基于Meta分析探索放牧對(duì)青藏高原高寒草地土壤理化性質(zhì)的影響

方 倩 ，李 菲

(1.青海省林業(yè)工程監(jiān)理中心有限公司，青海 西寧 810008；2.青海省氣象科學(xué)研究所，青海 西寧 810008)

引言

根據(jù)自然條件我國(guó)天然草地分為溫性草原、高寒草原、荒漠草原和南方草山草坡[1]，約有90%天然草地處于不同程度的退化狀態(tài)[2]。高寒草原主要分布在青藏高原，面積約126.7 ×104km2[1]。青藏高原是我國(guó)重要的生態(tài)安全屏障，該區(qū)域氣候變化劇烈，已成為全球變暖背景下環(huán)境變化不確定性最大的地區(qū)[3]。

放牧強(qiáng)度是影響草地恢復(fù)力和穩(wěn)定性及家畜生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，也是放牧管理制度核心[4]。過度放牧草地土壤的總孔隙減少、土壤的容重和滲透阻力增加，因風(fēng)蝕和水蝕而損失的土壤量也顯著增加[5]。土壤有機(jī)質(zhì)是最重要的養(yǎng)分來源，土壤全氮的95%，全磷的40%～60%都來源于有機(jī)質(zhì)礦化過程，重度放牧草地優(yōu)良牧草逐漸消失，主要因?yàn)檫^度利用引起養(yǎng)分耗竭[6]。中度放牧增加若爾蓋高寒草地叢枝菌根真菌豐度和土壤有機(jī)碳含量[7]。重度放牧加快了沼澤濕地土壤碳氮磷元素的周轉(zhuǎn)，使土壤養(yǎng)分輸出量增加，進(jìn)而導(dǎo)致土壤肥力下降與草地退化[8]。土壤有機(jī)碳含量隨著降水量增加、溫度降低呈增加的趨勢(shì)[9]。放牧草地土壤 pH值(7.30) 顯著高于圍封草地(7.13)[10]。長(zhǎng)期圍封并不有利于土壤碳氮養(yǎng)分的積累，適度放牧和中短期圍欄(低于8 年)是高寒草地最優(yōu)恢復(fù)措施和管理模式[11，12]。

已有研究多關(guān)注不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤速效養(yǎng)分或者僅關(guān)注土壤全氮、全磷、容重等單一因子的影響[13，14]，Meta分析通過對(duì)相似問題的多個(gè)案例的統(tǒng)計(jì)研究，可以得到普遍性結(jié)論[15]。本項(xiàng)目基于Meta分析和結(jié)構(gòu)方程模型方法，探索不同放牧強(qiáng)度對(duì)青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤全量養(yǎng)分、容重和pH值等土壤理化性質(zhì)的影響強(qiáng)度，探索環(huán)境因素對(duì)放牧高寒草地土壤理化性質(zhì)的調(diào)控因素，為緩解高寒草地退化和提升土壤養(yǎng)分提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 Meta分析數(shù)據(jù)收集

通過中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)，檢索關(guān)鍵詞“放牧”和“草地”或“草甸”和“土壤”，共計(jì)搜索到180篇論文。按照如下準(zhǔn)則進(jìn)行文章篩選：研究對(duì)象為青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)，試驗(yàn)均在生長(zhǎng)季開展、土壤深度0～30 cm，試驗(yàn)包括對(duì)照和放牧處理。不同放牧強(qiáng)度按照論文設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，提取數(shù)據(jù)。本研究收集不同放牧處理高寒草地生態(tài)系統(tǒng)氣象、環(huán)境因素和土壤理化性質(zhì)。氣象因素包括年均氣溫和降水量；環(huán)境因素和土壤理化性狀包括海拔、土壤全碳(6篇、11組)、全氮(27篇、61組)、全磷(21篇、46組)、全鉀(7篇、17組)、pH值(17篇、47組)和容重(14篇、35組)。研究樣點(diǎn)主要分布在西藏、青海、四川及新疆。對(duì)于論文發(fā)表的圖片數(shù)據(jù)，采用WebPlotDigitizer軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取[5]。

1.2 平均效應(yīng)值及標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算方法

(1) 放牧干擾對(duì)土壤理化性質(zhì)影響單一效應(yīng)值(反應(yīng)比)：

LnR為效應(yīng)值，xc和xe分別為對(duì)照和處理的平均值。

(2) 單一研究結(jié)論的權(quán)重值確定計(jì)算方法：

Wi*=1/(Vi+τ2)

vi和τ2分別為研究組內(nèi)方差和研究組間方差。

(3) 各處理的研究組內(nèi)方差采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

VlnR為研究組內(nèi)方差，Se和Sc分別為處理與對(duì)照的標(biāo)準(zhǔn)差，Ne和Nc為處理和對(duì)照樣本量。

(4)放牧處理效應(yīng)的平均效應(yīng)值計(jì)算采用隨機(jī)效應(yīng)模型方法：

(5)放牧對(duì)土壤理化性質(zhì)影響的平均效應(yīng)值的總體標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算方法：

Wi*為單一研究的權(quán)重，i和k分別表示研究結(jié)果i到k。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

Meta分析基于R語(yǔ)言metafor程序開展，基于隨機(jī)效應(yīng)模型(rma程序包)進(jìn)行單個(gè)研究效應(yīng)值和平均效應(yīng)值的計(jì)算。依據(jù)混合效應(yīng)模型(rma程序包)引入分類變量，對(duì)比分析不同放牧強(qiáng)度對(duì)高寒草地土壤理化性質(zhì)平均效應(yīng)值的影響。采用結(jié)構(gòu)方程模型(piecewiseSEM)，研究環(huán)境因素(海拔、年均氣溫和降水量)對(duì)重度放牧草地土壤容重、全氮和全磷含量的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧干擾對(duì)青藏高原土壤理化性質(zhì)平均效應(yīng)值的影響

放牧增加高寒草地土壤全碳含量和容重，后者達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平(P<0.01)，平均效應(yīng)值分別為0.121±0.130(-0.134～0.376)、0.119±0.032 (0.056～0.182)，增加幅度分別為27.94%和12.74%(圖1)。

放牧降低青藏高原草地土壤全鉀、全氮和全磷含量，后兩者達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平(P<0.05)，降低幅度分別為2.43%、3.70%和22.08%。放牧對(duì)土壤pH值呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)，平均效應(yīng)值為0.001±0.018(-0.034～0.037)，增加幅度僅為0.58% (圖1)。

圖1 放牧對(duì)高寒草地土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同放牧強(qiáng)度對(duì)青藏高原高寒草地土壤理化性質(zhì)平均效應(yīng)值的影響

重度放牧極顯著增加高寒草地土壤容重(P<0.01)，平均效應(yīng)值為0.156±0.053 (0.052～0.259)，增加幅度為15.38%，但顯著降低高寒草地土壤全氮和全磷含量(P<0.05)，平均效應(yīng)值分別為-0.158±0.067、-0.179±0.089，降低幅度分別為11.11%和36.83% (表1)。

表1 不同放牧強(qiáng)度對(duì)高寒草地土壤理化性質(zhì)的影響

輕度和中度放牧對(duì)土壤容重、pH值及全量養(yǎng)分含量的影響均未達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平。中度放牧的平均效應(yīng)值一般均高于輕度放牧，但中度放牧對(duì)草地土壤全氮含量影響作用低于輕度放牧。

2.3 環(huán)境因素對(duì)重度放牧土壤容重、全氮和全磷的影響

基于結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果發(fā)現(xiàn)：海拔、年均降水量和氣溫對(duì)重度放牧草地土壤容重和全磷含量影響作用相對(duì)較弱，回歸系數(shù)分別為0.100和0.240，但顯著影響高寒草地土壤全氮含量，回歸系數(shù)為0.590(圖2)。

海拔和年均降水量對(duì)重度放牧草地土壤全氮含量影響系數(shù)分別達(dá)到極顯著和顯著性檢驗(yàn)水平，分別為-0.760和0.503。降水量增加有利于提升重度放牧草地土壤全氮含量，但全氮含量隨著海拔增加而極顯著降低。海拔對(duì)青藏高原高寒草地年均降水量影響作用較弱，但年均降水量顯著影響年均氣溫(圖2)。

圖2 環(huán)境因素對(duì)重度放牧草地土壤容重和全氮、全磷含量的影響

3 討論

隨著放牧利用強(qiáng)度增加，青藏高原草地禾本科牧草的繁殖受阻，逐漸退化，耐牧且耐踐踏的高寒小嵩草逐漸成為優(yōu)勢(shì)植物種群[16]。放牧通過移除牧草地上部分改變光合作用[17]，進(jìn)而影響牧草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分配，而放牧家畜亦通過踐踏和排泄等影響土壤養(yǎng)分組成[18]。

容重是土壤緊實(shí)度的重要指標(biāo)，與土壤孔隙度和滲透率密切相關(guān)[16]。隨著放牧強(qiáng)度的增加，青藏高原東北緣高寒草甸土壤含水量和孔隙度呈下降趨勢(shì)，土壤容重隨之增加[16，19，20]。土壤容重與高寒草地微生物多樣性及草地群落多樣性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)[19，21]。本研究發(fā)現(xiàn)重度放牧極顯著增加高寒草地土壤容重，這可能是因?yàn)橹囟确拍烈鸶吆莸槌霈F(xiàn)嚴(yán)重退化，植被類群由禾本科、莎草科牧草轉(zhuǎn)變?yōu)殡s類草，地下根系生物量急劇降低，單位體積土壤量增加。同時(shí)由于發(fā)生水蝕、風(fēng)蝕，引起表層土壤發(fā)生水土流失，深層土壤逐漸裸露，其土壤粘重且存在較多礫石，引起土壤容重增加，同時(shí)會(huì)顯著降低青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)土壤含水量和水源涵養(yǎng)功能[22]。

氮元素是所有生命體的基本營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是草地植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵限制因素[23]。適度放牧利于提高氮循環(huán)速率及可利用性，氮素有效性增加能夠提高地上生物量[20]。適度放牧內(nèi)蒙樣地土壤全氮含量，從2005年(1.03 g/m2)顯著提高到2010年的1.83 g/m2[18]。重度放牧顯著降低青藏高原高寒草甸土壤全氮含量，輕度和重度放牧草地土壤全氮含量分別為0.83%和0.44%[13]。重度放牧降低三江源高寒草地土壤全氮含量和氮儲(chǔ)量[12]。降水通過改變土壤肥力、地表溫度和通氣狀況，影響草地群落物種分布與物種多樣性[24，25]。本研究發(fā)現(xiàn)重度放牧顯著降低高寒草地土壤全氮含量，降幅達(dá)36.83%，重度放牧降低放牧高寒草地土壤氮素供給能力，可能加劇草地退化程度。結(jié)構(gòu)方程模型結(jié)果表明：隨海拔增加，重度放牧極顯著降低草地土壤全氮含量，降水量增加會(huì)顯著提高高寒草地土壤全氮含量及氮儲(chǔ)量。

4 結(jié)論

長(zhǎng)期超載放牧引起高寒草地發(fā)生大面積退化，本研究發(fā)現(xiàn)放牧增加草地土壤全碳含量、土壤容重(P<0.01)，增幅分別為27.94%和12.74%。放牧顯著降低土壤全氮和全磷含量(P<0.05)，氮對(duì)土壤pH值呈現(xiàn)微弱增加趨勢(shì)。輕度和中度放牧對(duì)高寒草地土壤容重、pH值、全碳、全氮、全磷和全鉀含量的影響均未達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平。重度放牧增加土壤容重(P<0.01)，增幅為15.38%，可能會(huì)降低高寒草地土壤濕度及水源涵養(yǎng)功能。重度放牧顯著降低草地土壤全氮和全磷含量。海拔、年均降水量對(duì)重度放牧高寒草地土壤全氮含量的影響系數(shù)分別通過極顯著和顯著性檢驗(yàn)水平。降水量增加有利于提升重度放牧草地土壤全氮含量及氮素儲(chǔ)量。