热融湖塘对高寒草甸土壤理化性质的影响

热融湖塘对高寒草甸土壤理化性质的影响

0热融湖塘与低温热融湖塘土壤质量被定义为在自然或农业生态系统边界上保持特定土壤的生产力，以保持或改善气候和水的质量，并支持人类的健康和生活。土壤是植物生存的基础，土壤条件的质量直接影响植物的生长。另一方面，土壤作为生态系统生物与环境相互作用的产物，储存了大量有机质、氮、磷、钾、钙、镁、硫等养分和养分。另一方面，土壤养分对植物生长起着重要作用，直接影响植物群的组成和生理活力，决定生态系统的结构、功能和生产力。在生态系统退化的情况下，土壤的退化必须减少对植被的退化。退化后的恢复时间应大于植被的恢复时间。如果植被退化到高度退化，土壤也会保持良好的状况，但土壤退化比植被退化更严重。土壤严重退化后，整个生态系统的功能完全丧失。因此，在许多关于草地土壤改良的研究中，草地土的物理和化学性质通常被认为是草地退化的重要指标。青藏高原地区由于地理位置和气候的特殊性,形成了特殊的高寒生态系统,这种生态系统无论是在整个系统还是各子系统,均具有结构简单、生产力水平低、稳定性差、修复能力弱、易受外界营力干扰特点.由于全球气候变化和近年来人类活动加剧的影响,青藏高原高寒生态系统发生了强烈的变化,其中土壤环境变化是青藏高原生态系统改变的主要内容之一,是对青藏高原整体生态系统变化的响应.由于土壤环境的变化非常复杂,不仅与土壤的本身属性有关,而且受到外营力的强烈干扰和限制.青藏高原高寒地区的土壤环境更受高原特殊气候环境、地理位置和地质结构及成土过程等作用要素的限制,有其独特的物理、化学及生物特性,对环境的变化比较敏感,并且对整个生态系统的影响比较强烈.热融湖塘是青藏高原多年冻土区形成的特殊的地貌单元,是由多年冻土在交替冻结融化过程中逐渐形成的产物.随着全球变化和人类在高原的活动增加,这种由水热过程变化引起的湖塘数量越来越多,发育速度明显增快,规模有明显的增加趋势.这种热融湖塘主要发育在高寒草甸地区,由于热融湖塘的形成导致湖塘及周围的植被出现退化,同时出现长期或季节性的积水,破坏了冻土土壤的水热局部平衡,对草甸土壤环境造成一定的影响.本文主要从土壤的理化性质,对热融湖塘影响下高寒草甸土壤的理化性质的变化进行分析研究,旨在阐明热融湖塘形成对土壤的理化性质的影响,分析热融湖塘对高寒草甸土壤环境的影响和破坏,进而为青藏高原高寒地区的开发建设和预测未来环境变化趋势提供科学依据.1研究领域的总结和研究方法1.1研究区自然概况和植被类型青藏高原是世界上低纬度冻土集中分布区,属于青藏高原高寒地带,植被类型简单,主要植被生态类型有高寒灌丛、高寒草甸、高寒草原等植被类型,以高山草甸和高寒草原化草甸为主,在局部高海拔地带分布垫状植被和流石滩稀疏植被.主要土壤类型为高山灌丛草甸土、高山草甸土、高山草原化草甸土等,在河谷、湖盆低洼地带发育沼泽化草甸土,在山地形成栗钙土,分布也较为普遍,河源区土层厚度较浅,受高寒气候条件的影响,土壤成土过程缓慢,成土母质一般为残积-坡积、冰渍或冲洪积物,粗骨性强,土壤中腐殖质较浅且分解速度慢,土壤有机质成分主要分布在表层(30cm以上).青藏高原冻土区也是全球气候变化的敏感区域,其独特而脆弱的高寒生态环境对气候变化和人类活动有强烈的反应.由于独特的生态水文效应以及多年冻土对全球变化的敏感响应,近年来日渐成为生态学家、水文学家和冻土专家关注的热点地区,高寒草甸土壤是青藏高原典型的土壤类型之一.北麓河位于青藏高原可可西里区冲、洪积高平原,海拔在4620～4640m,地势较平坦,地形稍有起伏,地表植被发育较好,沉积地层主要为上第三系湖相沉积及第四系全新统冲洪积层,岩性以泥岩、砂岩、黏土及粉砂为主.该地属青藏高原干寒气候区,寒冷干旱,年均气温为-5.2℃,年均降水量290.9mm,年均潜在蒸发量1316.9mm,年均风速4.10m·s-1.年内冻结期长达7～8个月,冻结期为9月至翌年4月,多年冻土活动层厚度一般为2～3m,最大为3.4m,最小为1.7m.研究区主要植被为以寒冷中生多年生草本植物组成的植被群落为基础,具有适中水分条件的生态系统.高寒草甸是长江源地区主要的植被类型之一,面积占源区总面近60%,是分布面积最大也最重要的生态体系,主要的植被特征如表1.1.2样品采集和处理在北麓河流域选择热融湖塘发育的典型高寒草甸为研究对象,采用以空间上不同退化程度的草地代替时间上的草地退化演替序列的方法,通过对长江源区北麓河小流域热融湖塘影响的高寒草甸的实地考察,于2008年7月和2009年7\_8月先后进行野外取样.根据地表植被特征和热融湖塘影响范围及周围微地貌单元特征,将研究区划分为以下几个样地:未退化迹地、中度退化样地、严重退化迹地和热融湖塘影响迹地,每个样地挖取3个60cm深的土壤剖面,用土壤环刀(V=100cm3)分层取土样,分别按0～5cm、5～10cm、10～15cm、15～20cm、20～25cm、25～30cm、30～60cm深度取土壤样品,装入铝盒.同时在同样深度,每层取土样1000g左右装入布袋,风干后样品做理化成分分析.1.2.1土壤含水率、容重的测定在每个土壤剖面分不同深度,用环刀取样100g,装入铝盒,在105℃恒温箱中烘干至恒质量,测定土壤含水率.土壤重量含水量(%)=(W2-W3)/(W2-W1)×100%(1)式中:W1为铝盒重(g);W2为铝盒重+湿样重(g);W3为铝盒重+烘干样品重(g).土壤容重:dv(g·cm-3)=W/V(2)式中:V为环刀内容积(cm3);W为环刀内干土重(g).1.2.2全氮、全p方法土壤有机质采用硫酸、重铬酸钾氧化-容量法测定;全氮采用半微量凯氏定氮法测定;全P采用氢氧化钠碱融-钒钼抗比色法测定;全钾采用氢氧化钠碱融-火焰光度计法测定.1.2.3数据分析和处理所有分析结果采用地统计学方法统计,采用Excel2003和SPSS13.0统计软件对试验数据进行处理及分析.2结果与分析2.1土壤的物理性质2.1.1热融湖塘对黏粒含量的影响土壤质地直接影响土壤水、肥、气、热的保持和运动,并与植被的生长发育有密切的关系.热融湖塘的形成对高寒草甸土壤土壤环境造成了严重影响,对按照中国科学院南京土壤研究所1975年制定的粒级划分方案,不同盖度下土壤颗粒组成变化见表2.长江源北麓河研究区不同退化程度下土壤颗粒粒度发生明显变化,所有土壤样品中<0.001mm的黏粒含量在全剖面都随热融湖塘的影响而含量减少,在表层(0～5cm)湖塘影响迹地和热融湖塘的黏粒含量是原始草甸草地的67%和53%;根系主要分布层(15～20cm)黏粒降低幅度分别达到41.6%和54.3%,25cm以下土壤中黏粒含量虽湖塘的影响而变化幅度减小.随着热融湖塘影响强度的加剧,细粉粒(0.005～0.001mm)和粗粉粒(0.01～0.005mm)含量在湖塘影响区域土壤全剖面均出现降低,严重影响区域和热融湖塘区表层(0～5cm)细粉粒含量降低了22.7%和14.5%,热融湖塘影响区土壤粗粉粒含量在0～60cm全剖面基本都比原草地含量低.表层土壤(0～15cm)范围内的砂粒含量呈现热融湖塘>湖塘影响迹地>原始草地迹地,尤其粗砂粒含量在热融湖塘区明显增多,在热融湖塘严重影响迹地和热融湖塘区表层土壤中同时有砾石出现.热融湖塘形成对高寒草甸土壤的质地产生严重影响,导致表层土壤出现明显粗粒化过程,土壤的透气性、透水性以及土壤养分的改变,使高寒草甸土壤表层土壤的抗侵蚀和土壤恢复能力的降低.2.1.2热融湖塘对寒地下土壤水分的影响土壤含水量(土壤水分)是土壤环境的最重要组成要素之一,同时也是影响土壤肥力的主要因素之一,土壤含水量在一定程度上决定了植被的生长及土壤中物质的转化和生物代谢过程.土壤含水量受气象、植被类型、土壤理化性质以及人为经营措施等因素的影响,土壤含水量的变化都与大气降水密切相关,同时和土壤表层植被状况和土地利用等有直接关系.在高寒草甸区热融湖塘影响以后退化的过程中,首先表现草甸植被的覆盖度降低,由于植被退化对土壤水文过程产生直接影响,土壤持水能力降低,土壤含水量下降.从图1中可看出,在相同的土壤深度,高寒草甸的土壤含水量均表现为原始草甸草地迹地﹥湖塘影响退化迹地﹥严重退化迹地(热融湖塘干涸区),其中,表层土壤(0～5cm)含水量差异最为明显.当植被盖度降低40%和60%,土壤水分含量分别降低25%和36%,随着土壤深度的增加,土壤含水量受湖塘影响影响逐渐减小,深度为25cm以下范围的土壤含水量受地表过程变化影响最小,说明热融湖塘形成对浅层(0～20cm)土壤含水量有直接的影响作用.这种影响主要是通过改变表层植被生长和发育过程来实现,是因为高寒草甸植被的根系集中分布在0～20cm范围,植被生长周期长,生长期短,植被个体矮小,对土壤水分的影响主要是根系能够到达的土层范围,根系对土壤水分有拦蓄储存作用,浅层土壤水分直接参与植物的生长发育过程,深层土壤(20cm以下)水分对高寒植物的生长影响较小,同时因为研究区年降水量较小,由于降水直接补给到深层土壤的水分较少,所以深层土壤含水量较少,热融湖塘形成使植被退化导致土壤蒸发增加,土壤表层含水量降低,降水径流和向深层土壤下渗量增加.植被生长发育和恢复过程也受土壤水分的直接控制,尤其在高寒干旱条件下,土壤水分是土壤环境稳定的主要决定要素之一,也是高寒植被生长发育和恢复重建的主要要素之一,热融湖塘形成对高寒草甸土壤环境产生严重扰动和破坏了冻土土壤水分在土壤中的运移和储存过程.2.1.3热融湖塘对热融湖塘、热融湖塘、热融湖塘对土壤容重的影响土壤容重是高寒土壤环境变化的主要因素之一,土粒排列松紧不同,团聚体形状、大小不同,都能引起土壤容重的差异,从而影响土壤水分、空气和养分的运行和存在状态.土壤容重表征了土壤的疏松程度与通气性和透水性等特性,土壤容重的大小可以说明土壤涵蓄水分能力和土壤质地特征,也可做为土壤的肥力指标之一.土壤的容重愈小,表明土壤的结构性愈好,孔隙多,疏松,有利于土壤气体交换和渗透性的提高.反之,土壤的容重愈大,表明结构性差,孔隙少,土壤板结.随着热融湖塘影响导致高寒植被退化的影响,研究区不同植被盖度条件下的土壤容重不同,总的趋势是距离热融湖塘越近,植被盖度越低,导致土壤容重呈上升趋势(图2),表现为不同土壤深度的容重随着植被盖度的降低容重都有所增大.尤其表层(0～5cm)的变化最明显,植被盖度降低30%和60%,土壤容重增加了33%和40%,退化迹地和热融湖塘影响区的土壤在0～5cm范围的容重大于5～20cm范围的容重,主要是植被退化以后,土壤表层粗粒化加强,有机质等物质被侵蚀流失.未退化高寒草甸10～20cm的土壤容重明显低于20cm以下土壤的容重,主要是根系在此深度较为发达,向下延伸和扩展的范围大,加之根系的死亡分解,改善了土壤的物理化学性质,因此可以有效地降低土壤容重.2.2气候变化对土壤环境的影响土壤化学物质及其养分含量是土壤质量和土壤生产力最为重要的表征指标之一,也是衡量土壤生产潜力的基本内容.青藏高原多年冻土区的土壤环境非常脆弱,不但土壤结构简单,质地特殊,而且土壤养分成分含量较低,转化过程复杂,形成周期长.在研究区广泛发育了大小不一的热融湖塘,对高寒草甸土壤环境造成了严重的影响,湖塘影响区土壤养分和化学性质发生了变化.2.2.1湖塘对土壤有机质含量的影响土壤有机质含量通常作为土壤肥力水平高低的一个重要指标,土壤有机质含量主要受土壤母质、地形、气候和生物等因素的影响,在高寒干旱条件下,研究区多年冻土地带的高寒草甸土壤有机质的发生过程非常缓慢,且严格受地表植被特征的影响.从图3中可以看出,原始高寒草甸土壤有机质含量明显高于热融湖塘影响区和湖塘情景下的.在0～60cm范围全剖面上土壤有机质含量在热融湖塘影响以后的不同植被盖度条件下都虽深度增加而减少,其中湖塘影响下土壤的有机质含量虽植被盖度降低而减少.其中,距离热融湖塘越近的影响区的含量减少最快,在0～5cm范围的热融湖塘影响区土壤有机质流失率为66.7%.在热融湖塘影响区5～15cm范围的土壤中,有机质含量相对较高,是因为在影响区植被退化以后植被根系死亡留存在土壤中,使有机质沉积在根系分布层而消耗减少.随湖塘影响植被盖度降低以后,20cm以下土壤中有机质含量呈快速减少趋势,主要是植被退化导致补给深层土壤的含有机质物质减少,同时由于表层失去植被的保护有机质由于侵蚀流失增加,导致补给深层土壤有机质的量减少.在未退化的原始迹地,0～20cm范围土壤有机质含量较多,主要是该层植被根系发达,毛根分布较多,有机质补充充分,表层侵蚀量很少,故对该层土壤环境的补给起到促进作用.土壤有机质主要来源于植物地上部分的残枝败叶和土壤动物的分泌物及死亡遗体和遗迹等,研究表明,高寒草甸遭到自然和人为的破坏以后,植被盖度降低,植物群落简单化,植物个体矮小化,导致土壤有机质含量相应降低,土壤肥力降低,加速土壤环境的退化.2.2.2热融湖塘影响区域土壤全n含量变化氮素是植物生长的重要营养元素之一,植物中积累的氮素中仍有50%左右来自土壤.土壤全氮含量是土壤的基本性质之一,也是评价土壤肥力的重要指标之一.植被退化改变了土壤特性,土壤物质输入和支出发生变化,土壤全氮含量也将发生变化.高寒草甸植被生长发育和退化都会导致土壤中N含量和分布特点的改变.在研究区域内,在深度为0～15cm范围热融湖塘影响以后的土壤中,全N含量表现为未退化原始迹地>湖塘影响迹地>湖塘区迹地(图3),从原始迹地和湖塘区迹地土壤全N比较可以得出,土壤全N平均降幅为30%～45%.随着草甸退化,表层植被减少,盖度降低,表层土壤裸露面积增加,土壤中全氮随着雨水、风力和冻融过程的侵蚀而流失量增加,同时,由于植被减少,由表层输入的N素物质降低,表层土壤受太阳辐射、风力及土壤生物作用使土壤呼吸作用改变,影响土壤中全N的循环过程,破坏了土壤中N的储存和排放,对土壤环境造成严重的影响.在热融湖塘影响退化区域土壤15～60cm范围的全N含量又明显上升,这种现象一方面是湖塘影响退化区较原始未影响情景下的植被较少,植物本身生长对氮的消耗较少,故而残存在土壤中的氮的含量在植物根系层较多,另一方面在热融湖塘影响区植被严重退化情景下,表层土壤中的N随降水下渗而向深层淋溶运移的N量增多,在土壤深层出现富集现象,故而残存在深层土壤中的氮含量较大.2.2.3热融湖塘对植物生长和土壤全p、全k的影响土壤全P是构成植物体多种有机化合物的重要元素,在植物新陈代谢、生长发育等生理过程中都有十分重要的作用.一般情况下,当全磷质量分数低于0.10%时,表征土壤中磷素供应不足,将影响植物生长发育.土壤全K是土壤重要的理化指标,也是植物吸收量最多的营养元素之一.土壤中的钾主要来自土壤的含钾矿物.另外,K质量分数的多少还受到地质、淋溶等因素的影响.青藏高原高寒多年冻土地区,多年冻土土壤的形成受到气候、地貌特征以及降水等因素的影响,土壤K的形成和转化很缓慢,土壤受到热融湖塘形成过程的扰动后,K的流失给高寒土壤的恢复和植被生长造成严重影响,研究热融湖塘影响区域土壤中的全K含量较其他养分含量要高得多(图3),主要是高寒草甸植物生长对K的需求较其他元素少,在土壤全剖面全K的变化比较弱,热融湖塘影响后土壤中K在根系层也出现了富集现象.研究表明,在0～15cm深度的土壤全P、全K的含量具有一定的波动性,但是总体上也是受到热融湖塘的影响,在15～60cm范围内,湖塘影响区和热融湖塘区的土壤全P、全K的含量有所增加,说明热融湖塘形成对湖塘周边草地表层物质的淋溶沉积和植被生长需求发生改变所致.但热融湖塘形成对高寒草甸土壤中全P、全K总的影响强度不是很大,说明在高寒土壤中K和P元素的含量和来源基本稳定,受植被退化的影响较小.2.3土壤成分的相关分析2.3.1不同立地条件下大力影响健全的植物生长性状土壤容重与土壤其他成分有密切的相关性,已有的研究表明,土壤退化最直接的表象是土壤粒度分布特征的变化.单因素相关分析可以判断某个因子对土壤质量的影响,但每个因素不是独立起作用.为了更准确地分析土壤理化性各指标与容重的关系,需要进行多元逐步回归分析.在热融湖塘影响下,分析不同植被退化程度和不同土壤深度条件下,对高寒草甸土壤容重和理化性质指标进行回归分析.逐步回归分析显示:1)原始情景下不同土壤深度高寒草甸容重的影响因素不同.浅层为黏粒和砂粒为主,深层则为有机质和砂粒为主,复相关系数为0.706以上,F检验(F≤0.05)达显著水平;2)热融湖塘影响的退化情景下,影响不同土壤深度容重的主要因子有.全N和砂粒,复相关系数为0.583以上,F检验(F≤0.05)达显著水平;3)热融湖塘区严重退化情景下不同土壤深度容重的主要因子也不同,浅层为全氮和砂粒,深层则为有机质和砂粒,复相关系数为0.563以上,F检验(F≤0.05)达显著水平(表3).通过逐步回归分析表明,高寒草甸受热融湖塘影响以后土壤中砂粒含量是影响容重的最主要的因素,影响程度大于其他因子.同时,土壤中有机质和全N含量也对容重有较大的影响.因此,在高寒草甸土壤中砂粒、有机质和全氮含量是影响土壤容重的的控制性因素和主要驱动力.2.3.2热融湖塘对土壤理化性质的影响土壤的粒级组成状况与土壤营养元素之间存在密切联系.一般情况下,土壤团粒结构增加,质地细密有利于营养元素的吸收和贮存;反之,营养元素的增加,有利于土壤团粒结构的形成.对热融湖塘影响下不同植被盖度的土壤黏粒与0～30cm土层的土壤有机质和全氮的关系进行相关分析(表4),结果表明3种热融湖塘影响后不同盖度的高寒草甸的土壤黏粒与土壤浅层0～15cm的有机质和全氮显著相关,说明土壤养分成分与土壤质地有密切的关系.热融湖塘越发育,湖塘影响越严重的区域,土壤中黏粒与有机质及全N的相关性越低,证明多年冻土区热融湖塘的形成和发育对土壤环境产生强烈的改变.以上结果说明高寒冻土环境是一个复杂的系统,系统各要素之间