高寒陰濕帶風火山沼澤草甸草地退化對土壤理化性質(zhì)及水熱變化的影響

青藏高原作為中國的主要畜牧業(yè)基地，占中國總面積的1.5%。其中，自然寒冷牧場面積為128.35.14km，占中國牧場的1.3%。冷草不僅是一個重要的畜牧生產(chǎn)手段，而且對于保護生物多樣性、保持土壤肥力和保持生態(tài)平衡具有重要的生態(tài)作用和生態(tài)價值。據(jù)估計，青藏高原每年生態(tài)服務價值為28779.78億元，占中國牧場生態(tài)系統(tǒng)年服務價值的17.68%。特別是青藏高原冷濕地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)主要分布在黃河、長江等主要水系的起源區(qū)。對于保護河流水源的生態(tài)環(huán)境，其生態(tài)屏障功能是顯而易見的。然而，冷濕地區(qū)的生態(tài)環(huán)境非常脆弱。在自然和人為因素的干擾下，冷濕地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了顯著變化，草地退化趨勢明顯。近40年來，由于氣溫和降水的顯著變化，冷濕地區(qū)的環(huán)境發(fā)生了顯著變化，使凍土區(qū)的區(qū)域擴大，融化層增厚，甚至在下伏多年的凍土層完全消失。隨著植物根系層土壤水分的減少、地表土壤的干燥，植被因干旱而退化，沼澤和草地因干旱而稀疏。區(qū)域植被生態(tài)體系的退化導致區(qū)域牧草生產(chǎn)力的降低。植被退化后，基質(zhì)土壤結構發(fā)生了很大變化，土壤溫度和濕度變化很大，監(jiān)管能力減弱，土壤含鹽量增加，蒸發(fā)速度加快。隨著退化過程的加劇，土壤質(zhì)量逐漸惡化，最終降低。同時，隨著土壤覆蓋度的降低、防風能力的削弱、土壤侵蝕和荒漠化的加劇，土壤含水量逐漸降低，土壤質(zhì)量逐漸下降。青藏高原高寒草地中沼澤化草甸面積4.9×104km2,占整個青藏高原草地面積的1.96%,是青藏高原分布面積較廣的草地生態(tài)系統(tǒng)之一.這種在高原和高山極端環(huán)境影響下所形成的高寒生態(tài)系統(tǒng)與生俱來具有脆弱性和不穩(wěn)定性,對人類干擾和全球氣候變暖響應極其敏感.因此,選擇這種生態(tài)系統(tǒng)研究植被退化對下墊面土壤容重、有機質(zhì)、氮、磷、鉀等理化性質(zhì)以及淺層土壤水熱變化的影響,揭示土壤環(huán)境變化對植被退化的響應過程及變化趨勢,具有很強的代表性和前瞻性,有助于理解寒凍土壤環(huán)境變化與植被變化的相互關系,為預防寒區(qū)水土流失、土壤沙化提供防治對策,同時也為遏制目前生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢而采取行之有效的措施提供理論依據(jù).1研究場所和方法1.1現(xiàn)場試驗地及植物群落情況研究區(qū)域位于青藏高原腹地風火山地區(qū),海拔4600～4800m,相對高差200～300m,屬于高原大陸性氣候區(qū),氣候寒冷干燥,凍結期從9月至翌年4月.對1985-2005年風火山臨時氣象站資料進行統(tǒng)計分析,該區(qū)域年平均氣溫-5.3?C,極端最高氣溫24.7?C,極端最低氣溫-38.5?C;年均降水量269.7mm,20cm口徑水面年均蒸發(fā)量1477.9mm,平均相對濕度為55%;最大風速31m/s,主導風向西,平均雷暴日數(shù)年最多47.8天.試驗場地地理位置為34?43.81′N,92?53.50′E,海拔4778m,處于多年凍土區(qū),活動層平均深度1.2～2.5m.試驗場內(nèi)未退化高寒沼澤草甸樣地植物群落主要以藏蒿草(Kobresiatibetica)、羊茅(Festucasp.)、青藏苔草(Carexmoorcroftii)和矮火絨草(Leontopodiumleontopodioides)等高寒植物為主,植被蓋度96.3%,地上生物量平均為178.54g/m2,地下生物量平均為2297.76g/m2;已退化樣地植物群落主要以青藏苔草、矮火絨草和墊狀點地梅(Androsacetapete)等為主,植被蓋度43.5%,地上生物量平均為117.3g/m2,地下生物量平均為1653.4g/m2,土壤均為沼澤草甸土.1.2淺層土壤水熱變化根據(jù)沼澤草甸植物群落特征、種類組成和地表裸露狀況等,在試驗場內(nèi)分別選取未退化和已退化樣地進行研究,不同類型設置三個重復.分別在未退化和已退化沼澤草甸樣地內(nèi)按梅花形布點,并對土壤挖剖面分層取樣,每10cm為一層,共取三層,每層各取三次重復.同時對淺層土壤不同深度(5,20,30,40cm)土壤的溫度、水分等環(huán)境因子進行監(jiān)測.利用Oringin統(tǒng)計分析軟件(Oringin7.5,OriginLabCorporation,USA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和顯著性差異檢驗,分析植被退化引起的土壤理化性質(zhì)以及淺層水熱變化的差異,探討土壤環(huán)境變化對植被的影響.試驗從2007年9月開始進行,到2008年11月共采集了14個月的數(shù)據(jù),包含有一個完整的活動層凍結融化循環(huán),選擇其中一個完整的凍結融化周期(2007年9月至2008年9月)對淺層土壤水熱變化進行分析.1.3樣品采集和測定樣品采集后,按照標準方法對土壤理化性質(zhì)進行分析,其中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)采用重鉻酸鉀容量法進行測定,容重采用環(huán)刀法測定,土壤中w(銨氮)和w(硝態(tài)氮)分別采用擴散比色法和酚二磺酸比色法進行測定,w(總鉀),w(總鎂)采用原子吸收法測定,w(總磷)采用堿熔鉬銻抗比色法測定,w(總氮)采用凱式法測定,土壤pH值采用土水比1:5的懸浮溶液測定.在每個采樣點內(nèi)布設土壤水分和溫度監(jiān)測儀,對未退化和已退化樣地不同深度淺層土壤溫度和水分進行同步觀測.土壤溫度采用熱敏電阻法進行測定,探頭經(jīng)室內(nèi)標定測試,精度達±0.05?C,敷設深度分別為5,20,30,40cm;土壤水分采用頻域反射儀(FDR)(荷蘭Eijkelamp公司生產(chǎn))進行監(jiān)測,精度為±2%.根據(jù)FDR系統(tǒng)測定土壤水的原理,這里所測土壤水分主要是指土壤中未凍水的體積含水量.在以下分析當中,土壤含水量均指未凍水含水量,而不包括含冰量.FDR敷設深度分別為5,20,30,40cm.所有地溫、水分數(shù)據(jù)均由Campbell公司生產(chǎn)的CR1000數(shù)據(jù)采集儀(CR1000,美國),每30min自動采集一次,同時自動將每天各項數(shù)據(jù)進行平均.2結果與討論2.1下墊面淺層土壤理化指標變化未退化和已退化高寒沼澤草甸下墊面土壤的理化性質(zhì)變化如表1所示.所有數(shù)據(jù)均為各樣點三層土樣測定結果的平均值.從表1可以看出,未退化和已退化沼澤草甸下墊面土壤性質(zhì)變化顯著,下墊面淺層土壤各理化指標變化具有顯著差異(方差分析,F>11,P<0.01).植被退化引起土壤容重增大,pH值升高,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低;隨著植被退化,氮、磷、鉀、氨氮和硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)也均顯著下降,土壤養(yǎng)分流失嚴重.由此說明,下墊面土壤理化性質(zhì)對植被變化響應十分敏感,與地表植被生長狀況密切相關.植被退化不僅導致土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)降低,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降而造成土壤碳庫流失加劇,而且還對土壤的機械組成和容重產(chǎn)生重要影響,導致土壤容重增大,使土壤變得干燥貧瘠,對高寒植被恢復與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定造成嚴重威脅.2.2植被的退化對冷濕土壤水熱變化的影響2.2.1上墊面淺層土壤凍結國物量動態(tài)變化的時間特征根據(jù)多年凍土區(qū)活動層凍結融化過程中水熱狀況的不同特征,以土壤日平均溫度持續(xù)<0?C為開始凍結日期,日平均溫度持續(xù)>0?C為開始消融日期,可將試驗觀測樣點活動層的年變化過程分為四個階段:夏季融化過程(ST)、秋季凍結過程(AF)、冬季降溫過程(WC)和春季升溫過程(SW).同時計算出沼澤草甸退化引起的下墊面淺層土壤的開始凍結日期、開始消融日期和持續(xù)凍結時間(表2)以及凍結融化過程的時間變化(表3).從表2-3可以看出,沼澤草甸植被退化對下墊面淺層土壤的凍結融化過程影響顯著.與已退化沼澤草甸相比,未退化的沼澤草甸其表層土壤(40cm以上)的凍結起始時間普遍較晚,說明植被對淺層土壤有保溫作用,延緩了秋季凍結過程中能量的逸散速率;同時未退化的草根層(0～20cm)土壤含水量大,凍結過程中將釋放大量的潛熱,這也是導致表層土壤凍結時間推遲的原因之一.由于植被退化后淺層土壤凍結速度加快,土壤水在短時間內(nèi)發(fā)生凍結,由此引起凍土植被的“生理干旱”,必將加劇高寒草地的進一步退化,從而形成惡性循環(huán).植被退化后,沼澤草甸下墊面淺層土壤的消融日期提前,導致土壤的凍結持續(xù)時間普遍縮短,并將對植被生長產(chǎn)生不利影響.由于植被退化后,覆被蓋度下降,表層土壤很快開始融化,且這一時期空氣干燥、降水稀少、融化的表層水很快被蒸發(fā)掉,而此時氣溫還沒達到植被萌芽溫度,從而使植被開始萌芽時將因缺水而影響生長.植被退化后,淺層土壤的四個年變化階段(ST,AF,WC和SW)發(fā)生、結束以及持續(xù)的時間發(fā)生明顯變化.ST,AF發(fā)生和結束的時間明顯提前,平均比退化前提前10～20天;而WC,SW的持續(xù)時間普遍縮短,比退化前平均縮短10～20天.2.2.2對地表覆被的影響淺層土壤溫度直接影響著植物的生長、發(fā)育和土壤的形成,同時對土壤中各種生物化學過程、土壤腐殖化過程、礦質(zhì)化過程以及植物的養(yǎng)分供應等都有很大意義.在多年凍土區(qū),地溫還是判斷多年凍土存在與發(fā)育程度的重要指標,也是能、水平衡計算和地面光譜特性的重要參數(shù);其淺層地表土壤溫度受太陽輻射制約,表現(xiàn)出與太陽輻射相一致的變化特征.由于植被、砂層以及地質(zhì)構造等局地因素的差異,即使在同一地段,地溫差異也非常顯著.在本試驗研究中,所有觀測樣點除地表覆被不同外,其他如土壤類型、結構、地質(zhì)條件等均相似,因此,淺層土壤溫度的變化主要受地表覆被的影響.在整個凍結融化期間,已退化和未退化植被地溫等值線差異顯著(圖1),未退化植被下墊面淺層土壤不同深度處地溫等值線比較稀疏,變化趨勢比較平緩,說明在整個凍結融化期間各個監(jiān)測深度土壤升溫或降溫過程緩慢,各層之間溫度梯度較小.已退化植被不同深度地溫等值線變得密集且曲率大,各層溫度梯度較大.地溫主要受制于地表氣溫的變化.在植被之下,太陽輻射強度和裸地地段相比降低100多倍,植被大大減少了進入土壤并使土壤增溫的熱量.由此表明,植被在活動層的水熱周轉中起著重要的作用.同時,已退化和未退化植被相同深度上地溫月平均變化差異明顯(圖2):在5cm處,暖季(5-9月)已退化植被地溫比未退化植被稍高,但差別不大,而冷季(10月至次年4月)未退化植被地溫比已退化的高.在20,30,40cm深處,已退化和未退化植被地溫變化具有相似的規(guī)律且差異顯著,暖季(5-9月)未退化植被地溫比已退化的低,而冷季(10月至次年4月)未退化植被比已退化的高,說明植被在暖季能降低土溫,起到制冷作用,而在冷季能減緩熱量散失,起到保溫作用.因此,在青藏高原多年凍土區(qū),植被對其下墊面土壤溫度及其凍結和融化過程均產(chǎn)生影響,夏季植被降低土溫,起到制冷作用,而冬季能稍微提高土溫,起到保溫作用;在寒季期間,植被延緩凍結過程,而在暖季,植被阻礙增熱,從而阻礙融化.植被退化導致下墊面淺層土壤環(huán)境熱狀況發(fā)生顯著改變,降低了多年凍土的穩(wěn)定性,成為多年凍土退化的主要原因之一.2.2.3未退化植物的月內(nèi)水生態(tài)特性在溫度梯度、水汽壓梯度、重力和毛細作用力等作用下,多年凍土活動層內(nèi)部水分不斷發(fā)生相變和遷移.由于植被退化使得地表粗糙度發(fā)生改變,從而對地—氣間的能量傳輸過程產(chǎn)生嚴重影響.即使在同一地區(qū),活動層水分變化因地表植被狀況不同而差異顯著.對比沼澤草甸植被退化前后下墊面淺層土壤水分等值線圖,其水分變化存在明顯時空分布差異(圖3),植被退化對下墊面淺層土壤水分的遷移轉化過程影響十分顯著.從圖3可以看出,未退化和已退化植被淺層土壤在AF,ST中水分變化具有明顯差異.在整個凍結融化過程中,未退化淺層土壤水分等值線明顯比已退化的密,說明未退化活動層水分變化劇烈.由于風火山地處青藏高原腹地,該區(qū)域年降水量小,且主要集中在7-8月份,降水絕大部分被地表截留并幾乎全部轉為蒸發(fā),大氣水分與地表水分交換十分強烈.在AF,ST過程中,已退化植被相比未退化的淺層土壤水分發(fā)生劇烈變化的時間明顯提前,說明植被退化后淺層地溫受大氣影響大,進而使淺層土壤提前凍結或融化.這主要是由于溫度梯度是水分發(fā)生遷移的主要驅(qū)動力,未退化沼澤草甸具有較厚的草氈層對地氣能量交換起到一定的緩沖作用,使得下墊面活動層溫度變化較為緩和;而退化后地下生物量下降,草氈層變薄,下墊面淺層土壤溫度主要受地表大氣溫度的影響,溫度梯度變化大,從而導致退化后水分發(fā)生劇烈變化的時間較退化前提前.根據(jù)實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),未退化高寒沼澤草甸草氈層較厚,主要在0～20cm深度范圍內(nèi)密集分布,活根和死根交織在一起形成氈狀層.同時,這一層腐殖質(zhì)較厚,持水性很強,而透水性較差,上層融水和地表截留降水入滲后均在這一層聚集,從而形成一高含水層.植被退化后,隨著氈狀層厚度和腐殖質(zhì)層變薄,持水和保水功能降低,上層融水和降水入滲后將在重力作用下迅速向下遷移,這一功能特征從未退化和已退化植被同一深度處淺層土壤水分月平均變化的差異進一步得到佐證(圖4).在凍結期(11月至次年4月),未退化和已退化植被因土壤水均處于冰晶狀態(tài)而差異較小;而融化期(5-10月),未退化植被由于氈狀層的存在使得0～20cm土層具有較高的含水量,隨著植被退化,氈狀層變薄,上層水分迅速下滲,導致植被氈狀層(30cm以下)以下土層含水量比已退化前高.同時,氈狀層的變薄也導致表層土壤養(yǎng)分隨水分滲漏而快速流失,植被因缺水和營養(yǎng)不良而逐漸發(fā)生退化.在未來青藏高原暖干化趨勢下,隨著近地表氣溫升高和降水減少,將加劇淺層土壤水分疏干速度,引起高寒沼澤草甸植被向高寒草原植被的廣泛退化,造成草地產(chǎn)草量下降,進而影響到區(qū)域環(huán)境的自調(diào)能力和牧業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展.3暖干化趨勢青藏高原高寒草甸植被退化顯著降低了根系層土壤的養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù),導致氮、磷、鉀嚴重流失,給高寒植被恢復與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定造成嚴重的威脅;同時還引起土壤pH升高、容重增大以及有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降,導致土壤碳庫流失,對全球變暖起到正反饋作用.植被的退化還導致淺層土壤凍結融