三江源高寒草甸水源涵养功能及土壤理化性质对退化程度的响应

doi:10.11686/cyxb2022291

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (6): 16-29.DOI: 10.11686/cyxb2022291

三江源高寒草甸水源涵养功能及土壤理化性质对退化程度的响应

孙玉¹^,²(), 杨永胜²(), 何琦¹^,², 王军邦³, 张秀娟¹(), 李慧婷⁴, 徐兴良³, 周华坤², 张宇恒⁵

^1.长江大学园艺园林学院，湖北荆州 434025
^2.中国科学院西北高原生物研究所，青海省寒区恢复生态学重点实验室，中国科学院高原生物适应与进化重点实验室，青海西宁 810001
^3.中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101
^4.西宁市北山林场，青海西宁 810001
^5.荆门市规划勘测设计研究院，湖北荆门 448000

收稿日期:2022-07-24 修回日期:2022-09-15 出版日期:2023-06-20 发布日期:2023-04-21
通讯作者: 杨永胜,张秀娟
作者简介:zxj510@yangtzeu.edu.cn
ysyang@nwipb.cas.cn
孙玉（1998-），女，河南周口人，在读硕士。E-mail： 1556651454@qq.com
基金资助:
国家自然基金联合项目(U20A2006);国家自然基金青年项目(32001149);青海省应用基础研究项目(2022-ZJ-716);国家自然基金面上项目(31971507);中国科学院青海省人民政府三江源国家公园联合研究专项(LHZX-2020-10);中国科学院青年促进会(2022436)

Responses of soil water conservation function and soil physicochemical properties to a range of degradation conditions in alpine meadows of the Three River Headwater Region

Yu SUN¹^,²(), Yong-sheng YANG²(), Qi HE¹^,², Jun-bang WANG³, Xiu-juan ZHANG¹(), Hui-ting LI⁴, Xing-liang XU³, Hua-kun ZHOU², Yu-heng ZHANG⁵

^1.College of Horticulture and Gardening，Yangtze University，Jingzhou 434025，China
^2.Key Laboratory of Adaptation and Evolution of Plateau Organisms，Chinese Academy of Sciences，Qinghai Key Laboratory of Restoration Ecology in Cold Region，Northwest Institute of Plateau Biology，Chinese Academy of Sciences，Xining 810001，China
^3.Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modeling，Institute of Geographical Sciences and Natural Resources，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China
^4.Beishan Forest Farm，Xining City，Xining 810001，China
^5.Jingmen Planning and Survey Design Institute，Jingmen 448000，China.

Received:2022-07-24 Revised:2022-09-15 Online:2023-06-20 Published:2023-04-21
Contact: Yong-sheng YANG,Xiu-juan ZHANG

摘要/Abstract

摘要：

土壤持水能力和土壤理化性质是衡量水源涵养功能的重要指标，掌握其变化特征对高寒草甸的生态保护和修复具有重要意义。本研究选择三江源区的果洛藏族自治州玛沁县作为实验区，通过野外调查和室内实验相结合的方法，分析了不同退化程度对高寒草甸土壤持水能力、理化性质影响及两者的相关性。研究结果表明：1）高寒草甸0~10 cm土层内随退化程度的加剧饱和持水量、毛管持水量、田间持水量呈下降趋势，退化程度对表层0~5 cm土壤的持水能力的影响最为显著，与原生植被相比，重度退化样地0~5 cm土层的饱和持水量、毛管持水量和田间持水量分别显著降低51.99%、56.28%、59.93%（P<0.05）。2）随退化程度的加剧，高寒草甸0~5 cm土壤全氮、全磷、全碳逐渐下降，全钾无显著变化，与原生植被相比，重度退化样地0~5 cm土层的全碳、全氮、全磷分别显著降低41.95%、65.88%、21.82%（P<0.05）；在0~10 cm的土层内土壤有机碳、总孔隙度呈下降趋势，土壤pH、容重呈显著增加的趋势。3）通过冗余分析得出，饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与土壤全氮、毛管孔隙度呈显著相关关系（P<0.05），其中，与毛管孔隙度呈极显著正相关关系（P<0.01）；饱和持水量、毛管持水量、田间持水量与土壤容重、pH呈极显著负相关关系（P<0.01）；毛管孔隙度、土壤全钾与田间持水量无相关关系，两者是决定饱和导水率的因素。说明高寒草甸退化对表层土壤的影响最为显著，加强表层土壤的保护是维持水源涵养功能的关键所在。

关键词: 高寒草甸, 退化, 土壤, 理化性质, 持水能力, 冗余分析

Abstract:

The soil water-holding capacity and physicochemical properties are important indicators of the water conservation function of soil， and it is important to understand how these factors change under various condition for the ecological protection and restoration of alpine meadows. In this study， we analyzed the effects of different degradation levels on the soil water-holding capacity and physicochemical properties of soil in alpine meadows， as well as correlations between these factors， in both field and laboratory-based experiments. The filed experiments were conducted in Maqin County， Guoluo Tibetan Autonomous Prefecture， in the Three River Headwater Region. The main findings were as follows： 1） The saturation water-holding capacity， capillary water-holding capacity， and field water-holding capacity of the 0-10 cm soil horizon of alpine meadows decreased with increasing severity of degradation. The degradation level had the most significant effect on the water-holding capacity in the 0-5 cm soil surface horizon. Compared with soil at the native vegetation site， soil at the heavily degraded site showed significantly decreased （P<0.05） saturation water-holding capacity， capillary water-holding capacity， and field water-holding capacity in 0-5 cm soil horizon decreased by 51.99%， 56.28%， and 59.93%， respectively. 2） With increasing severity of degradation， the total nitrogen， total phosphorus， and total carbon contents in the 0-5 cm soil horizon gradually decreased， but there was no significant change in total potassium content. Compared with soil at the native vegetation site， the soil at the heavily degraded site showed significantly decreased （P<0.05） contents of total C， total N， and total P in the 0-5 cm soil horizon decreased by 41.95%， 65.88%， and 21.82%， respectively. As the severity of degradation increased， the soil organic carbon content and total porosity showed a decreasing trend， and soil pH and bulk density showed a significant increasing trend. 3） A redundancy analysis showed that saturated water-holding capacity， capillary water-holding capacity， and field water-holding capacity were significantly correlated with total soil N and capillary porosity （P<0.05）， and the positive correlation with capillary porosity was highly significant （P<0.01）. The saturated water-holding capacity， capillary water-holding capacity， and field water-holding capacity were significantly negatively correlated with soil bulk density and pH （P<0.05）， Capillary porosity and soil total K were not correlated with the field water-holding capacity， but were the main factors determining saturated hydraulic conductivity. These findings indicate that alpine meadow degradation has the most significant effect on the top soil horizon and strengthening the protection of the top soil horizon is the key to maintaining the water conservation function of the soil.

Key words: alpine meadow, degradation, soil, physicochemical properties, water holding capacity, redundancy analysis

孙玉, 杨永胜, 何琦, 王军邦, 张秀娟, 李慧婷, 徐兴良, 周华坤, 张宇恒. 三江源高寒草甸水源涵养功能及土壤理化性质对退化程度的响应[J]. 草业学报, 2023, 32(6): 16-29.

Yu SUN, Yong-sheng YANG, Qi HE, Jun-bang WANG, Xiu-juan ZHANG, Hui-ting LI, Xing-liang XU, Hua-kun ZHOU, Yu-heng ZHANG. Responses of soil water conservation function and soil physicochemical properties to a range of degradation conditions in alpine meadows of the Three River Headwater Region[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(6): 16-29.

图/表 10

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退化程度 Degradation degree	总盖度 Total coverage of vegetation （%）	平均高度 Average height of vegetation （cm）	物种数 Species of vegetation（NO.）	优势物种 Dominant species
原生植被Native vegetation	97.40±0.51	11.96±0.87	42	紫花针茅 Stipa purpurea，早熟禾 Poa annua
轻度退化Light degradation	76.20±0.97	3.20±0.44	35	紫花针茅 S. purpurea，早熟禾 P. annua
中度退化Moderate degradation	63.60±1.21	3.40±0.48	33	珠芽蓼 Polygonum viviparum，紫花针茅 S. purpurea
重度退化Severe degradation	1.00±3.25	2.60±0.60	22	西伯利亚蓼 Polygonum sibiricum，细叶亚菊 Ajania tenuifolia

退化程度 Degradation degree	总盖度 Total coverage of vegetation （%）	平均高度 Average height of vegetation （cm）	物种数 Species of vegetation（NO.）	优势物种 Dominant species
原生植被Native vegetation	97.40±0.51	11.96±0.87	42	紫花针茅 Stipa purpurea，早熟禾 Poa annua
轻度退化Light degradation	76.20±0.97	3.20±0.44	35	紫花针茅 S. purpurea，早熟禾 P. annua
中度退化Moderate degradation	63.60±1.21	3.40±0.48	33	珠芽蓼 Polygonum viviparum，紫花针茅 S. purpurea
重度退化Severe degradation	1.00±3.25	2.60±0.60	22	西伯利亚蓼 Polygonum sibiricum，细叶亚菊 Ajania tenuifolia

土壤深度 Soil depth （cm）	退化程度 Degradation degree	饱和持水量 Saturated water capacity （%）	毛管持水量 Capillary water holding capacity （%）	田间持水量 Field capacity （%）
0~5	原生植被Native vegetation	84.52±6.09a	78.31±5.16a	67.80±3.42a
	轻度退化Light degradation	68.60±7.34ab	61.36±5.48b	58.51±5.25a
	中度退化Moderate degradation	57.27±5.26b	48.19±3.36c	41.08±2.02b
	重度退化Severe degradation	40.58±2.09c	34.24±1.16d	27.17±0.66c
5~10	原生植被Native vegetation	46.87±2.05a	44.07±1.74a	37.12±1.39a
	轻度退化Light degradation	42.78±2.55a	39.37±2.16ab	35.10±2.51a
	中度退化Moderate degradation	41.29±6.07a	37.68±5.42ab	32.90±4.93ab
	重度退化Severe degradation	37.20±0.50a	33.09±0.88b	25.13±0.72b
10~20	原生植被Native vegetation	44.50±2.19a	41.98±2.08a	34.36±1.29a
	轻度退化Light degradation	40.82±4.84a	40.56±3.25a	30.84±0.65ab
	中度退化Moderate degradation	39.74±1.55a	37.11±1.97a	29.68±1.80b
	重度退化Severe degradation	41.93±2.88a	37.09±1.60a	25.07±0.80c
20~30	原生植被Native vegetation	39.17±2.62ab	37.21±2.73ab	32.56±1.96a
	轻度退化Light degradation	42.70±1.46a	38.48±0.86a	31.07±0.93a
	中度退化Moderate degradation	35.66±1.33b	32.42±1.27b	27.10±0.92b
	重度退化Severe degradation	39.62±2.05ab	35.04±1.83ab	24.00±0.91b
30~50	原生植被Native vegetation	34.74±3.14a	31.33±2.72a	27.40±0.63a
	轻度退化Light degradation	37.75±0.80a	30.52±3.58a	27.28±0.46a
	中度退化Moderate degradation	35.40±3.34a	31.63±2.76a	26.50±2.32a
	重度退化Severe degradation	41.75±1.68a	36.76±1.50a	24.82±0.95a

土壤深度 Soil depth （cm）	退化程度 Degradation degree	饱和持水量 Saturated water capacity （%）	毛管持水量 Capillary water holding capacity （%）	田间持水量 Field capacity （%）
0~5	原生植被Native vegetation	84.52±6.09a	78.31±5.16a	67.80±3.42a
	轻度退化Light degradation	68.60±7.34ab	61.36±5.48b	58.51±5.25a
	中度退化Moderate degradation	57.27±5.26b	48.19±3.36c	41.08±2.02b
	重度退化Severe degradation	40.58±2.09c	34.24±1.16d	27.17±0.66c
5~10	原生植被Native vegetation	46.87±2.05a	44.07±1.74a	37.12±1.39a
	轻度退化Light degradation	42.78±2.55a	39.37±2.16ab	35.10±2.51a
	中度退化Moderate degradation	41.29±6.07a	37.68±5.42ab	32.90±4.93ab
	重度退化Severe degradation	37.20±0.50a	33.09±0.88b	25.13±0.72b
10~20	原生植被Native vegetation	44.50±2.19a	41.98±2.08a	34.36±1.29a
	轻度退化Light degradation	40.82±4.84a	40.56±3.25a	30.84±0.65ab
	中度退化Moderate degradation	39.74±1.55a	37.11±1.97a	29.68±1.80b
	重度退化Severe degradation	41.93±2.88a	37.09±1.60a	25.07±0.80c
20~30	原生植被Native vegetation	39.17±2.62ab	37.21±2.73ab	32.56±1.96a
	轻度退化Light degradation	42.70±1.46a	38.48±0.86a	31.07±0.93a
	中度退化Moderate degradation	35.66±1.33b	32.42±1.27b	27.10±0.92b
	重度退化Severe degradation	39.62±2.05ab	35.04±1.83ab	24.00±0.91b
30~50	原生植被Native vegetation	34.74±3.14a	31.33±2.72a	27.40±0.63a
	轻度退化Light degradation	37.75±0.80a	30.52±3.58a	27.28±0.46a
	中度退化Moderate degradation	35.40±3.34a	31.63±2.76a	26.50±2.32a
	重度退化Severe degradation	41.75±1.68a	36.76±1.50a	24.82±0.95a

土壤深度 Soil depth （cm）	退化程度 Degradation degree	全碳 Total carbon （g·kg^-1）	全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	全磷 Total phosphorus （g·kg^-1）	全钾 Total potassium （g·kg^-1）
0~5	原生植被Native vegetation	61.22±7.16a	4.25±0.19a	0.55±0.02a	20.20±0.20a
	轻度退化Light degradation	59.53±6.39a	3.00±0.17b	0.49±0.05ab	20.60±0.81a
	中度退化Moderate degradation	39.72±4.12b	2.39±0.26c	0.45±0.02ab	21.60±0.87a
	重度退化Severe degradation	35.54±1.83b	1.45±0.09d	0.43±0.04b	19.60±0.51a
5~10	原生植被Native vegetation	40.85±4.77a	2.42±0.09b	0.44±0.01a	20.80±0.20ab
	轻度退化Light degradation	42.31±0.74a	2.94±0.04a	0.43±0.02a	21.00±0.32ab
	中度退化Moderate degradation	30.63±5.08a	2.09±0.28b	0.38±0.02a	21.60±0.68a
	重度退化Severe degradation	29.33±7.20a	1.47±0.08c	0.40±0.03a	20.20±0.20b
10~20	原生植被Native vegetation	33.53±7.56a	1.89±0.08ab	0.53±0.12a	20.60±0.24a
	轻度退化Light degradation	36.75±1.34a	2.20±0.30a	0.40±0.02a	21.00±0.63a
	中度退化Moderate degradation	34.53±5.54a	1.55±0.13bc	0.40±0.02a	21.40±0.40a
	重度退化Severe degradation	27.56±7.75a	1.28±0.16c	0.42±0.02a	21.00±0.55a
20~30	原生植被Native vegetation	27.78±7.22a	1.52±0.08a	0.44±0.02a	20.75±0.48a
	轻度退化Light degradation	34.05±1.38a	1.51±0.44a	0.38±0.03a	20.80±0.37a
	中度退化Moderate degradation	25.67±1.09a	1.12±0.11a	0.47±0.06a	21.00±0.32a
	重度退化Severe degradation	28.70±1.11a	1.11±0.14a	0.46±0.03a	21.40±1.40a
30~50	原生植被Native vegetation	45.61±26.33a	0.84±0.10a	0.46±0.02a	20.25±0.75a
	轻度退化Light degradation	33.55±2.06b	0.64±0.16a	0.39±0.03a	20.40±0.68a
	中度退化Moderate degradation	33.13±4.38b	0.62±0.11a	0.46±0.05a	21.80±0.92a
	重度退化Severe degradation	19.10±2.55b	0.54±0.05a	0.45±0.03a	22.40±2.68a

三江源高寒草甸水源涵养功能及土壤理化性质对退化程度的响应

Responses of soil water conservation function and soil physicochemical properties to a range of degradation conditions in alpine meadows of the Three River Headwater Region

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土壤理化因子 Soil physicochemical factors	解释 Explains （%）	贡献 Contribution （%）	Pseudo-F	P	土壤理化因子 Soil physicochemical factors	解释 Explains （%）	贡献 Contribution （%）	Pseudo-F	P
容重Soil bulk density	69.5	72.3	41.0	0.002**	土壤全钾Soil total potassium	1.4	1.5	1.9	0.166
毛管孔隙度Capillary porosity	11.2	11.7	9.9	0.008**	土壤全磷Soil total phosphorus	1.2	1.2	2.5	0.070
pH	5.2	5.5	5.9	0.018*	总孔隙度Total porosity	0.6	0.6	1.3	0.272
土壤全氮Soil total nitrogen	2.3	2.4	4.3	0.040*	土壤全碳Soil total carbon	0.4	0.5	1.0	0.368
土壤有机碳Soil organic carbon	2.0	2.1	3.0	0.084	非毛管孔隙度Non-capillary porosity	0.2	0.2	0.3	0.762
土壤铵态氮Soil ammonium nitrogen	2.0	2.1	2.5	0.116

退化程度 Degradation degree	土壤持水能力 Soil water-holding capacity	容重 Soil bulk density	总孔隙度 Total porosity	毛管孔隙度 Capillary porosity	非毛管孔隙度 Non-capillary porosity	土壤有机碳 Soil organic carbon	土壤铵态氮 Soil ammonium nitrogen
原生植被 Native vegetation	SWC	-0.996**	0.977**	0.885*	0.410	-0.955*	0.344
	CWHC	-0.989**	0.980**	0.907*	0.356	-0.935*	0.397
	FC	-0.945*	0.996**	0.941*	0.332	-0.894*	0.278
轻度退化 Light degradation	SWC	-0.997**	0.909*	0.249	0.634	0.696	0.640
	CWHC	-0.946*	0.995**	0.581	0.312	0.472	0.489
	FC	-0.824	0.774	0.423	0.278	0.732	0.461
中度退化 Moderate degradation	SWC	-0.859	0.883*	0.533	0.960**	-0.203	-0.909*
	CWHC	-0.828	0.901*	0.603	0.916*	-0.096	-0.882*
	FC	-0.454	0.963**	0.873	0.732	0.242	-0.505
重度退化 Severe degradation	SWC	-0.879*	0.955*	0.710	0.861	0.945*	-0.341
	CWHC	-0.961**	0.745	0.875	0.526	0.814	-0.453
	FC	-0.658	0.808	0.327	0.851	0.721	0.168
退化程度 Degradation degree	土壤持水能力 Soil water-holding capacity	土壤全碳 Soil total carbon	土壤全氮 Soil total nitrogen	土壤全磷 Soil total phosphorus	土壤全钾 Soil total potassium	pH
原生植被 Native vegetation	SWC	-0.955*	-0.913*	0.567	0.632	0.760
	CWHC	-0.935*	-0.921*	0.517	0.660	0.726
	FC	-0.893*	-0.983**	0.566	0.462	0.748
轻度退化 Light degradation	SWC	0.701	0.572	0.873	-0.295	-0.423
	CWHC	0.477	0.672	0.851	0.048	-0.317
	FC	0.733	0.958*	0.979**	-0.151	-0.759
中度退化 Moderate degradation	SWC	-0.213	0.044	-0.044	0.541	-0.385
	CWHC	-0.106	-0.011	-0.158	0.622	-0.341
	FC	0.237	0.356	-0.095	0.381	-0.634
重度退化 Severe degradation	SWC	0.946*	-0.346	-0.913*	0.030	0.970**
	CWHC	0.820	0.019	-0.803	-0.204	0.946*
	FC	0.726	-0.739	-0.690	0.555	0.697

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