀況的影響，極大地影響著土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和植物根系對土壤養(yǎng)分的吸收和利用。同時(shí)，土壤水分還影響著植物體的蒸騰作用。土壤水分最明顯的作用是影響植株的大小、葉面積及作物產(chǎn)量。從長遠(yuǎn)來看，由于土壤水分虧缺的普遍存在，它所引起的植物生長和作物產(chǎn)量的減少超過所有其它脅迫的總和[9]。因此，結(jié)合土壤因子對半干旱地區(qū)

草原土壤水分的多時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律定位觀測，掌握植物的耗水規(guī)律，了解其水文生態(tài)功能，是研究草原生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的中心環(huán)節(jié)，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

2 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市新巴爾虎右旗境內(nèi)克魯倫河流域的中溫型典型草原區(qū)。地理位置為東經(jīng) 115°31′～117 °43′，北緯47 °36 ′～49 °50′，呼倫貝爾市西部中俄蒙三國交界處。東北部與全國最大的陸路口岸城市滿洲里毗鄰。在試驗(yàn)區(qū)選擇呼倫鎮(zhèn)、莫農(nóng)塔拉、杭烏拉三個(gè)樣地。樣地地理位置分布詳見表1。

該地區(qū)屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年均降水量為300 mm，年均氣溫為2 ℃，年均積溫（≥0 ℃） 2600～2700 ℃（生長季）。土壤類型主要為栗鈣土。試驗(yàn)地植被種類豐富，以禾本科和菊科為主的植物種類繁多。全旗共有野生植物 66科、232屬、472種。在植被調(diào)查過程中，總共記載的植物種類有40種，主要包括禾本科、豆科、菊科、莎草科、薔薇科、毛茛科、唇形科、十字花科、石竹科等（詳見表2）。

3 試驗(yàn)內(nèi)容與研究方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)研究目的和任務(wù)，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)按照天然草原各亞類構(gòu)成比例及分布情況，選擇具有代表性的草原作為研究對象。在呼倫鎮(zhèn)，莫農(nóng)，杭烏拉三個(gè)地方分別設(shè)置輕、中、重3個(gè)不同放牧梯度樣地。

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)天然草原的土壤水勢，影響其主要的原因是由于放牧程度的不同引起的，分別測量輕牧梯度下不同深度下土壤水勢日進(jìn)程，中牧梯度下不同深度下土壤水勢日進(jìn)程，重牧梯度下不同深度下土壤水勢日進(jìn)程。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

在不同放牧梯度上的試驗(yàn)區(qū)，根據(jù)種類組成特征選取具有代表性的放牧梯度樣地。在每個(gè)樣地設(shè)置一條50 m監(jiān)測樣線，每隔5 m設(shè)一個(gè)1 m×1 m的樣方，調(diào)查樣方中出現(xiàn)的植物種類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最后將10個(gè)樣方調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，按算術(shù)平均法獲得取各組成成分相應(yīng)指標(biāo)的平均值。野外調(diào)查時(shí)間為2010年7月。使用Excel和SPSS13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 同放牧梯度上不同深度土壤水勢日進(jìn)程的變化

如圖1所示，輕度放牧條件下土壤各層水勢變化趨于穩(wěn)定，中度放牧干擾下土壤水勢變化趨勢復(fù)雜，而重度放牧條件下的表層土壤水勢變化趨勢不明顯，而隨著土壤深度的增加表現(xiàn)出一定的差異性。

輕度放牧梯度上，0～10 cm和10～20 cm的水勢變化表現(xiàn)一致，隨著時(shí)間的增加水勢能趨于飽和狀態(tài)，20～30 cm及30～40 cm的土壤水勢隨時(shí)間的變化無明顯增加減少的趨勢，且在40 cm時(shí)的土壤水勢更趨近與飽和狀態(tài)。

中度放牧梯度上，水勢隨時(shí)間變化的曲線趨勢較為復(fù)雜，0～10 cm土壤水勢平均分布在較低水平，偏離飽和狀態(tài)；10～20 cm的土壤水勢卻在11：00時(shí)出現(xiàn)峰值，隨后下降；20～30 cm的土壤水勢隨時(shí)間的推移逐漸升高，越趨近于土壤水分的飽和狀態(tài)；而30～40 cm的土壤水勢在13：00是出現(xiàn)峰值，隨后開始平緩下滑。

重度放牧梯度上，表層土壤0～10 cm、10～20 cm的土壤水勢變化趨勢一致，均隨之時(shí)間的推移呈平緩下滑趨勢，但接近土壤水分的飽和狀態(tài)；20～30 cm、30～40 cm的變化規(guī)律相一致，從6：00～13：00，土壤水勢隨時(shí)間的增加而逐漸升高，趨近土壤水分飽和，到13：00時(shí)出現(xiàn)峰值，隨土壤水勢隨時(shí)間的推移，開始下降。endprint

4.2 放牧梯度上不同土層土壤水勢的變化特征

由圖2a所示，不同放牧壓力下，0～10 cm土壤水勢的變化表現(xiàn)出明顯的差異性，輕度放牧梯度上，土壤水勢的變化隨時(shí)間的增加而逐漸升高，逐漸趨近飽和狀態(tài)；重度放牧條件下，土壤水勢在11：00出現(xiàn)峰值，即此時(shí)土壤水分狀態(tài)最接近飽和；重度放牧梯度上，土壤水勢卻與輕牧變化趨勢相反，水勢逐漸下降，即土壤水分隨時(shí)間的變化而逐漸被消耗。由圖2b所示，重度放牧壓力下10～20 cm的土壤水勢略高于輕度和中度放牧，中度放牧壓力下的土壤水勢平均略高于輕度放牧壓力，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與其地表植物根系對其土壤水分的利用效率。由圖2c所示，不同放牧梯度上20～30 cm土壤水勢均隨時(shí)間的遞增呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，中度放牧梯度上土壤水勢呈曲線上升趨勢，重度放牧梯度上在13：00時(shí)激增而后下降，而輕度放牧梯度上土壤水勢變化趨勢較小在-1.5～-2.0之間波動(dòng)。

4.3 不同土壤水勢下群落組成的變化

由表3可知，輕度放牧強(qiáng)度優(yōu)勢種為克氏針茅，輕度放牧強(qiáng)度優(yōu)勢種為羊草，重度放牧強(qiáng)度優(yōu)勢種為多根蔥；物種數(shù)變化趨勢為中度放牧>輕度放牧>重度放牧。

5 討論

土壤水勢是判斷土壤干旱程度的唯一指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)土壤水勢在一定程度上決定了植物光合動(dòng)態(tài)和干物質(zhì)的積累過程，特別是在受到干旱脅迫的情況下，土壤水勢往往和其他脅迫因素（如高溫脅迫）一起作用于植物生理過程。土壤水分含量與土壤表被植物覆蓋率密切相關(guān)，地表覆蓋率高，土壤水分保持力較好，表層土壤水勢絕對值較低，即越容易達(dá)到飽和狀態(tài)；地表覆蓋率低，土壤沙化，土壤水分蒸發(fā)量增高，表層土壤水分較少，因此土壤水勢絕對值相對較高，土壤較為干旱。隨著土壤深度的增加，植物根系對其水分利用率較低，因此，深層土壤水勢變化較不明顯。

克氏針茅屬多年生密叢型草本，克氏針茅在典型地帶性生境中的代表類型，是克氏針茅+糙隱子草草地，分布廣而面積最大。在略趨濕潤時(shí)，形成克氏針茅-大針茅草地；趨于低濕時(shí)，形成克氏針茅-羊草草地；趨于干旱溫暖時(shí)，形成克氏針茅-短花針茅草地；趨于干旱時(shí)，形成克氏針茅-戈壁針茅或克氏針茅-克列門茨針茅草地；土壤沙礫質(zhì)化時(shí)，形成小葉錦雞兒-克氏針茅草地或克氏針茅-冰草草地；海拔上升時(shí)，形成克氏針茅-羊茅草地；放牧利用過度時(shí)，則促使小半灌木作用增強(qiáng)而形成克氏針茅-冷蒿草地。

多根蔥屬于草原荒漠蔥類， 因其根系發(fā)達(dá)而得名。 其大量分布在荒漠化草原地帶。適宜的降水幅度為150～250 mm，對土壤要求不嚴(yán)格，除表土強(qiáng)烈沙化生長不良外，沙壤土、壤土乃至黏土均能很好地生長，土壤質(zhì)地越細(xì)，往往長勢越佳。它比克氏針茅更能適應(yīng)干旱的環(huán)境。

因此，在土壤水勢較高的輕牧，形成了克氏針茅-羊草草地；在中度放牧?xí)r，土壤水勢較低，于是形成了克氏針茅-冷蒿草地；重度放牧?xí)r，土壤水勢低，克氏針茅罕有所見，優(yōu)勢種變?yōu)槎喔[。

6 結(jié)論

（1）在不同放牧梯度下，土壤水勢日進(jìn)程均具有一個(gè)較為明顯的峰值，呈單峰狀分布，綜合表現(xiàn)為輕牧>中牧>重牧。

（2）在不同的土壤水勢條件下，群落的組成也相應(yīng)不同，根據(jù)土壤水勢的表現(xiàn)：輕牧>中牧>重牧，對應(yīng)各層次的優(yōu)勢種相應(yīng)不同，輕牧為克氏針茅，中牧為糙隱子草，重牧為多根蔥，因?yàn)楦魅郝鋵Ω珊档倪m應(yīng)能力強(qiáng)弱不同。

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Abstract： Soil water potential is the only index of soil drought.It has gained more and more attention of domestic and international researchers and hasbecome an important soil physical index. Some studies found that in certain degree of soil water plant photosynthesis determines the dynamic and dry matter accumulation process， especially in the case by drought stress. Soil water potential oftenacts onplant physiological processes along with other stress factors （such as high temperature stress）. Through the study of the daily process of soil water potential under different grazing intensities， the daily process of soil water potential has a more obvious peak， showing a “single peak” distribution as the following：light grazing>moderate grazing >heavy grazing. The change trend of number is： moderate grazing>light grazing > heavy grazing.

Key words： grazing stress；soil water potential；drought stress；single-peak curves；dominant speciesendprint