安生輝

(甘肅省甘南藏族自治州草原工作站,甘肅 合作 747000)

草地不僅是保障我國(guó)食品結(jié)構(gòu)和食品安全的基礎(chǔ)資源,其還在水土保護(hù)、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性和基因資源保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用。由于氣候變化、過(guò)度放牧、不合理的放牧制度等綜合因素作用導(dǎo)致草地發(fā)生了不同程度的退化。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)90%的草地發(fā)生了不同程度的退化,并且以200 km2/年的速率增加。高寒草甸是我國(guó)現(xiàn)有18個(gè)草原類(lèi)型中面積最大的一個(gè)草原類(lèi)型,約占我國(guó)草原資源面積的的16%, 也發(fā)生了不同程度的退化。

放牧是高寒草甸最基本的利用方式,能顯著改變草地植被群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀。然而很多研究結(jié)果表明過(guò)度放牧可導(dǎo)致草地退化、沙化、物種多樣性降低和草地生態(tài)功能失衡。如何確定適度、合理和科學(xué)的放牧制度至關(guān)重要。植被和土壤的理化性狀與放牧強(qiáng)度密切相關(guān),是草地是否健康可持續(xù)發(fā)展最直觀的表現(xiàn)形式。本研究分析甘肅省甘南碌曲縣放牧強(qiáng)度對(duì)高寒草甸植物群落和土壤理化性狀的影響,揭示不同放牧強(qiáng)度與草地之間的內(nèi)在聯(lián)系,為合理高效利用高寒草甸、為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地處甘肅西南碌曲縣,是甘肅省重要的畜牧縣, 草場(chǎng)總面積39.4萬(wàn)hm2,占全縣土地總面積的83.3%。試驗(yàn)地位于瑪曲縣尕海鄉(xiāng)(lat.34°14'N; long.102°13'E),海拔3 650 m,研究區(qū)域?qū)偾嗖馗咴瓪夂驇Ц咴瓭駶?rùn)氣候區(qū),冬長(zhǎng)無(wú)夏,春秋短促,高寒陰濕,年均氣溫 2.3℃,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期,年降水量633～782 mm,該區(qū)域主要分為冬季放牧和夏季放牧兩種利用方式。土壤類(lèi)型為亞高山草甸土壤;草地類(lèi)型為典型的高寒草甸草地,以莎草科的嵩草屬(Kobresia)和疏叢型禾本科的針茅屬(Stipa)、羊茅屬(Festuca)、早熟禾屬(Poa)的一些草種為主,并伴有大量的雜類(lèi)草,如莓葉委陵菜(Potentillafragarioide)、條葉銀蓮花(Anemonetrullifolia)、火絨草(Leontopdiumhatioid)等,植被蓋度在80%以上。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年,本試驗(yàn)選定一個(gè)放牧戶(hù),其家庭草場(chǎng)面積約為178 hm2。根據(jù)王向濤等(2010)的劃分方式,以該牧戶(hù)夏季草場(chǎng)的居住點(diǎn)為起點(diǎn),距起點(diǎn)2 800～3 200 m 的范圍為輕度放牧(LG)區(qū)域;離居住點(diǎn)1 500～1 900 m范圍內(nèi)中度放牧(MD)區(qū)域,距居住點(diǎn)200～600 m為重度放牧(HG)區(qū)域;對(duì)照區(qū)域?yàn)樵撃翍?hù)的冬季牧場(chǎng)。試驗(yàn)采樣于2016年8月10～18日進(jìn)行。

1.3 草地植被特征測(cè)定

2016年8月分別從3個(gè)放牧梯度樣地和對(duì)照區(qū)隨機(jī)選擇10個(gè)(50 cm×50 cm)進(jìn)行植物群落調(diào)查,按照禾草、莎草、豆科、雜類(lèi)草歸類(lèi),帶回實(shí)驗(yàn)室于烘箱內(nèi)80℃、24 h烘干,測(cè)定生物量。調(diào)查項(xiàng)目包括草地植被高度、蓋度、群落總蓋度和物種豐富度。

1.4 土壤理化性狀測(cè)定方法

在三個(gè)不同放牧梯度和對(duì)照樣地內(nèi)隨機(jī)選取5個(gè)植被群落樣方,用容積為100 cm3的環(huán)刀在0～15 cm土層收集土樣,迅速裝入鋁盒,帶回室內(nèi)立即稱(chēng)重,再將土樣放至 105℃烘箱烘至恒重,測(cè)定土壤容重和土壤含水量。同時(shí),每個(gè)樣點(diǎn)按照0～15 cm收集土壤樣品,在室溫下自然風(fēng)干,充分研磨過(guò)0.25 mm的尼龍篩后,以便分析土壤pH、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效鉀和土壤有機(jī)質(zhì)。參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析方法》,土壤有機(jī)碳( OC) 采用重鉻酸鉀法測(cè)定,用凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮(TN)(本研究中土壤速效氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和),土壤全磷( TP) 采用鉬銻抗比色法測(cè)定,用火焰分光光度計(jì)測(cè)定土壤全鉀( TK) 和速效鉀( AK),土壤銨態(tài)氮( AN) 和硝態(tài)氮( NN) 采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定,土壤速效磷( AP) 采用雙酸浸提鉬銻抗比色法測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正太分布檢驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用SPASS19.0軟件,用One-way ANOVA進(jìn)行單因素方差分析,圖表用Excel 2003繪制。

2 結(jié)果分析

2.1 不同放牧強(qiáng)度下植被高度、蓋度、物種數(shù)和地上生物量的變化

從表1可以看出,不同放牧強(qiáng)度下的植被高度、蓋度和地上生物量均顯著低于零放牧區(qū) (P<0.05);植被高度、蓋度和地上生物量均表現(xiàn)為:對(duì)照(NG)>輕牧(LG)>中牧(MG)>重牧(HG)。物種數(shù)在中度最高,可達(dá)29種,其次依次為輕度、重度,對(duì)照區(qū)域物種數(shù)最低,只有19種(P<0.05);

表1 不同利用方式下草地植被高度、蓋度、物種數(shù)和地上生物量的變化

2.2 不同放牧強(qiáng)度對(duì)4個(gè)功能群的影響

從圖1中可以看出,對(duì)照區(qū)域的禾草生物量所占比例顯著高于莎草、豆科牧草和雜草(P<0.05);輕度放牧區(qū)域的禾草生物量所占比例與莎草差異不顯著,但禾草和莎草均顯著高于豆科牧草和雜草(P<0.05);中度放牧區(qū)域的莎草生物量所占比例顯著高于禾草、豆科牧草和雜草(P<0.05);重度放牧區(qū)域的雜草生物量所占比例顯著高于禾草、莎草和豆科牧草,但莎草和禾草均顯著高于豆科牧草(P<0.05)。

圖1 不同放牧強(qiáng)度下4種功能群地上生物量所占比例

2.3 不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤物理性狀的影響

從表2可以看出,與對(duì)照相比,中度放牧區(qū)域的土壤容重雖然略有下降,但差異不顯著(P>0.05);輕度和中度放牧區(qū)域的土壤容重顯著低于對(duì)照和重度放牧區(qū)域,且二者之間差異顯著(P<0.05)。重度放牧區(qū)域的土壤含水量顯著低于中度、輕度和對(duì)照,但中度、輕度和對(duì)照三者之間差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同利用方式下土壤理化性狀的變化

2.4 不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

從表2可以看出,與對(duì)照相比,不同放牧強(qiáng)度下的土壤pH、全P無(wú)顯著性差異變化(P>0.05)。隨著放牧強(qiáng)度的增加,全氮、全鉀和速效鉀表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì),中度放牧下最高,分別可達(dá)4.72 g/kg,76.8 g/kg和131.6 mg/kg。速效氮在中度放牧下達(dá)到最高,可達(dá)54.6 mg/kg,顯著高于輕度和重度放牧區(qū)域(P<0.05)。速效磷表現(xiàn)為隨放牧強(qiáng)度的增加而增加,但中度和重度區(qū)域無(wú)顯著性差異(P>0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)隨放牧強(qiáng)度的增加而減小,重度放牧條件下最小,為111.8 g/kg。

3 討論

適度放牧能促進(jìn)高寒草甸正向演替,然而,過(guò)度放牧可導(dǎo)致高寒草甸發(fā)生逆向演替,草原生產(chǎn)力下降,穩(wěn)定平衡的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,引起草原發(fā)生不同程度的退化。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),不同放牧強(qiáng)度下植物群落高度、蓋度和地上生物量顯著降低,輕度放牧能有效增加植物群落高度、蓋度和地上生物量;同時(shí),適度放牧能有效增加植被群落結(jié)構(gòu)中莎草所占的比例。這從一定程度上驗(yàn)證了“中度干擾假說(shuō)”中關(guān)于適度放牧可以維持草地較高的生產(chǎn)力。地上生物量在放牧區(qū)顯著低于對(duì)照區(qū)域,主要是由于家畜長(zhǎng)期踐踏和采食造成的。

毒雜草在重牧強(qiáng)度時(shí)生物量達(dá)到最大,這與很多研究結(jié)果相一致,由于放牧強(qiáng)度的增加,草地群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,禾本科和莎草科的優(yōu)良牧草減少,而中等和劣質(zhì)牧草的毒雜草增加。

中度干擾下草地具有較高的生物多樣性,即中等放牧強(qiáng)度能增加物種豐富度,這與江小雷等(2004)的研究結(jié)果一致。放牧強(qiáng)度較低時(shí),高大禾草的光利用率高,為優(yōu)勢(shì)植物,種間的光競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度增大,對(duì)低矮植被的光利用率具有抑制作用;放牧強(qiáng)度適中時(shí),由于家畜采食降低了群落中禾草優(yōu)勢(shì)植物的高度,導(dǎo)致種間光競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度減小,有利于那些競(jìng)爭(zhēng)力弱的植物建殖。當(dāng)放牧強(qiáng)度持續(xù)增加,適口性高、植株高的禾草優(yōu)勢(shì)物種減少,食物資源短缺后,家畜進(jìn)而采食那些適口性差的植物,從而使物種多樣性降低;除此而外,低矮的植物通常是毒草,這些有毒植物根系分泌物能夠抑制其它牧草種子萌發(fā)和牧草生長(zhǎng),這也是造成物種多樣性降低的原因之一。

土壤含水量是影響草地生產(chǎn)力的重要因子。重度放牧區(qū)域由于家畜的踩踏使表層土壤緊實(shí)度增加,同時(shí)由于植被蓋度降低,陽(yáng)光直射地面導(dǎo)致蒸發(fā)量增加,進(jìn)而導(dǎo)致土壤持水能力降低,土壤含水量降低。本研究中的土壤含水量在對(duì)照組最高,輕度和重度放牧區(qū)域雖有下降,但差異不顯著,在重度放牧強(qiáng)度下土壤含水量最低。放牧引起土壤容重變化最直接的原因就是家畜不同程度的踐踏導(dǎo)致的。然而,本研究發(fā)現(xiàn)土壤容重從小到大依次為對(duì)照>中牧>輕牧>重牧,毫無(wú)規(guī)律可言,還需更長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)才能發(fā)現(xiàn)是否放牧強(qiáng)度對(duì)土壤容重存在規(guī)律性的響應(yīng)。

氮、磷和鉀的補(bǔ)給對(duì)土壤肥力有著重要作用。很多有關(guān)青藏高原高寒草甸的研究表明,植物生長(zhǎng)季適度放牧能有效提高土壤中全氮和全鉀的含量。本研究也證實(shí)了這一點(diǎn),適度放牧能有效提高土壤養(yǎng)分含量。然而,全磷含量差異不顯著,這可能是因?yàn)楦吆莸橥寥懒缀可?同時(shí)還受氣候環(huán)境等因素的影響,所以導(dǎo)致放牧強(qiáng)度對(duì)磷元素的影響不大。土壤中速效養(yǎng)分的含量反應(yīng)了土壤實(shí)際提供養(yǎng)分能力。速效養(yǎng)分與溫度、含水量和土壤微生物活動(dòng)密切相關(guān)。本試驗(yàn)研究表明,高寒草甸土壤速效鉀含量隨放牧強(qiáng)度增加而降低。這可能是因?yàn)殡S放牧強(qiáng)度的增加,家畜采食量增大,牧草不斷進(jìn)行補(bǔ)償性生長(zhǎng),增加了對(duì)這些速效養(yǎng)分的利用,導(dǎo)致土壤中速效鉀含量降低。速效氮和速效磷隨放牧強(qiáng)度增加呈先增加后降低的趨勢(shì)。這很有可能是家畜適宜的采食和踐踏能改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而引起氮和磷向其他組分的轉(zhuǎn)換。高寒草甸氣候寒冷,土壤微生物活動(dòng)弱,土壤中有機(jī)物分解速率緩慢,因而放牧是改變土壤中碳元素的主要因素之一。我們的試驗(yàn)表明,高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量隨放牧強(qiáng)度增加而降低,與其他的研究結(jié)果一致。有機(jī)質(zhì)的這種變化可能是因?yàn)榉拍粱顒?dòng)使植物不斷進(jìn)行補(bǔ)償性生長(zhǎng),進(jìn)而從土壤中吸收大量養(yǎng)分,減少了土壤有機(jī)質(zhì)含量;也有可能是采食和踐踏使植物枯落物含量減少,導(dǎo)致土壤中碳輸入量減小。

4 結(jié)論

(1)植被蓋度、高度和地上生物量均隨放牧強(qiáng)度增加而降低,物種在中度放牧下最高;適度放牧能顯著增加莎草比例,雜草隨放牧強(qiáng)度增加而增加。(2)全氮、全鉀和速效鉀隨放牧強(qiáng)度增加呈先增加后降低的趨勢(shì);速效磷隨放牧強(qiáng)度增加而增加。(3)適度放牧能顯著改良植被群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì),有利于高寒草甸的可持續(xù)性利用。