不同管理措施對(duì)青海湖流域高寒草地土壤養(yǎng)分的影響

蘇洪燁, 張中華, 佘延娣, 馬 麗, 毛旭鋒, 賈順斌, 馬 真, 周華坤, 黃小濤*

(1. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所，青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008； 2. 青海師范大學(xué)，青海 西寧 810008； 3. 青海省草原總站，青海 西寧 810008； 4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

青海湖流域位于青藏高原東北部，是溝通青海省南部、西部和東部地區(qū)的樞紐地帶，也是防止荒漠化從西向東蔓延的生態(tài)屏障[1-2]。該區(qū)域高寒草地生態(tài)系統(tǒng)分布最為廣泛，是青海省重要的畜牧業(yè)基地，并具有不可替代的生態(tài)價(jià)值[3]。近年來，青海湖流域因不合理的放牧活動(dòng)導(dǎo)致草地退化現(xiàn)象廣泛存在[4-5]，破壞了該區(qū)域土壤的物理結(jié)構(gòu)，使土壤養(yǎng)分散失嚴(yán)重[6]。為了扭轉(zhuǎn)該區(qū)域高寒草地退化加重的局面，政府采取了適度放牧[7]、圍欄封育[8]和草灌結(jié)合[9]等恢復(fù)治理措施，這些管理措施必然引起該區(qū)域土壤養(yǎng)分特性發(fā)生變化。研究表明不同區(qū)域土壤養(yǎng)分在不同管理措施下并沒有體現(xiàn)統(tǒng)一的變化規(guī)律[10-11]。如在我國(guó)西藏高寒草甸、新疆亞高山草甸以及寧夏荒漠草原圍封措施可以增加退化草地中土壤的有機(jī)碳、氮和磷的含量[12-14]，而在美國(guó)中北部的半干旱草地放牧措施相比圍封措施顯著提高了土壤有機(jī)碳含量[15]。

土壤養(yǎng)分特性作為評(píng)價(jià)草地生態(tài)系統(tǒng)土地資源優(yōu)劣的重要指標(biāo)對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要[16]，影響著草地生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展[17]。隨著人類放牧活動(dòng)的加劇，家畜動(dòng)物通過采食、踐踏以及糞便排泄物歸還等途徑影響了土壤的物理結(jié)構(gòu)和高寒草地的物質(zhì)循環(huán)，從而改變了土壤的化學(xué)組成[11]。圍欄封育通過消除不良人為干擾使草地得以休養(yǎng)生息，改善了土壤理化性質(zhì)[12]。草灌結(jié)合作為人工草地建植方式之一，是將優(yōu)良灌木和優(yōu)質(zhì)牧草進(jìn)行人工種植，進(jìn)而改善植物生長(zhǎng)條件，提高草地生產(chǎn)力，土壤養(yǎng)分特性也隨之改變[18]。因此，不同管理措施會(huì)導(dǎo)致青海湖流域高寒草地土壤養(yǎng)分變化的差異[5,8,19]。然而，目前不同管理措施對(duì)青海湖流域高寒草地土壤養(yǎng)分的影響如何尚未有明確認(rèn)識(shí)，這不利于青海湖流域生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。基于此，本研究通過對(duì)圍欄封育(Fence enclosure，F(xiàn)E)、傳統(tǒng)放牧(Traditional grazing，TG)和草灌結(jié)合(Combination of grass and bush，CGB)3種青海湖流域高寒草地主要管理措施下不同土層深度土壤養(yǎng)分的測(cè)定和分析，探討了其土壤養(yǎng)分的變化情況，為該區(qū)域生態(tài)保護(hù)及高寒草地資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究采樣點(diǎn)位于青海湖西岸共和縣石乃亥鄉(xiāng)(99°36′14″ E，36°59′59″ N)，海拔約3 200 m，氣候類型為典型的高原干旱大陸性氣候，該區(qū)域日照輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，年均溫0.7℃，最冷月(1月)月均氣溫—14.2℃，最熱月(7月)月均氣溫10.9℃，年降水量約為368.1 mm，年蒸發(fā)量約為1 484.5 mm，無霜期約30 d。土壤類型為栗鈣土，植被功能類型為代表性的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)，主要分布的優(yōu)勢(shì)草本植物有阿洼早熟禾(Poaararatica)、紫花針茅(Stipapurpurea)、天山賴草(Leymustianschanicus)、二裂葉委陵菜(Potentillabifurca)和豬毛蒿(Artemisiascoparia)等[20]。

1.2 研究方法

1.2.1樣地布置 2018年9月在青海湖西岸共和縣石乃亥鄉(xiāng)多年放牧草場(chǎng)選取海拔和地勢(shì)等情況基本一致的高寒草地布置實(shí)驗(yàn)樣地，采用完全隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)方法設(shè)置圍欄封育(FE)、傳統(tǒng)放牧(TG)和草灌結(jié)合(CGB)3種不同草地管理措施，每種措施設(shè)置3個(gè)重復(fù)(共計(jì)9個(gè)樣區(qū))，各樣區(qū)設(shè)置為50 m × 50 m，管理時(shí)間為2年。將TG樣區(qū)作為對(duì)照，具體措施為全年連續(xù)放牧，放牧家畜為體重約30 kg的河谷型藏綿羊，相當(dāng)于0.6個(gè)羊單位[21]，放牧強(qiáng)度為2.4羊單位·ha-1；FE樣區(qū)全年禁牧；CGB樣區(qū)具體措施為圍欄封育和優(yōu)質(zhì)灌木種植，優(yōu)質(zhì)灌木為沙棘(Hippophaerhamnoides)，樣區(qū)內(nèi)按照株距1 m、行距2 m進(jìn)行種植。

1.2.2樣品采集 2020年9月中旬，每個(gè)樣區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)0.5 m×0.5 m的樣方，齊地面刈割樣方內(nèi)所有植物后，采用3點(diǎn)取樣法收集樣方內(nèi)土壤樣品，分別采集0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土層土壤，將3個(gè)點(diǎn)相同深度土壤充分混勻，并去除植物根系為該樣方土壤樣品，將土壤樣品置于自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。自然風(fēng)干后的土壤樣品，碾磨過0.15 mm篩，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)和全磷含量；過0.25 mm篩土樣，用于測(cè)定土壤全氮含量；過1 mm篩土樣，用于測(cè)定速效磷含量；過2 mm篩土樣，用于測(cè)定速效氮含量。新鮮土壤樣品碾磨后過2 mm篩，用于測(cè)定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.2.3樣品測(cè)定及分析 測(cè)定的土壤養(yǎng)分指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。土壤有機(jī)質(zhì)(Organic matter，OM)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法分析測(cè)定；全氮(Total nitrogen，TN)和全磷(Total phosphorus，TP)含量的分析測(cè)定分別采用凱氏法消解和氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法；土壤速效養(yǎng)分速效氮(Available nitrogen，AN)、速效磷(Available phosphorus，AP)、銨態(tài)氮(Ammonia nitrogen，AN)和硝態(tài)氮(Nitric nitrogen，NN)含量的分析測(cè)定分別采用堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法、納氏試劑比色法和紫外分光光度法[22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析

應(yīng)用Excel 2019對(duì)野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行錄入；采用SPSS 25.0中單因素方差分析(One-Way ANOVA)對(duì)3種管理措施下同一土層深度和同種管理措施下不同土層深度的土壤養(yǎng)分進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，再運(yùn)用Duncan方法對(duì)平均值進(jìn)行多重比較。制圖采用Origin 2021。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同管理措施對(duì)不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)的影響

由圖1可知，在圍欄封育、草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧3種不同管理措施下，土壤有機(jī)質(zhì)含量均在0～10 cm土層最高，隨著土層深度增加，有機(jī)質(zhì)含量均顯著降低(P< 0.05)。0～10 cm和10～20 cm土層中有機(jī)質(zhì)含量變化表現(xiàn)為FE > CGB > TG；20～30 cm土層中有機(jī)質(zhì)含量表現(xiàn)為FE>CGB,FE>TG，草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧措施下該層有機(jī)質(zhì)含量并無顯著差異；圍欄封育措施下，不同土層深度土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧(P<0.05)。

圖1 不同管理措施下的土壤有機(jī)質(zhì)Fig.1 The concentration of soil organic matter under different managements注：FE表示圍欄封育；CGB表示草灌結(jié)合；TG表示傳統(tǒng)放牧。不同小寫字母表示不同土層深度差異顯著(P < 0.05)，不同大寫字母表示不同管理措施差異顯著(P<0.05)，下同Note:FE indicates fence enclosure;CGB indicates combination of grass and bush;TG indicates traditional grazing. Different lowercase letters indicate significant differences between different soil depth at the 0.05 level,different uppercase letters indicate significant differences between different managements at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同管理措施對(duì)不同土層深度土壤全量養(yǎng)分的影響

2.2.1土壤全量養(yǎng)分對(duì)不同土層深度的響應(yīng) 圍欄封育措施下土壤全氮含量在0～10 cm和10～20 cm土層顯著高于20～30 cm；全磷含量在0～10 cm土層顯著高于10～20 cm和20～30 cm(P<0.05)。傳統(tǒng)放牧措施下土壤全氮含量在0～10 cm土層顯著高于10～20 cm和20～30 cm；全磷含量在0～10 cm和10～20 cm土層顯著高于20～30 cm(P<0.05)。草灌結(jié)合措施下土壤全氮含量在不同土層間并無顯著差異；全磷含量表現(xiàn)為0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm(P<0.05)。全量養(yǎng)分含量總體表現(xiàn)為自表層向下逐漸降低(表1)。

2.2.2土壤全量養(yǎng)分對(duì)不同管理措施的響應(yīng) 圍欄封育、草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧3種不同管理措施對(duì)土壤全量養(yǎng)分影響較小，主要對(duì)0～10 cm土層全氮含量產(chǎn)生影響，該層中全氮含量表現(xiàn)為FE > CGB > TG；不同管理措施對(duì)全磷含量無影響，0～10 cm,10～20 cm和20～30 cm土層中全磷含量在不同管理措施下均無顯著差異(表1)。

表1 不同管理措施下的土壤全量養(yǎng)分含量Table 1 Soil total nutrients under different managements

2.3 不同管理措施對(duì)不同土層深度土壤速效養(yǎng)分的影響

2.3.1土壤速效養(yǎng)分對(duì)不同土層深度的響應(yīng) 圍欄封育和傳統(tǒng)放牧措施下速效氮和速效磷含量表現(xiàn)為隨土層深度增加而降低，不同土層間含量有顯著差異(P< 0.05)；草灌結(jié)合措施下速效氮和速效磷在0～10 cm土層中含量最大，10～20 cm和20～30 cm土層間無顯著差異；在不同管理措施下速效氮和速效磷含量在0～10 cm和10～20 cm土層最高。銨態(tài)氮含量在不同管理措施下不同土層間均無顯著性差異。硝態(tài)氮在不同管理措施下均表現(xiàn)為在0～10 cm土層中含量最高(P< 0.05)；在圍欄封育和草灌結(jié)合措施下，10～20 cm和20～30 cm土層中硝態(tài)氮含量無顯著差異；而在傳統(tǒng)放牧措施下，硝態(tài)氮含量隨土層深度增加而降低，且不同土層間含量存在顯著差異(P< 0.05，表2)。

2.3.2土壤速效養(yǎng)分對(duì)不同管理措施的響應(yīng) 圍欄封育、草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧3種不同管理措施對(duì)銨態(tài)氮含量的影響均不顯著。不同管理措施對(duì)土壤速效氮含量的影響主要體現(xiàn)在0～10 cm和10～20 cm土層，0～10 cm土層中速效氮含量表現(xiàn)為FE>TG，CGB>TG(P<0.05)，10～20 cm土層中速效氮含量表現(xiàn)為FE>TG，F(xiàn)E>CGB(P<0.05)，對(duì)20～30 cm土層中速效氮含量的影響不顯著；圍欄封育措施下0～10 cm土層硝態(tài)氮含量顯著高于其他2種措施(P< 0.05)；不同管理措施對(duì)土壤速效磷含量的影響主要體現(xiàn)在10～20 cm土層中，表現(xiàn)為FE>TG>CGB(P<0.05，表2)。

表2 不同管理措施下的土壤速效養(yǎng)分Table 2 Soil available nutrients under different managements

3 討論

3.1 土壤有機(jī)質(zhì)及全量養(yǎng)分對(duì)不同管理措施的響應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn)，圍欄封育措施下青海湖流域土壤有機(jī)質(zhì)含量高于草灌結(jié)合措施和傳統(tǒng)放牧措施。這是因?yàn)閲鷻诖胧┠軌蚴怪脖簧w度、物種多樣性、凋落物和土壤養(yǎng)分等增加，在一定程度上提高草地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量[23]，促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的增加；而傳統(tǒng)放牧和草灌結(jié)合措施由于牲畜采食、踐踏、人為干預(yù)等對(duì)土壤干擾活動(dòng)較大，影響土壤對(duì)地表枯落物的攝入，加速了表層腐殖質(zhì)的分解，土壤獲取有機(jī)碳能力降低[11]，這與多數(shù)不同區(qū)域的研究結(jié)果一致[5,14,24]。

土壤全氮磷含量對(duì)不同管理措施的響應(yīng)較小，主要體現(xiàn)在表層土壤全氮含量的變化。本研究表明青海湖流域圍欄封育下0～10 cm土層中全氮含量高于傳統(tǒng)放牧和草灌結(jié)合，這與張法偉等[25]在青藏高原高寒草甸對(duì)不同土地利用格局下土壤全氮含量變化的研究結(jié)果一致，放牧雖能增加土壤氮素的礦化和糞尿回歸，從而增加土壤全氮含量，但以動(dòng)物產(chǎn)品和糞尿釋放的形式轉(zhuǎn)移量更大，同時(shí)放牧家畜采食提高了氮循環(huán)速率，促進(jìn)了土壤中氮素向地上植物器官的運(yùn)輸分配[26]；草灌結(jié)合作為人工建植方式之一，耕蝕作用加速了土壤表層全氮的分解速率[27]。與0～10 cm土層相比，10～30 cm土層中根系和有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較少[28]，土壤的固有養(yǎng)分特性不易發(fā)生改變，因此不同管理措施主要對(duì)0～10 cm土層全氮含量影響較為顯著，隨著土層深度增加全氮含量無較大變化。青海湖流域土壤全磷含量在不同管理措施下并無顯著差異，這是由于全磷是土壤中相對(duì)穩(wěn)定的指標(biāo)，其含量主要取決于土壤母質(zhì)和類型，同時(shí)土壤全磷含量也與土壤有機(jī)磷的凈礦化作用、土壤磷素的微生物和非生物固定作用有關(guān)[29]，土壤全磷含量在不同地區(qū)可能有不同的趨勢(shì)，這需要更多的研究進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 土壤速效養(yǎng)分對(duì)不同管理措施的響應(yīng)

4 結(jié)論

研究表明，草灌結(jié)合和傳統(tǒng)放牧措施由于加大了對(duì)土壤的干擾程度，加速了土壤養(yǎng)分的流失，草地恢復(fù)效果并不明顯；而圍欄封育措施避免了不合理的人為干擾，更有利于土壤養(yǎng)分的固持。因此，對(duì)青海湖流域退化高寒草地進(jìn)行恢復(fù)時(shí)應(yīng)盡量采取圍欄封育等自然恢復(fù)措施。另外，不同管理措施主要對(duì)0～10 cm和10～20 cm土層中土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響，深層土壤養(yǎng)分不易受外界條件影響而發(fā)生變化。綜上，本研究可以深化對(duì)不同管理措施下高寒草地土壤養(yǎng)分的認(rèn)識(shí)，并為當(dāng)?shù)夭莸厣鷳B(tài)保護(hù)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐。