孫宗玖，朱進忠，張鮮花，鄭偉，靳瑰麗，古偉容

(新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學學院 新疆草地資源與生態(tài)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

在放牧、開墾及氣候變遷等因素的共同作用下，我國草地退化面積日益增加，嚴重影響了生態(tài)安全和草地畜牧業(yè)的良性發(fā)展，如何有效地緩解草地退化、保護環(huán)境已經(jīng)迫在眉睫。放牧是天然草地的主要利用方式,也是影響草地退化的重要因素。放牧過程中，家畜的采食、踐踏和排泄等活動影響著草地植被群落及土壤的健康狀況[1-4]，進而使草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生量-質的演變。據(jù)統(tǒng)計，全世界草地退化總面積中約35%是由于過度放牧造成的[5]。因此，確定科學合理的放牧強度，實現(xiàn)草畜平衡勢在必行。

草地是植被及土壤組成的綜合自然體系，要確定其適宜的放牧強度，不僅要考慮放牧對植被的直觀影響，還應該考慮土壤養(yǎng)分的演變。土壤退化是草地退化的核心問題[6]，具有一定的復雜性、緩沖性及滯后性，而土壤有機質和速效養(yǎng)分是衡量土壤健康狀況的重要指標。有機質是土壤的重要組成部分，影響著草地土壤肥力和草地生產(chǎn)能力，土壤的許多屬性都直接或間接地與有機質有關。速效養(yǎng)分主要包括堿解氮、速效磷及速效鉀等，是植物吸收氮、磷、鉀的主要形式，標志著土壤有效養(yǎng)分的供給狀況。目前，有關放牧強度對草地土壤有機質和速效養(yǎng)分的研究相對較多[3,7-10]，但因草地類型、放牧強度、放牧年限以及研究方法的差異，研究結果不盡一致。如放牧對土壤有機質的影響有4種不同結果：1)放牧對土壤有機質含量沒有影響[11]；2)適度放牧下土壤有機質有輕微降低，而重度放牧下則未出現(xiàn)下降[12]；3)放牧提高了土壤有機碳水平[13]；4)放牧降低了土壤有機質含量[14]。因此，合理的放牧強度需要根據(jù)不同放牧區(qū)域的實際條件確定。本研究以新疆昭蘇馬場草原雜類草+禾草溫性草甸草原為對象，通過對不同放牧強度下土壤有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀含量的動態(tài)監(jiān)測，明確其對放牧的響應規(guī)律，以期為確定草地適宜放牧強度及合理利用草地資源提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)自然概況 試驗區(qū)位于新疆伊犁州昭蘇馬場，系新疆中天山山系的昭蘇-特克斯山間盆地特克斯河北岸的河灘階地草甸草原，43.15°～40.50° N，81.30°～81.50° E，海拔1 600～4 800 m。試驗區(qū)氣候屬溫帶山區(qū)半干旱、半濕潤冷涼氣候，冬季寒冷漫長，年均溫2.9 ℃，2月平均氣溫-21.2 ℃；7月平均氣溫13.7 ℃，≥10 ℃年積溫1 754 ℃·d，年降水量475 mm以上，冬長無夏、春秋相連，夏季多雷雨、冰雹，氣溫上升緩慢且不穩(wěn)定，秋季降溫迅速，冷空氣活動頻繁，冬季多霧，有逆溫現(xiàn)象，歷年積雪穩(wěn)定期116 d，積雪深度20～50 cm。試驗區(qū)2011、2012年5-9月平均溫度分別為13.3、14.7 ℃,平均降水量分別為353.4、304.6 mm，草地類型為雜類草+叢生禾草草甸草原，草群結構復雜、草層高、產(chǎn)量高，主要種類有亞洲百里香(Thymusasiaticus)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、草原苔草(Carexliparocarpos)、針茅(Stipacapillata)和羊茅(Festucaovina)，同時伴生有黃芪(Astragalussp.)、無芒雀麥(Bromusinermis)、草原糙蘇(Phlomispratens)及多種雜類草。

1.2試驗設計與樣品采集 采用隨機區(qū)組試驗設計，將試驗區(qū)劃為3個區(qū)組，每個區(qū)組內(nèi)設3個放牧強度，即輕度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)，草地利用率依次為30%、50%和70%，隨機排列，同時設置不放牧區(qū)(CK)1個，小區(qū)面積均為7.8 hm2。放牧時選用體質量相近、健康無病、經(jīng)方差分析各個放牧強度間活體質量差異不顯著(P>0.05)的成年新疆褐牛(母牛，4～5歲)。LG、MG及HG下的載畜率依次為0.38、0.64、0.90頭·hm-2。2010年放牧季為8月上旬-10月上旬，2011、2012年放牧季為6月上旬-10月上旬。放牧時，新疆褐牛每天白天定時在小區(qū)內(nèi)自由采食與飲水，晚上趕回圈舍休息，不補飼。

放牧前(2010年7月)對試驗小區(qū)的土壤及植被進行的本底調(diào)查表明，各處理試驗小區(qū)間草地植被特征及土壤有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀間差異不顯著(P>0.05)，草地本底基本一致。2010-2012年期間，開始放牧后在每個試驗小區(qū)上布置3個典型取樣區(qū)段，面積為100 m×50 m，每個取樣區(qū)段內(nèi)隨機設置3個1 m×1 m的樣方，每月進行草地群落及主要草種特征(高度、蓋度和密度地上生物量)的測定。每年放牧結束時(10月)，在當月測定后的樣方上，用直徑為7 cm的土鉆，按照土層深度(0～10、10～20和20～30 cm)分層取樣，每個樣方內(nèi)隨機鉆取2鉆，并將每個放牧小區(qū)的土樣按分層混勻成混合樣，裝入布袋子，并封口保鮮做好標記帶回實驗室。

1.3測定方法 將新鮮土樣帶回到室內(nèi)，撿掉植物殘體、石礫等雜物后分成兩部分，一部分過2 mm篩，置于4 ℃冰箱中保存；另一部分于室內(nèi)風干后分別過1和0.25 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測定。土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀外加熱法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和醋酸銨-火焰光度法進行測定[15]。

1.4數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2003和SPSS 11.5統(tǒng)計分析軟件進行相關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。各指標升(降)幅度按照“升(降)幅度=(放牧后-放牧前)/放牧前×100%”進行計算。草地地上生物量中，放牧季平均值是指同一年放牧開始到放牧結束時各個月測定的草地現(xiàn)存量平均值，而放牧結束是指當年放牧結束時草地的現(xiàn)存量。

2 結果與分析

2.1放牧強度對草地地上生物量的影響 從當年放牧結束測定結果看，隨著放牧強度的增加，放牧后草地地上生物量呈降低趨勢，且與LG(3年均值為120.9 g·m-2)相比，MG、HG依次平均降低了18.7%、21.6%。從放牧季平均值看，放牧后草地地上生物量也呈現(xiàn)相似的趨勢，且與LG(3年均值為295.9 g·m-2)相比，MG、HG依次平均降低4.3%、13.8%，但同一年度不同放牧強度間草地地上生物量差異不顯著(P>0.05)(圖1)。這初步說明短期放牧情況下，放牧強度對草地總體生物量的影響相對較小，但HG下降相對較快。年度間草地地上生物量差異顯著(P<0.05)，且2011年顯著高于2012年，而2012年顯著高于2010年(P<0.05)(圖1)，這與試驗區(qū)域5-9月期間的降水量及平均溫度基本吻合。

圖1 2011-2013年不同放牧強度下草地群落生物量Fig.1 Biomass of grassland under different grazing intensities form 2011 to 2013

2.2放牧強度對土壤有機質的影響 放牧前(2010年7月)各試驗小區(qū)間土壤有機質含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層有機質含量依次為104.9、81.0和63.3 g·kg-1(圖2)。連續(xù)放牧3年土壤有機質監(jiān)測結果(圖2)表明，同一年度不同放牧強度間0～30 cm土層有機質含量差異均不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，0～10 cm土層LG有機質含量增加，2010、2011和2012年依次增加了1.4%、4.6%和1.9%，而MG、HG依次降低了11.0%～12.7%(2010年)、1.0%～2.3%(2011年)和2.7%～4.9%(2012年)，且MG較HG下降幅度??；20～30 cm土層有機質含量在LG下出現(xiàn)降低，降幅為7.5%～15.3%， MG、HG則基本增加了2.6%～7.5%；10～20 cm土層有機質含量變化波動性較大。從年度變化看(圖2)，0～10 cm土層有機質含量除在放牧前HG與2010年10月放牧后的MG、HG間存在顯著差異外，年度間各放牧強度0～30 cm土層有機質含量均差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層有機質含量變異系數(shù)依次為7.64%、7.72%和10.63%，表明短期放牧等外界因素對其影響相對較小。而且，無論放牧與否，土壤有機質含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢。

2.3放牧強度對土壤堿解氮的影響 放牧前(2010年7月)各試驗小區(qū)間土壤堿解氮含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層堿解氮含量平均依次為298.0、253.6和186.7 mg·kg-1(圖3)。連續(xù)放牧3年的土壤堿解氮監(jiān)測表明(圖3)，同一年度不同放牧強度間0～30 cm土層堿解氮含量差異均不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比， 除2011、2012年MG下10～20 cm土層降低外， LG、MG、HG下0～30 cm土層堿解氮含量均出現(xiàn)增加，依次為6.3%～34.1%、2.2%～10.1%、15.1%～33.8(2010年)，25.9%～36.2%、14.3%～20.3%、21.2%～29.7%(2011年)，11.0%～58.1%、2.3%～34.4%、20.4%～60.6%(2012年)，且0～10 cm土層增加幅度高于10～20和20～30 cm土層。從年度變化看(圖3)，年度間0～10 cm土層堿解氮含量差異顯著(P<0.05)，總體變異系數(shù)為17.5%，且同一放牧強度年度間2010及2012年堿解氮含量顯著高于放牧前(P<0.05)；10～20 cm土層堿解氮含量年度間差異較小(P>0.05)，變異系數(shù)為15.2%；20～30 cm土層年度間堿解氮含量存在一定的差異性(P<0.05)，變異系數(shù)為18.4%，但同一放牧強度年度間差異不顯著(P>0.05)。另外，無論放牧與否，土壤堿解氮含量基本表現(xiàn)出隨土層深度的增加呈降低趨勢。

2.4放牧強度對土壤速效磷的影響 放牧前(2010年7月)各試驗小區(qū)間0～10、10～20和20～30 cm土層速效磷含量依次為13.5、8.8和5.5 mg·kg-1(圖4)。連續(xù)放牧3年的土壤速效磷監(jiān)測(圖4)表明，除0～10 cm土層在當年放牧結束呈顯著差異(P<0.05)外，同一年度不同放牧強度間0～30 cm土層速效磷含量均差異不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，0～10、10～20 cm土層速效磷含量依次下降了12.9%～39.0%、4.3%～43.0%，而20～30 cm土層在MG增加了2.4%～32.8%，LG、HG降低了16.0%～44.6%。從年度變化看(圖4)，年度間0～10 cm土層速效磷差異顯著(P<0.05)，總體變異系數(shù)為20.0%，且同一放牧強度年度間2011及2012年速效磷含量明顯低于放牧前(P<0.05)。除放牧前HG下速效磷含量顯著高于放牧處理(P<0.05)外，同一放牧強度10～20和20～30 cm 土層速效磷含量年度間無顯著差異(P>0.05)，總體變異系數(shù)依次為22.1%、26.2%。而且，無論放牧與否，土壤速效磷含量隨土層深度增加均呈降低趨勢。

圖2 2010-2012年不同放牧強度下土壤有機質含量Fig.2 Content of soil organic matter under different grazing intensities from 2010 to 2012

圖3 2010-2012年不同放牧強度下土壤堿解氮含量Fig.3 Content of soil available nitrogen under different grazing intensities from 2010 to 2012

圖4 2010-2012年不同放牧強度下土壤速效磷含量Fig.4 Content of soil available phosphorus under different grazing intensities from 2010 to 2012

2.5放牧強度對土壤速效鉀的影響 放牧前(2010年7月)各試驗小區(qū)間土壤速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀含量依次為429.6、313.8、249.9 mg·kg-1(圖5)。連續(xù)放牧3年土壤速效鉀監(jiān)測表明(圖5)，同一年度不同放牧強度間0～30 cm土層速效鉀含量均差異不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，放牧后0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀含量依次增加了35.1%～76.4%、18.9%～63.6%和8.9%～65.1%，且0～10 cm土層速效鉀增加率隨放牧強度增大而降低，0～30 cm土層則以MG的增加率最高。從年度變化看(圖5)，年度間0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀差異顯著(P<0.05)，變異系數(shù)依次為24.9%、29.0%和30.4%，且放牧后同一放牧強度年度間0～10 cm土層速效鉀含量明顯高于放牧前(P<0.05)，但放牧后2010、2011及2012年差異不顯著(P>0.05)；10～20和20～30 cm土層速效鉀含量年度間差異不顯著(P>0.05)。而且，無論放牧與否，土壤速效鉀含量隨土層深度的增加均呈降低趨勢。

圖5 2010-2012年不同放牧強度下土壤速效鉀含量Fig.5 Content of soil available potassium under different grazing intensities from 2010 to 2012

2.6草地放牧強度與土壤養(yǎng)分的關系 為了更好地描述放牧強度對土壤養(yǎng)分的影響，本研究分析了0～10、10～20和20～30 cm土層有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀隨放牧強度的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)不同土層不同養(yǎng)分對放牧強度的響應存在一定的差異(圖6)。隨著放牧強度的增加，0～10 cm土層有機質、速效鉀呈增加趨勢，而堿解氮、速效磷呈降低趨勢；10～20 cm土層有機質、速效磷、速效鉀呈增加趨勢，而堿解氮呈降低趨勢；20～30 cm土層有機質呈降低趨勢，而堿解氮、速效磷、速效鉀呈增加趨勢。0～30 cm土層有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀與放牧強度間均無顯著相關性(P>0.05)(圖6)，說明短期放牧強度對土壤理化性質的影響相對較小，具有一定的滯后性。

3 討論與結論

雖然有關放牧強度對草地土壤理化性質的研究較多[3，7-10]，但由于受氣候、地形、土壤性質、植物組成、放牧強度、放牧年限、放牧家畜種類以及放牧歷史等因素的影響，目前對有關放牧對土壤的影響存在較大的分歧[8]。昭蘇馬場草甸草原3年的連續(xù)放牧試驗顯示，雖然隨著放牧強度的增加，草地地上生物量呈現(xiàn)降低趨勢，但同一年度不同放牧強度間差異不顯著(P>0.05)，這與王向濤等[16]在瑪曲高寒草甸放牧結果“輕度放牧、中度放牧及重度放牧間草地地上生物量差異不顯著”相一致。此外，鄧潮州等[17]研究表明，7月輕度放牧、中度放牧下高寒草甸地上生物量顯著高于重度放牧(P<0.05)，而8月則3種放牧強度間地上生物量差異不顯著(P>0.05)，閆瑞瑞等[18]也得出相似的結論。與放牧前相比，放牧后土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均出現(xiàn)一定程度的變化，且0～10、10～20及20～30 cm土層表現(xiàn)并不一致，但同一年度放牧強度間0～10、10～20和20～30 cm土層有機質、堿解氮、速效磷及速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)。這與不同放牧強度對肅北高寒草原的速效氮磷鉀[7]、內(nèi)蒙古荒漠草原有機碳及全氮[8]、錫林郭勒主要草原有機碳[11]等研究結果基本吻合。初步說明短期放牧期內(nèi)，放牧強度對土壤養(yǎng)分及植被地上生物量的影響較小，需要在較長的時間尺度上進行。土壤養(yǎng)分的差異不明顯可能是因為放牧利用后草地植被地上生物量的降低不明顯，也可能是土壤養(yǎng)分對放牧強度的響應具有一定的“滯后”性所致。王明君等[19]在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原的研究也表明，草地植被由輕度退化演替到中度退化時，植被已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，而草地土壤的全氮、全磷、全鉀、有機質、速效磷和速效鉀變化較小，與輕度退化草地土壤養(yǎng)分基本相似，歸聚于一類。土壤養(yǎng)分對短期放牧響應的這種“滯后性”可能是由于在普遍較高的土壤養(yǎng)分背景值或土壤自然差異的條件下，這種對土壤全土速效養(yǎng)分、有機質的分析往往由難以捕捉土壤養(yǎng)分的瞬時變化所致，研究土壤養(yǎng)分對放牧的響應需要利用更敏感于外界變化的一些指標進行，如微生物量碳、輕組有機質、顆粒碳等[20]。

圖6 放牧強度與土壤有機質及速效養(yǎng)分的關系Fig.6 Relations among grazing intensity, soil organic matter and available nutrition

本研究表明，年度間0～30 cm土層有機質、20～30 cm土層速效磷、10～20 cm土層堿解氮基本差異不顯著(P>0.05)，其余指標均存在一定的差異性(P<0.05)，可能與試驗期間的降水量及溫度年度間差異較大有關系。水熱條件的好壞直接影響植物地上生物量的增減、放牧家畜的排泄多少、對草地的踐踏強度，進而影響草地土壤養(yǎng)分的年際變化，原因還有待于研究。

短期放牧對0～10 cm土層養(yǎng)分的影響較明顯，且無論放牧與否，土壤有機質、堿解氮和速效磷及速效鉀含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢。相關分析表明，0～30 cm土層有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀與放牧強度間均無顯著相關性(P>0.05)，且隨著放牧強度的增加，0～30 cm土層有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀的響應規(guī)律存在一定差異。

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