短期围封对高寒草甸土壤有机碳及主要养分含量的影响

于宝政，彭岳林，屈兴乐

(1.西藏农牧学院 资源与环境学院，西藏 林芝 860000；2.西藏农牧学院 植物科学学院，西藏 林芝 860000；3.西藏农牧学院高原生态研究所，西藏 林芝 860000)

【研究意义】那曲草原是藏北草原的重要组成部分，在我国草原资源中占有重要地位。那曲高山嵩草草甸位于高原亚寒带半干旱季风型气候区，具有物种单一、生态系统脆弱、易破坏、难恢复等特点。近年来，由于过度放牧等不合理的开发利用，以及那曲草原生态系统本身的脆弱性，使得其生产力及载蓄量下降，植被破坏、土壤侵蚀等现象十分严重。这些现象将会减少草地地上部分向土壤输入营养成分的量[1]，以及导致土壤对养分固持能力的下降，从而加剧土壤侵蚀和土壤养分的流失[2]。【前人研究进展】土壤养分作为表征土壤质量及肥力的重要指标[3]，安慧、董晓玉等[4-5]研究表明，过度放牧将会导致土壤碳、氮、磷、钾含量下降。对草地进行围封是目前恢复草地生态系统最简便经济的有效措施，李强等[6]研究表明，围封处理可增加草地地上生物量及土壤养分含量，且随着围封时间的延长呈增加趋势。【本研究切入点】以往的研究对象大多是退化草地，且是将同一块草地围封前后进行对比，并不能排除降水、气温等因素对土壤有机碳及主要养分含量变化的影响；另外，目前关于草地恢复的研究主要集中在围封处理对退化草地植物群落组成、生物多样性及土壤种子库等方面和长期围封后对土壤养分含量变化的影响[7]，而对未退化草地的围封处理，以及草地土壤养分在短期围封后的时空动态研究尚少见报道。【拟解决的关键问题】本研究以那曲地区那曲县德吉乡自由放牧和围封草地为研究对象，研究自由放牧和短期围封处理对草地土壤养分含量的时空动态影响，旨在为草地恢复和可持续利用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于那曲地区那曲县德吉乡，属高原亚寒带半干旱季风气候，31.64°N， 92.01°E，海拔高度4596 m。该研究区气温低、空气稀薄、太阳辐射强、日温差大，日温差16.1 ℃，年均温-1.5 ℃，1月平均气温-13.2 ℃，7月平均气温9.0 ℃，土壤积雪及冻结期较长，仅7-9月为高原植被生长期。年降水量421.9 mm，年蒸发量1690.7 mm；境内多山，属高原丘陵地形，此区域土壤为高山草甸土， 季节性冻土；地被植物主要优势种为高山嵩草(Kobresiapygmaea)。

1.2 样地设置与样品采集测定

2013 年8 月、2014年8 月、2015年8 月( 夏季，草类盛长期)，选择那曲地区那曲县德吉乡切玛热巴村自由放牧及围封处理的高山嵩草草甸。每个样地间保持一定距离(50～100 m)，按照随机布点方式分别在围栏内和围栏外设置平行样地各 3 个，共设置 6 个样地，分别对围栏内、外样地用内径 7 cm 土钻进行取样， 每个样地随机布设采样点3 个， 分别采集深度为 0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm 层次土样。将土壤样品装入聚乙烯袋中， 贴上标签后带回实验室，室内去除可见的石块、植物残体等非土壤部分后，自然风干。

1.3 土壤养分的测定

土壤有机碳、碱解氮、速效磷及速效钾的测定方法如下。

(1)土壤有机碳测定采用重铬酸钾-外加热法[8]。

(2)碱解氮测定采用碱解扩散法[9]。

(3)土壤速效磷的测定采用钼蓝比色法[10]。

(4)土壤速效钾测定采用NH4OAc浸提，火焰光度法[11]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理及作图。在SPSS 18.0(IBM公司，美国)中采用单因素方差分析(One-way ANOVA) 结合LSD和Tamhane多重比较，进行高山嵩草草甸自由放牧和围封两种不同处理方式下有机碳、碱解氮、速效磷和速效钾含量的差异显著性分析，以及相同处理方式下上述土壤养分含量的年际变化。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳的年际以及围封变化特征

对高山嵩草草甸(自由放牧和围封)连续3年间各土层(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤有机碳含量进行分析，结果如图1所示。

土壤有机碳在同一处理方式的相同土层不同年份间的含量变化没有显著差异，在同一年份不同处理方式的相同土层间的差异也不具有显著性。

图中大写字母表示同一处理方式(围封或自由放牧)相同土层的年际差异，小写字母表示同一年度内相同土层不同处理方式间的差异；不同字母表示差异性显著(P<0.05)，下同图1 高山嵩草草甸(自由放牧和围封)土壤有机碳年际变化特征Fig.1 Interannual variability of soil organic carbon in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

图2 高山嵩草草甸(自由放牧和围封)土壤碱解氮年际变化特征Fig.2 Interannual variability of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

从0～25 cm土层整体上来看，围封草甸土壤有机碳含量在2013-2015年是先上升后下降的变化过程，而自由放牧草甸土壤有机碳含量则是2014和2015年较之2013年均有所下降，这种情况在表层土壤中更加明显。这一方面说明通过围封，土壤有机碳含量有所上升，但还未到达一个相对稳定的程度，可能是由于土壤有机碳含量升高，促进了植被的生长，从而对有机碳的吸收量也随之增多，导致了先升后降情况的出现；另一方面也从侧面证明高山嵩草草甸的土壤有机碳在表层含量最高，其表层土壤有机碳含量变化在0～25 cm土层中也能够得到体现。

在0～25 cm土层，整体上土壤有机碳在2013年自由放牧草甸的含量略高于围封草甸，2014和2015年围封草甸的含量略高于自由放牧草甸，这说明围封的草甸土壤有机碳含量不一定会在短期内就高于自由放牧草甸，随着围封时间的增加，围封的草甸土壤有机碳含量会逐渐高于自由放牧草甸，可见土壤有机碳的恢复和积累是一个较为缓慢的过程。

2.2 土壤碱解氮的年际以及围封变化特征

对高山嵩草草甸(自由放牧和围封)连续3年间各土层(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤碱解氮含量进行分析，结果如图2所示。

土壤碱解氮在同一处理方式的相同土层不同年份间的含量变化没有显著差异，在同一年份不同处理方式的相同土层间的差异也不具有显著性。

从0～25 cm土层整体上来看，围封草甸土壤碱解氮含量在2013-2015年也是先上升后下降的变化过程，但是没有土壤有机碳明显。这从一定程度上说明高山嵩草草甸土壤有机碳与碱解氮含量间存在正相关关系，但植被对不同养分的需求量不同，因此虽然变化规律一致，但变化幅度却有所不同。2013年围封草甸土壤碱解氮含量在各土层均略低于自由放牧草甸，2014年围封草甸土壤碱解氮含量有所上升，进而在0～25 cm土层中略高于自由放牧草甸，而2015年围封草甸土壤碱解氮含量又略低于自由放牧草甸。这说明围封处理并没有使土壤碱解氮含量显著上升或显著高于自由放牧草甸。

图3 高山嵩草草甸(自由放牧和围封)土壤速效磷年际变化特征Fig.3 Interannual variability of soil rapidly available phosphorus in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

图4 高山嵩草草甸(自由放牧和围封)土壤速效钾年际变化特征Fig.4 Interannual variability of soil rapidly available potassium in K.pygmaea meadow(enclosed and free grazing)

2.3 土壤速效磷的年际以及围封变化特征

对高山嵩草草甸(自由放牧和围封)连续3年间各土层(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效磷含量进行分析，结果如图3所示。

土壤速效磷在相同处理方式样地的相同土层的年际变化为：在0～5 cm土层围封草甸和自由放牧草甸都是2013年土壤速效磷含量显著高于2014和2015年(P<0.05)，2014年与2015年之间无显著差异；在20～25 cm土层中，围封草甸2014和2015年土壤速效磷含量显著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效磷在相同年份相同土层不同样地间的差异为：2013年土壤速效磷含量在0～5 cm土层围封草甸显著高于自由放牧草甸(P<0.05)，其余土层两者间无显著差异(P<0.05)；从0～25 cm土层来看，2013和2014年围封草甸土壤速效磷含量均略高于自由放牧草甸，2015年围封草甸土壤速效磷含量则略低于自由放牧草甸。

这说明围封草甸和自由放牧草甸的表层土壤速效磷含量在3年间均有显著下降，这虽然不一定是因为围封处理，但通过围封却使围封草甸土壤速效磷含量由2013年的高于自由放牧草甸到2015年的低于自由放牧草甸，这种情况在表层尤为明显；虽然通过围封使底层土壤速效磷含量有显著提高，却弥补不了表层损失。

2.4 土壤速效钾的年际以及围封变化特征

对高山嵩草草甸(自由放牧和围封)连续3年间各土层(0～5、5～10、10～15、15～20、20～25 cm)的土壤速效钾含量进行分析，结果如图4所示。

土壤速效钾在相同处理方式样地的相同土层年际变化为：在0～25 cm土层中，围封草甸土壤速效钾含量在2013-2015年也是先上升后下降的变化过程，其中2015年土壤速效钾含量显著低于2013年(P<0.05)。这说明土壤速效钾与有机碳、碱解氮的变化具有一致性，3者在一定程度上具有正相关关系；而3者各自在不同年份的变化幅度不同则是由于植被生长对不同养分吸收量不同造成的。

土壤速效钾在相同年份相同土层不同样地间的差异为：围封草甸土壤速效钾含量除2014年在0～5 cm土层中略高于自由放牧草甸以外，在其余土层中各年份均略低于自由放牧草甸。这说明通过围封处理不但没有使围封草甸土壤速效钾含量高于自由放牧草甸，反而使围封草甸土壤速效钾含量在整体上显著低于自由放牧草甸。

3 结 论

3.1 土壤有机碳及主要养分的年际变化

土壤有机碳和碱解氮各层土壤中含量在年际变化上没有显著差异。

土壤速效磷在0～5 cm土层围封草甸和自由放牧草甸含量都是2013年显著高于2014和2015年(P<0.05)，在20～25 cm土层中，围封草甸2014和2015年含量显著高于2013年(P<0.05)。

土壤速效钾在围封草甸0～25 cm土层中含量2015年显著低于2013年(P<0.05)。同时，围封草甸土壤有机碳、碱解氮、速效磷含量在2013-2015年都呈现先上升后下降的变化过程。

3.2 土壤有机碳及主要养分围封后的变化

除土壤速效磷2013年在0～5 cm土层中围封草甸含量显著高于自由放牧草甸(P<0.05)外土壤有机碳及主要养分在各年份和各土层中，围封和自由放牧两种草甸间均无显著差异。

但从0～25 cm土层整体上来看，通过围封处理，围封草甸的土壤有机碳含量由低于自由放牧草甸逐渐变为高于自由放牧草甸，而土壤速效磷则由原来的围封草甸略高于自由放牧草甸变成略低于自由放牧草甸。围封草甸的土壤碱解氮含量在大多数年份中略低于自由放牧草甸；土壤速效钾含量围封草甸在绝大部分土层和年份中均略低于自由放牧草甸。

4 讨 论

综合结论可以看出，围封可以使土壤有机碳含量有所上升，但其它土壤养分含量则可能会下降甚至是显著下降。在围封后地上植被量增加，秋冬季枯落物也相应增加，这有利于土壤有机碳的积累，但与此同时植被对土壤中养分特别是速效养分的吸收量也相应增加，造成其含量的下降。围封对土壤有机碳和碱解氮含量的影响不大，这一结果与Basher 在坎特伯雷高原研究结果一致[12]。由此可见，围封虽然对保护生态稳定性差和恢复退化草地来说是有效手段之一，但其并不一定是在所有情况下都会产生积极作用，有时在某些条件下或时间段内也会没有作用甚至有负面影响，而未退化草地通过合理放牧则能够促进牧草分蘖和再生，秋冬季枯草期放牧则可清除枯草有助于牧草春季的萌发。因此，在使用围封这一管理手段时应考虑全面、结合实际情况，避免出现与期望相反的情况。