放牧強度季節調控對荒漠草原土壤和植物養分的影響

丁莉君，衛智軍*，張 爽，劉 佳，呂世杰

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院，內蒙古呼和浩特 010019；2.內蒙古農業大學理學院，內蒙古呼和浩特 010019)

內蒙古荒漠草原是草原帶向荒漠帶過渡的植被亞帶，放牧是荒漠草原最主要的利用方式之一，但其生態脆弱的特征使得土壤和植被對放牧家畜的干擾極其敏感〔1〕。最近幾年，隨著人類對草地的劇烈干擾，物質和能量越來越多的從草地中被帶走，而家畜的量只增不減，使得出現草地超載放牧的現象。草地荒漠化和土地沙化現象逐步發生，生態環境受到了嚴重的破壞。草地退化嚴重，土地表層嚴重裸露，硬度增加，出現沙化，質地粗化，土壤通透性降低，植物養分物質減少，草地退化的核心問題是土壤退化〔2〕。植物生長發育所需要的水分、能量、營養物質大部分是土壤提供的，土壤是植被生長發育不可或缺的基質，而植物養分能夠很好的反映植物的生長狀態和內在特征。

土壤養分是荒漠草原土壤退化的重要指標。劉雙圓〔3〕對不同放牧類型下土壤碳氮磷化學計量特征研究表明放牧導致土壤(0-10cm)有機碳和全氮含量的降低，重度放牧下養分資源匱乏，草地出現退化跡象。范春梅〔4〕等以草地和檸條(CaraganaKorshinskii)林地為研究對象，分析了在土壤表層(1～10cm)的理化性質在不同放牧畜種和強度下的影響，結果表明土壤全磷隨著放牧強度的增加而降低。范國艷〔5〕等研究了內蒙古貝加爾針茅草原響應，結果顯示隨著載畜率的增加，土壤全磷含量降低。而Smoliak等〔6〕報道，重度放牧草地全磷和速效磷變化不大。董曉玉等〔7〕的放牧與圍封對植物碳氮磷貯量的研究表明，放牧降低了植物的C含量。白永飛〔8〕等以降雨梯度區的草地為研究對象，研究了放牧干擾下草地C、N、P化學計量學的變化，研究表明放牧降低了植被的C/N，增加了N含量。

本研究以短花針茅荒漠草原為對象，設置6個季節放牧調控試驗處理，研究不同放牧強度的季節調控下植物群落C、N、P、C∶N∶P和土壤養分的變化規律，揭示植物-土壤對放牧強度季節調控下的適應策略；旨在通過系統的研究草地植被、土壤養分對放牧強度季節調控的響應，為確定荒漠草原合理的放牧強度、放牧方式提供理論依據，為草原的恢復提供有效的參考。

1 試驗區概括、設計和研究方法

1.1 試驗區概括

試驗區位于錫林郭勒盟蘇尼特右旗賽朱日和鎮(東經112°47′17″，北緯42°16′26″)。該試驗區地形平坦，土壤質地為淡栗鈣土，腐殖質層厚4～8cm;鈣積層明顯分布在10～35cm土層中。屬于溫帶大陸性氣候，年均氣溫5.5℃，年均降水量177.2mm，降雨集中在7、8月。群落植被稀疏，草層低矮，以短花針茅(Stipabreviflora)為建群種，優勢種為無芒隱子草(Cleistogenessongorica)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)和堿韭(Alliumpolyrhizum)。

1.2 試驗設計

放牧試驗于2010年開始，與每年的5月至10月期間各處理區進行強度不同的放牧。本試驗設有6各處理，分別是全年零放牧(CK)、春季休牧+夏季重牧+秋季適牧(SA1)、春季休牧+夏季適牧+秋季重牧(SA2)、全年重牧(SA3)、春夏季重牧+秋季適牧(SA4)和全年適牧(SA5)，每個處理重復3次，共18個放牧試驗小區(表1)，每個試驗小區面積為2.60hm2，試驗地總面積46.80hm2。零放牧、適度放牧和重度放牧分別放羊0只、5和8個羊單位，載畜率分別為0羊/(hm2·a)、0.96羊/(hm2·a)和1.54羊/(hm2·a)。

表1 試驗設計方案

1.3 試驗方法

土壤樣品取于2017年8月中下旬，分別在各處理區隨機取0～10cm、10～20cm、20～30cm和30～40cm深度的土樣。重復3次，均勻混合后編號封袋，帶回實驗室。在自然條件下風干，去根系和石塊并對采集的土壤樣品進行養分分析。

群落樣品于8月采集，隨機在各處理區中選取5個1×1m樣方，齊地面刈割，帶回室內風干后粉碎，測定植被的全C、全N和全P。

養分測定指標方法分別如下：土壤速效磷：碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色-分光光度法；土壤全磷：氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色-分光光度法；土壤速效鉀：醋酸銨浸提—火焰光度吸收法；土壤全鉀：氫氧化鈉熔融-火焰光度計測定。植物全碳、全氮：元素分析法；植物全磷：鉬酸銨比色法。

1.4 數據分析

利用EXCEL軟件對2017年所有試驗數據進行初步整理，再利用The SAS System for windows 9.0軟件對數據進行單因素方差分析(Two-way ANOVA)。

2 結果分析

2.1 放牧季節調控對土壤養分的影響

2.1.1 放牧季節調控下土壤全磷、速效磷含量的變化

不同放牧條件不同土層全磷含量變化結果見表2。0-10cm、10-20cm、30-40cm土層的全磷含量在不同放牧處理間無明顯差異。20-30cm土層，CK處理的全磷含量最高，顯著高于SA3處理小區。總體來看，各土層CK、SA5的含量普遍較高。

表2 不同放牧條件下不同土層全P含量的變化

注：相同指標同列不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

不同放牧條件各土層速效磷含量變化結果分析如表3。0-10cm、10-20cm、20-30cm、30-40cm土層間速效磷含量在CK、SA4處理小區較高于其他處理，但總體各處理間無顯著差異,說明速效磷含量變化受放牧的沒有顯著影響。

表3 不同放牧條件下不同土層速效磷含量的變化

2.1.2 放牧季節調控下土壤全鉀、速效鉀含量的變化

不同放牧條件各土層全鉀含量變化結果見表4。0-10cm、10-20cm、30-40cm土層全鉀含量各處理間差異不顯著(P<0.05)。在SA3(全年重牧)處理下隨著土層深度的增加，全鉀含量在逐層降低，這可能是重牧下家畜的采食和踐踏，使含量輸出量增大，地上部分歸還量減少，引起深度土層的養分向上轉移。

表4 不同放牧條件不同土層全鉀含量的變化

不同放牧條件各土層速效鉀含量變化結果見表5。各土層間各放牧處理區速效鉀含量變化差異均不顯著(p<0.05),但SA1到SA5處理區的速效鉀含量總體高于CK處理區，說明放牧對速效鉀有一定的影響。0-10cm土層的速效鉀含量整體高于其他土層，隨著放牧強度的增加，呈現先增后減的變化。在其他土層(除0-10cm)速效鉀含量隨放牧壓力的增大而增加。

表5 不同放牧條件下不同土層速效鉀含量的變化

2.1.3 放牧季節調控下土壤有機碳含量的變化

不同放牧條件各土層有機碳含量變化結果見表6。不同土層放牧處理區的有機碳含量均高于CK處理區，各土層中SA4處理的碳含量均較其他處理高。由此說明，放牧在一定程度上對有機碳含量變化有作用。0-10cm土層有機碳含量呈現CK

表6 不同放牧條件下不同土層有機碳含量的變化

2.1.4 放牧季節調控下土壤全氮含量的變化

不同放牧條件下不同土層全N含量的變化見表7。除了30-40cm土層外，其他土層CK處理區的全氮含量均低于其他處理區，且SA3、SA4處理間表現較高，說明放牧對土壤全氮含量有一定的影響。在0-10cm土層全氮含量表現為CK

表7 不同放牧條件下不同土層全N含量的變化

2.2 放牧季節調控下植物群落碳氮磷的變化

SA3處理區的植物群落全氮含量高于其他處理區，與SA1、SA2、SA5處理區差異性顯著。群落全氮含量在SA2處理區表現最低，在SA3、SA4表現較高。群落全磷含量在不同處理間有顯著差異(p<0.05)，CK處理區的含量顯著高于其他處理區。而群落碳含量隨著放牧強度的增大逐漸降低，CK處理區與SA3處理區差異顯著，與其他處理區無顯著差異(p<0.05)。C/N在SA2處理區數值最高，在SA3處理區數值最低。C/P在CK處理區數值最低，均小于其他處理區，在SA5處理區數值最高。N/P在個處理區均小于14，CK處理區數值均高于其他處理區，在SA5處理區數值最低。

圖1 不同放牧條件群落C∶N∶P的變化

3 討論

3.1 放牧季節調控對土壤養分的影響

土壤養分是組成土壤肥力的重要因素之一，其中C、N和P是最重要的3種元素，在生態系統中發揮著重要的作用〔9〕。而放牧對土壤養分的影響過程較為復雜，與放牧強度、頻度、方式、時間以及草地本身的土壤特性等有關〔10〕，導致放牧對土壤養分含量影響的研究結果不同。一些研究顯示放牧降低速效磷的含量。因為隨著放牧壓力的增大，家畜頻繁的采食和踐踏造成磷元素營養的輸出的增加，而歸還量降低,導致了土壤磷素平衡失調,因此,重度放牧的土壤速效磷含量顯著低于同土層其他處理區〔11〕。而安慧〔12〕的荒漠草原土壤性狀對放牧干擾的響應的研究表明全磷和速效磷量呈下降趨勢隨放牧強度的增加。還有研究發現不同放牧強度對土壤全磷和速效磷含量的變化沒有顯著的影響〔13〕。本研究顯示全年零放牧和全年適度放牧的全磷含量較高，土層間無一致的變化規律。總體來看，放牧對全磷和速效磷的影響不大。全年零放牧的全鉀含量在10-20cm、20-30cm的土層低于其他放牧處理。在全年重牧區隨著土層深度的增加全鉀含量降低。這可能是重牧下家畜的采食和踐踏，使含量輸出量增大，地上部分歸還量減少，引起深度土層的養分向上轉移。隨著放牧強度的增加速效鉀含量增加。而隨著土層深度的增加，速效鉀含量呈減少的趨勢。這與牛鈺杰〔14〕的研究結果一致。春季重牧+夏季重牧+秋季適牧放牧方式下有機質含量最高，各放牧處理區下均高于全年零放牧，表明放牧有效增加C含量。一些研究也證明了這一結果〔15-17〕。家畜數量的增多，使得地上枯落物的積累減少，家畜的踐踏造成枯落物分解，充分進入土壤中。土壤全氮含量在全年零放牧下含量最低，放牧會有效提高氮含量，且在表層土中氮含量高于其他土層。有關研究表明隨著放牧強度增加，土壤養分不同程度下降〔18〕。與本研究結果不一致，家畜的增加導致排泄物的增加，土壤N的增加主要受家畜糞尿(N主以尿的形式排出)的影響。

3.2 放牧季節調控對群落C、N、P的影響

本研究結果顯示：全年重牧下群落N含量最高，與SA1(春季休牧+夏季重牧+秋季適牧)、SA2(春季休牧+夏季適牧+秋季重牧)和SA5(全年適牧)差異顯著?？赡苡捎诩倚蟮牟墒澈哇`踏，消除衰老部位，促進了牧草的生長，促進氮向幼嫩部位的重新分配，加速養分吸收，提高群落的氮含量。這與仲延凱等〔19〕對內蒙古典型草原,割草促使草地植物氮等營養元素含量增加的結果類似。全年重牧下C/N比值最小。有觀點認為放牧后N含量增加，使得殘體的C/N降低〔20,21〕，這也本試驗結果相同。全年休牧的情況下群落碳、磷含量最高，且對放牧的響應是顯著的。群落碳含量隨著放牧強度的增加而降低，董曉玉等〔7〕的放牧與圍封對植物碳氮磷貯量的研究也得到此結果。

4 結論

4.1 放牧強度季節調控對土壤全磷、速效磷含量無顯著影響；

4.2 放牧增加了速效鉀、有機碳和全氮的含量；隨著土壤深度的增加速效鉀含量呈降低趨勢。

4.3 放牧強度季節調控對群落全磷有顯著的影響，放牧降低了群落C、P的含量；短花針茅荒漠草原植被的生長受N元素的限制。