典型草原不同放牧强度草地土壤健康评价

樊才睿, 王腾

典型草原不同放牧强度草地土壤健康评价

樊才睿1, 2, 王腾1, *

1. 集宁师范学院, 乌兰察布 012000 2. 内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018

土壤是草地植被生长的基础, 土壤质量的好坏直接影响植被的生长状况, 为探究放牧强度对典型草原土壤性能的影响, 以呼伦贝尔典型草原为研究对象, 选取重度放牧、中度放牧、不放牧草地, 对表层0—30 cm土壤的物理、化学、生物等19个指标进行分析, 利用主成分分析法选取9个主要贡献指标, 利用模糊综合评价法, 评价不同放牧强度草地的土壤健康状况。结果显示: (1)放牧强度的增加改变草地土壤的物理化学生物性质, 随放牧强度的增加, 表层土壤砂粒含量上升, 粘粒粉粒含量下降, 三种放牧草地30cm深土壤的物理特性差异显著 (P<0.05)。(2)土壤中氮、磷、钾、有机质等元素含量变化差异较大, 总体显示随深度的增加逐渐增大; 土壤中多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶活性退化程度, 随深度的增加而逐渐减小, 且不放牧草地<中度放牧草地<重度放牧草地。(3)通过主成分分析选取处对土壤变化较为敏感的田间持水量、土壤容重、粉粒、pH值、电导率、全磷、全钾、有机质、脲酶为土壤健康评价指标, 进行模糊综合评价, 得出重度放牧、中度放牧和不放牧草地的健康系数为0.607、0.674、1。因此, 不放牧草地土壤健康状况最好, 重度放牧草地土壤健康状况最差, 同时适当的将草原重度放牧草地向中度放牧和不放牧草地转变, 将有利于草原土壤环境的改善及恢复。

放牧强度; 壤砂土; 土壤健康; 模糊评价

0 前言

草地作为一种可以持续更新的自然资源, 是农业资源重要的组成部分, 是生物赖以生存的生态屏障[1]。草地在气体管理、调节气候, 水资源供应, 侵蚀防控, 养分循环, 生物栖息等方面提供着重要的服务功能。土壤作为草地植被生长发育的重要物质基础, 在植被生长发育过程中提供植物所需的营养物质, 供给所需的水分, 提供适宜的生长环境, 因此, 土壤的健康与否直接影响着草地资源的可持续发展。

土壤作为生态系统的重要组成部分, 其自身也是重要生命系统, 具有维持生物生产力、改善环境、促进植物和动物健康的主要功能[2]。土壤的健康状况主要取决土地利用方式、生态系统属性、地质地貌条件、土壤类型等, 具体的表现为土壤物理性指标、化学性指标和生物性指标的范围是否可以让地表的植被实现长期的可持续生长[3]。目前国内外的研究者对土壤好坏状况进行了大量的研究, 主要针对不同土地利用方式或经营模式下土壤质量的变化状况与植被适应性的研究[4], 以及从物理角度、化学角度或生物角度出发, 对土壤的好坏状况进行评价[5–6]。同时部分研究者对土壤质量的评价方法进行改进, 并采用新的方法或角度去重新看待土壤质量的好坏[7–8]。但大部分研究主要针对受污染或破坏比较严重的红壤土、潮土、黑土的质量进行研究, 对于土壤健康的关注相对较少[9–10]。同时土壤健康评价尚处于一个起步阶段, 评价理论及方法还没有形成统一标准, 均处于探索时期, 现有的土壤健康评价主要集中在森林土壤及农田土壤[11–12], 关于草地土壤健康状况的研究较少, 且主要集中在荒漠草原土壤[1,13]。因此, 本文在借鉴荒漠草土壤健康评价方法的基础上, 对典型草原不同放牧区域进行初步探索研究, 构建典型草原土壤健康评价体系, 对典型草原不同放牧强度草地的土壤健康状况进行了尝试性评价。

现阶段, 土壤评价主要的方法有灰色关联法、指数评价法和模糊数学评价法。部分研究者对比分析了不同评价方法[14], 灰色关联评价法的计算过程最为简单, 具有信息量大且全面的优点, 但缺点是无法全面真实的还原土壤实际健康状况; 指数评价方法具有计算过程复杂, 不易掌握使用, 应用难度较大, 精确度一般等缺点; 模糊数学评价法具有信息量全面, 可以与定性指标相结合, 更好的反映草地生态系统的健康状况, 但模糊数学法在筛选指标和纳入方式等方面具有一定缺点。本文以内蒙古自治区呼伦贝尔草原为研究对象, 选取重度放牧、中度放牧和不放牧三种不同类型的草地进行土壤健康状况的研究, 探讨影响土壤健康的主要影响因素, 选取主成分分析法筛选评价指标, 与模糊数学法相结合, 考虑用最少可保留原有信息的指标代替所有指标, 对草地土壤的健康状况进行评价。为典型草原草地植被健康生长和草地资源生态恢复提供一个科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古呼伦贝尔市新巴尔虎右旗宝东苏木(N 48°27′54.95″—48°28′33.07″, E 117°11′ 41.26″—117°16′19.68″)位于呼伦贝尔草原腹地, 据内蒙古最大的湖泊呼伦湖仅30 km, 该区域属于内蒙古东北部, 属于北温带半干旱大陆性气候区, 年均温度-0.6—1.1 ℃, 年日照时间为2694—3131 h, 多年平均降水量240.5—283.6 mm, 主要集中在7—9月, 占全年降水的60%以上, 多年平均蒸发量为1455.3—1754.3 mm, 年无霜期110—160 d。土质质地主要为砂土及砂壤土, 该类土壤结构松散, 肥力较低。研究区内主要植物种由: 羊草()、糙隐子草()、克氏针茅()、冷蒿()等植被[15]。

1.2 实验方法

1.2.1 样地选择

本研究于2015年7—8月于呼伦贝尔草原腹地宝东苏木附近选取重度放牧(HG)、中度放牧(MG)和不放牧(NG)草地进行土壤和植被调查。其中重度放牧草地为公共放牧草地, 面积为2.87 km2, 已实施重度放牧10 年, 载畜率可达800羊·km-2; 中度放牧草地牧民划区轮牧区域, 面积为2.58 km2, 已实施中度放牧10 年, 载畜率为500 羊·km-2; 不放牧草地为当地牧民的封育草地, 全年不进行放牧活动, 只在秋季时候进行刈割打草, 草地面积为4.81 km2, 已实施封育12年[14]。对三种放牧强度草地按照网格布点法每隔500—1000 m间隔布设网格调查点, 重度放牧草地10个点, 中度放牧草地15个点, 不放牧草地9个点, 进行土壤调查。在每个调查点按5 m× 5 m规格设置土壤样方3个, 在每个样方内按照三角线布点法, 采集0—10 cm、10—20 cm 和 20—30 cm土壤样品及环刀样品, 3个样方内的土壤剖面样品分层混合组成混合样品, 去除植物根系和石块后, 带回实验室风干处理, 每个调查点用四分法保留土壤样品500 g, 土壤样品过1 mm和0.25 mm筛后装入封口袋中保存, 用以测定土壤物理、化学特性及土壤酶活性, 环刀样品测定土壤水文特性指标。

1.2.2 土壤样品的测试方法

土壤物理指标测定方法: 土壤容重、毛管上升水率、饱和导水率采用环刀法测定, 土壤含水量采用烘干法测定, 土壤pH值采用玻璃电极法测定, 土壤电导率及总溶解性固体测定采用DDSJ-308A型电导率仪测定, 土壤粒径采用HELOS-OASIS型的激光粒度仪测定。

土壤化学指标测定方法: 土壤总有机质采用重铬酸钾-硫酸溶液氧化外加热法测定, 土壤全磷采用硝酸-硫酸消解法测定, 土壤全氮采用半微量开氏法测定, 土壤全钾采用原子吸收分光光度法测定, 土壤硝态氮采用氯化钾浸提-紫外分光光度法测定, 土壤氨态氮采用2 mol·L–1氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定, 土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定。

土壤生物指标测定方法: 土壤多酚氧化酶采用邻苯三酚比色法测定, 土壤蔗糖酶采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定, 土壤脲酶采用靛酚比色法测定。

1.2.3 土壤健康评价

本研究采用主成分分析法和模糊综合评价法对草地健康状况进行评价, 首选利用主成分分析法筛选出相关的评价指标, 然后利用模糊综合评价法, 构建模糊综合评价矩阵, 确定评价结果。

(1)确定样地集与因素集

设定不同放牧强度的样地集为:=X,X, ……,X。

设定不同放牧强度草地的健康影响因素集为:=U,U, ……,U。

(2)确定隶属函数

(3)确定评价函数

在评价矩阵=(r)n×m中, 取评价函数分别为:

利用评价函数分别计算d,d,d, 分别令X=(D,D,D),R=F(×U)。最后令=1/3×(d+d+d), 最后取评价系数为评价结果。其中, 不放牧草地作为对照草地,=1。其余草地的评价系数在0—1之间。

利用excel2010和SPSS20.0软件对实测数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度草地土壤物理性质

通过对三种放牧强度草地0—30 cm表层土壤的物理性质分析, 由表1可以看出, 三种放牧草地中均为砂粒所占比例最多, 均达到80%以上, 粉粒和粘粒较少, 不放牧草地粘粉粒所占比例最高可达16.8%, 三种放牧草场土壤质地在10—30 cm深处差异显著(P<0.05)。三种放牧强度草地土壤含水量变化范围为11.1%—13.95%, 总体显示为随土层深度的增加, 土壤含水量增大的趋势。土壤饱和导水率总体显示为不放牧草地最大, 重度放牧草地最小。不放牧草地土壤容重最小为1.44 g·cm-3, 中度放牧和重度放牧草地土壤容重相差较小, 分别为1.50 g·cm-3和1.51 g·cm-3, 不放牧草地与中度放牧和重度放牧草地间差异显著(P<0.05), 但各个土层间差异不显著(P>0.05)。三种放牧草地土壤总孔隙度大小顺序为重度放牧草地<中度放牧草地<不放牧草地。

2.2 不同放牧强度草地土壤化学性质

三种放牧强度草地的pH值整体为碱性土壤, 整体显示为随土层深度的增加而pH逐渐增大。不放牧草地总磷含量与中度放牧及重度放牧草地差异显著(P<0.05), 可达0.90 g·kg-1, 是中度放牧草地和重度放牧草地的1.76倍和2.13倍。速效磷整体显示随土层深度的增加而逐渐减小, 且不放牧草地与中度放牧和重度放牧草地间差异显著(P<0.05)。不放牧草地的土壤全氮、硝态氮、氨态氮含量随土层深度的增加而增大, 且明显高于中度放牧和重度放牧草地, 三种放牧草地间各土层全氮、硝态氮、氨氮差异显著(P<0.05)。三种放牧草地土壤全钾含量基本相等, 整体无显著差异(P>0.05), 变化范围在1.59—17.30 g·kg-1。三种放牧草地中土壤有机质含量差异显著(P<0.05), 总体显示, 不放牧草地>中度放牧草地>重度放牧草地, 不放牧草地土壤有机质是中度放牧草地和重度放牧草地的7.14倍和24.8倍, 不放牧草地有机质含量远高于放牧草地。

表1 不同放牧强度草地土壤物理性质

注: 数据表示“平均值±标准差”, 小写字母表示同列不同样地间差异显著(P<0.05), 大写字母表示同列不同土层间差异显著(P<0.05)。

表2 不同放牧强度草地土壤化学性质

注: 数据表示“平均值±标准差”, 小写字母表示同列不同样地间差异显著(P<0.05), 大写字母表示同列不同土层间差异显著(P<0.05)。

2.3 不同放牧强度草地土壤生物性质

不同放牧强度草地土壤中多酚氧化酶、蔗糖酶、脲酶活性变化趋势基本一致, 不放牧草地土壤酶活性最大, 中度放牧草地次之, 重度放牧草地最小, 且都随土层深度的增加而减小。多酚氧化酶活性变化在不同放牧强度草地间差异显著(P<0.05), 在表层和底层土壤间的变化幅度差异较小, 在不同样地的差异较大。蔗糖酶活性变化在三种放牧草地间差异显著(P<0.05), 不放牧草地蔗糖酶活性是中度放牧草地和重度放牧草地的1.27倍和1.59倍。三种放牧草地间脲酶活性变化差异显著(P<0.05), 重度放牧草场分别比不放牧草场和中度放牧草场减少了26%和13%。

2.4 不同放牧强度草地土壤健康评价

利用主成分分析法对0—10 cm表层土壤的物理指标: 含水率(X1)、饱和导水率(X2)、田间持水量(X3)、容重(X4)、砂粒(X5)、粉粒(X6)、粘粒(X7); 化学指标: pH(X8)、电导率(X9)、全磷(X10)、速效磷(X11)、全氮(X12)、硝态氮(X13)、氨氮(X14)、全钾(X15)、有机质(X16); 生物指标: 多酚氧化酶(X17)、蔗糖酶(X18)、脲酶(X19)等19个指标利用模糊综合评价法对草地健康状况进行评价。

首选对三种放牧强度草地表层土壤19个指标的数据进行无量纲化处理, 处理方法为采用标准化公式(Z-score)进行无量纲处理。公式如下所示:

表3 不同放牧强度草地土壤生物性质

注: 数据表示“平均值±标准差”, 小写字母表示同列不同样地间差异显著(P<0.05),大写字母表示同列不同土层间差异显著(P<0.05)。

表4 不同放牧强度草地健康评价指标标准化值

表5 各主成分特征值及方差贡献率

由系数矩阵可得, 第一主成分的表达式:

1=0.283–0.2784+0.2766+0.28310+0.28916

第二主成分表达式:

2=–0.5938+0.40919

第三主成分表达式:

3=0.5539

第四主成分表达式:

4=0.77615

根据第一、第二、第三、第四主成分表达式可以看出田间持水量、土壤容重、粉粒、pH值、电导率、全磷、全钾、有机质、脲酶对主成分贡献最大, 既确定为评价指标。

通过主成分分析法建立了不同放牧强度草地健康评价体系, 因此将9个指标设定为因素集, 将不放牧草地、中度放牧草地、重度放牧草地设定为样地集, 对不同放牧强度草地进行健康程度的模糊综合评价:

模糊综合评价的特征矩阵为3×3=(U)3×3:

评价矩阵=(r)3×3:

根据评价矩阵可以得到不同放牧强度草地不同健康状态下田间持水量、土壤容重、粉粒、pH值、电导率、全磷、全钾、有机质、脲酶等因子的差异性健康系数。

所以R=F(×U)为以下矩阵:

计算不同放牧强度草地模糊综合评价系数, 得到不放牧草地d1=1, 中度放牧草地d2=0.674, 重度放牧草地d3=0.607。根据健康评价体系和草原载畜放牧程度, 为方便进行草地健康的定性定量比较, 将评价系数[0—1]划分为三个等级, 其中健康评价系数[1—0.85], 亚健康评价系数[0.85—0.65], 不健康评价系数[0.65—0]。根据划分等级对三种放牧草地进行评价, 可以看出, 不放牧草地处于健康状态, 中度放牧草地处于亚健康状态, 重度放牧草地处于不健康状态。

3 讨论

3.1 放牧强度对草地土壤性质的影响

呼伦贝尔草原地处干旱半干旱气候区, 受人类活动及气候变化影响较多, 而放牧活动对土壤的影响, 会通过草地土壤的各项指标显示出来, 放牧草场中土壤中有机质含量的高低主要受到草地枯落植被生物量的影响, 不放牧草地的植被生物量及枯落物均远高于重度放牧和中度放牧草地[15], 且常年没有放牧及牲畜啃食, 枯落植被在地表土壤中被微生物和酶的共同作用分解形成有机质。而重度放牧草地和中度放牧草地由于受到放牧活动的影响, 即使在冬季植被枯萎后, 也会被冬牧的牲畜啃食, 因此能到底地表土壤中的枯落植被较少, 最终分解形成有机质更少, 经过常年的积累, 最终会导致不放牧草地的土壤有机质会远高于重度放牧和中度放牧草地, 该结果与盖诺尔草原和昭苏草甸草原土壤有机质的研究结果基本吻合[16–17]。

不放牧草地和中度放牧草地, 由于草地植被受牲畜影响有所减少, 所以其土壤性质各项指标与重度放牧草地相比, 均有所提高。尤其是不放牧草地, 常年处于封育状态, 围封后草地植被生长不受人类活动影响, 植被生物量增加, 覆盖度及植株高度增长显著, 改善地表局部区域的小气候, 多年的封育有利于植被枯落物的分解, 可以有效的增加土壤中氮磷钾等元素的含量, 可以明显改善土壤的营养状况。且不放牧草地封育措施有利于改善土壤的pH值, 使土壤保持在中性状态。有研究表明当载畜量过大, 草地植被会出现明显的退化现象, 优良牧草减少, 蒿类、毒草等杂草增多, 土壤会因为家畜践踏过度产生沟纹, 从而引起土壤的侵蚀现象, 导致pH降低[18], 而封育措施对草地则起了很好的保护作用, 使得草地的破坏程度降低, 从而减弱酸化现象, 保持不放牧草地土壤处于健康状态。中度放牧草地表层土壤氮含量与不放牧草地相近, 并均高于重度放牧草地, 主要由于不放牧草地植被生长状况与中度放牧草地差异一般显著, 但却缺少牲畜排泄物, 所以在表层土壤含氮量与中度放牧接近。

三种放牧草地土壤总孔隙度小顺序为重度放牧草地<中度放牧草地<不放牧草地。主要是由于三种放牧草地中不放牧草地枯落物分解, 与土壤形成团粒结构, 改善土壤通气性能及透水性能, 增加了土壤孔隙度, 而重度放牧及中度放牧草地枯落物较少, 并且随着载畜量的增加, 牲畜踩踏导致地表土层结皮, 降低植被根系的穿透能力, 减小了土壤的孔隙度, 马静利等人在宁夏荒漠草原进行不同放牧方式下土壤理化性质研究时, 同样认为载畜量的增加会导致土壤孔隙度的降低[1]。不同放牧强度草地三种酶活性在土层上下差异较大, 主要由于表层土壤具有较多的植被枯落物和腐殖质, 其有机物质含量较高, 可以为微生物活动供应充分营养物质, 且表层土壤通气性能较高, 微生物生长活动旺盛, 代谢较快, 所以其表层土壤中酶活性高于底层土壤, 该结果与文都日乐在呼伦贝尔草原不同草地类型的土壤中进行酶活性的研究结果一致[19], 土层垂直方向上土壤酶活性差异显著。

3.2 不同放牧强度土壤健康评价

土壤作为草地植被生长的基础, 其健康与否直接决定着草地植被的生长状况。土壤健康状况主要由土壤的各项物理、化学、生物指标所决定, 在土壤健康评价过程中, 选取重复性低, 代表性好, 信息丰富的指标是评价的主要原则。传统的康奈尔土壤健康评价体系具有39个备选指标, 指标体系庞大且繁杂, 且部分指标由于采集样品困难, 因此在实际的田间应用中, 往往被一些工作者主动剔除, 导致康奈尔土壤健康评价体系存在一定得局限性[20]。在实际生活中, 对森林、农田、草原等不同区域进行土壤健康评价时, 评价指标需要有所侧重, 就草地土壤健康评价而言, 需要选取一些对草地植被生长和生态环境影响较大的指标。不同研究者在不同地区进行土壤健康评价时所选用的指标均存在一定得差异, 红梅等人在鄂尔多斯西部的荒漠化草原土壤健康评价中选取了对草地退化程度变化明显的8项指标, 其中化学指标占比较大, 达到50%[13]; 马静利等人对宁夏荒漠草原从物理和化学指标两方面对不同放牧草地土壤进行了健康评价, 结果显示, 六区轮牧和禁牧要完全健康于其它放牧方式[1], 与本研究结果较为一致。

草地土壤的健康主要体现在物理、化学和生物等各项指标上, 放牧活动对草地土壤健康的影响, 除了由牲畜直接踩踏造成的土壤地表结皮外, 其余会通过草地生态系统逐级传导, 通过改变草地植被的生长发育过程, 而影响土壤的健康状态[4]。三种放牧强度草地的土壤健康状态由于之间的载畜量存在明显的差异, 导致土壤健康指标间差异较大。重度放牧草地牲畜多次重复啃食植被, 在植被生长期内造成植被植株矮小、叶片残缺, 植被无法充分的进行光合作用, 生长缓慢, 再加上反复的践踏导致表层土壤紧实度增加, 容重增大, 新生植被生长困难, 草地植被发生退化, 一年生优质禾草数量下降, 杂草数量上升, 与中度放牧草地相比, 重度放牧草地植被退化明显, 且植被的株高、叶面积、生物量均较低[15], 不放牧草地由于常年封育得到了充分的修复, 所以其各项指标都优于其它两种放牧草地, 对草地土壤的健康贡献最大。周瑶在宁夏丘陵地区典型草原对土壤健康状况进行评价时也得出封育措施是对草地土壤生态恢复的有利手段, 草地的物理、化学、生物等指标均优于水平沟和鱼鳞坑, 并且在微生物总量方面表现最佳[21]。张晓娜对希拉穆仁不同封育措施的荒漠草原的土壤评价也得出相同结论, 不放牧的封育措施对土壤健康的贡献要优于季节封育和未封育草地[4]。同时部分研究结果表明, 禁牧封育提升草地植被覆盖度, 可以有效的改善土壤侵蚀, 增加土壤的健康状态, 增加植被覆盖度可以降低地表风度和地表径流的搬运能力, 在地表植被的覆盖作用下, 表层土壤中细颗粒物质可以更好的保持在土壤中, 形成土壤团粒结构, 提高土壤含水量, 降低土壤侵蚀[22]。

通过对呼伦贝尔典型草原不同放牧强度草地土壤健康评价, 借鉴荒漠草原评价体系, 进行了典型草原土壤健康评价的尝试, 并在指标建立和选取等方面积累了部分经验, 虽然建立的评价体系和方法还有待进一步的完善和补充, 在生物指标选取上没有考虑到土壤呼吸和微生物方面的表现[4,21], 但也基本反映出了不放牧、中度放牧、重度放牧草地土壤健康的差别。从评价结果中依然可以看出, 转变放牧发展是当前草原生态文明建设的首要任务, 要想实现草原生态环境的可持续发展, 就需要结合草地的实际情况, 在充分评估草地健康状态的基础上, 针对草地土壤功能上的缺陷, 制定合理的放牧措施, 进行人工干扰, 将重度放牧转为轻度或禁牧封育, 让已经破坏的土壤得到充分的恢复, 实现草地资源的可持续利用。今后对草地土壤健康评价的后续研究仍然需要进一步加强, 才可以为草原土壤生态系统的健康发展奠定基础。

3.3 不同放牧强度草地土壤健康评价结果

通过模糊综合评价, 得出不放牧、中度放牧和重度放牧草地的健康系数分别为1、0.674、0.607。其中不放牧草地的评价系数为1, 是由于以不放牧草地为本底对照, 假定将其土壤作为全部健康的状态, 该健康状态是相对与研究区内的小区域而言的, 是在草地资源合理开发利用的状况下存在的, 其生态系统与气候环境和生态环境保持合理稳定的状态下存在的健康土壤。该结果与红梅和马静利在荒漠草原进行的草地土壤健康评价的结果较为一致[1,13], 该结果说明, 在草原生态系统中, 封育措施可以让草地植被与土壤得到充分休复, 草地生态系统具有较强的自身恢复能力, 在消除外界干扰后, 可以自发的恢复到健康的状态。

亚健康状态主要是由于不合理的人类活动超出健康草地可以承受的范围, 导致草地系统功能下降, 直接表现在土壤孔隙度减小, 水分含量减少, 地表裸露土壤增加, 植被优势种群减少, 劣势数目上升, 覆盖度、多度、密度均呈不同程度的下降[13]。中度放牧草地的评价系数为0.674较接近于不健康的临界值0.65, 主要是由于中度放牧草地虽然进行了划区放牧, 但仍然存在超载显著, 对草地的生态环境造成了一定程度的破坏, 所以中度放牧草地虽然在整体上属于亚健康, 但是仍需要引起注意, 中度放牧草地正在向不健康等级过渡。在相类似的气候条件状况下, 应减少人类活动, 消除不良影响, 限制载畜率, 合理利用草地资源使亚健康状态尽快向健康转变。

不健康状态主要由于长时间的不合理人类活动和气候变化所导致的土壤生态系统出现的过度破坏, 导致土壤肥力低下, 土壤结构遭到破坏, 土壤沙化严重, 植被覆盖度大幅度下降, 地表土壤大半裸露在外, 生态结构破坏严重[1]。重度放牧草地存在严重的超载放牧和连续啃食的现象, 所以其评价等级属于不健康状态, 其评价系数为0.607, 仅比临界阈值低了0.043, 该结果说明重度放牧草地在当前状态下仅为刚刚发生不健康状态, 如果及时采取补救措施, 其土壤健康状况有望逐渐恢复。但如果持续进行超载放牧和连续啃食, 其土壤健康状况将会不容乐观。

4 结论

(1)三种放牧强度草地0—30 cm深土壤的物理、化学、生物特性差异显著 (P<0.05), 放牧强度的变化对土壤粘粒比例、粉粒比例、土壤持水量、土壤全磷、土壤有机质以及生物酶活性影响较大, 对其他指标影响较小, 随放牧强度的降低, 重度放牧和不放牧草地间土壤全磷、有机质及多酚氧化酶的差值可达2倍以上。可以看出典型草原土壤对放牧强度的变化较为敏感, 降低放牧强度可以有效的提升土壤质量, 增加土壤细颗粒物质, 降低土壤容重, 提高土壤养分及生物酶活性, 增强水分保持能力。

(2)在综合考虑典型草原土壤物理、化学、生物性质的基础上, 利用主成分分析法筛选田间持水量、土壤容重、粉粒、pH值、电导率、全磷、全钾、有机质、脲酶等9项对土壤变化程度较为敏感的指标, 构成草地土壤健康评价的指标体系, 该指标体系可以在选取较少指标的前提下, 科学的评价草原土壤的健康状况。

(3)利用模糊综合法评价三种放牧强度草地的健康状况, 得出不放牧草地处于健康状态, 中度放牧草地处于亚健康状态, 重度放牧草地处于不健康状态。在草原生态环境严重退化的地区, 适当的将重度放牧转变为中度放牧和不放牧草原, 将有利于草原土壤环境的改善和恢复, 可以实现草地资源的可持续开发利用。

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Soil health assessment of typical grasslands differing in grazing intensity

FAN Cairui1, 2, WANG Teng1,*

1. Jining Normal University, Ulanqab 012000, China 2. Inner Mongolia Agricultural University, Huhhota 010018, China

Healthy soil is fundamental for vegetation growth; thus, vegetation growth is affected by soil quality. We studied the Hulun Buir grassland to investigate the effects of grazing intensity on grassland soil quality. The physical, chemical and biological indicators of soil at 0-30 cm depths were analyzed for grasslands that had experienced heavy grazing, moderate grazing and no grazing. Principal component analysis was used to select the nine indexes that made the largest contribution to explaining variation in soil condition. The condition of the grassland soil at different grazing intensities was evaluated using the fuzzy comprehensive evaluation method. Increased grazing intensity altered the physical, chemical and biological properties of grassland soil. As grazing intensity increased, the content of sand on the surface soil increased, and the content of clay decreased. The physical characteristics of soil at a depth of 30 cm among the three grasslands were significantly different (P < 0.05). The contents of soil nitrogen, total phosphorus, total potassium and organic matter varied greatly among grasslands depending on the grazing intensity, and the contents of these compounds increased with soil depth. The degradation of polyphenol oxidase, sucrase and urease in soil decreased with soil depth, and degradation of these compounds was highest in heavily grazed grasslands, followed by moderately grazed and non-grazed grasslands. Soil evaluation indexes that were determined to be sensitive to changes in soil condition by principal component analysis included field moisture capacity, soil bulk density, powder, pH, electrical conductivity, total phosphorus, total potassium, organic matter and urease. Fuzzy comprehensive evaluation revealed that the health coefficients of heavily grazed, moderately grazed and non-grazed grassland were 0.607, 0.674 and 1, respectively . The health of the soil of non-grazed grassland was the highest, whereas the health of the heavily grazed grassland was the poorest. These findings provide important information for the selection of grazing methods and grassland management practices and demonstrate the benefit of developing adaptable grazing methods. This study provides essential information for the selection of different grazing methods and management practices.

grazing intensity; loamy sand; soil health; fuzzy appraisal

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.05.018

S158.3

A

1008-8873(2021)05-140-09

2020-03-26;

2020-05-30

内蒙古自然科学基金项目(2019BS05027, 2021MS04005); 国家自然科学基金项目(51779118); 中国博士后基金西部项目(2020M673548XB); 内蒙古自治区高校科研项目(NJZY21243, NJZY21241); 集宁师范学院博士基金项目(jsbsjj1802)

樊才睿(1989—), 男, 乌兰察布人, 博士, 讲师, 主要从事生态水文过程研究。E-mail: fancairui@126.com

通信作者:王腾, 男, 硕士, 讲师, 主要从事城市生态环境研究, E-mail: 542351088@qq.com

樊才睿, 王腾. 典型草原不同放牧强度草地土壤健康评价[J]. 生态科学, 2021, 40(5): 140–148.

FAN Cairui, WANG Teng. Soil health assessment of typical grasslands differing in grazing intensity[J]. Ecological Science, 2021, 40(5): 140–148.