黃河源不同區域退化高寒草甸土壤養分空間變異研究

徐文印，張宇鵬，段成偉，柴瑜，宋嫻，李希來

青海大學農牧學院，青海 西寧 810016

黃河源是黃河流域的主要水源涵養區和草原區，是黃河中下游地區可持續發展的重要生態屏障（趙成章等，2009）。受高寒干旱氣候的影響，黃河源自然條件惡劣，生態環境極其脆弱。近幾十年來，在氣候變化和人類活動的影響下，黃河源的生態環境發生了顯著的變化，主要表現為高寒草地嚴重退化（周華坤等，2012）、土地沙漠化（封建民等，2004）、生物多樣性和數量銳減（楊建平等，2005）、水土流失加劇（侯春梅等，2001）等，引起了眾多學者和決策部門的廣泛關注（牛玉國等，2005；史丹丹等，2018；顧明林，2019）。相關研究表明，黃河源區中度以上退化草地面積占可利用草地面積的 50%—60%（李旭謙，2018）。因此，研究黃河源區的不同退化草地土壤養分空間變異特征對于及時監測草原動態以及恢復源區生態具有重要意義。

在區域空間尺度上，土壤養分具有明顯的異質性，即生態學過程和格局在空間分布上的差異性和復雜性（劉曉彤等，2021）。20世紀80年代Yost et al.（1982）等開始借助GIS在較大尺度的土壤屬性空間分異尺度上開展研究。20世紀 90年代Goovaerts（1998）探究了土壤理化性質及微生物屬性空間變異特性研究過程中地統計學的應用。隨著地統計學與GIS技術的結合，促進了草地土壤養分空間變異的研究（郭旭東等，2000；程先富等，2004；段友春，2021）。

以黃河源退化及未退化高寒草甸為研究對象，通過探究不同區域高寒草甸以及不同土層深度下土壤養分的空間分布特征，分析不同區域退化草地土壤養分變異規律，旨在為黃河源地區退化高寒草甸的形成機制和綜合治理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究3個典型區域分別為黃河源區域內河南縣多松鄉（短暫季節性凍土區），海拔3370 m；瑪沁縣大武鎮（較長季節性凍土區），海拔3660 m；瑪多縣花石峽鎮（多年凍土區），海拔4270 m，研究區域位置分布如圖1所示。氣候類型均為典型大陸性高原高寒氣候，土壤類型為高山草甸土，植被類型為高寒草甸。建群種為莎草科高山嵩草（Kobresia pygmaea C.B. Clarke），伴生種有莎草科線葉嵩草（Kobresia capillifolia C.B. Clarke）、苔草（Carex liparocarpos Gaudin）、禾本科早熟禾（Poa annua L.）、垂穗披堿草（Elymus nutans Griseb）、溚草（Koeleria macrantha）等，其他雜類草有黃花棘豆（Oxytropis ochrocephala Bunge）、紫花棘豆（Oxytro pissubfalcata Hance）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、二裂委陵菜（Potentilla bifurca）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium L.）、圓穗兔耳草（Lagotis ramalana Batal）、甘肅馬先蒿（Pedicularis kansuensis）、細葉亞菊（Ajania tenuifolia）和黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）等。

圖1 研究區域分布圖Fig. 1 Study area in the map

1.2 樣品采集

2019年8月在河南縣多松鄉（短暫季節性凍土區）、瑪沁縣大武鎮（較長季節性凍土區）和瑪多縣花石峽鎮（多年凍土區）分別選取3個不同小流域，在每個小流域內選取典型退化草地（明顯出現禿斑化區域）及未退化草地（未出現禿斑化區域），每塊草地隨機選取3個1 m×1 m樣方進行采樣，使用土壤原位采樣鉆機垂直于地面采集原狀土。河南縣多松鄉（短暫季節性凍土區）、瑪沁縣大武鎮（較長季節性凍土區）采集到碎石層為止，瑪多縣花石峽鎮（多年凍土區）采集到凍土層為止，記錄土層厚度并以20 cm為單位分割裝袋密封保存帶回實驗室。自然風干及碾碎后挑出植物根系及石礫，過0.25 mm篩裝入密封袋，保存待測。

1.3 測試方法

土壤厚度采用卷尺直接測量法測定，樣地海拔采用手持式GPS記錄，土壤pH采用pHS-25酸度計（土水比 1?5）測定。土壤養分的測定參考《土壤農化分析》（鮑士旦，2000）：土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤堿解氮采用1.0 mol·L?1氫氧化鈉堿解擴散法測定；土壤硝態氮采用飽和CaSO4·2H2O溶液浸提-酚二磺酸比色法測定；土壤銨態氮采用2 mol·L?1KCl浸提-靛酚藍比色法測定；土壤速效磷采用 0.5 mol·L–1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用 1 mol·L–1NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

1.4 數據處理

應用Excel整理數據，并制圖。應用SPSS（IBM SPSS Statiatics 20）軟件對數據進行 One-Way ANOVA統計分析，采用Duncan新復極差法進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同區域土層深度特征

結果表明，短暫季節性凍土區和較長季節性凍土區間土層深度差異不顯著（P>0.05）。多年凍土區土層深度為88.33 cm，與短暫季節性凍土區和較長季節性凍土區相比，分別顯著減少63.34 cm和63.00 cm（P<0.05）（表 1）。

表1 不同區域土層深度Teable1 Soil depth in different regions

2.2 不同區域土壤pH特征

短暫季節性凍土區和較長季節性凍土區、多年凍土區未退化草地及退化草地土壤pH均隨土層深度加深而逐漸增大，且退化及未退化草地間差異不顯著（P>0.05）（圖2）。

圖2 不同區域土壤pHFig. 2 Soil pH in different regions

2.3 不同區域土壤有機質特征

草地退化顯著影響土壤有機質含量（圖3）。短暫季節性凍土區未退化草地 0—160 cm土壤有機質含量分別是同層退化草地土壤有機質含量的1.45、1.42、1.62、1.98、2.19、2.59、1.30、1.55倍。較長季節性凍土區未退化草地0—160 cm土壤有機質含量分別是同層退化草地的 1.35、0.72、0.56、1.64、1.89、1.60、2.09、2.10倍。而多年凍土區未退化草地 0—100 cm土壤有機質含量分別是同層退化草地的 1.25、1.01、1.78、1.15、1.40倍。此外，草地退化亦顯著影響土壤有機質的空間分布特征，不同區域未退化草地及退化草地土壤有機質含量均隨土層深度加深而逐漸減少。其中，表層0—20 cm有機質含量顯著高于其他土層有機質含量（P<0.05）。

圖3 不同區域土壤有機質質量分數Fig. 3 Mass fraction of soil organic matter in different regions

2.4 不同區域土壤堿解氮特征

未退化草地及退化草地土壤堿解氮含量隨土層深度加深而逐漸減少（圖4）。短暫季節性凍土區、較長季節性凍土區和多年凍土區0—20 cm未退化草地土壤堿解氮含量分別是退化草地土壤堿解氮含量的1.58、1.11、1.15倍。除較長季節性凍土區20—40 cm及40—60 cm土層之外，其他不同區域同一土層草地發生退化后土壤堿解氮含量均降低。

圖4 不同區域土壤堿解氮質量分數Fig. 4 Mass fraction of soil alkaline nitrogen in different regions

2.5 不同區域土壤硝態氮特征

由圖5可知，短暫季節性凍土區、較長季節性凍土區和多年凍土區未退化草地中土壤硝態氮含量均隨土層加深而減少；短暫季節性凍土區及多年凍土區退化草地中土壤硝態氮含量也隨著土層加深而減少，較長季節性凍土區退化草地中土壤硝態氮在0—80 cm土層中含量逐漸減少，而80—160 cm土層中呈現相反趨勢。短暫季節性凍土區、較長季節性凍土區0—20 cm未退化與退化草地土壤硝態氮含量差異不顯著（P>0.05），多年凍土區0—20 cm未退化草地土壤硝態氮含量顯著高于退化草地（P<0.05）。

圖5 不同區域土壤硝態氮質量分數Fig. 5 Mass fraction of soil nitrate nitrogen in different regions

2.6 不同區域土壤銨態氮特征

短暫季節性凍土區草地退化后0—20 cm土壤銨態氮含量下降，較長季節性凍土區、多年凍土區草地退化后0—20 cm土壤銨態氮含量增加。短暫季節性凍土區和較長季節性凍土區20—160 cm土層土壤中銨態氮含量變化規律不明顯，多年凍土區20—100 cm 土層土壤銨態氮含量隨土層深度加深而減少，草地退化后各層土壤中銨態氮含量呈增加趨勢（圖6）。

圖6 不同區域土壤銨態氮質量分數Fig. 6 Mass fraction of soil ammonium nitrogen in different regions

2.7 不同區域土壤速效磷特征

圖7結果表明，短暫季節性凍土區未退化草地土層垂直結構中速效磷質量分數變化范圍為 9.70—13.72 mg·kg?1，退化草地土層垂直結構中速效磷質量分數變化范圍為 11.32—16.20 mg·kg?1，草地退化后土壤速效磷含量有所增加。較長季節性凍土區表層（0—20 cm）土壤速效磷含量高于深層土壤，未退化草地表層土壤速效磷含量較退化草地高23.76%。多年凍土區草地退化區域0—20、20—40、40—60、60—80 cm土層土壤速效磷含量與未退化區域相比分別增加 14.66%、34.43%、49.28%、1.86%，且隨土層深度加深，退化與未退化土壤速效磷含量均呈降低趨勢。但在接近凍土的土層中（80—100 cm）速效磷含量有所積累，未退化區域和 退化 區域 分 別 高 達 (2.52±0.08) mg·kg?1和(2.52±0.17) mg·kg?1。

圖7 不同區域土壤速效磷質量分數Fig. 7 Mass fraction of soil available phosphorus in different regions

2.8 不同區域土壤速效鉀特征

由圖8可知，從空間角度看土壤速效鉀含量隨土層深度增加逐漸減少，但在不同區域相同土層中土壤速效鉀含量變化趨勢為短暫季節性凍土區>較長季節性凍土區>多年凍土區。短暫季節性凍土區未退化草地0—160 cm土壤速效鉀含量分別較同層退化草地土壤速效鉀含量高 14.83%、76.08%、43.10%、84.95%、58.28%、17.84%、26.55%和32.12%。較長季節性凍土區退化草地0—160 cm土壤速效鉀含量分別是同層未退化草地的1.02、2.04、2.45、1.91、1.60、1.41、1.24、1.19倍，在接近碎石層土壤中（140—160 cm）速效鉀積累量增加。多年凍土區未退化草地與退化草地0—40 cm土壤中速效鉀含量變化差異不顯著，40—80 cm土層中草地發生退化后土壤速效鉀含量減少。

圖8 不同區域土壤速效鉀質量分數Fig. 8 Mass fraction of soil available potassium in different regions

3 討論

本研究中，短暫季節性凍土區未退化草地 0—160 cm土壤pH介于7.08—7.67，各土層間土壤pH差異不顯著，退化草地0—20 cm土壤pH為7.61，顯著高于未退化草地同層土壤，而其他土層pH差異性不顯著，這說明草地退化后只有表層土壤堿化，其他土層變化并不大。較長季節性凍土區和多年凍土區土壤pH隨著土壤厚度加深而顯著升高，草地發生退化后各層土壤pH變化并不顯著（圖2），這與周會程等（2020）研究結果相似。由此說明，草地退化后僅短暫季節性凍土區表層土壤（0—20 cm）發生堿化，其他區域及其他土層并未發生堿化現象，出現這一現象可能的原因還需在后續的研究中進一步探討。

土壤有機質是植物營養的主要來源之一，存在著明顯的“表聚現象”，研究表明，在0—20 cm土層中土壤有機質隨著海拔增加而增多，與丁咸慶等（2015）研究的大圍山不同海拔森林土壤有機質垂直分布規律一致。土壤有機質隨著草地發生退化而顯著減少，且短暫季節性和較長季節性凍土區減少程度最為嚴重，這與陳雪花等（2020）研究的祁連山東部不同退化程度高寒草甸中土壤有機質所得結論相一致。這可能是由于草地退化后有機質來源得不到補充，短暫季節性凍土區海拔較低，溫度較高，有機質分解速率更快。

土壤堿解氮包括無機態氮（銨態氮、硝態氮）和易水解的有機態氮，可供植物近期吸收利用。其含量在未退化草地及退化草地土壤中隨著土層深度加深而逐步減少，且短暫季節性凍土區減少程度最嚴重，銨態氮與硝態氮在土壤中分布規律不明顯，這與姜哲浩等（2019）在三江源區高寒草原的研究結論相同。隨土層加深，土壤碳、氮含量均有不同程度的降低，土壤有機碳和氮含量有明顯的表聚現象。這可能是由于土壤有機碳和堿解氮屬于不易流失的營養元素，因此會在土壤表面富集。一般認為土壤氮主要來源于土壤有機質的分解（馬國飛等，2017），且兩者存在較高的相關關系，在不同海拔的空間分布上具有一致的變化規律。但本研究表明不同海拔退化草地堿解氮與有機質呈負相關，這可能是由于高海拔地區氣溫低，土壤有機質分解減弱導致堿解氮含量較低海拔地區少。

土壤中的磷素來源主要是巖石及礦物風化形成土壤過程所產生，本研究中短暫季節性凍土區草地退化后土壤速效磷含量有所增加，土層垂直結構中速效磷含量分布規律不明顯。較長季節性凍土區表層土壤中（0—20 cm）土壤速效磷含量高于深層土壤，未退化草地表層土壤中速效磷含量較退化草地表層土壤中速效磷含量高，土層垂直結構中速效磷含量分布規律也不明顯。多年凍土區草地退化區域土層中土壤速效磷含量較未退化區域高（圖7）。這可能是由于磷在土壤中移動性較差，草地退化后對土壤中速效磷吸收量減少，土壤中有效磷含量增多，較長季節性凍土區表層土壤受雨水侵蝕使速效磷有一定流失。與磷素相似，土壤中鉀素的來源也主要是巖石及礦物風化形成土壤過程中所產生的速效鉀，因此不同土層中，隨著土層深度增加土壤速效鉀含量逐漸減少；同一土層中土壤速效鉀含量的變化規律是：短暫季節性凍土區>較長季節性凍土區>多年凍土區，隨著海拔升高土壤速效鉀含量逐漸減少。該結果與劉曉彤等（2021）研究的廣東省森林土壤速效鉀含量和海拔呈正相關的結果不同，可能原因是后者研究的海拔較低所致。

通過本研究可以發現短暫季節性凍土區、較長季節性凍土區、多年凍土區草地退化過程中土壤養分變異特征有所不同，這為不同區域開展草地退化治理及生態修復提供了一定參考。

4 結論

黃河源短暫季節性凍土區、較長季節性凍土區和多年凍土區退化及未退化高寒草甸土壤 pH均隨土壤厚度加深而升高，土壤有機質、堿解氮、硝態氮和土壤速效鉀含量隨著土層的加深而降低，土壤銨態氮和速效磷含量在各土層中變化規律不明顯。

草地退化降低土壤有機質、堿解氮含量、較長季節性凍土區表層土壤速效磷含量及多年凍土區表層土壤硝態氮含量，增加短暫季節性凍土區和多年凍土區各土層土壤速效磷含量。