典型草原不同放牧強度草地土壤健康評價

樊才睿, 王騰

典型草原不同放牧強度草地土壤健康評價

樊才睿1, 2, 王騰1, *

1. 集寧師范學院, 烏蘭察布 012000 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 呼和浩特 010018

土壤是草地植被生長的基礎, 土壤質(zhì)量的好壞直接影響植被的生長狀況, 為探究放牧強度對典型草原土壤性能的影響, 以呼倫貝爾典型草原為研究對象, 選取重度放牧、中度放牧、不放牧草地, 對表層0—30 cm土壤的物理、化學、生物等19個指標進行分析, 利用主成分分析法選取9個主要貢獻指標, 利用模糊綜合評價法, 評價不同放牧強度草地的土壤健康狀況。結果顯示: (1)放牧強度的增加改變草地土壤的物理化學生物性質(zhì), 隨放牧強度的增加, 表層土壤砂粒含量上升, 粘粒粉粒含量下降, 三種放牧草地30cm深土壤的物理特性差異顯著 (P<0.05)。(2)土壤中氮、磷、鉀、有機質(zhì)等元素含量變化差異較大, 總體顯示隨深度的增加逐漸增大; 土壤中多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶活性退化程度, 隨深度的增加而逐漸減小, 且不放牧草地<中度放牧草地<重度放牧草地。(3)通過主成分分析選取處對土壤變化較為敏感的田間持水量、土壤容重、粉粒、pH值、電導率、全磷、全鉀、有機質(zhì)、脲酶為土壤健康評價指標, 進行模糊綜合評價, 得出重度放牧、中度放牧和不放牧草地的健康系數(shù)為0.607、0.674、1。因此, 不放牧草地土壤健康狀況最好, 重度放牧草地土壤健康狀況最差, 同時適當?shù)膶⒉菰囟确拍敛莸叵蛑卸确拍梁筒环拍敛莸剞D變, 將有利于草原土壤環(huán)境的改善及恢復。

放牧強度; 壤砂土; 土壤健康; 模糊評價

0 前言

草地作為一種可以持續(xù)更新的自然資源, 是農(nóng)業(yè)資源重要的組成部分, 是生物賴以生存的生態(tài)屏障[1]。草地在氣體管理、調(diào)節(jié)氣候, 水資源供應, 侵蝕防控, 養(yǎng)分循環(huán), 生物棲息等方面提供著重要的服務功能。土壤作為草地植被生長發(fā)育的重要物質(zhì)基礎, 在植被生長發(fā)育過程中提供植物所需的營養(yǎng)物質(zhì), 供給所需的水分, 提供適宜的生長環(huán)境, 因此, 土壤的健康與否直接影響著草地資源的可持續(xù)發(fā)展。

土壤作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 其自身也是重要生命系統(tǒng), 具有維持生物生產(chǎn)力、改善環(huán)境、促進植物和動物健康的主要功能[2]。土壤的健康狀況主要取決土地利用方式、生態(tài)系統(tǒng)屬性、地質(zhì)地貌條件、土壤類型等, 具體的表現(xiàn)為土壤物理性指標、化學性指標和生物性指標的范圍是否可以讓地表的植被實現(xiàn)長期的可持續(xù)生長[3]。目前國內(nèi)外的研究者對土壤好壞狀況進行了大量的研究, 主要針對不同土地利用方式或經(jīng)營模式下土壤質(zhì)量的變化狀況與植被適應性的研究[4], 以及從物理角度、化學角度或生物角度出發(fā), 對土壤的好壞狀況進行評價[5–6]。同時部分研究者對土壤質(zhì)量的評價方法進行改進, 并采用新的方法或角度去重新看待土壤質(zhì)量的好壞[7–8]。但大部分研究主要針對受污染或破壞比較嚴重的紅壤土、潮土、黑土的質(zhì)量進行研究, 對于土壤健康的關注相對較少[9–10]。同時土壤健康評價尚處于一個起步階段, 評價理論及方法還沒有形成統(tǒng)一標準, 均處于探索時期, 現(xiàn)有的土壤健康評價主要集中在森林土壤及農(nóng)田土壤[11–12], 關于草地土壤健康狀況的研究較少, 且主要集中在荒漠草原土壤[1,13]。因此, 本文在借鑒荒漠草土壤健康評價方法的基礎上, 對典型草原不同放牧區(qū)域進行初步探索研究, 構建典型草原土壤健康評價體系, 對典型草原不同放牧強度草地的土壤健康狀況進行了嘗試性評價。

現(xiàn)階段, 土壤評價主要的方法有灰色關聯(lián)法、指數(shù)評價法和模糊數(shù)學評價法。部分研究者對比分析了不同評價方法[14], 灰色關聯(lián)評價法的計算過程最為簡單, 具有信息量大且全面的優(yōu)點, 但缺點是無法全面真實的還原土壤實際健康狀況; 指數(shù)評價方法具有計算過程復雜, 不易掌握使用, 應用難度較大, 精確度一般等缺點; 模糊數(shù)學評價法具有信息量全面, 可以與定性指標相結合, 更好的反映草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況, 但模糊數(shù)學法在篩選指標和納入方式等方面具有一定缺點。本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾草原為研究對象, 選取重度放牧、中度放牧和不放牧三種不同類型的草地進行土壤健康狀況的研究, 探討影響土壤健康的主要影響因素, 選取主成分分析法篩選評價指標, 與模糊數(shù)學法相結合, 考慮用最少可保留原有信息的指標代替所有指標, 對草地土壤的健康狀況進行評價。為典型草原草地植被健康生長和草地資源生態(tài)恢復提供一個科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗寶東蘇木(N 48°27′54.95″—48°28′33.07″, E 117°11′ 41.26″—117°16′19.68″)位于呼倫貝爾草原腹地, 據(jù)內(nèi)蒙古最大的湖泊呼倫湖僅30 km, 該區(qū)域屬于內(nèi)蒙古東北部, 屬于北溫帶半干旱大陸性氣候區(qū), 年均溫度-0.6—1.1 ℃, 年日照時間為2694—3131 h, 多年平均降水量240.5—283.6 mm, 主要集中在7—9月, 占全年降水的60%以上, 多年平均蒸發(fā)量為1455.3—1754.3 mm, 年無霜期110—160 d。土質(zhì)質(zhì)地主要為砂土及砂壤土, 該類土壤結構松散, 肥力較低。研究區(qū)內(nèi)主要植物種由: 羊草()、糙隱子草()、克氏針茅()、冷蒿()等植被[15]。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣地選擇

本研究于2015年7—8月于呼倫貝爾草原腹地寶東蘇木附近選取重度放牧(HG)、中度放牧(MG)和不放牧(NG)草地進行土壤和植被調(diào)查。其中重度放牧草地為公共放牧草地, 面積為2.87 km2, 已實施重度放牧10 年, 載畜率可達800羊·km-2; 中度放牧草地牧民劃區(qū)輪牧區(qū)域, 面積為2.58 km2, 已實施中度放牧10 年, 載畜率為500 羊·km-2; 不放牧草地為當?shù)啬撩竦姆庥莸? 全年不進行放牧活動, 只在秋季時候進行刈割打草, 草地面積為4.81 km2, 已實施封育12年[14]。對三種放牧強度草地按照網(wǎng)格布點法每隔500—1000 m間隔布設網(wǎng)格調(diào)查點, 重度放牧草地10個點, 中度放牧草地15個點, 不放牧草地9個點, 進行土壤調(diào)查。在每個調(diào)查點按5 m× 5 m規(guī)格設置土壤樣方3個, 在每個樣方內(nèi)按照三角線布點法, 采集0—10 cm、10—20 cm 和 20—30 cm土壤樣品及環(huán)刀樣品, 3個樣方內(nèi)的土壤剖面樣品分層混合組成混合樣品, 去除植物根系和石塊后, 帶回實驗室風干處理, 每個調(diào)查點用四分法保留土壤樣品500 g, 土壤樣品過1 mm和0.25 mm篩后裝入封口袋中保存, 用以測定土壤物理、化學特性及土壤酶活性, 環(huán)刀樣品測定土壤水文特性指標。

1.2.2 土壤樣品的測試方法

土壤物理指標測定方法: 土壤容重、毛管上升水率、飽和導水率采用環(huán)刀法測定, 土壤含水量采用烘干法測定, 土壤pH值采用玻璃電極法測定, 土壤電導率及總溶解性固體測定采用DDSJ-308A型電導率儀測定, 土壤粒徑采用HELOS-OASIS型的激光粒度儀測定。

土壤化學指標測定方法: 土壤總有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-硫酸溶液氧化外加熱法測定, 土壤全磷采用硝酸-硫酸消解法測定, 土壤全氮采用半微量開氏法測定, 土壤全鉀采用原子吸收分光光度法測定, 土壤硝態(tài)氮采用氯化鉀浸提-紫外分光光度法測定, 土壤氨態(tài)氮采用2 mol·L–1氯化鉀浸提-靛酚藍比色法測定, 土壤有效磷采用鉬銻抗比色法測定。

土壤生物指標測定方法: 土壤多酚氧化酶采用鄰苯三酚比色法測定, 土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定, 土壤脲酶采用靛酚比色法測定。

1.2.3 土壤健康評價

本研究采用主成分分析法和模糊綜合評價法對草地健康狀況進行評價, 首選利用主成分分析法篩選出相關的評價指標, 然后利用模糊綜合評價法, 構建模糊綜合評價矩陣, 確定評價結果。

(1)確定樣地集與因素集

設定不同放牧強度的樣地集為:=X,X, ……,X。

設定不同放牧強度草地的健康影響因素集為:=U,U, ……,U。

(2)確定隸屬函數(shù)

(3)確定評價函數(shù)

在評價矩陣=(r)n×m中, 取評價函數(shù)分別為:

利用評價函數(shù)分別計算d,d,d, 分別令X=(D,D,D),R=F(×U)。最后令=1/3×(d+d+d), 最后取評價系數(shù)為評價結果。其中, 不放牧草地作為對照草地,=1。其余草地的評價系數(shù)在0—1之間。

利用excel2010和SPSS20.0軟件對實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 不同放牧強度草地土壤物理性質(zhì)

通過對三種放牧強度草地0—30 cm表層土壤的物理性質(zhì)分析, 由表1可以看出, 三種放牧草地中均為砂粒所占比例最多, 均達到80%以上, 粉粒和粘粒較少, 不放牧草地粘粉粒所占比例最高可達16.8%, 三種放牧草場土壤質(zhì)地在10—30 cm深處差異顯著(P<0.05)。三種放牧強度草地土壤含水量變化范圍為11.1%—13.95%, 總體顯示為隨土層深度的增加, 土壤含水量增大的趨勢。土壤飽和導水率總體顯示為不放牧草地最大, 重度放牧草地最小。不放牧草地土壤容重最小為1.44 g·cm-3, 中度放牧和重度放牧草地土壤容重相差較小, 分別為1.50 g·cm-3和1.51 g·cm-3, 不放牧草地與中度放牧和重度放牧草地間差異顯著(P<0.05), 但各個土層間差異不顯著(P>0.05)。三種放牧草地土壤總孔隙度大小順序為重度放牧草地<中度放牧草地<不放牧草地。

2.2 不同放牧強度草地土壤化學性質(zhì)

三種放牧強度草地的pH值整體為堿性土壤, 整體顯示為隨土層深度的增加而pH逐漸增大。不放牧草地總磷含量與中度放牧及重度放牧草地差異顯著(P<0.05), 可達0.90 g·kg-1, 是中度放牧草地和重度放牧草地的1.76倍和2.13倍。速效磷整體顯示隨土層深度的增加而逐漸減小, 且不放牧草地與中度放牧和重度放牧草地間差異顯著(P<0.05)。不放牧草地的土壤全氮、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量隨土層深度的增加而增大, 且明顯高于中度放牧和重度放牧草地, 三種放牧草地間各土層全氮、硝態(tài)氮、氨氮差異顯著(P<0.05)。三種放牧草地土壤全鉀含量基本相等, 整體無顯著差異(P>0.05), 變化范圍在1.59—17.30 g·kg-1。三種放牧草地中土壤有機質(zhì)含量差異顯著(P<0.05), 總體顯示, 不放牧草地>中度放牧草地>重度放牧草地, 不放牧草地土壤有機質(zhì)是中度放牧草地和重度放牧草地的7.14倍和24.8倍, 不放牧草地有機質(zhì)含量遠高于放牧草地。

表1 不同放牧強度草地土壤物理性質(zhì)

注: 數(shù)據(jù)表示“平均值±標準差”, 小寫字母表示同列不同樣地間差異顯著(P<0.05), 大寫字母表示同列不同土層間差異顯著(P<0.05)。

表2 不同放牧強度草地土壤化學性質(zhì)

注: 數(shù)據(jù)表示“平均值±標準差”, 小寫字母表示同列不同樣地間差異顯著(P<0.05), 大寫字母表示同列不同土層間差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同放牧強度草地土壤生物性質(zhì)

不同放牧強度草地土壤中多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶活性變化趨勢基本一致, 不放牧草地土壤酶活性最大, 中度放牧草地次之, 重度放牧草地最小, 且都隨土層深度的增加而減小。多酚氧化酶活性變化在不同放牧強度草地間差異顯著(P<0.05), 在表層和底層土壤間的變化幅度差異較小, 在不同樣地的差異較大。蔗糖酶活性變化在三種放牧草地間差異顯著(P<0.05), 不放牧草地蔗糖酶活性是中度放牧草地和重度放牧草地的1.27倍和1.59倍。三種放牧草地間脲酶活性變化差異顯著(P<0.05), 重度放牧草場分別比不放牧草場和中度放牧草場減少了26%和13%。

2.4 不同放牧強度草地土壤健康評價

利用主成分分析法對0—10 cm表層土壤的物理指標: 含水率(X1)、飽和導水率(X2)、田間持水量(X3)、容重(X4)、砂粒(X5)、粉粒(X6)、粘粒(X7); 化學指標: pH(X8)、電導率(X9)、全磷(X10)、速效磷(X11)、全氮(X12)、硝態(tài)氮(X13)、氨氮(X14)、全鉀(X15)、有機質(zhì)(X16); 生物指標: 多酚氧化酶(X17)、蔗糖酶(X18)、脲酶(X19)等19個指標利用模糊綜合評價法對草地健康狀況進行評價。

首選對三種放牧強度草地表層土壤19個指標的數(shù)據(jù)進行無量綱化處理, 處理方法為采用標準化公式(Z-score)進行無量綱處理。公式如下所示:

表3 不同放牧強度草地土壤生物性質(zhì)

注: 數(shù)據(jù)表示“平均值±標準差”, 小寫字母表示同列不同樣地間差異顯著(P<0.05),大寫字母表示同列不同土層間差異顯著(P<0.05)。

表4 不同放牧強度草地健康評價指標標準化值

表5 各主成分特征值及方差貢獻率

由系數(shù)矩陣可得, 第一主成分的表達式:

1=0.283–0.2784+0.2766+0.28310+0.28916

第二主成分表達式:

2=–0.5938+0.40919

第三主成分表達式:

3=0.5539

第四主成分表達式:

4=0.77615

根據(jù)第一、第二、第三、第四主成分表達式可以看出田間持水量、土壤容重、粉粒、pH值、電導率、全磷、全鉀、有機質(zhì)、脲酶對主成分貢獻最大, 既確定為評價指標。

通過主成分分析法建立了不同放牧強度草地健康評價體系, 因此將9個指標設定為因素集, 將不放牧草地、中度放牧草地、重度放牧草地設定為樣地集, 對不同放牧強度草地進行健康程度的模糊綜合評價:

模糊綜合評價的特征矩陣為3×3=(U)3×3:

評價矩陣=(r)3×3:

根據(jù)評價矩陣可以得到不同放牧強度草地不同健康狀態(tài)下田間持水量、土壤容重、粉粒、pH值、電導率、全磷、全鉀、有機質(zhì)、脲酶等因子的差異性健康系數(shù)。

所以R=F(×U)為以下矩陣:

計算不同放牧強度草地模糊綜合評價系數(shù), 得到不放牧草地d1=1, 中度放牧草地d2=0.674, 重度放牧草地d3=0.607。根據(jù)健康評價體系和草原載畜放牧程度, 為方便進行草地健康的定性定量比較, 將評價系數(shù)[0—1]劃分為三個等級, 其中健康評價系數(shù)[1—0.85], 亞健康評價系數(shù)[0.85—0.65], 不健康評價系數(shù)[0.65—0]。根據(jù)劃分等級對三種放牧草地進行評價, 可以看出, 不放牧草地處于健康狀態(tài), 中度放牧草地處于亞健康狀態(tài), 重度放牧草地處于不健康狀態(tài)。

3 討論

3.1 放牧強度對草地土壤性質(zhì)的影響

呼倫貝爾草原地處干旱半干旱氣候區(qū), 受人類活動及氣候變化影響較多, 而放牧活動對土壤的影響, 會通過草地土壤的各項指標顯示出來, 放牧草場中土壤中有機質(zhì)含量的高低主要受到草地枯落植被生物量的影響, 不放牧草地的植被生物量及枯落物均遠高于重度放牧和中度放牧草地[15], 且常年沒有放牧及牲畜啃食, 枯落植被在地表土壤中被微生物和酶的共同作用分解形成有機質(zhì)。而重度放牧草地和中度放牧草地由于受到放牧活動的影響, 即使在冬季植被枯萎后, 也會被冬牧的牲畜啃食, 因此能到底地表土壤中的枯落植被較少, 最終分解形成有機質(zhì)更少, 經(jīng)過常年的積累, 最終會導致不放牧草地的土壤有機質(zhì)會遠高于重度放牧和中度放牧草地, 該結果與蓋諾爾草原和昭蘇草甸草原土壤有機質(zhì)的研究結果基本吻合[16–17]。

不放牧草地和中度放牧草地, 由于草地植被受牲畜影響有所減少, 所以其土壤性質(zhì)各項指標與重度放牧草地相比, 均有所提高。尤其是不放牧草地, 常年處于封育狀態(tài), 圍封后草地植被生長不受人類活動影響, 植被生物量增加, 覆蓋度及植株高度增長顯著, 改善地表局部區(qū)域的小氣候, 多年的封育有利于植被枯落物的分解, 可以有效的增加土壤中氮磷鉀等元素的含量, 可以明顯改善土壤的營養(yǎng)狀況。且不放牧草地封育措施有利于改善土壤的pH值, 使土壤保持在中性狀態(tài)。有研究表明當載畜量過大, 草地植被會出現(xiàn)明顯的退化現(xiàn)象, 優(yōu)良牧草減少, 蒿類、毒草等雜草增多, 土壤會因為家畜踐踏過度產(chǎn)生溝紋, 從而引起土壤的侵蝕現(xiàn)象, 導致pH降低[18], 而封育措施對草地則起了很好的保護作用, 使得草地的破壞程度降低, 從而減弱酸化現(xiàn)象, 保持不放牧草地土壤處于健康狀態(tài)。中度放牧草地表層土壤氮含量與不放牧草地相近, 并均高于重度放牧草地, 主要由于不放牧草地植被生長狀況與中度放牧草地差異一般顯著, 但卻缺少牲畜排泄物, 所以在表層土壤含氮量與中度放牧接近。

三種放牧草地土壤總孔隙度小順序為重度放牧草地<中度放牧草地<不放牧草地。主要是由于三種放牧草地中不放牧草地枯落物分解, 與土壤形成團粒結構, 改善土壤通氣性能及透水性能, 增加了土壤孔隙度, 而重度放牧及中度放牧草地枯落物較少, 并且隨著載畜量的增加, 牲畜踩踏導致地表土層結皮, 降低植被根系的穿透能力, 減小了土壤的孔隙度, 馬靜利等人在寧夏荒漠草原進行不同放牧方式下土壤理化性質(zhì)研究時, 同樣認為載畜量的增加會導致土壤孔隙度的降低[1]。不同放牧強度草地三種酶活性在土層上下差異較大, 主要由于表層土壤具有較多的植被枯落物和腐殖質(zhì), 其有機物質(zhì)含量較高, 可以為微生物活動供應充分營養(yǎng)物質(zhì), 且表層土壤通氣性能較高, 微生物生長活動旺盛, 代謝較快, 所以其表層土壤中酶活性高于底層土壤, 該結果與文都日樂在呼倫貝爾草原不同草地類型的土壤中進行酶活性的研究結果一致[19], 土層垂直方向上土壤酶活性差異顯著。

3.2 不同放牧強度土壤健康評價

土壤作為草地植被生長的基礎, 其健康與否直接決定著草地植被的生長狀況。土壤健康狀況主要由土壤的各項物理、化學、生物指標所決定, 在土壤健康評價過程中, 選取重復性低, 代表性好, 信息豐富的指標是評價的主要原則。傳統(tǒng)的康奈爾土壤健康評價體系具有39個備選指標, 指標體系龐大且繁雜, 且部分指標由于采集樣品困難, 因此在實際的田間應用中, 往往被一些工作者主動剔除, 導致康奈爾土壤健康評價體系存在一定得局限性[20]。在實際生活中, 對森林、農(nóng)田、草原等不同區(qū)域進行土壤健康評價時, 評價指標需要有所側重, 就草地土壤健康評價而言, 需要選取一些對草地植被生長和生態(tài)環(huán)境影響較大的指標。不同研究者在不同地區(qū)進行土壤健康評價時所選用的指標均存在一定得差異, 紅梅等人在鄂爾多斯西部的荒漠化草原土壤健康評價中選取了對草地退化程度變化明顯的8項指標, 其中化學指標占比較大, 達到50%[13]; 馬靜利等人對寧夏荒漠草原從物理和化學指標兩方面對不同放牧草地土壤進行了健康評價, 結果顯示, 六區(qū)輪牧和禁牧要完全健康于其它放牧方式[1], 與本研究結果較為一致。

草地土壤的健康主要體現(xiàn)在物理、化學和生物等各項指標上, 放牧活動對草地土壤健康的影響, 除了由牲畜直接踩踏造成的土壤地表結皮外, 其余會通過草地生態(tài)系統(tǒng)逐級傳導, 通過改變草地植被的生長發(fā)育過程, 而影響土壤的健康狀態(tài)[4]。三種放牧強度草地的土壤健康狀態(tài)由于之間的載畜量存在明顯的差異, 導致土壤健康指標間差異較大。重度放牧草地牲畜多次重復啃食植被, 在植被生長期內(nèi)造成植被植株矮小、葉片殘缺, 植被無法充分的進行光合作用, 生長緩慢, 再加上反復的踐踏導致表層土壤緊實度增加, 容重增大, 新生植被生長困難, 草地植被發(fā)生退化, 一年生優(yōu)質(zhì)禾草數(shù)量下降, 雜草數(shù)量上升, 與中度放牧草地相比, 重度放牧草地植被退化明顯, 且植被的株高、葉面積、生物量均較低[15], 不放牧草地由于常年封育得到了充分的修復, 所以其各項指標都優(yōu)于其它兩種放牧草地, 對草地土壤的健康貢獻最大。周瑤在寧夏丘陵地區(qū)典型草原對土壤健康狀況進行評價時也得出封育措施是對草地土壤生態(tài)恢復的有利手段, 草地的物理、化學、生物等指標均優(yōu)于水平溝和魚鱗坑, 并且在微生物總量方面表現(xiàn)最佳[21]。張曉娜對希拉穆仁不同封育措施的荒漠草原的土壤評價也得出相同結論, 不放牧的封育措施對土壤健康的貢獻要優(yōu)于季節(jié)封育和未封育草地[4]。同時部分研究結果表明, 禁牧封育提升草地植被覆蓋度, 可以有效的改善土壤侵蝕, 增加土壤的健康狀態(tài), 增加植被覆蓋度可以降低地表風度和地表徑流的搬運能力, 在地表植被的覆蓋作用下, 表層土壤中細顆粒物質(zhì)可以更好的保持在土壤中, 形成土壤團粒結構, 提高土壤含水量, 降低土壤侵蝕[22]。

通過對呼倫貝爾典型草原不同放牧強度草地土壤健康評價, 借鑒荒漠草原評價體系, 進行了典型草原土壤健康評價的嘗試, 并在指標建立和選取等方面積累了部分經(jīng)驗, 雖然建立的評價體系和方法還有待進一步的完善和補充, 在生物指標選取上沒有考慮到土壤呼吸和微生物方面的表現(xiàn)[4,21], 但也基本反映出了不放牧、中度放牧、重度放牧草地土壤健康的差別。從評價結果中依然可以看出, 轉變放牧發(fā)展是當前草原生態(tài)文明建設的首要任務, 要想實現(xiàn)草原生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 就需要結合草地的實際情況, 在充分評估草地健康狀態(tài)的基礎上, 針對草地土壤功能上的缺陷, 制定合理的放牧措施, 進行人工干擾, 將重度放牧轉為輕度或禁牧封育, 讓已經(jīng)破壞的土壤得到充分的恢復, 實現(xiàn)草地資源的可持續(xù)利用。今后對草地土壤健康評價的后續(xù)研究仍然需要進一步加強, 才可以為草原土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展奠定基礎。

3.3 不同放牧強度草地土壤健康評價結果

通過模糊綜合評價, 得出不放牧、中度放牧和重度放牧草地的健康系數(shù)分別為1、0.674、0.607。其中不放牧草地的評價系數(shù)為1, 是由于以不放牧草地為本底對照, 假定將其土壤作為全部健康的狀態(tài), 該健康狀態(tài)是相對與研究區(qū)內(nèi)的小區(qū)域而言的, 是在草地資源合理開發(fā)利用的狀況下存在的, 其生態(tài)系統(tǒng)與氣候環(huán)境和生態(tài)環(huán)境保持合理穩(wěn)定的狀態(tài)下存在的健康土壤。該結果與紅梅和馬靜利在荒漠草原進行的草地土壤健康評價的結果較為一致[1,13], 該結果說明, 在草原生態(tài)系統(tǒng)中, 封育措施可以讓草地植被與土壤得到充分休復, 草地生態(tài)系統(tǒng)具有較強的自身恢復能力, 在消除外界干擾后, 可以自發(fā)的恢復到健康的狀態(tài)。

亞健康狀態(tài)主要是由于不合理的人類活動超出健康草地可以承受的范圍, 導致草地系統(tǒng)功能下降, 直接表現(xiàn)在土壤孔隙度減小, 水分含量減少, 地表裸露土壤增加, 植被優(yōu)勢種群減少, 劣勢數(shù)目上升, 覆蓋度、多度、密度均呈不同程度的下降[13]。中度放牧草地的評價系數(shù)為0.674較接近于不健康的臨界值0.65, 主要是由于中度放牧草地雖然進行了劃區(qū)放牧, 但仍然存在超載顯著, 對草地的生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞, 所以中度放牧草地雖然在整體上屬于亞健康, 但是仍需要引起注意, 中度放牧草地正在向不健康等級過渡。在相類似的氣候條件狀況下, 應減少人類活動, 消除不良影響, 限制載畜率, 合理利用草地資源使亞健康狀態(tài)盡快向健康轉變。

不健康狀態(tài)主要由于長時間的不合理人類活動和氣候變化所導致的土壤生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)的過度破壞, 導致土壤肥力低下, 土壤結構遭到破壞, 土壤沙化嚴重, 植被覆蓋度大幅度下降, 地表土壤大半裸露在外, 生態(tài)結構破壞嚴重[1]。重度放牧草地存在嚴重的超載放牧和連續(xù)啃食的現(xiàn)象, 所以其評價等級屬于不健康狀態(tài), 其評價系數(shù)為0.607, 僅比臨界閾值低了0.043, 該結果說明重度放牧草地在當前狀態(tài)下僅為剛剛發(fā)生不健康狀態(tài), 如果及時采取補救措施, 其土壤健康狀況有望逐漸恢復。但如果持續(xù)進行超載放牧和連續(xù)啃食, 其土壤健康狀況將會不容樂觀。

4 結論

(1)三種放牧強度草地0—30 cm深土壤的物理、化學、生物特性差異顯著 (P<0.05), 放牧強度的變化對土壤粘粒比例、粉粒比例、土壤持水量、土壤全磷、土壤有機質(zhì)以及生物酶活性影響較大, 對其他指標影響較小, 隨放牧強度的降低, 重度放牧和不放牧草地間土壤全磷、有機質(zhì)及多酚氧化酶的差值可達2倍以上?？梢钥闯龅湫筒菰寥缹Ψ拍翉姸鹊淖兓^為敏感, 降低放牧強度可以有效的提升土壤質(zhì)量, 增加土壤細顆粒物質(zhì), 降低土壤容重, 提高土壤養(yǎng)分及生物酶活性, 增強水分保持能力。

(2)在綜合考慮典型草原土壤物理、化學、生物性質(zhì)的基礎上, 利用主成分分析法篩選田間持水量、土壤容重、粉粒、pH值、電導率、全磷、全鉀、有機質(zhì)、脲酶等9項對土壤變化程度較為敏感的指標, 構成草地土壤健康評價的指標體系, 該指標體系可以在選取較少指標的前提下, 科學的評價草原土壤的健康狀況。

(3)利用模糊綜合法評價三種放牧強度草地的健康狀況, 得出不放牧草地處于健康狀態(tài), 中度放牧草地處于亞健康狀態(tài), 重度放牧草地處于不健康狀態(tài)。在草原生態(tài)環(huán)境嚴重退化的地區(qū), 適當?shù)膶⒅囟确拍赁D變?yōu)橹卸确拍梁筒环拍敛菰? 將有利于草原土壤環(huán)境的改善和恢復, 可以實現(xiàn)草地資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

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Soil health assessment of typical grasslands differing in grazing intensity

FAN Cairui1, 2, WANG Teng1,*

1. Jining Normal University, Ulanqab 012000, China 2. Inner Mongolia Agricultural University, Huhhota 010018, China

Healthy soil is fundamental for vegetation growth; thus, vegetation growth is affected by soil quality. We studied the Hulun Buir grassland to investigate the effects of grazing intensity on grassland soil quality. The physical, chemical and biological indicators of soil at 0-30 cm depths were analyzed for grasslands that had experienced heavy grazing, moderate grazing and no grazing. Principal component analysis was used to select the nine indexes that made the largest contribution to explaining variation in soil condition. The condition of the grassland soil at different grazing intensities was evaluated using the fuzzy comprehensive evaluation method. Increased grazing intensity altered the physical, chemical and biological properties of grassland soil. As grazing intensity increased, the content of sand on the surface soil increased, and the content of clay decreased. The physical characteristics of soil at a depth of 30 cm among the three grasslands were significantly different (P < 0.05). The contents of soil nitrogen, total phosphorus, total potassium and organic matter varied greatly among grasslands depending on the grazing intensity, and the contents of these compounds increased with soil depth. The degradation of polyphenol oxidase, sucrase and urease in soil decreased with soil depth, and degradation of these compounds was highest in heavily grazed grasslands, followed by moderately grazed and non-grazed grasslands. Soil evaluation indexes that were determined to be sensitive to changes in soil condition by principal component analysis included field moisture capacity, soil bulk density, powder, pH, electrical conductivity, total phosphorus, total potassium, organic matter and urease. Fuzzy comprehensive evaluation revealed that the health coefficients of heavily grazed, moderately grazed and non-grazed grassland were 0.607, 0.674 and 1, respectively . The health of the soil of non-grazed grassland was the highest, whereas the health of the heavily grazed grassland was the poorest. These findings provide important information for the selection of grazing methods and grassland management practices and demonstrate the benefit of developing adaptable grazing methods. This study provides essential information for the selection of different grazing methods and management practices.

grazing intensity; loamy sand; soil health; fuzzy appraisal

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.018

S158.3

A

1008-8873(2021)05-140-09

2020-03-26;

2020-05-30

內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2019BS05027, 2021MS04005); 國家自然科學基金項目(51779118); 中國博士后基金西部項目(2020M673548XB); 內(nèi)蒙古自治區(qū)高?？蒲许椖?NJZY21243, NJZY21241); 集寧師范學院博士基金項目(jsbsjj1802)

樊才睿(1989—), 男, 烏蘭察布人, 博士, 講師, 主要從事生態(tài)水文過程研究。E-mail: fancairui@126.com

通信作者:王騰, 男, 碩士, 講師, 主要從事城市生態(tài)環(huán)境研究, E-mail: 542351088@qq.com

樊才睿, 王騰. 典型草原不同放牧強度草地土壤健康評價[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(5): 140–148.

FAN Cairui, WANG Teng. Soil health assessment of typical grasslands differing in grazing intensity[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 140–148.