李 博，何奕忻，王志遠，3，羅 鵬，李洪泉

(1.四川省綿陽中學，四川 綿陽 621000； 2.成都生物研究所，四川 成都 610041； 3.中國科學院研究生院，北京 100049； 4.四川省草原科學研究院，四川 成都 611730)

放牧是人類利用草地生態(tài)系統(tǒng)的主要方式。牲畜放牧主要通過啃食、踩踏和糞尿的養(yǎng)分歸還這3種方式影響草地生態(tài)系統(tǒng)，其中糞尿的養(yǎng)分歸還是一種重要的影響方式[1]。在生態(tài)系統(tǒng)中，氮、磷等養(yǎng)分經(jīng)常是植物生長的限制性資源，特別是在高海拔的寒冷地區(qū)(如青藏高原)，土壤中的有機物質(zhì)分解受到限制，養(yǎng)分循環(huán)很慢，經(jīng)常導致植物生長所需養(yǎng)分的缺乏。牲畜的糞便中含有大量植物所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，是植物生長的天然化肥[2-3]。一般來說，牲畜所產(chǎn)生的糞便能夠直接增加土壤中營養(yǎng)元素的含量，也能夠加快生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)循環(huán)速率[4-5]。糞便養(yǎng)分輸入對于系統(tǒng)養(yǎng)分平衡具有重要的作用。姜世成和周道瑋[6]通過對松嫩草地的研究認為，牛糞能提高土壤水分、有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量。其他學者通過不同畜禽糞便對土壤養(yǎng)分影響的研究，也印證了糞便可使土壤N、P、K等養(yǎng)分顯著提高[7-8]這一觀點。

青藏高原東部草地是國家生態(tài)建設戰(zhàn)略和長江上游生態(tài)屏障建設戰(zhàn)略規(guī)劃中重要的“生態(tài)功能區(qū)”。牦牛作為草地最主要的經(jīng)濟種畜，造成的生態(tài)影響要遠遠高于其他放牧種畜[9]。牦牛糞便對天然放牧草地具有重要的生態(tài)學意義，尤其是對養(yǎng)分進入系統(tǒng)進行再循環(huán)過程中的作用不可低估。但近幾十年來，隨著交通的改善和當?shù)啬撩窠?jīng)濟發(fā)展的需要，大量牦牛糞便被牧民作為生物能源向企業(yè)出售。據(jù)估計，川西北地區(qū)僅紅原縣出售的用于培養(yǎng)食用菌的牛糞就高達4萬t，占年牛糞總量的6.8%[10]。長期、大量地將牦牛糞便移出草地生態(tài)系統(tǒng)，可能造成糞便中的營養(yǎng)元素回不到系統(tǒng)進行再循環(huán)，從而增加草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)紊亂的生態(tài)風險。

牦牛糞便對土壤的養(yǎng)分究竟有何影響？它的分解過程是怎樣的？如何科學管理糞便的撿拾？針對以上問題，本研究以青藏高原東部典型高寒草甸及麥洼牦牛為研究對象，對牦牛糞便自身養(yǎng)分特征以及夏、秋季節(jié)養(yǎng)分釋放速率的動態(tài)變化進行了初步研究，并通過計算植物生長的養(yǎng)分需求和糞便養(yǎng)分輸入量，探討了糞便對于草地土壤及群落生產(chǎn)力的貢獻，以期為高寒草甸的可持續(xù)管理提供科學依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1研究地概況 研究地點位于青藏高原東部的四川省阿壩州紅原縣龍日種畜場場部附近(102°21′ E，30°26′ N，海拔3 560 m)。當?shù)貧夂虻闹饕卣鞅憩F(xiàn)為寒冷，無明顯夏季，只有冷暖二季，且霜凍期長，無絕對無霜凍期，全年僅6―8月無雪，常有冰雹出現(xiàn)，熱量不足，枯草期半年以上。年平均溫度0.6～1.1 ℃,最熱月平均氣溫11.0～13.1 ℃，絕對最高氣溫出現(xiàn)在7月下旬，為23.4 ℃，絕對最低氣溫出現(xiàn)在1月下旬，為-34.7 ℃。全年降水多集中在7和9月，且年均降水量870～930 mm，川西北高原由于海拔高，空氣稀薄、透明度大，日照充足，年日照時間一般在2 300 h左右。草地類型為典型的高寒草甸草地，物種主要以發(fā)草(Deschampsiacaespitos)、穗三毛(Trisetumspicatum)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、高山大戟(Euphorbiastracheyi)等植被為主，其伴生種主要以垂穗披堿草(Elymusnutans)、矮地榆(Sanguisorbaofficinalis)、黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、高山龍膽(Gentianaalgida)為主，土壤為亞高山草甸土。

1.2試驗設計

1.2.1牛糞產(chǎn)量調(diào)查 在龍日種畜場內(nèi)選擇一塊典型的放牧草地，將100 m×100 m的圍欄中的牛糞全部清空。然后放入5頭成年牦牛，牦?？烧２墒?。分別在2009年的5月23―29日和7月31日―8月6日兩個時期內(nèi)，每天記錄牦牛糞便堆數(shù)，并進行質(zhì)量測定。

1.2.2樣地布置 為了試驗的科學性，樣地盡可能選擇植被組成、地形、土壤母質(zhì)等一致的土地。樣地最終選擇在龍日種畜場2007年底建成的一塊圍欄草地，面積大約1 hm2。在2009年試驗開始前兩周，將草統(tǒng)一剪至地面高度。

1.2.3取樣設置 將收集的新鮮牛糞按原有大小放置在4 mm孔徑尼龍網(wǎng)上(便于稱量)，隨機布設在樣地內(nèi)以研究分解過程。分別以2009年6月1日(初夏到夏季結(jié)束，簡稱“夏季”分解)和8月7日(盛夏到秋季，簡稱“秋季”分解)為時間原點，設置兩個牛糞分解研究取樣系列。具體取樣時間見表1。

表1 試驗取樣時間安排Table 1 The sampling schedule

1.2.4取樣方法 每次取牛糞5堆作為重復，每個時間原點分別取樣40堆。牛糞取好后，裝入密封袋并編號，用裝有冰的泡沫箱帶回實驗室。

2 結(jié)果與分析

2.1牦牛糞便產(chǎn)量和養(yǎng)分含量 通過兩次連續(xù)7 d對成年牦牛進行的牦牛糞便產(chǎn)量測定，測得平均每頭成年牦牛每天平均產(chǎn)糞6.95堆，平均每堆牛糞2.1 kg，每頭成年牦牛每天平均產(chǎn)牛糞14.6 kg，年產(chǎn)鮮牛糞5 329 kg。經(jīng)過對隨機抽取的龍日種畜場內(nèi)的20戶牧民調(diào)查，龍日種畜場內(nèi)的牧民現(xiàn)戶平均草地95.11 hm2，戶平均飼養(yǎng)牦牛76.5頭，因此，龍日種畜場內(nèi)每戶牦牛平均每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，每公頃草地每年約輸入鮮牛糞4.29×103kg。結(jié)合單堆牛糞質(zhì)量的數(shù)據(jù)(表2)，相當于每公頃草地每年約輸入鮮牛糞2×103堆,每年輸入氮79.4 kg、磷11.8 kg。

表2 單堆牦牛糞便基本指標Table 2 Basic indexes of single heap yak dung

表3 夏季牛糞各指標隨時間的變化情況Table 3 Changing of different indexes of yak dung with sampling times in summer

2.3牦牛糞便秋季分解過程 糞便在秋季的分解過程與夏季基本一致，但是分解速率有所降低(表3)。在最初的兩周內(nèi)，速效鉀、硝態(tài)氮以及總碳、氮、磷下降速率很快，而氨態(tài)氮和無機磷總量則下降較慢。在糞便進行分解前，試驗所用單堆糞便所具有的硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、速效鉀、無機磷、有機碳、全氮和全磷總量分別為23.12 mg、0.45 g、1.94 g、0.39 g、135.93 g、39.93 g和6.10 g，截至第85天，分別降至3.11 mg、0.09 g、0.36 g、0.16 g、51.68 g、14.11 g和1.84 g，分別為初始狀態(tài)的13.44%、19.82%、18.52%、40.06%、38.02%、35.34%和30.19%。

本試驗中，牛糞在夏季經(jīng)過85 d后，主要養(yǎng)分降為初始狀態(tài)的0.48%～6.98%，養(yǎng)分基本完全分解。而在秋季牛糞經(jīng)過85 d的分解后，主要養(yǎng)分只降為初始狀態(tài)的13.44%～40.06%。由此可知，牛糞在夏季分解較快，這可能主要是由于夏季氣溫明顯高于秋季造成的。此外，夏季午間的強輻射與夜間的低溫讓糞便反復凍融，加之降雨的沖刷更易使糞便成為顆粒，隨雨水進入土壤，這些也可能是糞便在夏季分解較快的原因。糞便在秋季的分解由于高原氣候的影響，即氣溫急劇降低，降水量減少，微生物活性降低，因此分解速率明顯變慢。

2.4草地糞便科學管理 營養(yǎng)元素的循環(huán)是維持草原生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要過程。牦牛糞便中含有大量養(yǎng)分，其中的速效養(yǎng)分和有機質(zhì)對于保持土壤肥力及牧草產(chǎn)量和質(zhì)量有重要作用。在青藏高原東部的高寒草地上，從維持草地養(yǎng)分生態(tài)系統(tǒng)平衡和牧民生計的角度來看，既需要保持一定的糞便養(yǎng)分輸入，又需要滿足牧民生活對干牛糞的需要，因此，如何對牦牛糞便進行科學的拾撿將成為草地科學管理的一個重要方面。

如果以1990年川西北地區(qū)牧草產(chǎn)量為理想牧草產(chǎn)量的話，每公頃牧草產(chǎn)量為4 500 kg，按牧草平均含氮量20 g·kg-1計算，每公頃約需要9.0 ×104g氮[12]。另一方面，川西北地區(qū)生長季節(jié)自然條件下土壤氮礦化速度約為16 mg·m-2·d-1，全年活躍礦化時間按6個月計算，則全年由礦化產(chǎn)生的有效氮量為2.88 ×104g·hm-2[13]。這樣，為了滿足牧草生產(chǎn)對氮素的需求，平均每年還需要補充6.12×104g·hm-2氮。這些缺欠的氮目前主要通過牲畜糞便的歸還來補充。假設土壤氮礦化速度和沉降率不變，按每堆牛糞的平均含氮量約為39.7 g，每堆牛糞鮮質(zhì)量2.1 kg(表1)計算，則每年約需3.24×103kg·hm-2鮮牛糞輸入才能滿足牧草生產(chǎn)需要。按每戶草地面積95.11 hm-2計算，每年需輸入3.08×105kg牛糞才能保持土壤肥力和牧草產(chǎn)量。目前平均每戶牧民的牦牛每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，所以，如果單從養(yǎng)分輸入的角度來看的話，大約有24%的糞便可以被拾撿而不影響土壤肥力和牧草產(chǎn)量。同時，鑒于夏、秋季節(jié)牦牛糞便中的養(yǎng)分，在3個月后已大部分歸還回草地生態(tài)系統(tǒng)，因此，建議可在3個月后揀拾夏、秋季節(jié)牦牛所產(chǎn)的糞便，以保證養(yǎng)分正常歸還草地生態(tài)系統(tǒng)。

另一方面，牧民以曬干的牛糞作為主要燃料。以一個6口的牧民家庭來看，夏季(6―9月)牧民煮飯、燒茶、熬奶等每天平均需要60 kg干牛糞，冬季(10―5月)牧民煮飯、燒茶、取暖等每天平均需要75 kg干牛糞，全年共需要2.55×104kg干牛糞，約8.93×104kg鮮牛糞。

平均每戶牧民的牦牛每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，其中需有3.08×105kg牛糞用于維持草地肥力，8.93×104kg鮮牛糞用于煮飯、燒茶、取暖等燃料。這樣，每戶牧民每年僅剩下1.02×104kg鮮牛糞。剩余的鮮牛糞僅占全年4.08×105 kg鮮牛糞的2.5%。即在目前條件下，除牧民作為燃料自用的牛糞外，牛糞歸還回草地剛剛能滿足草地肥力的需求，沒有太多的牛糞可供出售。

3 小結(jié)

綜合以上研究和分析，建議為了保持土壤肥力，防止因草地營養(yǎng)缺乏而造成的牧草產(chǎn)量降低以及草地的退化和沙化，維系草原生態(tài)平衡，保護草原生態(tài)環(huán)境，在目前條件下，不應將牛糞作為商品向外銷售。對不聽勸阻仍要在牧區(qū)收購牛糞的商販，牧區(qū)的各級政府要按照生態(tài)保護的相關(guān)法規(guī)予以堅決制止。同時，為保持牧民經(jīng)濟收入的增長和開展草原生態(tài)保護的積極性，鑒于長江、黃河中下游地區(qū)作為生態(tài)受益者，應通過中央?yún)f(xié)調(diào)，以生態(tài)補償?shù)男问剑蜷L江、黃河上游的草原生態(tài)建設和保護方，提供強有力的生態(tài)政策支持和國家財政撥款的資金渠道。建立牧民主動開展生態(tài)保護和建設的長效良性循環(huán)的草原生態(tài)補償機制，使生態(tài)受益者和提供者在成本和收益的分擔與享受上趨于合理，從而激發(fā)牧民保護草原生態(tài)環(huán)境的積極性，形成生態(tài)補償與環(huán)境保護的良性互動關(guān)系，從根本上解決草原生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的矛盾，促進草原可持續(xù)利用，維護草原生態(tài)安全[14-16]。最終實現(xiàn)牧區(qū)經(jīng)濟、社會和環(huán)境的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

[1] 何奕忻,孫庚.牲畜糞便對草地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進展[J].生態(tài)學雜志,2009,28(2):322-328.

[2] 汪詩平,李永宏.不同放牧率和放牧時期綿羊糞便中各化學成分變化及與所食牧草各成分間的關(guān)系[J].動物營養(yǎng)學報,1997,9(2):49-56.

[3] 游明鴻,劉金平,嚴斌.草地土壤肥力及其營養(yǎng)管理的必要性[J].草地保護,2005(3):56-59.

[4] 于應文,常生華,肖金玉,等.灘羊尿?qū)Φ湫筒菰N草地植物生長的短期作用特性[J].中國草地學報,2007,29(2):81-85.

[5] 王?；?邢雪榮,韓興國.草地生態(tài)系統(tǒng)中土壤氮素礦化影響因素的研究進展[J].應用生態(tài)學報,2004,15(11):2184-2188.

[6] 姜世成,周道瑋．牛糞堆積對草地影響的研究[J]．草業(yè)學報,2006,15(4):30-35.

[7] 周春霖,尹金來,洪立洲,等．豬糞和磷肥對黃潮土速效磷、有機磷組分及其有效性的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報,2001,17(1):39-43.

[8] 王林權(quán),周春菊,王俊儒,等.雞糞中的有機酸及其對土壤速效養(yǎng)分的影響[J].土壤學報,2002,39(2):268-275.

[9] 蔣志剛，夏武平.高寒草甸上牦牛、藏綿羊和喜馬拉雅旱獺的生境[J].高原生物學集刊,1987(6):115-146.

[10] 何奕忻，孫庚，羅鵬,等.牲畜糞便對草地生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進展[J].生態(tài)學雜志,2009,28(2):322-328.

[11] 魯如昆.土壤農(nóng)業(yè)化學分析手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2000：146-165.

[12] 高永恒,陳槐.王根緒.放牧強度對川西北高寒草甸植物生物量及其分配的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報,2008,24(3):26-32.

[13] 高永恒,陳槐.基于BaPS 技術(shù)的高山草甸土硝化和反硝化季節(jié)變化[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(1):384-387.

[14] 任繼周,侯扶江,胥剛.放牧管理的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型——我國亟待補上的一課[J].草業(yè)科學,2011,28(10):1745-1754.

[15] 李青豐.草畜平衡管理系列研究(1)——現(xiàn)行草畜平衡管理制度芻議[J].草業(yè)科學,2011,28(10):1869-1872.

[16] 侯向陽,尹燕亭,丁勇.中國草原適應性管理研究現(xiàn)狀與展望[J].草業(yè)學報,2011,20(2):262-269.