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Characteristics of soil nutrient distribution in high-altitude meadow ecosystems with different management and degradation scenarios

草场管理措施及退化程度对土壤养分含量变化的影响



全 文 :    倡 中国科学院重大项目(KSCX1唱07) 、中国科学院重要方向项目(K SCX2唱01唱09 、KSCX2唱SW唱123) 、“十五 ”国家攻关项目 (2001BA606A唱05)
和四川省青年科技基金项目(03ZQ026唱043)资助
    倡倡 通讯作者
收稿日期 :2005唱10唱20   改回日期 :2006唱01唱29
草场管理措施及退化程度对土壤养分含量变化的影响 倡
刘  兵1 ,2 ,3  吴  宁1 倡倡 罗  鹏1  陶豫萍1 ,2
(1 .中国科学院成都生物研究所   成都   610041 ; 2 .中国科学院研究生院   北京   100049 ;
3 .吉林师范大学生命科学学院   四平   136000)
摘   要   以不同管理措施和不同退化梯度的高寒草地土壤为研究对象 ,分析了两个序列的高寒草地不同土壤层次(0
~ 20cm 、20 ~ 40cm 、40 ~ 60cm)中各种养分分布特征并探讨了管理措施和草场退化对高寒草地土壤的影响 。 结果表
明 :天然放牧草地经过围栏和翻耕措施后 ,土壤有机质 、全 N 、全 P 含量明显升高 ,土壤速效氮 、磷含量也得到明显上
升 。 在 20 ~ 40cm 和 40 ~ 60cm土层土壤存在类似的变化规律 ,但由于土层加深 ,受地表植被的影响减弱 ,变化规律不
明显 。 比较退化序列草地发现 ,在各层土壤中 ,有机质含量变化总趋势是 :随草地退化程度的加重 ,有机质含量下降 ;
同时 ,土壤有机质含量随深度增加而减少 ;在 0 ~ 20cm 土层 ,随着草地退化程度的加重 ,有机质含量依次下降 32畅6 %
和 52畅1 % 。土壤中全 N 、全 P含量变化趋势与有机质变化基本一致 ,全 K变化趋势不明显 。 中度 、重度退化草地与轻
度退化草地对比发现 ,速效氮含量分别下降 15畅1 %和 28畅6 % ,速效磷含量分别下降 25畅4 %和 59畅4 % 。利用围栏和翻耕措
施可以恢复退化草地的植被 ,提高土壤养分含量 。但翻耕后 ,土壤孔隙度和通透性增强 ,土壤的矿化作用和淋溶作用也增
强 ,导致了有机质的矿化损失和 NO3唱N淋溶损失 ,减少了土壤中 C的积累量 。同时 ,翻耕会破坏高寒草地固有的生草层 ,
使其下面的沙质基底成为草地沙化的主要物质来源 。建议在川西北亚高山区的人工草地建设中慎重选择翻耕措施 。
关键词   高寒草地   草地管理措施   草场退化梯度   土壤养分
Characteristics of soil nutrient distribution in high唱altitude meadow ecosystems with different management and degrada唱
tion scenarios .L IU Bing1 ,2 ,3 ,WU Ning1 ,LUO Peng1 ,TAO Yu唱Ping1 ,2 (1 .Chengdu Institute of Biology ,Chinese Acade唱
my of Sciences ,Chengdu 610041 ,China ;2 .Graduate University of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049 ,Chi唱
na ; 3 .College of Life Sciences ,Jilin Normal U niversity , Siping 136000 , China) ,CJEA ,2007 ,15(4) :45 ~ 48
Abstract   In tw o high f rigid meadow soil series of northwest Sichuan with different management and degeneration gradi唱
ents , distribution characteristics of different soil nutrien ts were analyzed for three soil layers (0 ~ 20cm ,20 ~ 40cm ,40 ~
60cm) . The influence of management t ype and degradation degree on high frigid meadow soils was then discussed .Re唱
sults show that soil organic mat ter , total nitrogen and phosphorus in natural pastures increase significantly after fencing
and tillage .At the same time ,available nitrogen and phosphorus contents increase remarkably .But the tendencies in 20 ~
40cm and 40 ~ 60cm soil depths show a lesser magnitude due to soil layer compaction .A steady decrease in organic con唱
ten t is observed with the increase of meadow degrading level .With increasing depths ,soil organic matter conten t decreas唱
es .Within the 0 ~ 20cm soil depth at increasingly aggravated degradation , soil organic conten t decreases by 32畅6 % and
52畅1 % .Changes in total nitrogen and phosphorus follow the above t rend of o rganic matter , while change in total potassi唱
um is largely insignificant . Comparison with lightly degraded meadow , moderately and heavily degraded meadows own
15畅1 % and 28畅6 % decreased available nitrogen , 25 .4 % and 59 .4 % decreased available phosphorus . After fencing ,
tillage ,vegetation rehabilitation is improved ,degraded land soil nut rient con tent increases .However , tillage enhances soil
penet ration , mineralization and eluviation , resulting in lose of soil organic mat ter and NO3唱N , subsequently reducing soil
carbon accumulation .Further more ,plowing destroys inheren t grass grow ing soil layer leading to sand唱bed becoming dom唱
inant degenerated meadow features . Thus , tillage measures should be applied prudentially in the sub唱alpine rangelands of
nor thwest Sichuan .
Key words   High f rigid meadow ,Grassland management ,Meadow degeneration gradients , Soil nu trient
(Received Oct .20 ,2005 ; revised Jan .29 ,2006)
第 15卷第 4 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .15   No .4
2 0 0 7 年 7 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture July ,  2007
    人类活动包括人类不同的土地利用方式和管理措施 ,不仅会直接导致自然植被发生相应变化 ,同时还
深刻影响着地下土壤生态系统的元素分布[9] 。 在青藏高原东缘的川西北高寒草地 ,由于近几十年来人类的
不合理开发利用 ,草地退化 、沙化状况十分严峻[1] 。 据报道 ,2000 年四川省草地退化面积达 703 万 hm2 ,占
可利用草原面积的 49 .7 % ,部分地区达到 100 % 。 沙化草原面积达 18 .8 万 hm2 ,占可利用草原的 1畅3 % ,并
以每年 1畅3 万 hm2 的速度扩张[2] 。 草场的退化使单位面积产草量比 20 世纪 60 年代初期平均下降 25 % ~
50 % [3] 。 为从草地管理和社会经济发展角度建立综合而系统的措施 ,以抑制高寒草地的整体退化趋势 ,从
1995 年以来川西北牧区相继实施了以草地承包为核心的建设工程 ,其中 ,围栏和人工草地建植是草地建设
中的两项重要内容 ,而春季翻耕往往又是人工草地建设中采取的重要技术措施之一 。 目前 ,这些技术措施
已被应用到西部绝大多数牧区开始实施的“退牧还草”工程当中 。 本文以四川省松潘县卡卡沟不同管理措
施和红原县不同退化梯度的高寒草地土壤为研究对象 ,分析了两个序列的高寒草地土壤养分状况及其变化
趋势 ,为制定科学的土地利用规划和进行生态系统的有效管理提供依据 。
1   研究区域概况与研究方法
四川省松潘县研究区域处于青藏高原东部高山峡谷区 ,气候形成受高原大地形影响 ,冬半年主要受来
自北方和高原的冷高压控制 ,下半年主要受来自低纬度的西南暖湿气流控制 ,气温变化快 ,昼夜温差大 。 取
样地点位于川西北松潘县卡卡沟 ,北纬 32°59′ ,东经 103°41′ ,海拔约 3400m 。 该区域次生的亚高山草甸被认
为主要是由于人为砍伐 、火烧和过度放牧形成的[4] ,是传统游牧中所用之冬场 。 当地年均气温为 2畅8 ℃ ,1
月份平均气温 - 7畅6 ℃ ,7 月份平均气温 11畅7 ℃ ,无绝对无霜期 , ≥ 10 ℃ 年积温 428畅6 ℃ ,年均降水量
717畅7mm ,且 80 % 集中在 5 ~ 10 月 。 研究区域内的成土母质为寒冻风化物和冰碛物 ,以山地暗棕壤为主 ,土
层较厚 ,自然肥力较高[5] 。 为比较不同管理措施对草地的影响 ,2001 年 9 月对部分放牧草地进行围栏封育 ;
2002 年 4 月开始 ,每年对部分草地进行深度翻耕 ,并建立起围栏 。 围栏草地和翻耕草地均无牲畜采食或人
工收刈 ,这样就建立起围栏草地 、天然放牧草地和翻耕草地的管理措施序列 。
表 1   研究地土壤与植被状况
Tab .1   Vegetation and soil characteristics of studied area
草地类别
T ype of pasture
地   点
Si te
海拔高度/m
Alt itude
容重 /g·cm - 3
Bulk densit y
pH 主要植物种类
M ain plant species
天然放牧草地 (A1) 松潘县 3428 1畅368 6畅45 丛生苔草 ( Care x caesp i fasa) 、腋花马
先蒿( Pe dicu laris ax i llaries) 、多茎委
陵菜( Poten t i lla lancinata)
围栏草地(A2) 松潘县 3418 1畅260 6畅23 光盘早熟禾 ( Poa elanata leng) 、腋花
马先蒿 ( Pedicu laris ax i llaries) 、多茎
委陵菜 ( Poten ti l la lancinata)
翻耕草地(A3) 松潘县 3416 1畅021 6畅38 四齿蚤缀 ( A re naria quadridentata) 、
腋花马先蒿 ( Pedicu laris axi l laries) 、
多茎委陵菜( Po ten ti lla lan cinata)
轻度退化草地(B1) 红原县 3493 1畅398 6畅42 长叶 火 绒 草 ( L eontopodium longi f li唱
u m) 、美丽凤毛菊 ( Saussurea superba)
中度退化草地(B2) 红原县 3508 1畅446 6畅51 美丽凤 毛菊 ( Saussur ea superba) 、四
川嵩草 ( Kobresia setchwanensis)
重度退化草地(B3) 红原县 3526 1畅521 6畅58 丛生 苔 草 ( Carex caesp i fasa ) 、狼 毒
( Stellera cha maej asme)
    四川省红原县研
究区域位于四川省草
原研究所建立的科技
园区内 ,该地海拔高度
平均为 3558m ,北纬
32°54′,东经 102°35′ 。
整个研究区域地势较
平坦 ,多年来都有牧
民进行放牧活动 。 按
走访当地牧民进行调
查并结合草场多年放
牧强度和地上植被情
况 ,选择梯度为轻度 、
中度 、重度退化的草
地作为不同退化梯度
序列草场进行研究 。
在松潘县和红原
县两个序列的每个草地样地选择有代表性地点随机挖取 3 个土壤剖面 ,剖面按 0 ~ 20cm 、20 ~ 40cm 、40 ~
60cm采集土壤样品 ,每个层面用环刀和保鲜袋取土(共 18 个剖面 ,162 个环刀样品) 。 每 3 个样品混合为 1
个样本 ,各样本测定其土壤有机质和全 N 、全 P 、全 K 含量 ;速效氮 、速效磷 、速效钾含量只测定 0 ~ 20cm 土
层 ,并测定土壤容重 、pH值 ;调查主要植物种类(优势种等 ,表 1) 。 在野外取样时 ,注意其成土母质 、地形(坡
向 ,坡度 ,微地形)等方面基本一致 。
土壤样品过 0畅5mm 筛 ,土壤有机质采用硫酸唱重铬酸钾法测定 ,全 N 采用半微量凯氏定氮法测定 ,土壤
全 P采用 NaOH熔融法测定 ,土壤全 K 采用原子吸收分光光度法测定 ,速效氮采用碱解扩散法测定 ,速效磷
46  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
采用钼锑抗比色法测定 ,速效钾采用原子吸收分光光度法测定 ,土壤容重采用环刀法测定 ,含水量采用烘干
法测定 ,pH值采用电位法(GB7859唱87)测定 。 应用统计软件 SPSS 对测定的数据进行单因素方差分析得出
标准偏差 ,判别是否有显著差异 ;对各种指标间进行多重相关分析 ,以说明两两之间的内在联系 。
2   结果与分析
2畅1   不同管理措施草地土壤有机质 、全 N 、全 P 、全 K含量比较
    比较各草地 0 ~ 20cm 土
层可以发现 ,围栏草地和翻耕
草地土壤有机质和全 N 、全 P
含量分别比天然放牧草地上升
63 % 、 59 % 、 16 % 和 48 % 、
46 % 、14 % ,翻耕草地比围栏草
地有机质含量下降 9畅7 % ,全
N 、全 P 含量差异不显著 ,全 K
含量以围栏草地最高 。 比较各
草地 20 ~ 40cm 土层可以发
现 ,围栏草地和翻耕草地土壤
有机质和全 N 、全 P 含量分别
比天然放牧草地上升 2 2 % 、
表 2   不同管理措施草地土壤有机质 、全 N 、全 P 、全 K含量 倡
Tab .2   Organic matter ,total N , total P , total K in soil of pastures under different managements
土层 /cm
Soil layer
样地
Sampling sit e
有机质 /g·kg - 1
Organic ma tt er
全 N/g·kg - 1
To tal N
全 P/g·kg - 1
To tal P
全 K/g·kg - 1
To tal K
0 ~ 20 围栏草地 109畅18 ± 2畅37a 5畅89 ± 0畅01a 2畅28 ± 0畅17a 17畅14 ± 0畅15a
翻耕草地 98畅60 ± 4畅03b 5畅42 ± 0畅02a 2畅24 ± 0畅07a 16畅51 ± 0畅25a
天然放牧草地 66畅78 ± 2畅94c 3畅71 ± 0畅23b 1畅96 ± 0畅02b 16畅63 ± 0畅41a
20 ~ 40 围栏草地 79畅24 ± 3畅08a 4畅68 ± 0畅36a 2畅12 ± 0畅13a 17畅54 ± 0畅24a
翻耕草地 75畅25 ± 0畅81b 4畅46 ± 0畅09a 2畅04 ± 0畅07b 17畅06 ± 0畅29a
天然放牧草地 65畅10 ± 5畅92b 3畅63 ± 0畅12b 1畅86 ± 0畅01c 16畅63 ± 0畅54b
40 ~ 60 围栏草地 46畅08 ± 2畅37a 2畅49 ± 0畅84a 1畅03 ± 0畅08a 16畅04 ± 0畅43a
翻耕草地 44畅58 ± 3畅45a 2畅87 ± 0畅75a 1畅05 ± 0畅05a 15畅80 ± 0畅45a
天然放牧草地 40畅80 ± 0畅49a 3畅01 ± 0畅11a 0畅95 ± 0畅06a 15畅82 ± 0畅47a
    倡 表中值为平均值 ± 标准偏差 ,相同字母表示无显著差异( P < 0畅05) ,下同 。
29 % 、14 % 和 16 % 、23 % 、10 % ,全 K 含量以围栏草地最高 ,翻耕草地次之 ,天然放牧草地最低 。 翻耕草地与
围栏草地各元素含量差异不显著 。 比较各草地 40 ~ 60cm 土层可以发现 ,各元素含量变化似乎与草地管理
措施并无必然联系 ,这是由于该层处于土壤深层 ,受植被的影响相对较弱的原因(表 2) 。
2畅2   不同管理措施草地土壤速效氮 、磷 、钾含量比较
表 3   不同管理措施草地土壤速效氮 、磷 、钾含量
Tab .3   Available N ,P and K in soil of pastures under differen t managements
土层/cm
Soil laye r
样地
Sampling site
速效氮 /mg·kg - 1
Availab le N
速效磷/mg·kg - 1
Available P
速效钾 /mg·kg - 1
Available K
0 ~ 20 围栏草地 451畅37 ± 25畅76a 25畅87 ± 0畅68a 219畅06 ± 19畅71a
翻耕草地 410畅67 ± 10畅50b 22畅23 ± 1畅52a 195畅82 ± 14畅18a
天然放牧草地 302畅97 ± 1畅28c 19畅85 ± 1畅39b 198畅59 ± 23畅50a
    比较围栏草地和翻耕草地可以
发现 ,前者比后者速效氮含量上升
9畅9 % ,速效磷含量上升 16畅4 % ,速效
钾含量上升 11畅9 % 。 围栏草地和翻
耕草地与天然放牧草地对比发现 ,前
二者的土壤速效氮和速效磷含量
均显著高于后者 ,分别上升49畅0 % 、
30畅3 % 和 35畅5 % 、12畅0 % 。 同时 ,围栏草地速效钾含量比天然放牧草地上升 10畅3 % ,翻耕草地比天然放牧草
地速效钾含量略有下降(表 3) 。
2畅3   不同退化梯度草地土壤有机质 、全 N 、全 P 、全 K含量比较
    在各层土壤中 ,有机质含量
变化总趋势是 :在横向上 ,随草地
退化程度的加深 ,有机质含量依
次下降 ;在 0 ~ 20cm土层中 ,中度 、
重度退化草地与轻度退化草地相
比 ,有机质 、全 N 和全 P含量分别
下 降 32畅6 % 、52畅1 % ,14畅1 % 、
30畅9 % 和 23畅8 % 、46畅0 % ,全 K
含量以轻度退化草地最高 。 在
20 ~ 40cm 土层中 ,中度 、重度退
化草地与轻度退化草地相比 ,有
机质 、全 N 和全 P 含量分别下降
10畅0 % 、38畅0 % ,11畅7 % 、55畅6 %
表 4   不同退化梯度草地土壤有机质 、全 N 、全 P 、全 K含量
Tab .4   Organic matter , total N , total P , total K in soil of pastures
in differen t stages of grassland deterioration
土层 /cm
Soil laye r
样地
Sampling si te
有机质 /g·kg - 1
Organic mat te r
全 N/g·kg - 1
T ot al N
全 P/g·kg - 1
To tal P
全 K/g·kg - 1
To tal K
0 ~ 20 轻度退化草地 68畅48 ± 1畅97a 3畅82 ± 0畅41a 1畅89 ± 0畅10a 11畅00 ± 0畅54a
中度退化草地 46畅13 ± 2畅02b 3畅28 ± 0畅10b 1畅44 ± 0畅10b 10畅18 ± 1畅12a
重度退化草地 32畅77 ± 2畅18c 2畅64 ± 0畅63c 1畅02 ± 0畅21c 10畅76 ± 1畅03a
20 ~ 40 轻度退化草地 45畅75 ± 1畅45a 3畅67 ± 0畅64a 1畅33 ± 0畅13a 10畅11 ± 0畅56a
中度退化草地 41畅18 ± 1畅97a 3畅24 ± 0畅13a 1畅26 ± 0畅10a 11畅08 ± 0畅86a
重度退化草地 28畅38 ± 3畅11b 1畅63 ± 0畅11b 0畅67 ± 0畅10b 14畅15 ± 0畅49b
40 ~ 60 轻度退化草地 13畅89 ± 0畅31a 2畅47 ± 0畅64a 1畅09 ± 0畅23a 9畅14 ± 1畅77a
中度退化草地 7畅67 ± 0畅61b 1畅57 ± 0畅65b 0畅81 ± 0畅30a 8畅68 ± 0畅73a
重度退化草地 7畅35 ± 0畅30b 0畅84 ± 0畅17b 0畅51 ± 0畅10a 9畅28 ± 0畅85a
第 4期 刘   兵等 :草场管理措施及退化程度对土壤养分含量变化的影响 47 
和 5畅3 % 、49畅6 % ,全 K 含量以重度退化草地最高 。 在 40 ~ 60cm 土层中 ,中度 、重度退化草地与轻度退化草
地相比 ,有机质 、全 N 和全 P含量分别下降 44畅8 % 、47畅1 % ,36畅4 % 、66畅0 % 和 25畅7 % 、53畅2 % ,全 K 含量以
重度退化草地最高(表 4) 。
2畅4   不同退化梯度草地土壤速效氮 、磷 、钾含量比较
表 5   不同退化梯度草地土壤速效氮 、磷 、钾含量
Tab .5   Available N , P and K in soil of pastures in differen t stages
of grassland deterioration
土层/cm
Soil laye r
样地
Sampling site
速效氮 /mg· kg - 1
Available N
速效磷 /mg·kg - 1
Availab le P
速效钾/mg·kg - 1
Availab le K
0 ~ 20 轻度退化草地 399畅02 ± 37畅81a 12畅50 ± 3畅19a 142畅32 ± 8畅91a
中度退化草地 338畅80 ± 10畅19b 9畅33 ± 1畅50b 102畅31 ± 9畅16c
重度退化草地 284畅90 ± 55畅03c 5畅08 ± 1畅63c 123畅76 ± 11畅23b
    0 ~ 20cm 土层中度 、重度退化草地
比轻度退化草地土壤速效氮含量分别下
降 15畅1 % 和 28畅6 % ,速效磷含量分别下
降 25畅4 % 和 59畅4 % ,速效钾含量分别下
降 28畅1 % 和 13畅0 % 。 在 0 ~ 20cm 土层
土壤中 ,重度退化草地比轻度退化草地
土壤速效钾含量下降 13畅0 % ,但比中度
退化草地土壤速效钾含量提高 21畅0 % ,
这可能与全 K 淋溶沉降 ,受成土母质影响 ,或和重度退化草地生物消耗速效钾较少有关(表 5)[6] 。
2畅5   0 ~ 20cm土层土壤有机质与全 N 、全 P 、全 K及速效氮 、磷 、钾含量的相关性
在不同管理措施草地和不同退化梯度草地中 ,均表现出土壤有机质含量与土壤全 N 、全 P和速效氮 、磷
呈明显正相关 ,而与全 K 和速效钾相关程度较低 。 在不同管理措施草地中土壤全 N 含量与全 P含量呈明显
正相关( R0 ~ 20 cm = 0畅854) ,速效氮含量与速效磷含量也呈明显正相关( R0 ~ 20 cm = 0畅886) 。 在不同退化梯度
草地中土壤全 N 含量与全 P 含量呈明显正相关( R0 ~ 20cm = 0畅941) ,速效氮含量与速效磷含量也呈明显正相
关( R0 ~ 20cm = 0畅953) ,而二者均与速效钾相关性较低 。
3   小结与讨论
研究表明随草地退化程度加重 ,地上生物量递减 ,土壤有机质 、全 N 、全 P 以及速效氮和速效磷含量均
呈下降趋势 。 同时 ,草场退化 、沙化使表层土壤容重上升 ,富含有机质的粉粒和黏粒被吹蚀而减少 ,土壤砂
粒增加 。 高寒草地固有的生草层破坏 ,下层沙质基底全部或部分暴露 。 因此 ,在川西北亚高山草场应该大
力控制单位草场的载畜量 ,合理利用草场 ,同时 ,应大力发展人工草场建设 。 退化草场的围栏封育和围栏翻
耕是增加草场地上生物量和土壤中各种养分元素含量的有效方法 。 但草地翻耕后 ,伴随草地土壤的疏松 ,
有机质常常被吹蚀 ,N 、P 养分随之损失 ;围栏能消除人为的干扰 ,养分处于一种封闭式的循环中 ,会达到一
种稳定的平衡 。 随着植物的恢复 ,植被降低风速的功能使部分富含营养的风蚀细颗粒和降尘被截获 ,其覆
盖作用不仅使表层土壤免遭风蚀[7] ,也为地上植被提供更多的养分 。 同时考虑到翻耕后土壤有机质的矿化
损失[10]和NO3唱N 淋溶损失以及翻耕后生草层破坏 ,沙质基底可能成为草地沙化的主要物质来源[8] 。 因此 ,
退化草场恢复时 ,应采取草地的围栏封育而慎重选择翻耕措施 。
参   考   文   献
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48  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷