载畜率对荒漠草原小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分含量的影响

2023-03-05王梓晗吕世杰李治国韩国栋侯东杰崔媛媛孙海莲王忠武

草地学报 2023年2期

王梓晗，吕世杰，李治国，韩国栋，侯东杰，崔媛媛，孙海莲，王忠武 *

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古呼和浩特，010010； 2.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古呼和浩特， 010010)

中图分类号：S812文献标识码：A

文章编号：1007-0435(2023)02-0464-07

Effect of Stocking Rates on the Content of Available Nutrients in Adjacent Soil ofCaraganamicrophyllaPlants in Desert Steppe

WANG Zi-han1, LV Shi-jie1, LI Zhi-guo1, HAN Guo-dong1, HOU Dong-jie1, CUI Yuan-yuan1, SUN Hai-lian2, WANG Zhong-wu1*

(1.College of Grassland,Resources and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Science, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China)

Abstract:Grazing is the most important way for human beings to use grassland and significantly affects the physical and chemical properties of grassland soil.Caraganamicrophylla,as a leguminous shrub,its adjacent soil nutrient changes will have important effects on the structure and function of the graasland ecosystem. In order to study the effect of stocking rate on the nutrients content of the soil adjacent toCaraganamicrophyllain desert steppe,grazing experiments were carried out inStipabrevifloradesert steppe in Inner Mongolia. A total of four stocking rate treatments were conducted,namely the control-check (CK,0 sheep·hm-2·a-1),light-grazing (LG,0.93 sheep·hm-2·a-1),moderate-grazing (MG,1.82 sheep·hm-2·a-1) and heavy-grazing (HG,2.71 sheep·hm-2·a-1). In each treatment of the stocking rate,Caraganamicrophyllaplants with the same size were selected and the four points were setup adjacent to the plants in the directions of East,South,West and North for soil sampling. The contents of alkaline hydrolysis nitrogen,rapidly available phosphorus and rapidly available potassium of the soil were tested. The effect of stocking rate on the contents of soil nutrients in desert steppe was analyzed. The results showed that with the increase of stocking rate,the content of soil alkaline hydrolysis nitrogen first increased then decreased;the content of soil available phosphorus first decreased then increased;and the content of soil available potassium content had been in a downward state. In LG treatment,the rapidly available phosphorus content of soil around the equilibrium point between the alkaline hydrolysis nitrogen and the rapidly available potassium showed the lowest value. In MG treatment,the content of alkaline hydrolysis nitrogen corresponding to the equilibrium point between the rapidly available phosphorus and the rapidly available potassium of soil adjacent toCaraganamicrophyllaplants showed the highest value. The soil nutrients nearCaraganamicrophyllaplants vary with the change of stocking rate,which helps to improve the soil environment and optimize the resources management.

Keywords:Desert steppe,Soil available nutrients,Stocking rate,Caraganamicrophylla

荒漠草原是内蒙古中西部地区主要的草原类型，为重要的畜牧业生产基地，具有防风固沙、涵养水源、保持水土等生态功能[1]。放牧是天然草原利用的主要方式之一，由于人类的过度放牧和气候变化等因素加剧了草原退化。土壤为植物的生长提供水分和营养物质，是植物生长发育过程中的关键因素。家畜采食、践踏以及排泄物归还会直接或者间接影响土壤养分的含量[2]。小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)是内蒙古草原中常见的落叶灌木之一，在内蒙古草原的分布范围较广。小叶锦鸡儿耐旱、耐热、耐沙埋，在防风固沙、水土保持中发挥重要作用，其嫩枝还可以作为优质饲草原料，具有重要的生态和经济价值[3]。小叶锦鸡儿较发达的根系能够利用更深层的土壤水分，进而促进土壤养分的吸收。这使其比草本植物对水分和养分具有更强的竞争力，进而形成“沃岛效应”。在干旱环境和放牧作用的影响下，短花针茅荒漠草原将向小叶锦鸡儿灌丛化草原发展，使得小叶锦鸡儿在荒漠草原上侵入、定居和扩展[4-5]。

放牧会导致土壤中速效钾含量下降，造成土壤渗透能力的降低，加剧灌木竞争[6]。Abril等[7]的研究发现家畜通过对植物的采食和践踏导致盖度和生物量下降，继而导致土壤中凋落物养分的输入减少。王晓朦等[8]发现放牧会导致土壤全氮、全磷含量的降低。Xiong等[9]在高寒草甸研究表明放牧后土壤中氮的储量明显下降。关于小叶锦鸡儿的土壤养分的影响已有文献报道[10-11]，小叶锦鸡儿在荒漠草原中生长主要受到磷含量的限制，荒漠草原降水量较少会降低小叶锦鸡儿土壤黏粒含量和土壤分形维数，间接影响到小叶锦鸡儿的土壤养分含量。闫宝龙等[12]发现灌木会存在明显的距离效应和方位效应，并且灌木对土壤养分及微环境的影响主要表现在半径0.5 m的范围内。

土壤是草地生态系统的重要组成部分，其养分含量变化会影响植物的生长发育及群落构成[13-14]。土壤速效养分可为植物生长提供所必需的营养元素，其含量的高低是土壤肥力供应的衡量标准[15]。研究土壤速效养分含量及其比例关系，对解释土壤养分循环利用有重要作用[16-17]。因此，认识和理解小叶锦鸡儿邻近土壤养分的变化对天然草原生态系统的影响有十分重要意义。目前，研究主要集中于人工种植小叶锦鸡儿的饲用价值的影响[18-19]，对于载畜率与小叶锦鸡儿土壤速效养分含量和方位效应的研究较少。本文通过取样调查，研究不同载畜率下的小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分含量，探讨载畜率对小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分的影响，为维持荒漠草原生态系统的稳定性和资源可持续利用提供重要的科学依据。

1 试验研究内容与方法

1.1 试验地概况

试验样地位于内蒙古自治区四子王旗的短花针茅荒漠草原(41°47′17″N，111°53′46″E)，属于典型中温带大陆性气候，春季干旱多风，夏季炎热干燥，多年平均降水量在230 mm。土壤类型为淡栗钙土。试验样地的主要建群种为短花针茅(Stipabreviflora)，主要优势种是冷蒿(Artemisiafrigida)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)，常见植物有银灰旋花(Convolvulusammannii)、木地肤(Kochiaprostrata)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)和驼绒藜(Ceratoideslatens)。

1.2 试验设计

该试验为随机区组设计，建于2004年，至今有18年的放牧实验，各个试验小区面积约为4.4 hm2，实验共设置4个载畜率水平：对照处理CK(0羊单位·hm-2·a-1)、轻度放牧LG(0.93羊单位·hm-2·a-1)、中度放牧MG(1.82羊单位·hm-2·a-1)和重度放牧HG(2.71羊单位·hm-2·a-1)，每个处理3次重复，共计12个小区(如图1所示)。放牧绵羊品种为蒙古羊，于每年6月至11月放牧，每日放牧时间为早晨6时放牧，傍晚18时归牧，放牧期间羊自由采食。

图1 试验小区和区组示意图Fig.1 Schematic diagram for experimental plots and blocks注：CK，对照Control check；LG，轻度放牧Light grazing；MG，中度放牧Moderate grazing；HG，重度放牧Heavy grazing

1.3 研究方法

本试验于2017年8月进行取样，在每个试验小区随机选择大小相近的小叶锦鸡儿各3株，以选定植株为中心，采用以0.25米为半径的同心圆样方法，分东、西、南、北四个方向，每个方向等距离中取土壤样品3次，分别用内径为2 cm土钻钻取0～10 cm的表层土壤，三钻混样(图2)，带回实验室阴干，过1 mm土壤筛，从中挑出石砾和植物根系。将筛过的土壤用于测定土壤碱解氮(AHN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮，碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷，碳酸氢钠浸提-火焰光度法测定土壤速效钾[20]。

图2 固定样地取样样点分布情况Fig. 2 Distribution of sampling points in fixed sites注：1,2,3,4分别代表东、南、西、北四个方向，空心圆代表每个方向中土壤样品的取样点Note:1,2,3,4 represent the for directions of east,south,west and north respetiwely.Hollow circle represents the sampling point of soil samples in each direction

试验结果使用SAS9.4软件将2017年8月的小叶锦鸡儿邻近区域的土壤速效养分含量进行双因素方差分析(调用GLM过程)，多重比较采用Duncan检验法，显著性水平为0.05。将数据进行Kriging点插值计算后，使用Surfer 12.0软件以热图的形式分析小叶锦鸡儿邻近区域的土壤速效养分含量在不同方位、不同载畜率下的变化规律。将养分数据标准化(0-1)处理后进行回归分析，0-1规范化处理为了消除数据量纲和大小的差异，确保数据是在同一量纲或者同一数量级下进行比较，数值较大的数据不会占据较大的权重，将原始数据缩放到[0，1]区间内，公式如下：

式中，x为原始数据，xmax为原始数据中的最大值，xmin为原始数据的最小值，x′为原始数据标准化后的值。使用Sigmaplot 14.0软件进行图形绘制多重比较结果和回归分析图。

2 结果与分析

2.1 小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分含量的方差分析

小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量对载畜率和方位的影响如图3所示。MG和HG处理下的碱解氮含量有显著性差异(P<0.05)，CK、LG处理下无显著性差异。方位为南的小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量要更高，方位为东和北的小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量偏低。不同载畜率下的方位为南和西对碱解氮含量有显著性差异(P<0.05)，方位为东和北无显著性差异。综上所述，MG处理下的小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量偏高，LG处理下的小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量稍偏低。

图3 不同载畜率下小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量Fig. 3 The content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates注：不同大写字母表示不同方向下差异性显著(P<0.05)，不同小写字母表示不同载畜率下差异性显著(P<0.05)。下同Note:Different uppercase letters indicated significant difference in different directions (P<0.05),and different lowercase letters indicated significant difference in different stocking rates (P<0.05).The same as below

土壤速效磷含量对载畜率和方位的响应出现不同的变化如图4所示。CK处理对速效磷含量有显著性差异(P<0.05)。方位为北时，CK处理下速效磷值大，HG处理下值偏小。不同载畜率下，方位为南和北对速效磷含量有显著性差异(P<0.05)，方位为东和西无显著性差异。方位为南时，HG处理下速效磷含量的值偏高，MG处理下的值偏低。方位为北时，CK处理下的值偏高，HG处理下的值偏低。

小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量在不同方位和载畜率下总体呈现下降趋势(图5)。不同方位下的CK和MG处理对速效钾含量有显著性差异(P<0.05)，在LG和HG处理下无显著性差异。CK和MG处理中小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量随方位为东南西北呈现下降趋势。不同载畜率下，方位为东和南对碱解氮含量有显著性差异(P<0.05)，方位为西和北无显著性差异。方位为东和南时，随着载畜率增大，小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量呈下降趋势(MG处理除外)。

图4 不同载畜率下小叶锦鸡儿邻近土壤速效磷含量Fig.4 The content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates

图5 不同载畜率下小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量Fig.5 The content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates

2.2 小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分的热图分析

由于小叶锦鸡儿是固氮的豆科植物，其邻近土壤碱解氮的变化相对复杂。随着载畜率增大和方位变化，小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量呈现先下降后上升的趋势(图6)，表明小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量存在放牧效应和方位效应。在正南方向，载畜率为MG，该含量出现最大值。在LG处理下，不同方位的小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量变化较为平缓，说明方位影响着土壤碱解氮在小叶锦鸡儿周围的分配。在方位为东和北时，呈现两处从内到外数值由小到大变化的闭合等高线，这是小范围的斑块。总体来看，不同方位下，随载畜率增大，小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量的响应趋势不同。

图6 小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量的变化图Fig.6 The variation of content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants

土壤速效磷含量随着载畜率增大和方位变化均呈增大趋势(图7)，说明小叶锦鸡儿邻近土壤速效磷含量存在放牧效应和方位效应。在LG处理区不同方位下土壤速效磷的含量较低。在正南方向，小叶锦鸡儿邻近土壤速效磷含量在MG处理下呈现最小值。并且方位为东和方位为西的速效磷含量类似。方位为北的速效磷含量在CK处理下有最大值。总体来看，方位为北时土壤速效磷的含量最大，土壤速效磷含量随载畜率增大而增大。

小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾随载畜率增大呈先下降后上升趋势，随方位变化而减小(图8)。说明小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量存在放牧效应和方位效应。可明显看出，方位为东时，CK和MG处理的土壤速效钾含量最高。在LG处理下，方位越偏北时其值含量越小，呈现出由中心到四周速效钾含量变大的闭合曲线，说明在LG处理下的小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量对方位的响应较为敏感。相比较碱解氮和速效磷的变化，速效钾含量的变化更为单一。

图7 小叶锦鸡儿邻近土壤速效磷含量的变化图Fig.7 The variation of content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants

图8 小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾含量的变化图Fig.8 The variation of content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants

2.3 小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分的回归分析

小叶锦鸡儿邻近土壤速效钾和载畜率呈线性负相关关系(P<0.05)，碱解氮、速效磷和载畜率呈一元二次关系(P<0.05)(图9)。速效磷含量在载畜率为0.460时出现最小值，碱解氮在载畜率为0.776时出现最大值。碱解氮、速效磷和速效钾的R2接近于1，说明回归拟合效果较好，拟合的方程可以充分表示小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分和载畜率之间的关系。

在CK区(栽畜率为0)时，小叶锦鸡儿邻近的速效钾含量最高，其次是速效磷，碱解氮的含量最低。土壤速效磷在LG区(栽畜率为0.343)时出现最小值；土壤速效钾含量的下降和土壤速效磷含量的上升会促进土壤碱解氮含量的增大，土壤碱解氮在MG区(栽畜率为0.672)时含量最高。在HG区(栽畜率为1)时，小锦鸡儿邻近土壤养分中，碱解氮的含量最高，其次时速效磷和速效钾。不同载畜率处理下，小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分均会呈现不同的响应规律。

3 讨论

土壤速效养分状况是反映土壤肥力的重要指标，可体现出土壤为植物生长提供养分的潜在能力，反映土壤质量情况。植物枯落物的腐解，根系分泌物及土壤动物和微生物的分解是其主要来源[21]。不同植物对土壤化学性状的改善与环境条件有关，尤其在荒漠草原生态系统上，对外界环境的变化更加敏感，土壤养分会出现表聚效应[22]，土壤物质交换主要在表土中进行，植物的根系从深处吸取养分依靠土壤表层的根系调落物矿化释放出的养分[23]。

土壤碱解氮含量反映了土壤的供氮水平，是表征土壤肥力质量的重要指标之一，有研究表明小叶锦鸡儿会使得土壤中碱解氮的含量增加[24]，主要是因为小叶锦鸡儿的氮元素主要来源于植物根瘤固氮，其作为豆科灌木，能够固定空气中的氮素，家畜的粪便是氮含量增加的主要途径。孙宗玖等[25]在草甸草原研究的结果表明，放牧强度增加会使得碱解氮含量呈波动变化，并提出这可能是由于土壤碱解氮含量对放牧强度的响应具有一定的“滞后”性。小叶锦鸡儿在不同的草地类型上的供氮能力不同，氮元素含量较少或者不能供应自身的生长需要时，其固氮能力也可能会受到气候因素或其他因素的影响。

土壤速效磷是指能够被植物体吸收利用的养分，以多种方式参与植物体内的生理过程，对提高植物的抗旱、抗寒有着良好的作用，如果缺乏速效磷，就会使植被发育受到影响[26]。土壤磷的来源主要包含有机质的输入和母岩分化的补充[27]。在本试验处理区为LG时，土壤速效磷的含量最低，适度放牧抑制了小叶锦鸡儿对速效磷的吸收，增加放牧强度会加强对速效磷的吸收。土壤速效磷含量降低可能是由于土壤中磷素的微生物和非生物的固定作用下降所致。这与李浩等[28]在典型草原的研究结果相符。磷元素适宜于偏酸性的土壤环境，本研究区域的土壤呈碱性并且取样时间为8月，温度较高会使得土壤磷元素容易活化，这会大大减少对磷元素的固定。在中度放牧与重度放牧区中，牲畜为了自身生长的需要，通过采食植物的方式吸收养分,小叶锦鸡儿的种群数量变少，使得这些养分归还到临近的土壤中。

土壤速效钾含量影响着植物钾元素营养的多少。在本研究中随着载畜率增加，小叶锦鸡儿临近速效钾的含量下降，可能是因为过度放牧条件下，家畜的采食和践踏程度加剧，使速效钾地上部分归还量减少，CK区的土壤速效钾更容易被小叶锦鸡儿的根系吸收，有利于土壤速效钾养分的循环利用。刘佳[29]的研究表明，随放牧强度增加，荒漠草原主要植物种群的速效钾含量减少，这与本研究的结果一致，说明重度放牧条件下土壤速效钾流失较快。

对于土壤速效养分之间的关系的研究中，常帅等[30]在内蒙古锡林郭勒草原中发现，土壤碱解氮和速效磷呈极显著的正相关关系，与速效钾无明显关系。在本研究中，方位为南且在LG处理下，小叶锦鸡儿邻近土壤碱解氮含量最高，而速效磷的含量最低。这可能是小叶锦鸡儿作为灌木可抵抗风寒，南部的光照时间较长，导致温度升高，相应的水分含量会下降，这些外界条件的影响会使得土壤碱解氮含量与速效磷含量呈现对抗的关系。小叶锦鸡儿对其中心一定距离某点的影响并不一定在任何方向上的同一距离均有相同的作用，这与冠层物理效应的空间不对称性有关，所以小叶锦鸡儿对邻近范围的影响具有相对性[31]，即方位效应。太阳辐射和风是导致方位效应的主要物理因素，温带地区太阳辐射分布的不对称性使灌木不对称，从而导致微环境的变化而产生微环境相对温和的方向和相对严酷的方向[32]。LG处理下，土壤碱解氮含量与速效钾含量平衡，速效磷含量出现最低值。MG处理下，土壤速效磷和速效钾含量平衡，碱解氮含量出现最高值。土壤中的氮能促进植物根系的生长，在植物根系生长的过程中会分泌出一些分子有机酸物质，这些物质在一定程度上促进了土壤磷素的活化作用，本研究中碱解氮和速效钾含量呈正相关关系是在轻度放牧处理之后，可能是适度放牧使得土壤中养分含量的关系更为显著[33]。载畜率对土壤速效钾含量影响不明显[12]，这可能和土壤中钾元素的来源有关[34]。在不同草地类型下，土壤速效养分的变化也不尽相同，所以要结合当地的土壤类型情况具体分析。土壤作为植物养分的主要供应者，还需长时间野外观测与调查，进而深入研究小叶锦鸡儿邻近土壤速效养分的变化情况，对内蒙古短花针茅荒漠草原可持续发展有重要的指示意义。