蘇振聲，孫永芳，付娟娟，褚希彤，許岳飛，呼天明

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動物科技學(xué)院，陜西 楊凌712100)

西藏草地主要以高寒草甸為主，總面積為6.37萬hm2，其中可利用面積為5.88 萬hm2。西藏高寒草甸既是重要的生態(tài)保護(hù)屏障，又是當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的基本生產(chǎn)資料，具有多重功能和效益［1-2］。高寒草甸風(fēng)蝕化程度低、土層薄、粗骨性強(qiáng)，加之高原氣候寒冷，土層下部為凍土層，地表在反復(fù)凍融過程中容易出現(xiàn)龜裂和草皮剝落而形成裸地，在大風(fēng)吹蝕下產(chǎn)生沙漠化［1］。西藏草甸大多分布在高海拔地區(qū)，近年來，由于受自然氣候和人類活動的影響，西藏高寒草甸土壤退化嚴(yán)重，其主要原因是氣候變遷、極度脆弱的生態(tài)環(huán)境、過度放牧以及草地管理制度的不完善等［2］，草地植被蓋度減少了80%左右，近30%的草地出現(xiàn)了嚴(yán)重退化，草地鼠、蟲等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，毒草滋生蔓延，畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑，草原生態(tài)屏障和水源涵養(yǎng)功能正在逐步減弱和喪失［3］。

高寒草甸的形成是一個長期復(fù)雜的過程，其發(fā)育成的草氈寒凍雛形土有機(jī)質(zhì)含量較高，是碳素的巨大儲備庫。高寒土壤隨季節(jié)凍融變化和晝夜融凍交替變化明顯，土壤中微生物活動比較弱，以致死亡根系和枯枝落葉難以分解，長期積累于土壤表層，形成根系盤根錯結(jié)的草氈表層，物質(zhì)風(fēng)化程度弱，土壤有機(jī)物質(zhì)和全量養(yǎng)分含量豐富［4］。植物賴以生存的氮、磷、鉀元素主要由土壤提供，家畜的采食對土壤有機(jī)質(zhì)，氮、磷、鉀元素影響大。家畜在采食過程中，除了踐踏草地影響土壤物理結(jié)構(gòu)外，還通過畜體本身的采食活動和對營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步影響草地的營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，從而使高寒草甸土壤的化學(xué)組成發(fā)生變化。通常情況下，高寒草甸土壤的化學(xué)變化和物理變化相互影響，而過度放牧使這種影響更加劇烈，造成草地急劇退化，土壤嚴(yán)重沙化［5］。本研究主要分析放牧對土壤養(yǎng)分的影響，揭示不同放牧梯度與土壤養(yǎng)分之間的內(nèi)在聯(lián)系，旨在為合理放牧和有效保護(hù)西藏高寒草甸提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

試驗地建立在西藏自治區(qū)林芝地區(qū)工布江達(dá)縣加興鄉(xiāng)松多三村邦杰塘野外試驗站(29°87' N，93°38' E)，海拔高度為4 450 m，年平均氣溫3. 8℃，1 月最冷，平均氣溫為－10.5 ℃，7 月最熱，平均氣溫為9.3 ℃，該地區(qū)屬典型高原溫帶半濕潤氣候，植物生長期為120 d 左右，年降水量為550 mm，主要集中在6 －9 月，全年日照時間為2 016 h，無絕對無霜期，土壤類型為高山草甸，草地類型為高山嵩草草甸。草地植被主要有高山嵩草(Kobresia pygmaea)、西藏羊茅(Festuca walli)、高原唐松草(Thalictrum cultratum)、西藏粉報春(Primula puilio)、紫花針茅(Stipa purpurea)、高山大戟(Euphorbia stracheyi)、高山點地梅(Amdrodace gmelinii)、高山紅景天(Rhodiola rosea)、馬先蒿(Pedicularis reaupinanta)、肉果草(Lancea tibetica)、條裂銀蓮花(Anemone trullidolia)、高山委陵菜(Potentilla polyschista)、火絨草(Leomtopidium alpinum)、獨一味(Lamiophlomis rotate)等植物。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 2010 年5 月至2012 年9 在西藏邦杰塘野外建立試驗站，設(shè)定試驗樣地，用網(wǎng)圍欄分割各樣地，放牧家畜為西藏牦牛(Bos grunniens)，性別為雌性，體重(100 ±5)kg，年齡均為48 月齡，連續(xù)進(jìn)行3 年的試驗，本文以第3 年數(shù)據(jù)為主，前兩年數(shù)據(jù)為參考。根據(jù)試驗地上的平均生物量、家畜體重和草地面積以及放牧?xí)r間等因素來確定放牧牦牛的頭數(shù)(放牧強(qiáng)度)，即對照零放牧(NG)、適度放牧(MG)、延遲+適度放牧(DMG)、延遲+重度放牧(DHG)、重度放牧(HG)，5 個處理，每處理3 個重復(fù)，共15 個樣地，隨機(jī)排列。適度放牧和重度放牧開始時間為6 月初，至9 月初結(jié)束放牧;而延遲+適度放牧和延遲+重度放牧開始時間為7 月初，9 月初結(jié)束放牧(表1)。

1.2.2 取樣 2012 年9 月前測定試驗數(shù)據(jù)(放牧結(jié)束)。按照對角線取樣法，在每個試驗小區(qū)內(nèi)選定3 個具有代表性固定樣點取樣，在每個樣點上隨機(jī)選取5 個樣方，在每個樣方內(nèi)分層采集0－10、10 －20 和20－30 cm 的土壤，將土壤樣品帶回實驗室自然風(fēng)干，分別用0.2 和1.0 mm 的篩子篩后留用。按照鮑士旦［6］的方法，測定土壤中有機(jī)質(zhì)(重鉻酸鉀容量法)、pH 值(1/2.5 土水比、電位法測定)、全氮(凱氏法消解，AA3 連續(xù)流動分析儀測定)、全鉀(NaOH熔融、火焰光度法)、全磷(H2SO4-HClO4消解，硫酸鉬銻抗比色法)、速效氮(1.0 mol·L－1KCL 浸提，AA3 連續(xù)流動分析儀測定)、速效鉀(1.0 mol·L－1NH4OAc 浸提、火焰光度法)、速效磷(0.5 mol·L－1NaHCO3浸提，硫酸鉬銻抗比色法)。

表1 放牧試驗設(shè)計Table 1 Design of grazing test

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析用SPSS 15.0 統(tǒng)計軟件，用One-way ANOVA 進(jìn)行單因素方差分析，對顯著差異的使用Duncan’s 法對平均值進(jìn)行多重比較分析，統(tǒng)計圖形在Sigmaplot 10.0 軟件中繪制。

2 結(jié)果

2.1 不同放牧強(qiáng)度對土壤全氮、全磷、全鉀的影響

放牧強(qiáng)度從弱到強(qiáng)依次為零放牧、延遲+適度放牧、適度放牧、延遲+重度放牧和重度放牧，0 －10 cm 土壤全氮含量，延遲+重度放牧和重度放牧下的全氮含量顯著小于對照(零放牧)下全氮含量(P ＜0.05)，其他各放牧下全氮含量變化與對照差異不顯著(P ＞0.05);在10 －20 cm 土壤中，在延遲+重度放牧和重度放牧下全氮含量差異不顯著，但均顯著低于其他放牧強(qiáng)度下全氮的含量，其他各放牧強(qiáng)度下全氮含量與對照沒有顯著差異;隨著放牧強(qiáng)度增加，在20 －30 cm 土壤中，除延遲+重度放牧下全氮含量增加，與對照之間沒有顯著差異，其他各放牧強(qiáng)度下全氮含量顯著減少(P ＜0.05)(圖1)。在0－10 cm 土壤中，重度放牧下全磷含量顯著低于對照，其他不同的放牧強(qiáng)度下全磷變化差異不顯著(P＞0.05);在10 －20 cm 土壤中，延遲+適度放牧下全磷含量顯著高于對照，重度放牧?xí)r顯著低于對照，適度放牧和延遲+重度放牧下與對照差異不顯著;在20 －30 cm 土壤中，隨著放牧強(qiáng)度的增加，全磷沒有顯著變化。在0 －10 cm 土壤中，全鉀含量隨著放牧強(qiáng)度的增加升高后減少，除延遲+重度放牧外各放牧強(qiáng)度下全鉀含量均顯著高于對照;10 －20 cm土壤中，各放牧強(qiáng)度下全鉀含量均顯著高于對照，延遲+適度放牧、適度放牧、延遲+重度放牧下全鉀含量差異不顯著;20 －30 cm 土壤中，適度放牧下全鉀含量顯著高于對照。

2.2 不同放牧強(qiáng)度對土壤速效氮、速效磷、速效鉀的影響

在0 －10 cm 土壤中，適度放牧下速效氮的含量與對照之間沒有差異(P ＞0.05)，其他各放牧強(qiáng)度下速效氮含量顯著低于對照(P ＜0.05);在10 －20 cm 土壤中，速效氮整體呈現(xiàn)減少局勢，但延遲+重度放牧與對照沒有差異(P ＞0.05);在20 －30 cm土壤中，除適度放牧下速效氮與對照沒有顯著差異外，其他各放牧強(qiáng)度下速效氮含量均顯著低于對照(圖2)。在0 －10 cm 土壤中，隨放牧強(qiáng)度增加，速效磷含量先減少后增加，重度放牧下速效磷含量顯著高于對照(P ＜0.05);在10 －20 cm 土壤中，延遲+適度放牧、延遲+重度放牧的速效磷含量差異不顯著，但均顯著低于對照和其他放牧強(qiáng)度下速效磷的含量，其他各放牧強(qiáng)度下與對照差異不顯著;在20 －30 cm 土壤中，適度和重度放牧下速效磷的含量顯著高于對照。隨放牧強(qiáng)度增加，在0 －10 cm 土壤中，適度放牧速效鉀含量略高于對照(P ＞0.05)，重度放牧強(qiáng)度下速效鉀含量顯著低于對照;在10 －20 cm 土壤中，重度放牧速效鉀含量顯著低于對照，其他各放牧強(qiáng)度下速效鉀含量差異不顯著;在20 －30 cm 土壤中，隨放牧強(qiáng)度增加，速效鉀含量先增加后減少，延遲+適度放牧?xí)r速效鉀含量顯著高于對照，其他各放牧強(qiáng)度下速效鉀含量顯著低于對照。

2.3 不同放牧強(qiáng)度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

0 －10 cm 土壤中有機(jī)質(zhì)含量隨著放牧強(qiáng)度增加而降低，在不同的放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)含量變化差異顯著(P ＜0.05)，且均顯著低于對照，延遲+重度放牧和重度放牧?xí)r，有機(jī)質(zhì)含量低于其他各放牧強(qiáng)度下有機(jī)質(zhì)含量;10 －30 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量隨放牧強(qiáng)度的增加而減少，各放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著低于對照(圖3)。

2.4 不同放牧強(qiáng)度對土壤pH 值的影響

土壤呈酸性，pH 值小于6.2，隨著土壤深度的增加pH 值也相應(yīng)升高。在0 －30 cm 土壤中，不同的放牧強(qiáng)度對土壤pH 值沒有顯著影響(P ＞0.05)(圖4)，可能與土壤微生物的活動、有機(jī)質(zhì)的合成與分解、土壤保持養(yǎng)分的能力以及土壤重金屬元素的存在形態(tài)更密切。

圖1 不同放牧強(qiáng)度對土壤全氮、全磷和全鉀含量的影響Fig.1 Effects of grazing intensity on contents of soil total nitrogen，total phosphorus and total potassium

圖2 不同放牧強(qiáng)度對土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量的影響Fig.2 Effects of grazing intensity on content of soil available nitrogen，available phosphorus and available potassium

圖3 不同放牧強(qiáng)度對土壤有機(jī)質(zhì)的影響Fig.3 Effects of grazing intensity on content of soil organic matter

圖4 不同放牧強(qiáng)度對土壤PH 值的影響Fig.4 Effects of grazing intensity on soil p H

3 討論

高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有著獨特的生物地球化學(xué)過程，擁有豐富的碳儲量，其中，大約90%的碳儲存在土壤中［7］，而土壤中氮素、磷素和有機(jī)質(zhì)等是土壤主要的養(yǎng)分指標(biāo)。植物為土壤提供大量的有機(jī)物質(zhì)，經(jīng)過土壤中微生物的活動，有機(jī)質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)化為土壤腐殖質(zhì)，供植物生長需要。土壤有機(jī)質(zhì)不僅可以提高土壤含水量、團(tuán)聚體和土壤結(jié)構(gòu)，還可以增加土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力和土壤陽離子交換能力［8］。西藏高原氣候寒冷，晝夜溫差大，土壤微生物活動弱，土壤中有機(jī)體分解緩慢，家畜放牧活動成為改變土壤碳素最主要的因素之一。本研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著放牧強(qiáng)度的增加而降低，短期放牧直接影響著0 －10 cm 土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，長期放牧可以影響到10 －30 cm 深層土壤中有機(jī)質(zhì)含量。究其原因可能是，在草地生態(tài)循環(huán)過程中，重度放牧強(qiáng)度顯著影響著土壤有機(jī)質(zhì)的含量，家畜通過采食使植物枯枝落葉量減少，降低草地生態(tài)系統(tǒng)中碳的含量［9］，也降低了草地的生產(chǎn)力，導(dǎo)致土壤中碳的輸入量下降;另一原因可能是放牧活動踐踏等使土壤本身發(fā)生變化，植物在進(jìn)行不斷補(bǔ)償性生長過程中，吸收了大量的土壤養(yǎng)分，從而影響了土壤有機(jī)質(zhì)的含量。

氮、磷元素對土壤有著重要影響，對土壤的物理結(jié)構(gòu)維持和改善尤為重要［10］。眾多學(xué)者對青藏高原草甸植被系統(tǒng)的研究表明，在植物生長期間，放牧可以提高土壤硝態(tài)氮和氨態(tài)氮含量，加速土壤的硝化反應(yīng)［11］。本研究表明，隨著放牧強(qiáng)度增加，土壤中全氮含量減少?？赡苁请S著放牧強(qiáng)度增加，草地植被減少，牧草吸收無機(jī)氮量逐漸減少，土壤中有機(jī)質(zhì)可溶性物質(zhì)增加，為土壤微生物的生命活動提供了大量富含碳、氮基團(tuán)的物質(zhì)，從而促進(jìn)了氮素礦化［12］，導(dǎo)致土壤中全氮含量的減少。在0 －30 cm土壤中，不同放牧強(qiáng)度對土壤全磷含量的影響較小，可能是由于西藏高原高寒草甸土壤中磷含量少，高寒土壤中磷含量主要受氣候環(huán)境、土壤類型等因素的影響。土壤中鉀在土壤、牧草和家畜之間構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)，家畜通過牧草攝入的鉀，除20%左右通過糞便返回草地外，大約80%都是通過尿液返回草地［13］。本研究表明，土壤全鉀含量除10 －20 cm 土層外隨著放牧強(qiáng)度的增加先增加后減少，但均高于對照。主要原因是，鉀本身很容易從土壤膠體上被代換出來，而鉀化合物一般不揮發(fā)，在水中溶解度比較高。隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤中全鉀含量增加，是由于家畜糞便為土壤提供大量鉀，在高強(qiáng)放牧中，家畜糞便提供給土壤鉀含量超過了土壤提供給植被生長時鉀的含量，從而導(dǎo)致土壤中鉀的含量增加［14-16］。

土壤速效養(yǎng)分動態(tài)變化反映著土壤實際的供肥能力［17］。速效養(yǎng)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤的溫度、濕度、含水量，尤其是與土壤中微生物活動關(guān)系緊密［18］。本研究表明，土壤中速效氮含量除10 －20 cm 土層外隨著放牧強(qiáng)度的增加而降低，這是因為隨著放牧強(qiáng)度的增加，家畜對草地采食量明顯增加，植物在不斷地進(jìn)行補(bǔ)償性生長時，對速效氮的需求也隨之增大。速效磷的變化沒有定律，20 －30 cm 土層，適度放牧?xí)r速效磷的含量高于對照，但表層土壤(0 －10 cm)中，速效磷含量卻顯著低于對照。這主要是因為在適度放牧強(qiáng)度下，家畜反復(fù)采食刺激了牧草再生，導(dǎo)致表層土壤速效磷含量減少，引起深層土壤全磷各組分向速效磷轉(zhuǎn)移量增加［19］。本研究表明，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤中特別是表層土壤速效鉀的含量除0 －10 cm土層外，其他土層先增加后降低，其主要原因是牲畜排泄的糞便中鉀的含量大，隨著放牧強(qiáng)度的增加，牧地單位面積家畜數(shù)量多，糞便排泄量大，草地鉀含量也相應(yīng)增加［14-15］。

4 結(jié)論

隨著放牧強(qiáng)度的增加，西藏高寒草甸土壤有機(jī)質(zhì)含量減少;延遲+適度放牧和適度放牧能夠提高土壤中全磷、全鉀含量，也能緩解其他養(yǎng)分的減少;重度放牧降低土壤全氮、速效氮、速效鉀含量。超載放牧是造成高寒土壤養(yǎng)分減少和草地退化的主要原因，延遲+適度放牧和適度放牧可以維持土壤養(yǎng)分，保護(hù)草地生態(tài)平衡，防止高寒草地進(jìn)一步退化。

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