研究区位于松嫩草地中南部吉林省长岭县境内, 地理位置为44° 40'-44° 44' N, 123° 44'-123.47' E。该区属温带半湿润季风气候, 具有明显的大陆性季风气候特征。春季干旱多风且降水稀少, 地表蒸发剧烈; 夏季降水集中, 冬季降雪较少。海拔150~180 m, 年均温4.9 ℃, ≥ 10 ℃积温2 920 ℃· d, 无霜期140~160 d, 年日照时数2 800 h。年降水量300~500 mm, 集中在6-9月, 占总降水量的70%。地带性土壤为黑钙土, pH为7.5~9.0。植被类型主要有榆树(Ulmus pumila)疏林、草甸草原、羊草草原、狼针草(Stipa baicalensis)+线叶菊(Filifolium sibiricum)草原和大针茅(Stipa grandis)草原, 盐碱化土壤上分布着碱茅群落、虎尾草群落、碱蓬(Suaeda glauca)等盐生群落。

在研究区内依据放牧强度和植被的退化演替规律^[3], 选取具有一定面积典型的羊草群落(LC)、虎尾草群落(CV)、碱茅群落(PD)和碱蓬群落(SG)作为不同草地退化阶段的研究对象, 分别代表轻度退化、中度退化、重度退化和极度退化4个草地退化演替阶段。与2013年8月下旬在每个样地内, 进行植物群落调查和采集土壤样品。在每个样地内随机选取设置5个1 m× 1 m样方进行植物群落调查, 在齐地面分类剪草后, 收集样品, 并带回实验室进行烘干称重, 获取地面生物量。在进行植被调查的基础上, 在每个样地内采集0-10、10-20、20-30 cm表层土壤样品, 土壤样品用硬质塑料盒盛装, 带回实验室, 风干、剔除石块和根系后用于分析土壤团粒结构。同时在各样地中用环刀法测定土壤容重和水分, 并在每个样地的地下部分取0-30 cm土壤, 将5个样方土壤等量混合, 带回实验室风干、剔除石块和根系后进行土壤理化性质的测定。

物种多样性指数采用香农-威纳指数(Shannon-Wiener index)分析^[14]:

H'=- ∑i=1SP_ilnP_i(1)

式中:S为物种数目, P_i为属于种i的个体在全部个体中的比例, H'为物种的多样性指数。

土壤含水量采用烘干法测定, 土壤浸提液的pH用酸度计(雷磁 pHS-3C)测定^[15], 土壤有机质采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定, 土壤全氮量用元素分析仪(Heraeus Elementar Vario EL, Hanau, Germany)测定。

土壤水稳性团聚体参照参考文献[16]的方法进行测定。利用各粒级团聚体数据分别按照公式(2)、(3)、(4) 计算大于0.25 mm团聚体R_0.25, 平均重量直接MWD和几何平均直径GWD,

R_0.25= Mr> 0.25MT(2)

式中:M_T为团聚体总重量, M_{r> 0.25}表示粒径大于0.25 mm的团聚体的重量。

MWD= ∑i=1nW_iX_i(3)

式中:X_i是筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径, W_i是任一粒径范围团聚体的总量占土壤样品干重的分数。

GWD=exp[( ∑i=1nW_i1gX_i)/ ∑i=1nW_i] (4)

式中:W_i代表是平均直径为X_i的团聚体重量, ∑i=1nW_i 是土壤样品的总重。

运用Excel对土理化性质和植被生态特征(植被生物量、物种多样性指数、总盖度)进行统计, 运用SPSS 16.0统计软件对土壤各特性指标进行单因素方差分析和LSD检验, 通过Origin 8.6完成绘图。

松嫩草地不同退化阶段的植被群落特征有较大差异(表1)。随着草地的退化, 群落结构发生变化, 植被生物量和物种多样性指数逐渐降低; 总盖度先升后降(由于虎尾草群落的植株最高, 其它群落植株的高度依次降低), 总体上也呈现出下降的趋势。由于草地退化演替的进行, 极度退化的盐碱地植被群落为生物量小、物种多样性指数小并且盖度也较小的碱蓬群落。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同退化阶段的松嫩草地植被群落特征 Table 1 The characteristics of different grassland communities 指标 Item LC CV PD SG 生物量Biomass/g· m-2 285.0± 10.9 253.6± 16.5 203.4± 12.2 124.4± 8.6 物种多样性指数The diversity index 1.03± 0.3 0.95± 0.4 0.87± 0.2 0.53± 0.3 总盖度Coverage/% 85.7± 5.3 90.2± 5.9 52.0± 4.0 30.5± 5.9 Note: LC, CV, PD and SG represent the community of Leymus chinense, Chloris virgata, Puccinellia distans and Suaeda glauca, respectively. The same below. 注:LC、CV、PD和SG分别代表不同退化阶段的羊草群落、虎尾草群落、碱茅群落和碱蓬群落。下同。

表1 不同退化阶段的松嫩草地植被群落特征 Table 1 The characteristics of different grassland communities

松嫩草地植被的退化演替对土壤理化特征有明显影响(表2)。伴随植被群落从羊草群落到碱蓬群落的逆向演替进行, 土壤的容重和pH逐渐升高, 其中所有土样的pH均在8.0以上, 而处于极度退化的碱蓬群落土壤pH最高, 达到了10.10; 土壤含水率、有机质含量和全氮含量逐渐降低。其中羊草群落和虎尾草群落的土壤含水率和有机质含量之间差异并不显著(P> 0.05), 而全氮含量有着显著的差异(P< 0.05), 二者与严重退化的碱茅群落和碱蓬群落相比, 均有显著的差异。这说明处于中度退化的虎尾草群落的土壤中并不缺少水分和有机质, 只是随着土壤盐碱化的加重, 植被面积逐渐降低, 凋落物会减少或消失, 导致土壤含水率、有机质含量和全氮含量降低, 肥力下降。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 草地不同退化阶段的土壤特征 Table 2 The soil characteristic of different grassland communities 指标 Item LC CV PD SG 容重Bulk density/g· cm-3 1.27± 0.015b 1.28± 0.007b 1.32± 0.010a 1.35± 0.013a 含水率Soil moisture/% 26.41± 1.06a 25.84± 0.65a 23.27± 0.62b 20.76± 0.71b pH 8.79± 0.17d 9.25± 0.07c 9.57± 0.03b 10.10± 0.03a 有机质Organic matter/% 2.29± 0.10a 2.16± 0.06a 0.52± 0.03b 0.36± 0.05b 全氮 Total N/% 0.12± 0.01a 0.07± 0.00b 0.05± 0.01c 0.04± 0.01c Note: Different lower case letters within the same row indicate significant difference among different communities at the 0.05 level. 注:同行不同小写字母表示不同群落间差异显著(P< 0.05)。

表2 草地不同退化阶段的土壤特征 Table 2 The soil characteristic of different grassland communities

土壤水稳性团聚体是衡量土壤质量和反映土壤结构的重要指标。土壤团聚体可以分为大团聚体(粒径> 0.25 mm)和微团聚体(粒径< 0.25 mm), 并且大团聚体的含量越高说明土壤结构越稳定^[17]。羊草群落在0-10和10-20 cm土层的土壤团聚体粒径分布与虎尾草群落在土壤表层0-10 cm的团聚体粒径分布相同, 主要集中在10~2 mm和< 0.5 mm粒径范围, 而20-30 cm土层的团聚体粒径分布与虎尾草群落在土壤10-20和20-30 cm的团聚体粒径分布相同, 主要集中在< 0.5 mm粒径范围(图1)。碱茅群落和碱蓬群落0-30 cm土层的土壤团聚体粒径分布均集中在< 0.25 mm粒径范围。因此, 通过4种典型植物群落的土壤团聚体粒径分布情况, 可以看出随着草地退化的进行, > 0.25 mm大团聚体所占比例逐渐减少, 处于极度退化的碱蓬群落表层< 0.25 mm微团聚体占的比例为97.36%, 同时随着取样深度的加大, 发现各个退化阶段的土壤团聚体粒径分布中< 0.25 mm微团聚体所占比例逐渐增加。这是由于草地退化可以通过改变草地地上植被和地下根系, 引起土壤理化性状的改变, 导致土壤容重增加, 入渗能力降低, 土壤抗冲性下降, 使得土壤团聚体崩解, 导致土壤团聚体中> 0.25 mm大团聚体所占比例下降, 同时< 0.25 mm微团聚体所占比例上升。

图1

Fig.1

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	图1 草地不同退化阶段不同深度土层的各级粒径水稳性团聚体含量Fig.1 The water-stable soil aggregate content in different grassland communities

土壤团粒结构体一般指> 0.25 mm的团聚体, 由于团粒结构是土壤中最优的结构体, 且其数量与土壤肥力状况呈正相关^[18], 故本研究测定> 0.25 mm团聚体的比例(R_0.25)来说明土壤团聚体的数量变化。反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标是土壤团聚体的平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GWD), 且其值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高、稳定性越强^[19]。草地不同退化阶段的土壤团聚体稳定性不同(表3)。羊草群落的0-10 cm土层中R_0.25的值为44.17%, 显著高于虎尾草群落、碱茅和碱蓬群落R_0.25值(P< 0.05), 但碱茅群落和碱蓬群落间的R_0.25值并未产生显著性差异(P> 0.05), 与10-20和20-30 cm土层的结果一致, 说明草地退化的进行, 导致土壤> 0.25 mm的团聚体数量急速下降, 使土壤团粒结构体的数量降低, 进一步影响土壤的肥力和物理性状。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同演替阶段不同深度土壤水稳性团聚体稳定性 Table 3 The stability of waterstable aggregates in different grassland communities 土层Soil layer 样地Plot R0.25/% MWD/mm GMD/mm 0-10 cm LC 44.17± 0.82a 1.31± 0.25a 0.62± 0.05a CV 26.98± 1.39b 1.17± 0.07a 0.55± 0.09ab PD 4.48± 0.45c 0.30± 0.07b 0.33± 0.09ab SG 2.64± 0.34c 0.18± 0.04b 0.30± 0.03b 10-20 cm LC 42.77± 1.28a 1.05± 0.13a 0.59± 0.06a CV 17.28± 1.10b 0.61± 0.07b 0.48± 0.04a PD 1.44± 0.13c 0.12± 0.02c 0.31± 0.02b SG 0.22± 0.01c 0.06± 0.01c 0.29± 0.02b 20-30 cm LC 23.73± 1.08a 0.33± 0.02a 0.42± 0.02a CV 18.13± 0.15b 0.48± 0.02b 0.44± 0.03a PD 1.16± 0.05c 0.10± 0.02c 0.29± 0.01b SG 0.23± 0.04c 0.07± 0.00c 0.30± 0.00b Note: Different lower case letlers within the same column indicate significant difference among different communitios of same soil layer at the 0.05 level; R0.25, > 0.25 mm water-stable aggregates; MWD, the mean weight diameter of soil; GMD, geometric weight diameter of soil. 注: 同列不同小写字母表示同一土层不同群落间差异显著(P< 0.05); R0.25, 土壤中> 0.25 mm的团聚体数量; MWD, 土壤中团聚体的平均质量直径; GMD, 土壤中团聚体的几何平均直径。

表3 不同演替阶段不同深度土壤水稳性团聚体稳定性 Table 3 The stability of waterstable aggregates in different grassland communities

0-10 cm土层中羊草群落的团聚体MWD值和虎尾草群落间无显著差异(P> 0.05), 但均显著高于碱茅群落和碱蓬群落(P< 0.05), 说明草地植被群落退化至虎尾草群落时土壤表层团聚状况并未显著降低, 但退化至碱茅群落后使土壤表层团聚状况显著降低, 阻碍良好土壤结构的形成。在10-20和20-30 cm土层中羊草群落的团聚体MWD值显著高于虎尾草群落、碱茅群落和碱蓬群落的值, 说明在土壤表层由于有枯枝落叶等的腐殖质的存在, 导致虎尾草群落表层的土壤表层团聚状况优于深层土壤团聚状况。