土壤开裂是陆地生态系统退化的一个重要过程及特征,可以影响土体结构、土壤性质、土体内水分运移、植物生长和群落物种分布等。目前,关于高寒草地开裂研究较为少见。本研究源于野外工作时发现的高寒草甸土壤开裂现象而展开。自2012-2019年,在青藏高原东缘高寒草地通过景观尺度调查、小尺度定点研究和微尺度斑块研究相结合的跨尺度方法,首先在景观尺度上调查裂缝在青藏高原东缘主体草地类型(高寒草甸、高寒草原和高寒沼泽草甸)的分布,以期了解土壤裂缝与土壤类型、气候因子和放牧强度等因素间的关系;其次选取高寒草甸的典型裂缝分布区作为小尺度定点研究区,建立3个裂缝与非裂缝对比样地,进一步探究土壤裂缝因子与17个潜在相关变量之间的关系,并找出放牧条件下引起高寒草地土壤开裂的主导环境因子;最后在微尺度上,选取27个裂缝斑块进行连续的土壤渗透、理化性状和植物群落调查,以评估裂缝形成后引起的水分和养分再分配以及对植物群落物种分布格局的影响,并进一步评估裂缝形成后对高寒草地可能造成的生态学影响。本研究结果对了解放牧扰动下高寒草地生态系统的退化和恢复过程有重要的意义。主要结果如下:(1)青藏高原高寒草地裂缝仅发生在过度放牧条件下的高寒草甸区(年均温度0.25±1.04℃,年均降雨550.11±60.02 mm)。当高寒草甸的实际载畜率大于1.59羊单位(SU)/ha,植物群落地上生物量小于49.56g/m~2,群落高度小于2.43cm,草地土壤出现裂缝;当植物群落地上生物量大于63.12g/m~2,群落高度大于5.31cm,无裂缝出现。因此,本研究提出植物群落地上生物量为65 g/m~2,群落高度为6 cm,是高寒草甸土壤是否开裂的临界值。(2)高寒草地开裂具有时间规律性。一年中会出现开裂(11月到次年5月)和愈合(6月到10月)2个时期。开裂期土壤裂缝的长度、宽度和深度随月份的发展表现出先增加后减小的变化规律,而在每年3月份裂缝的长度(55.27±6.95 m)、宽度(3.09±0.47 cm)和深度(27.65±2.18 cm)均达到最大。在愈合期,土壤愈合裂缝的平均长度为43.44±7.01 m,愈合裂缝宽度随月份的发展也表现出先增加后降低的变化规律,在8月达到最大,愈合裂缝的深度基本稳定在1.81±0.14 cm。(3)土壤开裂和愈合时间与土壤处于0℃的时间基本一致,裂缝区土壤温度的变异性高于非裂缝区。非裂缝区土壤温度显著高于裂缝区土壤温度,在0-10 cm非裂缝区土壤温度全年平均高于裂缝区1.41℃,而10-25 cm非裂缝区土壤温度全年平均高于裂缝区1.08℃。(4)土壤紧实度和含水量是主导土壤裂缝形成的最关键生态因子。通过裂缝因子与潜在环境变量的多元综合分析,以及对比裂缝区和非裂缝区土壤紧实度和含水量的差异发现,土壤紧实度和含水量可单独解释裂缝特征总方差的89.0%,且达到极显著水平。裂缝区土壤紧实度(0-20cm、20-40cm)和土壤固体含量(0-10cm、10-20cm和20-30cm)均显著高于非裂缝区。(5)土壤种子库的种子总数受土壤镶嵌裂缝斑块的影响。愈合裂缝内各土层(0-2 cm、2-5cm、5-10 cm)的种子数均显著大于相应的裂缝斑块内部凸出部位。愈合裂缝的土壤种子数是裂缝斑块内部凸出部位土壤种子数的2.37倍。在0-2 cm、2-5 cm和5-10 cm土层的愈合裂缝的土壤种子数分别是裂缝斑块内部凸出部位的土壤种子数的1.89、3.34和3.5倍。不论是愈合裂缝还是裂缝斑块内部凸出部位的土壤种子库中,绝大多数种子属于双子叶植物,两个部位种子数量的分布比例均大于90%。(6)裂缝形成后引起了斑块微尺度上的空间异质性。愈合裂缝内土壤温度受环境条件变化的影响较小,其温度变异性显著低于裂缝斑块内部的凸出部位。不同土层深度愈合裂缝的土壤养分含量(有机碳、全氮、速效磷、速效钾)均显著高于裂缝斑块内部的凸出部位。愈合裂缝中土壤速效磷的变异程度(随时间的波动幅度大小)在所有的土壤化学性状中最高;愈合裂缝的土壤紧实度和容重显著低于裂缝斑块内部凸出部位,而不同土层深度的愈合裂缝土壤孔隙度和质量含水量均高于裂缝斑块内部凸出部位。(7)裂缝形成引起了微尺度斑块的水分重新分配。凸出部位的土壤紧实度(0-30cm)是愈合裂缝的2.33倍。而0-10cm、10-20cm和20-30cm愈合裂缝的孔隙度也显著高于裂缝斑块凸出部位。愈合裂缝0-5 cm土壤全部浸透所需时间极显著低于裂缝斑块凸出部位。愈合裂缝初始入渗速率和稳定入渗速率均极显著高于凸出部位的初始入渗速率和稳定入渗速率。裂缝斑块凸出部位累积渗透每月总降雨量的时间是愈合裂缝累积渗透每月总降雨量所需要时间的7.79倍。(8)裂缝斑块的形成显著影响了植物群落组成。愈合裂缝的地上和地下生物量均显著高于裂缝斑块内部凸出部位。裂缝斑块凸出部位的物种重要值累积速率明显高于愈合裂缝,表明凸出部位物种分布更加不均匀。研究期间愈合裂缝的植物群落盖度相对稳定,但凸出部位的植物群落盖度显著降低。愈合裂缝的物种丰富度每年均显著高于凸出部位的物种丰富度。非度量多维尺度分析(NMDS)表明,植物群落物种的空间分布发生了显著的变化。CCA多元分析和方差分解进一步表明,土壤性状总共解释裂缝斑块植物群落物种分布的71%。土壤物理性状和化学性状的交互作用共解释植物群落物种组成总方差52.4%。综上所述,本研究系统报道了过度放牧下青藏高原高寒草甸的开裂现象,阐释了过度放牧下裂缝的形成原因以及可能产生的生态学后果。提出了高寒草甸裂缝形成的阈值指标(植物群落留茬生物量小于65 g/m~2,留茬高度小于6 cm,土壤紧实度大于1044.26±188.88 kPa),认为放牧干扰下土壤裂缝形成是青藏高原健康高寒草地向重度退化发展的关键转折点,并构建了基于裂缝发生的高寒草地退化模式和恢复路线。最后建议草地管理者重点关注高寒草地的矮嵩草-裂缝阶段,并通过控制草地的利用强度来防止草地裂缝形成。