不同放牧強度下荒漠草原土壤養(yǎng)分和植被特征變化研究

王天樂, 衛(wèi)智軍*, 劉文亭, 白玉婷, 張 爽, 丁莉君, 肖嘉圃, 呂世杰

(1. 內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院， 內蒙古 呼和浩特 010018; 2. 內蒙古農業(yè)大學理學院， 內蒙古 呼和浩特 010018)

放牧草地系統(tǒng)是人類生存、生產的重要基礎之一，長期以來，由于超載放牧及盲目開墾等，草地退化十分迅速，嚴重影響了國家生態(tài)安全和草地畜牧業(yè)的良性發(fā)展，如何緩解草地利用、退化、生態(tài)環(huán)境保護間的矛盾已迫在眉睫，其中確定適宜的放牧強度是解決目前草地所面臨問題的關鍵技術之一[1-3]。放牧過程中，草、土、畜是一個有機整體，他們之間相互影響，相互制約。土壤是植被生長發(fā)育的基礎，不斷為植被提供水分和營養(yǎng)物質，而植被的出現(xiàn)也影響著土壤的形成和發(fā)育[4]。家畜的采食和踐踏及糞便排泄物的歸還會直接或間接的影響土壤養(yǎng)分含量和植物物種的組成[5]，短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原是草原向荒漠過渡的生態(tài)交錯帶，其獨特的生態(tài)脆弱性使得該地土壤對放牧家畜格外敏感[6-7]。所以確定合理的放牧方式，對荒漠草原的保護及合理利用具有重要意義。

土壤容重是草地退化的重要指標[8]，隨著放牧壓力的增強，土壤容重逐漸增加，有研究表明放牧僅對表層土壤容重產生影響，且對0～5 cm土壤影響最為明顯[9]，土壤含水量是反映土壤健康狀況的重要指標，隨著放牧強度的增加，草原植被覆蓋度下降，土壤水分蒸發(fā)增加，土壤保水能力下降[10]。研究表明，放牧會改變植物群落組成，改變群落中凋落物的組成，降低群落地上生物量，改變土壤氮輸入[11]。長期放牧利用，會使草原生態(tài)系統(tǒng)中氮素流失[12-13]。許岳飛[14]等認為放牧土壤全氮含量呈現(xiàn)降低趨勢，也有人認為放牧對氮含量基本沒有影響。作為土壤養(yǎng)分歸還的主要因子，凋落物在生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動過程中起著關鍵作用，凋落物分解會產生土壤所需的養(yǎng)分和CO2，家畜的采食會減少地上生物量的生成，相應的會降低凋落物的生成，同時凋落物通過食草動物的踩踏、破碎會刺激自身的分解[15-16]。本試驗以短花針茅荒漠草原為對象，設置不同放牧強度，研究不同放牧強度下土壤理化性質及其變化規(guī)律，旨在從土壤物理性質的改善和養(yǎng)分的積累方面，探尋荒漠草原在保護中利用，在利用中恢復的適宜的放牧方式，為草地合理利用和草-土-畜的可持續(xù)發(fā)展提供基礎數據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于內蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗朱日和鎮(zhèn)(112°47′ E，42°15′ N)。該地地形平坦，土壤質地為淡栗鈣土，腐殖質層厚4～8 cm；鈣積層明顯分布在10～35 cm土層中，年平均降水量177.2 mm，蒸發(fā)量為2 500 mm，該地區(qū)大多數年受到不同程度的干旱威脅，降水主要集中在牧草生長旺盛的7、8月份。群落以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種，無芒隱子草(Cleistogenessongorica)為亞建群種，伴生種有狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)、木地膚(Kochiaprostrata)、天門冬(Asparagusgobicus)等。

1.2 試驗設計

試驗地位于連續(xù)的同一地段，地勢平坦，環(huán)境相對均勻。放牧試驗于2010年開始，每年5月開始放牧，10月底終止，期間采用連續(xù)放牧方式，晚上羊群在樣地不歸牧，不進行補飼。本研究設有3個放牧處理，依次為不放牧(NG)、適度放牧(MG)和重度放牧(HG)，每個處理均設有3次重復，每個試驗小區(qū)面積均為2.60 hm2，適度放牧處理和重度放牧處理載畜率分別為1.92羊·hm2·a-1和3.08羊·hm2·a-1。放牧的草食動物為“蘇尼特羊”，放牧區(qū)綿羊的健康狀況、個體大小、體重、性別基本一致。

1.3 取樣方法

2015年8月中旬進行土壤取樣，用直徑為4 cm土鉆在各放牧小區(qū)隨機取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土樣，將土樣裝入鋁盒，帶回室內立即稱重，重復3次，隨即將鋁盒放入105℃烘箱烘至恒重，計算土壤含水量。用容積為100 cm3的土壤環(huán)刀在各放牧小區(qū)隨機取深度為0～10，10～20，20～30，30～40 cm的土樣，將土樣裝入小鋁盒，帶回室內稱重，重復3次，并放入105℃烘箱烘至恒重，測定土壤容重。隨機在不同放牧處理小區(qū)取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土樣，3次重復，帶回實驗室進行養(yǎng)分分析。測定指標及方法如下：土壤全碳、全氮采用元素分析儀(Elementar vario MACRO)測定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗顯色—分光光度法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計法測定；速效氮利用氫氧化鈉堿解—擴散吸收法測定；速效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗顯色—分光光度法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度吸收法測定[17]。

在各小區(qū)內，選擇代表性植物群落的典型地段，設置5個1 m×1 m的樣方,采用刈割法獲取群落地上現(xiàn)存生物量，80℃下烘干24 h，獲得干物質量，同時測定樣方內凋落物的現(xiàn)存量。

1.4 數據分析

采用統(tǒng)計軟件SPSS 21對相關指標進行單因素方差分析(one way ANOVA)，以放牧方式作固定因子，分別以土壤容重和含水量、土壤C、N、P、K含量、群落地上現(xiàn)存量和凋落物生物量作因變量，采用Duncan法進行多重比較，同時對凋落物生物量和地上現(xiàn)存量進行相關分析，采用Office Excel 2013進行作表和繪圖。

2 結果與分析

2.1 放牧對土壤物理性質的影響

土壤容重是土壤結構和土壤緊實度的重要指標，放牧對土壤容重的影響主要表現(xiàn)在0～30 cm土層(表1)，呈重度放牧處理最高，適度放牧次之，不放牧處理最低；而土壤含水量則剛好相反，隨放牧強度的增加呈下降趨勢，各放牧區(qū)20～30，30～40 cm土層土壤含水量無顯著性差異，說明土壤深層含水量受放牧強度的響應較小。

表1 不同放牧強度下土壤物理性質變化Table 1 Dynamics of soil physical property under different grazing intensities

2.2 放牧對土壤養(yǎng)分特征的影響

由表2可知，放牧對土壤全碳、土壤速效氮無顯著性影響，而30～40 cm深度土壤全氮受放牧影響顯著(P<0.05)。隨著放牧強度的增加，0～10 cm土層全磷含量呈降低趨勢。土壤速效磷在各放牧強度變化中無顯著性差異。土壤全鉀隨著放牧強度的增加逐漸下降，隨土層深度的增加逐漸升高。土壤速效鉀是植物生長過程中易被較快吸收利用的鉀素形態(tài)，土壤速效鉀含量在0～10 cm土層表現(xiàn)為中度放牧>重度放牧>不放牧。

表2 不同放牧強度下土壤養(yǎng)分變化Table 2 Dynamics of soil nutrients under different grazing intensities

2.3 放牧對草地群落地上生物量的影響

放牧對荒漠草原群落地上生物量有顯著影響，隨著放牧強度的增加，群落地上生物量逐漸降低，不放牧群落地上生物量為72.6 g·m-2，顯著高于適度放牧(44.1 g·m-2)和重度放牧(31.9 g·m-2)(圖1)。作為荒漠草原植被的建群種及優(yōu)勢種，短花針茅(Stipabreviflora)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、堿韭(Alliumpolyrhizum)和銀灰旋花(Convolvulusammannii)地上生物量在群落中占較大比重，且變化趨勢與群落生物量一致，隨著放牧強度的增加，主要物種地上生物量逐漸降低，不放牧樣地主要物種地上生物量顯著高于適牧和重牧(P< 0.05)。

本研究表明，適度放牧有利于增加主要物種在群落地上生物量中的比值，但隨著放牧強度的增加，主要物種相對生物量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(圖2)，因為適度放牧會刺激植物的生長，增加主要物種的地上生物量[18]。隨著放牧強度的增加，草原植物群落生產力大幅降低，使得物種組成發(fā)生變化，降低主要物種的相對生物量。

凋落物指一定面積上特定生態(tài)系統(tǒng)地表堆積的物質，是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還的重要參與者，當凋落物從植物體脫落進入地表時，就開始物理、化學、生物的分解，通過這些過程釋放出生態(tài)系統(tǒng)所需的養(yǎng)分和二氧化碳[19]，研究得出，放牧會降低植物地上凋落物存量，隨著放牧強度的增加，凋落物生物量逐漸降低，不放牧下凋落物生物量最高，為6.8 g·m-2，顯著高于全年重牧(P< 0.05)(圖3)。

圖1 群落地上生物量和主要物種地上生物量變化Fig.1 Changes of community aboveground biomass and dorminant species aboveground biomass

圖2 不同放牧強度主要物種相對生物量Fig.2 Relative biomass of dominant species under different grazing intensities

圖3 凋落物生物量隨放牧強度的變化Fig.3 Change of litter biomass with grazing density

2.4 群落地上生物量與凋落物生物量之間的關系

研究得出，凋落物地上生物量與群落地上生物量呈顯著正線性相關(圖4)。對于陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，枯枝落葉的凋落量對于植物生物量的形成，除土壤提供營養(yǎng)外，覆蓋物同樣也能提高土壤營養(yǎng)物質的利用率。

圖4 地上生物量與凋落物生物量之間的關系Fig.4 Relationship between above ground biomass and litter biomass

3 討論

3.1 放牧強度對土壤物理性質的影響

土壤容重受家畜踩踏的影響較敏感，作為草地退化的重要指標之一，其基本狀況綜合反映土壤健康狀態(tài)[20-21]。本研究認為，隨放牧強度的增加，表層0～10 cm土壤容重顯著增加，即單位面積內牲畜頭數的增加，使得家畜對土壤的壓實作用更為強烈，伴隨土壤緊實、土壤孔隙度減小，引起透水性、透氣性和水導率下降，且受家畜的踐踏作用主要分布在0～10 cm土層。放牧對土壤容重的影響還表現(xiàn)在不同深度上，不放牧土壤容重隨土層深度的增加逐漸上升，而適牧和重牧土壤容重隨著土層深度的增加逐漸降低。這可能是因為植物根系主要分布于土壤表層，不放牧土壤沒有受到外界因素的干擾，植物生長較好，種類較多，所以表層土壤比較疏松，土壤容重較小，但隨著土層深度增加，根系逐漸減少，土壤通氣性變差，使得土壤緊實度增加，土壤容重變大。而放牧地本身由于家畜的采食及踩踏，降低了植被蓋度，導致表層根系數量減少，同時放牧增加對土壤的壓實作用，導致放牧區(qū)表層土壤容重高于底層。天然草地土壤含水量不僅與降水的多少密切相關，對放牧也有一定的響應，試驗表明全年重度放牧會導致0～20 cm土壤含水量顯著下降，20～40 cm土層土壤含水量無顯著性變化，放牧對土壤含水量的影響隨土層的加深而減弱，這與石永紅[8]的研究結果一致。

3.2 放牧強度對土壤養(yǎng)分的影響

作為草地生態(tài)系統(tǒng)中最大的營養(yǎng)庫，土壤碳、氮和磷在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，是構成土壤有機質的重要組成部分，對維持土壤結構、降低土壤侵蝕潛力、保障土壤水分關系產生重要作用，是土壤結構的關鍵因子[22]。研究認為，放牧對土壤有機質含量沒有影響[23]，還有研究發(fā)現(xiàn)放牧增加了土壤有機質的含量[24-25]，本試驗表明放牧對0～20，30～40 cm土層土壤有機質含量無顯著影響，Smoliak·S[26]進行的19年放牧試驗結果表明，不同放牧強度對土壤全磷含量影響不大，與本研究結果一致，本試驗得出土壤全磷、速效磷含量在各土層不同放牧處理之間無顯著差異。全鉀含量在重度放牧與輕度放牧之間無顯著差異，各處理之間無顯著變化，說明土壤全鉀對放牧強度的響應較小。隨單位面積內家畜數量的增加，各放牧小區(qū)地上凋落物積累量逐漸降低，經過動物的踐踏、破碎、分解，使得凋落物與土壤充分接觸，加速了凋落物分解，使凋落物中的養(yǎng)分含量和碳元素充分轉移到土壤中。凋落物分解作為養(yǎng)分歸還土壤的一種重要形式，是生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)，Taylor研究表明[27]，凋落物的質量對凋落物分解速率有很好的指示作用，凋落物的分解會間接提高土壤養(yǎng)分，通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機質及全氮含量并沒有表現(xiàn)出顯著變化，說明凋落物在自然環(huán)境分解過程十分復雜，許多因素會對凋落物分解產生影響，Swift[28]等強調凋落物質量與分解速率間的關系為正相關或負相關，根據凋落物分解階段不同而異。放牧會減少地上生物量，降低單位面積凋落物的生成，隨著放牧強度的增加，群落地上生物量和主要物種生物量顯著降低，但主要物種在群落地上生物量的比值，隨放牧強度的增加呈先增加后降低的變化趨勢，在適度放牧處理下主要物種生物量比值最高，這與戴新剛的研究結果一致，一定程度的啃食有助于增加盛夏季節(jié)短花針茅的產量，中度放牧條件下表現(xiàn)最為突出[29-30]。本試驗地為以短花針茅為建群種的荒漠草原，生態(tài)環(huán)境脆弱，適度放牧雖然會對環(huán)境造成輕度影響，但是由于植物本身具有強大的根系和密叢型結構，使得成年株叢的存活率高，同時適度放牧可以刺激植物的營養(yǎng)繁殖和生長，有利于增加優(yōu)勢種在群落中的比值[18]。短花針茅作為優(yōu)良牧草，為家畜所喜食，在重度放牧下，家畜的嚴重采食，會降低短花針茅生產力，使優(yōu)勢種生物量在群落中的比值降低。盡管植被在放牧影響下變化顯著，但是土壤養(yǎng)分并沒有顯著性變化，說明放牧對土壤養(yǎng)分的影響是一個長期緩慢的過程，短期放牧并不會使土壤養(yǎng)分產生太大變化。同時，凋落物的分解對土壤的影響是一個非常復雜的過程，是生物因素和非生物因素共同作用的結果[31]。

4 結論

本研究以內蒙古短花針茅放牧草地為依托，分析比較了不同放牧強度下土壤理化性質的變化。研究認為，放牧會顯著增加土壤容重，降低土壤含水量，短期放牧對土壤養(yǎng)分無顯著影響；放牧會降低植被地上生物量，減少凋落物的生成。因此，適度放牧是維護短花針茅荒漠草原土壤養(yǎng)分、提高草地生產力的有效途徑，同時也是保護這一地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境的有效方法之一。