云南不同海拔及利用模式下草地土壤质量分析
2022-07-04魏加弟徐胜涛宋晓宏席冬梅
魏加弟，徐胜涛，宋晓宏，席冬梅
(1.云南农业大学动物科学技术学院，云南 昆明 650201；2.云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南 昆明 650205；3.福建农业职业技术学院，福建 福州 350303)
草地生态系统在涵养水源及保障畜牧业可持续发展方面起着重要的作用[1]，土壤则是草地生态系统的主要组成部分，同时也是生物与环境相互作用的主要场所[2]。土壤中储存着许多与植物生长相关的营养元素，对植物群落的构成与生理活力有着直接的影响，并且对生态系统的结构、功能以及生产力水平都起着决定性作用[3]。土壤质量是草地生产力水平高低的重要指标，影响着动物、植物及人类健康，已逐渐成为现代土壤学科研究的热点问题[4]。
关于放牧对人工草地土壤质量的影响一直受到研究者的广泛关注。有研究学者认为，家畜从草地植物中摄取食物和能量，通过啃食、踩踏活动直接作用于草地植物地上部分和土壤，使草地物种多样性降低，草地覆盖度减小，进而降低草地土壤肥力及水土保持能力[5]。但是也有研究者认为，在放牧过程中家畜也会通过排泄活动对土壤有机质进行补偿，提高土壤微生物的生产力及酶活性[6]，也可以促进N素矿化，提高N的有效性[7]，在促进草地土壤中的物质循环、能量转化及提高草地土壤生态服务功能方面有重要作用。轮作是用地养地结合的一种草地管理措施，不仅可以减轻草地病虫害，也可以通过轮种根系长度不同的作物，疏松土壤改善土壤物理结构[8]。姚新荣等[9]研究认为人工草地轮作对均衡利用土壤养分，调节土壤肥力有重要作用。林栋等[10]研究认为“蔬-草”轮作可以显著提高草地土壤有机碳含量、土壤碳矿化率及土壤微生物多样性，且随着轮作年限的升高，效果越显著。张德罡等[11]研究认为轮作制度可以通过影响人工草地土壤理化性质，进而影响土壤氮素转化和供应。王俊等[12]研究认为“混播草地-青贮玉米”轮作可以改善土壤物理环境，增加土壤肥力，提高后茬作物的产量和品质。目前，为提高牧草的产量和质量，解决冬春枯草季节牧草供应问题，人工草地与短期饲料作物(青贮玉米)相结合的轮作模式被广泛应用[13]，因此探究该轮作模式对土壤质量的影响，对草地畜牧业可持续发展具有重要意义。
海拔梯度差异导致了人工草地土壤的空间异质性和对人类活动不同的响应特征[14]。随着海拔梯度升高，温度及湿度下降，空气稀薄，土壤水分含量升高，对土壤中的物质循环及地上植物的生长有显著影响。周煜杰等[15]研究认为土壤微生物群落结构对海拔梯度的响应敏感，不同海拔土壤微生物群落间差异显著。张恒平等[16]研究认为土壤氮循环随着海拔高度变化有很大差异。毕旭等[17]研究认为放牧是中低海拔地区草地土壤质量及草地净生产力下降的主要原因。分析不同海拔梯度草地土壤质量状况，可以促进草地经济及草地畜牧业的发展，对制定有效的草地生态管理和调控政策具有重要意义。
本研究以云南省种羊繁育推广中心不同海拔梯度及利用模式的人工草地为研究对象，分析土壤理化性质，探索它与海拔及利用模式间的关系，从而针对性地对草地土壤质量加以改良，为建立健康可持续发展的人工草地提供技术支持与理论依据，对维护与改善草地土壤质量具有重要意义。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
云南省种羊繁育推广中心位于云南省寻甸彝族自治区，地处E 103°11′24″，N 25°40′44″，全场总面积1 600 hm2，平均海拔1 982 m，年均温13.5 ℃，年降水量1 034 mm，11月～4月为旱季，5月～10月为雨季，雨季降水占总降水量的90.4%。全年蒸发量2 034 mm，日照1 846 h，无霜期240 d。平均温度最低月为12月和1月，均为6.5 ℃，6月份平均温度最高，为20.4 ℃，冬无严寒，夏无酷暑，多雨潮湿，属低纬度高原季风气候。土壤类型为砖红壤，pH值为5.7～6.1，土壤粘重，保水能力差，植物生长易受干旱影响。
1.2 试验设计
本研究中人工草地于1983年底建成，至今约40 a，混播牧草品种以鸭茅(Dactylisglomerata)、白三叶(Trifoliumrepens)和多年生黑麦草((LoliumperenneL.)为主。根据草地具体情况选取了两个不同海拔高度(2 000 m和2 400 m)，两个海拔高度的放牧区和轮作区的草地混播状况、放牧情况、草地管理模式等基本保持一致。通过测定两个海拔高度土壤理化性质间的差异，探究海拔对土壤理化性质的影响。另外，放牧草地主要饲养绵羊和山羊，除恶劣天气外草场全年放牧，放牧时间为6～8 h/d，载畜量为15个羊单位/hm2，放牧强度为中度，在一个生长季节内，放牧草地采用“刈割青贮→放牧→刈制青贮”3次利用。轮作草地采用的轮作模式为“光叶紫花苕-青贮玉米-混播人工草地”8月下旬翻耙整理土地，播种光叶紫花苕，次年4月初利用结束，于5月上旬播种青贮玉米，9月中旬收获制作青贮，然后进行土地镇压平整，10月初再建混播人工草地，其中鸭茅、白三叶和多年生黑麦草的播种量分别为1、0.5、0.5 kg/hm2，青贮玉米的品种为会白玉11，草地管理及水肥供给具体概况如表1所示。
表1 采样地概况
1.3 测定指标及方法
本试验土壤样品于2020年3月采集完成。在不同海拔处的不同利用模式的草地上建立10个样地，每个样地5个重复，在0～20 cm表层土壤采样，用“S”形布点采样，确定采样点后以“等量”和“多点混合”的原则，取样工具包括铁锹、螺旋取土钻、环刀、铝盒、样品袋、样品箱、记录表等。每个样点至少采集6个点位的土壤，然后混匀。把土样装入自封袋中，贴上标签，用记号笔写明编号、采样地点、土壤类型等。采集的混合土样拿回实验室剔除杂草和石块后，置于阴凉处自然风干。一部分土样风干过筛，用于土壤理化性质的测定。
1.3.1 土壤理化性质 土壤化学指标的测定，主要参照鲁如坤[18]的《土壤农化分析法》，土壤pH测定采用电位法；土壤有机质含量测定采用重铬酸钾外热源法；水解性氮含量测定采用碱解扩散法；全氮含量测定采用凯氏蒸馏法；全磷含量测定采用NaOH 熔融—钼锑抗比色法；全钾用 NaOH 熔融—火焰光度法；有效磷含量测定采用NaHCO3浸提—钼锑抗吸光度法；速效钾含量测定采用1 mol/L乙酸铵浸提—火焰光度法；土壤孔隙度和土壤容重采用环刀法。
1.3.2 土壤质量评价 参考《全国第二次土壤普查养分分级标准》(表2)，采用修正的内梅罗(Nemoro)综合指数法对土壤肥力进行定量综合评价，对所选指标参数进行标准化以消除各参数之间的量纲差别，标准化处理的方法如下(表3)。
表2 内梅罗评定方法中土壤各属性分级标准
表3 土壤各属性肥力系数分级标准
利用内梅罗综合指数法计算土壤综合肥力指数，参考《全国第二次土壤普查养分分级标准》方法，计算公式如公式1所示。
(1)
表4 土壤肥力等级划分
1.4 数据分析
数据用Microsoft Excel 2010处理，试验结果采用 SPSS 软件进行数据分析，用单变量双因素方差分析研究主效应利用模式或海拔高度对各指标的影响，同时研究利用模式和海拔高度对各指标影响的交互效应。
2 结果与分析
2.1 不同利用模式和海拔下草地土壤理化性质的交互作用分析
由表5可见，不同利用模式对土壤容重、pH值、有机质、全磷、速效钾含量影响显著(P<0.05)，而对土壤全氮、碱解氮及速效钾含量无显著性影响。不同海拔梯度土壤容重、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾均有显著性差异(P<0.05)，放牧草地随着海拔梯度升高，土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮显著升高，土壤容重显著降低；轮作草地随着海拔梯度升高，除土壤容重和pH值显著降低外，土壤其他化学指标均显著升高(P<0.05)。
表5 模式和海拔对土壤理化性质的影响
2.2 不同利用模式和海拔草地土壤质量指标评价
利用内梅罗综合指数法计算土壤各属性肥力系数，结果如表6所示。不同海拔及利用模式下土壤有机质、全氮含量充足，Pi=3。土壤全钾含量较少(1
表6 土壤各属性肥力等级评价结果
通过土壤pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾8个指标，利用内梅罗综合指数法计算土壤综合肥力指数，结果如表7所示。根据P值定量评价土壤肥力标准，不同海拔及利用模式下土壤综合肥力系数在0.9～1.8，均属于中等水平，但是肥力系数差异显著。随着海拔的升高，放牧草地和轮作草地的土壤肥力均逐渐升高；在相同海拔处，轮作草地土壤肥力均略高于放牧草地。
表7 不同利用模式和海拔土壤肥力综合评价结果
3 讨论
随着海拔的升高，空气湿度增加，温度下降，对土壤的结构及土壤中的动植物均会产生影响。本研究中土壤容重随着海拔的升高而降低，这可能是高海拔地区冻融作用使土壤孔隙度增大，土壤结构改变，导致土壤容重减小[19]。随着海拔的升高，土壤有机质含量逐渐增加，这与王瑞永等[20]的研究结果一致，认为海拔高度增加温度降低，土壤动物代谢减慢，土壤有机质的矿化作用就会减慢，从而使有机质的积累增加，另外，随海拔升高，温度降低，植物根系对土壤碳输入增加，故土壤有机碳含量和微生物碳含量增加，导致土壤有机质含量较高[21]。本研究中土壤全氮和碱解氮的含量随着海拔的升高也逐渐升高，原因是土壤有机质含量与全氮含量呈正相关，土壤有机质含量升高时，也伴随着土壤氮素的升高。磷是植物生长发育过程中必需的大量元素之一，但是通常以缓效磷的形式存在。本研究中随着海拔梯度升高土壤全磷含量显著升高(P<0.05)，土壤有效磷含量也升高但是效果不显著，这与赵晓蕊[22]关于武功山山地草甸土壤磷素的空间分布研究的结果一致，这是由于高海拔处的气候、温度、降水等综合作用引起的。另外，本研究区的土壤pH为5.5～6.3，该条件下土壤微生物活性最强，有利于土壤微生物矿化土壤中的有机磷，也有利于溶解土壤中的矿物磷，所以磷的含量会升高。分析表明，多种土壤理化指标都随着海拔的升高而产生明显的变化，尤其是有机质、全氮等形式比较稳定的土壤养分。
本研究中，放牧草地土壤容重和土壤pH显著高于轮作草地(P<0.05)，放牧草地土壤容重较高，主要是由于放牧时家畜的踩踏，啃食活动会夯实土壤，使其容重增加，孔隙度下降，与张风承等[23]关于放牧对土壤容重和孔隙度的影响的研究结果一致。动物对草地的选择性采食、草地的再生性等都影响着土壤的pH，放牧草地家畜粪尿排泄量相对多，增加了土壤中阳离子的含量，土壤pH增大[24]。土壤有机质是草地生态系统可持续能力的关键指示因子，本研究中轮作草地土壤有机质含量显著高于放牧草地，主要是因为轮作作物根系腐烂后可补充土壤中营养元素含量，进而增加土壤有机质含量，另外轮作提高了土壤的透气透水性，改善了土壤动物的生存环境，促进土壤的矿化作用，可以间接提高土壤中有机质的含量[25]。磷是植物生长发育必需的大量营养元素之一，以多种方式参与植物体内代谢活动，因此草地土壤全磷含量在“土壤-植物-动物”三者物质循环过程中发挥着重要作用[26]。本研究结果中轮作草地土壤全磷含量显著高于放牧草地，其原因可能是“光叶紫花苕-青贮玉米-混播人工草地”轮作，其中光叶紫花苕的固氮作用会引起根际酸化，从而影响到根际土壤中磷的溶解，提高了土壤中的全磷含量[27]。而放牧草地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，尤其会造成土壤磷素的流失[28]。钾是植物的必须元素，但是土壤中可以直接被植物吸收的速效钾含量很少，本研究中轮作草地土壤速效钾含量显著高于放牧草地(P<0.05)，说明轮作草地土壤中钾元素的有效性较强，这与轮作草地中土壤结构好，土壤中的酶活性及微生物活性较强有关，因为轮作过程中种植了不同种类的作物，它们的根系分泌物可以刺激土壤中的微生物代谢，进而加快土壤中的物质循环[29]。
根据内梅罗综合指数法并参考全国第二次土壤普查土壤肥力分级标准评价不同海拔及利用模式下的草地土壤肥力，结果表明不同海拔高度的放牧地及轮作地的土壤肥力水平均为中等水平，其中海拔2 400 m轮作草地的综合肥力系数最高，为1.75，2 000 m放牧地的综合肥力系数最低，为1.56。在相同海拔处，轮作草地土壤肥力高于放牧草地，说明草地-饲草轮作对于改善草地土壤肥力有重要作用，该结果与韩丽娜[30]关于草田轮作对土壤水肥特性影响的研究结果一致，认为轮作可以通过提高土壤有机质及碱解氮的含量，有效改善土壤生态环境。轮作草地土壤肥力系数高于放牧草地，2 400 m海拔处放牧草地土壤肥力高于2 000 m海拔处，这可能是因为刈割和中等放牧强度对草地的影响较小，海拔是影响草地土壤肥力系数产生差异的主要因素。土壤pH、全磷、全钾和速效钾是影响土壤肥力指数的关键因素，另外钾素被称为品质元素，它可以提高植物的抗逆性，还能激活酶活性，促进糖和脂的代谢[31]，本研究中2 000 m海拔处放牧草地缺钾严重，在生产中可以按作物布局和需肥规律，因地制宜改善肥料施用结构，在原有的施肥方案基础上重点补施钾肥。
4 结论
相同利用模式下，2 400 m海拔处土壤有机质、全氮、全磷及碱解氮含量均显著高于2 000 m海拔，且2 400 m海拔处内梅罗指数高于2 000 m海拔处，2 400 m海拔高度的土壤肥力优于2 000 m。在同一海拔高度下，轮作草地土壤肥力更高，说明采用“光叶紫花苕-青贮玉米-混播人工草地”轮作模式可有效改善草地土壤肥力，促进草地可持续利用，也可以解决青干草供求矛盾，促进畜牧业的发展。
