不同放牧强度对贵州人工草地土壤养分及活性有机碳的影响

舒健虹，蔡一鸣，丁磊磊，王普昶，李小冬



不同放牧强度对贵州人工草地土壤养分及活性有机碳的影响

舒健虹，蔡一鸣，丁磊磊，王普昶，李小冬*

贵州省农业科学院草业研究所, 贵阳 550006

研究不同放牧强度下人工草地土壤养分以及有机碳含量的变化, 为在西南喀斯特地区建植与检测人工草地提供参考。在贵州省独山县贵州省草业研究所试验示范基地, 以2012年10月11日建植的多年生黑麦草: 高羊茅: 鸭茅: 白三叶: 紫花苜蓿=3.5: 2: 2: 1: 1.5的人工草地0.33 ha, 设置禁牧(围栏封育)、中度、重度3个处理, 于2015年10月13日开始放牧, 61 d后测定不同放牧强度下人工草地土壤营养元素与活性有机碳含量。研究结果表明, 放牧显著影响pH值、有机质以及氮、磷、钾等营养元素的含量。土壤有机质含量与pH值在中度放牧的0—10 cm土层中最高, 土壤总氮和碱解氮含量随着放牧强度增强而上升, 磷元素与钾元素的含量随着放牧强度增强而下降。土壤有机碳、微生物碳及易氧化碳的含量都随着放牧强度增加而降低, 并且它们两两显著相关。在贵州喀斯特地区建植人工草地与维护人工草地可适当补充磷肥与钾肥, 在草场质量检测中微生物碳和易氧化碳的含量可以作为土壤质量监测的早期指标。

喀斯特地区; 人工草地; 营养元素; 有机碳; 微生物碳; 易氧化碳

1 前言

大气中二氧化碳浓度升高与人类的活动存在密切联系, 其中土地利用方式的变化是主要因素之一[1]。在陆地生态系统中, 对碳循环影响较大的生态系统包括森林、草地、湿地等; 其中森林是最大的碳库, 对其研究也已经比较深入, 而对于草地碳循环的研究还比较少。草地生态系统占陆地生态系统碳素总储量的15.2%, 是陆地生态系统的重要组成部分[2]。中国草地主要分为北方温带草原、青藏高原高寒草地以及南方热带亚热带草山草坡3个主要区域, 由于南方雨热同期, 光照降水丰富等特点, 草地资源与森林、农田交错分布, 针对森林和农田生态系统, 许多学者已经开展了土壤有机碳采样方法、小生境碳含量估算、人工修复林土壤碳循环以及土壤表层碳含量分布等相关研究[3–7]。目前针对草地碳循环的研究主要集中在青藏高原的高寒草地[8–9]和蒙古高原的温带草原[10-12]。对于南方草山草坡, 特别是南方喀斯特地区的人工混播草地的碳循环研究还比较少。本试验以贵州省独山县贵州草业所放牧实验基地建植的混播草地为典型研究区域, 测定不同放牧强度下土壤基本养分、易氧化碳、微生物碳以及有机碳含量, 定量地分析了不同放牧强度对人工混播草地土壤碳含量的影响, 旨在为贵州喀斯特地区人工草地建植、草地资源可持续利用和适度放牧的决策研究提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况

本研究在贵州省草业研究所独山放牧实验基地的围栏放牧试验区进行, 该区位于贵州省黔南州独山县麻万镇, 地处北纬25°34′､东经107°37′, 海拔950—1017 m, 该区气候为副热带东亚大陆季风气候区(亚热带高原季风湿润气候), 四季分明, 温差较小, 年均降水量在1100—1300 mm, 空气湿度为80%｡年0 ℃以上积温为5302 ℃, 10 ℃以上积温为4538 ℃。极端低温为–8 ℃, 极端高温为34 ℃, 年均温度为15.0 ℃。无霜期为272 d, 年均日照约为1336.7 h, 平均温度4.3 ℃, 雨热同期, 干湿季节明显, 土壤类型为红壤。人工草地建植以多年生黑麦草: 高羊茅: 鸭茅: 白三叶: 紫花苜蓿=3.5: 2: 2: 1: 1.5比例混播, 水城高羊茅(cv Shuicheng)和DG05鸭茅(L. cv.QiancaoNO.4)为贵州省草业研究所育成, 尼普顿多年生黑麦草(L.cv.Nipton)、白三叶(L.)和紫花苜蓿(为百绿公司提供, 2013年3月建成后划分围栏进行分区, 禁牧小区720 m2, 中度放牧小区1720 m2, 重度放牧小区720 m2。

2.2 试验设计

本试验采用系牧法、轮牧制, 设计禁牧(围栏封育)､中度放牧和重度放牧3个放牧强度处理。试验前选择牧草生长较一致的人工草地, 休牧50 d, 选取6只重量相同的半细毛羊做定点放牧试验。中度放牧: 系牧绳长6 m, 放牧时间3 d, 轮牧点5个, 轮牧周期15 d, 试验60 d期间, 轮牧频率4次; 重度放牧: 系牧绳长2 m, 轮牧点5个, 轮牧周期15 d, 试验60 d期间, 轮牧频率4次。在2015年10月13日开始进行放牧实验, 放牧60 d后进行取样调查, 每个定点放牧试验小区设置5个1 m×1 m草本样方, 挖开土壤坡面, 分别取0—10 cm, 10—20 cm土层土壤, 测定土壤易氧化碳、微生物碳以及有机碳等。土壤理化性质的测定采用直径为7 cm的土壤环刀采样｡详细实验设计见表1。

表1 不同放牧强度实验方案设计

2.3 测定方法

根据实验设计分层取样, 每层采样点为9个, 将每点的每层样品混匀, 清除样品中的石块及杂物, 轻轻碾碎过2 mm筛, 混匀。将土壤样分成两部分: 一部分自然风干碾压成粉末, 用孔径为0.25 mm分样筛筛去粗大颗粒(主要为小石子), 研磨过筛后将样品充分混合后进行养分与碳含量测定, 全氮: GB7173－87土壤全氮测定法, 土壤有机质: 油浴加热生铬酸钾氧化－容量法, pH值: 称10 g过筛的风干土样于25 mL的三角瓶中, 加入10 mL蒸馏水混匀, 静止30 min, 用pH计(雷磁pHs-3c)测定悬液的PH值, 全磷: 氢氧化钠熔融－抗比色法, 速效磷: 0.5 M NaHCO3浸提－钼锑抗比色法, 碱解氮: 碱解扩散法, 用重铬酸钾氧化－外加热法[13]测定土壤有机碳含量, 土壤易氧化碳采用高锰酸钾氧化－比色法测定。另一部分放于4℃下冷藏保存, 用于水溶性有机碳和微生物量碳测定, 水溶性有机碳采用TOC有机碳分析仪(岛津, 日本)测定, 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法[14]。

2.4 数据分析

实验数据采用SPSS 13.0和Excel 2010进行分析, 样品差异显著性分析采用测验,<0.05被认为是差异显著, 作图采用Excel 2010与PowerPoint 2010。

3 结果与分析

3.1 不同放牧强度对土壤养分的影响

在贵州喀斯特地区, 石漠化程度较深, 许多山区土层厚度在20 cm以内, 我们重点分析了0—10 cm, 10—20 cm土壤养分以及碳氮含量的变化。在禁牧(对照)、中度放牧与重度放牧3种条件下, 0—10 cm土壤有机质含量在放牧条件下比禁牧会提高, 在中牧水平下最高, 重牧次之(<0.05)。放牧条件下, 10—20 cm土壤有机质含量也显著高于对照, 依次为重牧>中牧>禁牧(<0.05, 图1A)。0—10 cm土壤pH值在中牧条件下比对照升高, 而重牧与禁牧之间差异不显著, 10—20 cm土壤pH值在中牧与重牧条件下都显著高于禁牧(<0.05), 但在中牧与重牧之间差异不显著(图1B)。土壤全氮含量在中度放牧下显著高于禁牧对照(<0.05), 而在重度放牧下全氮含量与禁牧差异不显著(>0.05)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧、中度放牧与禁牧之间全氮含量差异不显著, 但均显著低于0—10 cm土壤全氮的含量(图1C)。土壤全磷含量随着放牧强度增加, 土壤有机磷含量呈下降的趋势, 其中中度放牧与重度放牧显著低于禁牧(<0.05), 而在重度放牧下全磷含量与中度放牧含量差异不显著(>0.05)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧、中度放牧土壤全磷含量都显著比禁牧低(<0.05, 图1D), 依次为禁牧>中牧>重牧, 中牧与重牧间差异不显著。0—10 cm土壤碱解氮的含量在中牧与重牧条件显著比禁牧高, 依次为重牧>中牧>禁牧(<0.05, 图1E)。在10—20 cm土壤中, 重牧比禁牧碱解氮含量显著升高, 而中牧与禁牧之间差异不显著(图1E)。在0—10 cm土壤中, 放牧条件下土壤速效磷含量显著下降(<0.05, 图1E), 依次为禁牧>中牧>重牧, 中牧与重牧间差异不显著。在10—20 cm土壤中, 土壤速效磷含量的变化趋势与0—10 cm相同, 但3者之间差异不显著(>0.05, 图1E)。在0—10 cm土壤中, 中牧条件以及重牧条件下, 土壤速效钾含量显著低于禁牧条件(<0.05, 图1G), 依次为禁牧>中牧>重牧, 但中牧与禁牧之间差异不显著(图1G)。在10—20 cm土壤中, 土壤速效钾含量的变化趋势与0—10 cm变化趋势相同(图1G)。

3.2 不同放牧强度对土壤有机碳的影响

土壤有机碳是土壤质量和草地健康的重要指标, 对草地土壤肥力和草地生产力有直接影响, 草地生态系统土壤有机碳含量主要受土壤利用方式和管理策略的影响。从平均土壤有机碳含量水平来看, 放牧强度增加会显著降低土壤有机碳含量, 但是在不同土层深度表现不一致(表1)。在0—10 cm土壤中, 重度放牧土壤有机碳显著低于中度放牧以及禁牧(<0.05), 中度放牧与禁牧的土壤有机碳含量没有显著差异(>0.05, 表2)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧与中度放牧土壤有机碳含量均显著低于禁牧水平(<0.05), 但他们两者之间没有显著差异(>0.05, 表2)。

3.3 不同放牧强度对土壤微生物碳的影响

土壤微生物碳的含量见表3, 与土壤有机碳的变化趋势类似, 从平均值来看, 放牧降低了土壤微生物碳含量, 但中度放牧与禁牧之间差异不显著, 重度放牧显著低于禁牧和中度放牧的土壤微生物碳含量。与有机碳的变化不同, 土壤微生物碳含量的下降主要发生在0—10 cm的重度放牧土壤中, 而在10—20 cm的土壤中, 三种放牧条件没有显著差异(表3)。

图1 不同放牧强度下人工草地土壤养分的变化, 同一土层不同字母表示p值在0.05水平上差异显著.

表2 不同放牧梯度下土壤有机碳含量的变化

同一土层深度不同字母表示在值在0.05水平上差异显著.

表3 不同放牧梯度下土壤微生物碳含量的变化

同一土层深度不同字母表示在值在0.05水平上差异显著.

3.4 不同放牧强度对土壤易氧化碳的影响

土壤易氧化碳的含量反应土壤能释放有效肥力的多少, 在不同放牧条件下土壤易氧化碳的含量见表4, 土壤易氧化碳的变化趋势与有机碳以及微生物碳的趋势基本相同, 其平均含量随着放牧强度的增加而显著下降, 依次为禁牧>中牧>重牧。这种差异主要集中表现在0—10 cm的土层中, 中度放牧比禁牧条件下土壤易氧化碳的含量下降20.60%, 而重度放牧比禁牧条件下土壤易氧化碳含量下降48.77%。在10—20 cm土壤中, 易氧化碳含量虽然有下降趋势, 但在不同放牧条件下差异不显著。重度放牧10—20 cm土壤易氧化碳含量比中度放牧条件下要高, 但差异不显著(表4)。

3.5 土壤有机碳与土壤有机物含量相关性分析

从图2可以看出, 土壤总有机碳与易氧化碳及微生物碳含量两两之间均呈现极显著相关。这一方面说明土壤活性碳很大程度上依赖于总有机碳含量, 另一方面也说明各活性碳之间相互作用密切, 它们虽然表述和测定方法不同, 但各自从不同角度表征了土壤中活性较高部分的碳的含量。

4 讨论

放牧显著影响草地植物营养成分, 进而影响草地生态系统营养循环[15]。而放牧的草食动物通过采食以及排泄对草地土壤养分有重要影响。它们吸收摄入营养物质和矿物质, 经代谢后将约60—99%的营养物质和矿物质又以粪便和尿的形式返回到土壤中[16]。我们研究发现草地有机质与总氮元素等含量在放牧条件下要高于禁牧, 在中度放牧下最高(图1), 说明中度放牧条件下动物排泄对草地补充效应要强于草地生长对营养物质的消耗, 并且在10—20 cm土层有着类似的变化趋势(图1), 说明表层土壤营养富集后能缓慢往深层土壤沉积。草地速效氮含量的变化受草地类型的影响较大, 在贵州人工草地条件下, 0—10 cm土层的速效氮含量与放牧强度呈正相关(图1), 这可能与动物排泄物中多为有机肥能长久稳定释放氮元素, 类似的研究在北美与国内都有报道[16-19]。但也有不一样的研究结论, 姚爱兴等[20]研究发现不同放牧强度下的多年生黑麦草和白三叶草地土壤全氮含量随着放牧强度的增加而增加, 速效氮则随着放牧强度的增加而减少。而速效氮在10—20 cm土层变化不显著, 可能与建植草地以须根系植物为主, 植物对营养元素的吸收主要从表层土壤中获得, 速效氮从表层往深层扩散与植物吸收之间达到一种平衡。因此, 速效氮含量的变化主要由草地植被类型与土层因素决定。

表4 不同放牧梯度下土壤易氧化碳含量的变化

同一土层深度不同字母表示在值在0.05水平上差异显著.

图2 土壤有机碳、微生物碳以及易氧化碳含量的相关性分析

放牧对土壤磷含量的变化更加复杂, 目前普遍认为放牧降低全磷以及速效磷的含量。Bauer等[18]、董全民等[21]、关世英等[22]以及戎郁萍[19]等在不同的草地中都发现土壤全磷以及速效磷含量随着放牧强度的增加呈下降趋势。但也有不同的研究结果, 裴海昆[23]等发现放牧和未放牧的土壤磷含量没有显著性差异。我们发现总磷和速效磷含量随着放牧强度增大而显著下降(图1), 这除了受放牧影响外, 还可能与贵州独特的石灰质土壤环境有关, 土壤中可利用的磷元素十分匮乏, 而且喀斯特地区土壤富含钙离子与铁离子, 游离的磷酸根离子极易与钙、铁离子形成难溶沉淀。

放牧对土壤钾离子含量的影响趋势比较一致, 钾离子含量随着放牧强度增加而降低, 我们的研究结果也证明这一结论(图1)。钾元素在植物中主要分布在代谢旺盛的新生组织, 如芽点、嫩叶以及生长点等, 而这些组织往往优先被动物采食; 同时植物对钾元素吸收具有奢侈性吸收的特点, 因此过度放牧会进一步降低草地钾元素含量。因此, 放牧降低草地土壤钾元素的含量可能与植物与钾元素的特点有关, 而与草地类型没有关系, 因为在荒漠草原[24]、高寒草甸[23]以及东北平原[25]的草地研究中都有类似报道。总之, 在本研究中, 我们发现在适度放牧条件下, 土壤有机质、全氮与全磷含量会升高, 在适度放牧的条件下的0—10 cm土壤中的效果最明显, 在重度放牧条件下以及10—20 cm的土壤中土壤养分的富集效果较差(图1)。而能够被植物直接利用的碱解氮、速效磷以及速效钾含量在不同放牧条件下呈现显著差异。其中, 碱解氮含量随着放牧强度增大而升高, 速效磷与速效钾的含量随着放牧强度增高而降低。这种变化与多数前人结果的变化趋势基本一致, 其中微小差异可能与西南喀斯特独特土壤类型与人工混播草种类型有关。

土壤pH值也随着放牧强度增加而升高。0—10 cm土壤pH值变化在适度放牧条件下显著升高, 并且在放牧条件下的10—20 cm的土壤pH值也显著高于对照(图1)。类似的结果在前人的研究中也有报道, 王玉辉等[26]研究发现羊草草原土壤pH随放牧强度的增加而逐渐增加, 可能是放牧家畜的采食和践踏导致地表盖度降低,土壤水分蒸发加大, 可溶性盐类随毛管水上升积累于地表, 导致土壤pH值增加。

土壤有机碳含量与地上凋落物、植物地上地下物质分配、根系深度和根生物量紧密相关。在我们的结果中, 土壤有机碳含量随着放牧强度增强以及土层深度增加而减小(表1), 前人研究也发现了相同的变化趋势, 并且这种差异主要表现在0—30 cm土壤表层[27]。因为在草地生态系统中, 枯落物和植被根系主要集中在0—40 cm土层[28]。在贵州喀斯特地区土层瘠薄, 适度放牧强度下0—10 cm土层有机碳与禁牧没有显著变化, 而在强度放牧条件下其显著下降, 10—20 cm土层中, 适度和强度放牧条件下土壤有机质含量都显著下降, 这种现象可能是由于0—10 cm土层由于由植物凋谢物补充在适度放牧条件下能够基本维持平衡, 而植物根系能够生长并吸收到10—20 cm土层中养分及有机物等, 相对浅层次土层能够快速得到补充, 深层次土壤有机物的平衡可能需要更长的时间, 短期受放牧的影响更大。对一个多年监测的放牧与禁牧草地对比发现围封草地深层次土壤有机碳的含量增高[29]。

在荒漠草原上, 土壤微生物碳受放牧影响较大, 禁牧能显著增高土壤微生物碳[29], 这可能与北方土壤与气候条件有关。在贵州喀斯特人工草地, 适度放牧对土壤微生物碳的影响不大, 而重度放牧显著降低草地微生物碳含量, 在西南温暖潮湿的气候环境中, 微生物碳受放牧的影响程度可能较北方小。易氧化碳是土壤中不稳定、易被微生物酶氧化的有机碳, 其含量也受土层深度以及放牧强度的影响, 并且年度间变化差异也极其显著[30], 通常能够更加灵敏的反应土壤肥力和理化性质的变化[31]。在我们研究中发现, 易氧化碳受放牧强度的影响比微生物碳更加敏感。并且土壤有机碳、微生物碳以及易氧化碳的含量两两显著相关(图2), 在西南喀斯特地区以易氧化碳结合微生物碳作为土壤质量变化的重要早期评判指标可能比只用微生物碳的效果更好。

5 结论

西南喀斯特山区人工草地土壤有机质与氮元素在适度放牧条件下增高, 重度放牧也约高于禁牧。土壤磷元素与钾元素的含量以及土壤有机碳、微生物碳与易氧化碳的含量随着放牧强度增加而减少, 因此, 建议在贵州喀斯特地区建植人工草地与维护人工草地可适当补充磷肥与钾肥。土壤易氧化碳含量变化对放牧强度相应更迅速, 可以和微生物碳含量一起作为土壤肥力与土壤质量变化的早期评判标准。

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Effect of different grazing intensities on soil nutrient and active organic carbon in Guizhou artificial grassland

SHU Jianhong, CAI Yiming, DING Leilei, WANG Puchang, LI Xiaodong*

Institute of Prataculture, Guizhou Academy of Agriculture Science, Guiyang 550006, China

It aimed to study the changes of soil nutrients and organic carbon content under different grazing intensity in the artificial grassland of Guizhou, which could be useful for building and evaluating the artificial grassland in the southwest karst area. The experiment was carried out in the Guizhou Institute of Prataculture Experimental and Exemplary Bases, Dushan County, Guizhou province, China. 5 acres of artificial grassland was built on October 11, 2012, planted with lolium perenne, tall fescue, orchardgrass, white clover and alfalfa with a proportion of 3.5: 2: 2: 1: 1.5. We set three different levels of no grazing, moderate grazing and severe grazing. The herding experiment was started on October 13, 2015, and last for 61 days. After grazing, soil nutrients and active organic carbon content were determined. Grazing significantly affected organic matter, pH value and the content of nitrogen, phosphorus, potassium concentration. The highest soil organic matter content and pH value were detected in 0 to 10 cm soil layer after moderate grazing. Soil total nitrogen and alkaline hydrolysis nitrogen concentration increased by the enhancement of the grazing intensity; while phosphorus and potassium concentration decreased with the enhancement of grazing intensity. Soil organic carbon, microbial carbon and easy oxidative carbon concentration were reduced by the increase of grazing intensity; moreover, they each were significantly correlated. Phosphate fertilizer and potash fertilizer should be appropriately added in the artificial grassland in the karst region of Guizhou province. Microbial carbon and easy oxidative carbon concentration can be used as an early indicator of soil quality monitoring parameters in the grassland in Guizhou province.

karst area; artificial grassland; nutrient elements; organic carbon; microbial carbon; easy oxidative carbon

S8-05

A

1008-8873(2018)01-042-07

2016-06-27;

2018-02-06

贵州省基金项目（黔科合[2013]2153号）；贵州省农科院专项（黔农科院专项 [2013]003号）；贵州省农科院专项（黔农科院专项[2014]004 号）;贵州省农科院专项（黔农科院专项[2016]032号）.

舒健虹（1972—），女，壮族，贵州独山人，高级农艺师，主要从事牧草资源研究与草地管理。E-mail:gzsjhong@126.com

李小冬（1984—），男，汉族，湖南邵阳人，副研究员，博士，主要从事牧草育种与草地生态研究。E-mail:lixiaodongzl@163.com

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.006

舒健虹, 蔡一鸣, 丁磊磊, 等. 不同放牧强度对贵州人工草地土壤养分及活性有机碳的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(1): 42-48.

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