孫宗玖，朱進(jìn)忠，張鮮花，鄭偉，靳瑰麗，古偉容

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052)

在放牧、開(kāi)墾及氣候變遷等因素的共同作用下，我國(guó)草地退化面積日益增加，嚴(yán)重影響了生態(tài)安全和草地畜牧業(yè)的良性發(fā)展，如何有效地緩解草地退化、保護(hù)環(huán)境已經(jīng)迫在眉睫。放牧是天然草地的主要利用方式,也是影響草地退化的重要因素。放牧過(guò)程中，家畜的采食、踐踏和排泄等活動(dòng)影響著草地植被群落及土壤的健康狀況[1-4]，進(jìn)而使草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生量-質(zhì)的演變。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界草地退化總面積中約35%是由于過(guò)度放牧造成的[5]。因此，確定科學(xué)合理的放牧強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)草畜平衡勢(shì)在必行。

草地是植被及土壤組成的綜合自然體系，要確定其適宜的放牧強(qiáng)度，不僅要考慮放牧對(duì)植被的直觀影響，還應(yīng)該考慮土壤養(yǎng)分的演變。土壤退化是草地退化的核心問(wèn)題[6]，具有一定的復(fù)雜性、緩沖性及滯后性，而土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分是衡量土壤健康狀況的重要指標(biāo)。有機(jī)質(zhì)是土壤的重要組成部分，影響著草地土壤肥力和草地生產(chǎn)能力，土壤的許多屬性都直接或間接地與有機(jī)質(zhì)有關(guān)。速效養(yǎng)分主要包括堿解氮、速效磷及速效鉀等，是植物吸收氮、磷、鉀的主要形式，標(biāo)志著土壤有效養(yǎng)分的供給狀況。目前，有關(guān)放牧強(qiáng)度對(duì)草地土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的研究相對(duì)較多[3,7-10]，但因草地類(lèi)型、放牧強(qiáng)度、放牧年限以及研究方法的差異，研究結(jié)果不盡一致。如放牧對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響有4種不同結(jié)果：1)放牧對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量沒(méi)有影響[11]；2)適度放牧下土壤有機(jī)質(zhì)有輕微降低，而重度放牧下則未出現(xiàn)下降[12]；3)放牧提高了土壤有機(jī)碳水平[13]；4)放牧降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量[14]。因此，合理的放牧強(qiáng)度需要根據(jù)不同放牧區(qū)域的實(shí)際條件確定。本研究以新疆昭蘇馬場(chǎng)草原雜類(lèi)草+禾草溫性草甸草原為對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，明確其對(duì)放牧的響應(yīng)規(guī)律，以期為確定草地適宜放牧強(qiáng)度及合理利用草地資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)自然概況 試驗(yàn)區(qū)位于新疆伊犁州昭蘇馬場(chǎng)，系新疆中天山山系的昭蘇-特克斯山間盆地特克斯河北岸的河灘階地草甸草原，43.15°～40.50° N，81.30°～81.50° E，海拔1 600～4 800 m。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)贉貛絽^(qū)半干旱、半濕潤(rùn)冷涼氣候，冬季寒冷漫長(zhǎng)，年均溫2.9 ℃，2月平均氣溫-21.2 ℃；7月平均氣溫13.7 ℃，≥10 ℃年積溫1 754 ℃·d，年降水量475 mm以上，冬長(zhǎng)無(wú)夏、春秋相連，夏季多雷雨、冰雹，氣溫上升緩慢且不穩(wěn)定，秋季降溫迅速，冷空氣活動(dòng)頻繁，冬季多霧，有逆溫現(xiàn)象，歷年積雪穩(wěn)定期116 d，積雪深度20～50 cm。試驗(yàn)區(qū)2011、2012年5-9月平均溫度分別為13.3、14.7 ℃,平均降水量分別為353.4、304.6 mm，草地類(lèi)型為雜類(lèi)草+叢生禾草草甸草原，草群結(jié)構(gòu)復(fù)雜、草層高、產(chǎn)量高，主要種類(lèi)有亞洲百里香(Thymusasiaticus)、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、草原苔草(Carexliparocarpos)、針茅(Stipacapillata)和羊茅(Festucaovina)，同時(shí)伴生有黃芪(Astragalussp.)、無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)、草原糙蘇(Phlomispratens)及多種雜類(lèi)草。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集 采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)區(qū)劃為3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組內(nèi)設(shè)3個(gè)放牧強(qiáng)度，即輕度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)，草地利用率依次為30%、50%和70%，隨機(jī)排列，同時(shí)設(shè)置不放牧區(qū)(CK)1個(gè)，小區(qū)面積均為7.8 hm2。放牧?xí)r選用體質(zhì)量相近、健康無(wú)病、經(jīng)方差分析各個(gè)放牧強(qiáng)度間活體質(zhì)量差異不顯著(P>0.05)的成年新疆褐牛(母牛，4～5歲)。LG、MG及HG下的載畜率依次為0.38、0.64、0.90頭·hm-2。2010年放牧季為8月上旬-10月上旬，2011、2012年放牧季為6月上旬-10月上旬。放牧?xí)r，新疆褐牛每天白天定時(shí)在小區(qū)內(nèi)自由采食與飲水，晚上趕回圈舍休息，不補(bǔ)飼。

放牧前(2010年7月)對(duì)試驗(yàn)小區(qū)的土壤及植被進(jìn)行的本底調(diào)查表明，各處理試驗(yàn)小區(qū)間草地植被特征及土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀間差異不顯著(P>0.05)，草地本底基本一致。2010-2012年期間，開(kāi)始放牧后在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)上布置3個(gè)典型取樣區(qū)段，面積為100 m×50 m，每個(gè)取樣區(qū)段內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的樣方，每月進(jìn)行草地群落及主要草種特征(高度、蓋度和密度地上生物量)的測(cè)定。每年放牧結(jié)束時(shí)(10月)，在當(dāng)月測(cè)定后的樣方上，用直徑為7 cm的土鉆，按照土層深度(0～10、10～20和20～30 cm)分層取樣，每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)鉆取2鉆，并將每個(gè)放牧小區(qū)的土樣按分層混勻成混合樣，裝入布袋子，并封口保鮮做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3測(cè)定方法 將新鮮土樣帶回到室內(nèi)，撿掉植物殘?bào)w、石礫等雜物后分成兩部分，一部分過(guò)2 mm篩，置于4 ℃冰箱中保存；另一部分于室內(nèi)風(fēng)干后分別過(guò)1和0.25 mm篩，用于土壤養(yǎng)分的測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀外加熱法、堿解擴(kuò)散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和醋酸銨-火焰光度法進(jìn)行測(cè)定[15]。

1.4數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2003和SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。各指標(biāo)升(降)幅度按照“升(降)幅度=(放牧后-放牧前)/放牧前×100%”進(jìn)行計(jì)算。草地地上生物量中，放牧季平均值是指同一年放牧開(kāi)始到放牧結(jié)束時(shí)各個(gè)月測(cè)定的草地現(xiàn)存量平均值，而放牧結(jié)束是指當(dāng)年放牧結(jié)束時(shí)草地的現(xiàn)存量。

2 結(jié)果與分析

2.1放牧強(qiáng)度對(duì)草地地上生物量的影響 從當(dāng)年放牧結(jié)束測(cè)定結(jié)果看，隨著放牧強(qiáng)度的增加，放牧后草地地上生物量呈降低趨勢(shì)，且與LG(3年均值為120.9 g·m-2)相比，MG、HG依次平均降低了18.7%、21.6%。從放牧季平均值看，放牧后草地地上生物量也呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，且與LG(3年均值為295.9 g·m-2)相比，MG、HG依次平均降低4.3%、13.8%，但同一年度不同放牧強(qiáng)度間草地地上生物量差異不顯著(P>0.05)(圖1)。這初步說(shuō)明短期放牧情況下，放牧強(qiáng)度對(duì)草地總體生物量的影響相對(duì)較小，但HG下降相對(duì)較快。年度間草地地上生物量差異顯著(P<0.05)，且2011年顯著高于2012年，而2012年顯著高于2010年(P<0.05)(圖1)，這與試驗(yàn)區(qū)域5-9月期間的降水量及平均溫度基本吻合。

圖1 2011-2013年不同放牧強(qiáng)度下草地群落生物量Fig.1 Biomass of grassland under different grazing intensities form 2011 to 2013

2.2放牧強(qiáng)度對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響 放牧前(2010年7月)各試驗(yàn)小區(qū)間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量依次為104.9、81.0和63.3 g·kg-1(圖2)。連續(xù)放牧3年土壤有機(jī)質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果(圖2)表明，同一年度不同放牧強(qiáng)度間0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量差異均不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，0～10 cm土層LG有機(jī)質(zhì)含量增加，2010、2011和2012年依次增加了1.4%、4.6%和1.9%，而MG、HG依次降低了11.0%～12.7%(2010年)、1.0%～2.3%(2011年)和2.7%～4.9%(2012年)，且MG較HG下降幅度?。?0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量在LG下出現(xiàn)降低，降幅為7.5%～15.3%， MG、HG則基本增加了2.6%～7.5%；10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量變化波動(dòng)性較大。從年度變化看(圖2)，0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)含量除在放牧前HG與2010年10月放牧后的MG、HG間存在顯著差異外，年度間各放牧強(qiáng)度0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量均差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)含量變異系數(shù)依次為7.64%、7.72%和10.63%，表明短期放牧等外界因素對(duì)其影響相對(duì)較小。而且，無(wú)論放牧與否，土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)。

2.3放牧強(qiáng)度對(duì)土壤堿解氮的影響 放牧前(2010年7月)各試驗(yàn)小區(qū)間土壤堿解氮含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層堿解氮含量平均依次為298.0、253.6和186.7 mg·kg-1(圖3)。連續(xù)放牧3年的土壤堿解氮監(jiān)測(cè)表明(圖3)，同一年度不同放牧強(qiáng)度間0～30 cm土層堿解氮含量差異均不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比， 除2011、2012年MG下10～20 cm土層降低外， LG、MG、HG下0～30 cm土層堿解氮含量均出現(xiàn)增加，依次為6.3%～34.1%、2.2%～10.1%、15.1%～33.8(2010年)，25.9%～36.2%、14.3%～20.3%、21.2%～29.7%(2011年)，11.0%～58.1%、2.3%～34.4%、20.4%～60.6%(2012年)，且0～10 cm土層增加幅度高于10～20和20～30 cm土層。從年度變化看(圖3)，年度間0～10 cm土層堿解氮含量差異顯著(P<0.05)，總體變異系數(shù)為17.5%，且同一放牧強(qiáng)度年度間2010及2012年堿解氮含量顯著高于放牧前(P<0.05)；10～20 cm土層堿解氮含量年度間差異較小(P>0.05)，變異系數(shù)為15.2%；20～30 cm土層年度間堿解氮含量存在一定的差異性(P<0.05)，變異系數(shù)為18.4%，但同一放牧強(qiáng)度年度間差異不顯著(P>0.05)。另外，無(wú)論放牧與否，土壤堿解氮含量基本表現(xiàn)出隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)。

2.4放牧強(qiáng)度對(duì)土壤速效磷的影響 放牧前(2010年7月)各試驗(yàn)小區(qū)間0～10、10～20和20～30 cm土層速效磷含量依次為13.5、8.8和5.5 mg·kg-1(圖4)。連續(xù)放牧3年的土壤速效磷監(jiān)測(cè)(圖4)表明，除0～10 cm土層在當(dāng)年放牧結(jié)束呈顯著差異(P<0.05)外，同一年度不同放牧強(qiáng)度間0～30 cm土層速效磷含量均差異不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，0～10、10～20 cm土層速效磷含量依次下降了12.9%～39.0%、4.3%～43.0%，而20～30 cm土層在MG增加了2.4%～32.8%，LG、HG降低了16.0%～44.6%。從年度變化看(圖4)，年度間0～10 cm土層速效磷差異顯著(P<0.05)，總體變異系數(shù)為20.0%，且同一放牧強(qiáng)度年度間2011及2012年速效磷含量明顯低于放牧前(P<0.05)。除放牧前HG下速效磷含量顯著高于放牧處理(P<0.05)外，同一放牧強(qiáng)度10～20和20～30 cm 土層速效磷含量年度間無(wú)顯著差異(P>0.05)，總體變異系數(shù)依次為22.1%、26.2%。而且，無(wú)論放牧與否，土壤速效磷含量隨土層深度增加均呈降低趨勢(shì)。

圖2 2010-2012年不同放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)含量Fig.2 Content of soil organic matter under different grazing intensities from 2010 to 2012

圖3 2010-2012年不同放牧強(qiáng)度下土壤堿解氮含量Fig.3 Content of soil available nitrogen under different grazing intensities from 2010 to 2012

圖4 2010-2012年不同放牧強(qiáng)度下土壤速效磷含量Fig.4 Content of soil available phosphorus under different grazing intensities from 2010 to 2012

2.5放牧強(qiáng)度對(duì)土壤速效鉀的影響 放牧前(2010年7月)各試驗(yàn)小區(qū)間土壤速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀含量依次為429.6、313.8、249.9 mg·kg-1(圖5)。連續(xù)放牧3年土壤速效鉀監(jiān)測(cè)表明(圖5)，同一年度不同放牧強(qiáng)度間0～30 cm土層速效鉀含量均差異不顯著(P>0.05)，但與放牧前相比，放牧后0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀含量依次增加了35.1%～76.4%、18.9%～63.6%和8.9%～65.1%，且0～10 cm土層速效鉀增加率隨放牧強(qiáng)度增大而降低，0～30 cm土層則以MG的增加率最高。從年度變化看(圖5)，年度間0～10、10～20和20～30 cm土層速效鉀差異顯著(P<0.05)，變異系數(shù)依次為24.9%、29.0%和30.4%，且放牧后同一放牧強(qiáng)度年度間0～10 cm土層速效鉀含量明顯高于放牧前(P<0.05)，但放牧后2010、2011及2012年差異不顯著(P>0.05)；10～20和20～30 cm土層速效鉀含量年度間差異不顯著(P>0.05)。而且，無(wú)論放牧與否，土壤速效鉀含量隨土層深度的增加均呈降低趨勢(shì)。

圖5 2010-2012年不同放牧強(qiáng)度下土壤速效鉀含量Fig.5 Content of soil available potassium under different grazing intensities from 2010 to 2012

2.6草地放牧強(qiáng)度與土壤養(yǎng)分的關(guān)系 為了更好地描述放牧強(qiáng)度對(duì)土壤養(yǎng)分的影響，本研究分析了0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀隨放牧強(qiáng)度的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)不同土層不同養(yǎng)分對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)存在一定的差異(圖6)。隨著放牧強(qiáng)度的增加，0～10 cm土層有機(jī)質(zhì)、速效鉀呈增加趨勢(shì)，而堿解氮、速效磷呈降低趨勢(shì)；10～20 cm土層有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀呈增加趨勢(shì)，而堿解氮呈降低趨勢(shì)；20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)呈降低趨勢(shì)，而堿解氮、速效磷、速效鉀呈增加趨勢(shì)。0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀與放牧強(qiáng)度間均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)(圖6)，說(shuō)明短期放牧強(qiáng)度對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響相對(duì)較小，具有一定的滯后性。

3 討論與結(jié)論

雖然有關(guān)放牧強(qiáng)度對(duì)草地土壤理化性質(zhì)的研究較多[3，7-10]，但由于受氣候、地形、土壤性質(zhì)、植物組成、放牧強(qiáng)度、放牧年限、放牧家畜種類(lèi)以及放牧歷史等因素的影響，目前對(duì)有關(guān)放牧對(duì)土壤的影響存在較大的分歧[8]。昭蘇馬場(chǎng)草甸草原3年的連續(xù)放牧試驗(yàn)顯示，雖然隨著放牧強(qiáng)度的增加，草地地上生物量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但同一年度不同放牧強(qiáng)度間差異不顯著(P>0.05)，這與王向濤等[16]在瑪曲高寒草甸放牧結(jié)果“輕度放牧、中度放牧及重度放牧間草地地上生物量差異不顯著”相一致。此外，鄧潮州等[17]研究表明，7月輕度放牧、中度放牧下高寒草甸地上生物量顯著高于重度放牧(P<0.05)，而8月則3種放牧強(qiáng)度間地上生物量差異不顯著(P>0.05)，閆瑞瑞等[18]也得出相似的結(jié)論。與放牧前相比，放牧后土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均出現(xiàn)一定程度的變化，且0～10、10～20及20～30 cm土層表現(xiàn)并不一致，但同一年度放牧強(qiáng)度間0～10、10～20和20～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷及速效鉀含量差異不顯著(P>0.05)。這與不同放牧強(qiáng)度對(duì)肅北高寒草原的速效氮磷鉀[7]、內(nèi)蒙古荒漠草原有機(jī)碳及全氮[8]、錫林郭勒主要草原有機(jī)碳[11]等研究結(jié)果基本吻合。初步說(shuō)明短期放牧期內(nèi)，放牧強(qiáng)度對(duì)土壤養(yǎng)分及植被地上生物量的影響較小，需要在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上進(jìn)行。土壤養(yǎng)分的差異不明顯可能是因?yàn)榉拍晾煤蟛莸刂脖坏厣仙锪康慕档筒幻黠@，也可能是土壤養(yǎng)分對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)具有一定的“滯后”性所致。王明君等[19]在內(nèi)蒙古呼倫貝爾草甸草原的研究也表明，草地植被由輕度退化演替到中度退化時(shí)，植被已經(jīng)發(fā)生了較大的變化，而草地土壤的全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀變化較小，與輕度退化草地土壤養(yǎng)分基本相似，歸聚于一類(lèi)。土壤養(yǎng)分對(duì)短期放牧響應(yīng)的這種“滯后性”可能是由于在普遍較高的土壤養(yǎng)分背景值或土壤自然差異的條件下，這種對(duì)土壤全土速效養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)的分析往往由難以捕捉土壤養(yǎng)分的瞬時(shí)變化所致，研究土壤養(yǎng)分對(duì)放牧的響應(yīng)需要利用更敏感于外界變化的一些指標(biāo)進(jìn)行，如微生物量碳、輕組有機(jī)質(zhì)、顆粒碳等[20]。

圖6 放牧強(qiáng)度與土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分的關(guān)系Fig.6 Relations among grazing intensity, soil organic matter and available nutrition

本研究表明，年度間0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、20～30 cm土層速效磷、10～20 cm土層堿解氮基本差異不顯著(P>0.05)，其余指標(biāo)均存在一定的差異性(P<0.05)，可能與試驗(yàn)期間的降水量及溫度年度間差異較大有關(guān)系。水熱條件的好壞直接影響植物地上生物量的增減、放牧家畜的排泄多少、對(duì)草地的踐踏強(qiáng)度，進(jìn)而影響草地土壤養(yǎng)分的年際變化，原因還有待于研究。

短期放牧對(duì)0～10 cm土層養(yǎng)分的影響較明顯，且無(wú)論放牧與否，土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮和速效磷及速效鉀含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢(shì)。相關(guān)分析表明，0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀與放牧強(qiáng)度間均無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)，且隨著放牧強(qiáng)度的增加，0～30 cm土層有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀的響應(yīng)規(guī)律存在一定差異。

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