放牧强度对昭苏草甸草原土壤有机质及速效养分的影响

孙宗玖，朱进忠，张鲜花，郑伟，靳瑰丽，古伟容

(新疆农业大学草业与环境科学学院 新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

在放牧、开垦及气候变迁等因素的共同作用下，我国草地退化面积日益增加，严重影响了生态安全和草地畜牧业的良性发展，如何有效地缓解草地退化、保护环境已经迫在眉睫。放牧是天然草地的主要利用方式,也是影响草地退化的重要因素。放牧过程中，家畜的采食、践踏和排泄等活动影响着草地植被群落及土壤的健康状况[1-4]，进而使草地生态系统的稳定性发生量-质的演变。据统计，全世界草地退化总面积中约35%是由于过度放牧造成的[5]。因此，确定科学合理的放牧强度，实现草畜平衡势在必行。

草地是植被及土壤组成的综合自然体系，要确定其适宜的放牧强度，不仅要考虑放牧对植被的直观影响，还应该考虑土壤养分的演变。土壤退化是草地退化的核心问题[6]，具有一定的复杂性、缓冲性及滞后性，而土壤有机质和速效养分是衡量土壤健康状况的重要指标。有机质是土壤的重要组成部分，影响着草地土壤肥力和草地生产能力，土壤的许多属性都直接或间接地与有机质有关。速效养分主要包括碱解氮、速效磷及速效钾等，是植物吸收氮、磷、钾的主要形式，标志着土壤有效养分的供给状况。目前，有关放牧强度对草地土壤有机质和速效养分的研究相对较多[3,7-10]，但因草地类型、放牧强度、放牧年限以及研究方法的差异，研究结果不尽一致。如放牧对土壤有机质的影响有4种不同结果：1)放牧对土壤有机质含量没有影响[11]；2)适度放牧下土壤有机质有轻微降低，而重度放牧下则未出现下降[12]；3)放牧提高了土壤有机碳水平[13]；4)放牧降低了土壤有机质含量[14]。因此，合理的放牧强度需要根据不同放牧区域的实际条件确定。本研究以新疆昭苏马场草原杂类草+禾草温性草甸草原为对象，通过对不同放牧强度下土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量的动态监测，明确其对放牧的响应规律，以期为确定草地适宜放牧强度及合理利用草地资源提供科学依据。

1 材料与方法

1.1研究区自然概况 试验区位于新疆伊犁州昭苏马场，系新疆中天山山系的昭苏-特克斯山间盆地特克斯河北岸的河滩阶地草甸草原，43.15°～40.50° N，81.30°～81.50° E，海拔1 600～4 800 m。试验区气候属温带山区半干旱、半湿润冷凉气候，冬季寒冷漫长，年均温2.9 ℃，2月平均气温-21.2 ℃；7月平均气温13.7 ℃，≥10 ℃年积温1 754 ℃·d，年降水量475 mm以上，冬长无夏、春秋相连，夏季多雷雨、冰雹，气温上升缓慢且不稳定，秋季降温迅速，冷空气活动频繁，冬季多雾，有逆温现象，历年积雪稳定期116 d，积雪深度20～50 cm。试验区2011、2012年5-9月平均温度分别为13.3、14.7 ℃,平均降水量分别为353.4、304.6 mm，草地类型为杂类草+丛生禾草草甸草原，草群结构复杂、草层高、产量高，主要种类有亚洲百里香(Thymusasiaticus)、黄花苜蓿(Medicagofalcata)、草原苔草(Carexliparocarpos)、针茅(Stipacapillata)和羊茅(Festucaovina)，同时伴生有黄芪(Astragalussp.)、无芒雀麦(Bromusinermis)、草原糙苏(Phlomispratens)及多种杂类草。

1.2试验设计与样品采集 采用随机区组试验设计，将试验区划为3个区组，每个区组内设3个放牧强度，即轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)，草地利用率依次为30%、50%和70%，随机排列，同时设置不放牧区(CK)1个，小区面积均为7.8 hm2。放牧时选用体质量相近、健康无病、经方差分析各个放牧强度间活体质量差异不显著(P>0.05)的成年新疆褐牛(母牛，4～5岁)。LG、MG及HG下的载畜率依次为0.38、0.64、0.90头·hm-2。2010年放牧季为8月上旬-10月上旬，2011、2012年放牧季为6月上旬-10月上旬。放牧时，新疆褐牛每天白天定时在小区内自由采食与饮水，晚上赶回圈舍休息，不补饲。

放牧前(2010年7月)对试验小区的土壤及植被进行的本底调查表明，各处理试验小区间草地植被特征及土壤有机质、碱解氮、速效磷及速效钾间差异不显著(P>0.05)，草地本底基本一致。2010-2012年期间，开始放牧后在每个试验小区上布置3个典型取样区段，面积为100 m×50 m，每个取样区段内随机设置3个1 m×1 m的样方，每月进行草地群落及主要草种特征(高度、盖度和密度地上生物量)的测定。每年放牧结束时(10月)，在当月测定后的样方上，用直径为7 cm的土钻，按照土层深度(0～10、10～20和20～30 cm)分层取样，每个样方内随机钻取2钻，并将每个放牧小区的土样按分层混匀成混合样，装入布袋子，并封口保鲜做好标记带回实验室。

1.3测定方法 将新鲜土样带回到室内，捡掉植物残体、石砾等杂物后分成两部分，一部分过2 mm筛，置于4 ℃冰箱中保存；另一部分于室内风干后分别过1和0.25 mm筛，用于土壤养分的测定。土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾分别采用重铬酸钾外加热法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法和醋酸铵-火焰光度法进行测定[15]。

1.4数据分析 采用Excel 2003和SPSS 11.5统计分析软件进行相关数据的统计分析。各指标升(降)幅度按照“升(降)幅度=(放牧后-放牧前)/放牧前×100%”进行计算。草地地上生物量中，放牧季平均值是指同一年放牧开始到放牧结束时各个月测定的草地现存量平均值，而放牧结束是指当年放牧结束时草地的现存量。

2 结果与分析

2.1放牧强度对草地地上生物量的影响 从当年放牧结束测定结果看，随着放牧强度的增加，放牧后草地地上生物量呈降低趋势，且与LG(3年均值为120.9 g·m-2)相比，MG、HG依次平均降低了18.7%、21.6%。从放牧季平均值看，放牧后草地地上生物量也呈现相似的趋势，且与LG(3年均值为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强度间草地地上生物量差异不显著(P>0.05)(图1)。这初步说明短期放牧情况下，放牧强度对草地总体生物量的影响相对较小，但HG下降相对较快。年度间草地地上生物量差异显著(P<0.05)，且2011年显著高于2012年，而2012年显著高于2010年(P<0.05)(图1)，这与试验区域5-9月期间的降水量及平均温度基本吻合。

图1 2011-2013年不同放牧强度下草地群落生物量Fig.1 Biomass of grassland under different grazing intensities form 2011 to 2013

2.2放牧强度对土壤有机质的影响 放牧前(2010年7月)各试验小区间土壤有机质含量差异不显著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土层有机质含量依次为104.9、81.0和63.3 g·kg-1(图2)。连续放牧3年土壤有机质监测结果(图2)表明，同一年度不同放牧强度间0～30 cm土层有机质含量差异均不显著(P>0.05)，但与放牧前相比，0～10 cm土层LG有机质含量增加，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较HG下降幅度小；20～30 cm土层有机质含量在LG下出现降低，降幅为7.5%～15.3%， MG、HG则基本增加了2.6%～7.5%；10～20 cm土层有机质含量变化波动性较大。从年度变化看(图2)，0～10 cm土层有机质含量除在放牧前HG与2010年10月放牧后的MG、HG间存在显著差异外，年度间各放牧强度0～30 cm土层有机质含量均差异不显著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土层有机质含量变异系数依次为7.64%、7.72%和10.63%，表明短期放牧等外界因素对其影响相对较小。而且，无论放牧与否，土壤有机质含量均随土层深度的增加呈降低趋势。

2.3放牧强度对土壤碱解氮的影响 放牧前(2010年7月)各试验小区间土壤碱解氮含量差异不显著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土层碱解氮含量平均依次为298.0、253.6和186.7 mg·kg-1(图3)。连续放牧3年的土壤碱解氮监测表明(图3)，同一年度不同放牧强度间0～30 cm土层碱解氮含量差异均不显著(P>0.05)，但与放牧前相比， 除2011、2012年MG下10～20 cm土层降低外， LG、MG、HG下0～30 cm土层碱解氮含量均出现增加，依次为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土层增加幅度高于10～20和20～30 cm土层。从年度变化看(图3)，年度间0～10 cm土层碱解氮含量差异显著(P<0.05)，总体变异系数为17.5%，且同一放牧强度年度间2010及2012年碱解氮含量显著高于放牧前(P<0.05)；10～20 cm土层碱解氮含量年度间差异较小(P>0.05)，变异系数为15.2%；20～30 cm土层年度间碱解氮含量存在一定的差异性(P<0.05)，变异系数为18.4%，但同一放牧强度年度间差异不显著(P>0.05)。另外，无论放牧与否，土壤碱解氮含量基本表现出随土层深度的增加呈降低趋势。

2.4放牧强度对土壤速效磷的影响 放牧前(2010年7月)各试验小区间0～10、10～20和20～30 cm土层速效磷含量依次为13.5、8.8和5.5 mg·kg-1(图4)。连续放牧3年的土壤速效磷监测(图4)表明，除0～10 cm土层在当年放牧结束呈显著差异(P<0.05)外，同一年度不同放牧强度间0～30 cm土层速效磷含量均差异不显著(P>0.05)，但与放牧前相比，0～10、10～20 cm土层速效磷含量依次下降了12.9%～39.0%、4.3%～43.0%，而20～30 cm土层在MG增加了2.4%～32.8%，LG、HG降低了16.0%～44.6%。从年度变化看(图4)，年度间0～10 cm土层速效磷差异显著(P<0.05)，总体变异系数为20.0%，且同一放牧强度年度间2011及2012年速效磷含量明显低于放牧前(P<0.05)。除放牧前HG下速效磷含量显著高于放牧处理(P<0.05)外，同一放牧强度10～20和20～30 cm 土层速效磷含量年度间无显著差异(P>0.05)，总体变异系数依次为22.1%、26.2%。而且，无论放牧与否，土壤速效磷含量随土层深度增加均呈降低趋势。

图2 2010-2012年不同放牧强度下土壤有机质含量Fig.2 Content of soil organic matter under different grazing intensities from 2010 to 2012

图3 2010-2012年不同放牧强度下土壤碱解氮含量Fig.3 Content of soil available nitrogen under different grazing intensities from 2010 to 2012

图4 2010-2012年不同放牧强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放牧强度对土壤速效钾的影响 放牧前(2010年7月)各试验小区间土壤速效钾含量差异不显著(P>0.05)，0～10、10～20和20～30 cm土层速效钾含量依次为429.6、313.8、249.9 mg·kg-1(图5)。连续放牧3年土壤速效钾监测表明(图5)，同一年度不同放牧强度间0～30 cm土层速效钾含量均差异不显著(P>0.05)，但与放牧前相比，放牧后0～10、10～20和20～30 cm土层速效钾含量依次增加了35.1%～76.4%、18.9%～63.6%和8.9%～65.1%，且0～10 cm土层速效钾增加率随放牧强度增大而降低，0～30 cm土层则以MG的增加率最高。从年度变化看(图5)，年度间0～10、10～20和20～30 cm土层速效钾差异显著(P<0.05)，变异系数依次为24.9%、29.0%和30.4%，且放牧后同一放牧强度年度间0～10 cm土层速效钾含量明显高于放牧前(P<0.05)，但放牧后2010、2011及2012年差异不显著(P>0.05)；10～20和20～30 cm土层速效钾含量年度间差异不显著(P>0.05)。而且，无论放牧与否，土壤速效钾含量随土层深度的增加均呈降低趋势。

图5 2010-2012年不同放牧强度下土壤速效钾含量Fig.5 Content of soil available potassium under different grazing intensities from 2010 to 2012

2.6草地放牧强度与土壤养分的关系 为了更好地描述放牧强度对土壤养分的影响，本研究分析了0～10、10～20和20～30 cm土层有机质、碱解氮、速效磷及速效钾随放牧强度的变化趋势，发现不同土层不同养分对放牧强度的响应存在一定的差异(图6)。随着放牧强度的增加，0～10 cm土层有机质、速效钾呈增加趋势，而碱解氮、速效磷呈降低趋势；10～20 cm土层有机质、速效磷、速效钾呈增加趋势，而碱解氮呈降低趋势；20～30 cm土层有机质呈降低趋势，而碱解氮、速效磷、速效钾呈增加趋势。0～30 cm土层有机质、碱解氮、速效磷、速效钾与放牧强度间均无显著相关性(P>0.05)(图6)，说明短期放牧强度对土壤理化性质的影响相对较小，具有一定的滞后性。

3 讨论与结论

虽然有关放牧强度对草地土壤理化性质的研究较多[3，7-10]，但由于受气候、地形、土壤性质、植物组成、放牧强度、放牧年限、放牧家畜种类以及放牧历史等因素的影响，目前对有关放牧对土壤的影响存在较大的分歧[8]。昭苏马场草甸草原3年的连续放牧试验显示，虽然随着放牧强度的增加，草地地上生物量呈现降低趋势，但同一年度不同放牧强度间差异不显著(P>0.05)，这与王向涛等[16]在玛曲高寒草甸放牧结果“轻度放牧、中度放牧及重度放牧间草地地上生物量差异不显著”相一致。此外，邓潮州等[17]研究表明，7月轻度放牧、中度放牧下高寒草甸地上生物量显著高于重度放牧(P<0.05)，而8月则3种放牧强度间地上生物量差异不显著(P>0.05)，闫瑞瑞等[18]也得出相似的结论。与放牧前相比，放牧后土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量均出现一定程度的变化，且0～10、10～20及20～30 cm土层表现并不一致，但同一年度放牧强度间0～10、10～20和20～30 cm土层有机质、碱解氮、速效磷及速效钾含量差异不显著(P>0.05)。这与不同放牧强度对肃北高寒草原的速效氮磷钾[7]、内蒙古荒漠草原有机碳及全氮[8]、锡林郭勒主要草原有机碳[11]等研究结果基本吻合。初步说明短期放牧期内，放牧强度对土壤养分及植被地上生物量的影响较小，需要在较长的时间尺度上进行。土壤养分的差异不明显可能是因为放牧利用后草地植被地上生物量的降低不明显，也可能是土壤养分对放牧强度的响应具有一定的“滞后”性所致。王明君等[19]在内蒙古呼伦贝尔草甸草原的研究也表明，草地植被由轻度退化演替到中度退化时，植被已经发生了较大的变化，而草地土壤的全氮、全磷、全钾、有机质、速效磷和速效钾变化较小，与轻度退化草地土壤养分基本相似，归聚于一类。土壤养分对短期放牧响应的这种“滞后性”可能是由于在普遍较高的土壤养分背景值或土壤自然差异的条件下，这种对土壤全土速效养分、有机质的分析往往由难以捕捉土壤养分的瞬时变化所致，研究土壤养分对放牧的响应需要利用更敏感于外界变化的一些指标进行，如微生物量碳、轻组有机质、颗粒碳等[20]。

图6 放牧强度与土壤有机质及速效养分的关系Fig.6 Relations among grazing intensity, soil organic matter and available nutrition

本研究表明，年度间0～30 cm土层有机质、20～30 cm土层速效磷、10～20 cm土层碱解氮基本差异不显著(P>0.05)，其余指标均存在一定的差异性(P<0.05)，可能与试验期间的降水量及温度年度间差异较大有关系。水热条件的好坏直接影响植物地上生物量的增减、放牧家畜的排泄多少、对草地的践踏强度，进而影响草地土壤养分的年际变化，原因还有待于研究。

短期放牧对0～10 cm土层养分的影响较明显，且无论放牧与否，土壤有机质、碱解氮和速效磷及速效钾含量均随土层深度的增加呈降低趋势。相关分析表明，0～30 cm土层有机质、碱解氮、速效磷、速效钾与放牧强度间均无显著相关性(P>0.05)，且随着放牧强度的增加，0～30 cm土层有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的响应规律存在一定差异。

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