基于Meta分析的中国北方草地土壤pH对放牧的响应研究

杨雪龙，杜岩功，石丽娜，谢芹芹，赵旭东

(1.青海省海北州生态环境监测站，青海 海晏县 812200;2.中国科学院西北高原生物研究所,青海 西宁市 810008；3.青海观谷生态环境科学研究有限公司,青海 西宁市 810001)

天然草地是我国牧区畜牧业发展的重要资源基础和绿色生态屏障[1-2]。我国天然草地包括18个类型，目前约90%的天然草地处于不同程度的退化状态[3]。过度放牧是草地退化的重要原因[4]。不同强度放牧干扰对草地胁迫存在较大差异，会对草地土壤性质、植被产生不同影响[1，5]。土壤pH值是表征酸碱性的指标，其变化直接影响土壤营养元素的有效性和存在状态[3]，对土壤肥力的形成和土壤质量演变过程起着重要作用[6]。

放牧家畜主要通过采食、践踏及排泄物影响土壤物理结构和理化性状[7]。放牧和围封草地土壤pH值分别为8.94、8.50，放牧可以明显增加草地生态系统土壤pH[2]。轻度放牧增加小叶章草甸土壤pH，土壤呈弱酸性特征、pH值约为5.81[8]。随着放牧强度增加，内蒙古典型草原土壤pH值显著增加[6]，而草甸草原土壤pH值呈现先增加后降低趋势[4]。重度放牧显著提高川西北亚高山草地土壤pH值[9]。西藏高寒草甸土壤呈酸性，pH值低于6.20，放牧对高寒草甸pH无显著影响[10]。划区轮牧对荒漠草原速效钾含量和pH值无显著影响，但有利于表层土壤0～5 cm粘粒的形成[1]。长期封育降低内蒙古草原和黄土高原土壤pH值[2，11]。围栏封育有效降低松嫩平原苏打盐渍土盐分表聚作用[12]。

草地pH改变土壤微环境，一方面可以影响微生物生理代谢酶活性，还可以影响细胞膜的稳定性，进而影响微生物对环境营养物质的利用[13]。内蒙古草原土壤微生物碳和氮含量均与土壤pH值呈显著正相关关系[14]。家畜尿液进入草地后尿素很快转化为铵，提高土壤铵态氮含量和pH值[15]。草地群落多样性与pH值呈负相关关系[7]，硝化细菌更适应酸性环境[16]。氮沉降引起草地土壤细菌多样性的丧失主要归因于土壤pH值急剧降低[17]。短期内增加pH值会对羊草草地土壤碳矿化速率产生激发效应[11]。

单个控制试验对于理解具体生态系统的响应非常关键，但陆地生态系统响应特征的普遍规律需要使用整合研究的手段[18]，可直接为陆面模型提供参数和理论依据。已有研究关注不同放牧强度对不同类型草地pH的影响，尚缺少我国北方草地pH对不同放牧强度响应特征的整合研究，本文基于meta分析，探索不同放牧强度对草地土壤pH的影响及主要调控因素，以期为草地适宜放牧强度的确立及适应性管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 数据收集

基于中国知网数据库，检索条件关键词“pH”且“放牧”，中英文论文共搜索到36篇。按照下列准则进行论文筛选：以中国北方草地生态系统为研究对象，土壤pH值测定采用酸度计方法，均在生长季开展试验研究工作。最终11篇论文(表1)、24组研究数据被采用，进行数据统计分析。调查样点主要分布于内蒙古自治区、西藏自治区、宁夏回族自治区和青海省等。

表1 本研究选用的11篇论文基本情况

采用Web Plot Digitizer软件提取原文图片数据。草地类型和放牧强度的划分，均采用原文的分类方法。同时提取年均气温、降水量、海拔、容重、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、速效磷、速效钾含量等数据。本研究引入了不同放牧强度作为分类变量，放牧强度因草地类型和家畜类型差异，轻度、中度和重度放牧梯度采用原有文章分类标准；提取的土壤理化性质和气候因素作为平均效应值的解释变量，探讨放牧干扰对效应值的影响幅度(围封为对照)。

1.2 基于均值的草地pH对放牧响应的效应值(响应比)计算

式中：xe为我国北方放牧草地pH均值，xc为围封样地均值，lnR为效应值。

研究内方差：

式中：V为方差，Se为处理标准差，Sc围封标准差，Ne和Nc为处理和对照(围封)样本量。

平均效应值及置信区间的计算方法：

式中：vi表示本论文的研究内方差，τ2表示研究间方差结果，yi为单个研究的效应值。

pH对放牧响应的效应值异质性检验(Qt)计算：

土壤理化性质和气象因素等解释变量对效应值影响程度检验(Qm)：

式中：p、ni分别表示解释变量异质性检验值和处理样本量；j、i分别代表处理和对照；yij表示单个研究结论效应值。

1.3 数据统计分析方法

研究数据通过R语言metafor1.9-8程序包开展数据整合分析。我国北方草地土壤pH对放牧响应的平均效应值和单一效应值计算均采用随机效应模型。当研究结果效应值整体异质性较强且达到显著性检验水平时，表明放牧处理的效应存在较大差异。基于混合效应模型，引入解释变量对异质性进行分析。发表偏差通过对称性检验完成。

2 结果与分析

2.1 放牧干扰对中国北方草地土壤pH的影响

放牧干扰轻微增加我国北方草地土壤pH值，平均效应值为0.009±0.006 (95%置信区间：-0.002～0.020)(图1)，增加幅度0.91%。放牧对不同类型草地土壤pH影响的顺序为：温性草原>温性草甸草原>温性荒漠>高寒草甸(图2)。放牧活动极显著增加温性草甸草原土壤pH，平均效应值为0.012±0.004(P<0.01)。放牧增加温性草原(0.033±0.018)和温性荒漠(0.003±0.007)土壤pH值，降低高寒草甸pH值(-0.002±0.006)。放牧干扰对pH影响的效应值异质性(Qe)检验表明异质性很强(P<0.0001)

图1 放牧影响中国北方草地土壤pH效应值森林图Fig.1 Forest plots of effect size of grazing on soil pH of grasslands in northern China

图2 放牧对不同类型草地pH平均效应值的影响结果对比分析Fig.2 Comparation of effect sizes of grazing on soil pH among different types of grassland in China(** meant P<0.01)

(表2)，需要引入解释变量(分类变量和连续变量)对异质性的来源进行进一步探讨。

表2 放牧对pH影响的效应值异质性检验

2.2 放牧强度对中国北方草地土壤pH影响及平均效应值异质性检验

不同放牧强度的平均效应值之间无显著性差异。平均效应值从高到低顺序，依次为轻度放牧>重度放牧>中度放牧。轻度、重度和中度放牧对pH值增幅分别为1.02%、1.01%和0.61%。异质性检验结果表明平均效应值残差仍具有异质性(P<0.000 1)(表3)，需要引入其他解释变量。

表3 不同放牧强度对pH平均效应值的影响及95%置信区间

2.3 平均效应值对气候因子及土壤理化性质等变量的响应特征

本研究引入解释变量包括海拔、年均气温、土壤全氮、全磷含量等因素。北方草地土壤全磷含量对平均效应值具有显著影响(P<0.05)(表3)，可以解释14.56%的效应值变异。土壤速效氮、速效磷、有机质、全钾含量和容重也是解释效应值变异的主要因素。基于拟合方程结果，可以发现平均效应值与全钾、全氮含量间之间存在正相关关系，与其余因素均存在负相关关系。

表4 放牧影响pH的平均效应值对气象因子和土壤理化性质的响应

2.4 放牧对我国草地生态系统pH影响效应值漏斗图的对称性检验

Meta分析是对平均效应值的定量化评价，数据来源于已发表的研究论文，这可能会受选择性偏倚的影响。通过对漏斗图的对称性进行检验分析(z=0.96，P=0.39)，发现P值大于0.05，说明本研究所采用数据检验结果基本对称。本研究并无研究论文发表偏爱性(图3)，研究结果具有充分可信度。

图3 放牧对我国北方草地土壤pH影响的发表偏爱性检验Figure 3 Egger's test for funnel plot asymmetry on effects size of grazing on soil pH of grasslands

3 讨论

北方草地是我国重要的生态屏障，对于提升生态系统服务功能和生态系统稳定性均具有极其重要作用[3,5]。由于人口数量及其对畜产品需求的不断增长，造成草地长期超载放牧、同时受气候变化影响，草地已发生大面积退化[19-20]。重度放牧草地土壤pH明显高于轻度放牧草地，主要与放牧家畜排泄物含有大量钾元素有关[21-22]。土壤pH直接影响草地植被对土壤养分的吸收效率，酸化可能导致放牧草地微生物群落结构多样性发生显著的变化[2,23]。土壤pH是反映土壤盐碱化程度的主要指标，它可以通过影响微生物代谢的酶活性及细胞膜的稳定性，进而影响微生物对环境中营养物质的吸收[12，24]。

本研究发现放牧干扰轻度增加我国北方草地土壤pH值，增幅0.91%。重度放牧草地受家畜连续践踏作用影响，草场植被盖度明显地下降，土壤水分蒸发量和盐分含量逐渐增加，从而提高土壤pH值[7]。但是也有研究发现随着放牧强度的增加，土壤所接受的家畜尿量也增加，家畜尿量的增加导致了土壤离子循环速度的加快，从而提高了土壤氢离子的浓度，降低土壤pH值[25]。本研究也表明放牧对草地pH影响，可能受到草地类型或者放牧强度的共同影响，温性草原pH对放牧干扰反应幅度明显高于高寒草甸。温性草原土壤pH值为8.54～9.26[2]，明显高于高寒草甸和小叶章草甸[8，10]。草地生态系统土壤pH值与土壤微生物量通常呈现负相关关系，pH值偏低影响土壤有机碳溶解，提高土壤溶液交换性铝离子的生物毒性，降低土壤微生物量[26]。随pH值增加，草地土壤微生物群落胁迫压力降低，可提高土壤微生物量[27]。封育时间越久，植物生长的枯黄落叶的程度也越大，对土壤的覆盖度也越大，土壤空气与大气的通气性减弱，氧含量减少，CO2的含量增多，土壤pH值降低[2]。

土壤酸碱度是土壤在其形成过程中受生物、气候、地质、水文等因素综合作用所产生的重要属性[2]。本研究表明全磷对北方放牧草地土壤pH平均效应值具有显著负效应，随着全磷含量降低，我国北方放牧干扰对草地土壤pH影响的平均效应值呈现增加趋势。土壤全磷大部分以有机态形式存在，全磷含量较低时表征草地土壤磷素供应不足[14,28]。高寒草甸磷素年净损失量为1.58 kg/hm2，土壤速效磷素缺乏已成为限制草地生产力提升的重要营养元素[28]。

4 结论

放牧干扰轻度增加我国北方草地土壤pH值。放牧对不同类型草地pH影响的平均效应值顺序为：温性草原>温性草甸草原>温性荒漠>高寒草甸。放牧降低高寒草甸土壤pH值，增加温性草原、温性草甸草原和温性荒漠土壤pH值。不同放牧强度的平均效应值之间无显著性差异，中度放牧对北方草地pH影响程度最低。土壤全磷是北方草地pH对放牧响应的主要调控因素。随着全磷含量降低，我国北方草地土壤pH值呈现增加趋势。