放牧和光照對林下栽培草地生產力的影響

李志剛，侯扶江， 安 淵

(1.上海交通大學農業與生物學院，農業部都市農業(南方)重點開放實驗室，上海 201101；2.種苗生物工程國家重點實驗室，寧夏 銀川 750004； 3.蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

栽培草地不僅在農牧業生產和發展中占有重要地位，而且在環境保護和環境產業中極具重要意義。放牧是最簡單而經濟的家畜飼養方式，關于放牧強度對栽培草地群落等特征的影響，國內外學者已有較多研究報道[1-3]，但對于林草牧復合系統(silvipastoral system)下放牧對栽培草地的研究未見系統報道。而當前，由于人口劇增、糧食短缺、資源危機、環境惡化等全球性問題的出現，林草復合經營作為一種既能得到木材、燃料和食品，又能保護土地和環境資源的應用科學技術已經倍受世界上眾多國家特別是發展中國家的普遍關注和日益重視，也成為近年來生態學研究的熱點之一[4]。

已有研究報道，林下種植可以促進林、草的生長，還可以改善牧草的品質[5-6]；此外，林草間作可以改善草地的生態環境，夏季降低林下環境的氣溫和土溫[7]，降低風速和減少土壤水分的蒸發[8]；還可以改良土壤結構，提高土壤肥力[9]。對林下草地上放牧家畜的研究表明，林下微環境的改善對放牧家畜的活動和生長有利，夏季可以起到遮蔭降溫，冬季有擋風保暖的效果，這對家畜的采食和生長均十分有益[10]，這說明林草牧復合經營具十分有價值的應用前景。本研究以上海崇明地區林下栽培草地作為研究對象，通過研究放牧和光照對栽培草地生產力的影響，旨在為當地將來林草牧復合系統的建立和科學管理提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1研究區自然地理概況 上海市崇明縣，位于長江入海口處，121°09′30″～121°54′00″ E，31°27′00″～31°51′15″ N，地處北亞熱帶，氣候溫和濕潤，四季分明，年平均氣溫15.2℃，最熱月(7-8月)的月平均氣溫為26.8～26.9℃，最冷月(1-2月)的月平均氣溫為3.0～3.9℃；年平均降水量為1 022 mm，主要集中在5-9月，年相對濕度82%；全年平均日照時數為2 104 h，日照百分率為47%，全年有霜期136 d，無霜期229 d[11]。試驗地設在崇明縣中北部的前衛生態村。

1.2樣地設置 2007年5月，選擇當地5年齡的林分成分為香樟(Cinnamomumcamphora)的樣地為試驗地。研究地香樟林在試驗前均為苗圃，且逐年的商品木出售使得林地間香樟的株行距不一致，根據試驗對郁閉度的要求和林地的實際狀況，選擇了樹木行間距在林地內分布均勻并且林地間有明顯差異的2塊林地作為試驗地。其中，高光照強度(低郁閉度)要求的林地樹間平均行間距為4 m×4 m，低光照強度(高郁閉度)要求的林地樹間平均間距為4 m×2.5 m，各樣地香樟的平均胸徑為6.34 cm，平均高度為2.43 m，樣地間樹木長勢基本一致。結合林地面積的實際狀況，用鐵絲網將香樟林圍封成8個面積為10 m×27 m的輪牧小區，以上每8個輪牧小區中有高光照強度和低光照強度的林地各4塊；然后再分別圍封面積為10 m×27 m的沒有種植香樟的空地2塊(全光照)；再分別設高光照強度、低光照強度和全光照的不放牧對照小區1個，面積均為10 m×10 m。在以上林地中建植葦狀羊茅(Festucaarundinacea)(40%)+百喜草(Paspalumnotatum)(30%)+狗牙根(Cynodondactylon)(20%)+紫花苜蓿(Medicagosativa)(10%)的混播草地。牧草種子購于百綠(天津)國際草業有限公司。

另外，為確定不同郁閉度樣地的光照強度，試驗期間在以上各樣地中分別選全光照空地、高光照強度和低光照強度的林地分別安裝一臺HOBO H8溫濕度記錄儀，每30 min讀一次數，連續測量光輻射量，所得全光照下的平均光輻射密度為416 cd；低郁閉度下的平均光輻射密度為286 cd，為全光照的68.83%；高郁閉度下的平均光輻射為226 cd，為全光照的54.29%(圖1)。

圖1 不同郁閉度下光輻射的變化

1.3放牧設置 放牧制度為劃區輪牧，選擇5個輪牧小區放牧3只崇明白山羊，其中全光照的小區1塊，高光照強度和低光照強度的小區各2塊，放牧強度為22.2只/hm2；另5個輪牧小區放牧6只崇明白山羊，放牧強度為44.4只/hm2。每小區每天下午放牧3 h，2種處理的山羊為體況均一且牧前驅蟲的健康母羊，平均體質量為17.08±0.30 kg(22.2只/hm2)和17.07±0.40 kg(44.4只/hm2)，組間差異不明顯(P>0.05)。

放牧強度0、22.2和44.4只/hm2分別用G0、G1和G2表示，全光照、高光強和低光強分別用F、H和L表示，處理組合表示為放牧強度+光照條件，如G0F。2007年7月開始放牧試驗，次年8月結束，其中11、12、1、2和3月不放牧。

1.4取樣方法 每個處理小區每次放牧前后用0.5 m×0.5 m的樣方取樣，以小區對角線設置取樣路線，每次在取樣路線上等距離做4個樣方。將牧草用剪刀齊地面刈割，裝入密封袋，帶回實驗室于85℃烘干至質量不變，稱量。

1.5計算方法與數據處理 用本次放牧前與上次放牧后地上生物量的差值計算再生草量；用放牧前后地上生物量的差值計算被家畜采食牧草量；用地上現存量與被采食量之和代表地上凈初級生產力。

以EXCEL 2003建立數據庫和繪圖，利用SPSS 13.0進行數據的多因素方差分析。

2 結果與分析

2.1放牧和光照對草地現存量的影響 放牧強度、光照條件以及牧草生長時期均明顯影響草地現存量，且差異極顯著(P<0.01)(表1、2)。草地的地上現存量首先受氣候條件的影響而具有明顯的季節性特點，各樣地均呈明顯的“單峰型”規律變化，總體上9月草地現存量最大(338.41 g/m2)，4月最小(117.41 g/m2)。整個生長季，同一放牧強度下不同光強間的草地現存量基本呈現F>H>L的趨勢；同一光照條件不同放牧強度下，草地現存量表現為G1>G0>G2的趨勢。方差分析結果表明(表2)，不但放牧強度、光照條件以及牧草的生長日期對現存量的影響均達到了極顯著(P<0.01)，而且它們之間的互作下草地現存量差異極顯著(P<0.01)。

表1 不同放牧強度(GR)和光照條件(LC)下草地現存量的季節變化 g/m2

表2 放牧強度(GR)、光照條件(LC)和生長日期(GD)對現存量的影響

2.2放牧和光照對牧草再生量的影響 牧草再生量變化同樣受氣候變化的影響亦表現出明顯的季節性，最大值總體上集中在8-9月，為136.14 g/m2，最小值集中在10-11月，為-82.20 g/m2。整個生長季，同一放牧強度下，再生量在不同光強間基本呈現出F>H>L的趨勢；同一光照條件下的再生量除2007年在F和L光強下表現為G1>G2>G0的趨勢外，其他日期和光強下總體上表現為G1>G0>G2的趨勢。另外，2007年8-11月，G1H小區牧草的再生量(-87.22～199.17 g/m2)高于G0F小區 (-256.95～148.40 g/m2)(表3)。多因素方差分析的結果表明(表4)，放牧強度、光照條件、牧草生長時期以及它們間的互作對再生量的影響均達到了極顯著的水平(P<0.01)。

表3 不同放牧強度(GR)和光照條件(LC)下牧草再生量的季節變化 g/m2

表4 放牧強度(GR)、光照條件(LC)和生長日期(GD)再生量的影響

2.3放牧和光照對草地凈初級生產力的影響 草地凈初級生產力受氣候的影響總體上在9月達到最大，為345.29 g/m2，11月又降至175.69 g/m2，次年的4月值最小，為122.20 g/m2。同一時期在同一放牧強度下，草地的凈初級生產力均隨光強的增強而逐漸增大；同一光照條件下，草地凈初級生產力呈現G1>G0>G2的趨勢(表5)。此外，方差分析結果表明(表6)，放牧強度、光照條件、牧草生長的時期以及它們的互作對草地凈初級生產力的影響均達到了極顯著的水平(P<0.01)。

表5 不同放牧強度(GR)和光照條件(LC)下草地凈初級生產力的季節變化 g/m2

表6 放牧強度(GR)、光照條件(LC)和生長日期(GD)對凈初級生產力的影響

3 討論與結論

草地生產力、牧草品質以及草地的可持續經營是草地農業追求的最終目標，更是林草牧復合系統建立的最終目的，而草地現存量、牧草再生量和草地凈初級生產力等均受水熱光等氣候條件和放牧利用的多重影響。本研究中，隨著光照強度的減弱，草地的生產力下降，和其他研究相符[12]。但是，適度或輕度的遮蔭并未造成草地生產力的大幅度減小，因此，也不會影響到草地的放牧利用功能。而且有研究表明，林地可以改善牧草生長的微環境，在炎熱和光照強烈的夏季，遮蔭可以起到消除光合午休現象，提高植物光合產物的積累[13]，林下牧草的品質也會提高，如可溶性蛋白的含量增加等[14-15]。本研究結果還顯示，在相同的光照條件下，輕度放牧的草地現存量有保持和對照一致或高于對照的趨勢，與周秉榮等[16]對高寒草甸的研究結果類似。從確定適宜放牧率的重要指標——牧草再生能力角度分析[17]，再生量和凈初級生產力在同一光照條件下也亦均表現出輕度放牧最大的趨勢，這說明適宜的放牧強度可以維持草地較高的生產力，符合前人的放牧優化假說[18]，牧草表現出補償性或超補償性生長[19-21]。

從本研究得出的結果分析，在上海崇明的香樟-牧草-山羊復合經營模式中，適度的放牧強度也有促進牧草生長、提高草地生產力的趨勢，而適度的林分郁閉度也并未造成草地的明顯減產，而且還有可能促進牧草的品質的改善，但這還需進一步的試驗驗證，而且不同的林分配置及林草配置都直接影響草地生產力，也影響放牧強度的確定，這都需要系統的研究，進而為生產實際提供詳實可靠的理論依據。

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