楊雪龍，杜巖功，石麗娜，謝芹芹，趙旭東

(1.青海省海北州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，青海 海晏縣 812200;2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧市 810008；3.青海觀谷生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究有限公司,青海 西寧市 810001)

天然草地是我國牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的重要資源基礎(chǔ)和綠色生態(tài)屏障[1-2]。我國天然草地包括18個(gè)類型，目前約90%的天然草地處于不同程度的退化狀態(tài)[3]。過度放牧是草地退化的重要原因[4]。不同強(qiáng)度放牧干擾對(duì)草地脅迫存在較大差異，會(huì)對(duì)草地土壤性質(zhì)、植被產(chǎn)生不同影響[1，5]。土壤pH值是表征酸堿性的指標(biāo)，其變化直接影響土壤營養(yǎng)元素的有效性和存在狀態(tài)[3]，對(duì)土壤肥力的形成和土壤質(zhì)量演變過程起著重要作用[6]。

放牧家畜主要通過采食、踐踏及排泄物影響土壤物理結(jié)構(gòu)和理化性狀[7]。放牧和圍封草地土壤pH值分別為8.94、8.50，放牧可以明顯增加草地生態(tài)系統(tǒng)土壤pH[2]。輕度放牧增加小葉章草甸土壤pH，土壤呈弱酸性特征、pH值約為5.81[8]。隨著放牧強(qiáng)度增加，內(nèi)蒙古典型草原土壤pH值顯著增加[6]，而草甸草原土壤pH值呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)[4]。重度放牧顯著提高川西北亞高山草地土壤pH值[9]。西藏高寒草甸土壤呈酸性，pH值低于6.20，放牧對(duì)高寒草甸pH無顯著影響[10]。劃區(qū)輪牧對(duì)荒漠草原速效鉀含量和pH值無顯著影響，但有利于表層土壤0～5 cm粘粒的形成[1]。長(zhǎng)期封育降低內(nèi)蒙古草原和黃土高原土壤pH值[2，11]。圍欄封育有效降低松嫩平原蘇打鹽漬土鹽分表聚作用[12]。

草地pH改變土壤微環(huán)境，一方面可以影響微生物生理代謝酶活性，還可以影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微生物對(duì)環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)的利用[13]。內(nèi)蒙古草原土壤微生物碳和氮含量均與土壤pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系[14]。家畜尿液進(jìn)入草地后尿素很快轉(zhuǎn)化為銨，提高土壤銨態(tài)氮含量和pH值[15]。草地群落多樣性與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7]，硝化細(xì)菌更適應(yīng)酸性環(huán)境[16]。氮沉降引起草地土壤細(xì)菌多樣性的喪失主要?dú)w因于土壤pH值急劇降低[17]。短期內(nèi)增加pH值會(huì)對(duì)羊草草地土壤碳礦化速率產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[11]。

單個(gè)控制試驗(yàn)對(duì)于理解具體生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)非常關(guān)鍵，但陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)特征的普遍規(guī)律需要使用整合研究的手段[18]，可直接為陸面模型提供參數(shù)和理論依據(jù)。已有研究關(guān)注不同放牧強(qiáng)度對(duì)不同類型草地pH的影響，尚缺少我國北方草地pH對(duì)不同放牧強(qiáng)度響應(yīng)特征的整合研究，本文基于meta分析，探索不同放牧強(qiáng)度對(duì)草地土壤pH的影響及主要調(diào)控因素，以期為草地適宜放牧強(qiáng)度的確立及適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

基于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，檢索條件關(guān)鍵詞“pH”且“放牧”，中英文論文共搜索到36篇。按照下列準(zhǔn)則進(jìn)行論文篩選：以中國北方草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，土壤pH值測(cè)定采用酸度計(jì)方法，均在生長(zhǎng)季開展試驗(yàn)研究工作。最終11篇論文(表1)、24組研究數(shù)據(jù)被采用，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。調(diào)查樣點(diǎn)主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)、西藏自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和青海省等。

表1 本研究選用的11篇論文基本情況

采用Web Plot Digitizer軟件提取原文圖片數(shù)據(jù)。草地類型和放牧強(qiáng)度的劃分，均采用原文的分類方法。同時(shí)提取年均氣溫、降水量、海拔、容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量等數(shù)據(jù)。本研究引入了不同放牧強(qiáng)度作為分類變量，放牧強(qiáng)度因草地類型和家畜類型差異，輕度、中度和重度放牧梯度采用原有文章分類標(biāo)準(zhǔn)；提取的土壤理化性質(zhì)和氣候因素作為平均效應(yīng)值的解釋變量，探討放牧干擾對(duì)效應(yīng)值的影響幅度(圍封為對(duì)照)。

1.2 基于均值的草地pH對(duì)放牧響應(yīng)的效應(yīng)值(響應(yīng)比)計(jì)算

式中：xe為我國北方放牧草地pH均值，xc為圍封樣地均值，lnR為效應(yīng)值。

研究?jī)?nèi)方差：

式中：V為方差，Se為處理標(biāo)準(zhǔn)差，Sc圍封標(biāo)準(zhǔn)差，Ne和Nc為處理和對(duì)照(圍封)樣本量。

平均效應(yīng)值及置信區(qū)間的計(jì)算方法：

式中：vi表示本論文的研究?jī)?nèi)方差，τ2表示研究間方差結(jié)果，yi為單個(gè)研究的效應(yīng)值。

pH對(duì)放牧響應(yīng)的效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)(Qt)計(jì)算：

土壤理化性質(zhì)和氣象因素等解釋變量對(duì)效應(yīng)值影響程度檢驗(yàn)(Qm)：

式中：p、ni分別表示解釋變量異質(zhì)性檢驗(yàn)值和處理樣本量；j、i分別代表處理和對(duì)照；yij表示單個(gè)研究結(jié)論效應(yīng)值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

研究數(shù)據(jù)通過R語言metafor1.9-8程序包開展數(shù)據(jù)整合分析。我國北方草地土壤pH對(duì)放牧響應(yīng)的平均效應(yīng)值和單一效應(yīng)值計(jì)算均采用隨機(jī)效應(yīng)模型。當(dāng)研究結(jié)果效應(yīng)值整體異質(zhì)性較強(qiáng)且達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平時(shí)，表明放牧處理的效應(yīng)存在較大差異?；诨旌闲?yīng)模型，引入解釋變量對(duì)異質(zhì)性進(jìn)行分析。發(fā)表偏差通過對(duì)稱性檢驗(yàn)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧干擾對(duì)中國北方草地土壤pH的影響

放牧干擾輕微增加我國北方草地土壤pH值，平均效應(yīng)值為0.009±0.006 (95%置信區(qū)間：-0.002～0.020)(圖1)，增加幅度0.91%。放牧對(duì)不同類型草地土壤pH影響的順序?yàn)椋簻匦圆菰?溫性草甸草原>溫性荒漠>高寒草甸(圖2)。放牧活動(dòng)極顯著增加溫性草甸草原土壤pH，平均效應(yīng)值為0.012±0.004(P<0.01)。放牧增加溫性草原(0.033±0.018)和溫性荒漠(0.003±0.007)土壤pH值，降低高寒草甸pH值(-0.002±0.006)。放牧干擾對(duì)pH影響的效應(yīng)值異質(zhì)性(Qe)檢驗(yàn)表明異質(zhì)性很強(qiáng)(P<0.0001)

圖1 放牧影響中國北方草地土壤pH效應(yīng)值森林圖Fig.1 Forest plots of effect size of grazing on soil pH of grasslands in northern China

圖2 放牧對(duì)不同類型草地pH平均效應(yīng)值的影響結(jié)果對(duì)比分析Fig.2 Comparation of effect sizes of grazing on soil pH among different types of grassland in China(** meant P<0.01)

(表2)，需要引入解釋變量(分類變量和連續(xù)變量)對(duì)異質(zhì)性的來源進(jìn)行進(jìn)一步探討。

表2 放牧對(duì)pH影響的效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)

2.2 放牧強(qiáng)度對(duì)中國北方草地土壤pH影響及平均效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)

不同放牧強(qiáng)度的平均效應(yīng)值之間無顯著性差異。平均效應(yīng)值從高到低順序，依次為輕度放牧>重度放牧>中度放牧。輕度、重度和中度放牧對(duì)pH值增幅分別為1.02%、1.01%和0.61%。異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果表明平均效應(yīng)值殘差仍具有異質(zhì)性(P<0.000 1)(表3)，需要引入其他解釋變量。

表3 不同放牧強(qiáng)度對(duì)pH平均效應(yīng)值的影響及95%置信區(qū)間

2.3 平均效應(yīng)值對(duì)氣候因子及土壤理化性質(zhì)等變量的響應(yīng)特征

本研究引入解釋變量包括海拔、年均氣溫、土壤全氮、全磷含量等因素。北方草地土壤全磷含量對(duì)平均效應(yīng)值具有顯著影響(P<0.05)(表3)，可以解釋14.56%的效應(yīng)值變異。土壤速效氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀含量和容重也是解釋效應(yīng)值變異的主要因素?；跀M合方程結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)平均效應(yīng)值與全鉀、全氮含量間之間存在正相關(guān)關(guān)系，與其余因素均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 放牧影響pH的平均效應(yīng)值對(duì)氣象因子和土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)

2.4 放牧對(duì)我國草地生態(tài)系統(tǒng)pH影響效應(yīng)值漏斗圖的對(duì)稱性檢驗(yàn)

Meta分析是對(duì)平均效應(yīng)值的定量化評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)來源于已發(fā)表的研究論文，這可能會(huì)受選擇性偏倚的影響。通過對(duì)漏斗圖的對(duì)稱性進(jìn)行檢驗(yàn)分析(z=0.96，P=0.39)，發(fā)現(xiàn)P值大于0.05，說明本研究所采用數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果基本對(duì)稱。本研究并無研究論文發(fā)表偏愛性(圖3)，研究結(jié)果具有充分可信度。

圖3 放牧對(duì)我國北方草地土壤pH影響的發(fā)表偏愛性檢驗(yàn)Figure 3 Egger's test for funnel plot asymmetry on effects size of grazing on soil pH of grasslands

3 討論

北方草地是我國重要的生態(tài)屏障，對(duì)于提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性均具有極其重要作用[3,5]。由于人口數(shù)量及其對(duì)畜產(chǎn)品需求的不斷增長(zhǎng)，造成草地長(zhǎng)期超載放牧、同時(shí)受氣候變化影響，草地已發(fā)生大面積退化[19-20]。重度放牧草地土壤pH明顯高于輕度放牧草地，主要與放牧家畜排泄物含有大量鉀元素有關(guān)[21-22]。土壤pH直接影響草地植被對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收效率，酸化可能導(dǎo)致放牧草地微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生顯著的變化[2,23]。土壤pH是反映土壤鹽堿化程度的主要指標(biāo)，它可以通過影響微生物代謝的酶活性及細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微生物對(duì)環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[12，24]。

本研究發(fā)現(xiàn)放牧干擾輕度增加我國北方草地土壤pH值，增幅0.91%。重度放牧草地受家畜連續(xù)踐踏作用影響，草場(chǎng)植被蓋度明顯地下降，土壤水分蒸發(fā)量和鹽分含量逐漸增加，從而提高土壤pH值[7]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤所接受的家畜尿量也增加，家畜尿量的增加導(dǎo)致了土壤離子循環(huán)速度的加快，從而提高了土壤氫離子的濃度，降低土壤pH值[25]。本研究也表明放牧對(duì)草地pH影響，可能受到草地類型或者放牧強(qiáng)度的共同影響，溫性草原pH對(duì)放牧干擾反應(yīng)幅度明顯高于高寒草甸。溫性草原土壤pH值為8.54～9.26[2]，明顯高于高寒草甸和小葉章草甸[8，10]。草地生態(tài)系統(tǒng)土壤pH值與土壤微生物量通常呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，pH值偏低影響土壤有機(jī)碳溶解，提高土壤溶液交換性鋁離子的生物毒性，降低土壤微生物量[26]。隨pH值增加，草地土壤微生物群落脅迫壓力降低，可提高土壤微生物量[27]。封育時(shí)間越久，植物生長(zhǎng)的枯黃落葉的程度也越大，對(duì)土壤的覆蓋度也越大，土壤空氣與大氣的通氣性減弱，氧含量減少，CO2的含量增多，土壤pH值降低[2]。

土壤酸堿度是土壤在其形成過程中受生物、氣候、地質(zhì)、水文等因素綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性[2]。本研究表明全磷對(duì)北方放牧草地土壤pH平均效應(yīng)值具有顯著負(fù)效應(yīng)，隨著全磷含量降低，我國北方放牧干擾對(duì)草地土壤pH影響的平均效應(yīng)值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。土壤全磷大部分以有機(jī)態(tài)形式存在，全磷含量較低時(shí)表征草地土壤磷素供應(yīng)不足[14,28]。高寒草甸磷素年凈損失量為1.58 kg/hm2，土壤速效磷素缺乏已成為限制草地生產(chǎn)力提升的重要營養(yǎng)元素[28]。

4 結(jié)論

放牧干擾輕度增加我國北方草地土壤pH值。放牧對(duì)不同類型草地pH影響的平均效應(yīng)值順序?yàn)椋簻匦圆菰?溫性草甸草原>溫性荒漠>高寒草甸。放牧降低高寒草甸土壤pH值，增加溫性草原、溫性草甸草原和溫性荒漠土壤pH值。不同放牧強(qiáng)度的平均效應(yīng)值之間無顯著性差異，中度放牧對(duì)北方草地pH影響程度最低。土壤全磷是北方草地pH對(duì)放牧響應(yīng)的主要調(diào)控因素。隨著全磷含量降低，我國北方草地土壤pH值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。