管理措施对疏勒河上游多年冻，冻土区黑土滩生产力的影响【字数：5260】
前言
黑土滩型退化草地，是指青藏高原海拔3700 m以上的高寒环境条件下,以嵩草属(Kobresia)植物为建群种的高寒草甸草场严重退化后形成的一种大面积次生裸地,或原生植被退化呈丘岛状的自然景观[1-2]。土滩是退化的草地，已经失去了经济价值和生态功能。青藏高原黑土滩退化草地主要分布在三江源、青海湖、祁连山区、西藏、四川西北部、甘肃甘南等地[3]。李旭谦[4]调查得出，青海省退化草地的总面积为3131.04×104 hm2，其约占全省天然草地总面积的74%，其中，重度退化草地总面积约占全省天然草地总面积的24%，占退化草地总面积的32%。长期以来，由于经历风蚀、水蚀、草皮层冻融等的自然原因和草地长期的超载放牧、鼠害、垦荒和弃耕、滥采乱挖等的非自然因素[5-8]，再加上人口的大幅度增加，草地掠夺式经营以及缺乏的科学式管理和必要投入，高寒草地植被遭受到了严重破坏，出现土壤肥力的退减[9]，草地生态系统的严重破坏，系统恢复功能逐渐减弱，环境开始变劣以及草地生产力、生物多样性或复杂程度降低，导致牧民生产水平下降，生活变得更加贫困[10]。通过前人的多年研究试验，总结出重度退化草地进行翻耕种植，中度退化草地采用松耙改良,轻度退化草地采用封育改良的方法恢复[11]。
草地生物量是描述第一性生产力，反映草地物质流、能流的重要概念，也是反映草地群落的重要指标[12]。草地生产力包含地上生产力和地下生产力两部分[13]。草地地上生产力是指地表以上所有活植物体的重量，它是影响动物摄食方式与分布的重要因素之一，也是草地生态系统的重要参数之一[14]。地下生产力是指存在于草地植被地表下草本根系和根茎生产力的总合，是草地植被碳蓄积的重要组成部分[15]。草地生产力占总生产力的80%以上，集中分布在地下，具有调节植物的生长发育，并有贮藏营养物质，供给营养和水分等基本功能，对地上生产力的形成乃至对植物的整个生长发育都起着重要的作用，是草地生态系统物质循环和能量流动不可或缺的环节[16]。
青藏高原素有世界屋脊和第三极之称，是世界上海拔最高、面积最大的高原[17]，其作为我国主要畜牧业基地之一[11]，是黄河、长江和澜沧江的发源地，又有江河源之称。长期以来，天然草地退化影响着草地生态的稳定，仅靠其自然恢复十分困难[18]，因而人工干预恢复措施非常常见。恢复措施评估黑土滩退化草地的改良效应首先应体现在初级生产力，而植物地上、地下生物量是测度高寒草地初级生产力的主要手段[19]。有关青藏高原人工草地恢复黑土滩的研究较多，主要以青海省玛沁县大武滩试验地为主[20]，但在疏勒河源区的研究相对较少，研究该区域管理措施（围栏封育和人工建植）下，黑土滩退化草地生物量的变化及影响因素对补充了解该区域黑土滩恢复情况有重要意义。因此，本实验以青藏高原东北缘疏勒河源多年冻土区黑土滩为研究对象，探索地上、地下生物量和总生物量的变化及其控制因子，以期为了解高寒草甸的恢复治理提供一定的理论支持，为进一步研究青藏高原高寒草甸黑土滩退化草地恢复、生产力的提高提供基础数据。
1材料与方法
1.1研究区概况
试验样地位于青藏高原东北缘祁连山中西段疏勒河上游多年冻土区的SLP9综合观测场（98°22′08″E，38°25′35″N，海拔3859ｍ）,主要地理位置见图1。由气象资料表明（图2），年均气温为－4℃，最冷月（1月）为16.7℃，最暖月（8月）为8.8℃，年均降水量约为476.0 mm，空气相对湿度为61.8%，总辐射为204.5 W•m-2，全年干冷多风，属于大陆性干旱荒漠气候。土壤类型为冷钙土,其0-50cm土层内，土壤温度为-0.5℃，土壤含水量为21.46%，土壤盐分为171.38mg/L。植被类型为黑土滩，覆盖度约13.0%，代表性物种为昆仑蒿（Artemisia nanschanica）、铁棒锤（Aconitum Pendulum）、沙嵩（Artemisia desertorum）、西伯利亚蓼（Polyygomum sibiricum）等。
Fig.1 Geographical location of the study area
Fig.2 Daily variations of temperature and humidity
1.2试验设计及样品采集
本试验分人工建植草地和原生型黑土滩退化草地两个样地。2013年人工建植草地在使用铁丝围栏进行围护的基础上选取垂穗披碱草、青海草地早熟禾、青海冷地早熟禾、中华羊茅和燕麦五种本地适宜牧草品种进行单播与混播的处理。2017年7月末8月初在植被生长的旺盛期，人工建植草地内随机选取7个样方（50 cm×50 cm），原生型黑土滩草地随机选取2个样方（50 cm×50 cm），用收割法，齐地面剪取所有地上部分并分类装入纸袋，接着用内半径为2.75 cm的土钻分层（0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-40 cm、40-50 cm）钻取地下部分，装入布袋带回实验室。另外，在两个样地的样方内每层（0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-40 cm、40-50 cm）钻取2份土样，剔除掉土样中的植物根系和石块后，分别装入准备好的自封袋，一份用于测定土壤含水量；另一份待自然风干，充分研磨过筛后，用于测定土壤有机碳和全氮含量。
1.3分析方法
地上生物量测定是将样品放入烘箱中烘干至恒重，称重（精度为0.01 g）测得数据。地下生物量测定是将地下生物量样品放在土筛中，清水洗去土壤部分，同时除去石块和其他杂质，放入烘箱烘干至恒重并称重（精度为0.01g）记录数据。土壤含水量测定是用铝盒烘干法测定。土壤有机碳和全氮含量是用重铬酸钾氧化-外加热法（GB7857-87）和半微量开氏法（GB7173-87）测定。
1.4数据处理
由Excel 2016进行所有数据的初步整理及计算，用SPSS 22.0分析不同草地类型及各土层间的差异显著性，用origin 2018作其相关图。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）及最小显著性差异法（Least-Significant Difference，LSD）检验土壤含水量、土壤有机碳和全氮含量在不同土壤深度的差异性，用T检验地上、地下生物量、总生物量、土壤含水量、土壤有机碳和全氮在不同样地间变化的差异；用Pearson相关系数和逐步线性回归分析地上、地下生物量及总生物量与环境因子间的相互关系。
2结果与分析
2.1不同草地类型地上、地下生物量的变化
如图3所示，管理措施处理下人工建植草地地上生物量显著高于原生型黑土滩退化草地地上生物量（P<0.05）。人工建植草地地上生物量为257.78 g/m2，原生型黑土滩退化草地地上生物量为106.96 g/m2。人工建植草地地上生物量比原生型黑土滩退化草地地上生物量显著高141.01%，因人为引入和繁殖的草种，使草地植被量显著的提高。
如图4所示，管理措施处理下人工建植草地地下生物量具有一定的变化规律，即随着土壤深度的增加而减少，原生型黑土滩退化草地地下生物量随着土壤深度的增加先降低后增加，呈V型变化。40-50 cm土层原生型黑土滩退化草地地下生物量高于人工建植草地外，其余各层均为人工建植草地高于原生型黑土滩草地，其中0-10 cm、20-30 cm、30-40 cm和40-50 cm土层，人工建植草地地下生物量与原生型黑土滩退化草地地下生物量差异不显著，而10-20 cm土层地下生物量差异显著(P<0.05)。人工建植草地地下生物量比原生型黑土滩退化草地地下生物量高149.8%。人工建植草地在土壤剖面变化上，10-20 cm、20-30 cm和30-40 cm、40-50 cm土层地下生物量无显著差异，而0-10 cm与10-20 cm、30-40 cm、40-50 cm土层差异显著（P<0.05）。原生型黑土滩退化草地各层间均无显著差异（P>0.05）。
Fig.3 Aboveground biomass of different grassland types
注：不同大写字母表示同一土层不同草地间差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一草地不同土层间差异显著（P<0.05），下同。
Fig.4 Belowground biomass of different grassland types
2.2不同草地类型总生物量的变化
如图5所示，不同草地类型总生物量表现为人工建植草地高于原生型黑土滩退化草地，差异不显著（P>0.05）。人工建植草地总生物量为1635.94 g/m2，原生型黑土滩退化草地总生物量为866.70 g/m2，较原生型黑土滩退化草地总生物量，人工建植草地总生物量高88.76%。
Fig.5 Total biomass of different grassland types
2.3不同草地类型土壤特征的变化
如图6所示，人工建植草地土壤含水量随土壤深度的增加呈一定的规律性变化，即逐渐降低，而原生型黑土滩退化草地土壤含水量呈现先降低后升高再降低的趋势，即倒N型变化。人工建植草
地0-10 cm土壤含水量最高24.03%，40-50 cm含水量最低20.33%，而原生型黑土滩退化草地20-30 cm土壤含水量最高21.24%，40-50 cm含水量最低19.23%，人工建植草地土壤含水量与原生型黑土滩草地土壤含水量在10-20 cm土层差异显著（P<0.05），其余土层的差异并不显著（P>0.05）。人工建植草地与原生型黑土滩退化草地，各层间差异均不显著（P>0.05）。0-50cm土壤含水量均值在两种不同草地类型间无显著差异（P>0.05）。
如图7所示，人工建植草地与原生型黑土滩退化草地有机碳含量均随土壤深度的增加逐渐降低。人工建植草地0-10cm土壤有机碳含量大于原生型黑土滩草地0-10 cm土壤有机碳含量，高4.50%，其余各层均为原生型黑土滩退化草地大于人工建植草地。与此同时，原生型黑土滩草地30-40 cm、40-50 cm土层有机碳含量显著高于人工建植草地（P<0.05）。人工建植草地0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm土壤有机碳含量分别与30-40 cm、40-50cm差异显著（P<0.05），30-40 cm与40-50 cm土层的有机碳含量差异不显著（P>0.05）。原生型黑土滩退化草地0-10 cm、10-20cm土壤有机碳含量与30-40 cm、40-50 cm土壤有机碳含量差异显著（P<0.05），0-10 cm、10-20cm土层与20-30cm、30-40 cm土层的有机碳含量、20-30 cm、30-40 cm土层与40-50 cm的有机碳含量差异均不显著（P>0.05）。0-50cm土壤有机碳含量均值在两种不同草地类型间无显著差异（P>0.05）。
如图8所示，人工建植草地与原生型黑土滩退化草地全氮含量有相同的变化趋势，即随土壤深度的增加而下降。人工建植草地10-20 cm土层的全氮含量大于原生型黑土滩退化草地土壤全氮含量，其余各层均为原生型黑土滩退化草地土层的全氮含量大于人工建植草地土层的全氮含量。与此同时，原生型黑土滩退化草地的30-40 cm、40-50 cm土层的全氮含量显著高于人工建植草地(P<0.05)，分别高18.60%、32.86%。人工建植草地的0-10 cm、10-20 cm和30-40 cm、40-50 cm土层分别与20-30 cm的全氮含量差异显著（P<0.05），0-10 cm、10-20 cm和30-40 cm、40-50 cm土层的全氮含量差异不显著（P>0.05）。原生型黑土滩退化草地的0-10 cm、10-20 cm土层与40-50 cm的全氮含量差异显著（P<0.05），0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-40 cm及20-30 cm、30-40 cm、40-50 cm土层的全氮含量差异不显著（P>0.05）。0-50cm土壤有机碳含量均值在两种不同草地类型间无显著差异性（P>0.05）。
Fig.6 Soil moisture content of different grassland types
Fig.7 Soil organic carbon content of different grassland types
Fig.8 Total nitrogen content of soil in different grassland types
2.4相关性与线性回归分析
Pearson相关分析表明（表1），AGB与土壤含水量SWC（0-50cm）、土壤有机碳SOC（0-50cm）、土壤全氮TN（0-50cm）、土壤含水量SWC（0-10cm）、土壤有机碳SOC（0-10cm）、土壤全氮TN（0-10cm）之间均没有显著的相关关系（P>0.05）。BGB和TB与SWC（0-50cm）、TN（0-50cm）、SOC（0-10cm）、TN（0-10cm）均无显著的相关关系（P>0.05），与SOC（0-50cm）、SWC（0-10cm）呈显著正相关关系（P<0.05）。逐步回归分析表明（表2），BGB的驱动因子为SOC（0-50cm），且BGB与其均具有正线性回归关系，SOC（0-50cm）解释了BGB变异性的55.5%。TB的驱动因子为SOC（0-50cm），且TB与其均具有正线性回归关系，SWC解释了TB变异性的51.8%。
AGB：地上生物量Aboveground biomass；BGB：地下生物量Belowground biomass；TB：总生物量Total biomass；SWC：含水量Soil water content；SOC：有机碳Soil organic carbon；TN：全氮Total nitrogen；
*：表示相关性达到显著水平(P<0.05)（下同）
3讨论
3.1管理措施对地上、地下生物量的影响
植被地上生物量与地下生物量是用来权衡其生长情况的指标之一，可反映草地生态环境，大小可判断生产的潜力[22]。根据多种植物群落，研究学者研究了地上生物量[23]和地下生物量在垂直空间分布的规律[24]，李海宁、高新中[25-26]等研究结果表明，在相同样地内，地下生物量高于地上生物量，这与本研究结果相一致，人工建植草地地下生物量比地上生物量高434.63%，原生型黑土滩退化草地地下生物量比地上生物量高610.30%。韩建国等[27]认为围栏封育、补播等方式可以显著的提高草地地下生物量的积累。本研究发现，人工建植草地地上生物量比原生型黑土滩退化草地地上生物量显著高了141.01%（图3），人工建植草地0-50cm地下生物量比原生型黑土滩退化草地0-50 cm地下生物量高了81.40%（图4），说明在围栏封育和人工建植的共同管理下，草地地上、地下生物量的增加有效的提高了草地生产力,这和李媛媛的研究结果也一致[28]。并且，原生型黑土滩退化草地除40-50 cm地下生物量高于人工建植草地39.00%之外，其余各层（0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-40 cm）均为人工建植草地高于原生型黑土滩退化草地。造成这一现象的主要原因是原生型黑土滩退化草地以狼毒等毒杂草所占比例较大，其根系在土壤深层根系较发达的原因[29]。
3.2管理措施对土壤基本性质与养分的影响
土壤含水量是土壤结构状况和水源涵养功能的物理性质指标，是植物生长发育的限制因素[30]。一般来讲，随着深度的增加,土壤含水量呈逐渐降低趋势[31]。本研究中人工建植草地土壤含水量随着土层的加深呈降低的趋势，原生型黑土滩草地土壤含水量呈倒N型变化，即先降低后升高再降低。人工建植草地各层土壤含水量均大于原生型黑土滩退化草地。
草地退化成为全球关注的生态问题，土壤养分成为研究草地退化的主要方向之一[32]。土壤是植被演替的主要驱动力，理化特性会随着人工草地的建植和群落的演替而发生改变[33]。通过对两种不同草地的土壤养分的测定发现，人工建植草地与原生型黑土滩退化草地的土壤养分指标含量不同，但总体上变化规律一致，即人工建植草地与原生型黑土滩退化草地表层的土壤有机碳、全氮含量较深层土壤大，在0-50 cm土层内有机碳和全氮含量随着土壤深度的增加而减小（图7，图8），这与高旭升[34]、魏登贤等[35]的研究结果相一致。人工建植草地改善了表层（0-20 cm）土壤有机碳、全氮含量，而减少了土壤下层的养分含量，这是因为人工建植草地后地上枯落物增加和土壤地表水分的提高加快了微生物的分解，土壤中物质的输入、输出速率加快，促进了表层土壤养分物质的循环，使土壤养分得到部分补充，从而地表养分积累提高，深层土壤养分降低[36]。裴海昆研究得出补播对黑土滩退化草地后形成的人工建植草地，土壤全氮含量显著提高[37]，土壤有机质含量略高于黑土滩退化草地，这与本文的研究结果并不相同，本文得出，人工建植草地各层土壤有机碳、全氮含量均低于原生型黑土滩退化草地，且30-40 cm、40-50 cm土层有机碳含量显著低于原生型黑土滩退化草地，各土层分别降低33.76%、31.21%，且20-30 cm、30-40 cm土层全氮含量显著低于原生型黑土滩退化草地，各土层分别降低15.23%、24.89%。结果不同的原因在于人工建植的年限，尚占环[20]等表示不同年限黑土滩人工草地土壤养分变化趋势都显示出Ｖ形，短期内出现下降趋势，人工草地高生产力是以消耗地力为代价，齐文娟[30]也表明建植第四年人工草地土壤养分含量最低，第四年随着杂类草的局部入侵，造成草地质量变劣[38]，同时，人工建植草地土壤养分含量不高还与施入的肥料不足以弥补作物生长消耗量有关[39]。
3.3影响因素
影响AGB、BGB的因素复杂多样，气温、土壤均会对其产生影响[40]。本文研究得出AGB与各环境因子之间未发现显著相关关系，这与纪文瑶[41]的研究结果不同，主要原因可能是采样年份、频率的不同，以及研究区的不同得到的研究结果也不完全相同。徐满厚[42]、李斌奇等[43]人研究表明年积温、年降水、土壤温度对高寒草地地上生物量影响较大，这在本文中兵
原文链接：http://www.jxszl.com/lwqt/yzlw/356708.html
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