放牧干扰对草地土壤理化性质的影响
2016-12-17张亮沈潮邓杰田浩
张亮,沈潮,邓杰,田浩
(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁 阜新 123000)
放牧干扰对草地土壤理化性质的影响
张亮,沈潮,邓杰,田浩
(辽宁工程技术大学环境科学与工程学院,辽宁 阜新 123000)
文章综述了放牧干扰对草地土壤物理性质(土壤含水量、土壤容重)和化学性质(pH、有机质、氮磷钾)的影响,由于草地土壤生态系统本身的复杂性和滞后性,使得许多学者在不同区域、不同放牧强度、不同放牧时间、不同牲畜类型等环境下得出的结论也大不相同。一般的规律是随着放牧强度的增强,牲畜的踩踏强度增大,使得土壤结构破坏,土壤总空隙减少,容重降低,土壤含水量下降,且表层土壤变化较明显。由于牲畜粪便的归还,使得土壤的化学性质发生了复杂变化,其中在不同放牧强度下,不同土层内土壤pH、有机质、氮磷钾均有升高、降低、无明显变化3种趋势,分析认为,不同放牧强度是导致上述现象的主要原因,应采取合理的放牧制度,有效抑制草原退化,从而保持草原生态系统的可持续发展。
草地;土壤;理化性质;放牧干扰
全球草地总面积约为3.42×109hm2,占陆地总表面积的40%[1]左右。我国草地资源种类繁多,分布广泛,天然草原面积约为4亿hm2,约占国土表面积的41%[2]。 草地不仅是陆地生态系统的重要屏障,也是畜牧产业的重要物质基础。近年来,随着人口的日益增长,畜牧业产品供不应求,使得草地出现了严重的过度放牧现象,导致草地生产力下降,生物多样性减少。
目前,我国草地退化正在以每年200万hm2的速度扩张[3], 针对我国草原生态系统所面临的问题,许多学者对内蒙古典型草原[4]、高寒草甸草原[5]、荒漠草原[6]、羊草草原[7]、贝加尔针茅草原[8]、沙质草地[9]等不同类型的草地进行放牧干扰试验,根据不同程度的放牧过程,对草地土壤理化性质进行研究、分析、总结。牲畜对草地的啃食不仅影响土壤的物理性质,而且其排出的粪便到土壤中能够使养分归回,进而使土壤的化学成分发生改变且二者相互作用,相互影响[10]。因此,在不同的放牧强度下,研究土壤的理化性质,是深入探讨草地退化过程和机制的前提,也是怎样有效合理地解决草地放牧和管理的准则,从而进一步抑制草原退化现象,并为草原生态系统和畜牧业的可持续发展提供科学依据。
1 放牧干扰对土壤物理性质的影响
牲畜的啃食、踩踏,不仅使草地植被的盖度和生物量下降,影响地上植被组成,同时也使得土壤的物理性质发生改变。
1.1 放牧干扰对土壤含水量的影响
土壤含水量是由大气降水、土壤蒸发及土壤特性等决定的,是植物生长与生存的关键性因子。研究表明,在0~20 cm土壤层内的含水量随放牧强度增加而下降[11,12],史印涛等[13]认为放牧仅对0~10 cm土壤层含水量有影响;安慧等[6]对荒漠化草地的研究结果表明,在0~30 cm土壤层中,土壤含水量随放牧强度的增大而降低,这与Zhao Y等[14]研究相似;戎郁萍[15]等对草地进行不同强度的放牧试验发现,随着放牧强度增加和放牧时间的延长,土壤含水量在0~10 cm土壤层内出现先升高后降低的趋势,这与董全民等[16]对混播草种的人工草地进行牦牛放牧试验研究一致,笔者认为这可能是由于在不同强度的放牧干扰下,土壤被牲畜踩实,通气性减弱,降雨后水分下渗缓慢,与此同时,水分蒸发快,导致出现表层土壤水分出现先上升后下降的趋势。也有研究表明,放牧强度和季节的不同,不同土壤层内土壤含水量亦不同[17]。
1.2 放牧干扰对土壤容重的影响
土壤容重是评价土壤紧实度和土壤结构状况的指标,它与土壤孔隙度和渗透程度密切相关。贾树海等[18]认为,容重可以作为草地放牧导致退化的数量指标。研究表明,放牧仅对表层0~10 cm 的土壤容重影响显著[18],而对10~30 cm 土层容重影响不显著[7]且影响随放牧强度的增强而增大,这与Maria[19]等的研究结果一致;也有研究证实随着放牧强度的增强下层土壤容重也随之增大[20,21],同时也体现了土壤容重具有累积效应[22-24]。出现这种现象可能与放牧大型牲畜(如奶牛、牦牛等)有关;还有学者发现,随着放牧强度的逐渐增加,土壤容重基本没有显著变化[25,26],可能是由于短时期的放牧导致的;但Pierre等进行连续4年的放牧试验发现,放牧对土壤容重的影响仍不显著[27],这可能是与山羊和绵羊混合配置比例不同有关;蒋文兰等[28]在人工草地进行放牧干扰试验表明,0~10 cm 土层土壤容重呈出先升后降的趋势,且在10~20 cm 土层中容重逐渐上升,这与付华等[29]的结论相似,这可能是因为在中度放牧区牲畜对土壤的踩压强度增大,使土壤结构破坏,从而容重加重,对于重度放牧区来说,牲畜载量过大,植被啃食程度加大,使地表大面积裸露在外,此时过量的牲畜踩踏会使土壤表层疏散,从而导致容重下降。
2 放牧干扰对土壤化学性质的影响
放牧干扰不仅只土壤物理性质有影响,同时对其化学成分的改变亦影响显著。放牧可以改变土壤中化学元素的循环过程,影响化学元素的固持、转移和再分配等[30]。草地植被被牲畜啃食后,使得地表裸露,容重加大,地表升温促进土壤养分的循环,从而使土壤理化性质之间相互作用、相互影响。
2.1 放牧干扰对土壤pH的影响
由于草地类型和牲畜群结构不同导致放牧对土壤pH的影响也不同[30]。随着放牧强度的增强,不同学者结论不同:益西措姆等[31]在西藏高寒草甸土壤研究放牧干扰后发现,在0~10 cm、10~20 cm土壤层内,土壤pH显著减小,在20~30 cm土层内,土壤pH变化不明显;Liebig等[32]认为放牧对土壤pH没有影响,这与付华等[29]和Xie等[33]的研究一致;史印涛等[13]发现,pH只在土壤表层0~10 cm有影响,但是没有规律性变化;文都日勒等[34]、王启兰等[35]和干友民等[36]认为土壤pH呈现升高趋势;何贵永等[37]指出在不同季节、不同放牧形式状况下放牧对土壤表层pH没有显著影响,而对深层土壤pH影响显著,且表层pH在生长季末达到最大值,盛海彦等[38]对祁连山高寒金露梅灌丛草甸进行放牧研究发现,金露梅丛间斑块间土壤pH变化显著,而灌丛土壤pH变化不显著。
2.2 放牧干扰对土壤养分的影响
土壤中的养分可促进牧草生长,养分的多与少直接影响牧草质量,通过牲畜啃食,间接地影响牲畜的奶、肉品质,与此同时,牲畜排出的粪便也会提高土壤的养分含量,使得研究土壤养分对放牧干扰的影响变得更加复杂。
2.2.1 放牧干扰土壤有机质的影响 许多学者研究表明[4,34,36,39],土壤有机质含量随放牧强度的增强而下降,其中表层土壤有机质含量变化较为明显,可能原因是因为放牧干扰下土壤微生物活性低,还可能是由放牧导致植被覆盖率降低使得归还土壤中的枯枝落叶减少,王玉辉等[17]和李瑜琴等[40]研究指出,在40~60 cm的土层中,土壤有机质含量随放牧强度的增加而降低得比较缓慢。有学者研究得出,放牧增加了土壤有机质含量[41,42],原因是在放牧下,牲畜的啃食作用首先影响地上植被组成部分,植被组成的变化导致土壤有机质含量变化,且有机质含量的变化比植被变化得慢;另一方面是由于草原管理技术的添加也增加了有机质的积累。 Frank A B等[42]在北美大草原过度放牧的草地上发现,土壤有机碳相对于无牧草地无显著变化,这与王艳芬等[43]和Wang等[44]研究相似,原因可能是物种组成的变化补偿了草地放牧引起的土壤碳的损失。
2.2.2 放牧干扰对土壤速效氮和全氮的影响 对于土壤氮的研究,有学者认为,随着放牧强度的增强,土壤速效氮含量增加[36,45],而董全民等[46]通过2年的牦牛放牧试验发现,夏季草场的各土层上,速效氮含量出现先升高后降低再升高的趋势;安慧等[6]对荒漠草原放牧干扰下的研究得出,土壤全氮随着放牧强度的增强呈现出先升高后降低的趋势;戎郁萍等[15]研究表明,随放牧强度增加,全氮含量增加,这与王淑强等[47]和白可喻等[48]人的研究一致,但他们认为轻度放牧使土壤全氮含量显著下降;焦婷等[49]对温性荒漠草原放牧研究得出,各土层土壤全氮含量随放牧强度的增强而减少;而付华等[29]对荒漠土地放牧试验的研究得出,放牧强度增大,对全氮的影响不显著;孙世贤等[39]对内蒙古高原荒漠草原亚带短花针茅草原放牧试验中发现,放牧中的季节调控对土壤养分起到一定的作用,在0~10 cm土层中,土壤全氮含量、速效氮在各放牧处理下无显著变化,且秋季重度放牧会使土壤全氮往土壤表层聚集。
2.2.3 放牧干扰对土壤速效磷和全磷的影响 Baurer等[50]认为表土层在速效磷含量轻度放牧情况下显著高于重度和中度放牧地, 在20~40 cm土层内,各放牧强度之间无显著差异;随着放牧强度增大,土壤全磷在0~20 cm 土层内呈降低趋势,这与董全民等[46]研究相似;戎郁萍等[15]和付华等[29]研究表明,随着放牧强度的增加,在0~10 cm 土壤表层速效磷含量和全磷含量降低;而安慧等[6]对荒漠草原放牧干扰下的研究得出,土壤全磷和速效磷均随着放牧强度的增强而增加;史印涛等[13]认为,随着放牧强度的增强,在10~20 cm土层内,土壤全磷与速效磷含量变化不明显,在20~30 cm土层内,土壤全磷含量增加,土壤速效磷变化不明显;裴海昆[51]指出,不同放牧强度对土壤速效磷含量的影响不明显。以上原因主要是土壤磷含量受土壤类型、气候条件、土壤温度的影响,在青海高寒草地普遍缺磷,所以放牧强度对土壤速效磷含量影响不大, 值得一提的是短期的放牧对土壤磷含量影响不显著[39]。
2.2.4 放牧干扰对土壤速效钾和全钾的影响 史印涛等[13]等研究表明,随着放牧强度的增强,在0~10 cm土层内,土壤全钾减少,速效钾增加,在10~20 cm土层内,速效钾含量减少,全钾含量变化不明显,在20~30 cm土层内,土壤全磷含量减少,土壤速效磷变化不明显;周丽艳等[8]认为,全钾的含量在过度放牧区下降比较迅速,主要与不同放牧强度下对土壤养分的不同消耗和土壤理化性质的变化有关;萨仁高娃等[52]认为,放牧强度对土壤全钾影响不显著;而安慧等[6]认为,土壤全钾含量随着放牧强度的增加而增加,其可能原因是土壤生态系统的变化具有滞后性和一定的缓冲性,短期放牧干扰并不能对其产生明显影响;多数学者认为[15,18],在0~10 cm土层内,随着放牧强度的增强土壤速效钾含量尤其是表土速效钾含量有所增加,主要是因为放牧家畜排泄的粪尿中含有大量的钾,重度放牧会使单位草地面积上的牲畜数量增多,所以通过粪便排泄到草地上的钾量也相应较大;孙世贤等[39]认为,在全年畜载量相同的情况下,季节调控可以影响钾的有效性。
3 问题与展望
通过国内外研究现状,放牧对土壤理化性质影响具有很多不确定性,但孙世贤等[39]研究发现,在草原生态系统中土壤内部养分之间存在显著相关性,可能与不同区域、不同国家、不同放牧对象、不同土层深度、不同季节等有关。草原生态系统是土壤与植被以及大气环境条件综合作用下的产物[53],在放牧干扰下,草地植被的变化只是一个表象状态,因为土壤本身就是一个复杂的生态系统[54],评价草地退化状况要将土壤-植被有效地结合起来,此外还要对土壤中的微生物和酶活性进行检测,以全方面地对整个系统进行研究。
有很多学者研究表明,适宜的放牧对草原的破坏较小,而且还促进草地的修复与生长,可维持草地-畜牧业的稳定发展,但是国内外没有一个适宜放牧制度的指标,因此很难达到适宜度,从而也就没有很好地将土壤-植被-畜牧业良好结合。在今后的研究中要抓住草地的区域性和生态性,针对不同的区域类型要全方位考虑生态系统的功能,包括经济功能、社会功能、生态功能,并提出最适合当地的放牧制度,为草原管理提供重要的支持,与此同时,也使草原生态系统的物质循环与能量流动达到平衡状态,这样草原生态系统才会得到休养生息的时间和空间。
很多学者的研究集中于短期放牧干扰对草地理化性质的影响,但笔者认为这样并不能很好地提供放牧干扰破坏草地的证据,以后的研究应尽可能从长期观测的角度来评价放牧对草地理化性质的影响。
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Effects of Grazing Disturbance on Soil Physical and Chemical Properties in Grassland
Zhang Liang,Shen Chao, Deng Jie, Tian Hao
(College of Environmental Sciences and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)
The effects of grazing disturbance on soil physical properties (soil moisture content and soil bulk density) and chemical properties (pH, organic matter and NPK) were reviewed. Due to the complexity and lag of ecosystem of grassland soil, many scholars obtained quite different conclusions under different environments concerning the regions, grazing strength, the grazing time, the livestock type and so on. The general rule is that with the increase of grazing intensity, the intensity of the cattle trample increases which makes the soil structure destroyed, the total soil voids, the bulk density and the soil water content decrease, and the surface soil change more obviously. Due to the return of livestock manure, the soil chemical properties have been changed. In different soil layers with the different grazing strength, the contents of pH, organic matter, NPK have three kinds of trends, that is, rising, dropping and not obvious. These uncertain phenomena should be analyzed and summarized. The main reason of the above phenomena is the different grazing strength. The new grazing system should be taken to inhibit the grassland degradation, thereby to keep the sustainable development of grassland ecosystem.
grassland; soil; physical and chemical; grazing disturbance
1005-5215(2016)12-0001-04
2016-11-04
张亮(1990-),男,吉林人,硕士,从事水土保持与荒漠化防治研究,Email:zhangliang_2020@126.com
S151.92;S151;93;S821.43
A
10.13601/j.issn.1005-5215.2016.12.001