全 文 ：甘肃臭草入侵对亚高山草地土壤碳氮库的影响
曹静娟1 ,尚占环2 , 3 ,郭瑞英4 ,崔光欣2
(1.甘肃农业大学 草业学院 ,甘肃 兰州　730070;2.兰州大学青藏高原生态系统管理国际中心 ,
草地农业科技学院 ,甘肃 兰州　730020;3.中国科学院青藏高原研究所 ,北京　100085;
4.兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室 ,甘肃 兰州　730000)
　　摘要:甘肃臭草(Melica przewalsk y i)型退化草地是祁连山北坡常见的一种毒杂草草地退化类型 。
以臭草型退化草地和其周边未遭受臭草入侵的未退化草地为研究对象 ,分析了臭草入侵对草地植被群
落结构和草地土壤碳 、氮库的影响 。结果表明 ,臭草入侵导致草地植被群落结构特征发生明显变化 ,甘
肃臭草代替针茅成为草地群落优势物种 。土壤含水量 、容重 、pH 、电导率等土壤指标在两样地间也存在
差异 。臭草入侵并形成杂草群落后 ,增加了草地土壤有机碳 、全氮的含量 ,但与未退化草地相比 ,无显著
性差异(P>0.05),臭草型退化草地土壤有机碳 、氮储量(0 ～ 30 cm)显著高于未退化草地(P<0.05)。
说明甘肃臭草的侵入只改变了亚高山草地的植被群落结构 ,没有导致草地固碳 、固氮能力的降低。
　　关键词:祁连山北坡;亚高山草地;臭草;杂草入侵;碳库;氮库
　　中图分类号:S 143.1　　文献标识码:A　　文章编号:1009-5500(2010)05-0011-05
　　甘肃臭草(Melica przewalsky i)是分布于甘肃 、青
海等地的一种多年生草本植物 ,因味道怪异 ,家畜不采
食 ,是西北地区常见的一种杂草植被物种 。甘肃臭草
入侵能力强 ,极易以其根状茎快速繁殖 ,并以斑块状存
在于草地群落[ 1] 。因此 ,遭受甘肃臭草入侵的天然草
地将会在短期内演变为以其为优势种的毒杂草型退化
草地 。毒杂草的大量滋生严重影响家畜对草地的利
用[ 2] 。近年 ,祁连山北坡甘肃臭草的蔓延已经造成大
面积天然草地失去了利用价值 。
遭受毒杂草入侵的天然草地 ,在地上植被群落特
征发生变化的同时 ,势必影响到土壤特征发生相应变
化。土壤有机碳 、氮是土壤质量的核心[ 3] ,是衡量土壤
特征变化与否的重要指标 。针对目前祁连山北坡大量
遭受甘肃臭草入侵的退化草地 ,研究其地上植被群落
　　收稿日期:2010-01-23;修回日期:2010-03-02
　　基金项目:世界银行/全球环境基金(052456CHA-GS-Y-
4),国家自然科学基金(30730069)资助
　　作者简介:曹静娟(1983-), 女 , 河北保定人 , 在读硕士 , 主
要研究方向为草地生态学。
E-mail:caojing juan913@126.com
尚占环为通讯作者。
和土壤特征的变化 ,对全面认识杂草植被群落生态功
能有重要意义 。
1　材料和方法
1.1　研究区概况
研究地点位于甘肃省肃南裕固族自治县康乐乡马
场滩草原 ,地处祁连山北坡中高山区。地理坐标为
E 99°55′;N 38°49′, 海拔 2 856 m 。年平均气温 0 ～
3 ℃,年降水量 400 mm ,集中在 6 ～ 9月份 ,蒸发量达
1 500 ～ 1 800 mm ,相对湿度 65%,年日照时数 2 200
h ,相对无霜期 80 ～ 110 d 。土壤为山地栗钙土 。试验
区植被主要有针茅(St ipa capi llata)、甘肃臭草 、苔草
(Carex tristachya)等。
1.2　试验设计和方法
试验于 2008年 8月中旬进行 。选取甘肃臭草型
退化草地(MD)和其周边未遭受臭草入侵的未退化草
地(UD)为研究对象 。在每一类型样地上 ,随机选取 3
个有代表性的样方 。依据任继周[ 4] 草地植被调查方
法 ,利用 50 cm×50 cm 样方框对每一样方内植被进行
调查 。调查项目包括物种种类 、盖度 、高度 ,同时 ,齐地
剪去地上植被带回室内 ,70 ℃,48 h烘干后称重 ,测定
11第 30卷　第 5期　　　　　　　　　　　草 原 与 草 坪 2010年
地上植物量。每一样方按“ S”型取样法分 0 ～ 10 cm 、
10 ～ 20 cm 、20 ～ 30 cm 层次多点采集土壤样品 ,每一
层次土壤样品制成一个混合土样 。将土样带回室内 ,
去除石块和植物残体 ,自然风干过 2 mm 筛 ,用于 pH 、
电导率 、有机碳 、全氮 、土壤轻组有机碳指标的分析 。
土壤容重采用环刀法(容积 100 cm3 ,内径 5 cm):
pH 值用 pH 计(土水比 1∶2∶5)测定;电导率采用电
导仪(#2265FS)(土水比 1∶1)测定;土壤有机碳采用
重铬酸钾氧化法[ 5] ;全氮采用半微量凯式法[ 6] ;轻组有
机碳采用 NaI(1.8 g/cm 3)密度分组法测定[ 7 , 8] 。
轻组有机碳测定:称取过 2 mm 土壤筛的风干土
样 25 g 置于 250 mL 离心管中 ,加入 50 mL NaI 溶液
(密度 1.8 g/cm3), 轻轻摇动离心管 , 在振速为 200
r/min的振荡器振荡 1 h 。分散后的悬浮液在最大相对
离心力为 3000×g 的低速离心机离心 20 min 。将混合
物表面悬浮的轻组有机质通过微孔滤膜(0.45 mm)真
空抽滤 ,用 100 mL 0.01 mo l/L CaCl2冲洗轻组物质去
除 NaI ,另加 200 mL 去离子水冲洗 。将滤纸上的轻组
物质冲洗至预先称重的铝盒中 ,在 50 ℃下烘 72 h ,获
得轻组组分干重。重复 3 次 ,直至悬浮的轻组组分被
完全分离。同时称取 3 份土样用于测定土壤含水量
(吸湿水)。将每个土壤样品的所有轻组样品合并 ,磨
碎 ,过 0.25 mm 筛 ,用于有机碳含量分析。
1.3　数据统计分析
试验数据用 SPSS13.0 软件进行统计分析 。地上
植被盖度 ,植物量 ,土壤含水量 ,容重 , pH ,电导率 ,土
壤有机碳 、氮含量 ,有机碳 、氮储量 ,轻组有机碳等指标
均采用单因素方差分析(one-way ANOVA), 采用
LSD法进行多重比较。
2　结果与分析
2.1　样地植被特征
臭草型退化草地和未退化草地 ,地上植被总盖度
都相对较低 ,均低于 80%,但表现为差异不显著(P>
0.05)(表 1),两样地内的植被群落结构呈现明显差
异。甘肃臭草为臭草型退化草地的优势种 ,并以斑块
状存在 ,其盖度相对较高达 73%;针茅为未退化草地
的优势种 ,其盖度相对较低仅为 47%。同时 ,两样地
内亚优势种和伴生种在植被物种分布以及盖度和高度
方面也存在差异 ,最终致使臭草型退化草地地上植物
量显著高出未退化草地的 25%。结果表明 ,天然草地
遭受臭草入侵后 ,草地植被群落结构特征发生了明显
变化 。但是 ,由于臭草型退化草地处于杂草入侵初期
阶段 ,草地植被盖度没有明显下降 ,地上植物量甚至呈
显著增加趋势 。
2.2　土壤基本特征
　　沿 0 ～ 10 cm , 10 ～ 20 cm 和 20 ～ 30 cm 土壤剖面 ,
臭草型退化草地的土壤含水量(15.5%～ 16.6%)均显
著高于未退化草地(12.5%～ 15.3%)。土壤含水量呈
现这种趋势 ,与地上植被群落结构特征(物种组成 、盖
度 、高度等)有关 ,因为地上植被群落结构明显影响水
分的地面蒸发及降水入渗等过程。两样地土壤 pH 沿
土壤剖面均呈现增加趋势。除 0 ～ 10 cm 土层外 ,臭草
型退化草地的土壤 pH(8.27 ～ 8.39)显著低于未退化
草地(8.33 ～ 8.45)。臭草型退化草地和未退化草地的
土壤容重均随土壤深度而增大。臭草型退化草地土壤
容重沿 0 ～ 10 cm , 10 ～ 20 cm 和 20 ～ 30 cm 剖面分别
显著高出未退化草地土壤的 3%, 6%和 9%。臭草型
退化草地和未退化草地的土壤电导率沿土壤剖面均呈
现增加趋势 ,但在两样地间表现为差异不显著(P >
0.05)(表 2)。结果表明 ,当天然草地遭受臭草入侵
后 ,土壤容重呈现增加趋势 ,但土壤 pH 在下降 ,土壤
含水量在增加 。因此 ,处于杂草入侵初期的臭草型退
化草地 ,由于地上植被群落在盖度 、高度 、地上植物量
等方面的维持 ,草地土壤物理品质未呈现明显降低趋
势。
2.3　土壤有机碳 、氮库
臭草型退化草地和未退化草地 ,土壤有机碳含量
均表现为随土壤深度增加而降低的趋势。与 0 ～
10 cm土层相比 ,两样地土壤有机碳含量在 10 ～ 20 cm
分别下降了 19%和 21%;20 ～ 30 cm 分别下降了
34%,35%。臭草型退化草地有机碳含量在 0 ～ 10
cm ,10 ～ 20 cm , 20 ～ 30 cm 土层均高于未退化草地土
壤 ,但差异不显著(P >0.05)。与土壤有机碳含量在
两样地间的差异性表现不同 ,有机碳储量在两样地间
沿土壤剖面均表现为差异显著性(P<0.05)。臭草型
退化草地的土壤有机碳储量沿 0 ～ 10 cm ,10 ～ 20 cm ,
20 ～ 30 cm 土壤剖面分别高出未退化草地的 3%,10%
和 12 %。这种差异性表现主要是土壤容重在两样地
间的不同变化所致 ,与未退化草地相比 ,臭草型退化草
地的土壤容重显著增加 。从 0 ～ 30 cm 土层来看 ,臭草
型退化草地有机碳储量高出未退化草地 8.6 mg/hm2
12 　　　　　　GRASSLAND AND T URF(2010)　　　　　　　　　　　　Vol.30 No.5
土壤全氮含量与有机碳含量在两样地间的变化规
律相一致 ,即臭草型退化草地土壤在各个土层的全氮
含量均高于未退化草地 ,但差异不显著(P >0.05)。
同样 ,受土壤容重的影响 ,臭草型退化草地的土壤氮储
量在 0 ～ 10 cm ,10 ～ 20 cm ,20 ～ 30 cm 以及 0 ～ 30 cm
土层均显著高于未退化草地土壤(P>0.05)。臭草型
退化草地土壤氮储量(0 ～ 30 cm)比未退化草地高0.88
mg/hm2(表 3)。
表 1　试验样地植被群落组成 、总盖度和地上植物量
Table 1　Vegetation community composition , cover , plant height and aboveground biomass of sample site
样地类型 群落组成 盖度/ % 高度 / cm 总盖度 / % 地上植物量/ g·m -2
MD 臭草(Melica Przewalsk y i) 73±3 22±4 75±2a 174±2a
针茅(Stipa capillata) 10±2 24±4
早熟禾(Poa annua) 5±2 13±3
紫菀(Aster tongolensis) 2±1 10±2
UD 针茅(Stipa capillata) 47±4 23±4 78±1a 139±4b
苔草(Carex tristachya) 15±3 14±3
委陵菜(Potentilla chinensis) 10±2 3±1
紫菀(Aster tongolensis) 29±2 12±2
　　注:表中同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)
表 2　不同类型草地的土壤基本特征
Table 2　Basic soil properties of different grassland types
土层/ cm 样地类型 土壤含水量/ % pH 土壤容重/ g· cm -3 电导率/ dS·m -1
0～ 10 MD 15.5±0.1a 8.19±0.02a 0.91±0.00a 0.20±0.02a
UD 12.5±0.4b 8.15±0.02b 0.88±0.01b 0.23±0.01a
10 ～ 20 MD 16.6±0.4a 8.27±0.03b 1.13±0.01a 0.21±0.01a
UD 14.5±0.2b 8.33±0.02a 1.07±0.02b 0.23±0.01a
20 ～ 30 MD 16.4±0.1a 8.39±0.03b 1.21±0.01a 0.25±0.01a
UD 15.3±0.5b 8.45±0.02a 1.11±0.00b 0.25±0.01a
注:表中同列不同小写字母表示同一土层差异显著(P<0.05)
表 3　不同类型草地土壤有机碳 、氮库
Table 3　Soil carbon and nitrogen pools of different grassland types
土层 /cm 样地类型 有机碳/ g · kg -1
有机碳储量
/ mg· hm -2
全氮
/ g· kg-1
氮储量
/ mg · hm -2 土壤碳氮比
轻组碳
/ g · kg -1
轻组碳比例
/ %
0～ 10 MD 44.3±0.3a 40.0±0.4a 3.5±0.1a 3.20±0.04a 12.5±0.4a 7.83±0.44a 17.8±1.0a
UD 44.1±1.1a 38.9±0.7a 3.5±0.0a 3.07±0.06b 11.9±0.4a 7.63±0.25a 17.2±1.0a
10 ～ 20 MD 36.1±0.8a 40.8±0.8a 3.3±0.0a 3.75±0.01a 10.6±0.3a 3.94±0.32a 10.9±1.1a
UD 34.8±0.4a 37.1±1.1b 3.2±0.1a 3.43±0.06b 10.5±0.4a 3.60±034a 10.3±0.9a
20 ～ 30 MD 29.1±0.8a 35.3±1.3a 2.8±0.0a 3.41±0.08a 10.1±0.4a 2.69±0.26a 9.2±0.6a
UD 28.5±1.1a 31.5±1.2b 2.7±0.0a 2.97±0.03b 10.6±0.4a 2.50±0.08a 8.8±0.2a
0～ 30 MD 109.3±1.8a 116.1±2.1a 9.7±0.1a 10.35±0.12a 11.3±0.1a 14.45±0.56a 13.2±0.6a
UD 107.6±2.4a 107.5±2.3b 9.4±0.1a 9.47±0.15b 11.5±0.4a 13.73±0.29a 12.8±0.3a
　　注:表中同列不同小写字母表示同一土层差异显著(P<0.05)
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臭草型退化草地和未退化草地 ,土壤碳氮比沿 0 ～
10 cm , 10 ～ 20 cm , 20 ～ 30 cm 土壤剖面均呈现下降趋
势 ,但在两样地间表现为差异不显著(P <0.05)(表
3)。土壤碳氮比直接影响土壤有机质的分解 ,表明目
前两样地内土壤有机质的分解状况差异不大 。
臭草型退化草地和未退化草地的土壤轻组有机碳
沿土壤剖面均表现为下降趋势 。与 0 ～ 10 cm 土层相
比 ,两样地土壤轻组有机碳含量在 10 ～ 20 cm 分别下
降了 50%,53%;20 ～ 30 cm 分别下降了 66%和 67%。
相比于土壤有机碳含量 ,土壤轻组有机碳含量沿土壤
剖面的下降幅度更大 。臭草型退化草地土壤轻组有机
碳含量沿土壤剖面分别高出未退化草地的 3%, 9%和
8%,但差异均不显著(P >0.05)。土壤轻组有机碳占
总有机碳的比例反映了土壤有机碳中轻组组分的比
重。比较两样地轻组有机碳与有机碳含量沿土壤剖面
的下降幅度 ,表明 0 ～ 10 cm 土层轻组组分占有机碳的
比重高。同时 ,轻组有机碳比例与轻组有机碳在两样
地间的变化特征趋于一致(表 3)。
3　讨论
毒杂草型退化草地不同于其他草地退化类型 ,它
没有表现出地表裸露 、植被蓄积量减少 、水土流失等退
化特征[ 9 , 10] 。所选臭草型退化草地 ,由于臭草入侵处
于初期阶段 ,尽管地上植被群落结构发生了变化 ,但地
上植物量很高 ,甚至高于周边未遭受杂草入侵的天然
草地 。然而 ,在甘肃臭草单一种群斑块形成数年后 ,退
化草地群落会出现自疏现象 ,植被覆盖度会大幅度下
降 ,导致表土大量裸露 ,发生严重的水土流失[ 1] 。因
此 ,臭草入侵后 ,草地植被群落特征随年限的变化仍需
要持续的跟踪调查。
毒杂草群落的形成在不同地区其过程有很大不
同。在青藏高原的黄河源区 , “黑土滩”次生毒杂草群
落是在草地变成秃斑地前提下形成的 ,其碳 、氮库比未
退化草地均明显减少[ 11] 。这与臭草入侵形成杂草群落
后的草地土壤变化特征不一致。天然草地遭受臭草入
侵后 ,草地土壤含水量增加 ,有机碳和全氮含量也呈现
增加趋势 。原因可能是 ,处于臭草入侵初级阶段的臭
草型退化草地 ,良好的植被盖度和较高的地上植物量
保证了草地土壤有机质的来源 ,致使土壤有机碳 、氮含
量及储量没有受到影响 。因此 ,在保证地上植被盖度
和植物量的情况下 ,植被类型与土壤有机质含量无关 ,
验证了 Khalid [ 12] 的研究结果 。由于本研究所选样地
是处于臭草入侵初期阶段的杂草型草地 ,考虑到臭草
在草地群落中的演替特征 ,这一草地类型是否会在其
演替过程中造成土壤的退化还需要进一步的研究。
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(下转 19页)
14 　　　　　　GRASSLAND AND T URF(2010)　　　　　　　　　　　　Vol.30 No.5
(1.K ey Lab o f Resources Remote Sensing and Digi tal Agricul ture/Hulunber Grassland Ecosy stem
Observation and Research S tation/ I nst ituteo f Agricultural Resources and Regional Planning o f
Chinese Academy o f Agricultural Sciences , Bei j ing 100081 , China;2.Grassland Research I nst itute ,
Chinese Academy o f Agricultural S ciences , Hohhot 010010 , China)
　　Abstract:Characteristics of phy siological and bio chemical of Medicago sativa cv.Aohan in different g row th
year w ere tesed by taking their leaves samples f rom dif fe rent fields in Linxi in 2008.The results show ed that
Medicago sativa cv .Aohan po ssessed different mode regulation o f physiology in dif ferent y ears , and there we re
no obvious dif ferences between physio logical and biochemical indexes and grow th years.The phy siolo gical and
biochemical indexes selected could reflect the g row th of Aohan.Forage yield w as po sitively co rrela ted wi th the
content o f pro line and CAT , the relationships of yield and MDA and conductivi ty w ere negativ e acco rding corre-
lation analy sis.
　　Key words:Med icago sativa cv .Aohan;g row th year;phy sio logical and biochemical indexes
(上接 14页)
Effect of Melica przewalskyi invasion on soil
carbon and nitrogen pools of subalpine grassland
CAO Jing-juan1 ,SHANG Zhan-huan2 , 3 ,GUO Rui-ying4 ,CUI Guang-xin2
(1.Collegeo f Pratacutural Science , Gansu Agricul tural University , Lanz hou 730070 ,China;2.Internat ional
Center for Tibetan P lateau Ecosy stem Management ,Collegeo f Pastoral A griculture Science and
Technology ,LanzhouUniversity , Lanz hou 730020 , China;3.Insti tute of T ibetan P lateau Research ,
Chinese Academy of Science ,Bei j ing 100085 ,China;4.Laboratory of Arid and Grassland Ecology
o f Ed ucation Ministry , Lanz hou Universi ty ,Lanzhou 730000 ,China)
　　Abstract:In the nor thern slopes of Qilian M ountains , Melica przewalsky i was a common miscellaneous
species invading into the deg raded grassland.The g rassland w ith Melica przewalsk y i invasion and the adjacent
un-degraded g rassland we re selected to test the effect of M.przewalsk y i invasion on vege tation community , soil
org anic carbon and nit rog en pools.The resul ts show ed that the st ructure o f vegetation community changed
markedly af ter the invasion o f M.przewalsky i , which became the dominant species instead of Stipa capil lata.
The basic soil propert ies w ere dif ferent between the tw o sample types , such as soil moisture , soil bulk density ,
pH and soil conductivity .When M.przewalsk y i communi ty fo rmed , soil org anic carbon(SOC)and total nit rog en
(TN)concentrations increased , but w ith no significant difference(P >0.05)comparing w ith the un-deg raded
grassland.SOC and TN stocks(0 to 30 cm)in soi l of M.przewalsky i invaded g rassland w ere significantly higher
than that o f un-deg raded g rassland(P<0.05).It indicated tha t M.przewalsk yi invasion only changed the st ruc-
ture of vegetat ion communi ty ,whereas the capacity of ca rbon and nit rog en sequest ration did no t decrease.
　　Key words:no rthern slope of Qilian M ountains;subalpine g rassland;Melica przewalsk y i;invasion;soil o r-
ganic carbon pool;soil ni trog en poo l
19第 30卷　第 5期　　　　　　　　　　　草 原 与 草 坪 2010年