全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2007) 03-0273-05
云雾山封育草地土壤养分变化特征
程　杰, 高亚军
(西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨陵　712100)
摘要: 以云雾山封育23 年的天然草地为对象, 研究黄土高原半干旱区 5种群落类型土壤养分的变异特征。结果表
明: 在自然恢复过程中, 本氏针茅( S tipa bungeana)、百里香( T hymus mong olicus )、铁杆蒿 ( A r temisia veslita)、白颖
苔草( Car ex rigescens)和退化本氏针茅, 土壤有机质含量、全量及速效氮磷钾含量均比对照区显著提高, 其中恢复
年限愈长, 养分增加幅度愈大,其次序为: 封育23年> 封育 12 年> 退化草地; 同时,在 0～100 cm 土层中, 土壤养分
随着土层的加深呈逐渐降低的趋势。
关键词: 云雾山草地; 土壤剖面; 养分变异; 半干旱区
中国分类号: S 151. 93　　　　　文献标识码: A
Variability of Soil Nutrient in Enclosed Grassland of Yunwu Mountain
CHENG Jie, GA O Ya-jun
(C ol lege of Resour ces and Environm ent , Northw est A & F Un ivers ity , Yan gling, Sh aanxi 712100, Ch ina)
Abstract: T he so il nutr ient variability o f dif ferent communities in semi-arid regions o f Loess plateau w as
analy zed based on the invest ig ation of the natural grassland enclosed for 23 years o f Yunwu Mountain. T he
results show that the so il org anic mat ter, total content and available nutrient of N , P , and K of St ip a
bungeana. , Thymus mongol icus. , A rtemisia vestita. , Car ex rigescens. and degenerat ing S. bungeana were
higher than that o f unenclosed g rassland. Furthermore, the longer the g rassland enclosed, the larger the
so il nut rient content increased; the order w as as fo llow s: 23-year enclosed grassland> 12-year enclosed
gr assland > unenclosed grassland. At the same t ime, soil nut rient contents reduced g radually fr om the
upper to low er so il layers in soil depth of 0 to 100 cm .
Key words : Grassland of Yunwu mountain; Soil pro file; Nutrient variability; Semi-arid reg ion
　　草地不仅是农业生态系统的重要组成部分,而
且在黄土高原水土保持及生态环境建设中占据主要
地位。我国是世界第二草地资源大国,草地总面积约
4亿公顷, 占国土总面积的 40%, 是耕地面积的 4
倍[ 1]。其中黄土高原草地面积达0. 205亿公顷, 但长
期受过度放牧和人类生产活动的影响,使草地退化
严重,载畜量大幅度下降,水土保持功能减弱。目前,
黄土高原不同程度的退化草地占其总面积的92%,
其中重度退化草地已达287万公顷, 占草地总面积
的14. 8% [ 2]。土壤养分是表征草地土壤质量的重要
组成部分。土壤养分自然供给能力是评价土壤肥力
的重要指标[ 3]。在黄土高原半干旱区,草地的恢复改
良、利用对土壤养分乃至草地生态系统的作用与影
响尤为重要。因此,揭示草地生态系统土壤养分的空
间变异规律和分布状况, 是实现草地及土壤可持续
利用和区域可持续发展的前提。有关土壤养分方面
的研究国内外报导很多[ 4～13] ,但大多数集中在农田、
果园、菜地及人工林草地方面,天然草地尤其是半干旱
区长期封育的天然草地,土壤不同层次养分的垂直变
化与时空变异过程研究报导尚少见。
宁夏固原云雾山草原属半干旱区典型草原, 本
文以云雾山封育草地为例,研究半干旱区封育23年
的草地土壤养分变异与时空分布特征, 为天然草地
恢复演替和持续利用提供科学依据。
收稿日期: 2006-11-06; 修改日期: 2007-01-08
基金项目: 国家自然科学基金项目( 40201028、40471069)和重点项目( 30230230)
作者简介: 程杰( 1980-) ,男,陕西蒲城人,硕士研究生,研究方向为环境保护, E-mail: ch engj iesyn@ 163. com
第 15 卷　第3 期
　Vol. 15　 No . 3
草　地　学　报
ACTA AGREST IA SIN ICA
　　　2007年　 5月
　M ay　　 2007
1　材料与方法
1. 1　试验区自然概况
试验地设于宁夏固原市东北部云雾山自然保护
区(东经 106°24′～106°28′,北纬36°13′～36°19′) ,海
拔 1800～2100 m ,坡度15～40°,总面积 6500 公顷,
属长梁缓坡丘陵区,土层深厚,土壤类型为山地灰褐
土和黑垆土。属中温带半干旱气候区,年均气温5℃,
最热的7月22～25℃,最冷的1月- 14℃,≥0℃积温
2370～2882℃, 年日照 2500 h,无霜期112～140 d,
年均降水量 400～450 mm( 1983- 2005) ,其中7- 9
月占全年的65%～75%。蒸发量1330～1640 mm。保
护区自 1982 年封育, 主要草本植物有本氏针茅
( St ip a bungeana Trin. )、百里香 ( T hymus mongo-
licus Ronn. )、铁杆蒿( A rtemisia vest ita Wall . )、白
颖苔草 ( Carex rigescens Franch. )、星毛萎陵菜
( Potent illa acauli s L. )、大针茅 ( S . grandis P.
Smirn. )、直茎点地梅( A nd rosace erecta Max im . )、
阿尔泰狗娃花( H eteropappus altaicus( W illd. ) No-
vopokr. )、冷蒿 ( A . f rigida Willd. )、厚穗冰草
( A neurolep idium dasy stachy s ( T rin. ) Kitag . ) 等,
其中丛生禾本科植物本氏针茅分布最广[ 14]。
1. 2　试验设计
选择中科院固原生态站长期定位试验监测类
型,封育后本氏针茅覆盖度85%, 密度 23种/ m2 ,株
高65 cm ( 7月) ; 百里香覆盖度75% ,密度26种/ m 2,
株高35 cm ( 7月) ;铁杆蒿覆盖度 90% ,密度20种/
m
2
,株高73 cm ( 7月) ;白颖苔草覆盖度85% ,密度28
种/ m 2, 株高 56 cm ( 7 月) ; 退化草地为本氏针茅
( CK)覆盖度25%,密度5种/ m 2,株高15 cm ( 7月)。
1. 3　土壤采样与样品处理
试验于2005年4月- 2006年9月进行。在5种
群落类型中, 分别选择6个重复样点,用土钻分层采
集 0～20、20～40、40～60、60～80和80～100 cm 的
土壤,在同类型同一层次取6个土样,作为该层土壤
样品, 风干后,剔除根系、石快等杂物, 混匀磨细,将
每份土样分成两份,分别用 1和0. 25 mm 的土壤筛
过筛,装瓶备用。
1. 4　土壤样品测定
有机质测定采用重铬酸钾法; 全氮和碱解氮采
用自动定氮仪法和碱解蒸馏法;全磷和速效磷采用
钼蓝比色法;速效钾采用火焰光度法[ 15]。
1. 5　草地植物调查
在固原生态站调查的基础上,与土壤养分采集
样地相对应的进行植物调查, 每个类型调查 3个样
方( 1 m 2) ,重复6次。在生长初期( 4月5日) , 中期( 7
月 15日)和末期( 9月 10 日)采用投影法测定覆盖
度, 以样方统计法测定频度、多度和高度,用称重法
测定生物量。
1. 6　分析数据处理
5种草地类型植物的生长与土壤养分前期的基
础数据(封育第1年)和中期(第12年)的试验数据引
自固原生态站, 第23年的数据为笔者测定。对土壤
养分数据,选用DPS 软件中的专业统计分析方法,
进行数据处理与统计分析,并绘图。
2　结果与分析
2. 1　土壤有机质变化
2. 1. 1　云雾山封育草地0～100 cm 土层有机质含
量,在5种草地类型的垂直变化均比退化草地有显著
提高,提高幅度分别为: 本氏针茅59. 6%～31. 57% ,
百里香51. 2%～33. 5%,铁杆蒿和白颖苔草51. 5%～
36. 5%和54. 7%～29. 1%。但5种草地之间差异不
显著。0～100 cm 土层有机质含量序次为:本氏针茅
> 铁杆蒿> 白颖苔草> 百里香。土壤有机质的变化
随着根系的吸收及养分消耗而逐渐降低。随着封育
时间的延长,凋落物逐渐积累与分解,促使有机质的
含量逐渐提高, 这是封育草地较退化草地土壤有机
质含量显著提高的主要原因。土壤有机质为微生物
提供能量和养分,加强微生物活动,促进土壤养分的
不断转化,其中以根瘤菌和固氮菌的生长最为显著,
其生长和繁殖所需要的能量和养分主要是靠有机质
供给,因此,封育草地土壤有机质含量的提高对促进
固氮和改良土壤均起到重要作用(图1)。
2. 1. 2　有机质含量对生物量的影响较明显。生物量
与有机质呈正相关,其中本氏针茅生物量为 1. 15万
kg / hm
2, y= 1. 714+ 3. 1618x , R= 0. 9781;铁杆蒿为
0. 85万kg / hm2 , y= 1. 779+ 4. 007x , R= 0. 9513;百
里香为 0. 73万kg/ hm2 , y = 2. 5278+ 3. 2641x , R=
0. 9353; 白颖苔草为0. 82 万kg/ hm 2, y= 2. 9707+
2. 1128 x , R = 0. 9558 退化草地仅 0. 156 万 kg /
274 草　地　学　报 第 15卷
hm
2[ 1] , y= 1. 1212+ 15. 894x , R= 0. 9148。
图1　供试草地类型土壤剖面有机质分布特征
Fig. 1　The vert ical distr ibution o f or g anic m atter in
differ ent g rassland
2. 1. 3　草地与农田土壤养分的变动趋势一致[ 9] ,全
氮含量也是随着有机质的变化而变化,二者呈显著
正相关关系。根据Agust in 等的研究,土壤有机质在
小尺度的空间异质性可显著地影响土壤的生物化学
过程,促进植物的生长 [ 16]。退化草地在封育前, 土壤
剖面有机质和全氮含量较低,随着封禁时间的延长,
到第12年 [ 14] , 草地植物种群大量增加、覆盖度和生
物量明显提高的同时, 有机质和全氮含量除供植物
地上部生长利用外,剩余部分较封育前第1年的养
分均有增加[ 14] ;到封育的第23年随着草地凋落物的
积累与分解, 土壤剖面有机质和全氮含量增加幅度
更大, 4 种群落有机质含量较退化草地分别增加
53. 58%和30. 42% ,全氮增加66. 47%和51. 19%。但
4种群落间差异不明显,本氏针茅和铁杆蒿略高于
百里香和白颖苔草。充分表明退化草地随着封禁时
间的延长,生物量的生产,凋落物的分解增加了土壤
有机质总量 , 显著提高了土壤有机质和全氮整体含
量, 5种群落的生物量、高度、盖度和物种多样性与
土壤养分分布均呈正相关关系(表1)。
表1　草地土壤有机质与全氮相关性
Table 1　The relationship betw een so il or ganic matt er and
to tal nitro gen content in g r assland
草地类型
Grassland t ype
回归方程
Reg ression equa tion
相关系数
Coefficient ( r2)
本氏针茅 S. bungeana
百里香 T . mongolicus
铁秆蒿 A . vesti ta
白颖苔草 C. r igescens
封育第1年 Enclose 1st year
封育第12年 Enclose 12th years
Y= 17. 825x- 0. 1291
Y= 16. 322x+ 0. 1101
Y= 17. 355x+ 0. 1721
Y= 12. 105x+ 1. 0110
Y= 19. 180x- 0. 1780
Y= 20. 859x- 0. 3403
0. 9525
0. 8625
0. 8633
0. 8348
0. 8871
0. 9165
2. 2　土壤氮素变化
随着封育时间的延长, 草地凋落物的不断积累
与分解,促进了土壤全N 和碱解N 含量的变化。4种
草地与对照区相比, 均有不同程度的提高,在本氏针
茅、百里香、铁杆蒿和白颖苔草, 全N 变化分为 3个
层次, 0～40 cm 是禾本科须根型植物的吸收利用
层,全N 呈缓慢下降; 40～80 cm 是根系的主要吸收
层,全 N 含量出现低谷; 80～100 cm 由于根系分布
的减少,全N 含量逐渐回升。另外,封育草地本氏针
茅、百里香、铁杆蒿和白颖苔草, 0～60 cm 的全N 含
量, 除供地上部生长而外, 比退化草地提高了近 1
倍。说明封育草地随着时间的变化,通过自然恢复,
一方面凋落物在不断的积累与分解, 其养分逐渐归
还土壤,增加了土壤全N 含量,另一方面随着覆盖度
的增加,水土流失强度减少,土壤养分自然得到有效
控制, 促进草地的生长, 其生物量比退化草地提高
3. 7～6. 3倍。随着植物根系分布深度的变化,碱解
氮的分布, 在封育的4 种群落均呈现缓慢下降的趋
势, 在100 cm 的土层80～100 cm 比 0～20 cm 分别
减少, 其中本氏针茅减少 95. 2 mg/ kg ; 百里香减少
77. 8 mg / kg;铁杆蒿减少102. 6 mg/ kg ;白颖苔草减
少99. 9 mg / kg ;在不同土层内, 4种群落碱解氮比退
化草地分别提高了, 其中0～20 cm 为 56. 2 mg / kg ,
20～40 cm 34. 4 mg / kg , 40～60 cm 36. 0 mg / kg ,
60～80 cm 26. 4 mg/ kg , 80～100 cm 48. 1 mg / kg。
从碱解氮在封育草地群落中的提高幅度可以看出,
在植物根系分布的主要层20～80 cm,碱解氮提高幅
度相对较低,植物在生长过程中消耗了大量的有效
氮, 而在0～20 cm 和80～100 cm 碱解氮提高幅度较
大,该层是植物生长重要的氮素储存层(图2、3)。
图2　供试草地类型土壤剖面全氮含量分布特征
F ig . 2　The vertical distr ibut ion o f so il to al nit rig an
in differ ent gr assland
275第 3期 程杰等:云雾山封育草地土壤养分变化特征
图3　供试草地类型土壤剖面碱解氮含量分布特征
F ig . 3　The ver tical distribution of A lkaline nitro gan
in different g rassland
2. 3　土壤磷素变化
在封育的本氏针茅、百里香、铁杆蒿和白颖苔草,
0～100 cm 土壤剖面中, 全P 的变化趋势基本相一
致, 0～60 cm 垂直分布变化幅度较小; 60～80 cm 下
降幅度增大,达到最低点; 80～100 cm 随着根系分布
的减少,养分消耗下降,全P 含量呈回升趋势。封禁草
地土壤全P 含量与退化草地相比, 在 0～100 cm 土
层,本氏针茅提高 0. 016%、百里香提高0. 022%、铁
杆蒿提高0. 018%、白颖苔草提高0. 010%。4种草地
在0～100 cm 土壤剖面全P 含量的垂直分布序次为:
百里香群落> 铁杆蒿群落> 本氏针茅群落> 白颖苔
草群落(图4)。同时,土壤全P 的供应是直接影响土壤
速效P 的重要指标。0～100 cm 速效P 和全P 含量的
变化基本一致, 均为上层大于底层, 速效P 与全P 含
量之间呈显著正相关( R= 0. 8981) ; 0～40 cm 土层
退化草地的速效 P 含量远低于 4种群落封育草地,
40～100 cm 却远高于封育草地,这是因为退化草地
地上部生长发育不良, 牧草生长低矮, 直接影响根系
的正常生长, 因此, 草地植物主要吸收浅层土壤速效
P,而对深层影响较小。所以在草地的改良中选用深
根型草种,与天然草地浅根型牧草结合,充分利用不
同层次的土壤养分,促进封育草地的自然更新和退化
草地的快速恢复(图5)。
2. 4　土壤速效钾变化
速效K 含量丰富,远高于林地土壤[ 11] , 在封育草
地本氏针茅、百里香、铁杆蒿和白颖苔草与CK 比较,
在0～60 cm 土层, 速效K的变化幅度较大,且含量较
高, 前者比CK 提高56. 55%, 其原因是封育后减少人
为干扰,植物生长旺盛,覆盖度提高, 速效钾的含量增
加。速效钾在土壤中的垂直分布(图6)。随着土层的
加深,速效钾的含量快速下降,但60～100 cm 土层较
0～60 cm 变化较小。4种类型变化幅度最大的为铁
杆蒿和本氏针茅,其次为白颖苔草, 百里香最小。虽然
封禁草地速效 K 含量略高于退化草地,但差异不显
著,其含量序次为铁杆蒿> 百里香> 本氏针茅> 白颖
苔草> 退化草地( CK)。上述结果表明:在黄土高原丘
陵区天然草地土壤钾素含量较富余,完全能满足植物
生长的需要。因此,在天然草地的建设与恢复过程中,
为了防止退化, 不断提高生产力,加以合理的开发利
用,促进草地的可持续发展,建议增加草地N、P 肥的
使用量,减少K 肥的使用量或不施K肥。
图4　供试草地类型土壤剖面全磷含量分布特征
Fig. 4　T he ver tical distr ibution of to tal pho sphorus
in differ ent gr assland
图 5　供试草地类型土壤剖面速效磷含量分布特征
F ig . 5　The ver tical distribut ion o f available P
in differ ent gr assland
3　结论与讨论
3. 1　草地植被土壤养分研究能够直接而准确地反
映植物与土壤环境作用的本质关系和动态特征, 特
别是研究半干旱脆弱地带草地自然修复对其土壤生
态环境产生的效应, 有助于掌握草地生态系统界面
276 草　地　学　报 第 15卷
养分动态变化规律, 达到认识黄土高原草地封育恢
复与管理运营模式的目的。
图6　供试草地类型土壤剖面速效钾含量分布特征
F ig . 6　The ver tical distribution of a vailable K
in different g rassland
3. 2　在黄土高原丘陵区,由于长期以来过度放牧和
人类生产活动的影响, 绝大多数天然草地受到放牧
和人为干扰的破坏,使草地生产力受到严重影响,造
成较大的水土流失与养分损失, 天然草地生态系统
退化, 生物多样性减少,荒漠化程度愈来愈烈,通过
多年的研究与实践, 天然草地植被的恢复特别是半
干旱区植被的恢复,经过人为封禁,采用自然修复的
途径,排除了放牧及人为干扰后,不仅牧草生产力可
得到恢复,而且草地土壤水分养分也有很大提高,从
而使退化草地生态系统逐渐得到恢复[ 1～2] ,生态环
境也相应得到改善。本研究通过对宁夏云雾山封育
23年的天然草地土壤养分监测结果表明,通过草地
封育均能增加土壤养分,无论是氮磷钾全量还是速
效含量均可大幅度提高,且与封育时间有着显著的
相关性,封育期愈长,养分含量愈高,其表现为封育
23年> 封育12年> 退化草地。这是因为退化草地排
除干扰后,草地经过自然修复,牧草得到修养生息及
正常生长,使植物种群个体数量增加,覆盖度及生产
力大幅度提高 [ 1～2] , 由于封育草地可随着封育时间
的变化凋落物不断积累,并在微生物作用下不断腐
熟与分解,促使草地土壤氮磷钾全量和速效养分的
进一步增加, 土壤养分的提高促进了牧草的旺盛生
长,使生物量比退化草地提高3. 7～6. 3倍。土壤肥
力作为草地土壤的自然独立体的质地特征,它由水、
肥、气、热诸要素组成, 要素之间有相互促进、相互制
约的关系,土壤肥力是指诸要素对植物生长发育与
协调的能力, 其中土壤养分是土壤肥力的主要物质
基础[ 15] ,所以, 随着草地封育时间的延长,在草地覆
盖度不断提高的同时,使地面蒸发量减少,草地土壤
水分也大幅度的增加[ 17] ,据云雾山定位站测定, 0～
100 cm 土壤水分含量达10. 2%～13. 6% ,较退化草
地提高3. 2%～4. 5% ,为植物的生长奠定了良好基
础。封育草地土壤水分的增加,对干旱缺水的黄土丘
陵区植被的恢复更加重要。这进一步表明,草地封育
不仅使土壤养分有所增加,而且土壤水分、植被覆盖
度和生产力也在不断提高, 充分说明在该区采用封
育措施,让草地进行自我修复,可使草地植被生态系
统呈现出全面恢复的趋势。
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(责任编辑　孟昭仪)
277第 3期 程杰等:云雾山封育草地土壤养分变化特征