魏加弟，徐勝濤，宋曉宏，席冬梅

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；3.福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350303)

草地生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源及保障畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面起著重要的作用[1]，土壤則是草地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，同時也是生物與環(huán)境相互作用的主要場所[2]。土壤中儲存著許多與植物生長相關(guān)的營養(yǎng)元素，對植物群落的構(gòu)成與生理活力有著直接的影響，并且對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能以及生產(chǎn)力水平都起著決定性作用[3]。土壤質(zhì)量是草地生產(chǎn)力水平高低的重要指標(biāo)，影響著動物、植物及人類健康，已逐漸成為現(xiàn)代土壤學(xué)科研究的熱點問題[4]。

關(guān)于放牧對人工草地土壤質(zhì)量的影響一直受到研究者的廣泛關(guān)注。有研究學(xué)者認(rèn)為，家畜從草地植物中攝取食物和能量，通過啃食、踩踏活動直接作用于草地植物地上部分和土壤，使草地物種多樣性降低，草地覆蓋度減小，進(jìn)而降低草地土壤肥力及水土保持能力[5]。但是也有研究者認(rèn)為，在放牧過程中家畜也會通過排泄活動對土壤有機(jī)質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償，提高土壤微生物的生產(chǎn)力及酶活性[6]，也可以促進(jìn)N素礦化，提高N的有效性[7]，在促進(jìn)草地土壤中的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化及提高草地土壤生態(tài)服務(wù)功能方面有重要作用。輪作是用地養(yǎng)地結(jié)合的一種草地管理措施，不僅可以減輕草地病蟲害，也可以通過輪種根系長度不同的作物，疏松土壤改善土壤物理結(jié)構(gòu)[8]。姚新榮等[9]研究認(rèn)為人工草地輪作對均衡利用土壤養(yǎng)分，調(diào)節(jié)土壤肥力有重要作用。林棟等[10]研究認(rèn)為“蔬-草”輪作可以顯著提高草地土壤有機(jī)碳含量、土壤碳礦化率及土壤微生物多樣性，且隨著輪作年限的升高，效果越顯著。張德罡等[11]研究認(rèn)為輪作制度可以通過影響人工草地土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)。王俊等[12]研究認(rèn)為“混播草地-青貯玉米”輪作可以改善土壤物理環(huán)境，增加土壤肥力，提高后茬作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，為提高牧草的產(chǎn)量和質(zhì)量，解決冬春枯草季節(jié)牧草供應(yīng)問題，人工草地與短期飼料作物(青貯玉米)相結(jié)合的輪作模式被廣泛應(yīng)用[13]，因此探究該輪作模式對土壤質(zhì)量的影響，對草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

海拔梯度差異導(dǎo)致了人工草地土壤的空間異質(zhì)性和對人類活動不同的響應(yīng)特征[14]。隨著海拔梯度升高，溫度及濕度下降，空氣稀薄，土壤水分含量升高，對土壤中的物質(zhì)循環(huán)及地上植物的生長有顯著影響。周煜杰等[15]研究認(rèn)為土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對海拔梯度的響應(yīng)敏感，不同海拔土壤微生物群落間差異顯著。張恒平等[16]研究認(rèn)為土壤氮循環(huán)隨著海拔高度變化有很大差異。畢旭等[17]研究認(rèn)為放牧是中低海拔地區(qū)草地土壤質(zhì)量及草地凈生產(chǎn)力下降的主要原因。分析不同海拔梯度草地土壤質(zhì)量狀況，可以促進(jìn)草地經(jīng)濟(jì)及草地畜牧業(yè)的發(fā)展，對制定有效的草地生態(tài)管理和調(diào)控政策具有重要意義。

本研究以云南省種羊繁育推廣中心不同海拔梯度及利用模式的人工草地為研究對象，分析土壤理化性質(zhì)，探索它與海拔及利用模式間的關(guān)系，從而針對性地對草地土壤質(zhì)量加以改良，為建立健康可持續(xù)發(fā)展的人工草地提供技術(shù)支持與理論依據(jù)，對維護(hù)與改善草地土壤質(zhì)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省種羊繁育推廣中心位于云南省尋甸彝族自治區(qū)，地處E 103°11′24″，N 25°40′44″，全場總面積1 600 hm2，平均海拔1 982 m，年均溫13.5 ℃，年降水量1 034 mm，11月～4月為旱季，5月～10月為雨季，雨季降水占總降水量的90.4%。全年蒸發(fā)量2 034 mm，日照1 846 h，無霜期240 d。平均溫度最低月為12月和1月，均為6.5 ℃，6月份平均溫度最高，為20.4 ℃，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，多雨潮濕，屬低緯度高原季風(fēng)氣候。土壤類型為磚紅壤，pH值為5.7～6.1，土壤粘重，保水能力差，植物生長易受干旱影響。

1.2 試驗設(shè)計

本研究中人工草地于1983年底建成，至今約40 a，混播牧草品種以鴨茅(Dactylisglomerata)、白三葉(Trifoliumrepens)和多年生黑麥草((LoliumperenneL.)為主。根據(jù)草地具體情況選取了兩個不同海拔高度(2 000 m和2 400 m)，兩個海拔高度的放牧區(qū)和輪作區(qū)的草地混播狀況、放牧情況、草地管理模式等基本保持一致。通過測定兩個海拔高度土壤理化性質(zhì)間的差異，探究海拔對土壤理化性質(zhì)的影響。另外，放牧草地主要飼養(yǎng)綿羊和山羊，除惡劣天氣外草場全年放牧，放牧?xí)r間為6～8 h/d，載畜量為15個羊單位/hm2，放牧強(qiáng)度為中度，在一個生長季節(jié)內(nèi)，放牧草地采用“刈割青貯→放牧→刈制青貯”3次利用。輪作草地采用的輪作模式為“光葉紫花苕-青貯玉米-混播人工草地”8月下旬翻耙整理土地，播種光葉紫花苕，次年4月初利用結(jié)束，于5月上旬播種青貯玉米，9月中旬收獲制作青貯，然后進(jìn)行土地鎮(zhèn)壓平整，10月初再建混播人工草地，其中鴨茅、白三葉和多年生黑麥草的播種量分別為1、0.5、0.5 kg/hm2，青貯玉米的品種為會白玉11，草地管理及水肥供給具體概況如表1所示。

表1 采樣地概況

1.3 測定指標(biāo)及方法

本試驗土壤樣品于2020年3月采集完成。在不同海拔處的不同利用模式的草地上建立10個樣地，每個樣地5個重復(fù)，在0～20 cm表層土壤采樣，用“S”形布點采樣，確定采樣點后以“等量”和“多點混合”的原則，取樣工具包括鐵鍬、螺旋取土鉆、環(huán)刀、鋁盒、樣品袋、樣品箱、記錄表等。每個樣點至少采集6個點位的土壤，然后混勻。把土樣裝入自封袋中，貼上標(biāo)簽，用記號筆寫明編號、采樣地點、土壤類型等。采集的混合土樣拿回實驗室剔除雜草和石塊后，置于陰涼處自然風(fēng)干。一部分土樣風(fēng)干過篩，用于土壤理化性質(zhì)的測定。

1.3.1 土壤理化性質(zhì) 土壤化學(xué)指標(biāo)的測定，主要參照魯如坤[18]的《土壤農(nóng)化分析法》，土壤pH測定采用電位法；土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外熱源法；水解性氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法；全氮含量測定采用凱氏蒸餾法；全磷含量測定采用NaOH 熔融—鉬銻抗比色法；全鉀用 NaOH 熔融—火焰光度法；有效磷含量測定采用NaHCO3浸提—鉬銻抗吸光度法；速效鉀含量測定采用1 mol/L乙酸銨浸提—火焰光度法；土壤孔隙度和土壤容重采用環(huán)刀法。

1.3.2 土壤質(zhì)量評價 參考《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》(表2)，采用修正的內(nèi)梅羅(Nemoro)綜合指數(shù)法對土壤肥力進(jìn)行定量綜合評價，對所選指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以消除各參數(shù)之間的量綱差別，標(biāo)準(zhǔn)化處理的方法如下(表3)。

表2 內(nèi)梅羅評定方法中土壤各屬性分級標(biāo)準(zhǔn)

表3 土壤各屬性肥力系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)

利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算土壤綜合肥力指數(shù)，參考《全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)》方法，計算公式如公式1所示。

(1)

表4 土壤肥力等級劃分

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010處理，試驗結(jié)果采用 SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用單變量雙因素方差分析研究主效應(yīng)利用模式或海拔高度對各指標(biāo)的影響，同時研究利用模式和海拔高度對各指標(biāo)影響的交互效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用模式和海拔下草地土壤理化性質(zhì)的交互作用分析

由表5可見，不同利用模式對土壤容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、全磷、速效鉀含量影響顯著(P<0.05)，而對土壤全氮、堿解氮及速效鉀含量無顯著性影響。不同海拔梯度土壤容重、pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀均有顯著性差異(P<0.05)，放牧草地隨著海拔梯度升高，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮顯著升高，土壤容重顯著降低；輪作草地隨著海拔梯度升高，除土壤容重和pH值顯著降低外，土壤其他化學(xué)指標(biāo)均顯著升高(P<0.05)。

表5 模式和海拔對土壤理化性質(zhì)的影響

2.2 不同利用模式和海拔草地土壤質(zhì)量指標(biāo)評價

利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算土壤各屬性肥力系數(shù)，結(jié)果如表6所示。不同海拔及利用模式下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量充足，Pi=3。土壤全鉀含量較少(12 400 m放牧>2 000 m放牧>2 000 m輪作。2 000 m海拔處放牧草地土壤堿解氮肥力系數(shù)較低，Pi<3屬于較好一級，2 400 m海拔處放牧草地土壤有效磷肥力系數(shù)較低。

表6 土壤各屬性肥力等級評價結(jié)果

通過土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀8個指標(biāo)，利用內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法計算土壤綜合肥力指數(shù)，結(jié)果如表7所示。根據(jù)P值定量評價土壤肥力標(biāo)準(zhǔn)，不同海拔及利用模式下土壤綜合肥力系數(shù)在0.9～1.8，均屬于中等水平，但是肥力系數(shù)差異顯著。隨著海拔的升高，放牧草地和輪作草地的土壤肥力均逐漸升高；在相同海拔處，輪作草地土壤肥力均略高于放牧草地。

表7 不同利用模式和海拔土壤肥力綜合評價結(jié)果

3 討論

隨著海拔的升高，空氣濕度增加，溫度下降，對土壤的結(jié)構(gòu)及土壤中的動植物均會產(chǎn)生影響。本研究中土壤容重隨著海拔的升高而降低，這可能是高海拔地區(qū)凍融作用使土壤孔隙度增大，土壤結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致土壤容重減小[19]。隨著海拔的升高，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增加，這與王瑞永等[20]的研究結(jié)果一致，認(rèn)為海拔高度增加溫度降低，土壤動物代謝減慢，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化作用就會減慢，從而使有機(jī)質(zhì)的積累增加，另外，隨海拔升高，溫度降低，植物根系對土壤碳輸入增加，故土壤有機(jī)碳含量和微生物碳含量增加，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量較高[21]。本研究中土壤全氮和堿解氮的含量隨著海拔的升高也逐漸升高，原因是土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量呈正相關(guān)，土壤有機(jī)質(zhì)含量升高時，也伴隨著土壤氮素的升高。磷是植物生長發(fā)育過程中必需的大量元素之一，但是通常以緩效磷的形式存在。本研究中隨著海拔梯度升高土壤全磷含量顯著升高(P<0.05)，土壤有效磷含量也升高但是效果不顯著，這與趙曉蕊[22]關(guān)于武功山山地草甸土壤磷素的空間分布研究的結(jié)果一致，這是由于高海拔處的氣候、溫度、降水等綜合作用引起的。另外，本研究區(qū)的土壤pH為5.5～6.3，該條件下土壤微生物活性最強(qiáng)，有利于土壤微生物礦化土壤中的有機(jī)磷，也有利于溶解土壤中的礦物磷，所以磷的含量會升高。分析表明，多種土壤理化指標(biāo)都隨著海拔的升高而產(chǎn)生明顯的變化，尤其是有機(jī)質(zhì)、全氮等形式比較穩(wěn)定的土壤養(yǎng)分。

本研究中，放牧草地土壤容重和土壤pH顯著高于輪作草地(P<0.05)，放牧草地土壤容重較高，主要是由于放牧?xí)r家畜的踩踏，啃食活動會夯實土壤，使其容重增加，孔隙度下降，與張風(fēng)承等[23]關(guān)于放牧對土壤容重和孔隙度的影響的研究結(jié)果一致。動物對草地的選擇性采食、草地的再生性等都影響著土壤的pH，放牧草地家畜糞尿排泄量相對多，增加了土壤中陽離子的含量，土壤pH增大[24]。土壤有機(jī)質(zhì)是草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)能力的關(guān)鍵指示因子，本研究中輪作草地土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于放牧草地，主要是因為輪作作物根系腐爛后可補(bǔ)充土壤中營養(yǎng)元素含量，進(jìn)而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，另外輪作提高了土壤的透氣透水性，改善了土壤動物的生存環(huán)境，促進(jìn)土壤的礦化作用，可以間接提高土壤中有機(jī)質(zhì)的含量[25]。磷是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素之一，以多種方式參與植物體內(nèi)代謝活動，因此草地土壤全磷含量在“土壤-植物-動物”三者物質(zhì)循環(huán)過程中發(fā)揮著重要作用[26]。本研究結(jié)果中輪作草地土壤全磷含量顯著高于放牧草地，其原因可能是“光葉紫花苕-青貯玉米-混播人工草地”輪作，其中光葉紫花苕的固氮作用會引起根際酸化，從而影響到根際土壤中磷的溶解，提高了土壤中的全磷含量[27]。而放牧草地土壤會因為家畜踐踏過度產(chǎn)生溝紋，從而引起土壤的侵蝕現(xiàn)象，尤其會造成土壤磷素的流失[28]。鉀是植物的必須元素，但是土壤中可以直接被植物吸收的速效鉀含量很少，本研究中輪作草地土壤速效鉀含量顯著高于放牧草地(P<0.05)，說明輪作草地土壤中鉀元素的有效性較強(qiáng)，這與輪作草地中土壤結(jié)構(gòu)好，土壤中的酶活性及微生物活性較強(qiáng)有關(guān)，因為輪作過程中種植了不同種類的作物，它們的根系分泌物可以刺激土壤中的微生物代謝，進(jìn)而加快土壤中的物質(zhì)循環(huán)[29]。

根據(jù)內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法并參考全國第二次土壤普查土壤肥力分級標(biāo)準(zhǔn)評價不同海拔及利用模式下的草地土壤肥力，結(jié)果表明不同海拔高度的放牧地及輪作地的土壤肥力水平均為中等水平，其中海拔2 400 m輪作草地的綜合肥力系數(shù)最高，為1.75，2 000 m放牧地的綜合肥力系數(shù)最低，為1.56。在相同海拔處，輪作草地土壤肥力高于放牧草地，說明草地-飼草輪作對于改善草地土壤肥力有重要作用，該結(jié)果與韓麗娜[30]關(guān)于草田輪作對土壤水肥特性影響的研究結(jié)果一致，認(rèn)為輪作可以通過提高土壤有機(jī)質(zhì)及堿解氮的含量，有效改善土壤生態(tài)環(huán)境。輪作草地土壤肥力系數(shù)高于放牧草地，2 400 m海拔處放牧草地土壤肥力高于2 000 m海拔處，這可能是因為刈割和中等放牧強(qiáng)度對草地的影響較小，海拔是影響草地土壤肥力系數(shù)產(chǎn)生差異的主要因素。土壤pH、全磷、全鉀和速效鉀是影響土壤肥力指數(shù)的關(guān)鍵因素，另外鉀素被稱為品質(zhì)元素，它可以提高植物的抗逆性，還能激活酶活性，促進(jìn)糖和脂的代謝[31]，本研究中2 000 m海拔處放牧草地缺鉀嚴(yán)重，在生產(chǎn)中可以按作物布局和需肥規(guī)律，因地制宜改善肥料施用結(jié)構(gòu)，在原有的施肥方案基礎(chǔ)上重點補(bǔ)施鉀肥。

4 結(jié)論

相同利用模式下，2 400 m海拔處土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及堿解氮含量均顯著高于2 000 m海拔，且2 400 m海拔處內(nèi)梅羅指數(shù)高于2 000 m海拔處，2 400 m海拔高度的土壤肥力優(yōu)于2 000 m。在同一海拔高度下，輪作草地土壤肥力更高，說明采用“光葉紫花苕-青貯玉米-混播人工草地”輪作模式可有效改善草地土壤肥力，促進(jìn)草地可持續(xù)利用，也可以解決青干草供求矛盾，促進(jìn)畜牧業(yè)的發(fā)展。