青藏高原东部高寒草甸牦牛粪便的分解过程和科学管理

2012-03-12何奕忻王志远李洪泉

草业科学 2012年8期

李博，何奕忻，王志远，3，罗鹏，李洪泉

(1.四川省绵阳中学，四川绵阳 621000； 2.成都生物研究所，四川成都 610041； 3.中国科学院研究生院，北京 100049； 4.四川省草原科学研究院，四川成都 611730)

放牧是人类利用草地生态系统的主要方式。牲畜放牧主要通过啃食、踩踏和粪尿的养分归还这3种方式影响草地生态系统，其中粪尿的养分归还是一种重要的影响方式[1]。在生态系统中，氮、磷等养分经常是植物生长的限制性资源，特别是在高海拔的寒冷地区(如青藏高原)，土壤中的有机物质分解受到限制，养分循环很慢，经常导致植物生长所需养分的缺乏。牲畜的粪便中含有大量植物所需的氮、磷、钾等养分，是植物生长的天然化肥[2-3]。一般来说，牲畜所产生的粪便能够直接增加土壤中营养元素的含量，也能够加快生态系统的营养循环速率[4-5]。粪便养分输入对于系统养分平衡具有重要的作用。姜世成和周道玮[6]通过对松嫩草地的研究认为，牛粪能提高土壤水分、有机质、全氮、全磷和全钾含量。其他学者通过不同畜禽粪便对土壤养分影响的研究，也印证了粪便可使土壤N、P、K等养分显著提高[7-8]这一观点。

青藏高原东部草地是国家生态建设战略和长江上游生态屏障建设战略规划中重要的“生态功能区”。牦牛作为草地最主要的经济种畜，造成的生态影响要远远高于其他放牧种畜[9]。牦牛粪便对天然放牧草地具有重要的生态学意义，尤其是对养分进入系统进行再循环过程中的作用不可低估。但近几十年来，随着交通的改善和当地牧民经济发展的需要，大量牦牛粪便被牧民作为生物能源向企业出售。据估计，川西北地区仅红原县出售的用于培养食用菌的牛粪就高达4万t，占年牛粪总量的6.8%[10]。长期、大量地将牦牛粪便移出草地生态系统，可能造成粪便中的营养元素回不到系统进行再循环，从而增加草原生态系统物质循环紊乱的生态风险。

牦牛粪便对土壤的养分究竟有何影响？它的分解过程是怎样的？如何科学管理粪便的捡拾？针对以上问题，本研究以青藏高原东部典型高寒草甸及麦洼牦牛为研究对象，对牦牛粪便自身养分特征以及夏、秋季节养分释放速率的动态变化进行了初步研究，并通过计算植物生长的养分需求和粪便养分输入量，探讨了粪便对于草地土壤及群落生产力的贡献，以期为高寒草甸的可持续管理提供科学依据。

1 研究地概况与研究方法

1.1研究地概况研究地点位于青藏高原东部的四川省阿坝州红原县龙日种畜场场部附近(102°21′ E，30°26′ N，海拔3 560 m)。当地气候的主要特征表现为寒冷，无明显夏季，只有冷暖二季，且霜冻期长，无绝对无霜冻期，全年仅6―8月无雪，常有冰雹出现，热量不足，枯草期半年以上。年平均温度0.6～1.1 ℃,最热月平均气温11.0～13.1 ℃，绝对最高气温出现在7月下旬，为23.4 ℃，绝对最低气温出现在1月下旬，为-34.7 ℃。全年降水多集中在7和9月，且年均降水量870～930 mm，川西北高原由于海拔高，空气稀薄、透明度大，日照充足，年日照时间一般在2 300 h左右。草地类型为典型的高寒草甸草地，物种主要以发草(Deschampsiacaespitos)、穗三毛(Trisetumspicatum)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、高山大戟(Euphorbiastracheyi)等植被为主，其伴生种主要以垂穗披碱草(Elymusnutans)、矮地榆(Sanguisorbaofficinalis)、黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、高山龙胆(Gentianaalgida)为主，土壤为亚高山草甸土。

1.2试验设计

1.2.1牛粪产量调查在龙日种畜场内选择一块典型的放牧草地，将100 m×100 m的围栏中的牛粪全部清空。然后放入5头成年牦牛，牦牛可正常采食。分别在2009年的5月23―29日和7月31日―8月6日两个时期内，每天记录牦牛粪便堆数，并进行质量测定。

1.2.2样地布置为了试验的科学性，样地尽可能选择植被组成、地形、土壤母质等一致的土地。样地最终选择在龙日种畜场2007年底建成的一块围栏草地，面积大约1 hm2。在2009年试验开始前两周，将草统一剪至地面高度。

1.2.3取样设置将收集的新鲜牛粪按原有大小放置在4 mm孔径尼龙网上(便于称量)，随机布设在样地内以研究分解过程。分别以2009年6月1日(初夏到夏季结束，简称“夏季”分解)和8月7日(盛夏到秋季，简称“秋季”分解)为时间原点，设置两个牛粪分解研究取样系列。具体取样时间见表1。

表1 试验取样时间安排Table 1 The sampling schedule

1.2.4取样方法每次取牛粪5堆作为重复，每个时间原点分别取样40堆。牛粪取好后，装入密封袋并编号，用装有冰的泡沫箱带回实验室。

2 结果与分析

2.1牦牛粪便产量和养分含量通过两次连续7 d对成年牦牛进行的牦牛粪便产量测定，测得平均每头成年牦牛每天平均产粪6.95堆，平均每堆牛粪2.1 kg，每头成年牦牛每天平均产牛粪14.6 kg，年产鲜牛粪5 329 kg。经过对随机抽取的龙日种畜场内的20户牧民调查，龙日种畜场内的牧民现户平均草地95.11 hm2，户平均饲养牦牛76.5头，因此，龙日种畜场内每户牦牛平均每年可产4.08×105kg鲜牛粪，每公顷草地每年约输入鲜牛粪4.29×103kg。结合单堆牛粪质量的数据(表2)，相当于每公顷草地每年约输入鲜牛粪2×103堆,每年输入氮79.4 kg、磷11.8 kg。

表2 单堆牦牛粪便基本指标Table 2 Basic indexes of single heap yak dung

表3 夏季牛粪各指标随时间的变化情况Table 3 Changing of different indexes of yak dung with sampling times in summer

2.3牦牛粪便秋季分解过程粪便在秋季的分解过程与夏季基本一致，但是分解速率有所降低(表3)。在最初的两周内，速效钾、硝态氮以及总碳、氮、磷下降速率很快，而氨态氮和无机磷总量则下降较慢。在粪便进行分解前，试验所用单堆粪便所具有的硝态氮、氨态氮、速效钾、无机磷、有机碳、全氮和全磷总量分别为23.12 mg、0.45 g、1.94 g、0.39 g、135.93 g、39.93 g和6.10 g，截至第85天，分别降至3.11 mg、0.09 g、0.36 g、0.16 g、51.68 g、14.11 g和1.84 g，分别为初始状态的13.44%、19.82%、18.52%、40.06%、38.02%、35.34%和30.19%。

本试验中，牛粪在夏季经过85 d后，主要养分降为初始状态的0.48%～6.98%，养分基本完全分解。而在秋季牛粪经过85 d的分解后，主要养分只降为初始状态的13.44%～40.06%。由此可知，牛粪在夏季分解较快，这可能主要是由于夏季气温明显高于秋季造成的。此外，夏季午间的强辐射与夜间的低温让粪便反复冻融，加之降雨的冲刷更易使粪便成为颗粒，随雨水进入土壤，这些也可能是粪便在夏季分解较快的原因。粪便在秋季的分解由于高原气候的影响，即气温急剧降低，降水量减少，微生物活性降低，因此分解速率明显变慢。

2.4草地粪便科学管理营养元素的循环是维持草原生态系统平衡的重要过程。牦牛粪便中含有大量养分，其中的速效养分和有机质对于保持土壤肥力及牧草产量和质量有重要作用。在青藏高原东部的高寒草地上，从维持草地养分生态系统平衡和牧民生计的角度来看，既需要保持一定的粪便养分输入，又需要满足牧民生活对干牛粪的需要，因此，如何对牦牛粪便进行科学的拾捡将成为草地科学管理的一个重要方面。

如果以1990年川西北地区牧草产量为理想牧草产量的话，每公顷牧草产量为4 500 kg，按牧草平均含氮量20 g·kg-1计算，每公顷约需要9.0 ×104g氮[12]。另一方面，川西北地区生长季节自然条件下土壤氮矿化速度约为16 mg·m-2·d-1，全年活跃矿化时间按6个月计算，则全年由矿化产生的有效氮量为2.88 ×104g·hm-2[13]。这样，为了满足牧草生产对氮素的需求，平均每年还需要补充6.12×104g·hm-2氮。这些缺欠的氮目前主要通过牲畜粪便的归还来补充。假设土壤氮矿化速度和沉降率不变，按每堆牛粪的平均含氮量约为39.7 g，每堆牛粪鲜质量2.1 kg(表1)计算，则每年约需3.24×103kg·hm-2鲜牛粪输入才能满足牧草生产需要。按每户草地面积95.11 hm-2计算，每年需输入3.08×105kg牛粪才能保持土壤肥力和牧草产量。目前平均每户牧民的牦牛每年可产4.08×105kg鲜牛粪，所以，如果单从养分输入的角度来看的话，大约有24%的粪便可以被拾捡而不影响土壤肥力和牧草产量。同时，鉴于夏、秋季节牦牛粪便中的养分，在3个月后已大部分归还回草地生态系统，因此，建议可在3个月后拣拾夏、秋季节牦牛所产的粪便，以保证养分正常归还草地生态系统。

另一方面，牧民以晒干的牛粪作为主要燃料。以一个6口的牧民家庭来看，夏季(6―9月)牧民煮饭、烧茶、熬奶等每天平均需要60 kg干牛粪，冬季(10―5月)牧民煮饭、烧茶、取暖等每天平均需要75 kg干牛粪，全年共需要2.55×104kg干牛粪，约8.93×104kg鲜牛粪。

平均每户牧民的牦牛每年可产4.08×105kg鲜牛粪，其中需有3.08×105kg牛粪用于维持草地肥力，8.93×104kg鲜牛粪用于煮饭、烧茶、取暖等燃料。这样，每户牧民每年仅剩下1.02×104kg鲜牛粪。剩余的鲜牛粪仅占全年4.08×105 kg鲜牛粪的2.5%。即在目前条件下，除牧民作为燃料自用的牛粪外，牛粪归还回草地刚刚能满足草地肥力的需求，没有太多的牛粪可供出售。

3 小结

综合以上研究和分析，建议为了保持土壤肥力，防止因草地营养缺乏而造成的牧草产量降低以及草地的退化和沙化，维系草原生态平衡，保护草原生态环境，在目前条件下，不应将牛粪作为商品向外销售。对不听劝阻仍要在牧区收购牛粪的商贩，牧区的各级政府要按照生态保护的相关法规予以坚决制止。同时，为保持牧民经济收入的增长和开展草原生态保护的积极性，鉴于长江、黄河中下游地区作为生态受益者，应通过中央协调，以生态补偿的形式，向长江、黄河上游的草原生态建设和保护方，提供强有力的生态政策支持和国家财政拨款的资金渠道。建立牧民主动开展生态保护和建设的长效良性循环的草原生态补偿机制，使生态受益者和提供者在成本和收益的分担与享受上趋于合理，从而激发牧民保护草原生态环境的积极性，形成生态补偿与环境保护的良性互动关系，从根本上解决草原生态保护与经济发展的矛盾，促进草原可持续利用，维护草原生态安全[14-16]。最终实现牧区经济、社会和环境的协调、可持续发展。

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