放牧强度对内蒙古荒漠草原土壤有机碳及其空间异质性的影响

张子胥,于倚龙,李永强,*,焦树英,董 智,韩国栋,徐子云

1 山东农业大学，资源与环境学院，土肥资源高效利用国家工程实验室，泰安 271018 2 山东农业大学，林学院，泰山森林生态站，泰安 271018 3 内蒙古农业大学草原与资源环境学院, 呼和浩特 010018

草原生态系统是陆地生态系统重要组成部分,其碳储量约占陆地生态系统总碳量的34%[1]。土壤有机碳也是评估土壤肥力和土壤退化的重要指标,影响着土壤的理化性质和生物特性[2]。Dlamini等在2016年总结全球范围内55项研究中的628个土壤样品的分析结果后发现：在气候干燥地区(降水量小于600 mm),退化草地土壤有机碳含量较退化前减少了16%,在气候潮湿地区(降水量大于1000 mm)这一比例仅为8%,干旱地区土壤退化伴随的有机碳流失问题更加严重[3]。因此,关于干旱区草地土壤有机碳流失问题的研究具有重要意义。

放牧是荒漠草原的主要利用方式之一,放牧强度过大被认为是引起草原区土壤退化的主要原因,放牧和土壤侵蚀导致的土壤碳流失问题受到广泛关注[4],关于放牧强度对土壤有机碳影响的研究逐渐增加。目前,这类研究主要集中在土壤碳组分、土壤有机碳与土壤微生物数量和酶活性之间的互作关系等方面[5-7],对土壤有机碳空间异质性影响的研究相对较少。土壤空间异质性是土壤的重要属性之一[8],在干旱或半干旱生态系统中有机碳的空间异质性通常表现为土壤有机碳含量的斑块化分布；地统计学方法是研究土壤养分空间格局最常用的方法之一,通过地统计学中的半方差分析可以检验随取样间距增大测量值的变化情况,同时反映斑块平均大小和破碎程度等信息,解释土壤养分的空间分布特征[9-11]。

本研究采用高密度取样结合半方差分析研究土壤有机碳在不同放牧强度影响下的空间分布特征,并结合地形因素和其它土壤养分指标探究放牧与有机碳空间异质性的关系,以期为退化荒漠草原恢复、草地放牧生态系统可持续性管理提供数据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古自治区乌兰察布市内蒙古农牧业科学院四子王旗基地(111°54′E、41°47′N,1456 m)。该地区属典型中温带大陆性季风气候,冬季漫长寒冷,夏季短促干燥,降水稀少而集中,多年平均降水量280 mm,昼夜温差大,多年平均气温3.4℃,7月份平均气温最高,无霜期90—120 d。试验区属短花针茅荒漠草原,植物群落由近30种植物种组成,建群种为短花针茅(Stipabreviflora),优势种为冷蒿(Artemisiafrigida)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)、冰草(Agropyroncristatum)、银灰旋花(Convolvulusammannii)。荒漠草原植被高度、盖度和地上生物量季节变化明显,植物群落特征采用生物量最高的8月份数据(表1)。试验区土壤类型为淡栗钙土,土层厚度较浅,钙积层位于地表下40 cm左右,土体坚硬,渗透能力较差。

表1 8月份试验区植被特征

1.2 试验设计

试验区属长期定位试验基地,2002年7月份开始进行围栏放牧,进行前期定量放牧观测。于2004年采用随机区组试验方法将试验小区分成3个区组,每个区组包含轻度放牧(Lightly grazed,LG)、中度放牧(Moderately grazed,MG)、重度放牧(Heavily grazed,HG)和对照样地(CK)4个处理。每个处理3个重复,共12个小区。基于当地的气候类型和牧民对草地的利用强度,设定4个放牧强度为0(CK)、0.93(LG)、1.82(MG)和2.71(HG)羊单位 hm-2(a/2)-1。每个小区面积约为4.4 hm2,区组内随机排列。每年于6月初到11月底放牧6个月,每天7:00将家畜赶入放牧区让其自由采食,19:00将其赶回畜圈。

1.3 样品的采集和分析

2016年9月选取纵向长度基本一致的小区CK1、LG1、MG1和HG1进行土壤取样。鉴于长条状的小区设置,本研究采用线性取样。由南向北在每个小区中线处设置长度为497.5 m的样线,为减少羊群进出小区对土壤理化性质的影响,每个小区样线起始点设置在距离小区入口50 m处。样点依样线布设,样点间隔2.5 m。在每个样点进行GPS定位,并记录经纬度、海拔等地形因子,样点所在样线的海拔变化如图1所示。用长20 cm、内径7 cm的土壤取样器按0—10、10—20、20—30 cm分层采集土壤样品,样品数量共2400个,另外每50 m用环刀在取样点附近取一份土壤样品用于容重测定。

图1 不同放牧强度下样线海拔变化

土壤样品经室内风干后除去凋落物和根系等杂物,先过2 mm筛,取一半2 mm土壤样品研磨过80目筛后分别装袋密封保存。于2017年3月开始进行土壤样品测定,全氮和全磷含量采用全自动化学分析仪Smartchem-200进行测定；土壤有机碳含量用重铬酸钾-浓硫酸油浴外加热法测定；环刀内土壤样品经烘箱65℃烘至恒重后进行称重,计算土壤容重。

1.4 数据处理

(1)土壤有机碳密度计算：

SOCstock,i= SOCi×Di×Hi×(1-Gi)×1000

式中,SOCstock,i为i层的土壤有机碳密度(g/m2)；SOCi为i层的土壤有机碳含量(g/kg)；Di为i层土壤容重(g/cm3)；Hi为i层的土层厚度(cm)；Gi为i层的砾石含量；因供试土壤为沙质淡栗钙土,砾石含量极低,远小于10%[12],因此计算时忽略Gi。

(2)土壤有机碳含量半方差分析：首先用Excel 2016软件和SPSS 19.0软件进行统计分析,再进行K-S检验验证土壤有机碳含量是否符合正态分布。变异系数(CV)反映区域化变量的离散程度,划分为3个变异等级：CV<10%,弱变异；10%100%,强变异[13]。用阈值法(均值加减3倍标准差)检验特异值,若存在特异值,均值加3倍标准差作为最大值,均值减3倍标准差作为最小值。

正态分布检验后,对不符合正态分布的数据集进行对数转换,然后运用GS+7.0计算半方差函数对土壤有机碳空间变异特征进行描述,通过半方差函数得到散点图,对散点图采用球状模型、高斯模型、指数模型和线性模型等方法进行拟合,选取拟合度最佳的模型。由模型可以导出4个重要参数分别是变程(a)：指示异质性斑块的平均大小；块金值(C0)：样本之间的随机方差和最小采样尺度内的变化；基台值(C0+C)：包括实验误差和空间结构异质性引起的方差,指示样地范围内最大的空间异质性程度；结构比：空间结构变异占总变异的比例,可以反映空间结构异质性的大小[14],用C/(C0+C)表示。当结构比C/(C0+C)<25%时,则说明系统具有较弱的空间相关性；如果该比值在25%—75%,则说明系统具有中等程度的空间相关性；如果C/(C0+C)>75%,则说明系统具有强烈的空间相关性[10]。

半方差函数的计算公式:

式中,γ(h)为半方差函数；h为两个样本的间隔距离；N(h)是间距为h的观测样点的数量；Z(xi)和Z(xi+h)为变量Z在空间位置xi和xi+h处的实测值,在一定范围内,γ(h)随着h的增大而增大,当达到最大相关距离时,趋于平稳[15]。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度对土壤氮、磷含量的影响

土壤全氮全磷含量是指示土壤养分状况的关键指标。中度放牧和重度放牧会降低土壤全氮含量,但重度放牧较中度放牧的土壤全氮含量会出现上升,且在10—20 cm和20—30 cm土层达到显著水平(P<0.05)。全磷含量在不同放牧强度下呈现出先下降后升高的现象,但全磷含量随土层变化并未出现显著差异(图2)。

图2 不同放牧强度下土壤全氮含量和全磷含量变化

2.2 不同放牧强度对有机碳的影响

放牧导致土壤有机碳含量在0—20 cm土层显著降低(P<0.05),LG、MG和HG依次降低了9.19%、9.79%、8.31%,三个放牧处理之间不存在显著差异(图3)。从数据分布情况来看,土壤有机碳含量的数据样本K-S检验结果大于5%显著水平,数据呈正态分布。从变异系数来看,不同放牧小区各土层有机碳含量均表现为中等程度的变异(10%

图3 不同放牧强度下土壤有机碳含量和密度变化

在0—10 cm土层土壤碳氮比在LG和MG较CK没有出现显著变化(图4)。在HG出现了显著降低(P<0.05),较对照处理降低了约10.14%。在10—30 cm土层各放牧强度碳氮比均未出现显著变化。在各放牧强度下碳氮比的垂直变化均是随土层深度加深逐渐减小。

图4 不同放牧强度下土壤碳氮比

2.3 土壤有机碳含量半方差模型

利用地统计软件GS+7.0对全部采样点的土壤有机碳含量数据进行半方差分析(在半方差分析中有机碳含量数据采用三层土壤的平均值)。由表2和图5可以看出,研究区不同放牧强度下土壤有机碳含量最优拟合模型不同,其中对照和轻度放牧为球状模型,中度放牧和重度放牧为指数模型。

图5 不同放牧强度下土壤有机碳含量半方差函数

由表2可知,块金值随着放牧强度的增加先降低后升高,CK与HG明显高于其它处理,说明引起变异的不确定成分即随机性因素作用较大。同时CK的基台值明显高于其它处理,说明禁牧情况下总的变异程度明显大于放牧。变程随放牧强度增加先降低后升高,但HG的变程仍远低于LG。各处理之间结构比的变化范围是66.00%—77.70%,表明土壤有机碳呈现中度到高度的空间相关性。同时放牧处理的结构比均高于CK,并且MG的[C/(C0+C)]值达到77.70%,具有强烈的空间相关性。

表2 不同放牧强度下土壤有机碳含量半方差函数模型参数

2.4 土壤有机碳含量与土壤氮、磷含量和海拔的相关性

选取海拔、全氮和全磷作为因子与有机碳进行线性拟合,研究不同放牧强度下海拔、全氮和全磷同有机碳互作关系。为了排除土壤层级之间的变化影响相关性结果,使用受放牧扰动最剧烈的表层0—10 cm土层的数据进行线性拟合。由图6可知,有机碳含量与全氮含量在4个放牧强度下均呈极显著正相关(P<0.01),相关性由大到小为对照样地>中度放牧>重度放牧>轻度放牧。有机碳含量与全磷含量在4个处理均呈现极显著正相关(P<0.01),相关性随放牧强度增强逐渐增强。CK、LG和MG的有机碳含量与海拔呈极显著负相关(P<0.01),而HG有机碳含量同海拔的相关性不显著。

图6 不同放牧强度下土壤有机碳含量与海拔、全氮含量和全磷含量线性拟合

3 讨论

有研究表明放牧会使土壤微生物活性增强,加速氮素循环,导致土壤全氮含量降低[16],在本试验区进行的氮矿化试验也得出类似结论[17]。当放牧强度由中度增加到重度时,土壤全氮含量较中度放牧出现小幅上升,导致重度放牧区表层土壤碳氮比显著下降,这可能是由家畜的采食和排泄行为会加速植物中的氮素进入土壤导致的[18]。土壤中全磷的主要来源为枯落物分解[19],放牧活动造成的生物量降低(表1)直接导致枯落物减少,磷的输入量也随之减少,从而引起土壤全磷含量较对照样地降低。土壤全氮、全磷含量的垂直变化在四个处理区的趋势基本一致,表明放牧强度变化对全氮、全磷的垂直分布影响较小。由于土壤环境和结构的复杂性,以及土壤有机碳动态过程的复杂性,使得放牧对土壤有机碳含量变化的研究结果不尽一致[20]。在本研究中,放牧降低了土壤有机碳含量,出现此现象的主要原因是长期放牧降低植被覆盖率,减少了凋落物和地下根系生物量。凋落物和地下根系是土壤碳的主要输入源[21],导致放牧区土壤有机碳含量显著降低。本试验中三个放牧处理间土壤有机碳含量没有显著差异,表明该地区土壤有机碳含量对放牧强度变化的响应并不灵敏,这可能是由于本试验样地所处荒漠草原,生态环境脆弱且生态系统承载力低[22],轻度放牧就已经破坏土壤有机碳释固平衡；也有其它学者研究表明草原有机碳含量随放牧强度增大持续降低[23-24],原因可能是不同草地类型对放牧强度响应存在着差异。有研究认为草地生态系统具有一定的滞后性和弹性[25],荒漠草原生态系统弹性较低,易受人为干扰影响。本研究中三个放牧处理均出现了显著的碳损失,损失幅度约5%左右。但继续增加放牧强度对荒漠草原土壤有机碳输入/输出平衡关系的影响需要进一步研究。不同土壤养分指标对于放牧强度变化的响应有所不同,在本试验设置的最低放牧强度下土壤有机碳和全磷含量已出现显著降低(P<0.05),这也一定程度反映了荒漠草原的脆弱性。因此,降低放牧强度的同时进行短期禁牧和季节性休牧等放牧管理措施可能是促进荒漠草原生态系统土壤养分积累更有效措施[26]。

不同放牧强度会导致荒漠草原植被和表层土壤理化性质的不同程度变化,同时也影响有机碳的空间结构分布[10]。本研究表明随放牧强度的增加,块金值和基台值均呈现不同程度的上升,反映出随机性因素和总变异程度逐渐增加,这可能与放牧强度增加导致采食强度、践踏强度和家畜粪便分布等随机因素增加有关。而对照样地土壤有机碳的结构异质性占比最低,可能与对照样地内灌木优势度增加有关。样地内冷蒿、木地肤等灌木的盖度显著高于其它3个放牧区,灌丛促使草原“沃岛”现象的发育,可能会促使有机碳空间变异中的随机性因素增强[27],从而降低结构性因素占总变异的比例。中度放牧区土壤有机碳含量具有强烈的空间相关性且变程最小,反映出中度放牧的空间异质性大且有机碳异质性斑块的破碎化严重,可能是家畜选择性采食适口性较好的冷蒿、木地肤直接导致试验区生物多样性降低[28],有机碳空间变异中的随机性因素所占比例也随之降低。重度放牧区因采食强度高而导致其植被盖度和高度降低,高践踏强度下草原地面裸露导致地表风蚀增强[29],随机性因素对土壤有机碳含量的影响逐渐增强,空间相关性逐渐降低。对照区与重度放牧区有较高的块金值,说明它们可能存在更小尺度的空间格局,需进一步研究[30]。三个放牧处理的有机碳空间分布均呈现出中等到强的空间自相关性。土壤有机碳含量的空间变异程度受地形、水文和成土母质等结构性因素影响[31]。在轻度放牧和中度放牧土壤有机碳含量与海拔呈极显著负相关(P<0.01),而重度放牧的结构比较小且有机碳含量与海拔没有显著相关性。重度放牧下羊群采食、践踏、排泄等行为(随机性因素)致使地面出现了大面积裸露和土壤板结,地表径流向草地破碎斑块聚集,可能导致空间异质性程度增强[32],稀释了结构性因素对有机碳总空间变异的影响。

放牧对土壤养分空间异质性的影响主要是通过影响养分的移动和再分配来实现的[33],并且土壤有机碳矿化对土壤氮、磷的增加存在响应机制[34]。本试验中土壤全氮含量与土壤有机碳含量在四个处理中均呈极显著正相关,这与相关研究中碳氮具有耦合效应的结论一致[35-37]。放牧导致的土壤氮含量变化通过这种耦合效应也间接影响土壤有机碳含量,以及作为随机性因素影响有机碳含量的空间分布。土壤全磷含量与土壤有机碳含量在LG、MG和HG呈极显著正相关,且相关性随放牧强度的增加而增强。有研究表明土壤有机碳、全磷的含量变化均与凋落物分解有关[38],放牧会使植物生物量中27%—60%的干物质返还到土壤中[33],而返还物的有机质含量和品质差异可能是土壤关键元素相关性随放牧强度变化的主要原因。

4 结论

(1)放牧导致0—20 cm土层的土壤有机碳含量显著降低,对20—30 cm土层没有显著性影响,有机碳密度呈现出同含量相近的变化趋势,放牧区较对照区在0—10 cm、10—20 cm和20—30 cm的碳损失依次为4.96%、4.97%、5.91%；中度放牧能够显著降低土壤的全氮含量,重度放牧显著降低0—10 cm土层土壤的碳氮比。

(2)土壤有机碳含量的空间异质性由大到小依次是中度放牧>轻度放牧>重度放牧>对照,空间分布的破碎程度由大到小为中度放牧>重度放牧>轻度放牧>对照,其中中度放牧下土壤有机碳含量具有强烈的空间相关性且异质性斑块呈破碎化分布；对照区和重度放牧区引起空间变异的随机性因素较多,需缩小取样尺度后进一步研究。

(3)有机碳含量与海拔高度在对照、轻度放牧、中度放牧区呈极显著负相关,在重度放牧区,有机碳含量和海拔高度的相关性减弱；有机碳含量与全氮和全磷含量在4个放牧强度均呈极显著正相关,且相关性随放牧强度增加而增强。