放牧对人工草地群落特征及土壤养分的影响

2019-02-20马香云王俊杰

草原与草业 2019年4期

马香云，王俊杰

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古呼和浩特 010019)

科尔沁草原分布北方独特的沙地疏林草原，原生草地植被以中旱生植物为主，植物群落物种组成丰富，结构稳定，层片发育明显，盖度和生物量较高〔1〕。然而近百年来，由于原生植被受到了严重破坏，沙漠化日益严重，昔日林丰草茂的疏林草原景观已变成佗甸交错、流沙遍野的沙地景观〔2〕。与原生植被相比较，沙地植被中的乔木层已基本消失，草本层退化，灌木层发育强烈，植物种类组成减少，结构趋于简单，植被层发育不良，群落的覆盖度只有10%～40%，产草量300～3000kg·hm-2，而且可食牧草比重很小〔3〕。

科尔沁草原是内蒙古自治区畜牧业基地之一，由于长期的开耕种田以及过度放牧使植被和土壤被严重破坏，草地退化日益加剧和蔓延。草原退化沙化严重影响着畜牧业发展，草场生产力降低，载畜量下降，草质量变劣，导致家畜质量也下降。本研究以科尔沁草地退化形成的沙地为试验区，通过豆禾混播人工草地以补充土壤种子库优良牧草种子的缺乏，增加植被密度和盖度，达到快速恢复植被的目的，提高草地质量，培育出群落组成和结构相对稳定、生态系统能自我维持以及适于放牧的人工草地，并且探索放牧对人工草地土壤养分的影响。以短期快速恢复植被为主，合理放牧利用，为大力发展低成本、高效益的放牧人工草地提供有效的参考。

1 材料与方法

1.1试验地概况

试验地设在内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁旗绍根镇，大部分地势平坦，边缘有固定沙丘或半流动沙丘和沙坑。植被稀疏，地表裸露，偶见小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)等灌木，冷蒿(Artemisiafrigida)、虎尾草(Chlorisvirgate)、蒺藜(Tribulusterrestris)等多年生或一年生植物生长，土壤以风沙土为主。由于风蚀形成的沙坑和沙丘不利于人工草地的建植，对沙坑进行了人工填埋。

1.2试验设计与方法

试验以绍根镇退化草地形成的沙地作为混播人工放牧草地试验区，2017年建植放牧人工草地，样地面积约20hm2，其中放牧区为19.93hm2，其余为对照区。采用羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、无芒雀麦(BromusinermisLeyss)、披碱草(ElymusdahuricusTurcz.)、苜蓿(MedicagovariaMartin.cv.Caoyuan No.3)和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)按一定比例均匀混播(表1)。人工填埋处由于是新土，肥力不足，对豆禾比例做了调整，增加了豆科沙打旺的播种比例，播深1～2cm，设有喷灌设备。每年6月开始放牧，冬季11月至次年5月休牧，放牧期间在放牧区放1～2岁育成牛共300头，为了草地能够持续放牧利用每天放牧3～4h后归牧。通过方差分析人工恢复和放牧对草地群落高度、盖度、密度、现存量、凋落物和群落多样性的影响，以及放牧对人工草地土壤理化性质和养分的影响。

于2019年7月在每个试验处理区内沿对角线隔20m设置1个1m×1m的样方，共5个样方，分种对植被数量特征(盖度、密度、高度)进行测定，齐地面刈割，取其地上生物量并收集凋落物称重鲜重，阴干称干重。

土壤样品随样方一同取，用土钻(内径为5.0cm)分层次取样，共分3层，分别为0～10cm、10～20cm和20～30cm土层深度，每个处理区3次重复，按“S”形均匀取9个点均匀混合后，用四分法合成一个样，编号封袋带回实验室。在自然风干条件下，去除植物根系和石块等杂质，分别过2mm、0.15mm土壤筛，然后进行理化性质、养分的测定。养分测定指标方法分别如下：土壤速效磷：碳酸氢钠浸提-钼锑抗显色-分光光度法；土壤全磷：氢氧化钠熔融-钼锑抗显色-分光光度法；土壤速效钾：醋酸铵浸提-火焰光度吸收法；土壤全钾：氢氧化钠熔融-火焰光度计测定；土壤全氮：凯氏定氮法；土壤有机碳：重铬酸钾外源热氧化法测定。

表1 科尔沁退化草地植被恢复混播方式及比例

1.3数据统计

地上植物α多样性采用下列方法计算：

Monk丰富度指数

Simpson多样性指数：

H1=-∑(Pi)lnPi

Shannon-Wlener多样性指数：

H2=∑[Ni(Ni-1)/N(N-1)]

Pielou均匀度指数：

E1=H1/lnS

式中S为每个样方中的物种数，N为样方中所有物种的总个体数，Ni为样方中的物种i个体数，Pi为样方中第i种个体数占全部物种个体数N的比例。

数据的录入及初步整理在Excel 2010下完成，采用SAS中的单因素方差分析法，分析比较不同处理之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1放牧人工草地群落特征研究

2.1.1 放牧对人工草地群落高度、密度、盖度的影响

放牧对人工草地的影响通过方差分析可知，MG、CK和PV群落平均高度有显著性差异(p<0.05)，CK显著高于MG和PV，说明放牧对植被群落高度有一定影响，另一方面说明补播增加了群落植被平均高度；CK群落密度显著高于MG和PV，说明适度放牧对人工草地密度有减小的作用；CK群落盖度显著高于PV，而和MG无显著性差异，表明人工补播草地在群落覆盖水平上要显著优于自然恢复，而放牧对人工草地盖度效果不明显；每样方种数各处理间无显著性差异，显示出群落在分布水平上是无差异的(表2)。整体来说，混播牧草可以加速植被的介入，对改良沙地有很好的作用，而放牧对植被群落高度和密度有显著影响。

2.1.2 放牧对人工草地现存量和凋落物的影响

放牧对混播人工草地现存量和凋落物通过方差分析可知，CK现存量显著高于PV，表明混播人工草地相较于原始植被地上生物量显著增加；MG和CK无显著性差异，但CK现存量仍高于MG；PV和MG现存量无显著性差异，但MG现存量也高于PV，表明放牧能够一定程度降低人工草地现存量，但较原始植被仍增加了地上现存量；各处理凋落物无显著性差异(p<0.05)(表3)，由于家畜随意的游走和践踏，凋落物无明显差异。

表2 放牧对人工草地群落特征的影响

注：p<0.05，同列具有字母相同小写字母则差异不显著。(下同)

表3 放牧对人工草地生现存量和凋落物的影响

2.1.3 放牧对混播人工草地群落多样性的影响

Simpson多样性指数，Shannon-Wlener多样性指数，均能较好反映样地植物多样性，明显看出MG的Monk丰富度指数、Simpson多样性指数、Shannon-Wlener多样性指数和Pielou均匀度指数均高于CK，表明放牧能够促进人工草地物种丰富度的增加，呈种间竞争多元化趋势；PV的Monk丰富度指数高于CK，多样性指数和均匀度指数无较大差异(表4)，植物群落α多样性分析表明补播人工草地对促进群落多样性影响较小。综上所述，适度放牧能够增加群落的生物多样性而且均一度较好是较为合理的人工草地利用方式。

表4 放牧对人工草地群落多样性的影响

2.2放牧对人工草地土壤的影响

2.2.1 放牧对人工草地土壤理化性质的影响

放牧对人工草地土壤理化性质的影响如下，放牧对各土层有机质含量均无显著性差异，但从数值上看，适度放牧条件下各土层有机质含量均高于CK，说明适度放牧有利于土壤有机质积累，且随土层深度增加有逐渐降低的趋势。在0～10cm和20～30cm土层，MG土壤含水量均显著低于CK(p<0.05)，10～20cm土层无显著差异，但数值上放牧条件下要高于CK，整体来看，放牧能够使表层土壤含水量降低，深层土含水量增加。0～10cm和10～20cm土层，MG土壤pH显著低于CK，说明一定放牧条件下使土壤pH有降低的趋势，且随土层深度增加，pH有逐渐增大的趋势；放牧对20～30cm土层的pH无显著性差异。0～10cm和10～20cm土层MG土壤容重没有显著性差异，20～30cm土层MG容重显著高于CK，从数值上看，各土层放牧条件下土壤容重均高于不放牧区。(表5)

表5 放牧对各土层土壤理化性质的影响

注：p<0.05水平下，同一土层不同处理平均值后标有相同小写字母，表示差异不显著。下同

2.2.2 放牧对人工草地土壤速效钾和速效磷含量的影响

作物的生理代谢、抗逆性，尤其是品质的改善与钾的关系非常密切。MG处理下不同土层速效钾含量变化表现为0～10cm土层显著高于10～20cm、20～30cm土层的速效钾含量(p<0.05)，且含量随着土层深度的增加而逐渐降低的趋势(图9)。CK处理下0～10cm速效钾含量显著高于20～30cm(p<0.05)，10～20cm土层速效磷含量与0～10cm和20～30cm均无显著性差异(表6)。综上所述，在放牧和不牧条件下土壤中速效钾含量随土层深度增加均有逐渐降低的趋势。

0～10cm土层下，MG的土壤速效钾含量显著高于CK(p<0.05)，高达209.52mg/kg，属于富钾土壤范围；10～20cm和20～30cm土层下，MG的土壤速效钾含量与CK无显著性差异，说明放牧对人工草地土壤浅层速效钾含量有明显的影响，对较深土层速效钾含量影响不明显，且随土层深度增加，速效钾含量呈逐渐降低的趋势。整体来看，土壤速效钾含量均处于较高范围(表6)。

表6 放牧对人工草地土壤速效钾含量的影响(mg·kg-1)

注：p<0.05水平下，同一处理不同土层平均值后标有相同大写字母，表示差异不显著。(下同)

不同土层速效磷含量通过方差分析可知，MG处理区各土层速效磷含量均无显著性差异(p>0.05)，从数值上看，10～20cm土层较其他土层速效磷含量高，土层间无明显变化规律；CK处理区各土层速效磷含量亦无显著性差异(p>0.05)，从数值上看，0～10cm土层较其他土层速效磷含量高，土层间无明显变化规律(表7)。整体来说，人工草地土壤速效磷含量土层间变化无明显规律。

放牧对人工草地土壤速效磷含量的影响通过方差分析可知，在各土层下MG和CK的土壤速效磷含量均无显著性差异。从数值上看，在0～10cm土层下，MG的土壤速效钾含量和CK几乎一致，10～30cm土层下MG速效钾含量均高于CK(表7)，表明，放牧对人工草地较深土层土壤速效磷含量有一定影响。整体来说，放牧对人工草地土壤速效磷含量影响不明显。

表7 放牧对人工草地土壤速效磷含量的影响(mg·kg-1)

2.2.3 放牧对人工草地土壤全磷含量的影响

土壤磷营养是影响我国农业高产的主要限制因素，其有效性对植物光合作用、呼吸作用及生物合成过程有极大的影响。不同土层土壤速效磷含量通过方差分析可知，在MG和CK条件下，各土层间均无显著性差异。从数值上看，MG条件下，随土层深度增加全磷含量有逐渐降低的趋势，而在CK处理中10～20cm土层土壤全磷含量最高，20～30cm次之，0～10cm土层最低(表8)。

放牧对人工草地土壤全磷含量影响通过方差分析可知，在0～10cm和20～30cm土层下，MG土壤全磷含量和CK无显著性差异，从数值上看，MG的表层土壤全磷含量较CK高(表8)，说明一定放牧条件可增加表层土壤中供给植物生长发育的磷速；而10～20cm土层，MG全磷含量显著低于CK(p<0.05)。整体来说，全磷含量在各土层间受放牧影响变化不大。

表8 放牧对人工草地土壤全磷含量的影响(g·kg-1)

2.2.4 放牧对人工草地土壤全钾含量的影响

土壤全钾含量指的是土壤中全部钾元素之和，全钾在相当长时间是无效的，因此，全钾值不能指导施肥。不同土层土壤全钾含量通过方差分析可知，不同土层之间土壤全钾含量均没有显著性差异(p>0.05)，在MG条件下，随着土层深度土壤全钾含量有逐渐降低的趋势，而在CK条件下土壤全钾无明显变化规律(表9)。

放牧对土壤全钾含量的影响通过方差分析可知，在各土层下放牧对土壤全钾含量影响均不显著(p<0.05)。在0～10cm和20～30cm土层下，放牧条件下全钾含量均低于对照，而10～20cm土层MG土壤全钾含量却高于CK(表9)。整体来看，放牧对人工草地土壤全钾含量没有明显的影响。

表9 放牧对人工草地土壤全钾含量的影响(g·kg-1)

2.2.5 放牧对人工草地土壤全氮含量的影响

土壤氮素的含量主要由土壤生物量的积累和有机质分解的速率所决定，与其土壤环境密切相关。

各土层土壤氮含量通过方差分析可知，在MG条件下，各土层土壤氮含量均无显著性差异(p>0.05)，从数值上看，10-20cm土层氮含量高于其他土层；在CK条件下，10-20cm土层氮含量显著高于20-30cm土层(表10)。总体来说，10-20cm土层氮含量均较高。

土壤全氮含量通过方差分析可知，在0～10cm、10～20cm和20～30cm土层下，MG和CK土壤氮含量均无显著性差异(p>0.05)。从数值上看，各土层条件下，放牧区土壤氮含量均较CK高，说明放牧条件能够一定程度增加科尔沁沙质草甸退化沙地下的人工草地土壤氮含量，且较深土层增量较高。随土层深度增加，氮含量增幅呈逐渐增加的趋势。(表10)

表10 放牧对人工草地土壤全氮含量的影响(g·kg-1)

3 讨论与结论

3.1放牧对人工草地群落特征的影响

人工草地建植2年后，试验区与原始植被相比，在群落高度、植被盖度和草群密度都有不同程度的增加。这与杨增增〔4〕等人研究黑土滩退化草地通过混播植被恢复结果一致。放牧明显降低了人工草地对植被高度、盖度和现存量，但这也进一步说明建植人工草地对草地质量有所提高，有利于植被恢复，更有利于低成本高收益的畜牧业的发展。有一些研究证实放牧优化假说原理，即适度放牧提高草地生物量〔5〕。

试验结果表明MG相较于CK一定程度增加了群落丰富度、生物多样性和均匀度，是较为合理的放牧人工草地。这与孙世贤〔6〕等人对荒漠草原植被特征的研究结果一致，表明放牧能够增加群落生物多样性。原因可能是家畜的踩踏、采食抑制了适口性较好的植物的生长，为处于弱势的物种提供了定居和生长的空间〔7〕。植物生态学理论认为，多样性增高意味着草地稳定性也趋于增强，即由多样性较低的人工或半人工草地向多样性较高的原生植被演替的过程〔8〕。也有学者研究得出不同的结论，补播后草地植物多样性指数减小〔9-12〕，可能原因是补播牧草竞争大于原生植被，原生植被和一年生植物逐渐退出群落，导致群落多样性降低。由于管理疏忽，个别家畜进入不放牧区采食了部分沙打旺和苜蓿等适口性较好的牧草，导致高度盖度等指标均偏低。补播措施对改善退化草地群落特征具有持久性，将对退化草地生态系统的修复产生深远影响。

3.2放牧对人工草地土壤养分的影响

放牧对土壤养分的影响过程较为复杂，与放牧强度、频度、方式以及草地本身的土壤特性等有关。试验结果显示放牧使人工草地表层土壤含水量显著降低，而较深土层含水量有增加的趋势。这与牛钰杰〔13〕等研究结果具有一致性。放牧家畜对于草地牧草的采食会导致植被的盖度降低。植物具有涵养水源的功能，植被数量的减少会导致地表水分的蒸发量加大，进而导致土壤含水量降低。放牧使人工草地0～20cm土壤pH显著降低，而20～30cm土层影响不显著，这与益西措姆〔14〕等在西藏高寒草甸土壤研究放牧干扰的结果一致，结果显示在0～10cm、10～20cm土壤层内，土壤pH显著减小，在20～30cm土层内，土壤pH变化不明显。也有学者得出不同的结果，Liebig〔15〕等认为放牧对土壤pH没有影响。研究结果表明放牧对人工草地20～30cm土层土壤容重显著增加，而对较浅土层无较大影响，这与寇欣〔16〕等在锡林河中游放牧的和被围封的湿草甸土壤理化性质研究中结果不一致。由于试验区在科尔沁沙地，表层土质疏松，家畜踩踏不易板结，导致放牧对表层土壤容重没有显著影响。放牧使得表层土壤速效钾含量显著增加，这与史印涛〔17〕等人研究结果一致，主要是因为放牧家畜排泄的粪尿中含有大量的钾，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；而放牧对人工草地土壤速效磷、全磷、全钾含量没有显著影响，这一结论也经相关学者论证所得到〔18,19〕。随着土层深度的增加，土壤速效钾和全磷含量逐渐降低的趋势。总体来看，放牧对人工草地土壤有机碳、氮含量在一定程度增加，随土层深度变化没有明显规律。有学者也得出这一结果〔20〕。一方面由于家畜的采食践踏造成枯落物分解，充分进入土壤，从而提高土壤有机质和氮含量，另一方面土壤氮含量的增加主要受家畜排泄物(氮主要以尿的形式排出)的影响。