杜鹃灌丛草地土壤容重与水分特征对不同休牧模式的响应

曹文侠,徐长林,张德罡,师尚礼,姚拓

(甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州730070)

青藏高原东北缘的祁连山国家级自然保护区是青藏、蒙新、黄土三大高原交汇地带,对维持甘肃河西走廊及内蒙古西部地区生态安全具有决定性意义,也是敏感响应全球变化和人为干扰的关键性研究地区[1]。灌丛草地近年备受关注[2],以千里香杜鹃(Rhododendron thymi folium)、头花杜鹃(R.capitatum)等常绿灌木为建群种和优势种的杜鹃灌丛草地广泛分布于青藏高原边缘区及祁连山区海拔2 500～3 600 m的高山沟谷寒冷湿润阴坡、半阴坡地带[3],在全球气候变化背景下,因其具有稳定整个高寒山区脆弱生态系统的独特功能而受到重视[4,5],同时也是当地藏区人民重要的牧业基地和牦牛赖以生存的夏季牧场,然而,牦牛等放牧家畜的高强度采食和践踏加速了杜鹃灌丛草地系统的萎缩退化,而休牧围封是退化草地生态恢复的重要途径[6]。

放牧对高寒脆弱的灌丛草地系统的影响十分显著,Whinam和Chilcott[7]发现高寒灌丛草地比草甸草地更不耐践踏,而且恢复较慢[8],不合理利用该类植被,极易引起该类植被的退化,造成水土严重流失[9]。然而,有关放牧对高寒杜鹃灌丛草地的影响及通过休牧恢复高寒灌丛草地的研究并不多见,Yang等[5]评估了徒步旅行与骑马践踏对亚高山苔草(Carex spp.)与高寒杜鹃灌丛的影响,发现对杜鹃灌丛的影响比苔草类的草地更大。休牧也可加速灌丛林草地植被的更新和恢复[10],休牧能有效恢复高寒杜鹃灌丛草地地上植被[11],地上植被的恢复可进一步影响土壤系统,最终实现系统生态功能的全面恢复。

土壤践踏特征是研究家畜与草地互作效应的重要途径,土壤容重和土壤水分是研究土壤对家畜践踏反应最基本的指标[12]。Pickering等[13]设计践踏试验研究了高海拔植被对践踏扰动的耐性与恢复效果,侯扶江等[14]推测土壤对践踏的耐受性随土壤水分而变化,林慧龙和任继周[15]就土壤对践踏的反应与水分的关系进行了探索性研究。本研究试以地表践踏特征、容重、水分等土壤特征对不同休牧模式的响应为内容,探讨恢复祁连山区高寒退化杜鹃灌丛草地的途径,以期对全面理解高寒地区杜鹃灌丛草地的牧业生产功能与生态服务功能,实现科学管理和有效保护提供有价值的信息。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区选在祁连山东段金强河地区(N37°10′,E102°45′),该区全年无绝对无霜期,2003-2005年的年平均气温为0.64℃,降水量为454.7 mm,2005年取样测定期该区旬气温与降水量分布如图1所示。研究区植被垂直分布明显,依次分布着嵩草(Kobresia spp.)-禾草草甸、金露梅(Potentilla f ruticosa)灌丛草甸、杜鹃灌丛、柳灌丛等。通过走访牧民和当地政府对杜鹃灌丛草地的使用情况进行全面调查,将样地设在甘肃农业大学草原野外试验站正南的泉干沟中上段海拔3 050～3 150 m内具杜鹃的灌丛草甸草地,坡向西北,灌丛下生长着以嵩草、苔草、珠芽蓼(Polygonum viviparum)等为优势的草层植物,草地土壤为高山灌丛草甸土,每年5月下旬杜鹃灌丛草层植物开始返青,9月中旬开始枯黄。

1.2 样地设置

试验区杜鹃灌丛草地原属集体所有的春、秋和冬季牦牛等藏系家畜放牧的公共草地。试验前,每年6月中旬-8月中旬休牧,其余时间放牧,且此放牧模式已延续10年以上。由于放牧强度大,灌丛草地处于中度退化状态。于2003年8月选择相邻灌丛草地设置围栏,建立传统的夏季休牧(1.5个月)放牧期重牧(RG-0)、全生长季休牧枯草期重牧样地(RG-1)、全生长季休牧枯草期轻牧样地(RG-2),全生长季休牧枯草期轻牧样地中设密灌区样地(RG-2m),并选择杜鹃灌丛地中受牦牛重度践踏后的圈滩地,家畜来回高频践踏的牧道作为对比。将混群的牦牛折算为全年平均的标准羊单位[16],计算平均放牧强度(表1)。

图1 2005年试验区温度与降水的旬分布Fig.1 Air temperature and precipitation of 10 d in 2005

表1 祁连山杜鹃灌丛草地不同休牧模式样地概况Table 1 Brief description of different no grazing experimental shrubland fields

1.3 家畜践踏及土壤测定内容和方法

测定灌丛间草地地面受畜蹄践踏后形成的小径宽度、深度和面积[17,18],并计算小径面积占灌丛草地总面积的百分比。每个样地标记5个固定杜鹃株丛进行定点取样,清除地面草本植物和枯草,分别从灌丛冠层垂直基部距灌基10 cm处(US)和灌丛间草地(BS)取样,取样时间为6,8,10月中旬连续5日无降水时。在每个取样点用环刀(100 cm3)取0～10和10～20,20～30 cm的样品,立即称重,每株丛取样3～5个。样品于105℃条件下连续烘6～8 h,干燥器中冷却后称重,测算土壤含水量和土壤容重,用重铬酸钾容量法-外加热法测定有机质含量[19]。

1.4 统计分析

数据处理与分析采用Excel软件,采用SPSS 13.0对同一指标在不同样地间的差异显著性进行Duncan's新复极差分析,对土壤有机质、土壤容重及土壤含水率间相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同休牧模式下灌丛草地家畜践踏特征

全生长季休牧2年,在牧草枯黄后的10月中旬进行测定,几种休牧模式灌间草地的地表家畜践踏特征已有了明显差异(表2),RG-2样地草丛较深,家畜践踏在灌间草地留下的小径已不明显,很难判断和计算面积,小径也较浅。RG-1在枯草期放牧强度较大,地面留下的畜蹄践踏小径适中。RG-0虽然实施了夏季休牧,但由于放牧过重,灌间畜蹄践踏小径的深度、最大宽度明显大于其他2类全生长季休牧样地。RG-0虽然与RG-1的践踏小径宽度间差异不显著(P>0.05),但由于小径长度和分布较密集,小径所占面积比明显较大。RG-2m由于有较高的灌丛密度,相对增加了灌间畜蹄践踏的单位强度,小径较深,仅次于RG-0,但总面积较小。

表2 不同休牧灌丛草地地面畜蹄践踏小径比较Table 2 Flock trampling trails on the ground by herbivore under different period non-grazing shrubland

2.2 不同休牧对灌丛草地土壤容重的影响

杜鹃灌丛草地经过2年不同方式的休牧,草地土壤紧实程度出现不同程度的差异。杜鹃灌丛草地土壤容重在不同休牧草地、不同土层、同一土层不同水平区域出现了明显的异质性分布(表3)。

表3 不同休牧灌丛草地土壤容重Table 3 Soil water content and soil bulk density under different non-grazing shrubland g/cm3

几个休牧灌丛样地土壤容重均小于畜圈滩地和牧道地,容重最大的则是家畜高频践踏的牧道地。不同休牧模式灌丛草地间的比较可见,几个休牧样地的灌间草地或灌下草地0～10 cm土层的土壤容重顺序从小到大均为:RG-20.05),说明践踏对杜鹃灌丛草地深层土壤的影响较小。RG-2m土壤容重大于RG-2,即较高的灌木密度相应增加了对灌间土壤的践踏作用。

同一休牧灌丛草地土壤异质化特征明显(表3),表现为灌丛冠幅下土壤容重极显著小于灌间土壤(P<0.01),表现出明显的水平异质性。3类休牧草地灌间不同土层土壤容重垂直变化的总体趋势基本一致,表现为0～10 cm<10～20 cm<20～30 cm。0～10 cm土层的灌间草地的土壤容重与20～30 cm土层间差异均显著(P<0.05),但10～20 cm与20～30 cm间差异不显著。冠幅下草地各层土壤容重的变化较大,总体表现为深层大于表层,但各层间差异不显著(P>0.05)。

同一休牧样地土壤容重在不同月份间呈动态变化趋势,6月土壤容重明显小于8和10月(P<0.05),8月最大,10月降低,但8和10月的土壤容重差异不显著(P>0.05)。同一测定月份的不同样地土壤容重间的差异程度不同(图2),但均为RG-2

图2 不同休牧模式下各测定月份的土壤容重Fig.2 Soil bulk density trend of different month non-grazing shrubland

2.3 不同休牧对灌丛草地土壤水分空间分布的影响

杜鹃灌丛草地经过为期2年的不同休牧恢复,草地土壤水分状况也表现出了不同程度的差异(表4)。

几个休牧灌丛样地土壤水分均高于相应的畜圈滩地和牧道地,土壤水分最小的是家畜高频践踏、近乎裸地的牧道。不同休牧模式的灌丛草地间比较可见,0～10 cm土层的几个休牧样地灌间草地或灌下草地土壤含水率的顺序从大到小依次均为:RG-2m>RG-2>RG-1>RG-0,全生长季休牧样地(RG-2和RG-1)间差异不显著,但与传统夏季休牧地RG-0间差异达显著水平,说明为期2年的生长季休牧有效地增加了表层土壤的持水能力。10～20和20～30 cm土层土壤水分除RG-2m显著高于其他休牧样地外,其余差异不显著,休牧样地20～30 cm土层土壤水分与高频践踏的畜圈滩地和牧道地间差异不显著(P>0.05)。

表4 不同休牧灌丛草地土壤含水量Table 4 Soil water content under different non-grazing shrubland %

同一休牧灌丛草地,由于灌丛的作用形成特殊的异质性土壤条件,表现为灌丛冠幅下土壤水分极显著高于灌间土壤(P<0.01),表现出明显的水平异质性分布。各类草地灌间与灌下的不同土层土壤水分垂直梯度总体趋势相似,除RG-0样地的10～20 cm土层含水率高于其他土层外,其他样地不同土层水分总体表现为0～10 cm>10～20 cm>20～30 cm的垂直异质性。其中灌间草地0～10与20～30 cm土层间土壤水分含量差异达显著水平(P<0.05)。

同一休牧样地土壤含水率在不同月份间呈动态变化趋势,6月土壤含水率明显高于8月和10月(P<0.05),而杜鹃灌丛间草地的高土壤含水率与该月的旬降水并无明显关联性(图1)。同一测定月份的不同样地土壤含水率间也存在一定差异(图3),传统休牧地杜鹃灌丛草地RG-0土壤含水率显著(P<0.05)小于其他样地。

2.4 不同休牧灌丛草地土壤有机质变化及与土壤容重和含水率的相关性

杜鹃灌丛灌间草地0～10 cm土层土壤有机质含量极显著高于10～20 cm土层(P<0.05)(图4)。几个休牧样地的灌间草地0～10 cm土层土壤有机质依次为:RG-2>RG-1>RG-0,差异显著(P<0.05)。RG-2的10～20 cm土层土壤有机质与其他2个休牧样地间的差异显著,但RG-1和RG-0间差异不显著(P>0.05)。

图3 不同休牧模式下各测定月份的土壤水分Fig.3 Soil water content of different period non-grazing shrubland

图4 不同休牧模式对灌丛草地土壤有机质含量的影响Fig.4 Soil organic matter content of 3 non-grazing shrubland sites

0～10 cm土层的土壤有机质含量与土壤容重呈显著负相关(r=-0.999＊,P<0.05,n=9),10～20 cm土层的土壤有机质含量与土壤容重相关性不显著(P>0.05,n=9)。0～10与10～20 cm土层的土壤有机质含量与土壤含水量的pearson相关系数分别为0.833和0.554,但相关性不显著。分析也显示,0～20 cm土层有机质与灌间畜蹄践踏小径平均宽度间也存在着负相关关系(r=-0.986,n=12),与灌间畜蹄践踏小径平均深度呈负相关关系(r=-0.648,n=12)。

分析还发现,高寒杜鹃灌丛草地土壤含水率与土壤容重间呈极显著的负相关关系,其中0～10 cm土层土壤含水率与土壤容重间的相关系数为r=-0.994,P=0.001,n=12;10～20 cm为r=-0.951,P=0.004,n=12;20～30 cm为r=-0.972,P=0.001,n=12,说明高寒杜鹃灌丛灌间草地土壤容重较大的样地,相应却有着较低的土壤含水率。

3 讨论

践踏不仅可导致灌丛草地地上植被的变化[11],进而还会影响到土壤的特性和系统功能[20]。高海拔植被在家畜过度践踏后恢复缓慢[13],践踏对亚高山矮杜鹃灌丛地的影响比苔草或禾草类草地更大[5]。侯扶江和任继周[18]以放牧践踏后草地上的路径密度、宽度、深度等为指标,探讨了祁连山高山草原对放牧的反应。本试验在10月牧草枯黄后测定了几类为期2年的休牧高寒杜鹃灌丛草地,全生长季休牧枯草期轻牧样地(RG-2),草丛深厚,家畜践踏在灌间草地上留下的小径已不明显,只在该样地灌丛较密区域(RG-2m)的灌间草地土壤表现出相对较强的践踏反应,枯草期重牧的样地(RG-1)地面留下的畜蹄践踏特征适中,而传统夏季休牧样地(RG-0),由于放牧过重,灌间畜蹄践踏特征明显大于其他2类全生长季休牧样地。说明杜鹃灌丛草地缺少合理的休养生息极易引起退化,而枯草期的过重放牧也对杜鹃灌丛草地产生了不利影响,证实了灌丛草地对践踏的敏感性[7]。

由于草原土壤系统本身的复杂性、滞后性和弹性,放牧对土壤性质的影响不尽相同[17]。一般而言,随放牧强度的增大,动物践踏作用增强,土壤容重增加,土壤的渗透阻力加大,土壤的保水和持水能力下降[18,21],祁连山高山草原10～40 cm土壤容重与牧压相关[18]。本试验中,与相应的畜圈滩地和牧道地相比,几个休牧杜鹃灌丛样地的灌下草地和灌间0～10 cm土层的土壤容重均随放牧压力的增加而增大,土壤含水率随放牧压力的增加而降低,容重最大的则是家畜高频践踏的牧道地。传统夏季短期休牧样地,由于放牧过重,其10～20 cm土层土壤容重也显著大于全生长季休牧草地,土壤含水率也明显小于其他样地。另外发现,较密的灌丛盖度,有利于高土壤水分的保持,但相应增加了对灌间草地土壤的践踏作用,但试验结果证实几种休牧对20 cm以下土层土壤容重和土壤水分的影响较小,说明践踏对高寒杜鹃灌丛草地深层土壤的影响很小。

了解土壤结构与水分梯度分布对更好理解生态系统的功能有重要意义[22]。同一休牧杜鹃灌丛草地,由于灌丛的作用形成明显的水平异质性土壤条件,表现为灌丛冠幅下土壤容重显著小于灌间土壤,土壤水分显著高于灌间土壤,这与家畜主要践踏灌间草地,植被遭到破坏,加大了水分的蒸发有关。Stavi等[20]发现围栏外的畜蹄践踏小径有着比围栏内更高的土壤容重和较低的土壤水分含量,即放牧增加了灌丛草地土壤特性的空间异质性[20,23]。杜鹃灌丛草地经过为期2年的休牧,土壤容重在不同休牧草地、同一样地不同土层、同一土层不同水平区域出现了明显的空间异质性分布。各样地均随土层深入,土壤容重增大,土壤含水率升高,表现出了明显的垂直异质性,这与底层土壤有机质含量和粒径分布特征等有关[13]。而灌丛冠幅下草地虽然各层土壤容重总体为深层大于表层,但各层间差异并不显著,规律性不强,可能与土壤中枯死根分布较多,灌下土壤结构的随机性变化较大,且受家畜践踏相对较少等有关。而受家畜践踏的影响,灌间草地土壤容重高于冠幅下土壤,土壤水分小于灌下。

家畜的践踏直接影响着草地的土壤物理特征,家畜的践踏作用因草地的健康状况差异而出现正或负的反馈机制[14],家畜高强度践踏2～3 d的草地需要6个月才能恢复[8]。同一休牧杜鹃灌丛草地,6月土壤容重明显小于8和10月,而土壤含水率明显高于8和10月,这与地下植物根系的活动及6月草地土壤经历冷季冻融过程后有所改善有关,Halvorsona等[24]也发现周期性土壤冻融过程可有效改善车辙碾压造成的土壤坚实。杜鹃灌间草地的土壤含水率与取样当月旬降水间并无显著相关性,而是决定于杜鹃灌丛土壤极强的土壤保水能力[4],其土壤容重与土壤水分在不同季节存在一定的差异。

Stavi等[20]比较围栏外的畜蹄践踏小径有着比围栏内更高的土壤容重、较低的土壤水分和土壤有机碳含量,说明休牧可有效改善草地物理化学状况。侯扶江等[14]推测土壤对践踏的耐受性随土壤水分而变化。一般不是剧烈压紧情况下,较高水分条件的土壤可增强其抗压能力[22]。杜鹃灌丛草地在不同休牧条件下,由于放牧时间和强度的差异,不仅地面表现不同,而且进一步影响着草地土壤的理化特性[25,26],试验证明土壤有机质、土壤容重和土壤含水率之间有着复杂的互作关系,共同反映休牧对杜鹃灌丛草地的恢复效果。高寒杜鹃灌丛草地土壤有机质含量、土壤容重、土壤含水量间的相关性分析也显示,杜鹃灌丛灌间草地土壤含水率与土壤容重间有着极显著的负相关关系,灌间草地土壤容重较大的样地,相应有较低的土壤含水率。分析还发现,土壤有机质与灌间畜蹄践踏小径平均宽度和深度间呈负相关关系。Yang等[5]发现有机质低的干灌丛地比湿润草地更易坚实,杜鹃灌丛0～10 cm土层的土壤有机质含量与容重呈显著负相关关系,0～10与10～20 cm土层的土壤有机质含量与土壤含水率呈正相关。

以上分析说明,为期2年的生长季休牧有效地改善了杜鹃灌丛草地表层土壤的物理结构,降低了土壤的坚实度,有效的增加了表层土壤的持水能力,过度放牧加重了家畜对草地植被的影响和践踏作用,进而改变了地下土壤系统有机质含量和水分涵养功能,而适时休牧则起到调解土壤有机质、土壤水分、土壤物理结构间的关联与互作关系的作用。在全生长季休牧的前提下,如果枯草期的利用强度过大,也会对改善土壤的疏松度和土壤的持水能力产生负面影响。因此,确定合理的休牧时期和利用强度是实现退化高寒杜鹃灌丛草地土壤功能修复的关键。

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