引用本文
李令, 贺慧丹, 未亚西, 杨永胜, 罗谨, 李红琴, 李英年, 周华坤. 三江源农牧交错区植被群落及土壤固碳持水能力对退耕还草措施的响应. 草业科学, 2017,34(10):1999-2008
Li Ling, He Hui-dan, Wei Ya-xi, Yang Yong-sheng, Luo Jin, Li Hong-qin, Li Ying-nian, Zhou Hua-kun. Response of vegetation community structure, soil carbon sequestration, and water-holding capacity in returning farmland to grassland plots, in the agro-pastoral transitional zone in the Three Rivers Source Region. Pratacultural Science,2017,34(10): 1999-2008  
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三江源农牧交错区植被群落及土壤固碳持水能力对退耕还草措施的响应
李令1,2, 贺慧丹1,3, 未亚西1,3, 杨永胜1,4, 罗谨1,3, 李红琴1,4, 李英年1,4, 周华坤1,4
1.中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁 810001
2.青海大学,青海 西宁 810016
3.中国科学院大学,北京 100049
4.中国科学院高原生物适应与进化重点实验室,青海 西宁 810001
通信作者：杨永胜(1987-),男,甘肃兰州人,助理研究员,博士,主要从事高寒草地生态水文学研究。E-mail:[email protected]

第一作者:李令(1995-),女,青海乐都人,在读本科生,主要从事环境科学研究。E-mail:[email protected]

收稿日期: 2017-04-21
基金项目: 青海省科技支撑计划(2015-SF-A4-1); 中国科学院战略性先导科技专项(XDB03030502); 青海省自然科学基金(2016-ZJ-943Q); 国家自然科学基金(31300385、31270523、31070437); 青海省国际科技合作项目(2015-HZ-804); 中国科学院西部之光项目(B类)“三江源退化高寒草甸恢复过程中的水分效应研究”
摘要

为探讨三江源农牧交错区植被群落演替、土壤固碳及水源涵养能力对退耕还草措施的响应,以青海省过马营镇退耕还草封育示范区为研究区域,通过野外实地监测及室内试验相结合的方法,分析了油菜( Brassica campestris)地经退耕还草措施后,植被群落演替、土壤固碳及持水能力的变化状况。结果显示,1)退耕还草11年后,其植被群落盖度、平均高度、植物分层及地上生物量均达到原生植被水平;而Shannon-Wiener群落多样性指数和Pielou均匀度指数分别达到原生植被的80.9%和97.5%。2)退耕还草11年后,0-40 cm土层的土壤容重降低5%,土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量分别较原生植被样地增加了12.6、9.4和11.2 mm。3)退耕还草11年后,0-20 cm土层土壤有机碳密度和C/N显著高于原生植被样地31.85%和37.63%( P<0.05),土壤全氮密度与原生植被样地的无显著差异( P>0.05)。综上所述,退耕还草措施有利于农牧交错区荒漠化草地生态环境的恢复,是遏制和改善三江源区草地荒漠化的有效措施之一。

关键词: 农牧交错带; 植被恢复; 群落结构; 持水特征; 水源涵养; 容重; 土壤有机质
中图分类号:S812.6+8 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)10-1999-10 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0626
Response of vegetation community structure, soil carbon sequestration, and water-holding capacity in returning farmland to grassland plots, in the agro-pastoral transitional zone in the Three Rivers Source Region
Li Ling1,2, He Hui-dan1,3, Wei Ya-xi1,3, Yang Yong-sheng1,4, Luo Jin1,3, Li Hong-qin1,3, Li Ying-nian1,4, Zhou Hua-kun1,4
1.Northwest Plateau Institute of Biology,Chinese Academy of Sciences, Xining 810001, Qinghai, China
2.Qinghai University, Xining 810016, Qinghai, China
3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
4.Key Laboratory of Adaptation and Evolution of plateau Biota, the Chinese Academy of Sciences, Xining 810001, Qinghai, China
Corresponding author: Yang Yong-sheng E-mail:[email protected]
Abstract

The present study aimed to explore the response of vegetation community succession, soil carbon sequestration, and water conservation capacity in returning farmland to grassland plots in the agro-pastoral transitional zone in the source region of the Three Rivers. The study region was a returning farmland to grassland demonstration zone in Guomaying town, Qinghai province and the study analyzed the changes in plant community succession, soil carbon sequestration, and water-holding capacity by field monitoring and laboratory experiments. The results demonstrated that: 1) After 11 years, total coverage, average height, number of layers of plants, and aboveground biomass in returning farmland to grassland plots all reached the same levels as the original vegetation, and the Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index reached 80.9% and 97.5%, respectively, of the original vegetation. 2) After 11 years, the soil bulk density of the 0-40 cm layer of returning farmland to grassland plots decreased by 5% compared to the original vegetation plots, and the saturation moisture capacity, capillary moisture capacity, and field capacity of returning farmland to grassland plots were 12.6, 9.4, and 11.2 mm greater than that of the original vegetation plots, respectively. 3) After 11 years in the returning farmland to grassland plots, the soil organic carbon density and C/N had significantly increased by 31.85% and 37.63%, respectively, compared to the original vegetation plots ( P<0.05), and there was no significant difference between the soil total nitrogen density of the returning farmland to grassland plots and the original vegetation plots ( P>0.05). The results indicate that the returning farmland to grassland plots have benefited from restoration of the ecological environment in desert pastures in the agro-pastoral transitional zone. This is an effective measure to contain and improve the desertification in the source region of the Three Rivers.

Keyword: Agro-pastoral Transitional Zone; vegetation restoration; structure of community; water-holding capacity; water conservation; soil bulk density; soil organic matter

在全球气候温暖化以及人类活动干扰等影响下, 近年来青藏高原生态系统发生了不同程度的退化现象, 如水土流失、荒漠化、生物多样性锐减、草地生产力下降等[1, 2, 3], 直接威胁到青藏高原乃至我国东部地区的生态安全。为缓解和改善草地生态系统状况, 近几十年来国家投入大量人力物力, 积极开展了各项生态安全屏障建设治理措施[4]。其中, 退耕还林还草工程是一项以恢复林草植被、改善生态环境为主导目标的生态建设工程, 是新中国成立以来投资最大的生态建设工程[5]。来自农牧交错带的研究结果显示, 退耕还草措施能够对荒漠化过程起到明显的逆转作用[6], 退耕地种植多年生豆科和禾本科牧草能够增加裸露土壤的覆盖度和覆盖时间, 显著提高饲草的产量和质量[7]。此外, 退耕还草措施还可以降低退耕地土壤容重[8, 9], 改善土壤理化性质[10, 11], 提高土壤含水量[10], 进而促进植物生长和植被恢复。目前, 有关退耕还草措施方面的研究主要集中在土壤理化性质及牧草产量方面, 鲜有涉及退耕还草措施对高海拔地区植被群落、土壤固碳及水源涵养能力影响方面的研究。

三江源地区位于青海省南部, 地处青藏高原腹地, 是我国乃至亚洲重要的水源涵养地[12]。草地生态系统是三江源地区的主体生态系统, 对区域生态系统服务功能的保持具有决定性作用。由于受到多种因素的综合影响, 三江源地区, 尤其是位于河谷农区和高原牧区间的农牧交错区生态系统持续退化, 已成为草地生态学界的研究热点[13]。研究退耕还草措施对三江源区农牧交错带植被群落结构及土壤固碳持水能力的影响, 不仅可以为生态治理工程实施下农牧交错区生态系统的恢复和治理提供科学依据, 还对准确评价生态环境建设工程效应具有重要意义。为此, 本研究以三江源农牧交错区为研究区域, 分析油菜(Brassica campestris)地经人工混播无芒雀麦(Bromus inermis)和冷地早熟禾(Poa crymophila)后的植被盖度、高度、多样性及土壤有机碳、氮变化状况, 研究退耕还草措施实施后, 三江源农牧交错区植被群落结构及土壤固碳持水能力的恢复状况, 以期为该区退耕还草恢复草原植被提供理论依据。

1 试验材料与方法
1.1 研究区概况

试验地位于青海省海南藏族自治州贵南县过马营镇南部约18 km处的退耕还草区, 在西宁-果洛公路168 km右侧, 西南方为木格滩。该区属高原大陆性寒温气候, 年均气温2.3 ℃, 7月最高(13.6 ℃), 1月最低(-11.0 ℃)。年降水量352.7 mm, 其中植物生长季的5-9月为308.3 mm, 占年降水量的87.4%。日照充足, 年均日照时数为2 823 h, 日均气温≥ 0 ℃、≥ 5 ℃的年积温分别为1 917.0、1 721.6 ℃· d[14]。植被类型属于针茅草原的干草原向亚高山草甸亚类过渡的类型, 原生植被优势种为冰草(Agropyron cristatum)、冷地早熟禾, 伴生种有婆婆纳(Veronica didyma)、弯茎还阳参(Crepis flexuosa)、狼毒(Stellera chamaejasme)、青海黄芪(Astragalus tanguticus)、阿拉善马先蒿(Pedicularis alaschanica)等。土壤为山地草原化草甸土, 土壤为砂壤, 粗骨性强。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与样方布局 试验样地位于贵南县过马营镇南哇什滩, 地理坐标为101° 12'-101° 14' E, 35° 96'-35° 98' N, 海拔3 0403 152 m。于2015年7月下旬选取原生植被地为对照(放牧强度为1.2只· hm-2)和原油菜地经退耕还草11年样地(退耕还草11年), 二者相距100 m。退耕还草样地于2004年通过耕耙-施肥-播种-轻耙(覆土)-镇压的方式进行播种, 播种牧草为无芒雀麦和冷地早熟禾, 播种密度分别为25、8和11 kg· hm-2, 播种面积为400 m2。经一次种植后, 进行长期围栏封育。调查试验期间, 在每个试验区设置大小均为2 m× 2 m的样地。调查时, 在样地的中央点和4个角各设置一个50 cm× 50 cm观测样方, 即每个处理有5个重复。

1.2.2 样品收集与调查 植被群落参数调查:在上述选择的样方内, 首先用直尺测量绿色植物群落的平均高度(每个样方测定30次, 取平均值)和单种植株高度, 用点样框法[15]测定群落总盖度和单种植被的分盖度。

植被地上、地下生物量:首先分拣出枯落物, 再用剪刀齐地面剪取植被地上部分, 分别装入纸袋。其次, 用直径8 cm的根钻按0-10、10-20、20-40 cm的土层分别采集地下土柱, 装在0.5 mm孔径的尼龙网袋。经分拣石子、清洗, 得到地下生物量, 稍晾干后装袋, 与收集的地上生物量一并置入65 ℃恒温烘干箱内烘至恒重后称重, 得到群落地上、地下生物量。

土壤样品及环刀样品收集:在取过地下生物量土柱的样方内, 用内径、高均为5 cm的环刀分别收集0-10、10-20、20-40 cm土层原状土样, 分析土壤容重和持水量。同时, 收集0-20 cm土层的土壤混合样品, 带回实验室, 测定有机质和全氮含量。

1.2.3 群落多样性指标计算方法

物种多样性指数(species diversity index, H')、均匀度(eveness, J)、重要值(important value, IV)和优势度(Simpson, C)计算公式如下[16]。

重要值=(相对盖度+相对高度)/2。

式中:相对盖度=(单种盖度/所有单种盖度之和)× 100; 相对高度=(单种高度/所有单种高度之和)× 100。

H'=- ∑i=1SPilnPi;

J=(- ∑i=1SPilnPi)/lnS;

C= ∑i=1SPi2.

式中:Pi为种i的相对重要值; S为种i所在样方的物种总数(丰富度)。

1.2.4 植被碳密度 植被碳密度通过植物地上地下生物量计算, 具体计算公式如下[17]:

DVCt= ∑i=1kDVCi= ∑i=1kCiOi.

式中:DVCt为单位面积植被碳密度(g· m-2); k为植被生物量所分层次(分为地上, 地下0-10、10-20、20-40 cm, 共4部分); Ci为植被碳含量(%), 地上取0.45, 地下取0.4[17]; Oi为单位面积植被生物量(g· m-2)。

1.2.5 土壤有机质含量 采集的土壤样品带回实验室后, 将其自然风干并碾磨过0.25 mm土壤筛, 利用重铬酸钾法[18]测定土壤有机质含量, 用凯氏滴定法[19]测定土壤全氮含量。并利用下列公式计算土壤有机碳密度和土壤全氮密度:

SOCi=CiDiEi(1-G);

TNi=NiDiEi(1-G).

式中:i为某一土层; SOCi为i层土壤有机碳密度(kg· m-2); TNi为i层土壤全氮密度(kg· m-2); Di为i层土壤容重(g· cm-3); Ci为土壤有机碳含量(%); Ni为土壤全氮含量(%); Ei为土层厚度(cm), Gi为> 2 mm的砾石所占体积(%)。

1.2.6 土壤容重及持水能力 土壤容重、土壤持水量均用环刀法来进行测定, 具体测定方法详见参考文献[20]。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2010进行数据的基本处理和作图, 采用SPSS 12.0软件进行各指标的One-Way ANOVA统计分析, 计算平均值、标准差及在P=0.05水平下各处理间的差异显著性。其中, 两两间比较采用t检验。

2 结果与分析
2.1 植被群落结构

2.1.1 盖度和高度的变化 与原生植被样地相比, 退耕还草11年样地的植被盖度显著提高了90.00%(P< 0.05), 平均高度比原生植被样地高出16.67%(P> 0.05)(图1)。

图1 原生植被与退耕还草11年样地植被总盖度和平均高度
注:不同小写字母表示同一指标不同样地间差异显著(P< 0.05)。图2、图3同。Fig. 1 Total coverage and everage height of vegetation in original vegetation and 11 years old of returning farmland to grassland plots
Note: Different lowercase letters for the same parameter indicate significant difference between two treatment plots at the 0.05 level; OV, original vegetection plot; RFG, 11 years old of returning farmland to grassland plot; similarly for Fig. 2 and Fig. 3.

2.1.2 物种丰富度及重要值 分析原生植被样地和退耕还草11年样地的植被群落组成发现(表1), 原生植被样地共有植物种18种, 分属10科。其中, 玄参科4种, 豆科3种, 禾本科2种, 蔷薇科2种, 唇形科2种, 菊科1种, 乃瑞香科有1种, 龙胆科1种, 鸢尾科1种, 莎草科1种。退耕还草11年后, 植被物种共有11种, 分属6科, 其中禾本科5种, 豆科2种, 蔷薇科1种, 唇形科1种, 伞形科1种, 菊科1种。同时, 退耕还草样地与原生植被样地植被群落结构差异明显:原生植被样地优势植物种为冰草、阿拉善马先蒿、婆婆纳、冷地早熟禾、狼毒和甘肃马先蒿, 其重要值分别为14.6、10.6、10.8、7.5、7.2和6.3; 退耕还草11年样地优势植物种为冰草、长茎藁本、紫花苜蓿、冷地早熟禾、垂穗披碱草和无芒雀麦, 其重要值分别为42.6、26.9、25.4、24.7、18.1和17.1。与原生植被样地相比, 退耕还草11年未出现的植物种为婆婆纳、阿拉善马先蒿、甘肃马先蒿、弯茎还阳参、青海黄芪、楔叶委陵菜、矮生嵩草、羽毛委陵菜、狼毒、筋骨草、獐牙菜、高原鸢尾和兔耳草。综上可知, 尽管农作区经退耕还草并长期封育后植物物种数、群落组成均有明显改善, 但其仍未达到原生植被区域水平。这说明在恢复人工耕作区植被群落至稳定群落结构是一个十分漫长的过程, 因此, 在生产实践中开垦草原时要十分慎重。

表1 原生植被与退耕还草11年样地植物群落特征参数及重要值 Table 1 Community parameters and important values in original vegetation plots and 11 years old of returning farmland to grassland plots

2.1.3 垂直分层结构 人工耕作区经退耕还草并长期封育后, 植被群落结构分层明显(表1)。油菜地经退耕还草11年后植被平均高度比原生植被样地增高了16.67%, 且其群落垂直层的分层数与原生植被样地一致, 由低到高可以分为3层:以紫花苜蓿组成低层结构, 植被高度在≤ 4 cm; 以冷蒿、垂穗披碱草组成中层结构, 植被高度在1018 cm; 以长茎藁本组成高层结构, 植被高度≥ 22 cm。说明退耕还草并长期封育有利于植被形成垂直分层, 提高植物对光能的利用效率, 从而促使植被的快速恢复。

2.1.4 植物物种多样性的变化 退耕还草11年后Shannon-Wiener群落多样性指数、Pielou均匀度指数分别达到原生植被水平的80.9%和97.5%(图2), 其中, 二者Shannon-Wiener群落多样性指数差异达到显著水平(P< 0.05)。退耕还草11年样地的Simpson优势度指数达到原生植被样地的162.4%(P< 0.05)。

2.2 土壤容重及持水能力

2.2.1 土壤容重 经退耕还草11年后, 油菜地0-10、10-20、20-40 cm土层的土壤容重均分别较原生植被样地降低了8.34%、2.92%、4.18%(表2)。0-40 cm土层土壤容重整体下降5%。同时, 原生植被样地和退耕还草11年样地土壤匀质化程度较高, 二者土壤容重均随着土层深度无显著变化(P> 0.05), 说明退耕

图2 原生植被与退耕还草11年样地物种多样性指数Fig. 2 Species diversity index of vegetation in original vegetation plots and 11 years old of returning farmland to grassland plots

还草并长期封育有利于降低土壤紧实度, 提高土壤孔隙度, 从而提高土壤固碳持水能力。

2.2.2 土壤持水特征 退耕还草11年样地0-10、10-20、20-40 cm土层的土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量均不同程度地高于原生植被样地, 二者的差异在20-40 cm土层达到显著水平(P< 0.05)(表2)。从0-40 cm整个土层来看, 退耕还草11年样地的土壤饱和持水量、毛管持水量和田间持水量分别比原生植被样地的高出12.01、11.26和9.55 mm。更有力地说明了退耕还草能够改善高寒草甸土壤持水能力, 提高该区域土壤水源涵养能力。

表2 原生植被与退耕还草11年样地土壤容重、持水特征参数 Table 2 Soil bulk density and water-holding characteristics in original vegetation plots and 11 years old of returning farmland to grassland plots
2.3 植被碳密度

与原生植被样地相比, 退耕还草11年样地植被绿体和枯落物分别比原生植被样地高405.8和167.0 g· m-2(P< 0.05), 其地下生物量比原生植被样地低744.9 g· m-2(P< 0.05)(表3)。植被碳密度代表了单位面积植物地上和地下生物量的碳含量, 结果显示, 原生植被样地植被碳密度比退耕还草11年样地高出40.3 g· m-2(P< 0.05)。总的来看, 退耕还草措施有利于地上生物量的快速恢复, 其地下生物量的恢复过程较慢。

2.4 土壤有机碳及全氮密度

退耕还草样地0-20 cm土层土壤有机碳密度较原生植被样地显著增高了31.85%(P< 0.05), 退耕还草样地0-20 cm土层土壤全氮密度较原生植被样地降低了4.21%(P> 0.05), 总的来说退耕还草措施有利于提高土壤固碳能力(图3)。土壤碳氮比(C/N)是指土壤有机碳与全氮含量之比, 它是土壤矿化能力的重要指标, 根据C/N可判断有机质分解过程中是发生了矿化还是微生物的固持, 退耕还草11年后C/N(6.57)显著高于原生植被样地(4.77), 这说明退耕还草措施有利于三江源农牧交错区土壤有机质的快速积累。

表3 过马营原生植被样地与退耕还草11年植被地上、地下生物量及植被碳密度的分布 Table 3 Distribution of both aboveground, belowground biomass and vegetation carbon density in original vegetation plots and 11 years old of returning farmland to grassland plots in Guomaying

图3 原生植被样地与退耕还草11年0-20 cm土层有机碳密度和全氮密度Fig. 3 Organic carbon density and total nitrogen density in original vegetation plots and 11 years old of returning farmland to grassland plots in soil layers of 0-20 cm

3 讨论
3.1 退耕还草措施对三江源农牧交错区植被群落结构的影响

退耕还草措施主要是通过播种优良牧草在短期内提高植被高度、盖度、生物量, 改善植物群落结构, 从而达到草地恢复重建的目的[21]。在本研究中, 油菜地经退耕还草种植无芒雀麦和冷地早熟禾并封育11年后, 植被平均高度、盖度、垂直分层数及地上生物量均达到原生植被水平, 而Shannon-Wiener群落多样性指数、Pielou均匀度指数均未达到原生植被水平, 这与史惠兰等[22]在江河源区的研究结果基本一致。这主要因为原生植被是研究区的气候顶极群落, 其物种丰富度、多样性指数和均匀度指数均较高, 而退耕还草11年后多年生禾本科优势度明显, 一年生杂草类植物生长相对较弱, 造成其Shannon-Wiener群落多样性指数及Pielou均匀度指数相对较低。相关研究表明, 退耕地在通过长时期的自然演替, 物种多样性和丰富度指数随演替时间增长而呈增加趋势, 最终会形成稳定的植物群落结构[23, 24]。例如, 在黄土高原区, 紫花苜蓿栽培草地经10年后可完全演替至当地原生地带性植被长芒草(Stipa bungeana)草原[25]。由于受到种子的传播方式、对环境的适应能力及物种之间的关系等[26]的影响, 本研究中油菜地经退耕还草11年后并未演替至原生地带性植被, 该地区退耕还草地完全演替至当地顶级稳定群落结构的年限还需进一步深入研究。

3.2 退耕还草措施对三江源农牧交错区土壤理化性质的影响

土壤容重是水源涵养功能的物理性质指标, 可表征土壤结构状况及土壤的松紧程度[16]。本研究中, 退耕还草11年后, 0-40 cm土层的土壤容重降低了5%, 这与前人的结论基本相似[11, 13, 27, 28]。这主要是因为退耕还草地采取严格禁牧措施, 其大幅度减少了牲畜等的啃食和踩踏, 植被生长良好, 根系在土壤中穿插、挤压以及死亡形成通道[29]及残留腐殖质的胶结作用降低了土壤的紧实度, 使土壤相对疏松, 孔隙度较高[11]。说明退耕还草措施能够提高土壤入渗能力, 增加草地水源涵养功能。

土壤中的有机碳量是由进入土壤中的植物残体量和在土壤微生物作用下分解的动植物残体的量所组成[13]。本研究发现, 退耕还草11年样地0-20 cm土层土壤有机碳密度显著高于原生植被样地(P< 0.05)。这主要是因为油菜地经退耕还草后长期封育, 其植被生长较好, 枯落物积累量增多, 在土壤微生物及土壤酶[30]的作用下, 其土壤有机碳含量较高, 这与何念鹏等[31]的研究结果一致。与本研究不同, 史惠兰等[32]对高寒地区的研究认为, 原生小嵩草(Kobresia myosuroides)区域0-20 cm土层土壤有机碳密度高于栽培草地区域。出现这种差异的主要原因是后者围封年限为5年, 并且在建植期间对土壤进行翻耕, 加速了表层土壤有机质的分解。与土壤有机碳不同, 退耕还草11年样地0-20 cm土层土壤全氮密度与原生植被样地无显著差异, 这可能与退耕还草年限较短及退耕初期施肥的干扰作用有关, 赵锦梅等[33]在祁连山的研究结果支持了本研究的观点。表明退耕还草措施能提高三江源农牧交错区土壤固碳能力, 为该地区土地可持续利用及退化草地恢复重建提供参考。

3.3 退耕还草措施对三江源农牧交错区植被碳密度的影响

尽管油菜地经退耕还草措施后, 长期围栏封育避免了家畜对植被的采食和践踏, 增加了植物群落的光合速率和叶面积指数[1], 使退耕还草11年样地植被地上生物量显著高于原生植被。但由于退耕还草样地较高的植被盖度和高度降低了土壤温度, 造成地表以下土壤处于相对较冷环境, 明显减缓了地下植被根系的生长[34], 造成退耕还草11年样地植被地下生物量显著低于原生植被。鉴于退耕还草过程中植被根系的植物碳密度大于地上部分的植物碳密度, 且根系植物碳密度占整个植被植物碳密度的比例较重[35], 造成退耕还草11年样地地上、地下总的现存碳密度显著低于原生植被。这也说明植被总的现存碳密度与地下碳密度具有一致性, 刘晓琴等[36]在海北高寒草甸的研究结果支持了这一观点。来自黄土高原的研究[37]认为, 根系是草地植被碳密度最重要的组成部分, 其封育22年对根系的抑制作用最为显著, 本研究中对退耕地封育11年, 是否也会在以后出现此种情况, 有待以后对该退耕还草地进一步研究。

3.4 退耕还草措施对三江源农牧交错区水源涵养能力的影响

土壤持水能力表征了一个地区土壤水源涵养能力的高低, 主要受土壤总孔隙度、容重、有机质、土壤颗粒组成等的影响[27]。土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量是衡量土壤持水能力的重要参数, 能够表示土壤贮水能力的强弱。本研究结果显示, 退耕还草11年样地0-10、10-20、20-40 cm土层土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量均高于原生植被样地。造成这种现象的原因主要有:退耕还草措施降低了0-40 cm土壤容重, 提高了植被盖度, 增加草地的覆盖时间, 减少土壤水分的挥发; 退耕还草措施提高0-20 cm土壤有机碳含量, 不仅改善了土壤结构, 增加土壤孔隙度, 而且还改变了土壤胶体状况[21], 使土壤吸附作用增强。说明退耕还草措施能够改善农牧交错区的土壤持水能力, 提高该区域土壤水源涵养能力。然而, 当退耕还草达到某一年限时, 会出现生境干旱化的现象[38]。因此, 在生产实践中, 实施退耕还草措施须注意年限, 应根据草地恢复状况制定适宜的封育期限, 不宜采取长期封育, 适当采用轮牧、游牧加速草地的恢复

4 结论

通过对三江源农牧交错区退耕还草11年及原生植被样地的植被群落结构、土壤持水能力及土壤固碳的生态效应分析, 初步得到以下结论:

1)退耕还草措施能够明显改善三江源农牧交错区植被群落结构。具体表现为:油菜地经退耕还草11年后, 植被总盖度、平均高度、垂直分层数及地上生物量均达到原生植被水平。退耕还草11年样地Shannon-Wiener群落多样性指数及Pielou均匀度指数相对较低, 而其Simpson优势度指数显著高于原生植被。

2)退耕还草措施不仅能够提高三江源农牧交错区土壤水源涵养能力, 而且有助于土壤固碳能力的增加。退耕还草11 年样地0-40 cm土层的土壤饱和持水量、毛管持水量及田间持水量分别比原生植被样地的高12.6、9.4、11.2 mm。同时, 退耕还草11年样地 0-20 cm土层的土壤有机碳密度和C/N分别比原生植被样地增高了31.85%和37.63%, 二者均达到显著水平(P< 0.05)。

The authors have declared that no competing interests exist.

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