王梓晗, 呂世杰, 李治國, 韓國棟, 侯東杰, 崔媛媛, 孫海蓮, 王忠武 *
(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特,010010; 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特, 010010)
中圖分類號:S812文獻標識碼:A
文章編號:1007-0435(2023)02-0464-07
Effect of Stocking Rates on the Content of Available Nutrients in Adjacent Soil ofCaraganamicrophyllaPlants in Desert Steppe
WANG Zi-han1, LV Shi-jie1, LI Zhi-guo1, HAN Guo-dong1, HOU Dong-jie1, CUI Yuan-yuan1, SUN Hai-lian2, WANG Zhong-wu1*
(1.College of Grassland,Resources and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Science, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China)
Abstract:Grazing is the most important way for human beings to use grassland and significantly affects the physical and chemical properties of grassland soil.Caraganamicrophylla,as a leguminous shrub,its adjacent soil nutrient changes will have important effects on the structure and function of the graasland ecosystem. In order to study the effect of stocking rate on the nutrients content of the soil adjacent toCaraganamicrophyllain desert steppe,grazing experiments were carried out inStipabrevifloradesert steppe in Inner Mongolia. A total of four stocking rate treatments were conducted,namely the control-check (CK,0 sheep·hm-2·a-1),light-grazing (LG,0.93 sheep·hm-2·a-1),moderate-grazing (MG,1.82 sheep·hm-2·a-1) and heavy-grazing (HG,2.71 sheep·hm-2·a-1). In each treatment of the stocking rate,Caraganamicrophyllaplants with the same size were selected and the four points were setup adjacent to the plants in the directions of East,South,West and North for soil sampling. The contents of alkaline hydrolysis nitrogen,rapidly available phosphorus and rapidly available potassium of the soil were tested. The effect of stocking rate on the contents of soil nutrients in desert steppe was analyzed. The results showed that with the increase of stocking rate,the content of soil alkaline hydrolysis nitrogen first increased then decreased;the content of soil available phosphorus first decreased then increased;and the content of soil available potassium content had been in a downward state. In LG treatment,the rapidly available phosphorus content of soil around the equilibrium point between the alkaline hydrolysis nitrogen and the rapidly available potassium showed the lowest value. In MG treatment,the content of alkaline hydrolysis nitrogen corresponding to the equilibrium point between the rapidly available phosphorus and the rapidly available potassium of soil adjacent toCaraganamicrophyllaplants showed the highest value. The soil nutrients nearCaraganamicrophyllaplants vary with the change of stocking rate,which helps to improve the soil environment and optimize the resources management.
Keywords:Desert steppe,Soil available nutrients,Stocking rate,Caraganamicrophylla
荒漠草原是內(nèi)蒙古中西部地區(qū)主要的草原類型,為重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地,具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土等生態(tài)功能[1]。放牧是天然草原利用的主要方式之一,由于人類的過度放牧和氣候變化等因素加劇了草原退化。土壤為植物的生長提供水分和營養(yǎng)物質(zhì),是植物生長發(fā)育過程中的關(guān)鍵因素。家畜采食、踐踏以及排泄物歸還會直接或者間接影響土壤養(yǎng)分的含量[2]。小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)是內(nèi)蒙古草原中常見的落葉灌木之一,在內(nèi)蒙古草原的分布范圍較廣。小葉錦雞兒耐旱、耐熱、耐沙埋,在防風(fēng)固沙、水土保持中發(fā)揮重要作用,其嫩枝還可以作為優(yōu)質(zhì)飼草原料,具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值[3]。小葉錦雞兒較發(fā)達的根系能夠利用更深層的土壤水分,進而促進土壤養(yǎng)分的吸收。這使其比草本植物對水分和養(yǎng)分具有更強的競爭力,進而形成“沃島效應(yīng)”。在干旱環(huán)境和放牧作用的影響下,短花針茅荒漠草原將向小葉錦雞兒灌叢化草原發(fā)展,使得小葉錦雞兒在荒漠草原上侵入、定居和擴展[4-5]。
放牧?xí)?dǎo)致土壤中速效鉀含量下降,造成土壤滲透能力的降低,加劇灌木競爭[6]。Abril等[7]的研究發(fā)現(xiàn)家畜通過對植物的采食和踐踏導(dǎo)致蓋度和生物量下降,繼而導(dǎo)致土壤中凋落物養(yǎng)分的輸入減少。王曉朦等[8]發(fā)現(xiàn)放牧?xí)?dǎo)致土壤全氮、全磷含量的降低。Xiong等[9]在高寒草甸研究表明放牧后土壤中氮的儲量明顯下降。關(guān)于小葉錦雞兒的土壤養(yǎng)分的影響已有文獻報道[10-11],小葉錦雞兒在荒漠草原中生長主要受到磷含量的限制,荒漠草原降水量較少會降低小葉錦雞兒土壤黏粒含量和土壤分形維數(shù),間接影響到小葉錦雞兒的土壤養(yǎng)分含量。閆寶龍等[12]發(fā)現(xiàn)灌木會存在明顯的距離效應(yīng)和方位效應(yīng),并且灌木對土壤養(yǎng)分及微環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在半徑0.5 m的范圍內(nèi)。
土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其養(yǎng)分含量變化會影響植物的生長發(fā)育及群落構(gòu)成[13-14]。土壤速效養(yǎng)分可為植物生長提供所必需的營養(yǎng)元素,其含量的高低是土壤肥力供應(yīng)的衡量標準[15]。研究土壤速效養(yǎng)分含量及其比例關(guān)系,對解釋土壤養(yǎng)分循環(huán)利用有重要作用[16-17]。因此,認識和理解小葉錦雞兒鄰近土壤養(yǎng)分的變化對天然草原生態(tài)系統(tǒng)的影響有十分重要意義。目前,研究主要集中于人工種植小葉錦雞兒的飼用價值的影響[18-19],對于載畜率與小葉錦雞兒土壤速效養(yǎng)分含量和方位效應(yīng)的研究較少。本文通過取樣調(diào)查,研究不同載畜率下的小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分含量,探討載畜率對小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分的影響,為維持荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和資源可持續(xù)利用提供重要的科學(xué)依據(jù)。
試驗樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗的短花針茅荒漠草原(41°47′17″N,111°53′46″E),屬于典型中溫帶大陸性氣候,春季干旱多風(fēng),夏季炎熱干燥,多年平均降水量在230 mm。土壤類型為淡栗鈣土。試驗樣地的主要建群種為短花針茅(Stipabreviflora),主要優(yōu)勢種是冷蒿(Artemisiafrigida)和無芒隱子草(Cleistogenessongorica),常見植物有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、木地膚(Kochiaprostrata)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)和駝絨藜(Ceratoideslatens)。
該試驗為隨機區(qū)組設(shè)計,建于2004年,至今有18年的放牧實驗,各個試驗小區(qū)面積約為4.4 hm2,實驗共設(shè)置4個載畜率水平:對照處理CK(0羊單位·hm-2·a-1)、輕度放牧LG(0.93羊單位·hm-2·a-1)、中度放牧MG(1.82羊單位·hm-2·a-1)和重度放牧HG(2.71羊單位·hm-2·a-1),每個處理3次重復(fù),共計12個小區(qū)(如圖1所示)。放牧綿羊品種為蒙古羊,于每年6月至11月放牧,每日放牧?xí)r間為早晨6時放牧,傍晚18時歸牧,放牧期間羊自由采食。
圖1 試驗小區(qū)和區(qū)組示意圖Fig.1 Schematic diagram for experimental plots and blocks注:CK,對照Control check;LG,輕度放牧Light grazing;MG,中度放牧Moderate grazing;HG,重度放牧Heavy grazing
本試驗于2017年8月進行取樣,在每個試驗小區(qū)隨機選擇大小相近的小葉錦雞兒各3株,以選定植株為中心,采用以0.25米為半徑的同心圓樣方法,分東、西、南、北四個方向,每個方向等距離中取土壤樣品3次,分別用內(nèi)徑為2 cm土鉆鉆取0~10 cm的表層土壤,三鉆混樣(圖2),帶回實驗室陰干,過1 mm土壤篩,從中挑出石礫和植物根系。將篩過的土壤用于測定土壤堿解氮(AHN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)。采用堿解擴散法測定土壤堿解氮,碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷,碳酸氫鈉浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀[20]。
圖2 固定樣地取樣樣點分布情況Fig. 2 Distribution of sampling points in fixed sites注:1,2,3,4分別代表東、南、西、北四個方向,空心圓代表每個方向中土壤樣品的取樣點Note:1,2,3,4 represent the for directions of east,south,west and north respetiwely.Hollow circle represents the sampling point of soil samples in each direction
試驗結(jié)果使用SAS9.4軟件將2017年8月的小葉錦雞兒鄰近區(qū)域的土壤速效養(yǎng)分含量進行雙因素方差分析(調(diào)用GLM過程),多重比較采用Duncan檢驗法,顯著性水平為0.05。將數(shù)據(jù)進行Kriging點插值計算后,使用Surfer 12.0軟件以熱圖的形式分析小葉錦雞兒鄰近區(qū)域的土壤速效養(yǎng)分含量在不同方位、不同載畜率下的變化規(guī)律。將養(yǎng)分數(shù)據(jù)標準化(0-1)處理后進行回歸分析,0-1規(guī)范化處理為了消除數(shù)據(jù)量綱和大小的差異,確保數(shù)據(jù)是在同一量綱或者同一數(shù)量級下進行比較,數(shù)值較大的數(shù)據(jù)不會占據(jù)較大的權(quán)重,將原始數(shù)據(jù)縮放到[0,1]區(qū)間內(nèi),公式如下:
式中,x為原始數(shù)據(jù),xmax為原始數(shù)據(jù)中的最大值,xmin為原始數(shù)據(jù)的最小值,x′為原始數(shù)據(jù)標準化后的值。使用Sigmaplot 14.0軟件進行圖形繪制多重比較結(jié)果和回歸分析圖。
小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量對載畜率和方位的影響如圖3所示。MG和HG處理下的堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05),CK、LG處理下無顯著性差異。方位為南的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量要更高,方位為東和北的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量偏低。不同載畜率下的方位為南和西對堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05),方位為東和北無顯著性差異。綜上所述,MG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量偏高,LG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量稍偏低。
圖3 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量Fig. 3 The content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates注:不同大寫字母表示不同方向下差異性顯著(P<0.05),不同小寫字母表示不同載畜率下差異性顯著(P<0.05)。下同Note:Different uppercase letters indicated significant difference in different directions (P<0.05),and different lowercase letters indicated significant difference in different stocking rates (P<0.05).The same as below
土壤速效磷含量對載畜率和方位的響應(yīng)出現(xiàn)不同的變化如圖4所示。CK處理對速效磷含量有顯著性差異(P<0.05)。方位為北時,CK處理下速效磷值大,HG處理下值偏小。不同載畜率下,方位為南和北對速效磷含量有顯著性差異(P<0.05),方位為東和西無顯著性差異。方位為南時,HG處理下速效磷含量的值偏高,MG處理下的值偏低。方位為北時,CK處理下的值偏高,HG處理下的值偏低。
小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量在不同方位和載畜率下總體呈現(xiàn)下降趨勢(圖5)。不同方位下的CK和MG處理對速效鉀含量有顯著性差異(P<0.05),在LG和HG處理下無顯著性差異。CK和MG處理中小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量隨方位為東南西北呈現(xiàn)下降趨勢。不同載畜率下,方位為東和南對堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05),方位為西和北無顯著性差異。方位為東和南時,隨著載畜率增大,小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量呈下降趨勢(MG處理除外)。
圖4 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量Fig.4 The content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates
圖5 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量Fig.5 The content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates
由于小葉錦雞兒是固氮的豆科植物,其鄰近土壤堿解氮的變化相對復(fù)雜。隨著載畜率增大和方位變化,小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(圖6),表明小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量存在放牧效應(yīng)和方位效應(yīng)。在正南方向,載畜率為MG,該含量出現(xiàn)最大值。在LG處理下,不同方位的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量變化較為平緩,說明方位影響著土壤堿解氮在小葉錦雞兒周圍的分配。在方位為東和北時,呈現(xiàn)兩處從內(nèi)到外數(shù)值由小到大變化的閉合等高線,這是小范圍的斑塊??傮w來看,不同方位下,隨載畜率增大,小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量的響應(yīng)趨勢不同。
圖6 小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量的變化圖Fig.6 The variation of content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants
土壤速效磷含量隨著載畜率增大和方位變化均呈增大趨勢(圖7),說明小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量存在放牧效應(yīng)和方位效應(yīng)。在LG處理區(qū)不同方位下土壤速效磷的含量較低。在正南方向,小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量在MG處理下呈現(xiàn)最小值。并且方位為東和方位為西的速效磷含量類似。方位為北的速效磷含量在CK處理下有最大值??傮w來看,方位為北時土壤速效磷的含量最大,土壤速效磷含量隨載畜率增大而增大。
小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀隨載畜率增大呈先下降后上升趨勢,隨方位變化而減小(圖8)。說明小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量存在放牧效應(yīng)和方位效應(yīng)??擅黠@看出,方位為東時,CK和MG處理的土壤速效鉀含量最高。在LG處理下,方位越偏北時其值含量越小,呈現(xiàn)出由中心到四周速效鉀含量變大的閉合曲線,說明在LG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量對方位的響應(yīng)較為敏感。相比較堿解氮和速效磷的變化,速效鉀含量的變化更為單一。
圖7 小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量的變化圖Fig.7 The variation of content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants
圖8 小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量的變化圖Fig.8 The variation of content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants
小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀和載畜率呈線性負相關(guān)關(guān)系(P<0.05),堿解氮、速效磷和載畜率呈一元二次關(guān)系(P<0.05)(圖9)。速效磷含量在載畜率為0.460時出現(xiàn)最小值,堿解氮在載畜率為0.776時出現(xiàn)最大值。堿解氮、速效磷和速效鉀的R2接近于1,說明回歸擬合效果較好,擬合的方程可以充分表示小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分和載畜率之間的關(guān)系。
在CK區(qū)(栽畜率為0)時,小葉錦雞兒鄰近的速效鉀含量最高,其次是速效磷,堿解氮的含量最低。土壤速效磷在LG區(qū)(栽畜率為0.343)時出現(xiàn)最小值;土壤速效鉀含量的下降和土壤速效磷含量的上升會促進土壤堿解氮含量的增大,土壤堿解氮在MG區(qū)(栽畜率為0.672)時含量最高。在HG區(qū)(栽畜率為1)時,小錦雞兒鄰近土壤養(yǎng)分中,堿解氮的含量最高,其次時速效磷和速效鉀。不同載畜率處理下,小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分均會呈現(xiàn)不同的響應(yīng)規(guī)律。
土壤速效養(yǎng)分狀況是反映土壤肥力的重要指標,可體現(xiàn)出土壤為植物生長提供養(yǎng)分的潛在能力,反映土壤質(zhì)量情況。植物枯落物的腐解,根系分泌物及土壤動物和微生物的分解是其主要來源[21]。不同植物對土壤化學(xué)性狀的改善與環(huán)境條件有關(guān),尤其在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)上,對外界環(huán)境的變化更加敏感,土壤養(yǎng)分會出現(xiàn)表聚效應(yīng)[22],土壤物質(zhì)交換主要在表土中進行,植物的根系從深處吸取養(yǎng)分依靠土壤表層的根系調(diào)落物礦化釋放出的養(yǎng)分[23]。
土壤堿解氮含量反映了土壤的供氮水平,是表征土壤肥力質(zhì)量的重要指標之一,有研究表明小葉錦雞兒會使得土壤中堿解氮的含量增加[24],主要是因為小葉錦雞兒的氮元素主要來源于植物根瘤固氮,其作為豆科灌木,能夠固定空氣中的氮素,家畜的糞便是氮含量增加的主要途徑。孫宗玖等[25]在草甸草原研究的結(jié)果表明,放牧強度增加會使得堿解氮含量呈波動變化,并提出這可能是由于土壤堿解氮含量對放牧強度的響應(yīng)具有一定的“滯后”性。小葉錦雞兒在不同的草地類型上的供氮能力不同,氮元素含量較少或者不能供應(yīng)自身的生長需要時,其固氮能力也可能會受到氣候因素或其他因素的影響。
土壤速效磷是指能夠被植物體吸收利用的養(yǎng)分,以多種方式參與植物體內(nèi)的生理過程,對提高植物的抗旱、抗寒有著良好的作用,如果缺乏速效磷,就會使植被發(fā)育受到影響[26]。土壤磷的來源主要包含有機質(zhì)的輸入和母巖分化的補充[27]。在本試驗處理區(qū)為LG時,土壤速效磷的含量最低,適度放牧抑制了小葉錦雞兒對速效磷的吸收,增加放牧強度會加強對速效磷的吸收。土壤速效磷含量降低可能是由于土壤中磷素的微生物和非生物的固定作用下降所致。這與李浩等[28]在典型草原的研究結(jié)果相符。磷元素適宜于偏酸性的土壤環(huán)境,本研究區(qū)域的土壤呈堿性并且取樣時間為8月,溫度較高會使得土壤磷元素容易活化,這會大大減少對磷元素的固定。在中度放牧與重度放牧區(qū)中,牲畜為了自身生長的需要,通過采食植物的方式吸收養(yǎng)分,小葉錦雞兒的種群數(shù)量變少,使得這些養(yǎng)分歸還到臨近的土壤中。
土壤速效鉀含量影響著植物鉀元素營養(yǎng)的多少。在本研究中隨著載畜率增加,小葉錦雞兒臨近速效鉀的含量下降,可能是因為過度放牧條件下,家畜的采食和踐踏程度加劇,使速效鉀地上部分歸還量減少,CK區(qū)的土壤速效鉀更容易被小葉錦雞兒的根系吸收,有利于土壤速效鉀養(yǎng)分的循環(huán)利用。劉佳[29]的研究表明,隨放牧強度增加,荒漠草原主要植物種群的速效鉀含量減少,這與本研究的結(jié)果一致,說明重度放牧條件下土壤速效鉀流失較快。
對于土壤速效養(yǎng)分之間的關(guān)系的研究中,常帥等[30]在內(nèi)蒙古錫林郭勒草原中發(fā)現(xiàn),土壤堿解氮和速效磷呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系,與速效鉀無明顯關(guān)系。在本研究中,方位為南且在LG處理下,小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量最高,而速效磷的含量最低。這可能是小葉錦雞兒作為灌木可抵抗風(fēng)寒,南部的光照時間較長,導(dǎo)致溫度升高,相應(yīng)的水分含量會下降,這些外界條件的影響會使得土壤堿解氮含量與速效磷含量呈現(xiàn)對抗的關(guān)系。小葉錦雞兒對其中心一定距離某點的影響并不一定在任何方向上的同一距離均有相同的作用,這與冠層物理效應(yīng)的空間不對稱性有關(guān),所以小葉錦雞兒對鄰近范圍的影響具有相對性[31],即方位效應(yīng)。太陽輻射和風(fēng)是導(dǎo)致方位效應(yīng)的主要物理因素,溫帶地區(qū)太陽輻射分布的不對稱性使灌木不對稱,從而導(dǎo)致微環(huán)境的變化而產(chǎn)生微環(huán)境相對溫和的方向和相對嚴酷的方向[32]。LG處理下,土壤堿解氮含量與速效鉀含量平衡,速效磷含量出現(xiàn)最低值。MG處理下,土壤速效磷和速效鉀含量平衡,堿解氮含量出現(xiàn)最高值。土壤中的氮能促進植物根系的生長,在植物根系生長的過程中會分泌出一些分子有機酸物質(zhì),這些物質(zhì)在一定程度上促進了土壤磷素的活化作用,本研究中堿解氮和速效鉀含量呈正相關(guān)關(guān)系是在輕度放牧處理之后,可能是適度放牧使得土壤中養(yǎng)分含量的關(guān)系更為顯著[33]。載畜率對土壤速效鉀含量影響不明顯[12],這可能和土壤中鉀元素的來源有關(guān)[34]。在不同草地類型下,土壤速效養(yǎng)分的變化也不盡相同,所以要結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥李愋颓闆r具體分析。土壤作為植物養(yǎng)分的主要供應(yīng)者,還需長時間野外觀測與調(diào)查,進而深入研究小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分的變化情況,對內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原可持續(xù)發(fā)展有重要的指示意義。
荒漠草原小葉錦雞兒鄰近土壤速效養(yǎng)分含量隨載畜率和方位變化而變化。在LG區(qū)且方位為南時,小葉錦雞兒旁的土壤堿解氮含量較高,土壤速效磷含量較低。方位為東時,小葉錦雞兒旁的土壤速效鉀含量均比其他方位的含量高。隨載畜率增大,土壤堿解氮含量先升高后降低,速效磷含量先下降后上升,速效鉀含量一直處于下降狀態(tài)。