藏西沙化草地根系分布與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

周 啟 龍

(省部共建青稞和牦牛種質(zhì)資源與遺傳改良國家重點(diǎn)實驗室/西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院草業(yè)科學(xué)研究所, 西藏 拉薩 850000)

草地沙化是指受人為干擾或者自然條件的變化影響，使草地生產(chǎn)力降低，土壤受到侵蝕，最終導(dǎo)致土質(zhì)沙化，土壤含水量降低，營養(yǎng)物質(zhì)流失，致使原非沙漠地區(qū)的草地，出現(xiàn)以風(fēng)沙活動為主的類似沙漠景觀的草地退化過程[1]。阿里地區(qū)位于西藏自治區(qū)西北部，毗鄰新疆維吾爾自治區(qū)，是世界上海拔最高的高原，素有世界屋脊之稱。阿里地區(qū)降雨少、溫度低，這導(dǎo)致草原沙化風(fēng)險要高于其他地區(qū)，阿里地區(qū)目前草地沙化面積為5.01×105hm2，占阿里草原總面積的1.98%，占西藏自治區(qū)草原沙化面積的25.28%[2]，是西藏自治區(qū)沙化最嚴(yán)重的地區(qū)。植物根系是草地植被碳積蓄的重要組成部分[3]，是聯(lián)系地上、地下生態(tài)系統(tǒng)的重要紐帶[4]，準(zhǔn)確測定植物根系是確定草地植被碳源匯功能的基礎(chǔ)[5]。同時根系作為植物重要的營養(yǎng)器官之一，是能量傳遞最活躍的部位[6]。因此，開展根系的分布規(guī)律與土壤環(huán)境的相互關(guān)系的研究具有重要的科學(xué)意義[7]。目前關(guān)于根系與土壤環(huán)境的關(guān)系的研究已有很多報道，王長庭等[8]對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變化進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同放牧梯度下植被根系與土壤理化性質(zhì)存在一定的相關(guān)性；韋蘭英等[9]對黃土高原不同演替階段草地植被細(xì)根與土壤環(huán)境的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明根系與土壤環(huán)境因子之間存在不同程度的相關(guān)關(guān)系。但目前仍沒有關(guān)于藏西沙化草地根系與土壤環(huán)境關(guān)系的報道。為此，本文針對阿里地區(qū)不同沙化程度草地，通過地面樣地調(diào)查分析地下生物量的分布格局，探討地下生物量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系，以期為藏西草地沙化的治理和理解草原物質(zhì)循環(huán)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)噶爾縣(79°07′—81°10′E，30°17′—30°58′N)。噶爾縣全年平均氣溫在0.5 ℃左右。其中，7月份最高，為13.8 ℃；最冷月均出現(xiàn)在1月，氣溫為-12.7 ℃。每年除7，8兩個月份外，其他月份都有不同程度的霜凍出現(xiàn)。年降水量73 mm。晝夜溫差相當(dāng)大，氣溫隨海拔高度呈垂直變化。受降雨量和海拔影響，噶爾縣主要草地類型為高寒草原和高寒荒漠草原類，分別占噶爾縣全縣草原面積的50.1%和28.75%。

1.2 樣地設(shè)計

采樣地點(diǎn)位于噶爾縣向西20 km處，采樣時間為8月植被生長盛期。樣地以河邊的高寒沼澤草甸為基準(zhǔn)點(diǎn)，該處草地向北方沙化，根據(jù)蓋度和物種變化確定沙化程度，以未退化的高寒沼澤草甸為對照樣地，用GPS定位經(jīng)緯度和海拔信息，并記錄樣地環(huán)境、植被物種情況等信息，不同樣地特征見表1。

表1 藏西不同沙化程度草地基本狀況

1.3 取樣方法

2019年8月，在每個沙化程度草地處理下設(shè)置50 m×50 m大樣方，在每個大樣方里按照S型取5個點(diǎn)。為了更好的取根，本研究采用挖掘法，在每個點(diǎn)取20 cm×20 cm×5 cm土塊，分3層采集裝袋帶回室內(nèi)。將土過0.25 mm篩，取根洗凈后晾干，放入烘箱內(nèi)105 ℃殺青20 min，在65 ℃下烘干至恒重，稱取地下生物量。

在每個點(diǎn)用土鉆取土3次后分土層混合，取出石頭、根系等雜質(zhì)，風(fēng)干后測定土壤理化性質(zhì)。每個點(diǎn)取部分土樣稱取鮮重，取回室內(nèi)后放入烘箱內(nèi)105 ℃烘干至恒重后稱取干重，計算土壤含水量。土壤容重采用環(huán)刀法；pH值采用電位法；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法；土壤全氮采用凱氏定氮法；土壤有效氮測定采用堿解擴(kuò)散法；全磷的測定采用鉬銻抗分光光度法；土壤速效磷用鉬銻抗比色法進(jìn)行測量[10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，應(yīng)用統(tǒng)計分析軟件spss19.0進(jìn)行顯著性檢驗和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沙化程度的根系的分布狀況

不同沙化程度的根系分布狀況不同(見表2)，隨著沙化程度的加劇，根系含量呈下降趨勢，高寒沼澤草甸10—15 cm土層的根系含量最高，為1.25 kg/m2，重度沙化5—10 cm土層根系含量最低，為0.15 kg/m2。未沙化草地與沼澤草地在0—5 cm土層根系含量差異不顯著。不同土層間存在顯著差異(p<0.05)。未沙化與輕度沙化草地0—5 cm土層根系含量顯著高于5—10 cm和10—15 cm，后兩者差異不顯著。根系分布在中度沙化草地與重度沙化草地土層間差異不顯著。

表2 藏西不同沙化程度草地根系分布狀況

2.2 土壤的物理性質(zhì)

不同沙化程度草地土壤的物理性質(zhì)不同(見表3)，隨著沙化程度的加劇，pH值呈先升高后降低的趨勢，其中輕度沙化草地的pH值最高，高寒沼澤草甸的pH值最低，不同沙化程度草地間差異顯著(p<0.05)。高寒沼澤草甸和未沙化草地隨著土層的加深pH值呈下降趨勢，輕度沙化、中度沙化和重度沙化不同土層間pH值差異不顯著。高寒沼澤草甸土壤含水量0—5 cm土層與5—10 cm土層顯著高于10—15 cm土層，其他不同沙化草地不同土層間含水量差異不顯著，隨著沙化程度的加深，土壤含水量逐漸降低，且差異顯著。輕度沙化10—15 cm土層容重顯著高于0—5 cm土層，其他不同沙化草地不同土層間容重差異不顯著，隨著沙化程度的加劇，土壤容重不斷增大，且差異顯著。

表3 藏西不同沙化程度草地土壤物理性質(zhì)

2.3 土壤的化學(xué)性質(zhì)

不同沙化程度的土壤化學(xué)性質(zhì)不同(見表4)。有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮整體隨著沙化程度的加劇不斷降低，不同沙化程度間差異顯著(p<0.05)；速效鉀含量隨著沙化的嚴(yán)重呈先升高后降低的趨勢，輕度沙化含量最高，顯著高于其他沙化程度速效鉀含量；速效磷含量在未沙化土壤中含量最高，并隨著沙化程度的加劇而降低。高寒沼澤草甸草地有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮在5—10 cm土層含量最高，并顯著高于其他土層，速效鉀和速效磷含量隨著土層的加深而降低；未沙化土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀和速效磷含量隨著土層的加深不斷降低，堿解氮5—10 cm土層含量最高；輕度沙化10—15 cm土層有機(jī)質(zhì)含量顯著低于其他兩層，全氮含量不同土層間差異不顯著，堿解氮在10—15 cm土層顯著高于其他兩層，速效鉀和速效磷含量在10—15 cm土層最高并顯著高于其他兩層；中度沙化草地隨著土層的加深有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效鉀含量升高；重度沙化草地堿解氮、速效鉀和速效磷隨著土層的加深而降低，有機(jī)質(zhì)含量在5—10 cm含量最高，全氮含量在10—15 cm土層最高。

表4 藏西不同沙化程度草地土壤化學(xué)性質(zhì)

2.4 草地根系含量和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

藏西沙化草地的根系含量與土壤理化性質(zhì)存在一定的關(guān)系，根系含量與pH值、容重為極顯著負(fù)相關(guān)，與含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷呈極顯著正相關(guān)，與速效鉀無相關(guān)性(表5)。

表5 藏西草地根系含量和土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 討 論

根系反映植物對土壤和環(huán)境因子的適應(yīng)性[8]，本研究中隨著沙化程度的加劇，根系含量呈下降趨勢，說明沙化后的草地不利于根的積累。未沙化草地和輕度沙化草地根系呈“T”字型分布，這與魏巍等[7,11]的研究是一致的，這兩種沙化程度草地根系主要儲存在0—5 cm土層，超過5—10 cm與10—15 cm土層根系之和。高寒沼澤草甸10—15 cm土層根系含量最大，達(dá)到1.25 kg/m2，顯著高于其他兩個土層，這與沼澤環(huán)境有關(guān)，根系隨著沼澤中水的淋溶作用而不斷沉積。中度和重度沙化草地的根系含量在不同土層間差異不顯著。這是因為沙化到一定程度時，優(yōu)勢種轉(zhuǎn)為根系發(fā)達(dá)的旱生植物，扎根較深，另一個原因是沙化后沙子的流動能力強(qiáng)，導(dǎo)致前幾年留下的根系不只留在表層土中。不同沙化草地之間，未沙化草地的根系含量是重度沙化草地的4倍，但隨著沙化的開始，植物逐漸轉(zhuǎn)為旱生類植物，植物屬性決定根系增大，使沙化過程中根系降低的趨勢有所減緩，這是輕度沙化、中度沙化和重度沙化草地存在差異不顯著的原因。

不同沙化程度草地pH值均大于8，為堿性。隨著沙化的加劇，pH值先升高后降低，說明沙化會增加土壤的堿性，但隨著沙化的加劇，土壤pH值會降低，但仍高于對照的高寒沼澤草甸。西藏地區(qū)鹽堿地主要見于高寒漠境鹽漬區(qū)，多為草甸沼澤特征[12]，本研究中的高寒沼澤草甸符合上述特征，此類鹽堿的主要原因是含鹽的地表水造成的，本研究區(qū)域毗鄰高寒沼澤草甸，土壤含水量下降后，導(dǎo)致鹽堿化加劇，輕度沙化草地pH值最大，各土層均超過9.2，這可能是由于沙化開始，植被蓋度和多樣性降低，減少了對堿性離子的吸附，而中度沙化與重度沙化草地pH值低于輕度沙化草地是因為受到雨水淋溶作用的影響，使表層土的鹽堿程度降低。不同沙化草地的含水量和容重的趨勢相反，高寒沼澤草甸含水量最高，在40%左右，容重在1 g/cm3以下，隨著沙化的加劇，含水量不斷降低，容重不斷升高，這與萬婷等[1]的研究結(jié)果是一致的。

有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮隨著沙化的加劇而降低，這與許多學(xué)者的研究一致[13-15]。土壤有機(jī)質(zhì)的來源主要是植物殘體的凋落分解[16]，而土壤全氮的含量主要是由土壤有機(jī)碳的積累和分解決定的[17]，堿解氮則受全氮的含量影響[18]，在土壤沙化過程中，土壤的植被蓋度降低，植物殘體減少，而在凋落后會伴著風(fēng)沙被吹走，使沙中的有機(jī)質(zhì)含量降低，而高寒沼澤草甸中的有機(jī)質(zhì)高是由于高寒沼澤草甸的主要植被為藏北嵩草，經(jīng)年累月，積累了大量植物殘體，是有機(jī)碳的主要來源，且沼澤地內(nèi)植物殘體分解速度慢，最終使有機(jī)碳的含量變得很高，0—5 cm土層有機(jī)質(zhì)含量高達(dá)39.46 g/kg。不同土層間的變化也主要與不同土層的植物殘體有關(guān)，例如高寒沼澤草甸表層的有機(jī)質(zhì)受水分影響降低，進(jìn)而使5—10 cm土層有機(jī)質(zhì)升高，未沙化、輕度沙化則是由于表層土植物殘體高而導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)高，中度沙化和重度沙化則受到風(fēng)沙的影響導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)分層效果不明顯，沒有明顯規(guī)律。速效養(yǎng)分是指可以直接被植物利用的養(yǎng)分，速效磷和速效鉀受外界干擾的影響大，比如家畜頻繁的采食會使速效養(yǎng)分增加[19]。本研究中高寒沼澤草甸的速效養(yǎng)分與未沙化的草地相比含量較低，這可能是因為速效養(yǎng)分溶水的原因。而隨著沙化的加劇，速效鉀含量先增加后降低，說明外界適當(dāng)?shù)母蓴_，草地適當(dāng)?shù)纳郴紩黾逾浀妮敵觯囟壬郴寥乐兴傩р浀暮孔畹?，這可能是由于沙化導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失。速效磷含量隨著沙化的加劇而降低，這與速效鉀的變化趨勢不同，可能與植物對不同養(yǎng)分利用效率不同有關(guān)。而不同土層間速效養(yǎng)分的變化沒有明顯規(guī)律。

根系對土壤的理化性質(zhì)會有一定程度的響應(yīng)[8]，魏巍等[7]認(rèn)為根系與有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷有極顯著正相關(guān)關(guān)系，鄢燕等[11]認(rèn)為地下生物量與有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮有著顯著正相關(guān)關(guān)系，馬星星等[20]認(rèn)為地下生物量與土壤水分存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果是一致的，本研究中根系與土壤含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效磷都存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.771，0.658，0.590，0.686,0.382，說明更高的含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮有利于根的生長和積累。本研究中根系含量與pH值和容重間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.806和-0.735，說明鹽堿和容重不利于根系的積累。

4 結(jié) 論

(1) 隨著沙化程度的加劇，根系含量呈下降趨勢，高寒沼澤草甸、未沙化草地和輕度沙化草地根系分布呈“T”字型分布，中度和重度沙化草地的根系含量在不同土層間差異不顯著。

(2) 隨著沙化的加劇，土壤pH值與速效鉀含量先升高后降低，容重升高，含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、速效磷降低。

(3) 土壤根系含量與pH值和容重間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.806和-0.735；與含水量、有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮、速效磷存在極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.771，0.658，0.590，0.686,0.382。