巴音布鲁克高寒草原不同退化程度土壤化学计量比特征

阿依敏·波拉提，安沙舟，董乙强，杨 娇，张爱宁

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】草地是当地生产发展的主要生产资料，广大牧民的经济活动迄今为止仍然主要依赖于草地[1]。新疆巴音布鲁克高寒草原是我国第一大亚高山高寒草原，紫花针茅(Stipapurpurea)草原是其最重要、最具代表性的植物群系，也是新疆主要的优质放牧草地之一[2]。巴音布鲁克草原是开都河重要的水源涵养地，对全疆特别是南疆的生态环境保护具有极为重要地位，草原的兴衰在很大程度上对开都河-博斯腾湖-孔雀河及其终端罗布泊全流域的环境与水资源循环起着决定性的调节作用[3]。但由于自然条件和经营管理问题，巴音布鲁克草原出现草地退化、土壤沙化、害草蔓延等一系列的生态问题[4]。从草地经营学角度而言的草地退化是指草地生产力降低，质量下降和生境变劣等，这一切都是不利于草地生产的过程[5]。草地退化后，产草量下降，质量变差，生态环境恶化，草业的可持续发展受到严重挑战[6，7]。【前人研究进展】生态化学计量学结合了生物学和化学等基本原理，是研究生态系统能量平衡和多重化学元素(主要是C、N、P)平衡的科学[8]。它有助于解决生物与环境间养分供应与需求平衡等方面的难题，其优点是通过分析生态系统组成部分的元素含量比值关系，认识养分耦合循环特征、驱动力及其机制等问题[9]。尤其土壤中氮、磷元素是限制植物生长发育的最重要和最大量的元素[10]，而且土壤元素的化学计量比和平衡影响着植物的生长发育，如土壤N∶P可以改变植物体N∶P，从而对植物生长产生影响[11]。因此，研究土壤的生态化学计量学特征，可以揭示土壤养分的可获得性，对于认识生态系统C、N、P元素循环和平衡机制具有重要意义[12]。土壤碳、氮、磷化学计量关系直接影响微生物种群动态、有机质分解、植物养分吸收等一系列地下生态过程，并进一步影响生态系统对全球变化的响应与反馈[13]。近年来生态化学计量学在国内发展较快，刘兴诏等[14]研究表明在不同演替阶段土壤中全N含量随演替进行而增加；丁小慧等[15]明确指出呼伦贝尔草地植物群落中土壤全碳、有机碳、全氮、全磷和速效磷与植物群落叶片C、N和P含量没有显著相关关系，但与植物群落C、N和P元素总量呈显著正相关关系。唐高溶等[16]认为随着旅游干扰强度的增加，土壤的C、N、P含量均呈递减的趋势，而C∶N、C∶P、N∶P值则随旅游干扰强度的增加而增大；付姗等[17]研究表明随着水位梯度与群落类型的变化，土壤碳、氮、磷化学计量比发生显著变化；张广帅等[18]认为不同海拔梯度之间，土壤有机碳、全氮、全磷、全钾及其化学计量比的垂直分布存在显著差异性。前人对退化阶段的研究主要集中在植被特征、多样性、常规养分的变化规律，缺乏从化学计量特征的角度深入探讨，尤其是高寒草原。研究退化草地土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量特征的变化规律。【拟解决的关键问题】以新疆巴音布鲁克高寒草原为对象，研究在不同退化程度草地土壤C、N、P生态化学计量学特征的变化规律，试图揭示草地不同退化程度对土壤营养元素及化学计量比的影响，为巴音布鲁克高寒草原可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

巴音布鲁克草原地处新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内，由小尤尔都斯和大尤尔都斯盆地组成，地理坐标为42°40′～43°10′N，83°10′～85°50′E。平均海拔2 500～2 600 mm，年均降水量280.5 mm，年均气温-4.2℃，全年积雪日数137 d，属典型的高寒气候。研究区为典型紫花针茅+羊茅的高寒草原类型，草地植物主要有紫花针茅、羊茅(Festucaovina)、溚草(Koeleriacristata)、绢毛委陵菜(Potentillaserices)、苔草(Carexsp.)、天山赖草(Leymustianschnicus)，紫花针茅在群落中占绝对优势。土壤类型为亚高山草原土。图1

图1 研究区采样点示意
Fig.1 Schematic diagram of the study area and sampling points

1.2 方 法

1.2.1 样地设置

在研究区域内，由于国家级固定监测点XJW087(83°45.216′E，42°50.544′N，海拔2 444 m)经过长期围栏禁牧，其植被基本已属于正常生长状态，设此监测点为未退化的样地，对其样地内的植物重要值进行排序，选取紫花针茅、羊茅、溚草、委陵菜、苔草、天山赖草6种植物的重要值为数据，运用聚类分析将样地划分为未退化、轻度退化、中度退化和重度退化4个退化梯度[19]。

1.2.2 样品采集

采用随机取样法，每隔5 km设置一个10 m×10 m样地，样地内沿对角线设置5个1 m×1 m的样方，样方间距大于2 m，共设置样地39个、样方108个，采样时，测定样方内植物种类、数量、高度、密度、地上生物量，然后在样方内用土钻分别取0～10、10～20、20～30 cm土样，并且每5钻取样点混为一个样品，共117个土壤样品，混合后带回实验室。表1

表1 样地概况
Table 1 Survey of sample plots

退化阶段Degraded stage植物物种Plant species高度Height (cm)密度Density (Plant/m2)地上生物量Biomass (g/m2)未退化ND紫花针茅 Stipa purpurea1113040点地梅 Androsace umbellata0.51516羊茅 Festuca ovina6.0014野葱 Allium sp.6.0014轻度退化LD绢毛委陵菜 Potentilla serices3.201548铺地青兰 Dracocephalum origanoides1.801052溚草 Koeleria cristata3.601416紫花针茅 Stipa purpurea6.605016中度退化MD苔草 Carex sp.8.6713220紫花针茅 Stipa purpurea3.6015240早熟禾 Poa annua1112溚草 Koeleria cristata10.671028重度退化HD山野火绒草 Leontopodium campestre2.331116天山赖草 Leymus tianschnicus4.514紫花针茅 Stipa purpurea1.8118羊角芹 Aegopodium podagraria10.3312

1.2.3 样品测定

土壤样品带回实验室后，自然风干，剔除须根和杂物，分别过0.25和0.15 mm筛，其中过0.25 mm筛的土样用来测定土壤有机碳和全氮含量，过0.15 mm筛的土样用来测定全磷含量。土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法，全氮采用凯氏定氮法，全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法[20]。

1.3 数据处理

利用SPSS 20.0软件对不同退化程度草地土壤有机碳、全氮、全磷化学计量比进行差异性分析，利用Pearson相关系数分析不同土层土壤的C、N、P含量及其生态化学计量特征间的关系，用Origin 8.0绘图。

2 结果与分析

2.1 草地不同退化程度对土壤有机碳和全量养分的影响

研究表明，4个不同退化程度土壤的C、N、P含量都随着土壤深度的增加而减少。从土深0～10 cm到20～30 cm，4个退化程度C含量依次下降了53.0%、54.0%、52.0%，与土壤有机碳一样随不同退化程度的加剧土壤全氮和全磷在0～10 cm到20～30 cm基本呈下降变化且在重度退化下降至最低，重度退化较未退化分别显著降低了42.0%～95.0%、29.0%～43.0%(P<0.05)。这表明在高寒草原退化过程中，0～30 cm土壤有机碳、全氮、以及全磷降低的程度依次减少。表2

表2 不同退化阶段土壤有机碳和全量氮磷钾含量变化
Table 2 The changes of soil organic C，total N，P，K under different degraded stages

土层(cm)Soil depth退化阶段Degraded stage有机碳(g/kg)Organic C全氮(g/kg)Total N全磷(g/kg)Total P0^10ND47.95±12.33ab5.18±0.11a3.81±0.53bLD54.67±14.82a4.72±0.12ab3.2±0.82abMD36.48±2.73bc4.11±0.23b2.7±0.84bHD22.72±8.07c2.71±0.78c2.68±0.37b10^20ND42.62±9.71a4.03±0.34ab3.42±0.72aLD39.56±7.65a3.37±0.43b2.84±0.78abMD31.5±2.43a2.34±0.66c2.58±0.83abHD19.7±10.17b0.18±0.11a1.96±0.37b20^30ND32.61±9.68a3.46±0.36a2.48±0.95abLD29.61±6.83a2.77±0.71ab2.97±0.74aMD22.2±7.93ab2.36±0.63ab1.87±0.53bHD15.65±9.01b2.01±0.49c1.76±0.33b

注：不同小写字母表示不同退化阶段同一土层土壤有机碳、全量氮磷含量存在显著性差异(P< 0.05)，下同

Note: Different lower case letters for the same soil layer indicate significant difference among soil organic C, total N,Punder different degeneration degree at 0.05 level. The same as below

2.2 不同退化阶段土壤C∶N、C∶P、N∶P化学计量比特征

研究表明，4个不同退化程度土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比含量都随着土壤深度的增加而减少。0～10 cm到20～30 cm各土层碳氮比随草地不同退化程度的加剧呈下降变化，且在重度退化后达到最低，较未退化分别降低71.0%，75.0%和77.0%(P<0.05)；在20～30 cm土层未退化与轻度退化间差异不显著(P>0.05)；与未退化比，重度退化以后0～10、20～30 cm土层氮磷比显著降低了64.0%、59.0%，在轻度退化过程中10～20 cm土层土壤氮磷比要高于未退化(P<0.05)，是未退化的1.14倍，但差异不显著(P>0.05)；在0～10、10～20 cm土壤碳磷比表现为未退化>轻度退化>中度退化>重度退化，在轻度退化过程中20～30 cm土层土氮比要显著高于未退化(P<0.05)，是未退化的1.08倍。图2

图2 不同退化阶段土壤碳氮比、氮磷比、碳磷比变化特征
Fig.2 The changes of C∶N，N∶P and C∶P under different degeneration stages

2.3 高寒草原不同退化程度下植物群落生物量与土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比的的相关性

研究表明，土壤0～10 cm土层的碳氮比、碳磷比和氮磷比均与地上生物量均呈现出了显著的正相关关系，方程分别为y=2.394 8x+1.240 2(R2=0.858，P<0.05)、y=2.212x+2.303(R2=0.948 5，P<0.05)和y=0.138 1x+0.311 8(R2=0.904，P<0.05)，随着地上生物量增加，土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比值增大，这是因为地上生物量增大，凋落物量增多，促进了从地上返还给土壤的元素含量的增加，这为植被的生长提供了养分。图3

图3 土壤表层碳氮比、碳磷比和氮磷比与地上生物量相关性
Fig.3 C∶N，C∶P and N∶P value correlation with the aboveground biomass scale

3 讨 论

草地退化对土壤的影响主要表现为土壤性质的变化，随着牲畜的践踏和超载放牧等活动的加剧，地表裸露程度增加，土壤接受植物残体的归还量减少，土壤有机质及氮素来源减少，其含量减少。伍星等[21]的研究也证实了随着草地退化程度的加剧，土壤有机质含量逐渐减少。研究发现，重度退化过程中土壤C、N、P含量明显低于其它3个退化阶段，表明重度退化过程中过度放牧、高强度的践踏，使得草地植被受到破坏，裸地面积加大，土壤板结程度加剧，植物凋落物归还量减少，从而减少了土壤有机质的来源，加之植被破坏后引起水土流失，部分有机质流失。土壤有机质又是N、P等元素的重要来源，因此，N、P含量与有机质的变化规律一致。未退化过程中，牲畜减少，草地中生长着大量植物，物种多样性增加，从而为土壤C、N、P提供了养分的来源。这与周翰舒[22]、字洪标[23]等随草地退化程度的加剧，土壤有机碳、氮、磷显著下降的结果一致。

不同退化阶段的土壤碳氮比、氮磷比、碳磷比均随着土壤深度的增加呈降低趋势，可能反映了深层土壤更高的分解程度以及储藏了年代更长的腐殖质[24]。研究表明，高寒草原退化过程中不同深度土壤的碳氮比、碳磷比和氮磷比呈现降低趋势，在轻度退化过程中20～30 cm土层土壤碳氮比要显著高于未退化，而在10～20 cm土层土壤氮磷比要高于未退化，这与林丽[25]、罗亚勇[26]等不同退化阶段化学计量特征研究结果部分一致。原因可能是土壤碳主要来自植物枯落物的归还，在重度退化过程中，植被的破坏，减少了土壤有机碳含量，并且土壤有机质分解少，氮素积累也减少，因此，导致碳氮比严重失衡；土壤氮素主要来源于生物固氮作用和植物残体的归还。P的缺乏导致微生物生长活动受到限制，影响土壤酶的分泌及土壤N矿化，由此导致土壤中N质量分数增加缓慢。在重度退化过程中植被的减少，土壤碳磷比严重失衡，土壤磷的有效性降低，因此，土壤未能较好的维持植物的生长。土壤养分限制类型为P素为主，表明退化程度的加剧，土壤氮磷比仍然失衡。

植物与土壤的关系是退化的草地能够重建恢复的重要理论基础，同时也是植物生态学研究中的一项重要内容[27]。高寒草原不仅是植被和土壤退化的结果，也是植被和土壤耦合关系的相悖或丧失所导致的[28]，两者为彼此影响，相互反馈，互为因果。植物从土壤里获取所需要的养分，反过来，植物通过枯枝落叶和残体为土壤提供有机质的来源，通过地表覆盖减轻水土流失对土壤养分的损害[29]。研究结果表明，群落的地上生物量与土壤表层中碳氮磷比值呈现良好的相关性(P<0.05)，这与邓斌[30]，周杰[31]等研究结果相一致，表明随着地上生物量增加，土壤碳氮比、碳磷比和氮磷比值增大，这是因为地上生物量增大，凋落物量增多，促进了从地上返还给土壤的元素含量的增加，为植被的生长提供了养分。

4 结 论

4.1 草地退化对土壤的理化性质具有一定的影响。在草地退化过程中，土壤养分含量随着草地退化整体呈下降趋势，土壤碳、氮和磷含量表现为未退化>轻度退化>中度退化>重度退化。

4.2 草地退化对土壤C、N、P化学计量比值也具有明显的影响。各层土壤C∶N、C∶P、N∶P比值随着草地退化而降低，重度退化草地的各层土壤比值显著低于未退化、轻度退化、中度退化(P<0.05)。

4.3 土壤C、N、P化学计量比值与地上生物量表现出良好的相关性(P<0.05)。