全 文 ：第 19 卷 第 5 期
Vol. 19 No. 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2011 年 9 月
Sep. 2011
当雄草原不同退化草甸土壤含水量及容重分布特征
曹丽花1, 2 , 刘合满1 , 赵世伟2*
( 1. 西藏农牧学院,西藏 林芝 860000;
2. 西北农林科技大学 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)
摘要 :土壤含水量和容重是土壤物理属性的 2 个重要指标, 对土壤养分有效性及生产能力有重要影响。采用野外
调查和室内分析法研究西藏当雄不同退化程度高寒草甸土壤水分和容重分布特征, 为草地的科学管理和可持续利
用提供理论依据。结果表明:不同区域环境及土壤条件对土壤水分含量分布及变异影响显著 ;随着草地退化程度
加重,土壤含水量极显著降低( P< 0. 01) , 土壤容重显著增加( P< 0. 05) ;土壤含水量在土壤剖面上的变化表现为
正常草地和轻度退化草地土壤 0~ 10 cm> 10~ 20 cm,而严重退化草地为 0~ 10 cm< 10~ 20 cm;土壤容重在土壤
剖面上的变化表现为正常草地和轻度退化草地土壤容重 0~ 10 cm< 10~ 20 cm, 而严重退化区容重变化表现为 0
~ 10 cm> 10~ 20 cm。草地退化首先表现在表层土壤上, 且草地退化导致土壤水分含量的显著降低也不利于草地
的自然恢复,将加速草地的进一步退化。
关键词:当雄; 退化草甸;土壤含水量; 容重
中图分类号: S153. 6 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2011) 05-0746-06
The Distribution of Soil Water Contents and Bulk Density on
Degraded Grassland at Dangxiong
CAO L-i hua
1, 2
, L IU He-man
1
, ZHAO Sh-i w ei
2*
( 1. Department of Resources and Environm ent , Tib et Ag ricultural an d Anim al H usbandry College, Linzh i, T ibet 860000, China;
2. State Key Lab oratory of Soil Erosion an d Drylan d Farming on th e Loess Plateau, Northw es t A & F U nivers ity,
Yangling, S haanxi Province 712100, Chin a)
Abstract: Soil w ater content and bulk density, w hich ar e tw o impo rtant so il physical propert ies, have a
major ef fect on both so il nut rient validity and product ivity. To provide a theoret ic basis for law n manage-
ment and sustainable use, the dist ribut ion of soil w ater content and bulk density of degraded g rassland at
Dangxiong w er e studied using f ield survey and lab analy ses. Results show ed that env ir onment and soil con-
ditions signif icant ly influenced soil w ater content. With the agg ravat ion of g rass degr adat ion, soil w ater
content decreased significant ly w hile soil bulk density increased. Soil w ater content in 0~ 10 cm layer w as
higher than that in the 10~ 20 cm layer of both normal gr assland and light deg raded gr assland, w hile so il
w ater content in 0~ 10 cm layer w as low er than that in the 10~ 20 cm layer o f severely deg raded g rassland.
Soil bulk density content in 0~ 10 cm layer w as low er than that in the 10~ 20 cm layer o f normal g rassland
and light ly degraded g rassland, w hile so il bulk density content in 0~ 10 cm layer w as higher than that in
the 10~ 20 cm layer of sever ely deg raded grassland. The grassland degraded on soil surface layer and the
decrease o f soil w ater content acceler ated the deg radat ion of g rassland.
Key words: Dangx iong; Degraded gr assland; Soil w ater content; Soil bulk density
草地生态系统是分布面积最广的陆地生态系统
之一,全球陆地表面的 1/ 5 被天然和人工草地覆
盖[ 1]。在应对全球气候变化中起着非常重要的作
用[ 2] 。但在我国生态脆弱的西部地区,草地受到的
破坏和退化的现状令人触目惊心,前景堪忧 [ 3]。
在草地生态系统中,草丛-地境界面是草业系统
收稿日期: 2011-03-10;修回日期: 2011- 05-10
基金项目:西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室基金 ( 10501-249 ) ( 10501-292 ) ; 国家自然科学基金
( 40961023) ;西藏农牧学院青年科研基金项目资助
作者简介:曹丽花( 1980- ) ,女,河南濮阳人,讲师,硕士,研究方向为高原土壤物质循环与环境效应, E- mail: clh-m@ 163. com; * 通信作者
Auth or for conespon dence, E-m ail: sw zh ao@ ms . isw c. ac. cn
第 5期 曹丽花等:当雄草原不同退化草甸土壤含水量及容重分布特征
中最基本的界面,由于其直接暴露于人类难以控制
的气候(光、热、风、水)扰动之下,承受着人类活动的
干扰[ 4] 。草地退化导致土壤容重增大、含水量降
低[ 5, 6] , 表层土壤颗粒变粗[ 7] , 结构变差。土壤含水
量是土壤的一个关键环境变量[ 8] ,在植物生长 [ 9] 方
面起着非常重要的作用。土壤容重常被认为是土壤
结构最有用的参数 [ 10] , 它与土壤其他性质,如土壤
孔隙度、含水量及导水性等有关,被作为衡量土壤质
量的重要指标[ 11] 。
西藏拥有各类草地 8206. 7万 hm2 , 约占全国草
地资源的 33. 2% ,在西藏牧业发展和环境保护中起
着非常重要的作用。目前针对青藏高原高寒草甸不
同退化草地土壤水分和容重分布特征的研究还很
少,缺乏退化草地土壤水分和容重空间变异特征及
对草地退化响应的基础资料。因此,本研究选择拉
萨唯一纯牧业县 当雄高寒草甸区作为研究对
象,研究不同退化程度高寒草甸的土壤水分和容重
分布特征,为退化草地的合理利用与恢复及草地的
可持续利用提供科学依据。
1 材料与方法
1. 1 研究区域概况
当雄县( E9045~ 9131, N2931N~ 3104) ,
是拉萨市唯一纯牧业县,平均海拔 4200 m 以上, 地
貌类型为高原山地。土地总面积约 100万 hm 2 , 天
然草地面积 68. 2 万 hm2 , 草地可利用面积 62. 4 万
hm 2 ,占草地总面积的 91. 46%。气候属高原寒温带
半干旱季风气候, 日照时数 2880 h, 年均温度
1 3 ,无霜期仅 62 d,年均降雨量 456. 8 mm, 降水
主要集中在 6- 8月, 年均蒸发量 1725. 7 mm。牧
草生长期仅 90~ 120 d, 每年从 11月到来年 3月为
土地冻结期。土壤主要为高寒草甸土, 占当雄土壤
总面积的 51. 85%。
1. 2 研究方法
在当雄草甸区选择格达乡( N2954. 075, E90
21. 585,海拔 4383 m )、宁中乡( N3029. 926, E90
52. 696, 海拔 4247 m ) 和当雄县城北端甲根村
( N3029. 9 09, E9108. 584, 海拔 4290 m) 3个样
区, 样区分布如图 1所示。样区内草种主要为藏蒿
草( Kobresia tibeti ca) , 土壤类型为高寒草甸土, 质
地为沙壤土。于 2010年 4月 12日,结合野外调查,
在每个样区按照草地退化程度的相关划分标准[ 12]
(表 1) ,在每个样区以草地覆盖度状况分别选择正
常草地、轻度退化和严重退化 3种草地类型。高寒
草甸0~ 20 cm 层次植物根系所占比例最大,是土壤
水分最为丰富和波动最大的一层 [ 13] ,特别是 10~ 20
cm范围的土壤含水量流失对高寒草甸土壤环境影
响最大, 30 cm 以下土层水分特征几乎不受植被的
影响 [ 14] , 故进行 0~ 20 cm 层次土壤水分分布特征
研究。每种退化类型草地选择 3个样点,分别采集
0~ 10 cm 和 10~ 20 cm 2个层次的环刀。
图 1 采样点
Fig . 1 Sampling site
表 1 不同退化程度草甸植被覆盖度
T able 1 Vegetation cover ages of differ ent degr aded meadow s
草地状态 Grassland condit ion 植被覆盖度 Vegetat ion fract ion/ % 土层状况
正常草甸 Normal meadow 植被覆盖度> 95% Vegetat ion f ract ion> 95% 未见沙化 No desert ificat ion
轻度退化草甸
Light ly degraded meadow
植被覆盖度下降 20% ~ 35% ,地表物明显减少
Decl ine in plant grow th by 20% ~ 35% , obvious redu ct ion of cover plants
轻度沙化
Light desert ificat ion
重度退化草甸
Seriously degraded meadow
植被覆盖度下降 60% ~ 85% ,地表基本裸露
Decl ine in plant grow th by 60% ~ 85% , bare soil dominant
严重沙化
Seriou s desert ificat ion
土壤样品(环刀体积 100 cm3 ) , 每个样区采集
18个土壤样品, 3个样区共采集 54个环刀土。采集
回的环刀土壤样品在鼓风干燥箱中以( 105 2) 条
件下烘干 8~ 10 h 至恒重, 依据质量变化分别计算
土壤重量含水量和容重。每个样区同一退化程度样
点上的 3个土壤样品测定平均值作为该退化区土壤
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草 地 学 报 第 19卷
的含水量和容重。
1. 3 数据处理
数据基本处理和作图采用 Excel 2003进行, 方
差分析采用 SPSS 17. 0软件 LSD法进行。
2 结果与分析
2. 1 不同退化草地土壤含水量分析
2. 1. 1 土壤含水量变率分析 供试当雄草甸土壤
含水量如图 2所示, 所有样点上 2个层次土壤含水
量范围在 2. 43% ~ 53. 35%之间, 含水量变动范围
较大,最高含水量是最低含水量的 21. 95倍, 总体变
异系数为 74. 78%。其中 0~ 10 cm 层次上, 土壤含
水量在 2. 43%~ 53. 35%之间, 变异系数为 78. 05%,
而 10 ~ 20 cm 层次上土壤含水量变化范围在
4 63%~ 43. 58%之间, 变异系数为 67. 27%, 由此
可知, 0~ 10 cm 层次上土壤含水量较 10~ 20 cm 层
次上含水量变异大。
2. 1. 2 不同研究区土壤含水量分布特征 由图 2
可知,供试 3个样区土壤含水量高低表现为当雄>
宁中乡> 格达乡。其中格达乡供试土壤从正常草甸
土壤最高含水量的 24. 04% 降低到退化区的
1 67%, 降低了 14. 40倍, 变异系数为 70. 42%。该
区位于格达乡政府所在地附近,放牧较为频繁, 在人
类活动多的地方草地退化较为严重。而且该区土壤
主要为沙质或粉砂质土壤, 特别在严重退化区, 土壤
表层荒漠化, 对水分的保蓄能力变差。
在宁中乡不同退化草甸土壤含水量从正常草甸
0~ 10 cm 土壤层次上的 51. 47%, 随着退化程度的
加重而降低到重度退化区 0 ~ 10 cm 土层的
2 43%, 降低了 21. 18 倍。对基本数据统计分析结
果表明, 宁中乡供试草甸表层( 0~ 20 cm )土壤含水
量变异系数为 74. 92%,变化较格达乡样区大。
在当雄县北端甲根村附近的样区中,土壤含水
量从正常草甸 0~ 10 cm 的 53. 35%降低到重度退
化区 10~ 20 cm 土层的 13. 13% ,降低了 4. 06 倍,
变化范围相对较小,变异系数为 56. 55%。
图 2 土壤含水量变化
F ig. 2 So il w ater contents
注:图中不同字母代表土壤含水量在 0. 01水平下的差异显著性
Note: Dif ferent let ters indicate sign ificant diff erences at the 0. 01 level
2. 1. 3 不同退化程度草甸土壤含水量变化特征
由图 2可知,随着草地退化程度的加重,土壤含水量
呈现降低趋势, 这与其他人的相关研究结果相一
致[ 15, 16]。4月份研究区冻土开始消融, 冻融过程使
土壤剖面水分重新分配, 底层土壤水迁移至表层, 提
高了 0~ 20 cm 的土壤水分含量[ 13, 17] ,故在正常和
轻度退化草甸区 0~ 20 cm 土壤含水量较高。青藏
高原是中国风蚀分布的高值区之一 [ 18] ,退化草地易
受到风蚀的影响,主要使表层土壤< 0. 84 mm 土粒
减少[ 19] ,土壤沙化,对水分的保蓄能力变差, 表层土
壤水分蒸发量大, 使土壤含水量大幅度降低。其中
格达样区正常、轻度退化和重度退化区 0~ 20 cm 土
层平均含水量分别为 18. 99%, 11. 32%和 3. 15% ;
宁中乡试区分别为 47. 53%, 27. 10%和 5. 19%; 当
雄县样区分别为 41. 28% , 21. 01%和 14. 79%。各
样区不同退化程度草甸 0~ 20 cm 土层土壤含水量
之间差异均达到极显著水平( P< 0. 01)。这主要与
草地地表覆被状况及地下部分植物根系固持水分的
能力和特征不同有关。
2. 1. 4 不同退化程度草甸土壤含水量层次差异分
析 由图 2可知, 相同退化程度草甸 0~ 10 cm 与
10~ 20 cm 土层土壤含水量差异规律表现为正常草
甸和轻度退化草甸土壤含水量为 0~ 10 cm> 10~
20 cm ,而对于严重退化的草地 2层次土壤含水量表
现为 0~ 10 cm< 10~ 20 cm。这可能是因为正常草
甸和轻度退化草甸土壤在 0~ 10 cm 层次上草甸密
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第 5期 曹丽花等:当雄草原不同退化草甸土壤含水量及容重分布特征
生,且根系较为集中,使得该层次上土壤接受和保蓄
外界降水较多, 而向下层( 10~ 20 cm )运移的水分
较少,且表层由于草甸植被的覆盖作用,使水分蒸发
少,故表现为 0~ 10 cm 层次土壤含水量较 10~ 20
cm 层次上含水量高。而对于退化严重区域,表层土
壤出现荒漠化, 特别是表层 0~ 2 cm 上颗粒组成主
要为较大沙粒组成,其大孔隙较多, 水分蒸发量大,
故表现为表层 0~ 10 cm 层次上含水量低于 10~ 20
cm 层次。
2. 2 土壤容重变化特征分析
2. 2. 1 土壤容重变率分析 土壤容重是指单位体
积原状土壤的重量, 它是表征土壤物理属性的一个
综合指标,同时也对土壤化学属性产生重要影响, 不
仅能反映土壤的紧实状态, 而且影响植物生长和水
及土壤营养物质的运移[ 20] ,以及植物根系生长和分
布[ 21]。供试 3个样区不同退化程度草甸土壤容重
最大值为 1. 66 g cm- 3 , 最小值为 0. 69 g cm - 3 ,
数据整体变异系数为 23. 57%。其中 0~ 10 cm 层
次上土壤容重变化范围为 0. 69~ 1. 66 g cm- 3 , 变
异系数为 27. 88%, 而 10~ 20 cm 层次上土壤容重
变化范围为 0. 85 ~ 1. 61 g cm- 3 , 变异系数为
19 55% ,变化范围相对于表层小。
2. 2. 2 不同退化程度草甸土壤容重变化特征 如
图 3所示,通过对当雄高寒草甸不同退化程度土壤
容重分析表明,相同层次上随着退化程度的加重,土
壤容重呈增加趋势。格达乡样区供试土壤容重从正
常区 0~ 10 cm和 10~ 20 cm层次容重 1. 27 g cm- 3
和 1. 54 g cm- 3分别增加到严重退化区的 1. 66
g cm- 3和 1. 61 g cm- 3。分别增加了 30. 71%和
4 54%。即从正常草地向退化草地的变化过程中,
表层( 0~ 10 cm )土壤容重较下层( 10~ 20 cm )变化
更加显著,这是因为该供试区土壤主要为砂性土壤,
特别表现在 0~ 10 cm以下的层次上, 对于正常草地
和严重退化区,下层土壤颗粒组成和基本孔隙状况
所受影响相对较小, 使得 10~ 20 cm 层次上土壤容
重变化不显著。而对于表层( 0~ 10 cm )层次上, 受
地表覆被植物和根系生长量的影响, 使土壤结构和
孔隙状况差异较大, 故正常区向严重退化区的转变
过程中, 土壤容重变化也较大,特别是严重退化草甸
土壤表层几乎没有草被和根系的作用, 土壤荒漠化
严重,土壤容重相应增加幅度较大。
图 3 土壤容重变化
Fig . 3 Soil bulk density
注:图中不同字母代表土壤含水量在 0. 05水平下的差异显著性
Note: Differ ent let ters in dicate signif icant dif f erences at th e 0. 05 level
宁中乡样点区土壤 0~ 10 cm 和 10~ 20 cm层次
上土壤容重分别从 0. 69 g cm- 3和0. 85 g cm- 3增
加到 1. 49 g cm- 3和 1. 45 g cm- 3 , 分别增加了
115. 94%和 70. 59%。当雄县样区严重退化区对应
2个层次上土壤容重分别较正常区增加了 74. 36%
和 39. 81%, 同样表现为 0~ 10 cm 层次上容重变化
幅度较10~ 20 cm 层次上变化大的规律。这主要与
地表( 0~ 10 cm )植被和根系生长对土壤结构状况
的影响较下层( 10~ 20 cm)大有关。
2. 2. 3 不同退化程度草甸土壤容重层次特征 对
于不同退化程度土壤容重的变化特征主要受土壤基
础性质和地表覆被状况和植物根系生长量及分布特
征的影响。由图 3可知,正常草甸和轻度退化草甸
2个供试层次上土壤容重变化表现为0~ 10 cm< 10
~ 20 cm, 而对于严重退化区表现不尽一致。但有 2
个样区表现为 0~ 10 cm> 10~ 20 cm, 这应与严重
退化区表层( 0~ 10 cm)土壤受草的退化而沙化严
重有关。由此说明了草甸退化导致的土壤容重变化
首先表现在表层。
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草 地 学 报 第 19卷
3 讨论
在小尺度上,土壤水分变化主要受到土壤、地形
和植被的影响, 而在大范围主要受到气候的驱动影
响[ 22]。由各供试区土壤含水量变异系数可知,在 3
个供试样区草甸土壤含水量变化幅度为宁中乡> 格
达乡> 当雄县。这主要与供试样区地形及土壤所处
的微环境条件有关。
格达乡样区所处位置地势相对较高,蒸发量大,
周围无水源,主要依靠降雨进行水分的供给, 整体含
水量低,草甸退化过程中土壤含水量变化范围相对
较小。而宁中乡样区位于河谷区, 地势较低, 土壤整
体含水量相对较高, 特别是正常草甸区在地上部植
被层的覆盖保蓄作用下, 土壤水分蒸发少, 含水量
高;而在退化严重的荒漠区由于表层植被覆盖低, 土
壤表面( 0~ 10 cm)水分蒸发快, 含水量很低, 这样
就形成了含水量从高向低的更大变异。在当雄县甲
根村样区土壤含水量变异最小,这主要是由于该样
区同样位于地势较低的河谷区,蒸发相对较小,且四
周有明显的水源,使得退化区土壤含水量相对较高,
故土壤含水量整体变异较小。由图 2 还可得出, 位
于河谷区的宁中乡和当雄县 2个样区草甸土壤最高
含水量差异较小,最高含水量分别为 51. 47%和 53.
35% ,这也说明了土壤含水量与地形关系密切。
不同层次上土壤含水量差异主要受地表土壤水
分蒸发、地下水向土表迁移及地表植被覆盖的影响。
土壤表层更易受到外界环境条件温度、降雨、风等因
素的影响。特别在退化区草甸土壤地表植被覆盖度
降低,土壤裸露,表层土壤结构变差,容易受到近地
表温度和风的影响而增加蒸发,从而加剧表层土壤
水分的变化。但对于 10~ 20 cm 土层来说, 由于受
到0~ 10 cm 土层的保护,使水分含量变率降低。有
研究表明土壤表层 0~ 10 cm 较 50~ 60 cm 层次上
含水量低 20~ 30% [ 23]。张思祖等[ 24] 研究也得到了
浅层较深层土壤水分变化小的结论。
有研究表明,草地地上和地下生物量与土壤含
水量成显著的正相关 [ 25]。随着草地退化程度加剧,
分布在各层的植物根系量越来越少[ 5] , 土壤对水分
的保蓄能力变差, 且土壤孔隙度和水分渗透率降
低[ 26] , 不利于水分向土壤下层入渗。良好的草被有
利于形成较好的土壤结构,促进土壤水分的渗透, 并
对土壤水分具有较强的保蓄能力, 减少水分蒸发, 故
随着草地退化程度的加剧,土壤水分含量变低。
关于不同退化程度草地土壤容重的变化研究结
果不尽一致。有研究表明, 随着退化程度的加重,表
层土壤容重呈增加趋势[ 27~ 29]。也有报道显示随着
草地退化程度的加重, 表层土壤容重呈降低趋
势[ 30] 。土壤容重主要受到土壤有机质和粘粒含量
的影响[ 32] 。随着草地退化程度的加大, 土壤有机质
含量减小 [ 5, 27] ,这可能与退化草地土壤裸露, 土壤有
机质分解,且还田植物残体少,有机质得不到补充有
关。且在严重退化区土壤表层裸露,容易受到风力、
水力的侵蚀, 使土壤结构变紧实, 土壤容重增加。
对于草地的退化首先表现为草的退化,然后是
土壤退化。故随着草的退化将逐步引起土壤退化,
且土壤性质对草退化的响应首先表现在表层 0~ 10
cm上,随着退化程度的加剧和时间的延长,土壤各
种性质的变异将不断向深层扩展,加重土壤的退化,
使土壤含水量降低, 容重增大, 将不利于草地的恢
复。
4 结论
通过对当雄县高寒草甸 3个样区不同退化程度
草甸土壤含水量及容重的分析,可以得到如下结论:
4. 1 随着草甸退化程度的加重, 土壤含水量呈降低
趋势,即含水量表现为正常> 轻度退化> 严重退化
草地。且不同区域土壤含水量分布特征不同, 主要
表现为地势较高的区域土壤含水量较河谷区土壤含
水量低。
4. 2 不同层次上土壤含水量变化特征不同。主要
表现为正常和轻度退化草地 0~ 10 cm 土壤含水量
较 10~ 20 cm层次土壤含水量高, 而严重退化区的
0~ 10 cm 土壤含水量较 10~ 20 cm 层次低, 这主要
与土壤表面植被覆盖和根系生长量及分布状况有
关。
4. 3 随着草甸退化程度的加剧, 土壤容重呈现增加
趋势,即表现为正常< 轻度退化< 严重退化草地。
在不同层次上的变异规律表现为正常和轻度退化草
地土壤容重 0~ 10 cm< 10~ 20 cm, 而严重退化区
容重变现为 0~ 10 cm> 10~ 20 cm。
4. 4 土壤表层( 0~ 10 cm)土壤水分含量和容重变
化对退化程度的反应较敏感。特别是基于表层土壤
水分的变化情况可知,草地的退化将不利于草被的
自然恢复,加速草地的物理退化。
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(责任编辑 吕进英)
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