放牧强度对温性荒漠草原土壤全氮和有机质的影响

焦 婷，赵生国，祁 娟，曹文侠

（1.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070；2.甘肃农业大学 动物科学技术学院，甘肃 兰州 730070）

放牧是天然草地利用的主要方式。放牧家畜的采食过程不仅影响草地植被，亦影响到草地土壤的物理结构，又通过采食活动及畜体对营养物质的转化影响草地营养物质的循环，从而使草地土壤的化学成分也发生变化［1］。草地在人为活动的干扰下，尤其是随着放牧压力的增大，其产草量大幅下降，部分地区甚至发生严重退化。我国草地近20年来，由于超载放牧人为开垦等不合理利用造成草地退化日益严重，如何解决资源开发利用与保护资源和环境间的矛盾，关键之一是掌握科学合理的放牧强度［2］。土壤有机质和全氮是土壤肥力的重要指标。土壤有机质含有植物需要的多种养分，是营养元素特别是氮素存在的主要场地；土壤全氮包括所有形式的有机和无机氮素，是标志土壤氮素总量和供应植物有效氮素的源和库，综合反映了土壤的氮素状况。本试验对不同放牧强度下温性荒漠草原土壤全氮和有机质含量进行研究，探求草地的最适放牧率，以获得草地土壤的最佳状况，减缓草地土壤的退化速度，以期为天然草地的保护及可持续利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地自然概况

景泰县位于甘肃省中北部，地理位置E 103°33′～104°43′，N 36°43′～37°38′，属黄土高原与腾格里沙漠过渡地段，海拔1 300～3 321m，气候属温带干旱大陆性气候，年日照时数2657.9h，少雨，多风，气候干燥，年平均温度8.20℃，年平均降水量185mm，多集中在7～9月，年均蒸发量3 081mm，是降水量的16倍，夏季干旱酷热，冬季少雪寒冷，最大年温差达63.9℃。主要草地类型为温性草原、温性荒漠草原、温性荒漠、高寒草甸、高寒灌丛草甸，其中，温性荒漠草地类占草地总面积78.48%。主要有针茅（Stipa capillata Linn）、扁穗冰草（Agropyron cristatum）、矮嵩草（Kobresia humilis）、线叶嵩草（Kobresia capillifolia）、扁蓿豆（Pocockia ruthenia）、棘豆（Oxytropis aciphylla.）、苔草（Carex liparocarpos）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、火绒草（Leontopodium leontopodioides）、委陵菜（Potentillaspp.）、垂穗披碱草（Clinelymus nutans）等。土壤类型主要为洪积灰棕荒漠土和灰钙土。家畜主要有滩羊、山羊和骆驼等。

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计 试验草地处于甘肃省景泰县寺滩乡新墩湾村。2003年以来，草地保持了相对稳定的放牧强度，从地表特征、牧草组成等形成了一个明显的放牧梯度，根据荒漠草原草地植被类型、草地产草量和现场调查牲畜数量分别标记为轻牧（LG，0.45羊单位/hm2）、中牧（MG，0.75羊单位/hm2）和重牧（HG，1.5羊单位/hm2）。

1.2.2 采样方法 跟踪放牧羊只的放牧或采食路线，于2010年8月分别在4个放牧区内用土钻随机采集不同的4点土样，每个放牧区分别取4点的0～10、10～20、20～30及0～30cm处样品，各层取4点等比例样品混合后为整个土层样品。避光处自然风干后，用四分法取200g作为分析样品，过筛袋装待测。

1.2.3 测定项目和方法 全氮用半微量凯氏定氮法［3］，土壤有机质用直接加热消解法（重铬酸钾容量法）［4］测定。

1.2.4 统计分析 用SPSS13.0统计软件包中的Compare Means法对试验数据进行单因素方差分析比较，差异显著性用LSD法进行多重比较；采用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度下土壤全氮的垂直变化

轻牧下各层土壤全氮含量均显著高于适牧和重牧（P＜0.05），重牧下随土层的加深，其全氮含量呈直线下降。适度放牧区和重度放牧区表层土壤全氮含量接近（图1）。

图1 不同放牧强度下的土壤全氮含量Fig.1 Change of soil total nitrogen content with grazing intensities

2.2 不同放牧强度下土壤有机质的垂直变化

各层土壤有机质的变化同全氮一样，也是轻牧显著高于适牧和重牧（P＜0.05），且随土层深度的增加，土壤有机质含量先增加再降低；而适牧和重牧下则逐渐下降（图2）。

图2 不同放牧强度下的土壤有机质含量Fig.2 Change of soil organic matter content with grazing intensities

2.3 放牧强度对温性荒漠草原土壤全氮、有机质含量的影响

温性荒漠草原土壤有机质、全氮含量与放牧强度有着密切的关系。随着放牧强度的增加，土壤有机质和全氮含量均下降。

表1 不同放牧强度下的0～30cm土壤有机质和全氮含量Table 1 Effect of grazing intensity on soil organic matter and total nitrogen content of different soil depth（0～30cm）%

2.4 温性荒漠草原土壤全氮与有机质相关性分析

综合3种放牧强度下温性荒漠草原0～30cm土壤全氮和有机质含量数据进行相关分析（表2），结果表明两者之间呈极显著正相关关系（P＜0.01）。

表2 土壤有机质和全氮含量的相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil organic matter and total nitrogen content

3 讨论和结论

3.1 温性荒漠草原土壤有机质和全氮含量垂直变化

在放牧过程中，采食、践踏和排泄物是家畜作用于草地的3个途径，其中，践踏直接作用于土壤的容重、渗透能力、微生物等物理性质和有机质、全氮含量等化学性质，可能在草地退化中起主导作用；重度放牧下，有机质含量降低，土壤保水能力降低，湿度下降，全氮含量降低，侵蚀加重［5，6］。植被、土壤微生物在温性荒漠草原的生态演变中有着重要作用。植被通过光合作用和碳循环活动向土壤中输送和固定碳素，由于温性荒漠草原表层土壤水分含量少，植被根系主要在10～20cm土层聚集，使10～20cm土层土壤有机质、全氮含量较高；试验表明，随着草原退化程度的增加，地表枯落物、土壤中植物根系减少，土壤保持水分能力降低［7－9］。土壤中微生物的数量在很大程度上影响着土壤有机质的含量，在土壤质量的演变中，具有较高的营养转化能力［10］，而由于放牧强度的增加，在一定程度上限制了土壤微生物的活动，从而影响了生态系统中土壤结构和土壤肥力等的变化。在轻度放牧的情况下，自然植被良好，土壤微生物数量大且种类繁杂多样，生态系统的稳定性高；牧草停止生长后其生物分解的土壤有机质含量也不会有较大的差异，有机质含量达到一种相对的平衡。所以在当地独特的气候条件影响下，随着放牧强度的加重，植被和土壤微生物种类结构趋向简单化，总量减少，土壤理化性质恶化，导致土壤全氮和有机质含量下降。

3.2 放牧对温性荒漠草原土壤有机质、全氮含量影响

温性荒漠草原土壤有机质和全氮含量随放牧强度的增加而减小。这是由于有机质的总量取决于生物量的生产与分解的平衡状态以及土壤储存有机质的能力［11］，因放牧强度的加重，土壤的物理结构受损，营养物质过分损耗，生态系统的稳定性遭到破坏，造成了土壤环境的严重退化和土壤生化作用强度降低。在温性荒漠草原放牧，人工投入极少，通过牧羊，牧牛等有机物质不断地人为输出，造成返还土壤的各种物质减少，土壤养分消耗过度，土壤有机质减小，其有机无机复合度增高，活性有机质变少，其活性也降低，肥力下降［12，13］；放牧强度对荒漠草地最为明显也最直接的影响是家畜啃食和践踏后植被的高度和盖度的降低、裸地率增加［14］。随着放牧强度的增加，草层高度、盖度显著降低，会使表层土壤直接裸露，加速土壤风蚀，而土壤风蚀的加剧又进一步降低草地的初级生产力和凋落物的积累，导致草地生态系统土壤有机碳及全氮量降低。同时，家畜的采食不仅显著降低了初级生产固定的碳积累，也显著增加了凋落物的分解速率，导致土壤有机质含量下降［15］。提高土壤肥力，应从提高土壤有机质含量、调节有机质的积累与分解入手。

3.3 温性荒漠草原土壤有机质和全氮含量的相关性分析

土壤中的氮素绝大多数是贮藏在土壤有机质中的有机态化合物，土壤全氮量的消长取决于有机质含量的变化，即取决于土壤有机质积累和分解的相对强度。本试验的相关分析表明有机质与土壤全氮之间存在极显著的相关关系（P＜0.01），这与王莹、李菊梅、董全民、谢锦升、裴海昆等［16－21］在其他类型草地上的研究结果一致。即土壤全氮的含量随土壤有机质含量的增加而增加。综上所述，3种放牧强度下，温性荒漠草原在轻度放牧时的土壤理化状况（有机质－全氮指标）要显著优于其他2种放牧强度。但本试验只局限有机质－全氮指标，要充分了解不同放牧强度下土壤养分的差异，还需对土壤其他养分如磷、钾等进行分析研究，同时也应结合土壤含水量、土壤结构组成、牲畜粪尿散布、植被构成等进行深入研究。

景泰地区温性荒漠草原土壤全氮、有机质含量随着土壤深度的加深而减少，3种放牧强度下两者呈极显著正相关关系。在该试验区，载畜量不超过0.45羊单位/hm2，不会引起土壤全氮、有机质的剧烈降低，但一旦达到0.75羊单位/hm2，即适度放牧水平，土壤全氮、有机质含量会急速降低至接近重度放牧水平（1.5羊单位/hm2）。这不仅反映了草原土壤系统具有滞后性和容量性（弹性），更反映了气候、地形、土壤性质、植物组成、放牧动物类型、放牧历史等因素对土壤化学性质有重要的影响，也反映出轻牧、适牧和重牧这样的定性指标不能进行定量比较［5］，只能因地制宜地确定当地的最佳载畜量。因此，为保护和改善当地草地状况和生态环境，建议在此地禁牧或轻度放牧（0.45羊单位/hm2），以使其脆弱的生态环境逐步恢复。

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