放牧強度對溫性荒漠草原土壤全氮和有機質的影響

焦 婷，趙生國，祁 娟，曹文俠

（1.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中－美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州730070；2.甘肅農業大學 動物科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

放牧是天然草地利用的主要方式。放牧家畜的采食過程不僅影響草地植被，亦影響到草地土壤的物理結構，又通過采食活動及畜體對營養物質的轉化影響草地營養物質的循環，從而使草地土壤的化學成分也發生變化［1］。草地在人為活動的干擾下，尤其是隨著放牧壓力的增大，其產草量大幅下降，部分地區甚至發生嚴重退化。我國草地近20年來，由于超載放牧人為開墾等不合理利用造成草地退化日益嚴重，如何解決資源開發利用與保護資源和環境間的矛盾，關鍵之一是掌握科學合理的放牧強度［2］。土壤有機質和全氮是土壤肥力的重要指標。土壤有機質含有植物需要的多種養分，是營養元素特別是氮素存在的主要場地；土壤全氮包括所有形式的有機和無機氮素，是標志土壤氮素總量和供應植物有效氮素的源和庫，綜合反映了土壤的氮素狀況。本試驗對不同放牧強度下溫性荒漠草原土壤全氮和有機質含量進行研究，探求草地的最適放牧率，以獲得草地土壤的最佳狀況，減緩草地土壤的退化速度，以期為天然草地的保護及可持續利用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地自然概況

景泰縣位于甘肅省中北部，地理位置E 103°33′～104°43′，N 36°43′～37°38′，屬黃土高原與騰格里沙漠過渡地段，海拔1 300～3 321m，氣候屬溫帶干旱大陸性氣候，年日照時數2657.9h，少雨，多風，氣候干燥，年平均溫度8.20℃，年平均降水量185mm，多集中在7～9月，年均蒸發量3 081mm，是降水量的16倍，夏季干旱酷熱，冬季少雪寒冷，最大年溫差達63.9℃。主要草地類型為溫性草原、溫性荒漠草原、溫性荒漠、高寒草甸、高寒灌叢草甸，其中，溫性荒漠草地類占草地總面積78.48%。主要有針茅（Stipa capillata Linn）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、矮嵩草（Kobresia humilis）、線葉嵩草（Kobresia capillifolia）、扁蓿豆（Pocockia ruthenia）、棘豆（Oxytropis aciphylla.）、苔草（Carex liparocarpos）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、火絨草（Leontopodium leontopodioides）、委陵菜（Potentillaspp.）、垂穗披堿草（Clinelymus nutans）等。土壤類型主要為洪積灰棕荒漠土和灰鈣土。家畜主要有灘羊、山羊和駱駝等。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 試驗草地處于甘肅省景泰縣寺灘鄉新墩灣村。2003年以來，草地保持了相對穩定的放牧強度，從地表特征、牧草組成等形成了一個明顯的放牧梯度，根據荒漠草原草地植被類型、草地產草量和現場調查牲畜數量分別標記為輕牧（LG，0.45羊單位/hm2）、中牧（MG，0.75羊單位/hm2）和重牧（HG，1.5羊單位/hm2）。

1.2.2 采樣方法 跟蹤放牧羊只的放牧或采食路線，于2010年8月分別在4個放牧區內用土鉆隨機采集不同的4點土樣，每個放牧區分別取4點的0～10、10～20、20～30及0～30cm處樣品，各層取4點等比例樣品混合后為整個土層樣品。避光處自然風干后，用四分法取200g作為分析樣品，過篩袋裝待測。

1.2.3 測定項目和方法 全氮用半微量凱氏定氮法［3］，土壤有機質用直接加熱消解法（重鉻酸鉀容量法）［4］測定。

1.2.4 統計分析 用SPSS13.0統計軟件包中的Compare Means法對試驗數據進行單因素方差分析比較，差異顯著性用LSD法進行多重比較；采用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 不同放牧強度下土壤全氮的垂直變化

輕牧下各層土壤全氮含量均顯著高于適牧和重牧（P＜0.05），重牧下隨土層的加深，其全氮含量呈直線下降。適度放牧區和重度放牧區表層土壤全氮含量接近（圖1）。

圖1 不同放牧強度下的土壤全氮含量Fig.1 Change of soil total nitrogen content with grazing intensities

2.2 不同放牧強度下土壤有機質的垂直變化

各層土壤有機質的變化同全氮一樣，也是輕牧顯著高于適牧和重牧（P＜0.05），且隨土層深度的增加，土壤有機質含量先增加再降低；而適牧和重牧下則逐漸下降（圖2）。

圖2 不同放牧強度下的土壤有機質含量Fig.2 Change of soil organic matter content with grazing intensities

2.3 放牧強度對溫性荒漠草原土壤全氮、有機質含量的影響

溫性荒漠草原土壤有機質、全氮含量與放牧強度有著密切的關系。隨著放牧強度的增加，土壤有機質和全氮含量均下降。

表1 不同放牧強度下的0～30cm土壤有機質和全氮含量Table 1 Effect of grazing intensity on soil organic matter and total nitrogen content of different soil depth（0～30cm）%

2.4 溫性荒漠草原土壤全氮與有機質相關性分析

綜合3種放牧強度下溫性荒漠草原0～30cm土壤全氮和有機質含量數據進行相關分析（表2），結果表明兩者之間呈極顯著正相關關系（P＜0.01）。

表2 土壤有機質和全氮含量的相關性分析Table 2 Correlation analysis of soil organic matter and total nitrogen content

3 討論和結論

3.1 溫性荒漠草原土壤有機質和全氮含量垂直變化

在放牧過程中，采食、踐踏和排泄物是家畜作用于草地的3個途徑，其中，踐踏直接作用于土壤的容重、滲透能力、微生物等物理性質和有機質、全氮含量等化學性質，可能在草地退化中起主導作用；重度放牧下，有機質含量降低，土壤保水能力降低，濕度下降，全氮含量降低，侵蝕加重［5，6］。植被、土壤微生物在溫性荒漠草原的生態演變中有著重要作用。植被通過光合作用和碳循環活動向土壤中輸送和固定碳素，由于溫性荒漠草原表層土壤水分含量少，植被根系主要在10～20cm土層聚集，使10～20cm土層土壤有機質、全氮含量較高；試驗表明，隨著草原退化程度的增加，地表枯落物、土壤中植物根系減少，土壤保持水分能力降低［7－9］。土壤中微生物的數量在很大程度上影響著土壤有機質的含量，在土壤質量的演變中，具有較高的營養轉化能力［10］，而由于放牧強度的增加，在一定程度上限制了土壤微生物的活動，從而影響了生態系統中土壤結構和土壤肥力等的變化。在輕度放牧的情況下，自然植被良好，土壤微生物數量大且種類繁雜多樣，生態系統的穩定性高；牧草停止生長后其生物分解的土壤有機質含量也不會有較大的差異，有機質含量達到一種相對的平衡。所以在當地獨特的氣候條件影響下，隨著放牧強度的加重，植被和土壤微生物種類結構趨向簡單化，總量減少，土壤理化性質惡化，導致土壤全氮和有機質含量下降。

3.2 放牧對溫性荒漠草原土壤有機質、全氮含量影響

溫性荒漠草原土壤有機質和全氮含量隨放牧強度的增加而減小。這是由于有機質的總量取決于生物量的生產與分解的平衡狀態以及土壤儲存有機質的能力［11］，因放牧強度的加重，土壤的物理結構受損，營養物質過分損耗，生態系統的穩定性遭到破壞，造成了土壤環境的嚴重退化和土壤生化作用強度降低。在溫性荒漠草原放牧，人工投入極少，通過牧羊，牧牛等有機物質不斷地人為輸出，造成返還土壤的各種物質減少，土壤養分消耗過度，土壤有機質減小，其有機無機復合度增高，活性有機質變少，其活性也降低，肥力下降［12，13］；放牧強度對荒漠草地最為明顯也最直接的影響是家畜啃食和踐踏后植被的高度和蓋度的降低、裸地率增加［14］。隨著放牧強度的增加，草層高度、蓋度顯著降低，會使表層土壤直接裸露，加速土壤風蝕，而土壤風蝕的加劇又進一步降低草地的初級生產力和凋落物的積累，導致草地生態系統土壤有機碳及全氮量降低。同時，家畜的采食不僅顯著降低了初級生產固定的碳積累，也顯著增加了凋落物的分解速率，導致土壤有機質含量下降［15］。提高土壤肥力，應從提高土壤有機質含量、調節有機質的積累與分解入手。

3.3 溫性荒漠草原土壤有機質和全氮含量的相關性分析

土壤中的氮素絕大多數是貯藏在土壤有機質中的有機態化合物，土壤全氮量的消長取決于有機質含量的變化，即取決于土壤有機質積累和分解的相對強度。本試驗的相關分析表明有機質與土壤全氮之間存在極顯著的相關關系（P＜0.01），這與王瑩、李菊梅、董全民、謝錦升、裴海昆等［16－21］在其他類型草地上的研究結果一致。即土壤全氮的含量隨土壤有機質含量的增加而增加。綜上所述，3種放牧強度下，溫性荒漠草原在輕度放牧時的土壤理化狀況（有機質－全氮指標）要顯著優于其他2種放牧強度。但本試驗只局限有機質－全氮指標，要充分了解不同放牧強度下土壤養分的差異，還需對土壤其他養分如磷、鉀等進行分析研究，同時也應結合土壤含水量、土壤結構組成、牲畜糞尿散布、植被構成等進行深入研究。

景泰地區溫性荒漠草原土壤全氮、有機質含量隨著土壤深度的加深而減少，3種放牧強度下兩者呈極顯著正相關關系。在該試驗區，載畜量不超過0.45羊單位/hm2，不會引起土壤全氮、有機質的劇烈降低，但一旦達到0.75羊單位/hm2，即適度放牧水平，土壤全氮、有機質含量會急速降低至接近重度放牧水平（1.5羊單位/hm2）。這不僅反映了草原土壤系統具有滯后性和容量性（彈性），更反映了氣候、地形、土壤性質、植物組成、放牧動物類型、放牧歷史等因素對土壤化學性質有重要的影響，也反映出輕牧、適牧和重牧這樣的定性指標不能進行定量比較［5］，只能因地制宜地確定當地的最佳載畜量。因此，為保護和改善當地草地狀況和生態環境，建議在此地禁牧或輕度放牧（0.45羊單位/hm2），以使其脆弱的生態環境逐步恢復。

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