李瑞華，李曉兵，王　宏，鄧　飛，李　旭

1 北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京　100875

2 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作　454000

3 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100875

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內(nèi)蒙古典型草原放牧壓力評(píng)價(jià)及土壤N儲(chǔ)量響應(yīng)

李瑞華1,2，李曉兵1,3,*，王宏1，鄧飛1，李旭1

1 北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京100875

2 河南理工大學(xué)測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，焦作454000

3 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875

摘要:放牧是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要干擾，是草原氮循環(huán)的重要影響因素。為了揭示放牧對(duì)土壤N儲(chǔ)量的影響，在內(nèi)蒙古典型草原，基于單位草原面積草原載畜量和單位草原生產(chǎn)力，建立了放牧壓力評(píng)價(jià)模型，并利用1990—2011年以縣為單位統(tǒng)計(jì)的放牧牲畜數(shù)據(jù)和2001—2011每年合成的MODIS-NDVImax影像數(shù)據(jù)評(píng)估了放牧壓力的空間分布?；?011年野外調(diào)查的95個(gè)樣點(diǎn)和2010年調(diào)查的41個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)處于低放牧壓力(LG)，中放牧壓力(MG)和高放牧壓力(HG)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：放牧壓力對(duì)土壤容重(BD)，土壤全碳(TC)含量和土壤全氮(TN)含量具有顯著影響，特別在土壤表層(0—10cm)，土壤容重、TC含量和TN含量在LG，MG和HG之間存在顯著差異。TC含量和TN含量隨放牧壓力增加而降低，BD隨放牧壓力增加而增加；黏粒含量(CC)在3個(gè)放牧壓力梯度上不存在顯著差異；土壤N儲(chǔ)量表現(xiàn)出和TN含量相似的變化特征，隨土壤深度增加而降低，隨放牧壓力增加而減少，在0—50cm范圍內(nèi)，土壤N儲(chǔ)量在LG、MG和HG之間存在顯著差異(2011，P<0.05; 2010，P<0.1)。重度放牧是草原生態(tài)系統(tǒng)氮損失的主要因素之一，降低放牧壓力有助于降低草原氮損失和恢復(fù)植被生產(chǎn)力。

關(guān)鍵詞：NDVI；載畜量；放牧壓力梯度；土壤N儲(chǔ)量；內(nèi)蒙古

氮是植被生長(zhǎng)關(guān)鍵的限制因素之一[1]，特別是干旱半干旱區(qū)的自然草原生態(tài)系統(tǒng)[2]。放牧是草原生態(tài)系統(tǒng)利用的主要形式[3]，是塑造草原群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵干擾[4]，其對(duì)植被生長(zhǎng)的積極和消極作用還存在爭(zhēng)議[4- 9]。分析放牧對(duì)土壤氮的影響，有助于理解放牧管理對(duì)牧場(chǎng)健康的作用效果[8]，隨著對(duì)草原可持續(xù)利用的關(guān)注日益增加和發(fā)展可持續(xù)的草原利用實(shí)踐，需要定量確定土壤N儲(chǔ)量對(duì)放牧壓力的響應(yīng)[2]。

過(guò)度放牧被認(rèn)為是草原退化的主要原因之一[10- 11]。放牧壓力和物種組成相互作用影響土壤N動(dòng)態(tài)，而土壤N動(dòng)態(tài)反過(guò)來(lái)影響植被結(jié)構(gòu)和物種組成[12]。牲畜生產(chǎn)被認(rèn)為N損失的主要源泉[13]。圍封試驗(yàn)也表明相比于開(kāi)放的牧場(chǎng)，圍封能夠顯著提高表層土壤N儲(chǔ)量[10]。由于自由放牧的天然牧場(chǎng)和圍封控制實(shí)驗(yàn)的草原環(huán)境存在一定的差異，采用圍封控制實(shí)驗(yàn)得到的放牧壓力梯度及土壤N儲(chǔ)量響應(yīng)與天然草原放牧壓力梯度引起的土壤N儲(chǔ)量響應(yīng)是否一致，目前仍不清楚。另外，空間尺度對(duì)于理解生態(tài)系統(tǒng)功能響應(yīng)是一個(gè)重要維度，因?yàn)橛绊懙姆较蚝土考?jí)是系統(tǒng)或尺度依賴的[6,14]。在區(qū)域尺度上放牧如何對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能和土壤N儲(chǔ)量影響的研究仍然缺乏[15]。放牧壓力通常采用每公頃每月載蓄量計(jì)算，由于植被生產(chǎn)能力的差異，載畜量指示的放牧壓力在不同樣地之間難以進(jìn)行比較[16]。而在區(qū)域尺度上將單位面積承載的牲畜數(shù)量和植被生產(chǎn)力相結(jié)合進(jìn)行放牧壓力評(píng)估，比較不同放牧壓力梯度上土壤N儲(chǔ)量的變化特征還未見(jiàn)報(bào)道。

當(dāng)前，溫帶草原大部分牧場(chǎng)正遭受過(guò)度放牧，多數(shù)草原由于過(guò)度放牧和不合理的管理正在退化，特別是在干旱和半干旱草原[17]。內(nèi)蒙古溫帶半干旱草原是溫帶歐亞草原的重要組成部分，覆蓋了20%的中國(guó)草地面積[18]，在過(guò)去幾十年內(nèi)，天然草原遭受了過(guò)度放牧，已經(jīng)導(dǎo)致大約30%—50%草原存在退化[19]。隨著土壤特性的變化，土壤養(yǎng)分耗竭和生態(tài)服務(wù)功能降低，已引起了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)，社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)政府在最近幾年加強(qiáng)了該區(qū)植被覆蓋的研究和實(shí)踐探索[20- 21]。然而，在區(qū)域尺度上放牧對(duì)土壤特性影響的研究依然很少有人關(guān)注[22]。

基于單位草原面積載畜量和植被生產(chǎn)力，本文建立了草原放牧壓力評(píng)估模型，并利用該模型評(píng)估和分析了內(nèi)蒙古典型草原放牧壓力的空間分布及土壤N儲(chǔ)量響應(yīng)。本文研究目的是評(píng)價(jià)區(qū)域草原放牧壓力的空間分布，分析不同放牧壓力土壤N儲(chǔ)量及相關(guān)的土壤特征存在的差異，在區(qū)域尺度上揭示土壤N儲(chǔ)量對(duì)放牧壓力變化的響應(yīng)。

1研究區(qū)域

研究區(qū)域?qū)儆趦?nèi)蒙古典型草原，位于經(jīng)度113°27′—119°12′，緯度43°2′—46°44′之間，包括阿巴嘎旗、錫林浩特市、西烏珠穆沁旗和東烏珠穆沁旗的大部分區(qū)域(圖1和圖2)。該區(qū)域?qū)儆谥袊?guó)的半干旱區(qū)域，年平均降水量270mm(在200到350mm之間變化)，降雨集中于6—8月份，占全年降水量60%—80%。年平均溫度2.2℃(在-2.3℃和5.6℃之間變化)[23]，季節(jié)溫差大，1月份溫度最低，最低溫度可達(dá)-34.7℃，7月份溫度最高，最高溫度可達(dá)32.8℃。該區(qū)是內(nèi)蒙古草甸草原向荒漠草原的過(guò)渡區(qū)，氣候過(guò)渡特征明顯，降雨和溫度自東南向西北遞減。該區(qū)地貌屬于內(nèi)蒙古高原，地勢(shì)西高東低，海拔在767—1643m之間，地勢(shì)起伏較小，是放牧的理想?yún)^(qū)域。植被類型主要為大針茅(Stipagrandis)，克氏針茅(Stipakrylovii)，羊草(Leymuschinensis)，隱子草(Cleistogenes)和冷蒿(Artemisiafrigida)，植被生長(zhǎng)季為4—8月份；與氣候過(guò)渡特征相一致的地帶性土壤——淡黑鈣土、草甸栗鈣土、暗栗鈣土、栗鈣土、淡栗鈣土和灰漠土占主體，零星分布有風(fēng)沙土、潮土和沼澤土等非地帶性土壤；這里是中國(guó)傳統(tǒng)的天然草場(chǎng)，有著悠久的放牧歷史，是中國(guó)重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地。1978之前輕度輪牧制度使得放牧對(duì)草原的影響較小，而1978年之后，實(shí)行的牧場(chǎng)承包經(jīng)營(yíng)制度，牧戶在自己所承包的牧場(chǎng)內(nèi)放牧，牧戶承包的牧場(chǎng)規(guī)模和放牧的牲畜數(shù)量存在較大的差異，導(dǎo)致草原放牧壓力呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性，一些牧場(chǎng)由于過(guò)度放牧已出現(xiàn)退化。

圖1　研究區(qū)域采樣點(diǎn)位置Fig.1　Study area and location of sampling points

圖2　放牧壓力空間分布圖Fig.2　Distribution of grazing pressure

2研究材料和方法

2.1影像數(shù)據(jù)

采用美國(guó)國(guó)家航空航天局(簡(jiǎn)稱NASA)提供的2001—2011年6—8月份16d合成的MODIS-NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)(產(chǎn)品類型：MOD13A2，1000m分辨率，2001—2011)作為研究的基礎(chǔ)影像數(shù)據(jù)。該期間是植被一年中長(zhǎng)勢(shì)最好的時(shí)期。為了降低人為干擾(放牧或割草)的影響，對(duì)每年的6期影像進(jìn)行最大值合成生成MODIS-NDVImax數(shù)據(jù)，并對(duì)2001—2011年所有年份的MODIS-NDVImax進(jìn)行平均后得到反映區(qū)域植被生產(chǎn)能力的MODIS-NDVImax數(shù)據(jù)以用作計(jì)算放牧壓力指數(shù)。另外，由于研究區(qū)域6—8月份有較多的降雨，為弱化遙感影像云污染的影響，在應(yīng)用數(shù)據(jù)前，采用時(shí)間序列諧波分析法(Harmonic Analysis of Time Series，HANTS)對(duì)MODIS-NDVI影像進(jìn)行了預(yù)處理[24]，以提高影像的質(zhì)量。

2.2土壤采樣方法

為增強(qiáng)2010年和2011年采樣數(shù)據(jù)的可比性，采樣時(shí)間統(tǒng)一為7月15號(hào)到8月15號(hào)。樣地選擇在自由放牧的傳統(tǒng)天然牧場(chǎng)，為降低地形的影響，樣地布置在相對(duì)平坦處，同時(shí)，為降低人類活動(dòng)的影響，要求樣地和居住區(qū)、城鎮(zhèn)或主要干道距離不小于2000m。樣地與樣地之間的距離不小于20km。樣地分布如圖1所示。采樣時(shí)在每一樣地挖一個(gè)土壤剖面，深度為50cm，分5層(0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm和40—50cm)取樣，采用環(huán)刀法測(cè)土壤容重，吸管法測(cè)土壤顆粒分布，利用CHNOS Elemental Analyzer(德國(guó)ELEMENTAR公司生產(chǎn)，型號(hào)：Vario EL cube)測(cè)算TC和TN含量。

2.3放牧壓力計(jì)算

傳統(tǒng)的放牧壓力常采用單位面積的載畜量計(jì)算，忽略了植被生產(chǎn)力的空間差異性，在區(qū)域較大時(shí)難以表明草原生態(tài)系統(tǒng)所承受的壓力。放牧壓力評(píng)價(jià)應(yīng)將草原單位面積載畜量和植被生產(chǎn)力結(jié)合起來(lái)，用單位生產(chǎn)力所承受的牲畜量來(lái)表示放牧壓力則更為客觀。由于單位面積載畜量受放牧管理制度的影響，而旗縣之間和同一旗縣不同年份之間單位面積規(guī)定的放牧數(shù)量存在一定差異。因此，用1990—2011年統(tǒng)計(jì)的縣級(jí)行政單位的可利用草原面積和6月份擁有的牲畜數(shù)量，計(jì)算該旗縣每年的單位草原面積的載畜量，并用22年單位草原面積載畜量的平均值，作為最后該旗縣單位草原面積的載畜量。將研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)旗縣的單位草原面積載畜量作為行政區(qū)劃圖上旗縣的屬性數(shù)據(jù)，利用ArcGIS (ESRI Institute, 1993)生成研究區(qū)域單位草原面積載畜量專題圖，以1000m分辨率重采樣轉(zhuǎn)換為柵格影像，進(jìn)行空間糾正，使其和MODIS-NDVI影像空間參考一致。

植被生產(chǎn)力采用MODIS-NDVI影像數(shù)據(jù)計(jì)算。NDVI是用來(lái)表明地表生產(chǎn)能力的歸一化植被指數(shù)[25]。已有研究表明研究區(qū)域植被生產(chǎn)能力和NDVI成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.78以上[26- 27]，因此可用NDVI近似表示地表的植被生產(chǎn)能力。放牧壓力和單位面積的載畜量成正比，和單位面積的植被生產(chǎn)力成反比?？紤]到NDVI存在年內(nèi)和年際間的變化，采用2001—2011年6月份到8月份的NDVI最大值(NDVImax)的平均值來(lái)代替地表的植被生產(chǎn)能力。放牧壓力的計(jì)算如公式1所示:

(1)

2.4 土壤N儲(chǔ)量計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析

既然土壤N儲(chǔ)量沿土壤剖面變化而變化，土壤N儲(chǔ)量計(jì)算如下公式(2)所示[29- 30]。

(2)

式中，n是土層數(shù)量，Td是土壤深度為d的土壤氮儲(chǔ)量(Mg/m2)；Bi為第i層的土壤容重(Mg/m3)；Pi為第i層土壤氮含量(gN/g)；Di為第i層的厚度(m)；

統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS程序(SPSS Institute, 2007)。采用最小顯著性差異方法(LSD)方法判定不同土壤深度的BD(g/cm3)，CC(%)，TC (%), TN (g/kg)和土壤N儲(chǔ)量(kg/m2)在不同放牧壓力下的差異顯著性。利用ArcGIS(ESRI 公司, 1993)自然斷點(diǎn)分類方法，劃分放牧壓力空間分布圖。

3結(jié)果3.1研究區(qū)域放牧壓力空間分布

研究區(qū)域東北部放牧壓力較低，西部、中西部和東南部放牧壓力較高。在行政區(qū)劃上放牧壓力較高的區(qū)域主要分布在西珠穆沁旗，錫林浩特市的西北部，阿巴嘎旗的西部和東烏旗的西部。另外，在非草原區(qū)的水域和居民點(diǎn)周圍地區(qū)放牧壓力也較高。

3.2不同放牧梯度土壤容重，黏粒含量，土壤有機(jī)碳和全氮含量變化特征

表1列出了不同土層土壤容重，黏粒含量，土壤全碳和全氮含量在不同放牧梯度的變化特征。土壤容重隨著土壤深度增加而增加，在放牧梯度上表現(xiàn)為低放牧壓力(LG)<中放牧壓力(MG)<高放牧壓力的特征。其中，在2010和2011年LG和MG，LG和HG的土壤容重在土壤表層(0—10cm)都表現(xiàn)出顯著差異，而MG和HG之間沒(méi)有表現(xiàn)出顯著差異性；黏粒含量在兩年中都沒(méi)有變現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，在LG、MG和HG之間也不存在顯著的差異性；TC除在2011年的高放牧壓力樣地表現(xiàn)出不規(guī)律外，在其他放牧壓力樣地都表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，既隨著土壤深度增加而降低。在0—20cm土層，全碳含量表現(xiàn)為L(zhǎng)G>MG>HG，其中在0—10cm的土層中，在2011年LG、MG和HG兩兩之間都存在顯著差異，在2010年表現(xiàn)為L(zhǎng)G與MG和HG之間存在顯著差異；TN含量隨著土壤深度增加而降低，在2011和2010年在土壤表層都表現(xiàn)出LG與MG和HG具有顯著的差異性。在2011年的10—20cm土層LG和HG之間，MG和HG之間存在顯著差異。而在20—50cm之間除在2011年的20—30cm土層中LG和HG存在顯著差異性外，其他土層TN含量沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的差異性。

表1　2011和2010年不同土壤深度土壤容重、黏粒含量，土壤全碳和全氮含量特征

表中的值是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差; a: LG 和 MG之間存在顯著差異；b:LG和HG之間存在顯著差異；c:MG和HG之間存在顯著差異.

3.3土壤N儲(chǔ)量變化

土壤N儲(chǔ)量隨土壤深度增加而降低，各層的土壤N儲(chǔ)量表現(xiàn)為L(zhǎng)G>MG>HG，放牧壓力越高，土壤N儲(chǔ)量越低(圖3)。2011年各土層土壤N儲(chǔ)量在LG，MG和HG 3個(gè)放牧壓力梯度都呈現(xiàn)顯著差異，在0—50cm深度范圍內(nèi)，在LG、MG和HG 3個(gè)放牧壓力梯度上降低趨勢(shì)明顯，LG、MG和HG土壤N儲(chǔ)量具有顯著差異(圖3)。在2010年土壤N儲(chǔ)量變化趨勢(shì)和2011年近似，只是在0—10cm和20—30cm的土層LG、MG和HG之間存在顯著差異，在其他土層表現(xiàn)不明顯。在0—50cm深的范圍內(nèi)，土壤N儲(chǔ)量也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，但是，MG和HG土壤N儲(chǔ)量差異較小，LG、MG和HG之間差異顯著性達(dá)到了0.1的顯著性水平(P=0.07)。

圖3　2010和2011年樣地不同土層土壤N儲(chǔ)量分布。數(shù)值是平均值±標(biāo)準(zhǔn)差Fig.3　Distribution of soil N storage in the soil horizons of grazing pressure gradients in 2011 and 2010s:該層LG(低放牧壓力)、MG(中放牧壓力)和HG(高放牧壓力)之間存在顯著差異(P=0.05)

4討論

4.1放牧壓力模型及對(duì)放牧壓力空間分布的影響

圖4　研究區(qū)域內(nèi)不同行政區(qū)域1990—2011年平均單位草原面積載畜量和年NDVImax的平均值Fig.4　Average stocking rate in the administrative districts and the mean of NDVImax of study area from 1990 to 2011

利用結(jié)合植被生產(chǎn)力的放牧壓力評(píng)價(jià)模型對(duì)區(qū)域放牧壓力評(píng)價(jià)，得到的放牧壓力空間分布不僅受單位面積載畜量影響也收到植被生產(chǎn)力空間差異的影響。研究區(qū)域處于我國(guó)的半干旱區(qū)，植被生產(chǎn)力受降雨分布的影響，呈現(xiàn)自東南向西北遞減的特征(圖4)，而單位草原載畜量不僅僅受自然條件(如水和產(chǎn)草量)的影響還受到草原管理制度的影響，不同的旗縣自1990—2011年單位草原載畜量有著明顯的差異(圖4)。在單位草原載畜量和植被生產(chǎn)力兩個(gè)因素的共同作用下，形成了放牧壓力的空間分布特征(圖2)，例如：阿巴嘎載畜量較低(圖4)，但由于阿巴嘎旗的西部植被生產(chǎn)力較低(圖4)，導(dǎo)致該區(qū)域放牧壓力較高；相反，西珠穆沁旗植被生產(chǎn)力較高(圖4b)，但由于載畜量也較高，導(dǎo)致放牧壓力較高。另外牧民居住地和水源地周圍，盡管大多具有較好的水分供給，但由于牲畜在此活動(dòng)較為頻繁，導(dǎo)致相對(duì)于其他區(qū)域植被啃食比較嚴(yán)重，使得表示植被生產(chǎn)能力的NDVI值較小，從而放牧壓力較高。由此可以看出，結(jié)合植被生產(chǎn)力的放牧壓力評(píng)價(jià)模型將影響放牧壓力的自然和社會(huì)因素結(jié)合在一起。將降水、溫度、土壤和植被甚至生態(tài)系統(tǒng)中微生物活動(dòng)等自然因素對(duì)放牧壓力的影響反映在植被生產(chǎn)力指標(biāo)中(NDVImax)中，而放牧牲畜數(shù)量的社會(huì)活動(dòng)反映在載畜量指標(biāo)中，其他社會(huì)活動(dòng)(過(guò)度打草、采礦)導(dǎo)致草原植被覆蓋降低，也可以在植被生產(chǎn)能力指標(biāo)(NDVImax)中反映，因此結(jié)合植被生產(chǎn)力的放牧壓力評(píng)價(jià)模型將放牧強(qiáng)度(單位草原面積載畜量)和資源承載力(單位草原面積生產(chǎn)力)結(jié)合起來(lái)可以在區(qū)域尺度上對(duì)草原的放牧壓力進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。

4.2BD、CC、TC和TN變化特征及對(duì)土壤N儲(chǔ)量變化的影響

Wang等得出錫林格勒草原土壤容重隨土壤深度增加而增加[30]，本研究得到了相似的結(jié)論。隨著放牧梯度的增加，土壤容重不斷增加，特別在土壤表層(0—10cm)LG，MG和HG的土壤容重具有顯著差異。HG的表層土壤容重比LG高出0.16g/cm3原因可能是，放牧壓實(shí)了表層土壤，增加了表層土壤容重，放牧壓力越大，容重越大[31]，由于表層土壤被壓實(shí)，降低了土壤空隙度，增加了地表徑流，降低了土壤持水量[31- 32]。壓實(shí)的土壤影響了土壤N的礦化和土壤含水量，從而影響到植被的生長(zhǎng)[33]。Biondini等也提出土壤中氮素的礦化速率強(qiáng)烈地受到放牧壓力的影響，放牧壓力越大，土壤中的凈氮礦化率越低。因此隨著放牧壓力增大，土壤容重逐漸增加[34]，植被的生產(chǎn)能力降低。而在不施肥的情況下，植被生長(zhǎng)需要的N是由凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)動(dòng)態(tài)決定的[35]，以凋落物形式反還的N減少，從而影響到土壤N儲(chǔ)量。

Delgado等在對(duì)半干旱草原的研究中發(fā)現(xiàn)，N固定隨土壤黏粒和土壤有機(jī)質(zhì)的增加而提高[36]，放牧壓力對(duì)土壤黏粒含量具有顯著影響，放牧壓力增大，植被蓋度降低，土壤黏粒由于風(fēng)蝕作用而降低。由于土壤黏粒C和N含量較高，從而導(dǎo)致土壤C和N含量降低[37]。但本研究中土壤黏粒含量在不同的放牧梯度上沒(méi)有明顯差異，也即在該區(qū)域放牧壓力增加，土壤黏粒對(duì)于不同梯度土壤N儲(chǔ)量的影響不顯著，風(fēng)蝕作用對(duì)土壤N儲(chǔ)量影響較弱。

土壤TN含量和TC含量變化特征相似，總體上隨放牧壓力增加而降低，主要原因可能是放牧導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)降低，土壤有機(jī)質(zhì)是土壤C和N的重要載體[16,38- 39]。土壤C和N的耦合循環(huán)[40]，使得N庫(kù)的一個(gè)變化通常伴隨著一個(gè)相應(yīng)C庫(kù)的變化[41]。土壤表層的TN和TC含量在LG、MG和HG放牧梯度上表現(xiàn)出顯著差異。放牧影響最大的是近地表層，而底層的土壤中的C和N周轉(zhuǎn)周期較長(zhǎng)，影響相對(duì)較弱。Medina- Roldan等在墨西哥半干旱草原，進(jìn)行的放牧對(duì)土壤C和N儲(chǔ)量變化影響的研究發(fā)現(xiàn)，土壤TC和TN含量隨放牧壓力增加而減少，適度放牧(8—10hm2/牲畜單位)>重度放牧(2—4hm2/牲畜單位)>極重度放牧(<1hm2/ 牲畜單位)[42]。Frank等通過(guò)對(duì)美國(guó)曼丹放牧草原氮儲(chǔ)量長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的研究，提出在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，強(qiáng)度放牧?xí)?duì)土壤N儲(chǔ)量產(chǎn)生負(fù)面影響[43]。但也有些國(guó)外學(xué)者認(rèn)為放牧對(duì)土壤全N含量沒(méi)有影響[6,44- 45]；我國(guó)學(xué)者在不同類型草原對(duì)土壤N含量也進(jìn)行了廣泛的研究，一些研究結(jié)果和和本文的結(jié)論相同或相似，而一些研究結(jié)果則與本文的結(jié)果相反(表2)，因此，放牧壓力對(duì)土壤氮含量的影響還沒(méi)有一致的結(jié)論。這里面既有草原生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的客觀原因，也有研究對(duì)象、研究方法和研究的時(shí)空尺度不同產(chǎn)生的影響。本文在區(qū)域尺度上，基于長(zhǎng)時(shí)間尺度的載畜量數(shù)據(jù)和植被生產(chǎn)力數(shù)據(jù)(NDVImax)，得出的不同放牧壓力梯度上土壤N含量變化的特征，與在典型草原進(jìn)行的相關(guān)研究已取得的研究結(jié)果[49,52- 53]具有相同或相似性。因此在區(qū)域尺度上，結(jié)合載畜量和植被生產(chǎn)力評(píng)價(jià)放牧壓力空間分布及其對(duì)土壤N儲(chǔ)量的影響是可行的。

4.3研究結(jié)果的不確定性分析

基于單位面積草原載畜量和植被生產(chǎn)力的放牧壓力評(píng)價(jià)模型，時(shí)間尺度的選擇對(duì)放牧壓力的空間分布會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文考慮到放牧對(duì)土壤氮儲(chǔ)量的影響具有一定滯后效應(yīng)，選取1990—2011年的單位草原面積平均載畜量來(lái)表示研究區(qū)域載畜量的空間分布。而植被生產(chǎn)力主要受氣候、土壤等自然因素的影響，空間分布演變的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，因此選擇了氣候因素(降水、溫度)變化較為平緩的2001—2011年平均的NDVImax反映植被生產(chǎn)力的空間差異。由于植被生產(chǎn)力空間分布改變需要的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的改變，由此引入的不確定性也較小。相反，單位草原載畜量載短期內(nèi)則可能產(chǎn)生較大的變化，所以單位草原面積平均載畜量選擇可能引入較高的不確定性，選擇不同時(shí)間尺度平均載畜量得出的放牧壓力結(jié)果可能會(huì)有較大差異。本文選擇1990—2011年的平均載畜量，主要是考慮研究區(qū)域過(guò)度放牧主要發(fā)生在1991—2000年之間[23]，選擇的這個(gè)時(shí)間區(qū)間能夠涵蓋了過(guò)度放牧的草原載畜量。因此，平均單位草原載畜量時(shí)間尺度的選擇應(yīng)考慮研究區(qū)域放牧特征和研究的目的，這樣有利于弱化尺度選擇不當(dāng)對(duì)研究結(jié)果的影響。

另外，分析土壤N儲(chǔ)量對(duì)放牧壓力響應(yīng)時(shí)，野外采樣也可能對(duì)研究的結(jié)果產(chǎn)生影響。本文2011年和2010年數(shù)據(jù)分析的結(jié)果不完全一致，原因可能是空間尺度的差異所致。2010年樣點(diǎn)采集主要集中于研究區(qū)域的中部，而2011年采樣覆蓋了全部區(qū)域。研究區(qū)域中部放牧壓力相比于整個(gè)區(qū)域放牧壓力偏高，低放牧壓力樣地較少，這樣對(duì)于輕度放牧壓力樣地代表性較弱，從而使得在同一研究區(qū)域內(nèi)得出結(jié)果存在差異，也就是說(shuō)野外采樣點(diǎn)的空間分布的代表性也會(huì)影響研究結(jié)果的不確定性。

表2　我國(guó)不同草原類型土壤N含量對(duì)放牧強(qiáng)度響應(yīng)的相關(guān)文獻(xiàn)

5結(jié)論

放牧壓力是單位面積載畜量和植被生產(chǎn)力的函數(shù)，基于2001—2011年每年生長(zhǎng)季合成的MODIS-NDVImax的平均值來(lái)表示區(qū)域植被生產(chǎn)力的差異和近22年的以縣級(jí)行政單元統(tǒng)計(jì)的單位面積載畜量，建立的放牧壓力評(píng)價(jià)模型能夠合理評(píng)估內(nèi)蒙古典型草原放牧壓力的空間分布。通過(guò)ArcGIS自然斷點(diǎn)法對(duì)放牧壓力指數(shù)進(jìn)行聚類，劃分了低放牧、中度放牧和高度放牧3個(gè)梯度，統(tǒng)計(jì)分析表明土壤容重在土壤表層LG，MG和HG之間存在顯著差異，總體上隨著土壤深度增加而增加，放牧對(duì)深層土壤容重變化的影響不大。土壤表層TC含量和TN含量在LG，MG和HG之間存在顯著差異。土壤TN含量隨土壤深度增加而降低。土壤表層的土壤N儲(chǔ)量在LG，MG和HG之間差異顯著，隨著放牧壓力增加而降低。土壤下層的土壤N儲(chǔ)量除在20—30cm土層，LG，MG和HG之間存在顯著差異表現(xiàn)穩(wěn)定外，其他土層只在2011年表現(xiàn)出顯著差異，在2010年差異不顯著。在0—50cm范圍內(nèi)，土壤N儲(chǔ)量在2011年存在顯著差異，在2010年盡管沒(méi)有達(dá)到0.05的顯著差異水平，其顯著性也達(dá)到0.1的顯著性水平?？傊拍翆?duì)土壤N儲(chǔ)量具有顯著影響，降低放牧壓力可以減少土壤氮素的損失有利于恢復(fù)退化草原的植被生產(chǎn)力。

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Grazing pressure evaluation and soil N storage response in typical steppe of Inner Mongolia, China

LI Ruihua1, 2, LI Xiaobing1,3,*, WANG Hong1, DENG Fei1, LI Xu1

1CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China3StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Abstract:Nitrogen is one of the important constraining factors affecting vegetation growth, especially in arid and semi-arid areas of natural grasslands. In a natural grassland ecosystem without fertilizer inputs, the vegetation nutrients mainly come from plant litter decomposition and the mineralization of organic nutrients. Soil nitrogen storage is the result of the historical accumulation of plant litter and the long-term weathering of parent rock in the grassland ecosystem. It is an important nutrient source for vegetation growth, is closely related to vegetation productivity, and is an indicator of ecological service function change. In recent years, the ecological and economic problems caused by grassland degradation and grassland soil nutrient depletion have become the focus of governments and researchers due to climate change and human activity disturbance. Although climate change has important effects on grassland ecosystems, it is difficult to control and manage at the smaller spatial-temporal scales. Human activity is one of the main influencing factors affecting grassland ecological systems. Therefore the control and management of human activities can effectively protect grassland ecosystems and promote sustainable grassland utilization.

Grazing is a significant human disturbance of grassland ecosystems, and is one of the important factors affecting the grassland nitrogen cycle. In order to examine the impact of grazing on soil N storage, we created a grazing pressure index model using the statistical annual grazing livestock data (1990—2011) from counties and MODIS-NDVI (1000 m resolution, 2001—2011), which combined grazing capacity and vegetation productivity per unit area. We used the pressure index model to assess the spatial distribution of grazing pressure in typical steppe of Inner Mongolia, China, and used field sampling point data in 2010 and 2011 across study area to analyze soil N storage and other several related soil properties at low grazing pressures (LG), moderate grazing pressures (MG), and high grazing pressures (HG). The results showed that grazing pressure had a significant effect on soil bulk density (BD), soil total carbon content(TC) and soil total nitrogen content(TN), especially in the surface soil layer (0—10cm). The BD, and TC and TN contents significantly differed between LG, MG, and HG. The TC and TN contents decreased with increasing grazing pressure, and the BD increased as the grazing pressure increased. Clay content (CC) did not significantly differ between the three grazing pressures. Soil N storage showed similar variation characteristics with TN content, but decreased with increasing of soil depth and grazing pressure. In the surface soil, in 2010 and 2011, the soil N storage showed significant differences among LG, MG, and HG. Within the range of 0 to 50 cm, the soil N storage decreased with increasing grazing pressure, and significantly differed among LG, MG and HG (2011,P< 0.05; 2010,P< 0.01). Therefore, grazing has no significant impact on the clay content, and the clay content variation is not the reason for the reduction in soil N storage in the study area. Heavy grazing is one of the main influence factors affecting nitrogen loss in the steppe ecosystem, and thus, reducing grazing pressure helps to reduce the loss in soil N storage and restores vegetation productivity.

Key Words:NDVI; rate of stocking; grazing pressure gradient; soil N storage; Inner Mongolia

DOI:10.5846/stxb201310232557

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:xbli@bnu.edu.cn

收稿日期:2013- 10- 23;

修訂日期:2015- 07- 27

基金項(xiàng)目:國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃, 2014CB138803)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41030535)；地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2011-TDZY-102)

李瑞華，李曉兵，王宏，鄧飛，李旭.內(nèi)蒙古典型草原放牧壓力評(píng)價(jià)及土壤N儲(chǔ)量響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(3):758- 768.

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