東祁連山山地草甸土壤物理性質對微量元素含量和退化程度的響應

關鍵詞：東祁連山;山地草甸;土壤;微量元素;植被;退化

祁連山位于青藏高原，蒙新高原和黃土高原的交匯處，是全球氣候變化最為敏感的區域[1]，也是西北地區的重要生態安全屏障[2]，具有涵養水源、維護生態平衡等重要作用。草地作為祁連山地區最大的生態系統，是祁連山生態系統的主要組成部分之一[3]。近幾年，由于氣候變暖、區域氣候變化、人為破壞、保護措施落后等原因，祁連山地區的草地生態環境受到了嚴重破壞，導致草地退化，為區域經濟和社會發展帶來了嚴峻的挑戰[4]。草地退化在地上主要表現為物種數減少、多樣性下降、生物量降低等[5]。土壤中營養物質的匱乏并不會直接造成植物的死亡，導致植物死亡的重要因素是土壤物理特性的改變，即草地退化引起草地土壤的退化，進而使土壤物理特征發生變化，最終影響植物的生長發育[8]。在高寒草原退化過程中，地上植被會退化，土壤和植物中微量元素含量也隨之降低[12]。因此，研究草地退化對土壤性質的影響具有重要意義。

土壤的物理性質包括土壤的結構狀況、持水性能、持水能力及水滲透能力[12]，而土壤孔隙度對水的入滲率和儲存量有直接的影響，是一種對土壤結構性特征進行評估的重要因子[14]。另外，微量元素也是植物生長發育好壞的主要指標之一，它的活性狀態對農作物的生長、代謝、產量、品質和人體的健康都起著重要的作用[15]，土壤微量元素Mg，Zn，Cu和Mn與草地植被關系密切且在一定程度上影響著草地植被狀況[1]，當植物體內缺Mn時，光合作用就會受到抑制，從而造成光合產物的減少和干物質的蓄積[16];缺Mo會顯著降低冬小麥的葉綠素含量，并造成其組織結構的畸形，造成基粒的發育不全，表現為葉片黃化和光合作用減弱[17];Co也能改善植物對脅迫的抗性，如抗旱，病蟲害，低溫等[18];Se、Zn為人體必需微量元素，土壤中Se、Zn通過生物地球化學作用對區域人體健康構成影響[19]。退化草地的微量元素銅、鋅含量比較缺乏[20]。近些年，對土壤微量元素特征分析的研究越來越多，梁婷等[21]發現隨著退化程度的加劇，Fe、Mn、Cu、Mo含量在優勢植物及其土壤體系內總體增加，Zn總含量變化呈“U”形。肖海龍等[16]分析發現，隨著高寒草原退化的加劇，土壤中微量元素的含量均呈下降趨勢。李強等[22]研究表明海拔顯著影響著高寒草甸土壤微量元素的分布，高寒草甸土壤管理過程中應該關注微量元素Mo和Fe。

祁連山的山地草甸是以中生植物為主組成的群落，其生長環境是山區溫帶氣候，海拔較高，溫度較低，蒸騰較少，對保持植被群落結構、保證生態系統功能方面起到了重要作用[23]，近年來，對草地退化的研究大多集中于高寒草甸和高寒草原等草地類型[24]，對山地草甸退化中土壤物理性質與土壤微量元素的含量變化關系研究較少，因此，本文擬選取祁連山東段天?？h山地草甸為研究區域，通過探究不同退化程度山地草甸土壤物理性質及微量元素含量的變化，來揭示山地草甸土壤物理性質是否影響土壤微量元素含量，為精準分析微量元素的變化狀況剔除影響因子。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于甘肅省天?？h的抓喜秀龍鎮境內（37°40'N，102°32'E）的山地草甸，地勢西北高東南低，海拔在2878～3425m 之間，地勢較平坦。年平均光照時間大約為2500～2700h，日溫度和溫度垂直變化顯著，季節變化小。年降水量約400mm 左右，年蒸發約1600mm 左右，降水多集中于7—9月，屬于大陸性半干旱區，無絕對的無霜期，土壤類型主要為山地暗栗鈣土，從東南到西北植被的橫向分布呈下降趨勢，大致可劃分為森林、灌叢、草原和荒漠4個地帶，分布在此地的地面植被群落主要由中生植物植被構成。

1.2 樣地選擇和樣品采集

綜合考慮植被和土壤的各個指標，根據草地退化程度劃分的評價標準（BG19377-2003），選取未退化（Non degraded grassland，MND）、輕度退化（Lightly degraded grassland，MLD）、中度退化（Moderatelydegradedgrassland，MMD）和重度退化（Severelydegradedgrassland，MHD）山地草甸。

于2022年7—8月植物生長旺盛期，分別在以上4個典型樣地（不同退化樣地間距離為100m 內）中，按照隨機性和代表性的原則在每一個梯度范圍之內的同海拔高度（3000左右相差小于5m）處布置5個2m×2m 的大樣方，在每一個大樣方之內分別按對角線設3個50cm×50cm 的小樣方（圖1），每個樣地做15個重復樣本，去除表面的枯落物之后，用環刀隨機鉆取兩份0～10cm 的土壤樣本，將樣本按照編號裝袋，將其帶回到實驗室陰干，用于測定其物理性質（容重、含水量、飽和含水量、毛管持水量、田間持水量、非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總孔隙度）和微量元素含量。

四個退化梯度樣地蓋度、高度、生物量和優勢種調查結果見表1。

1.3 指標測定

1.3.1 土壤物理性質的測定 土壤容重和含水率測定：將采集的原狀土帶回實驗室，稱重（鮮土+環刀重）為M0，放置在烘箱，105℃烘至恒重，稱重（干土+環刀）為M1，去掉干土后將環刀稱重為M2。土壤容重和土壤含水量計算公式[25]為：

土壤容重（g·cm3）=（M1—M2）/100

土壤含水量（%）=（M0—M1）/（M1—M2）×100%

土壤毛管持水量、飽和持水量和田間持水量測定：參考《土壤物理性質測定方法》[25]。采集的原狀土帶回實驗室后，將環刀有孔的一端垂直向下，放置在一鐵盤（鐵盤深度為8～10cm）中，向鐵盤中加入蒸餾水，使蒸餾水緩慢的上升至環刀上沿，浸泡12h，浸泡過程中補加蒸餾水，稱重M3（土壤飽和含水量），將環刀（環刀方向不能倒轉）轉移至平鋪的干砂砂盤上，放置2h，稱重M4（毛管持水量）;然后繼續放置24h，稱重M5;最后，將環刀轉移至烘箱，105℃烘至恒重，稱重（M6），將干土去掉，環刀稱重（M7）[26]。

非毛管孔隙度=（飽和持水量-毛管持水量）×土壤容重

毛管孔隙度=毛管持水量×土壤容重

總孔隙度=非毛管孔隙度+毛管孔隙度

1.3.2 土壤微量元素的測定 使用氫氟酸-濃鹽酸-濃硝酸（1∶1∶3）進行消煮，并用原子吸收光譜法、石墨爐測定土壤樣品中鋅（Zn）、鈷（Co）、鎂（Mg）、錳（Mn）、銅（Cu）、鈣（Ca）、硒（Se）、鉬（Mo）和鐵（Fe）含量[27]。

1.4 數據統計與分析

試驗數據均進行了正態分布檢驗，利用MicrosoftExcel2016進行數據處理和繪圖，并用SPSS24.0、R語言和Canoco5.0軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 不同退化程度山地草甸土壤物理性質

隨著退化程度的加劇，土壤容重呈先升高后降低的趨勢，在MND 處為最低（圖2A），MMD 的土壤容重顯著高于MLD 和MHD，MLD 和MHD 顯著高于MND（P lt;0.05），與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的土壤容重分別增加15.38%，40.41%和15.38%;土壤含水量先降低后升高，在MMD處為最低（圖2B），總趨勢均為下降，MND的土壤含水量顯著高于MLD，MHD 顯著高于MLD，MLD顯著高于MMD（P lt;0.05），與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的土壤含水量均減少39.47%，54.22%和27.60%;土壤總孔隙度持續下降，在MHD處為最低（圖2C），MND的土壤總孔隙度顯著高于MLD，MLD 顯著高于MMD 和MHD（Plt;0.05），與MND相比，MLD、MMD和MHD的土壤總孔隙度均減少16.69%，31.45%和31.97%。

隨退化程度的加劇，土壤非毛管孔隙度先升高后降低，在MND 處最小3.05%，與MND 相比，MLD、MMD和MHD的土壤非毛管孔隙度均升高92.50%，49.56%和8.80%;而毛管孔隙度的趨勢先降低后升高，在MMD最小37.54%，MLD、MMD和MHD的毛管孔隙度均降低22.39%，36.26%和34.13%（圖3）。

隨退化程度的加劇，土壤飽和持水量先降低后升高，總體趨勢為降低，在MMD 處最低為45.84，與MND相比，MLD、MMD和MHD的土壤飽和持水量均減少21.84%，46.94%和37.85%;土壤毛管持水量先降低后升高，總體趨勢為降低，在MMD處為最低40.61，與MND 相比，MLD、MMD 和MHD的土壤毛管持水量均減少26.45%，49.75% 和38.24%;田間持水量先降低后升高，總的趨勢為降低，在MMD 處最低為35.99%，與MND 相比，MLD、MMD 和MHD 的田間持水量均減少26.93%，50.65%和41.22%（圖4）。

2.2 不同退化程度山地草甸土壤微量元素

隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤Zn，Mn和Ca含量不斷降低，土壤Co，Cu和Mo含量先升高后降低，土壤Mg含量先降低后又升高，土壤Fe含量先降低后升高再降低，土壤Se含量不斷升高（圖5）。隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤Zn，Mn和Ca含量整體降低，土壤Se，Fe，Mg，Mo，Cu和Co含量整體升高。

2.3 山地草甸土壤物理性質與微量元素含量的關系

相關性分析表明（表2），土壤容重與土壤Mn呈顯著正相關（Plt;0.05），與土壤Ca呈顯著負相關（Plt;0.05）;土壤含水量與土壤Mo呈顯著負相關（Plt;0.05）;土壤飽和持水量與土壤Se和土壤Mo呈顯著負相關（Plt;0.05），與土壤Zn、土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關（Plt;0.01）;土壤毛管持水量與土壤Zn呈顯著正相關（Plt;0.05），與土壤Se和土壤Mo呈顯著負相關（Plt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關（Plt;0.01）;土壤田間持水量與土壤Zn呈顯著正相關（Plt;0.05），與土壤Mo呈顯著負相關（P lt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤Se呈極顯著負相關（Plt;0.01）;毛管孔隙度與土壤Zn呈顯著正相關（Plt;0.05），與土壤Ca和土壤Mn呈極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤Se和土壤Mo呈極顯著負相關（Plt;0.01）;總孔隙度與土壤Zn和Mn呈顯著正相關（P lt;0.05），與土壤Mo呈顯著負相關（Plt;0.05），與土壤Ca呈極顯著正相關（Plt;0.01），與土壤Se呈極顯著負相關（Plt;0.01）。

土壤物理性質與微量元素RDA分析結果表明，前兩軸土壤微量元素對土壤物理性質的解釋率為80.69%和15.71%，累計解釋率為96.40%，具有生物統計學意義，即前兩軸可較完全地反映土壤物理性質與土壤微量元素之間的信息（圖6）。土壤飽和含水量、總孔隙度、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度與土壤Ca、Zn、Mg和Mn含量呈顯著正相關;土壤容重和土壤非毛管孔隙度與土壤Mo和Cu含量呈顯著正相關。

3 討論

3.1 不同退化程度山地草甸土壤的物理特征

土壤中部分物理性質制約土壤肥力水平，良好的土壤物理性質有利于植物扎根和根系的延伸，同時土壤物理性質也與土壤的化學性質及生物學性質關系密切[28]。通過有效改善土壤物理性質，如降低土壤容重、增加土壤含水量等，可以改變土壤化學性質、加強土壤微生物活動、提高酶活性、增加土壤微量元素含量[29]。土壤容重越小，孔隙度越大，說明土壤發育良好，有利于水分的保持和滲透[30]。本研究表明，隨著退化程度的加劇，山地草甸土壤容重呈先升高后降低的趨勢，在MND處最低，即未退化土壤容重最小，與范燕敏[31]的研究結果一致。陳奇樂等[32]對張北壩上地區不同退化程度草地的研究結果表明，土壤容重在MMD和MHD顯著增大，土壤總孔隙度和土壤含水量在MMD 和MHD 顯著減小。而本試驗發現土壤總孔隙度一直降低，在MHD 處最低，而土壤含水量先降低后升高，在MMD處最低，總趨勢均為下降，這可能是草地類型不同導致[33]。蘇世鋒等[34]對黑河源區的單播和混播栽培草地的研究發現，土壤毛管孔隙度表現為MND最大，顯著高于其他草地，本試驗中土壤非毛管孔隙度先升高后降低，在MND處最小，而毛管孔隙度的趨勢則恰恰相反，在MLD處最小，不一致的原因是研究區地域不同導致[35]。魏強等[36]對黃河上游瑪曲5種不同退化高寒草地土壤物理特性的研究結果表明，田間持水量隨草地退化程度的加劇先增加后減小，而本試驗的土壤毛管持水量先降低后升高，在MMD 處為最低，總的趨勢為降低，土壤飽和持水量和田間持水量的變化規律與土壤飽和持水量變化基本類似均在MMD 處為最低，原因可能由于地域差異以及地面生長植物種類不同導致[35]。

3.2 不同退化程度山地草甸土壤的微量元素

土壤母質與土壤中微量元素含量密切相關，山地草甸的退化，會對土壤的理化特性造成一定的影響，且會導致微量元素在土壤中的分布和含量發生變化[37]。土壤微量元素在生物體內一系列的物質代謝中發揮著關鍵的生理生化作用，這些元素直接參與到生物體的新陳代謝中，在植物生長發育中發揮著非常關鍵的作用[38-39]。本研究表明，隨著退化程度的加劇，土壤Zn，Mn和Ca含量下降，而Se，Fe，Mg，Mo，Cu和Co含量整體呈升高的趨勢，其中Fe和Mo的含量變化與陳利云等[40]對豆科植物根際微量元素含量的研究結果一致，原因是退化程度越大地表植被越少對其利用的也少，導致其未消耗含量較多;Fe和Cu含量變化與李天才等[41]對青海湖北岸退化和封育草地土壤與優勢植物中的4種微量元素的特性分析研究結果也一致，但是土壤Zn和Mn含量變化不一致，這可能是由于地域以及時空條件所致。土壤Zn含量變化與馬玉壽等[42]通過對三江源區“黑土型”退化草地研究一致，但是土壤Cu、Se和Mo等含量變化與其不一致，這可能是由于研究土壤類型不同所導致。土壤Ca和Mg含量變化與鄒麗娜等[43]通過對瑪曲草地的研究一致。

3.3 山地草甸土壤物理性質與微量元素之間的關系

通過有效改善土壤物理性質，如降低土壤容重、增加土壤含水量等，可以改變土壤化學性質、加強土壤微生物活動、提高酶活性、增加土壤微量元素含量[44]。近年來對于土壤物理性質變化特征與微量元素之間的關系的研究較少，Fei等[45]研究發現土壤質地對于微量元素有影響。武妙等[46]分析土壤中主要微量元素與土壤pH 值、有機質的關系。熊凱[47]研究表明土壤微量元素間接與土壤水分物理性質之間呈現普遍的極顯著相關關系。而本試驗得出土壤飽和含水量、總孔隙度、毛管持水量、田間持水量和毛管孔隙度顯著影響土壤Ca、Zn、Mg和Mn含量;土壤容重和土壤非毛管孔隙度顯著影響土壤Mo和Cu含量。

4 結論

退化程度顯著影響著東祁連山山地草甸部分土壤物理性質以及土壤微量元素的分布，而土壤微量元素又受到部分土壤物理性質的影響，因此建議在未來考慮土壤微量元素的變化時將土壤物理性質的變化剔除，使得測得的土壤微量元素的變化值更加符合實際應用。