藏西沙化草地根系分布与土壤理化性质的关系

2021-04-16周启龙

水土保持通报 2021年1期

周启龙

(省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室/西藏自治区农牧科学院草业科学研究所, 西藏拉萨 850000)

草地沙化是指受人为干扰或者自然条件的变化影响，使草地生产力降低，土壤受到侵蚀，最终导致土质沙化，土壤含水量降低，营养物质流失，致使原非沙漠地区的草地，出现以风沙活动为主的类似沙漠景观的草地退化过程[1]。阿里地区位于西藏自治区西北部，毗邻新疆维吾尔自治区，是世界上海拔最高的高原，素有世界屋脊之称。阿里地区降雨少、温度低，这导致草原沙化风险要高于其他地区，阿里地区目前草地沙化面积为5.01×105hm2，占阿里草原总面积的1.98%，占西藏自治区草原沙化面积的25.28%[2]，是西藏自治区沙化最严重的地区。植物根系是草地植被碳积蓄的重要组成部分[3]，是联系地上、地下生态系统的重要纽带[4]，准确测定植物根系是确定草地植被碳源汇功能的基础[5]。同时根系作为植物重要的营养器官之一，是能量传递最活跃的部位[6]。因此，开展根系的分布规律与土壤环境的相互关系的研究具有重要的科学意义[7]。目前关于根系与土壤环境的关系的研究已有很多报道，王长庭等[8]对不同放牧梯度下高寒小嵩草草甸植被根系和土壤理化特征的变化进行研究，结果表明不同放牧梯度下植被根系与土壤理化性质存在一定的相关性；韦兰英等[9]对黄土高原不同演替阶段草地植被细根与土壤环境的关系进行研究，结果表明根系与土壤环境因子之间存在不同程度的相关关系。但目前仍没有关于藏西沙化草地根系与土壤环境关系的报道。为此，本文针对阿里地区不同沙化程度草地，通过地面样地调查分析地下生物量的分布格局，探讨地下生物量与土壤理化性质的关系，以期为藏西草地沙化的治理和理解草原物质循环提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于西藏自治区阿里地区噶尔县(79°07′—81°10′E，30°17′—30°58′N)。噶尔县全年平均气温在0.5 ℃左右。其中，7月份最高，为13.8 ℃；最冷月均出现在1月，气温为-12.7 ℃。每年除7，8两个月份外，其他月份都有不同程度的霜冻出现。年降水量73 mm。昼夜温差相当大，气温随海拔高度呈垂直变化。受降雨量和海拔影响，噶尔县主要草地类型为高寒草原和高寒荒漠草原类，分别占噶尔县全县草原面积的50.1%和28.75%。

1.2 样地设计

采样地点位于噶尔县向西20 km处，采样时间为8月植被生长盛期。样地以河边的高寒沼泽草甸为基准点，该处草地向北方沙化，根据盖度和物种变化确定沙化程度，以未退化的高寒沼泽草甸为对照样地，用GPS定位经纬度和海拔信息，并记录样地环境、植被物种情况等信息，不同样地特征见表1。

表1 藏西不同沙化程度草地基本状况

1.3 取样方法

2019年8月，在每个沙化程度草地处理下设置50 m×50 m大样方，在每个大样方里按照S型取5个点。为了更好的取根，本研究采用挖掘法，在每个点取20 cm×20 cm×5 cm土块，分3层采集装袋带回室内。将土过0.25 mm筛，取根洗净后晾干，放入烘箱内105 ℃杀青20 min，在65 ℃下烘干至恒重，称取地下生物量。

在每个点用土钻取土3次后分土层混合，取出石头、根系等杂质，风干后测定土壤理化性质。每个点取部分土样称取鲜重，取回室内后放入烘箱内105 ℃烘干至恒重后称取干重，计算土壤含水量。土壤容重采用环刀法；pH值采用电位法；土壤有机碳采用重铬酸钾容量法；土壤全氮采用凯氏定氮法；土壤有效氮测定采用碱解扩散法；全磷的测定采用钼锑抗分光光度法；土壤速效磷用钼锑抗比色法进行测量[10]。

1.4 数据处理

应用Excel 2010对数据进行处理和作图，应用统计分析软件spss19.0进行显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同沙化程度的根系的分布状况

不同沙化程度的根系分布状况不同(见表2)，随着沙化程度的加剧，根系含量呈下降趋势，高寒沼泽草甸10—15 cm土层的根系含量最高，为1.25 kg/m2，重度沙化5—10 cm土层根系含量最低，为0.15 kg/m2。未沙化草地与沼泽草地在0—5 cm土层根系含量差异不显著。不同土层间存在显著差异(p<0.05)。未沙化与轻度沙化草地0—5 cm土层根系含量显著高于5—10 cm和10—15 cm，后两者差异不显著。根系分布在中度沙化草地与重度沙化草地土层间差异不显著。

表2 藏西不同沙化程度草地根系分布状况

2.2 土壤的物理性质

不同沙化程度草地土壤的物理性质不同(见表3)，随着沙化程度的加剧，pH值呈先升高后降低的趋势，其中轻度沙化草地的pH值最高，高寒沼泽草甸的pH值最低，不同沙化程度草地间差异显著(p<0.05)。高寒沼泽草甸和未沙化草地随着土层的加深pH值呈下降趋势，轻度沙化、中度沙化和重度沙化不同土层间pH值差异不显著。高寒沼泽草甸土壤含水量0—5 cm土层与5—10 cm土层显著高于10—15 cm土层，其他不同沙化草地不同土层间含水量差异不显著，随着沙化程度的加深，土壤含水量逐渐降低，且差异显著。轻度沙化10—15 cm土层容重显著高于0—5 cm土层，其他不同沙化草地不同土层间容重差异不显著，随着沙化程度的加剧，土壤容重不断增大，且差异显著。

表3 藏西不同沙化程度草地土壤物理性质

2.3 土壤的化学性质

不同沙化程度的土壤化学性质不同(见表4)。有机质、全氮、碱解氮整体随着沙化程度的加剧不断降低，不同沙化程度间差异显著(p<0.05)；速效钾含量随着沙化的严重呈先升高后降低的趋势，轻度沙化含量最高，显著高于其他沙化程度速效钾含量；速效磷含量在未沙化土壤中含量最高，并随着沙化程度的加剧而降低。高寒沼泽草甸草地有机质、全氮和碱解氮在5—10 cm土层含量最高，并显著高于其他土层，速效钾和速效磷含量随着土层的加深而降低；未沙化土壤中有机质、全氮、速效钾和速效磷含量随着土层的加深不断降低，碱解氮5—10 cm土层含量最高；轻度沙化10—15 cm土层有机质含量显著低于其他两层，全氮含量不同土层间差异不显著，碱解氮在10—15 cm土层显著高于其他两层，速效钾和速效磷含量在10—15 cm土层最高并显著高于其他两层；中度沙化草地随着土层的加深有机质、全氮、碱解氮、速效钾含量升高；重度沙化草地碱解氮、速效钾和速效磷随着土层的加深而降低，有机质含量在5—10 cm含量最高，全氮含量在10—15 cm土层最高。

表4 藏西不同沙化程度草地土壤化学性质

2.4 草地根系含量和土壤理化性质的相关性分析

藏西沙化草地的根系含量与土壤理化性质存在一定的关系，根系含量与pH值、容重为极显著负相关，与含水量、有机质、全氮、碱解氮和速效磷呈极显著正相关，与速效钾无相关性(表5)。

表5 藏西草地根系含量和土壤理化性质的相关性

3 讨论

根系反映植物对土壤和环境因子的适应性[8]，本研究中随着沙化程度的加剧，根系含量呈下降趋势，说明沙化后的草地不利于根的积累。未沙化草地和轻度沙化草地根系呈“T”字型分布，这与魏巍等[7,11]的研究是一致的，这两种沙化程度草地根系主要储存在0—5 cm土层，超过5—10 cm与10—15 cm土层根系之和。高寒沼泽草甸10—15 cm土层根系含量最大，达到1.25 kg/m2，显著高于其他两个土层，这与沼泽环境有关，根系随着沼泽中水的淋溶作用而不断沉积。中度和重度沙化草地的根系含量在不同土层间差异不显著。这是因为沙化到一定程度时，优势种转为根系发达的旱生植物，扎根较深，另一个原因是沙化后沙子的流动能力强，导致前几年留下的根系不只留在表层土中。不同沙化草地之间，未沙化草地的根系含量是重度沙化草地的4倍，但随着沙化的开始，植物逐渐转为旱生类植物，植物属性决定根系增大，使沙化过程中根系降低的趋势有所减缓，这是轻度沙化、中度沙化和重度沙化草地存在差异不显著的原因。

不同沙化程度草地pH值均大于8，为碱性。随着沙化的加剧，pH值先升高后降低，说明沙化会增加土壤的碱性，但随着沙化的加剧，土壤pH值会降低，但仍高于对照的高寒沼泽草甸。西藏地区盐碱地主要见于高寒漠境盐渍区，多为草甸沼泽特征[12]，本研究中的高寒沼泽草甸符合上述特征，此类盐碱的主要原因是含盐的地表水造成的，本研究区域毗邻高寒沼泽草甸，土壤含水量下降后，导致盐碱化加剧，轻度沙化草地pH值最大，各土层均超过9.2，这可能是由于沙化开始，植被盖度和多样性降低，减少了对碱性离子的吸附，而中度沙化与重度沙化草地pH值低于轻度沙化草地是因为受到雨水淋溶作用的影响，使表层土的盐碱程度降低。不同沙化草地的含水量和容重的趋势相反，高寒沼泽草甸含水量最高，在40%左右，容重在1 g/cm3以下，随着沙化的加剧，含水量不断降低，容重不断升高，这与万婷等[1]的研究结果是一致的。

有机质、全氮、碱解氮随着沙化的加剧而降低，这与许多学者的研究一致[13-15]。土壤有机质的来源主要是植物残体的凋落分解[16]，而土壤全氮的含量主要是由土壤有机碳的积累和分解决定的[17]，碱解氮则受全氮的含量影响[18]，在土壤沙化过程中，土壤的植被盖度降低，植物残体减少，而在凋落后会伴着风沙被吹走，使沙中的有机质含量降低，而高寒沼泽草甸中的有机质高是由于高寒沼泽草甸的主要植被为藏北嵩草，经年累月，积累了大量植物残体，是有机碳的主要来源，且沼泽地内植物残体分解速度慢，最终使有机碳的含量变得很高，0—5 cm土层有机质含量高达39.46 g/kg。不同土层间的变化也主要与不同土层的植物残体有关，例如高寒沼泽草甸表层的有机质受水分影响降低，进而使5—10 cm土层有机质升高，未沙化、轻度沙化则是由于表层土植物残体高而导致有机质高，中度沙化和重度沙化则受到风沙的影响导致有机质分层效果不明显，没有明显规律。速效养分是指可以直接被植物利用的养分，速效磷和速效钾受外界干扰的影响大，比如家畜频繁的采食会使速效养分增加[19]。本研究中高寒沼泽草甸的速效养分与未沙化的草地相比含量较低，这可能是因为速效养分溶水的原因。而随着沙化的加剧，速效钾含量先增加后降低，说明外界适当的干扰，草地适当的沙化都会增加钾的输出，但重度沙化土壤中速效钾的含量最低，这可能是由于沙化导致土壤养分的流失。速效磷含量随着沙化的加剧而降低，这与速效钾的变化趋势不同，可能与植物对不同养分利用效率不同有关。而不同土层间速效养分的变化没有明显规律。

根系对土壤的理化性质会有一定程度的响应[8]，魏巍等[7]认为根系与有机质、全氮和全磷有极显著正相关关系，鄢燕等[11]认为地下生物量与有机质、全氮和碱解氮有着显著正相关关系，马星星等[20]认为地下生物量与土壤水分存在显著正相关关系，这些研究结果与本研究结果是一致的，本研究中根系与土壤含水量、有机质、全氮、碱解氮和速效磷都存在极显著正相关关系，相关系数分别为0.771，0.658，0.590，0.686,0.382，说明更高的含水量、有机质、全氮和碱解氮有利于根的生长和积累。本研究中根系含量与pH值和容重间存在极显著负相关关系，相关系数分别为-0.806和-0.735，说明盐碱和容重不利于根系的积累。