松嫩平原退化草地土壤和植被特征研究

方玉鳳，曹志偉，孫洪升，湯羽佳，鄒春明，閆敦梁，任秀彬

( 1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161000；2.杜爾伯特蒙古族自治縣林業(yè)和草原局，黑龍江 大慶 166200；3.肇東市林業(yè)和草原局，黑龍江 綏化 151100；4.林甸縣林業(yè)和草原局，黑龍江 大慶 166300)

草原是中國的主要自然景觀之一，約占國土面積的40%，在地球陸地生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)中發(fā)揮著重要作用。草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，對發(fā)展畜牧業(yè)、保持水土等方面有著重大作用。草地退化是草地生態(tài)系統(tǒng)逆行演替的一種過程，主要表現(xiàn)在土壤、植物兩個部分，地上主要表現(xiàn)為物種數(shù)減少、多樣性下降、生物量降低等方面，地下則表現(xiàn)為土壤肥力的降低；而土壤退化雖然較植物退化滯后，但卻是比植被退化更加嚴(yán)重的退化，恢復(fù)時間也要更長。草地退化嚴(yán)重影響了區(qū)域生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展。

松嫩平原草原區(qū)位于黑龍江省西部，以溫性草甸草原和低地草甸為主要草地類型，總面積108.2萬hm，占黑龍江省草原總面積的52%。松嫩草原處于溫帶半濕潤-半干旱過渡帶，生態(tài)較脆弱，是受全球變暖影響程度最大的區(qū)域之一。根據(jù)衛(wèi)星圖像和實地調(diào)查顯示，松嫩平原西部現(xiàn)有鹽堿化土地面積達373萬hm，是世界上三大蘇打鹽堿地集中分布區(qū)之一，重度鹽堿化土地面積以每年1.4%的速度擴展，部分土地出現(xiàn)明顯堿斑。該地區(qū)草地植物的生長長期受到氮限制，植被退化、土壤鹽堿化、荒漠化進程逐年加劇，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重。

2000年以來，我國強化了草原保護建設(shè)，調(diào)查顯示，松嫩平原草原區(qū)多年生優(yōu)良牧草比例較20世紀(jì)90年代嚴(yán)重下降，草原生態(tài)退化明顯。因此，有必要開展退化草原實地調(diào)查研究，從土壤養(yǎng)分、植物群落、牧草產(chǎn)量等方面進行退化草原分類，有針對性地總結(jié)不同退化程度草地的土壤養(yǎng)分特點及植物群落特征，以期為今后開展黑龍江省西部退化草原修復(fù)治理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查地概況

1.1.1 杜爾伯特蒙古族自治縣自然概況 杜爾伯特蒙古族自治縣屬寒溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.6～4.4 ℃，年均降水量420 mm左右，無霜期148 d，主要土壤類型為鹽堿土、風(fēng)沙土、草甸土、黑鈣土等。

調(diào)查區(qū)域位于124°17′29″—124°35′06″ E，46°22′33″—46°41′59″ N，調(diào)查樣地土壤類型主要為鹽堿土、風(fēng)沙土、草甸土，優(yōu)勢種為羊草()、大牛鞭草()等；亞優(yōu)勢種為虎尾草()、胡枝子()、葡枝委陵菜()等；伴生種為多葉棘豆()、堿蒿()、堿韭()等。

1.1.2 林甸縣自然概況 林甸縣屬北溫帶大陸季風(fēng)性氣候，四季溫差較大，年平均氣溫4.0 ℃，年降水量417.2 mm，無霜期129 d，主要土壤類型為黑鈣土、鹽堿土、草甸土等。

調(diào)查區(qū)域位于124°33′45″—125°9′15″ E，46°59′30″—47°17′55″ N，調(diào)查樣地土壤以鹽堿土為主，優(yōu)勢種為羊草、毛稈野古草()、堿蓬()等；亞優(yōu)勢種為虎尾草、蘆葦()、葡枝委陵菜等；伴生種為糙隱子草()、裂葉蒿()等。

1.1.3 肇東市自然概況 肇東市屬寒溫帶氣候，平均積溫2 772 ℃，年降水量293～656 mm，無霜期140 d，主要土壤類型有黑土、鹽堿土、草甸土等。

調(diào)查區(qū)域位于125°45′54″—125°54′43″ E，45°55′30″—46°04′50″ N，調(diào)查樣地土壤以小蘇打鹽漬化草甸黑鈣土為主，優(yōu)勢種為拂子茅()、羊草、虎尾草、大牛鞭草、堿蒿等；亞優(yōu)勢種為全葉馬蘭()、葡枝委陵菜等；伴生種為蒙古蒿()、星星草()等。

1.2 調(diào)查設(shè)計

選取以上3個市(縣、區(qū))域內(nèi)具有廣泛代表性的退化草地進行樣地調(diào)查。根據(jù)松嫩平原氣候特征，2021年9月初在植物發(fā)育成熟、生物量相對穩(wěn)定的時期進行調(diào)查。后期結(jié)合植被與土壤特征，根據(jù)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)》(GB 19377-2003)對調(diào)查樣地進行退化程度分類，分為輕度退化(Light degradation，記為L處理)、中度退化(Moderate degradation，記為M處理)和重度退化(Severe degradation，記為S處理)3種退化程度。

1.3 地上部、地下部測定項目及方法

在各樣地內(nèi)隨機設(shè)置樣方，每個樣地布設(shè)3個樣方，樣方規(guī)格1 m×1 m，重復(fù)樣方之間的距離不超過100 m直徑范圍，記錄每個樣方點的坐標(biāo)。清查1 m樣方內(nèi)的所有植物種類、數(shù)量、高度、蓋度，將地上部全部刈割，立即稱取鮮樣質(zhì)量，后帶回實驗室105 ℃烘箱殺青30 min，65 ℃烘干至恒定質(zhì)量并測定。地下部挖土壤剖面，分為3個土層，即0～10、>10～20、>20～30 cm。環(huán)刀在不同土層的剖面取土用于土壤容重的測定。挖坑法取樣(30 cm×30 cm，10 cm一層)用以測定地下部生物量，水洗法分離出根系，65 ℃烘干至恒定質(zhì)量并測定，將3個土層的根系相加換算地下部生物量。用土鉆分層取土樣帶回實驗室進行土壤理化性質(zhì)分析，測定方法參照鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》一書。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計算公式

式中：為土壤容重(g·cm)；為環(huán)刀內(nèi)土壤鮮質(zhì)量(g)；為環(huán)刀容積(cm)；為土壤含水率(%)

土壤有機碳含量

(%) = 土壤有機質(zhì)含量 / 1.724

土壤碳密度

(kg·m) = × ×

式中，為土層厚度(cm)；為土壤容重(g·cm)

Margalef豐富度指數(shù)

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)

Pielou均勻度指數(shù)

式中：為群落中物種數(shù)目；為觀察到的個體總數(shù)；為第個物種占總數(shù)的比例

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用WPS Office Excel進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，使用IBM SPSS Statistics 22.0 Pearson進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落組成、結(jié)構(gòu)、多樣性及生物量特征

2.1.1 植物群落組成、結(jié)構(gòu)及多樣性特征 根據(jù)表1可以發(fā)現(xiàn)，輕度退化、中度退化草地群落的優(yōu)勢種為禾本科植物；重度退化群落的優(yōu)勢種為堿蓬、堿蒿、堿地膚等耐鹽堿的指示植物。輕度退化草地的物種數(shù)最多，中度退化草地的物種數(shù)最少，重度退化介于二者之間。隨著退化程度的加劇，群落整體蓋度逐漸降低。輕度退化群落的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)最高，中度退化最低，重度退化介于二者之間。

表1 植物群落組成特征

2.1.2 植物群落地上生物量及根生物量特征 由表2可知，根系主要分布在0～10 cm土層中，并且隨著土層深度的增加，根系干質(zhì)量逐漸減小。在0～30 cm土層內(nèi)，地下生物量與地上生物量的比值為0.03～3.52，12個調(diào)查樣方中，有8個樣方的地下生物量高于地上生物量，比值高于1.00。

表2 植物群落地上生物量及根生物量特征

2.2 土壤理化性質(zhì)及肥力特征

2.2.1 土壤水分和容重特征 由于取樣地點跨度較大(表3)，土壤含水率差異較大，0～10 cm土層含水率為35.45%～82.22%，>10～20 cm土層含水率為23.30%～53.83%，>20～30 cm土層含水率為6.31%～35.50%，總體來看，土壤含水率隨著土層深度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢，表層土壤含水率高，下層土壤含水率較低。土壤容重的變化趨勢與土壤含水率相反，整體表現(xiàn)為隨著土層深度的增加，土壤容重呈現(xiàn)增加的趨勢。

表3 土壤水分和容重特征

2.2.2 土壤pH和電導(dǎo)率 各土層pH和電導(dǎo)率的變化整體上均隨著土層深度的增加而呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(圖1)。輕度、中度、重度退化草地的pH分別為8.31～9.91、8.85～10.07和9.88～10.31，說明隨著土層加深pH逐漸增大，草地退化程度加重。電導(dǎo)率的變化更加明顯，重度退化草地S～S處理的電導(dǎo)率明顯高于輕度和中度退化草地。

圖1 各土層pH和電導(dǎo)率

2.2.3 土壤全氮和有機質(zhì)含量 土壤全氮和有機質(zhì)含量整體表現(xiàn)為隨著土層的加深而逐漸下降，并且整體上呈現(xiàn)出隨著退化程度的加重，含量逐漸降低(表4)，輕度退化草原的0～10 cm土層全氮和有機質(zhì)含量分別為2.675～3.569 mg·kg和2.30%～3.87%，整體上高于中度和重度退化草原，重度退化草原的全氮和有機質(zhì)含量最低，分別為0.539～2.608 mg·kg和1.03%～1.79%。土壤有機碳密度整體上表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸降低。

表4 土層全氮、有機質(zhì)含量及有機碳密度

3 討論

3.1 植物群落組成及生物量特征

輕度、中度退化群落的優(yōu)勢種為羊草、拂子茅、毛稈野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物為虎尾草、堿蓬、堿蒿和堿地膚等。烏仁其其格的研究認(rèn)為，優(yōu)勢種的更替可成為植物群落演替的標(biāo)識，輕度、中度退化草地仍以禾本科為優(yōu)勢種，退化指示類的菊科、薔薇科等植物的重要地位在中度退化草地中明顯得到提升，重度退化階段多以耐踐踏的菊科植物占優(yōu)勢，這與本調(diào)查關(guān)于群落組成方面得到的結(jié)果一致。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中度退化草原的植物種類組成、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最低，地上生物量隨著退化程度的加重逐漸減小，說明中度退化的植物種類數(shù)最少，但地上生物量卻高于重度退化。重度退化群落的優(yōu)勢種是堿蓬、堿蒿等所占空間較大的藜科、菊科植物，相同蓋度下的多度較禾本科植物要小很多，導(dǎo)致地上生物量小于以禾本科植物為優(yōu)勢種、植物種類組成較簡單的中度退化草地。有研究認(rèn)為，草甸地上生物量與土壤含水率、總氮含量均不相關(guān)，本調(diào)查對地上生物量與土壤指標(biāo)做的相關(guān)分析也顯示為相關(guān)性不顯著，因此沒有列出。

三類退化草地的植被根系生物量的分布規(guī)律性不明顯，一般表現(xiàn)為隨著深度的增加，根系生物量降低。0～30 cm土層內(nèi)，植被地下生物量與地上生物量的比值多數(shù)大于1，比值為0.03～3.52。地下生物量主要集中在0～10 cm土層中，不同研究得出的根冠比差異很大，有研究認(rèn)為，中國北方草地的根冠比為0.4～14.3，F(xiàn)an等人認(rèn)為，中國北方草地的根冠比均值為24.6，Piao等人的分析認(rèn)為，不同樣地的根冠比均值為7.7。筆者認(rèn)為這些結(jié)果與本調(diào)查得到的結(jié)果并不沖突，因為地下生物量的研究較地上部分困難得多，難以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)是公認(rèn)的，挖坑法取樣也具有一定的偏差，若要準(zhǔn)確說明，需要更加集中取樣進行分析。

3.2 不同退化類型的土壤特性

隨著草地退化程度的加深，土壤pH逐漸增大，即重度退化土壤pH最高，輕度退化土壤pH最低。電導(dǎo)率的變化更加明顯，重度退化草地的電導(dǎo)率明顯高于輕度退化和中度退化草地。全氮和有機質(zhì)含量、有機碳密度則表現(xiàn)為隨著退化程度的加重而降低。已有研究表明，草地退化導(dǎo)致土壤有機碳減少，草地地下碳儲量變化規(guī)律與土壤有機質(zhì)變化規(guī)律相同，這些結(jié)論均與本研究結(jié)果相似。

關(guān)于地上、地下植物碳儲量的研究報道較多，如辛?xí)云降壤?002—2009年的調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合遙感技術(shù)，對我國北方草地植被碳儲量進行了評估，類似的研究還有Ni、Fan等、馬文紅等、Piao等、樸世龍等，總結(jié)來看，大范圍大尺度的評估都是結(jié)合了多年大量的數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感技術(shù)，得到的碳儲量雖然相差很大，但仍具有一定代表性，此類研究一般是利用轉(zhuǎn)換率0.4或0.45以地上、地下生物量來進行碳密度的估算；也有對小范圍定點監(jiān)測實地取樣的研究，測定每一種植物的含碳率來計算該地區(qū)植被總碳儲量。鑒于前人對這方面的研究已很成熟，故本研究不再進行這方面的估算，只對土壤有機碳密度進行了計算。結(jié)果表明，重度退化草地的土壤有機碳密度最低，0～10 cm土層的有機碳密度為0.629～1.188 kg·m，輕度退化和中度退化草地0～10 cm土層的有機碳密度分別為1.246～2.178和1.775～2.352 kg·m。姜藍齊等利用1980年前后進行的土壤普查數(shù)據(jù)與2015年實地采樣數(shù)據(jù)，分析了松嫩平原55個縣區(qū)土壤有機碳變化情況，結(jié)果表明，不同類型土壤有機碳密度均呈現(xiàn)下降趨勢，堿土卻表現(xiàn)為增加趨勢，由1980年的1.06 kg·m增加到2015年的1.68 kg·m。結(jié)合本研究結(jié)果，說明已經(jīng)出現(xiàn)堿斑的重度退化草地的土壤有機質(zhì)損失嚴(yán)重，有機碳密度下降明顯，中度退化草地有機質(zhì)含量、有機碳密度仍然保持較高水平。

4 結(jié)論

研究表明，目前黑龍江省西部松嫩草原輕度、中度退化草原的優(yōu)勢種為羊草、拂子茅、毛稈野古草等禾本科植物，重度退化草地代表性植物為虎尾草、堿蓬、堿蒿和堿地膚等。中度退化草原群落的植物種類組成較簡單、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)最低。地上生物量隨著退化程度的加重逐漸減少。三類退化草地的植被根系生物量的分布規(guī)律性不明顯，一般表現(xiàn)為隨著深度的增加，根系生物量降低。3種退化類型草地的土壤含水率、全氮和有機質(zhì)含量、有機碳密度均表現(xiàn)為隨著土層深度的增加而逐漸減小；土壤容重、pH和電導(dǎo)率的變化整體上均呈現(xiàn)出隨著土層深度的增加而增大。重度退化草地的土壤有機碳密度最低，中度退化草地的有機質(zhì)含量、有機碳密度仍然保持較高水平。