王天樂, 衛(wèi)智軍*, 劉文亭, 白玉婷, 張 爽, 丁莉君, 肖嘉圃, 呂世杰

(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 010018; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

放牧草地系統(tǒng)是人類生存、生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)之一，長(zhǎng)期以來，由于超載放牧及盲目開墾等，草地退化十分迅速，嚴(yán)重影響了國家生態(tài)安全和草地畜牧業(yè)的良性發(fā)展，如何緩解草地利用、退化、生態(tài)環(huán)境保護(hù)間的矛盾已迫在眉睫，其中確定適宜的放牧強(qiáng)度是解決目前草地所面臨問題的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3]。放牧過程中，草、土、畜是一個(gè)有機(jī)整體，他們之間相互影響，相互制約。土壤是植被生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，不斷為植被提供水分和營養(yǎng)物質(zhì)，而植被的出現(xiàn)也影響著土壤的形成和發(fā)育[4]。家畜的采食和踐踏及糞便排泄物的歸還會(huì)直接或間接的影響土壤養(yǎng)分含量和植物物種的組成[5]，短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原是草原向荒漠過渡的生態(tài)交錯(cuò)帶，其獨(dú)特的生態(tài)脆弱性使得該地土壤對(duì)放牧家畜格外敏感[6-7]。所以確定合理的放牧方式，對(duì)荒漠草原的保護(hù)及合理利用具有重要意義。

土壤容重是草地退化的重要指標(biāo)[8]，隨著放牧壓力的增強(qiáng)，土壤容重逐漸增加，有研究表明放牧僅對(duì)表層土壤容重產(chǎn)生影響，且對(duì)0～5 cm土壤影響最為明顯[9]，土壤含水量是反映土壤健康狀況的重要指標(biāo)，隨著放牧強(qiáng)度的增加，草原植被覆蓋度下降，土壤水分蒸發(fā)增加，土壤保水能力下降[10]。研究表明，放牧?xí)淖冎参锶郝浣M成，改變?nèi)郝渲械蚵湮锏慕M成，降低群落地上生物量，改變土壤氮輸入[11]。長(zhǎng)期放牧利用，會(huì)使草原生態(tài)系統(tǒng)中氮素流失[12-13]。許岳飛[14]等認(rèn)為放牧土壤全氮含量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，也有人認(rèn)為放牧對(duì)氮含量基本沒有影響。作為土壤養(yǎng)分歸還的主要因子，凋落物在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中起著關(guān)鍵作用，凋落物分解會(huì)產(chǎn)生土壤所需的養(yǎng)分和CO2，家畜的采食會(huì)減少地上生物量的生成，相應(yīng)的會(huì)降低凋落物的生成，同時(shí)凋落物通過食草動(dòng)物的踩踏、破碎會(huì)刺激自身的分解[15-16]。本試驗(yàn)以短花針茅荒漠草原為對(duì)象，設(shè)置不同放牧強(qiáng)度，研究不同放牧強(qiáng)度下土壤理化性質(zhì)及其變化規(guī)律，旨在從土壤物理性質(zhì)的改善和養(yǎng)分的積累方面，探尋荒漠草原在保護(hù)中利用，在利用中恢復(fù)的適宜的放牧方式，為草地合理利用和草-土-畜的可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟蘇尼特右旗朱日和鎮(zhèn)(112°47′ E，42°15′ N)。該地地形平坦，土壤質(zhì)地為淡栗鈣土，腐殖質(zhì)層厚4～8 cm；鈣積層明顯分布在10～35 cm土層中，年平均降水量177.2 mm，蒸發(fā)量為2 500 mm，該地區(qū)大多數(shù)年受到不同程度的干旱威脅，降水主要集中在牧草生長(zhǎng)旺盛的7、8月份。群落以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種，無芒隱子草(Cleistogenessongorica)為亞建群種，伴生種有狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)、木地膚(Kochiaprostrata)、天門冬(Asparagusgobicus)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于連續(xù)的同一地段，地勢(shì)平坦，環(huán)境相對(duì)均勻。放牧試驗(yàn)于2010年開始，每年5月開始放牧，10月底終止，期間采用連續(xù)放牧方式，晚上羊群在樣地不歸牧，不進(jìn)行補(bǔ)飼。本研究設(shè)有3個(gè)放牧處理，依次為不放牧(NG)、適度放牧(MG)和重度放牧(HG)，每個(gè)處理均設(shè)有3次重復(fù)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)面積均為2.60 hm2，適度放牧處理和重度放牧處理載畜率分別為1.92羊·hm2·a-1和3.08羊·hm2·a-1。放牧的草食動(dòng)物為“蘇尼特羊”，放牧區(qū)綿羊的健康狀況、個(gè)體大小、體重、性別基本一致。

1.3 取樣方法

2015年8月中旬進(jìn)行土壤取樣，用直徑為4 cm土鉆在各放牧小區(qū)隨機(jī)取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土樣，將土樣裝入鋁盒，帶回室內(nèi)立即稱重，重復(fù)3次，隨即將鋁盒放入105℃烘箱烘至恒重，計(jì)算土壤含水量。用容積為100 cm3的土壤環(huán)刀在各放牧小區(qū)隨機(jī)取深度為0～10，10～20，20～30，30～40 cm的土樣，將土樣裝入小鋁盒，帶回室內(nèi)稱重，重復(fù)3次，并放入105℃烘箱烘至恒重，測(cè)定土壤容重。隨機(jī)在不同放牧處理小區(qū)取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土樣，3次重復(fù)，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行養(yǎng)分分析。測(cè)定指標(biāo)及方法如下：土壤全碳、全氮采用元素分析儀(Elementar vario MACRO)測(cè)定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗顯色—分光光度法測(cè)定；全鉀采用氫氧化鈉熔融—火焰光度計(jì)法測(cè)定；速效氮利用氫氧化鈉堿解—擴(kuò)散吸收法測(cè)定；速效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗顯色—分光光度法測(cè)定；速效鉀采用醋酸銨浸提—火焰光度吸收法測(cè)定[17]。

在各小區(qū)內(nèi)，選擇代表性植物群落的典型地段，設(shè)置5個(gè)1 m×1 m的樣方,采用刈割法獲取群落地上現(xiàn)存生物量，80℃下烘干24 h，獲得干物質(zhì)量，同時(shí)測(cè)定樣方內(nèi)凋落物的現(xiàn)存量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析(one way ANOVA)，以放牧方式作固定因子，分別以土壤容重和含水量、土壤C、N、P、K含量、群落地上現(xiàn)存量和凋落物生物量作因變量，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，同時(shí)對(duì)凋落物生物量和地上現(xiàn)存量進(jìn)行相關(guān)分析，采用Office Excel 2013進(jìn)行作表和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重是土壤結(jié)構(gòu)和土壤緊實(shí)度的重要指標(biāo)，放牧對(duì)土壤容重的影響主要表現(xiàn)在0～30 cm土層(表1)，呈重度放牧處理最高，適度放牧次之，不放牧處理最低；而土壤含水量則剛好相反，隨放牧強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)，各放牧區(qū)20～30，30～40 cm土層土壤含水量無顯著性差異，說明土壤深層含水量受放牧強(qiáng)度的響應(yīng)較小。

表1 不同放牧強(qiáng)度下土壤物理性質(zhì)變化Table 1 Dynamics of soil physical property under different grazing intensities

2.2 放牧對(duì)土壤養(yǎng)分特征的影響

由表2可知，放牧對(duì)土壤全碳、土壤速效氮無顯著性影響，而30～40 cm深度土壤全氮受放牧影響顯著(P<0.05)。隨著放牧強(qiáng)度的增加，0～10 cm土層全磷含量呈降低趨勢(shì)。土壤速效磷在各放牧強(qiáng)度變化中無顯著性差異。土壤全鉀隨著放牧強(qiáng)度的增加逐漸下降，隨土層深度的增加逐漸升高。土壤速效鉀是植物生長(zhǎng)過程中易被較快吸收利用的鉀素形態(tài)，土壤速效鉀含量在0～10 cm土層表現(xiàn)為中度放牧>重度放牧>不放牧。

表2 不同放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分變化Table 2 Dynamics of soil nutrients under different grazing intensities

2.3 放牧對(duì)草地群落地上生物量的影響

放牧對(duì)荒漠草原群落地上生物量有顯著影響，隨著放牧強(qiáng)度的增加，群落地上生物量逐漸降低，不放牧群落地上生物量為72.6 g·m-2，顯著高于適度放牧(44.1 g·m-2)和重度放牧(31.9 g·m-2)(圖1)。作為荒漠草原植被的建群種及優(yōu)勢(shì)種，短花針茅(Stipabreviflora)、無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、堿韭(Alliumpolyrhizum)和銀灰旋花(Convolvulusammannii)地上生物量在群落中占較大比重，且變化趨勢(shì)與群落生物量一致，隨著放牧強(qiáng)度的增加，主要物種地上生物量逐漸降低，不放牧樣地主要物種地上生物量顯著高于適牧和重牧(P< 0.05)。

本研究表明，適度放牧有利于增加主要物種在群落地上生物量中的比值，但隨著放牧強(qiáng)度的增加，主要物種相對(duì)生物量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)(圖2)，因?yàn)檫m度放牧?xí)碳ぶ参锏纳L(zhǎng)，增加主要物種的地上生物量[18]。隨著放牧強(qiáng)度的增加，草原植物群落生產(chǎn)力大幅降低，使得物種組成發(fā)生變化，降低主要物種的相對(duì)生物量。

凋落物指一定面積上特定生態(tài)系統(tǒng)地表堆積的物質(zhì)，是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分歸還的重要參與者，當(dāng)?shù)蚵湮飶闹参矬w脫落進(jìn)入地表時(shí)，就開始物理、化學(xué)、生物的分解，通過這些過程釋放出生態(tài)系統(tǒng)所需的養(yǎng)分和二氧化碳[19]，研究得出，放牧?xí)档椭参锏厣系蚵湮锎媪?，隨著放牧強(qiáng)度的增加，凋落物生物量逐漸降低，不放牧下凋落物生物量最高，為6.8 g·m-2，顯著高于全年重牧(P< 0.05)(圖3)。

圖1 群落地上生物量和主要物種地上生物量變化Fig.1 Changes of community aboveground biomass and dorminant species aboveground biomass

圖2 不同放牧強(qiáng)度主要物種相對(duì)生物量Fig.2 Relative biomass of dominant species under different grazing intensities

圖3 凋落物生物量隨放牧強(qiáng)度的變化Fig.3 Change of litter biomass with grazing density

2.4 群落地上生物量與凋落物生物量之間的關(guān)系

研究得出，凋落物地上生物量與群落地上生物量呈顯著正線性相關(guān)(圖4)。對(duì)于陸地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，枯枝落葉的凋落量對(duì)于植物生物量的形成，除土壤提供營養(yǎng)外，覆蓋物同樣也能提高土壤營養(yǎng)物質(zhì)的利用率。

圖4 地上生物量與凋落物生物量之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between above ground biomass and litter biomass

3 討論

3.1 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

土壤容重受家畜踩踏的影響較敏感，作為草地退化的重要指標(biāo)之一，其基本狀況綜合反映土壤健康狀態(tài)[20-21]。本研究認(rèn)為，隨放牧強(qiáng)度的增加，表層0～10 cm土壤容重顯著增加，即單位面積內(nèi)牲畜頭數(shù)的增加，使得家畜對(duì)土壤的壓實(shí)作用更為強(qiáng)烈，伴隨土壤緊實(shí)、土壤孔隙度減小，引起透水性、透氣性和水導(dǎo)率下降，且受家畜的踐踏作用主要分布在0～10 cm土層。放牧對(duì)土壤容重的影響還表現(xiàn)在不同深度上，不放牧土壤容重隨土層深度的增加逐漸上升，而適牧和重牧土壤容重隨著土層深度的增加逐漸降低。這可能是因?yàn)橹参锔抵饕植加谕寥辣韺?，不放牧土壤沒有受到外界因素的干擾，植物生長(zhǎng)較好，種類較多，所以表層土壤比較疏松，土壤容重較小，但隨著土層深度增加，根系逐漸減少，土壤通氣性變差，使得土壤緊實(shí)度增加，土壤容重變大。而放牧地本身由于家畜的采食及踩踏，降低了植被蓋度，導(dǎo)致表層根系數(shù)量減少，同時(shí)放牧增加對(duì)土壤的壓實(shí)作用，導(dǎo)致放牧區(qū)表層土壤容重高于底層。天然草地土壤含水量不僅與降水的多少密切相關(guān)，對(duì)放牧也有一定的響應(yīng)，試驗(yàn)表明全年重度放牧?xí)?dǎo)致0～20 cm土壤含水量顯著下降，20～40 cm土層土壤含水量無顯著性變化，放牧對(duì)土壤含水量的影響隨土層的加深而減弱，這與石永紅[8]的研究結(jié)果一致。

3.2 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

作為草地生態(tài)系統(tǒng)中最大的營養(yǎng)庫，土壤碳、氮和磷在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，是構(gòu)成土壤有機(jī)質(zhì)的重要組成部分，對(duì)維持土壤結(jié)構(gòu)、降低土壤侵蝕潛力、保障土壤水分關(guān)系產(chǎn)生重要作用，是土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子[22]。研究認(rèn)為，放牧對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量沒有影響[23]，還有研究發(fā)現(xiàn)放牧增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量[24-25]，本試驗(yàn)表明放牧對(duì)0～20，30～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著影響，Smoliak·S[26]進(jìn)行的19年放牧試驗(yàn)結(jié)果表明，不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤全磷含量影響不大，與本研究結(jié)果一致，本試驗(yàn)得出土壤全磷、速效磷含量在各土層不同放牧處理之間無顯著差異。全鉀含量在重度放牧與輕度放牧之間無顯著差異，各處理之間無顯著變化，說明土壤全鉀對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)較小。隨單位面積內(nèi)家畜數(shù)量的增加，各放牧小區(qū)地上凋落物積累量逐漸降低，經(jīng)過動(dòng)物的踐踏、破碎、分解，使得凋落物與土壤充分接觸，加速了凋落物分解，使凋落物中的養(yǎng)分含量和碳元素充分轉(zhuǎn)移到土壤中。凋落物分解作為養(yǎng)分歸還土壤的一種重要形式，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，Taylor研究表明[27]，凋落物的質(zhì)量對(duì)凋落物分解速率有很好的指示作用，凋落物的分解會(huì)間接提高土壤養(yǎng)分，通過研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量并沒有表現(xiàn)出顯著變化，說明凋落物在自然環(huán)境分解過程十分復(fù)雜，許多因素會(huì)對(duì)凋落物分解產(chǎn)生影響，Swift[28]等強(qiáng)調(diào)凋落物質(zhì)量與分解速率間的關(guān)系為正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，根據(jù)凋落物分解階段不同而異。放牧?xí)p少地上生物量，降低單位面積凋落物的生成，隨著放牧強(qiáng)度的增加，群落地上生物量和主要物種生物量顯著降低，但主要物種在群落地上生物量的比值，隨放牧強(qiáng)度的增加呈先增加后降低的變化趨勢(shì)，在適度放牧處理下主要物種生物量比值最高，這與戴新剛的研究結(jié)果一致，一定程度的啃食有助于增加盛夏季節(jié)短花針茅的產(chǎn)量，中度放牧條件下表現(xiàn)最為突出[29-30]。本試驗(yàn)地為以短花針茅為建群種的荒漠草原，生態(tài)環(huán)境脆弱，適度放牧雖然會(huì)對(duì)環(huán)境造成輕度影響，但是由于植物本身具有強(qiáng)大的根系和密叢型結(jié)構(gòu)，使得成年株叢的存活率高，同時(shí)適度放牧可以刺激植物的營養(yǎng)繁殖和生長(zhǎng)，有利于增加優(yōu)勢(shì)種在群落中的比值[18]。短花針茅作為優(yōu)良牧草，為家畜所喜食，在重度放牧下，家畜的嚴(yán)重采食，會(huì)降低短花針茅生產(chǎn)力，使優(yōu)勢(shì)種生物量在群落中的比值降低。盡管植被在放牧影響下變化顯著，但是土壤養(yǎng)分并沒有顯著性變化，說明放牧對(duì)土壤養(yǎng)分的影響是一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的過程，短期放牧并不會(huì)使土壤養(yǎng)分產(chǎn)生太大變化。同時(shí)，凋落物的分解對(duì)土壤的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，是生物因素和非生物因素共同作用的結(jié)果[31]。

4 結(jié)論

本研究以內(nèi)蒙古短花針茅放牧草地為依托，分析比較了不同放牧強(qiáng)度下土壤理化性質(zhì)的變化。研究認(rèn)為，放牧?xí)@著增加土壤容重，降低土壤含水量，短期放牧對(duì)土壤養(yǎng)分無顯著影響；放牧?xí)档椭脖坏厣仙锪?，減少凋落物的生成。因此，適度放牧是維護(hù)短花針茅荒漠草原土壤養(yǎng)分、提高草地生產(chǎn)力的有效途徑，同時(shí)也是保護(hù)這一地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境的有效方法之一。