放牧对土壤碳、氮含量空间变异的影响

红 梅，余 娜，赵宏儒，胡吉亚，韩国栋

(1.内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010018； 2.包头市土肥站，内蒙古 包头 014010)

土壤全氮和有机碳是土壤的重要组成成分，也是植物生长发育必需的营养元素，而且是生态系统中非常重要的生态因子，因此一直倍受生态学、土壤学等多个学科的关注，目前已经成为国际全球变化研究的核心内容之一[1-5]。可见，土壤碳、氮的深入研究对了解土壤养分的分布以及养分的管理具有极其重要的意义。草原是陆地生态系统的重要类型，约占陆地生态系统总面积的46%。近几十年来，草原生态系统遭到严重破坏，土壤侵蚀加剧，导致土壤结构发生较大的变化。所以，对区域土壤养分空间格局的研究，能为了解草原土壤的变化过程提供重要依据。结合经典统计学与地统计学分析土壤有机碳和全氮的空间变异格局一直是相关领域的研究热点，国内外学者对不同地区的农田已经做了大量的研究[6]。Yost和Hatfierld[7]早期应用统计方法研究土壤养分大尺度空间格局，在夏威夷岛进行了土壤养分的空间相关性研究，结果表明，土壤氮、磷、钾、钙、镁含量在32～42 km范围内存在空间相关。以内蒙古阿拉善左旗为例，黄元仿等[8]研究了土壤有机质在干旱荒漠区的空间变异特征。放牧对草地土壤的物理和化学性质的影响在国内外已有很多报道[9-11]，但这些多集中在半湿润、半干旱草原地区，而在干旱荒漠地区放牧对土壤碳、氮空间变异特征影响的定量研究工作甚少。本研究以内蒙古四子王旗短花针茅(Stipabreviflora)荒漠草原淡栗钙土为研究对象，采用经典统计学与地统计学相结合的方法，对该区土壤碳、氮的变化特性进行研究，以揭示放牧强度对土壤碳、氮空间变异特征的影响。

1 材料与方法

1.1试验区概况 研究区位于内蒙古乌兰察布市四子王旗王府一队，41°47′17″ N， 111°53′46″ E，海拔1 450 m，属温带大陆性季风气候。短花针茅荒漠草原，草地类型为短花针茅+冷蒿(Artemisiafrigida)+无芒隐子草(Cleistogenessongorica)。植被草层平均高度为8 cm，植被稀疏，盖度17%～20%。土壤类型为淡栗钙土，土层厚度约为1 m，钙积层出现在40～50 cm，土体坚硬，通气透水能力差[12]。降水集中在夏季，年平均降水量299.4 mm，雨后常见明显地表径流冲刷现象。

试验区共设4个处理，分别为未放牧(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)，3次重复(图1)，共12个放牧小区。载畜率值分别为0(CK)、0.91(LG)、1.82(MG)和2.71(HG)羊单位·hm-2·半年-1。4个处理完全随机排列。

1.2样品采集与测定方法 采样时间为2007、2008和2009年的9月。考虑到取样的代表性，于每个试验小区内各布设2条样线，样线上隔20 m左右设一个样点，组1和组2中每条样线21个点，LG3和CK3中的每条样线12个点，MG3中的每条样线8个点，HG3上是5个点，共410个样点，3年共1 230个样点，GPS定位。取样采用均匀和随机相结合，在每一个样点的1 m×1 m的亚小区内，用管状土钻随机取3份0～20 cm的土样，均匀混合。然后在实验室自然风干，去除植物根系等杂质，过120目筛子，用于室内分析。

图1 试验区各放牧小区和区组位置示意图Fig.1 The experimental paddocks and blocks location

土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法测定，全氮采用半微量凯氏定氮法[13]测定。

1.3数据分析 对测定的数据用半方差分析方法计算空间变异特征，半方差函数的计算公式为：

式中，r(x,h)为半方差函数，h为两样本间的距离，Z(x)与Z(x+h)差的平方一般定义为区域化变量Z(x)在x轴方向上的变异函数[14-17]。

图2 变异曲线示意图Fig.2 Model variogram curve

1.4数据处理 采用SAS(9.0)与SPSS(1.0)结合进行常规统计分析；地统计学软件GS+(9.0)计算半方差函数模型，含量分布图形绘制和面积图统计、计算均采用ArcGIS(8.3)软件。

2 结果与分析

2.1各放牧强度的土壤碳、氮的统计特征值 各放牧强度下的土壤碳、氮含量的分布较均一，都服从正态分布(表1)，表明土壤受外界因素的影响比较少。从变异系数看，土壤碳、氮的变异系数介于11.1%～18.1%，均属中等变异程度，这与已有的一些研究结果[18-19]相同。随着放牧强度的增大，土壤有机碳和全氮含量均呈现减少趋势，未放牧显著高于重度放牧(P<0.05)，而与轻度放牧和中度放牧的差异不显著。2007、2008和2009年的变化趋势一致。

2.2各放牧强度区土壤碳、氮含量的空间结构分析 本研究选用了离差平方和最小，即用拟合度最好的指数和球状模型来描述土壤有机碳和全氮的空间结构特征(表2)。从空间变异因素角度来看，Kriging方差与基台值的比值称为空间变异比，即C0/(C0+C1)，其表示空间异质性程度[20]。此比值大说明由随机因素引起的空间变异高，反之则说明由空间自相关部分引起的变异程度高。若此比值小于25%，则说明变量具有强烈的空间相关性；若此比值介于25%～75%，则说明变量具有中等的空间相关性；若此比值大于75%，则说明空间相关性很弱。本研究区域内，未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤碳、氮C0/(C0+C1)比值都小于25%，说明这3个放牧强度的土壤碳、氮的空间异质性主要是由区域因素引起的，随机性因素对土壤碳、氮空间变异的影响相对较小。而轻度放牧土壤碳、氮的C0/(C0+C1)比值介于25%～75%，属中等程度的空间相关性(表2)。

变程也称空间最大相关距离，未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤碳、氮的变程均比轻度放牧的大(表2)。这与未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤有机碳和全氮主要受土壤类型、成土母质、地形等区域因素影响有关，轻度放牧区的土壤碳、氮空间相关距离小于其它3个放牧强度，则说明受到随机因素——放牧强度的影响大。

表1 土壤碳氮的描述统计特征值Table 1 Descriptive statistics of soil carbon and total nitrogen

表2 不同放牧强度下有机碳和全氮半方差函数模型Table 2 Best-fitted variogram models of soil carbon and total nitrogen under different grazing intensities

2.3不同放牧强度下土壤碳、氮含量的空间变异特征 各放牧强度下的土壤有机碳含量主要介于12.29～18.06 g·kg-1，该级别未放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧的面积分别为11.887、11.425、10.228和8.401 hm2，该研究区域面积为52.57 hm2，该级面积占研究区总面积分别为22.62%、21.73%、19.46%和15.98%(表3)。土壤全氮含量主要介于1.24～1.67 g·kg-1，该级别未放牧、轻度放牧、中度放牧和重度放牧的面积分别为10.649、10.502、10.309和7.420 hm2，该级面积占研究区总面积分别为20.26%、19.98%、19.61%和14.11%。土壤有机碳<12.29 g·kg-1且全氮<1.24 g·kg-1的区域主要集中在中度放牧和重度放牧区，中度放牧区这两级的面积分别占研究区面积的3.44%和4.02%，重度放牧区占3.06%和4.35%。18.06～19.50 g·kg-1的有机碳面积中度放牧区最大，占研究区面积的2.05%。有机碳>19.5 g·kg-1和全氮>1.78 g·kg-1的区域主要集中在未放牧区，分别占研究区面积的1.66%和0.84%(表3)。

根据上面所得到的半方差函数模型，用Kriging最优内插法，分别绘制了研究区不同放牧强度下的土壤碳、氮空间分布图(图3)。研究区土壤碳、氮含量空间分布格局为区组1和区组2在样线200～300 m处含量普遍偏高，MG1的0～50 m处碳、氮都有一个高含量的斑块，区组3中CK3和MG3的140 m处含量最高，HG3整体含量低。总体表现为未放牧>轻度放牧>中度放牧>重度放牧，这与前面的分析结果一致。

表3 不同放牧强度下土壤碳氮含量分级面积统计Table 3 Statistics of the graded area of soil micro-biomass carbon and nitrogen content under different grazing intensities

图3 有机碳和全氮含量分布图Fig.3 The spatial distribution of soil organic carbon and total nitrogen content

未放牧和轻度放牧区土壤碳、氮低含量斑块面积较小，中度放牧和重度放牧后土壤碳、氮低含量斑块面积随着年度递增呈增加趋势，而未放牧和轻度放牧区没有明显的变化(图4、图5)。重度放牧区土壤碳、氮高含量斑块面积小于其它3个放牧强度，并且随着年度的递增呈减小趋势。

研究区土壤碳、氮含量的空间分布格局大体上是相似的，即土壤有机碳含量高的地块全氮含量也较高。相关分析结果显示，土壤全氮和有机碳的分布存在着显著的相关性。全氮含量(y)与土壤有机碳含量(x)呈显著正相关(y=0.075 9x+0.291 5，r=0.950 6*)。

图4 不同年度土壤碳、氮低含量斑块面积变化图Fig.4 Changes in patch areas with low content of soil carbon and nitrogen in different years

图5 不同年度土壤碳、氮高含量斑块面积变化图Fig.5 Changes in patch areas with high content of soil carbon and nitrogen in different years

3 讨论

研究区土壤有机碳含量受放牧的影响显著，其中未放牧区的土壤有机碳显著高于重度放牧区，这与李香真和陈佐忠[21]研究的未放牧区0～10 cm表层土壤有机碳含量显著高于各放牧处理的结果一致，与傅华和陈亚明[22]研究的阿拉善土壤有机碳含量随着放牧强度的增加显著降低的结果也一致。而Milchunas和Laurenroth[23]、Manley等[24]通过综述大量的放牧研究得出，放牧对土壤有机碳没有显著影响。还有一些研究指出，与不放牧相比较，中度放牧会增加土壤中有机碳的含量[25-26]，也有一些与上述研究不同的论点[27-28]。本研究中土壤全氮随着放牧强度的增加而降低，Kooijman 和Smith[29]也认为一般情况下，放牧会降低土壤中全氮的含量，但是家畜粪便的排放又会增加土壤中氨态氮的积累，所以不同外界环境下，不同放牧强度草地土壤的全氮变化并不确定。土壤碳、氮含量存在显著的正相关，这也与国内研究者的普遍认识是一致的[30-32]。

轻度放牧区土壤碳、氮属中等程度的空间相关性，是因为轻度放牧区空间变异特征是土壤类型、地形、成土母质等区域因素和放牧等随机因素共同作用的结果。轻度放牧区适度的干扰，家畜选择性的采食和践踏使植被分布格局、植被的组成、产量和进入土壤的碳、氮数量发生了改变。同时，由于家畜的粪便分布也会出现不均匀现象，导致土壤有机碳和全氮含量分布格局发生变化，呈现中等程度的空间相关性。而未放牧区无随机因素(如放牧等)的干扰，土壤碳、氮分布受自然区域因素的影响，空间变异大。中度放牧和重度放牧后，放牧区植被种类减少，并且变得单一，产量下降，植被补充进入土壤的有机碳和全氮减少，同时变得较均匀。家畜在放牧区内为了采食到更多的食物，游走频率增高，粪便均匀分布，所以放牧不会使土壤有机碳和全氮的空间分布格局发生变化，格局变化主要还是受区域因素的影响。轻度放牧区土壤有机碳和全氮的空间相关距离小于其他放牧强度，也说明受到随机因素的影响相对大。区域因素在较大范围上才能发生变化，所以未放牧、中度放牧和重度放牧的变程大于轻度放牧。

综上所述，轻度放牧适合该地区。虽然未放牧的土壤碳、氮含量最高，但是它的草地利用率为0；中度放牧和重度放牧的草地利用率高，土壤碳、氮含量显著降低，会导致植被种类和数量减少；而轻度放牧(0.91羊单位·hm-2·半年-1)的草地利用强度适中，碳、氮含量并没有显著的减少，可以维持生态系统的稳定性。

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