退化高寒草地淺層土壤理化性質Meta分析

邵建翔， 劉育紅， 馬 輝， 魏衛東,2*

(1. 青海大學農牧學院， 青海 西寧 810016； 2. 青海省高寒草地適應性管理重點實驗室， 青海 西寧 810016)

青藏高原高寒草地作為我國面積最大、分布最廣的一種草地類型，與我國的生態環境密切相關。然而由于人類活動如過度放牧、過度開墾等影響造成高寒草地遭到不同程度的破壞[1]。為了恢復草地土壤肥力，維持生態環境穩定性，研究草地土壤物理、化學性質至關重要[2]。目前針對高寒草地土壤理化性質，已取得了較為豐富的研究結果，但由于土壤系統的復雜性、不同研究方法的差異性、研究樣地的空間異質性、測定方法的不一致等原因，導致雖均以高寒草地土壤為研究對象，但取得的研究結果卻并不十分一致甚至結果相左。如吳江琪[3]研究表明，隨著草地退化加劇，土壤全磷含量上升；賀有龍[4]的研究結果則顯示，隨著草地退化加劇，土壤全磷顯著降低；隨著草地退化加劇，張生楹等[5]發現土壤全鉀含量相差不大；王玉琴[6]通過研究發現，土壤全鉀含量呈增大的趨勢。因此，在退化高寒草地，如果進一步開展以土壤理化性質為目標的基礎性研究，或用于指導退化高寒草地恢復采取相應措施時，難以有效利用已有的這些研究結果。為此，如果能夠對已有的大量研究結果進行科學綜合并將其數量化，則將極大地提高已有研究成果的應用價值。

對已有研究結果的傳統述評往往具有一定局限性，如在綜述過程中可能帶有一定的主觀性，或當文獻數據信息量很大時，缺乏科學且行之有效的匯總方法。而Meta分析(Meta-Analysis)是一種引入到生態學領域的綜合定量分析方法，其對于研究文獻的檢索、納入、排除都有明確的原則體系，為每項研究給予的權重基于預先規定的數學標準，這就為綜合分析提供了更加客觀的方法。本文利用退化高寒草地土壤理化性質方面已有的研究結果，基于Meta方法分析高寒草甸、高寒草原在不同退化程度下土壤理化性質的變化規律。

1 材料與方法

1.1 文獻收集及納入

2021年2月使用關鍵詞“高寒草地&退化”和“alpine meadow&alpine grassland°radation”)等在CNKI、萬方、維普、ScienceDirect、Engineering Village、web of science數據庫中進行文獻檢索，檢索2000年至今的相關文獻，共檢索出2 490篇，排除重復文獻后為1 971篇，然后結合本研究目的，按下列標準作為納入Meta研究的條件對文獻進行篩選[7]：①試驗樣地為高寒草甸、高寒草原，樣地設置包括不同退化程度(含未退化)；②包含土壤理化性質相關描述；③土樣在0～10 cm，10～20 cm范圍分層采集后分析測定得到理化性質數據；④數據為具體數值或圖表，數據包含平均值、標準差。通過篩選最終納入79篇與高寒草地不同退化程度土壤理化性質相關的文獻(表1)[4-5,8-83]。

表1 文獻內相關數據Table 1 Data in the literatures

本文選定的土壤理化性質指標為：土壤含水量(Soil moisture content，SMC)、土壤酸堿度(pH)、土壤容重(Bulk density，BD)、土壤有機碳(Soil organ carbon，SOC)、土壤全氮(Total N，TN)、土壤全磷(Total P，TP)、土壤全鉀(Total K，TK)、土壤速效氮(Available N，AN)、土壤速效磷(Available P，AP)、土壤速效鉀(Available K，AK)。高寒草地退化程度包括為4個梯度，分別是未退化、輕度退化、中度退化、重度退化。草地退化程度依據任繼周[84]、趙新全[85]等的方法，結合“天然草地退化、沙化、鹽漬化分級指標”(GB 19377-2003)進行劃分。

1.2 數據提取整理

對納入分析的文獻進行整理，提取各處理組的樣地數、土壤理化性質指標的平均值、標準差。按照Meta分析的要求將未退化草地設為對照組。進行Meta分析時按不同草地類型即高寒草甸、高寒草原分別進行，并按0～10 cm，10～20 cm兩個土層進行亞組分析。

納入分析的文獻能夠直接提取平均值、標準差的則直接提取，文獻研究數據為圖表的，利用GetData2.2.0軟件提取數據；將所有數據進行整合；文獻數據為有機質含量時，按照有機質(g·kg-1)=土壤有機碳(g·kg-1)×1.724換算為土壤有機碳含量；Meta分析結果使用sigmaplot12.5繪圖。

1.3 統計學方法

利用Openmee軟件進行Meta分析，處理組與對照組兩組均值數值之比作為響應比R[86]，用響應比反映不同退化程度草地土壤理化性質的變化。

計算公式如下：

lnR=ln(Xt/Xc)

式中：Xt為處理組(輕度、中度、重度)的平均值，Xc為對照組(未退化草地)的平均值。

式中：nt和nc為樣本量，是處理組和對照組的重復次數，St和Sc分別為處理組和對照組標準差。利用方差的倒數W做權重因子對每個效應量進行加權，最后得出綜合響應比M。

W= 1/v

M=lnRR(effect size)作為非參數權重加權之后的綜合效應值:lnR×W

分析結果即效應值的95%CI沒有跨越0時，該效應達顯著水平(P<0.05)。

另外，用綜合響應比lnRR計算相對變化率Y反映不同退化程度下土壤理化性質的變化趨勢。計算公式為[87]：

Y=(RR-1)×100%

即Y=[exp(M)-1]×100%

2 結果與分析

2.1 0～10 cm土層退化高寒草甸主要理化性質特征

0～10 cm土層內，不同退化程度高寒草甸土壤含水量較未退化差異顯著(P<0.05)，而中度、重度退化下，土壤容重較未退化差異顯著(P<0.05)。其中，土壤含水量隨退化加劇而持續下降，土壤容重隨退化加劇而持續上升，其相對變化率分別為：-28.68%，-40.6%，-51.22%；14.45%，25.1%，39.23%。

化學性質中pH、土壤有機碳、全氮、全磷、速效氮各退化程度與未退化間差異顯著(P<0.05)，重度退化下的全鉀，中度、重度退化下的速效磷較未退化差異顯著(P<0.05)。土壤pH隨高寒草甸退化呈上升趨勢，其相對變化率為：1.81%，4.7%，5.65%。其余各指標隨高寒草甸退化加劇呈下降趨勢。其中，土壤有機碳相對變化率為：-23.89%，-36.55%，-55.91%；全氮相對變化率：-19.82%，-30.02%，-51.03%；全磷相對變化率為：-14.52%，-20.94%，-37.62%；全鉀相對變化率為：-1.78%，-6.94%，-15.46%；速效氮相對變化率為：-28.68%，-35.85%，-36.61%；速效磷相對變化率為：-1.09%，-17.05%，-27.53%；速效鉀相對變化率為：-6.48%，-7.96%，-24.27%(圖1)?？梢钥闯?，高寒草甸0～10 cm土層隨著退化加劇，理化性質的變化更為劇烈。

圖1 0～10 cm土層退化高寒草甸主要理化性質特征Fig.1 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine meadows in the 0～10 cm soil layer注：n為相關指標納入的文獻數，實心點表示效應具有顯著性(95%CI不重疊0)，空心點表示效應不存在顯著性，下同Note:n is the number of literatures,filled dots indicate that the effect is significant (95% CI does not overlap 0) and hollow dots indicate that the effect is not significant,the same as below

2.2 10～20 cm土層退化高寒草甸主要理化性質特征

在10～20 cm土層的物理性質變化趨勢中不同退化程度高寒草甸土壤含水量、容重較未退化差異顯著(P<0.05)。其中，土壤含水量隨退化程度加劇而顯著下降，其相對變化率為：-26.21%，-45.66%，-40.31%；土壤容重隨退化程度加劇顯著上升，其相對變化率為：13.42%，22.01%，25.23%。

各退化程度下高寒草甸pH、土壤有機碳、全氮、全磷以及中度、重度退化下的速效磷較未退化差異顯著(P<0.05)。退化高寒草甸pH隨退化加劇而持續上升，其余各指標不同退化程度與未退化相比，均呈現下降趨勢，但下降幅度與0～10 cm土層不同。其中，土壤有機碳、全氮隨退化程度加劇而不斷下降，輕度、中度、重度退化較未退化其相對變化率分別為：-26.14%，-37.74%，58.48%；-7.59%，-21.33%，-24.04%(圖2)。而土壤全磷相對變化率為：-11.39%，-18.04%，-17.55%；土壤全鉀相對變化率為：-2.46%，-2.95%，-2.66%；土壤速效氮相對變化率為：-11.04%，-8.97%，-11.83%；速效磷相對變化率為：-1.78%，-16.8%，-13.58%；速效鉀相對變化率為：-7.41%，-3.82%，-10.05%。反映出隨著土層加深，土壤理化性質變化不如0～10 cm土層有規律，但總體上看土壤容重、pH隨著退化加劇而上升，土壤含水量、有機碳、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀隨著退化加劇呈現不同程度的下降。

圖2 10～20 cm土層退化高寒草甸主要理化性質特征Fig.2 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 10～20 cm soil layer

2.3 0～10 cm土層退化高寒草原主要理化性質特征

高寒草原0～10 cm土層物理性質對退化的響應與高寒草甸一致。隨著高寒草原退化加劇，土壤含水量呈下降趨勢，土壤容重與之相反。其中，各退化程度下土壤含水量較未退化差異顯著(P<0.05)。土壤含水量、容重相對變化率分別為：-24.49%，-43.61%，-51.95%；10.84%，17.23%，20.92%(圖3)。

圖3 0～10 cm土層退化高寒草原主要理化性質特征Fig.3 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 0～10 cm soil layer

各退化程度下土壤有機碳、全氮；輕度、中度退化下pH；中度、重度退化下速效氮；重度退化下速效鉀與未退化相比均差異顯著(P<0.05)。土壤有機碳、全氮、速效氮、速效磷隨高寒草原退化加劇而下降劇烈，其相對變化率分別為：-15.63%，-38.36%，-56.95%；-18.2%，-36.61%，-37.74%；-8.14%，-25.76%，-42.76%；-1.19%，-9.42%，-13.58%。土壤全磷、速效鉀各退化程度較未退化均呈下降趨勢，但下降幅度各異，其相對變化率為：-1.19%，-8.05%，-4.97%；-27.45%，-32.63%，-31.47%。土壤全鉀輕度退化較未退化增加，而但在中度、重度退化程度又下降，其相對變化率為：14.11%，-9.51%，-11.39%。土壤pH輕度退化較未退化下降，但隨退化加劇下降幅度逐漸放緩，其相對變化率為：-1.488%，-0.19%，0.0%?？傮w來看，0～10 cm土層退化高寒草原較未退化相比，土壤容重上升、土壤含水量下降，化學性質各指標大體上呈現下降趨勢。

2.4 10～20 cm土層退化高寒草原主要理化性質特征

研究結果顯示，10～20 cm土層各退化程度土壤含水量、重度退化下容重較未退化均差異顯著(P<0.05)。其變化規律與高寒草原0～10 cm土層以及相同土層的高寒草甸一致。隨著高寒草原退化加劇土壤含水量下降、土壤容重上升，其相對變化率分別為：-24.87%，-41.08%，-63.13%；8.11%，10.73%，27.37%(圖4)。

圖4 10～20 cm土層退化高寒草原主要理化性質特征Fig.4 Characteristics of the main physicochemical properties of degraded alpine grassland in the 10～20 cm soil layer

各退化程度下土壤有機碳；輕度、中度退化下pH；重度退化下全氮、速效氮較未退化相比均差異顯著(P<0.05)。pH、土壤有機碳、速效鉀各退化程度較未退化均呈下降趨勢，其相對變化率依次為：-2.27%，-3.05%，-2.17%；-18.12%，-33.56%，-54.06%；-39.28%，-33.23%，-38.18%。土壤全氮、全磷、全鉀速效氮、速效磷各退化程度較未退化相比漲跌各不相同，其中全氮相對變化率為：7.25%，-16.88%，-49.74%；全磷相對變化率為-9.69%，-6.38%，3.04%；全鉀相對變化率為1.4%，-3.14%，-2.85%；速效磷相對變化率為-10.86%，-13.41%，8.11%(圖4)。

2.5 退化高寒草地理化性質0～10 cm與10～20 cm土層間的相關性

不同退化程度高寒草甸淺層土壤理化性質在兩個土層間的相關性表現不同。輕度退化下TK、AP，中度退化下TK，重度退化下SMC、AN兩土層間呈顯著相關(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)，其他各理化指標兩土層間相關性均不顯著(表2)。

表2 主要理化性質在0～10 cm、10～20 cm兩個土壤深度間的相關性Table 2 Correlation of the main physicochemical properties between two soil depths,0～10 cm and 10～20 cm

不同退化程度高寒草原淺層土壤理化性質在兩個土層間的相關性有所不同，輕度退化下TP、TK，中度退化下TK，三個退化程度下AK兩土層間呈顯著相關(P<0.05)或極顯著相關(P<0.01)，其他各理化指標兩土層間相關性均不顯著。

3 討論

3.1 草地退化對土壤理化性質的影響

草地退化可以直接或間接地改變草地生態系統土壤養分和環境，最終影響草地生態[88]。本研究中，我們綜合考慮了不同退化程度下高寒草甸、高寒草原的數據。結果表明，高寒草地0～20 cm土層內，退化高寒草甸與高寒草原土壤含水量、容重、有機碳變化規律一致，均隨著草地退化加劇土壤含水量、有機碳顯著下降(P<0.05)，土壤容重上升。導致這一結果的原因之一在于，高寒草地過度放牧等人為擾動致使土壤表層緊實，蓄水能力和通透性下降，且這種不利影響隨著放牧強度的增加而加大，最終導致高寒草地土壤含水量的降低和土壤容重的上升更加劇烈[89]。而土壤有機碳與草地植物關系密切，有機碳含量呈動態平衡且易受外部因素干擾[90]，退化高寒草地不僅表現為土壤退化，植被群落也相應退化，由此改變了植物的碳同化能力進而影響到植被群落的碳循環，加之土壤養分下降使得微生物所需能源物質不足，影響到土壤微生物活性。因此，植被覆蓋度、土壤有機質輸入和循環、微生物活性等的共同作用造成土壤有機碳含量下降。

全效、速效養分總體來看，0～20 cm土層內高寒草甸隨退化加劇大致呈現全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀下降的變化趨勢。0～10 cm高寒草原除輕度退化下全鉀有所上升外，其余指標與高寒草甸變化趨勢相同，而0～20 cm土層高寒草原各指標的變化規律性不明顯。高寒草甸各指標均下降，與草地退化在一定程度上影響地表植被，隨之在風蝕、水蝕等的侵蝕作用下造成土壤養分不同程度流失有關[15]。另外，從研究結果看，高寒草原土壤理化性質的變化趨勢規律性不如高寒草甸，可能的原因是，養分含量與土壤微生物有著密切的相關性，高寒草原與高寒草甸相比，土壤微生物區系發生了不同的改變，導致土壤養分變化呈現不同特點。同時高寒草原生態系統整體穩定性也不如高寒草甸，且高寒草原環境的變化相對復雜，導致同等退化程度下高寒草原各指標的變化幅度更大。

3.2 草地退化對生態與生產功能的影響

土壤養分含量對微生物具有決定性的影響[93]，微生物所需的六大營養素主要有碳源、氮源、水、能源、無機鹽、生長因子，其中全氮、有機碳是土壤微生物繁殖的首要因素。本研究發現，草地退化后土壤含水量、有機碳顯著下降，土壤全氮含量降低，因此，高寒草地退化對土壤微生物數量有所影響。另外，土壤有機碳、全氮是土壤肥力的基礎[94]，土壤容重則影響著土壤的物理屬性，退化發生后，有機碳等含量下降，土壤容重有所上升，這些理化性質的變化都不利于植物根系生長，所以退化高寒草地一定程度影響上群落植物的生長。另外，賈玉山等證明草地牧草可消化總養分與土壤有機質、全氮、速效氮呈正相關關系[95]，因此退化高寒草地，在一定程度可以上改變牧草可消化總養分的下降，從而降低飼料轉化比。

3.3 高寒草地土壤理化性質變化在不同土層的相關性

根據研究結果看出，高寒草地0～20 cm土層內，高寒草甸較高寒草原隨土壤的加深養分下降速度更快?？赡苁怯捎诟吆莸槎酁闇\根系植物，淺根系對草地退化更為敏感造成土壤養分隨土壤深度加深下降幅度更大。同時高寒草原不同退化程度及高寒草甸輕度、中度退化程度下淺層土壤內K含量隨土層厚度增加下降速度越快。高寒草甸、高寒草原輕度退化下淺層土壤內P含量隨土層厚度增加下降速度越快。因此對輕度退化高寒草地淺層土壤施適當P肥，對不同退化高寒草地淺層土壤內均可施適當K肥。

4 結論

高寒草地0～20 cm土層內退化高寒草甸pH較未退化呈上升趨勢，退化高寒草原pH較未退化呈下降趨勢。其余指標隨退化程度加劇大致呈現負面效應，對植被生長、微生物繁殖產生不利影響。同時對高寒草地輕度退化可以施P肥，高寒草地不同退化草地施K肥以緩解淺層土壤P、K含量下降速度。