短期圍封對高寒草甸土壤有機碳及主要養分含量的影響

于寶政，彭岳林，屈興樂

(1.西藏農牧學院 資源與環境學院，西藏 林芝 860000；2.西藏農牧學院 植物科學學院，西藏 林芝 860000；3.西藏農牧學院高原生態研究所，西藏 林芝 860000)

【研究意義】那曲草原是藏北草原的重要組成部分，在我國草原資源中占有重要地位。那曲高山嵩草草甸位于高原亞寒帶半干旱季風型氣候區，具有物種單一、生態系統脆弱、易破壞、難恢復等特點。近年來，由于過度放牧等不合理的開發利用，以及那曲草原生態系統本身的脆弱性，使得其生產力及載蓄量下降，植被破壞、土壤侵蝕等現象十分嚴重。這些現象將會減少草地地上部分向土壤輸入營養成分的量[1]，以及導致土壤對養分固持能力的下降，從而加劇土壤侵蝕和土壤養分的流失[2]。【前人研究進展】土壤養分作為表征土壤質量及肥力的重要指標[3]，安慧、董曉玉等[4-5]研究表明，過度放牧將會導致土壤碳、氮、磷、鉀含量下降。對草地進行圍封是目前恢復草地生態系統最簡便經濟的有效措施，李強等[6]研究表明，圍封處理可增加草地地上生物量及土壤養分含量，且隨著圍封時間的延長呈增加趨勢。【本研究切入點】以往的研究對象大多是退化草地，且是將同一塊草地圍封前后進行對比，并不能排除降水、氣溫等因素對土壤有機碳及主要養分含量變化的影響；另外，目前關于草地恢復的研究主要集中在圍封處理對退化草地植物群落組成、生物多樣性及土壤種子庫等方面和長期圍封后對土壤養分含量變化的影響[7]，而對未退化草地的圍封處理，以及草地土壤養分在短期圍封后的時空動態研究尚少見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以那曲地區那曲縣德吉鄉自由放牧和圍封草地為研究對象，研究自由放牧和短期圍封處理對草地土壤養分含量的時空動態影響，旨在為草地恢復和可持續利用提供科學依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于那曲地區那曲縣德吉鄉，屬高原亞寒帶半干旱季風氣候，31.64°N， 92.01°E，海拔高度4596 m。該研究區氣溫低、空氣稀薄、太陽輻射強、日溫差大，日溫差16.1 ℃，年均溫-1.5 ℃，1月平均氣溫-13.2 ℃，7月平均氣溫9.0 ℃，土壤積雪及凍結期較長，僅7-9月為高原植被生長期。年降水量421.9 mm，年蒸發量1690.7 mm；境內多山，屬高原丘陵地形，此區域土壤為高山草甸土， 季節性凍土；地被植物主要優勢種為高山嵩草(Kobresiapygmaea)。

1.2 樣地設置與樣品采集測定

2013 年8 月、2014年8 月、2015年8 月( 夏季，草類盛長期)，選擇那曲地區那曲縣德吉鄉切瑪熱巴村自由放牧及圍封處理的高山嵩草草甸。每個樣地間保持一定距離(50～100 m)，按照隨機布點方式分別在圍欄內和圍欄外設置平行樣地各 3 個，共設置 6 個樣地，分別對圍欄內、外樣地用內徑 7 cm 土鉆進行取樣， 每個樣地隨機布設采樣點3 個， 分別采集深度為 0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 層次土樣。將土壤樣品裝入聚乙烯袋中， 貼上標簽后帶回實驗室，室內去除可見的石塊、植物殘體等非土壤部分后，自然風干。

1.3 土壤養分的測定

土壤有機碳、堿解氮、速效磷及速效鉀的測定方法如下。

(1)土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀-外加熱法[8]。

(2)堿解氮測定采用堿解擴散法[9]。

(3)土壤速效磷的測定采用鉬藍比色法[10]。

(4)土壤速效鉀測定采用NH4OAc浸提，火焰光度法[11]。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理及作圖。在SPSS 18.0(IBM公司，美國)中采用單因素方差分析(One-way ANOVA) 結合LSD和Tamhane多重比較，進行高山嵩草草甸自由放牧和圍封兩種不同處理方式下有機碳、堿解氮、速效磷和速效鉀含量的差異顯著性分析，以及相同處理方式下上述土壤養分含量的年際變化。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳的年際以及圍封變化特征

對高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤有機碳含量進行分析，結果如圖1所示。

土壤有機碳在同一處理方式的相同土層不同年份間的含量變化沒有顯著差異，在同一年份不同處理方式的相同土層間的差異也不具有顯著性。

圖中大寫字母表示同一處理方式(圍封或自由放牧)相同土層的年際差異，小寫字母表示同一年度內相同土層不同處理方式間的差異；不同字母表示差異性顯著(P<0.05)，下同圖1 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤有機碳年際變化特征Fig.1 Interannual variability of soil organic carbon in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

圖2 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤堿解氮年際變化特征Fig.2 Interannual variability of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

從0～25 cm土層整體上來看，圍封草甸土壤有機碳含量在2013-2015年是先上升后下降的變化過程，而自由放牧草甸土壤有機碳含量則是2014和2015年較之2013年均有所下降，這種情況在表層土壤中更加明顯。這一方面說明通過圍封，土壤有機碳含量有所上升，但還未到達一個相對穩定的程度，可能是由于土壤有機碳含量升高，促進了植被的生長，從而對有機碳的吸收量也隨之增多，導致了先升后降情況的出現；另一方面也從側面證明高山嵩草草甸的土壤有機碳在表層含量最高，其表層土壤有機碳含量變化在0～25 cm土層中也能夠得到體現。

在0～25 cm土層，整體上土壤有機碳在2013年自由放牧草甸的含量略高于圍封草甸，2014和2015年圍封草甸的含量略高于自由放牧草甸，這說明圍封的草甸土壤有機碳含量不一定會在短期內就高于自由放牧草甸，隨著圍封時間的增加，圍封的草甸土壤有機碳含量會逐漸高于自由放牧草甸，可見土壤有機碳的恢復和積累是一個較為緩慢的過程。

2.2 土壤堿解氮的年際以及圍封變化特征

對高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤堿解氮含量進行分析，結果如圖2所示。

土壤堿解氮在同一處理方式的相同土層不同年份間的含量變化沒有顯著差異，在同一年份不同處理方式的相同土層間的差異也不具有顯著性。

從0～25 cm土層整體上來看，圍封草甸土壤堿解氮含量在2013-2015年也是先上升后下降的變化過程，但是沒有土壤有機碳明顯。這從一定程度上說明高山嵩草草甸土壤有機碳與堿解氮含量間存在正相關關系，但植被對不同養分的需求量不同，因此雖然變化規律一致，但變化幅度卻有所不同。2013年圍封草甸土壤堿解氮含量在各土層均略低于自由放牧草甸，2014年圍封草甸土壤堿解氮含量有所上升，進而在0～25 cm土層中略高于自由放牧草甸，而2015年圍封草甸土壤堿解氮含量又略低于自由放牧草甸。這說明圍封處理并沒有使土壤堿解氮含量顯著上升或顯著高于自由放牧草甸。

圖3 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤速效磷年際變化特征Fig.3 Interannual variability of soil rapidly available phosphorus in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

圖4 高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)土壤速效鉀年際變化特征Fig.4 Interannual variability of soil rapidly available potassium in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

2.3 土壤速效磷的年際以及圍封變化特征

對高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效磷含量進行分析，結果如圖3所示。

土壤速效磷在相同處理方式樣地的相同土層的年際變化為：在0～5 cm土層圍封草甸和自由放牧草甸都是2013年土壤速效磷含量顯著高于2014和2015年(P<0.05)，2014年與2015年之間無顯著差異；在20～25 cm土層中，圍封草甸2014和2015年土壤速效磷含量顯著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效磷在相同年份相同土層不同樣地間的差異為：2013年土壤速效磷含量在0～5 cm土層圍封草甸顯著高于自由放牧草甸(P<0.05)，其余土層兩者間無顯著差異(P<0.05)；從0～25 cm土層來看，2013和2014年圍封草甸土壤速效磷含量均略高于自由放牧草甸，2015年圍封草甸土壤速效磷含量則略低于自由放牧草甸。

這說明圍封草甸和自由放牧草甸的表層土壤速效磷含量在3年間均有顯著下降，這雖然不一定是因為圍封處理，但通過圍封卻使圍封草甸土壤速效磷含量由2013年的高于自由放牧草甸到2015年的低于自由放牧草甸，這種情況在表層尤為明顯；雖然通過圍封使底層土壤速效磷含量有顯著提高，卻彌補不了表層損失。

2.4 土壤速效鉀的年際以及圍封變化特征

對高山嵩草草甸(自由放牧和圍封)連續3年間各土層(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效鉀含量進行分析，結果如圖4所示。

土壤速效鉀在相同處理方式樣地的相同土層年際變化為：在0～25 cm土層中，圍封草甸土壤速效鉀含量在2013-2015年也是先上升后下降的變化過程，其中2015年土壤速效鉀含量顯著低于2013年(P<0.05)。這說明土壤速效鉀與有機碳、堿解氮的變化具有一致性，3者在一定程度上具有正相關關系；而3者各自在不同年份的變化幅度不同則是由于植被生長對不同養分吸收量不同造成的。

土壤速效鉀在相同年份相同土層不同樣地間的差異為：圍封草甸土壤速效鉀含量除2014年在0～5 cm土層中略高于自由放牧草甸以外，在其余土層中各年份均略低于自由放牧草甸。這說明通過圍封處理不但沒有使圍封草甸土壤速效鉀含量高于自由放牧草甸，反而使圍封草甸土壤速效鉀含量在整體上顯著低于自由放牧草甸。

3 結 論

3.1 土壤有機碳及主要養分的年際變化

土壤有機碳和堿解氮各層土壤中含量在年際變化上沒有顯著差異。

土壤速效磷在0～5 cm土層圍封草甸和自由放牧草甸含量都是2013年顯著高于2014和2015年(P<0.05)，在20～25 cm土層中，圍封草甸2014和2015年含量顯著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效鉀在圍封草甸0～25 cm土層中含量2015年顯著低于2013年(P<0.05)。同時，圍封草甸土壤有機碳、堿解氮、速效磷含量在2013-2015年都呈現先上升后下降的變化過程。

3.2 土壤有機碳及主要養分圍封后的變化

除土壤速效磷2013年在0～5 cm土層中圍封草甸含量顯著高于自由放牧草甸(P<0.05)外土壤有機碳及主要養分在各年份和各土層中，圍封和自由放牧兩種草甸間均無顯著差異。

但從0～25 cm土層整體上來看，通過圍封處理，圍封草甸的土壤有機碳含量由低于自由放牧草甸逐漸變為高于自由放牧草甸，而土壤速效磷則由原來的圍封草甸略高于自由放牧草甸變成略低于自由放牧草甸。圍封草甸的土壤堿解氮含量在大多數年份中略低于自由放牧草甸；土壤速效鉀含量圍封草甸在絕大部分土層和年份中均略低于自由放牧草甸。

4 討 論

綜合結論可以看出，圍封可以使土壤有機碳含量有所上升，但其它土壤養分含量則可能會下降甚至是顯著下降。在圍封后地上植被量增加，秋冬季枯落物也相應增加，這有利于土壤有機碳的積累，但與此同時植被對土壤中養分特別是速效養分的吸收量也相應增加，造成其含量的下降。圍封對土壤有機碳和堿解氮含量的影響不大，這一結果與Basher 在坎特伯雷高原研究結果一致[12]。由此可見，圍封雖然對保護生態穩定性差和恢復退化草地來說是有效手段之一，但其并不一定是在所有情況下都會產生積極作用，有時在某些條件下或時間段內也會沒有作用甚至有負面影響，而未退化草地通過合理放牧則能夠促進牧草分蘗和再生，秋冬季枯草期放牧則可清除枯草有助于牧草春季的萌發。因此，在使用圍封這一管理手段時應考慮全面、結合實際情況，避免出現與期望相反的情況。