放牧显著降低中国草地生态系统土壤含水量

王云英，裴薇薇，王 新，文焱斌，杜岩功

（1.中国科学院西北高原生物研究所, 青海 西宁 810008；2.中国科学院大学, 北京 100049）

草地生态系统是我国重要的绿色生态屏障。我国草地总面积约4 亿hm2[1]，占国土面积的41.7%[2]，是我国面积最大的陆地生态系统[3]，对保障我国生态安全具有重要作用[4]。近年来，由于全球气候变化[5]、人类对草地资源的不合理开发利用[6]、当地的经营理念[7]和人类活动加剧[8]，草地退化问题进一步加剧，从而影响当地牧民的经济与生态安全[9]。

土壤水分含量直接影响植被生长以及分布格局[10]，对于陆地土壤－植被－大气连续体的相互作用至关重要[11]。土壤水分变化受到土地利用方式的影响[12]。放牧是草地生态系统的重要利用方式[13]。已有研究发现重度放牧家畜践踏降低土壤孔隙度和土壤含水量，且放牧强度对于表层土壤含水量的影响较强[14]。同时放牧处理下，土壤容重增加，土壤含水量下降[15]。放牧活动直接影响草地生态系统地上生物量和土壤容重的变化，间接影响土壤含水量，禁牧处理主要通过增强水分入渗速率和饱和含水量，增加土壤含水率[16]。

降水是草地土壤水分的主要来源[17]，草地表层土壤水分含量波动剧烈[15]。温度主要是通过影响土壤温度来影响土壤含水量，增温处理下三江源地区0－10 cm 土层土壤含水量提高了27.65%[18]。在一定的海拔区域内，海拔升高降低土壤含水量[19]。现阶段，关于放牧对于土壤含水量的影响也有很多研究所涉及到，但因地理环境和气候条件的差异缺少大范围变化的统计分析。故本研究借助Meta 分析技术，以我国草地生态系统为研究对象，揭示放牧对我国草地生态系统土壤含水量的影响及其对环境因子的响应机理。

1 研究内容与方法

1.1 数据收集

通过中国知网数据库，检索条件关键词“草地”或“草原”或“草甸”或“荒漠”或“沼泽”，且“放牧”且“土壤含水量”，共计搜索到中英文论文158 篇。通过原文下载，按照如下准则进行文章筛选：研究对象为我国草地生态系统，且试验均是在植物生长季进行的。最后选用33 篇文章中258 组数据展开统计分析，以图片发表的论文数据，采用WebPlotDigitizer软件进行数据提取。提取文献中的数据包括土壤含水量、温度、海拔、土壤容重、地上生物量、土壤全氮、土壤pH、土壤有机质等环境因子，并按照不同植被类型进行相应的分类。研究样地主要分布于内蒙古、新疆、青海、西藏、黑龙江、宁夏、河北、甘肃和四川9 个省（自治区）。

1.2 基于均值的效应值 (反应比)

式中：xe为放牧草地蒸散量均值，xc为对照的均值。与效应值相对应的研究内方差：

式中：Se为处理的标准差，Sc为对照的标准差，Ne和Nc分别为实验组和对照的样本量。

基于随机效应模型的平均效应值及置信区间的计算：

w*i=1/(vi+τ2)

单个研究结论的权重： ；

1.3 数据统计分析

使用Excel 2010 进行数据的整理分析，数据的分析采用R 语言 (4.2.1 版本) Metafor 包进行森林图的制作。效应值和平均效应值的计算采用随机效应模型。同时利用增强回归树模型进行环境因子相对贡献率的计算，最后利用SPSS 21.0 进行多元回归分析。文章中所有图件均用Origin 2022 软件制作。

2 结果与分析

2.1 放牧对我国草地生态系统土壤含水量影响的平均效应值

放牧对我国草地生态系统土壤含水量影响的平均效应值为-0.111 (95%置信区间：-0.144～-0.077)(图1)，效应值检验结果表明，放牧极显著降低土壤含水量(P＜ 0.01)，降低幅度约为10.51%。放牧使得0－10 、10－20 和20－30 cm 草地土壤含水量分别下降了14.53%、11.71%和9.52% (图2)。效应值异质性检验发现本研究数据异质性较强(P＜ 0.001)，需引入解释变量对异质性的来源进行进一步分析。

图1 放牧对我国北方草地生态系统土壤含水量影响效应值森林图Figure 1 Forest plots of effect size of grazing activity on soil water content in northern China

图2 不同放牧强度对不同土层土壤含水量影响的效应值Figure 2 Effect values of different grazing intensities on soil water content in different soil layers

因此，本研究引入分类变量(不同放牧强度)，探讨轻度、中度和重度放牧处理对不同深度土壤含水量的影响。随放牧强度增加，土壤含水量呈下降趋势，且达到显著性水平(P＜ 0.05)和极显著性水平(P＜ 0.01)。整体而言，轻度放牧草地0－30 cm 土层均呈现较弱降低趋势，轻度和重度放牧对表层(0－10 cm)土壤影响最高，10－20 cm 次之，20－30 cm影响最低(图2)。

2.2 放牧对不同草地植被类型土壤含水量影响的平均效应值

土壤含水量因不同植被类型的变化存在较强异质性，放牧对草地土壤含水量的影响主要体现在0－10 cm 土层，且随土层加深显著降低(P＜ 0.05)(图2)。草甸草原在中度和重度放牧处理下，0－10 和10－20 cm 土壤含水量差异不显著(P＞ 0.05) (图3)。0－10 和10－20 cm 土层上，放牧对草甸草原影响最大，从小到大的影响顺序分别为草甸草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 典型草原 ＞ 高寒草甸；草甸草原 ＞ 高寒草甸 ＞荒漠草原 ＞ 典型草原。典型草原在20－30 cm 土层受放牧影响最大，高寒草甸和荒漠草原次之，草甸草原受影响最小。整体而言，0－30 cm 土层上放牧对不同草地植被类型土壤含水量影响的从大到小的顺序为草甸草原 ＞ 典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 高寒草甸。

图3 对比分析放牧强度对不同草地类型和土层深度土壤含水量的影响Figure 3 Comparison of the effects of different soil layers on grazing intensity of grassland vegetation types

2.3 平均效应值对气候因子及土壤理化性质等连续变量的响应特征

本研究引入连续变量如温度、降水量、海拔、地上生物量、土壤容重、全氮、pH 和有机质等，通过随机森林方法发现，温度、降水量、海拔和土壤容重4 种环境因子对0－30 cm 土层含水量贡献率较高。放牧可分别解释93.90%、87.66%、90.64%的对0－10、10－20 和20－30 土层的土壤含水量(图4)。多元逐步回归结果发现温度、降水量、土壤容重和pH 对土壤含水量存在显著影响(P＜ 0.05)。轻度放牧、中度放牧及重度放牧3 种放牧梯度回归系数分别是0.735、0.852 和0.944，且均达到显著性水平(P＜ 0.05) (表1)。

表1 环境因子对不同放牧强度草地土壤含水量影响的拟合方程Table 1 Multiple regression analysis of environmental factors on grassland vegetation types with different grazing intensities

3 讨论

作为植物生长发育水分主要来源，土壤水分是作物吸收养分重要条件[20]。植物的根系从土壤中吸水，沿着根毛进入导管，上运到叶片，再由叶气孔扩散到大气，形成了水分运行的土壤－植物－大气连续体。本研究发现放牧对草地生态系统土壤含水量存在显著负相关关系，放牧处理下，土壤含水量下降，且主要作用于表层土壤含水量。这与益西措姆等[21]、杨红善等[22]、郑伟等[23]的研究结果一致。主要有以下两个原因，一方面，放牧处理下，家畜踩踏草地使土壤紧实度增加，降水入渗补给下降，故土壤含水量下降[24]；另一方面，当草地载畜率增大时，地表蒸发是草地中土壤水分的损失的主要原因，同时，放牧处理主要通过改变地表凋落物的量来影响土壤温度和土壤表面的蒸发[25]。重牧处理下，内蒙古针茅(Stipa mongolorum)草原土壤含水量较对照降低了40.17%[26]。本研究中，0－10 cm 土壤含水量于重度放牧处理下较对照下降了21.55%，猜测可能是因为土壤渗透阻力在重牧处理下下降，故土壤含水量下降[26]。

土壤水分在很大程度上影响草地植被生产力，本研究中，地上生物量变化对土壤含水量变化的贡献率在0－10 cm 上的值为2.76%，且放牧对表层土壤0－10 cm 土壤中影响最大，究其原因可能是由于放牧使得草地地上生物量下降，故植被光合速率下降[27]，土地裸露面积增大，阳光穿透增加，土壤蒸发增大[28]。

土壤含水量受土壤地形、植被、气候和人类活动干扰等各种环境因素的影响[29]。本研究中，环境因子温度、降水、海拔、全氮和土壤容重等对草地土壤含水量存在显著影响。温度、土壤容重和土壤pH 是影响土壤含水量的显著负效应因子，降水、全氮和海拔是其主要显著正效应因子。降水量的增加会促进更多水分渗入到土壤，故土壤含水量上升[30]。海拔的变化亦会影响土壤含水量变化，在高海拔地区，土壤含水量对降水的响应更为强烈[31]。海拔越高，土壤蒸发和植物蒸腾越弱，故土壤含水量升高[32]。温度的上升会导致土壤蒸发量增大，致使土壤水分含量下降[33]。土壤容重增大致使土壤孔隙度下降，故土壤水分含量下降[14]。全氮含量是影响土壤氮素总量和植被有效氮素的源和库，进而影响土壤含水量变化[34]。本研究中，土壤含水量与土壤pH 之间呈负相关关系，土壤水分蒸发使盐分随毛管水聚集于地表，土壤pH 增大，故土壤含水量下降[35]。

4 结论

本研究中，放牧显著降低草地土壤含水量。在水平尺度上，土壤含水量随放牧强度的增加显著减小，轻度放牧处理对土壤含水量影响较小；垂直尺度上，放牧对表层土壤含水量影响最大，且放牧对土壤含水量的影响随土层深入而减少。从植被类型角度分析，在该研究综述中放牧对于0－30 cm 土层土壤含水量的影响从大到小为草甸草原 ＞ 典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 高寒草甸。

环境因子中，温度、降水量、海拔和土壤容重对草地土壤含水量影响最大。土壤容重显著降低0－30 cm 土层土壤含水量，温度、降水量和海拔、全氮和土壤pH 等环境因子影响放牧草地土壤含水量的主要调控因子。