高志香, 梁德飛, 李宏林, 李希來,

無紡布對不同坡度高寒退化草甸地上植被和土壤理化特征的影響

高志香1, 梁德飛2, *, 李宏林2, 李希來1, 2

1. 青海大學農(nóng)牧學院, 西寧 810016 2. 青海大學省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室, 西寧 810016

當前三江源區(qū)高寒草甸在氣候變化和人類活動作用下已經(jīng)大面積退化。由于該區(qū)域地勢復(fù)雜, 除灘地之外, 不同坡度的退化草地治理技術(shù)研究亟待加強。針對退化草地恢復(fù)已有大量研究, 然而對草地干擾相對較低的無紡布覆蓋技術(shù)研究薄弱?；谝陨? 在三江源區(qū)不同坡度的高寒退化草甸通過鋪設(shè)無紡布, 來探討無紡布對不同坡度退化草地植被及土壤理化性質(zhì)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn): 緩坡地地上生物量、植被高度、土壤水分顯著低于陡坡地; 無紡布覆蓋能顯著提升植被地上生物量、蓋度、物種分蓋度和、含水量以及碳、氮積累; 且對緩坡地植被地上生物量、物種分蓋度和及土壤水分的促進幅度更大。因此無紡布覆蓋對植被及土壤提升效應(yīng)說明這是一項適宜于高寒退化草甸的恢復(fù)技術(shù), 特別對水熱條件相對較差的緩坡退化草地治理中, 此項技術(shù)適宜推廣。

無紡布; 地上植被; 土壤理化; 緩坡陡坡; 高寒退化草甸

0 前言

近年來, 氣候變化和人類活動干擾導(dǎo)致三江源區(qū)高寒草甸出現(xiàn)大面積退化[1-3],不僅限制區(qū)域畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展, 也威脅我國大部分區(qū)域生態(tài)安全,因此高寒區(qū)退化草地的恢復(fù)治理迫在眉睫[4]。

高寒、低氧的嚴酷環(huán)境決定了高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的脆弱及難以恢復(fù)性[5], 因而對退化草地進行適度的人工干預(yù)促進恢復(fù)是必要措施。先前廣泛應(yīng)用于退化草地恢復(fù)的施肥、播種、圍欄封育等各種措施中[6-7], 無紡布技術(shù)對退化草地恢復(fù)的研究相對匱乏。牧草返青期是植被生長最關(guān)鍵階段[8], 在此時進行無紡布覆蓋有助于土壤保水保墑, 降低土壤溫濕度波動; 還能保障種子萌發(fā)所需的水熱條件, 促進土壤種子庫的萌發(fā)[9-10]; 也有助于促進牧草建植, 提升牧草營養(yǎng)的可利用性[11], 以及退化草地的恢復(fù)力。同時, 無紡布易降解(一般在鋪設(shè)25天后能完全降解)[12], 成本低廉(21元·畝), 覆蓋于地表對草地的干擾較低, 有較大的推廣潛力。而先前關(guān)于無紡布的研究大多集中于育苗、草坪管理等方面[13], 在高寒區(qū)草地退化治理中的研究報道極少。

青藏高原三江源區(qū)地形復(fù)雜, 草地分布坡度差異很大, 且大部分高寒草地分布在7°以上坡地。其中緩坡地(7°≤坡度＜25°)占高寒草甸總面積的35%, 陡坡地(坡度≥25°)占總面積的7%。受氣候、土壤理化特征等因素影響, 坡地植物群落的退化驅(qū)動因子以及對干擾的響應(yīng)等可能不同于灘地。然而以往研究多集中于小范圍的灘地和坡度小于7°的草地, 而對大于7°的緩坡地和陡坡地很少涉及[14]。

本研究在三江源區(qū)高寒退化草甸進行無紡布鋪設(shè)來探討對不同坡度(陡坡地和緩坡地)地上植被和土壤理化特征的影響, 為區(qū)域退化草地的恢復(fù)治理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地概述

研究樣地位于青海省果洛藏族自治州瑪沁縣大武鎮(zhèn)(北緯34°25￠20.41￠￠, 東經(jīng)100°19￠55.72￠￠, 海拔3768 m)。樣地坡面朝向西偏北12.3°, 其中陡坡地平均坡度28°, 緩坡地平均坡度10°; 年均溫-3.9 ℃, 年均降水量528.8 mm, 多集中與生長季6—9月, 年均蒸發(fā)量2471.6 mm, 無絕對無霜期; 該區(qū)域為典型高寒草甸植被, 由于過度放牧及氣候變化等干擾至中度退化[15], 天然草地優(yōu)勢種矮生嵩草(), 高山嵩草(), 垂穗披堿草(), 草地早熟禾()逐漸為伏毛鐵棒錘(), 黃帚橐吾()等毒雜草所替代, 且伴有裸斑地, 土壤為高山草甸土。

1.2 實驗設(shè)計和樣品采集

2018年5月初(牧草返青期), 在高寒退化草甸陡坡地和緩坡地分別圍封100×100 m樣地, 在其中隨機選取8個10 m×10 m樣地, 保證樣地間距大于3 m。其中4個樣地用一次性筷子將無紡布(規(guī)格: 20 g·m2)固定于地表, 設(shè)置為無紡布處理, 另外4個不做處理作為自然對照。無紡布鋪設(shè)方向與坡向一致, 以降低風吹雨刷被破壞的風險。樣地處理布置完成后, 在所有16個樣地的地下10 cm處放置溫、濕度觀測探頭(HOBO Pro, 美國), 連續(xù)監(jiān)測無紡布降解前各處理的土壤溫、濕度變化, 數(shù)據(jù)記錄時間間隔1 h。無紡布鋪設(shè)完成25 d后, 將未完全降解的無紡布人工去除。

2018年8月底(生長旺盛期), 在各處理樣地中隨機選取50 cm×50 cm樣方進行植被調(diào)查, 共需調(diào)查樣方16個。記錄樣方中出現(xiàn)的物種，確定物種豐富度, 目測法估測樣方所出現(xiàn)物種的垂直投影面積以確定植被總蓋度以及各物種的分蓋度[16], 同時測量樣方中所出現(xiàn)物種的高度(隨機重復(fù)3次)。樣方調(diào)查結(jié)束后, 將樣方內(nèi)地上部分齊地表剪下, 帶回實驗室60 ℃烘干48 h稱重測定地上生物量(精確至0.0001 g)。并在每個樣地中“S”型隨機選點3個, 每個點用土鉆取0—10 cm的表層土壤3次并混勻, 共需采集土壤樣品48個。土壤樣品帶回實驗室進行碳、氮、磷測定: 土壤碳利用TOC儀進行測定(島津-日本), 土壤全氮、全磷經(jīng)濃硫酸+催化劑消煮后利用流動注射分析儀測定(SEAL A++, 德國)[17-18]。

1.3 統(tǒng)計分析

雙因素方差分析(ANOVA)檢驗無紡布覆蓋和坡度對植被特征及土壤理化的影響, 隨后用LSD法進行兩兩比較檢驗不同處理間的差異。SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析, Origin Pro中完成作圖, 顯著性水平<0.05。

2 結(jié)果分析

2.1 無紡布對不同坡度地上植被的影響

不同坡度間地上生物量差異顯著(表1): 陡坡地樣方內(nèi)平均地上生物量112.75 g, 顯著高于緩坡地70.27 g(圖1A); 同時無紡布覆蓋能顯著促進緩坡地植被地上生物量, 增大幅度32.95 g, 而對陡坡地地上生物量沒有顯著影響; 因此無紡布覆蓋通過與坡度交互影響植被地上生物量(表1)。與地上生物量相似, 陡坡地植被平均高度16.63 cm, 顯著高于緩坡地9.5 cm(圖1B); 同時無紡布覆蓋能顯著提高緩坡地植被高度, 比對照高度增加了6.08 cm(圖1B), 然而無紡布覆蓋對陡坡地植被高度沒有顯著影響, 說明無紡布與坡度對植被高度存在顯著的交互作用(表1)。與地上生物量和植被高度不一致的是, 樣地植被平均蓋度86.63%, 平均物種分蓋度之和93.45%, 且在不同坡度間沒有顯著差異(表1)。而無紡布覆蓋能顯著影響植被蓋度及物種分蓋度(表1): 無紡布覆蓋后, 緩坡地植被蓋度升高9.25%, 顯著高于對照, 而陡坡地植被蓋度升高5.75%, 與對照差異不顯著(圖1C); 無紡布覆蓋使得緩坡地物種分蓋度之和升高43.03%, 陡坡地升高21.2%(圖1D), 無紡布覆蓋對緩坡地的促進幅度顯著高于陡坡地, 因此與不同坡度存在顯著的交互作用改變物種分蓋度之和(表1)。另外, 實驗樣地平均物種豐富度22.36, 在本實驗時間內(nèi), 坡度和無紡布處理以及二者相互作用都對其沒有顯著影響(表1)。

樣方面積0.25 m2?；疑硎緹o紡布覆蓋, 無色表示對照。不同小寫字母代表相同坡度下處理間差異顯著。不同大寫字母表示不同坡度間差異顯著。誤差棒表示平均值±標準誤(n=4)

Figure 1 The effect of non-woven fabric on above-ground biomass (A), height (B), coverage (C) and sum of species coverage (D) in steep and gentle slope

表1 雙因素方差分析無紡布和坡度對高寒退化草甸地上植被特征的影響。

更重要的是, 所有實驗監(jiān)測植被特征中, 坡度對植被地上生物量影響最大(F=23.756), 陡坡和緩坡間差異達到極顯著(<0.001, 表1); 無紡布處理對植被物種分蓋度之和影響最大(F=67.534), 達到了極顯著水平(<0.001), 其次是地上生物量, 植被總蓋度和高度(表1); 無紡布覆蓋和坡度的交互作用對植被高度的影響最大(F=8.571), 其次是物種分蓋度之和, 地上生物量。

2.2 無紡布對不同坡度土壤理化的影響

緩坡地土壤溫度9.76 ℃, 略高于陡坡地8.85 ℃, 但坡度間土壤溫度沒有顯著差異(表2)。無紡布覆蓋能顯著影響土壤溫度(表2), 表現(xiàn)為在緩坡地土壤平均溫度升高1.91 ℃, 陡坡地升高1.23 ℃(圖3A)。無紡布覆蓋還能降低土壤溫度的波動幅度, 陡坡地最大溫差從對照的8.10 ℃下降至無紡布覆蓋的6.20 ℃; 緩坡地土壤溫差從對照的10.87 ℃下降至無紡布覆蓋的6.47 ℃(圖2A); 無紡布覆蓋對溫度波動的穩(wěn)定效應(yīng)在溫度波動較大的緩坡地更明顯(圖2A)。

坡度間土壤水分差異顯著(表2), 陡坡地平均土壤水分51.79%, 顯著高于緩坡地41.54%(圖3B)。無紡布覆蓋能顯著提升土壤水分含量(圖3B), 且與坡度存在顯著的交互作用(表2): 表現(xiàn)在無紡布覆蓋后緩坡地土壤水分升高19.12%, 高于陡坡地的12.04%(圖3B)。與土壤溫度相似, 無紡布覆蓋能降低土壤水分的波動: 表現(xiàn)為陡坡地土壤水分的最大差值從對照的23.23%下降至無紡布覆蓋后的9.53%,緩坡地土壤水分最大差值從18.13%下降至無紡布覆蓋的6.27%(圖2B)。

圖2 無紡布覆蓋后25 d內(nèi)平均土壤溫度(A)和土壤水分(B)的日變化。

Figure 2 Change of the average soil temperature (A) and soil moisture (B) after non-woven coverage 25 days

灰色表示無紡布覆蓋, 無色表示對照。不同小寫字母代表相同坡度下處理間差異顯著。不同大寫字母表示不同坡度間差異顯著。誤差棒表示平均值±標準誤(n=4)

Figure 3 The effect of non-woven fabric on soil temperature (A), soil water (B), the content of soil carbon (C) and soil nitrogen (D) in Steep and gentle slope

表2 雙因素方差分析無紡布和坡度高寒退化草甸土壤特征的影響

不同坡度退化草地土壤碳、氮、磷含量沒有顯著差異(表2)。無紡布覆蓋顯著影響土壤碳、氮含量(表2), 表現(xiàn)為無紡布覆蓋后土壤碳含量在陡坡地從44.44%上升至52.87%, 在緩坡地從46.09%上升至53.15%(圖3C); 同時土壤氮含量在陡坡地從2.61 mg·g-1上升至3.83 mg·g-1, 在緩坡地從2.81 mg·g-1上升至3.67 mg·g-1(圖3D); 無紡布覆蓋和坡度對土壤碳、氮含量沒有顯著交互作用(表2)。與土壤碳、氮變化不一致的是, 樣地平均土壤磷含量0.46 mg·g-1, 在不同坡度間沒有顯著差異, 且對無紡布覆蓋沒有顯著響應(yīng)(表2)。

同時, 無紡布處理對土壤水分的提升效應(yīng)最大(F=164.486), 其次是土壤氮含量, 碳含量以及土壤溫度(表2)。

3 討論

研究樣地坡向西偏北12.3°, 屬陰坡朝向, 能接受的陽光輻射更少, 因此蒸騰散更低的陡坡地土壤溫度較低而水分相對豐富。植物生長水分限制被緩解, 從而初級生產(chǎn)力更高, 長勢更好[19]。尤其是群落中水分利用效率較低的雜草類群[20], 如黃帚橐吾、刺參植株較大, 且生物量及高度更高, 因此在水分條件較好的陡坡地更適宜于其生長, 可以進一步提升陡坡地平均地上生物量及植被高度(圖1A, B)。

無紡布具有防潮, 隔熱以及透氣等性能[21], 鋪設(shè)于地表阻隔了大氣與土壤的直接接觸, 這種類似于凋落物沉積的緩沖作用不僅能延緩氣溫的劇烈變化對土壤過程的負影響, 也能減少土壤水分的蒸騰散失[22], 因此無紡布覆蓋能適度提升土壤溫濕度, 并使之維持在相對穩(wěn)定的水平(圖2, 圖3A, B)。更重要的是, 在蒸騰散更大, 土壤水分更匱乏的緩坡地, 無紡布覆蓋對土壤含水量的提升幅度更大(圖1B)。無紡布對土壤溫濕度的正效應(yīng)有益于土壤微生物活動[23]。土壤溫濕度的提升以及維持穩(wěn)定的范圍有助于促進土壤微生物代謝水平, 利于微生物多樣性增加, 也有利于胞外酶活性的升高[24]。如參與土壤碳積累的葡萄糖苷酶活性隨土壤溫度(一定范圍內(nèi))升高, 以及環(huán)境穩(wěn)定性的升高而升高[25], 從而不論在陡坡、緩坡, 無紡布覆蓋亦能促進土壤碳積累(圖3C)。微生物作用的土壤碳積累增多, 緩解微生物生產(chǎn)脲酶、蛋白酶的碳限制[26], 從而協(xié)同促進土壤氮含量的提升(圖3D)。大量研究表明土壤養(yǎng)分匱乏是導(dǎo)致高寒草甸大面積退化的關(guān)鍵因素[27], 因此無紡布覆蓋不僅僅改善土壤溫濕度等微生境, 還能通過促進土壤養(yǎng)分過程(碳、氮積累)而延緩草地退化。另外, 與土壤碳氮表現(xiàn)不一致的是, 無紡布覆蓋對土壤磷動態(tài)沒有顯著影響, 可能是由于相對于氮, 生態(tài)系統(tǒng)磷循環(huán)相對封閉, 磷元素不是此區(qū)域的限制因素[28-29]。

生態(tài)系統(tǒng)地上-地下過程相互作用, 相互反饋[30], 因此無紡布調(diào)控的土壤理化進程進一步改變地上植被特征(表1)。地上生物量及物種分蓋度之和因無紡布的覆蓋而顯著增高, 且在水熱波動較大的緩坡地, 無紡布對地上生物量和物種分蓋度和的提升效應(yīng)更大。其原因是無紡布覆蓋后形成的更穩(wěn)定、波動更小的溫濕度環(huán)境不僅僅在整體上促進植物生長, 而且直接促進生物量增加[31]; 也能顯著促進禾本科類群(披堿草、冷地早熟禾等)簇生營養(yǎng)葉片的生長[32], 這種生長使群落葉片重疊面積增大, 因此無紡布覆蓋后物種分蓋度之和在緩坡地上升幅度更大。促進禾本科類群的生長, 有助于草甸層的穩(wěn)定而減緩草甸裸斑地的擴散[33]。同時, 本研究所選樣地均為中度退化草地, 植被特征相似的同時伴生著相近面積的裸斑地, 牧草返青期進行無紡布覆蓋的適宜微生境條件有利于土壤種子庫的萌發(fā)建植, 從而延緩?fù)嘶莸芈惆叩氐臄U散, 促進了草地的恢復(fù)[34]。同時, 無紡布覆蓋能增高緩坡地植被高度卻對陡坡地植被高度沒有影響, 甚至表現(xiàn)出降低的趨勢(圖1B), 這種此消彼長過程導(dǎo)致無紡布覆蓋對植被平均高度沒有顯著影響, 但能和坡度交互影響植被高度(表1)。其原因可能是無紡布覆蓋增大禾草類群簇生營養(yǎng)葉片的同時, 降低了對其莖稈及種子等繁殖體能量分配。雖然涉及此過程的潛在機理尚需進一步深入探討, 然而無紡布覆蓋通過限制禾本科類群的莖稈生長而降低了植被平均高度[35]。同時植被高度的提升能有效的限制草地嚙齒動物的種群擴散[36], 從而間接的促進退化高寒草地的恢復(fù)[37]。另外, 物種的競爭、建植、生態(tài)位建立等過程所需時間較長[38], 即便在無紡布覆蓋的人工干預(yù)下, 因此在不同坡度間和處理間植被物種豐富度沒有顯著差異(表1), 尚需延長觀測時間, 持續(xù)監(jiān)測不同坡度條件下植被演替動態(tài)。

綜上所述, 無紡布覆蓋通過提升土壤理化性質(zhì)而有益于退化草地地上植被生長而促進了高寒退化草甸的恢復(fù)。更重要的是, 無紡布覆蓋在顯著提升緩坡退化草甸土壤溫濕度水平的同時有助于穩(wěn)定植被生長的土壤微環(huán)境, 從而促進植被生長, 因此是一項適宜于高寒退化草地的恢復(fù)技術(shù), 特別是對水分等立地條件更差的緩坡退化草甸。

4 結(jié)論

在青藏高原高寒退化草甸, 無紡布覆蓋有助于土壤保水保墑, 并能促進土壤碳氮積累, 從而通過改善系統(tǒng)地上-地下反饋過程而促進植被地上生物量, 植被高度及蓋度的增高。因此牧草返青季鋪設(shè)無紡布能有效的延緩高寒草地退化, 特別在蒸騰散、水分限制更大的緩坡草地, 是一項較有效、經(jīng)濟的恢復(fù)措施。

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Effect of non-woven fabric coverage on plant vegetation and soil characteristics of steep-gentle slope degraded grassland in Qinghai-Tibet Plateau

GAO Zhixiang1, LIANG Defei2,*, LI Honglin2, LI Xilai1

1. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining 810016, China 2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China

In recent years, climate change and human activities have aggravated the degradation of alpine meadow in Qinghai Tibetan, in which had the characteristic of complex terrain and large slope span. Multiple restoration measures for degraded grassland were set in this area. Among these methods, the technology of relatively low interference to grassland- non woven fabric coverage could reduce the loss of water, and stabilize the fluctuation of soil temperature, which was more widely used in restoration of degraded grassland. However, the research for this technology was rare in alpine degraded meadow, especially on the habitat of different slopes. The study tested the effect of non-woven fabric coverage on the plant vegetation and soil physicochemical characteristics of alpine degraded meadow in gentle and steep slope. The result suggested that the plant above-ground biomass, average height, and the content of soil water in gentle slope were lower than in steep slope. Moreover, above-ground biomass, vegetation coverage, the sum of species coverage, soil water, and the content of soil carbon and nitrogen were promoted on non-woven fabric coverage. The interaction between non-woven fabric and slope significantly promoted the plant above-ground biomass, the sum of species coverage and the content of soil water, and the magnitude of positive effect was higher in gentle slope. These findings suggested that the non-woven fabric coverage was a suitable way for restoration of alpine degraded meadow, especially in gentle slope.

non-woven fabric; plant vegetation; soil characteristics; gentle and steep slope; degraded alpine meadow.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.002

S812.3

A

1008-8873(2021)05-008-08

2016-01-05;

2016-06-27

國家自然科學基金(31901380); 青海省自然科學基金(2018-ZJ-969Q)

高志香(1996—), 女, 青海湟中人, 碩士研究生, E-mail: 2047581599@qq.com

通信作者:梁德飛, 男, 講師, E-mail: liangdefei-go@163.com

高志香, 梁德飛, 李宏林, 等. 無紡布對不同坡度高寒退化草甸地上植被和土壤理化特征的影響[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(5): 8-15.

GAO Zhixiang, LIANG Defei, LI Honglin, et al. Effect of Non-woven fabric coverage on plant vegetation and soil characteristics of Steep-Gentle slope degraded grassland in Qinghai-Tibet Plateau[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 8-15.