李　文，曹文俠，李小龍，徐長林，師尚禮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州　730070)

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放牧管理模式對高寒草甸草原土壤養(yǎng)分特征的影響

李文，曹文俠，李小龍，徐長林，師尚禮

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070)

摘要：為探討不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤養(yǎng)分特征的變化，對青藏高原東緣禁牧(NG)、全生長季休牧(RG)、傳統(tǒng)夏季休牧(TG)和連續(xù)放牧(CG)4種放牧管理模式下高寒草甸草原土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷和速效鉀含量進行測定和分析。結(jié)果表明：(1)NG顯著增加了0～30 cm土層有機質(zhì)含量，RG和TG顯著增加了0～20 cm土層有機質(zhì)含量；(2)NG,RG和TG顯著提高了高寒草甸草原0～30 cm土層全氮含量和20～30 cm土層速效氮含量，而降低了0～10 cm土層的速效氮含量；(3)NG,RG和TG顯著提高了高寒草甸草原0～30 cm土層全磷和速效磷含量；(4)不同模式放牧對高寒草甸草原土壤全鉀含量無顯著影響，但總體上，NG,RG和TG高于CG；NG,RG和TG降低了0～10 cm土層速效鉀含量，而顯著增加了10～30 cm土層速效鉀含量。連續(xù)放牧使土壤養(yǎng)分流失嚴重，從而導致土壤肥力降低，而禁牧和季節(jié)性休牧能有效增加青藏高原東緣高寒草甸草原土壤的養(yǎng)分含量，是該區(qū)和類似區(qū)域草地放牧管理的理想選擇。

關(guān)鍵詞：放牧管理模式；高寒草甸草原；土壤養(yǎng)分特征

近年來，由于全球性氣候干旱、草原人為活動破壞和長期不合理的放牧利用模式等，導致草原退化嚴重，草原退化最明顯的特征之一是土壤肥力的下降[1]，土壤肥力的下降直接導致草地植被的退化，而植被的退化又加劇了風蝕[2]，降低了植物殘體等對土壤養(yǎng)分的回饋，從而使土壤肥力狀況進一步降低[3]。土壤養(yǎng)分是組成土壤肥力的重要因素之一，其中C,N和P是最重要的3種化學元素，其分布和儲量直接影響草地生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮[4]。土壤有機質(zhì)含量不但是土壤質(zhì)量演變過程的主要指標和土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因子[5-6]，而且也影響土壤的供肥性能；氮元素是調(diào)節(jié)草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)量、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵性元素，能夠限制群落初級和次級生產(chǎn)量，在草原生態(tài)系統(tǒng)乃至全球碳氮循環(huán)中至關(guān)重要[7]；磷是限制大部分地區(qū)草地植物生長的因素[8-9]。

放牧是最主要的草地利用形式，家畜通過踐踏影響草地土壤的物理結(jié)構(gòu)，同時通過采食及畜體和排泄物歸還等方式影響草地營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，從而影響草地土壤的化學成分[10-11]。目前，廣大牧區(qū)對草地的利用往往是整季，甚至全年連續(xù)放牧利用，這種不合理放牧模式加劇了草地的退化，合理放牧模式和放牧時期的確定對草地健康發(fā)展和可持續(xù)利用具有重要意義[12-13]。何貴永等[4]研究表明，全年放牧加快了土壤中C,N,P的周轉(zhuǎn)，使土壤養(yǎng)分輸出量增加，從而導致土壤肥力下降；安慧等[14]研究表明，合理放牧可以改善荒漠草原土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分性狀，有利于遏制荒漠草原土壤的退化；閆瑞瑞等[15]對內(nèi)蒙古荒漠草原研究表明，劃區(qū)輪牧區(qū)和禁牧提高了土壤有機質(zhì)、土壤氮素、土壤全鉀和土壤速效鉀含量。李以康等[16]對青海湖地區(qū)的高寒草原研究表明，封育樣地速效氮含量稍微高于對照樣地，封育顯著提高了速效磷含量，而對速效鉀含量影響不大，同時，封育導致土壤表層全氮含量升高，但對土壤全鉀和全磷含量影響不大[17]。

有關(guān)放牧對土壤養(yǎng)分的影響的研究較多，主要集中在荒漠草原、典型草原和高寒草甸草原，但主要圍繞不同放牧強度展開，而對不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤養(yǎng)分特征變化的研究較少[18]，不同放牧模式下高寒草甸草原土壤養(yǎng)分的變化尚不明確。因此，以青藏高原東緣高寒草甸草原為研究對象，探討禁牧、全生長季休牧、傳統(tǒng)夏季休牧和連續(xù)放牧4種不同放牧管理模式下土壤養(yǎng)分特征變化規(guī)律，從土壤養(yǎng)分平衡的角度探尋合理的放牧模式，并為該區(qū)域的草地恢復、保護和管理提供科學依據(jù)。

1材料和方法

1.1樣地自然概況

試驗地選在青藏高原東部的天?？h金強河地區(qū)，位于N 36°31′～37°55′，E 102°07′～103°46′，海拔2 960 m。氣候寒冷潮濕，晝夜溫差較大，日照強，雨熱同步。年均溫0.8℃，1月和7月平均氣溫-10.8℃和12.4℃；≥0℃和≥10℃的年積溫分別為1 581℃和1 026℃；年降水量424.5 mm(66%集中在7～9月)；年蒸發(fā)量1 592 mm。無絕對無霜期，植物生長期120～140 d。主體土壤類型為高寒草甸土，草地類型為高寒草甸草原，主要植物種有：垂穗披堿草(Elymusnutans)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、異針茅(Stipaaliena)、洽草(Koeleriacristata)、球花蒿(Artemisiasmithii)、麻花艽(Gentianastraminea)和醉馬草(Achnatheruminebrians)等。

1.2試驗設計與方法

試驗樣地為當?shù)胤拍陵笈：筒匮虻睦浼静莸?，冬春季重度放牧，夏季休牧。試驗前對土壤狀況進行測定，0～10 cm土層的土壤容重為0.73 g/cm3，土壤有機質(zhì)138.45 g/kg，全氮4.31 g/kg，全磷0.65 g/kg。2010年6月選擇植被和土壤狀況接近一致的草地設置3個相鄰圍欄，建立禁牧(NG)、全生長季休牧(RG)和傳統(tǒng)夏季休牧(TG)樣地。其中，NG，面積7 hm2,放牧率為0,全年禁牧；RG,面積18 hm2,放牧率為4.86 羊/(hm2·a),在4月20～9月20日休牧，其余時間均自由放牧；TG，面積18 hm2,放牧率為6.08羊/(hm2·a)在6月20～9月20日休牧，其余時間自由放牧。以臨近的草地設為全年連續(xù)放牧區(qū)(CG)，放牧率為8.57羊/(hm2·a)做為對照。

2014年9月初，在各樣地對角線上等距離設置30個點，用直徑3.5 cm的土鉆在上述各點采集0～10,10～20和20～30 cm的土樣，將相鄰3個點的土壤分層混合后作為一個重復，整個樣地重復10次。剔除根系、石塊等雜物后置于標記好的自封袋中，帶回實驗室，風干、過篩后測土壤養(yǎng)分。土壤中測定項目為土樣的有機質(zhì)(重鉻酸鉀外加熱法)、全氮(全自動凱氏定氮儀,K9860)、全磷(鉬銻抗比色法)、全鉀(NaOH熔融-火焰光度計)、速效氮(堿解擴散法)、速效鉀(NH4OAc浸提-火焰光度法)和速效磷(高錳酸鉀氧化-葡萄糖還原法)[8]。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)的初步整理，用SPSS 17.0對不同放牧管理模式樣地土壤有機質(zhì)、土壤全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分含量進行單因素方差分析(On-way ANOVA)。

2結(jié)果與分析

2.1不同放牧管理模式對高寒草甸草原土壤有機質(zhì)的影響

經(jīng)過為期4年不同放牧管理模式，各樣地有機質(zhì)含量均隨土層深度的增加呈降低趨勢(圖1)。0～10 cm土層，NG,RG和TG有機質(zhì)含量顯著高于CG(P<0.05)，但RG與NG和TG均無顯著差異(P>0.05)；10～20 cm土層，有機質(zhì)含量由高到低的順序為：NG>TG>RG>CG，其中NG,RG,TG和CG間均達顯著差異(P<0.05)；20～30 cm土層，有機質(zhì)含量NG顯著高于RG,TG和CG，但RG,TG和CG間無顯著差異(P>0.05)。說明經(jīng)過為期4年不同模式的放牧后，禁牧顯著增加了0～30 cm土層有機質(zhì)含量，RG和TG顯著增加了0～20 cm土層有機質(zhì)含量。

圖1　不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤有機質(zhì)含量Fig.1　Organic matter under different grazing managements　　注:不同小寫字母表示不同樣地同一土層間存在顯著差異,豎杠代表標準誤差，下同

2.2不同放牧管理模式對高寒草甸草原土壤全氮和速效氮含量的影響

經(jīng)過4年不同模式放牧后，高寒草甸草原土壤全氮和速效氮含量差異明顯(圖 2)。0～10 cm土層，全氮含量NG,RG和TG極顯著高于CG(P<0.01)，但NG和RG間無顯著差異(P>0.05)，其中，NG,RG和TG分別比CG增加了1.16,1.06和0.68倍；10～20和20～30 cm土層，NG,RG和TG顯著高于CG，但NG,RG和TG間無顯著差異，其中，10～20 cm土層，NG,RG和TG分別比CG增加了0.24,0.29和0.26倍，在20～30 cm土層，NG,RG和TG分別比CG增加了0.26,0.19和0.22倍。

0～10 cm土層速效氮含量CG,TG和RG顯著高于NG，TG和RG間無顯著差異，但TG比RG增加了1.4%；在10～20 cm和20～30 cm土層，速效氮含量均表現(xiàn)為NG>RG>TG>CG，但RG和TG間無顯著差異。說明經(jīng)過為期4年不同放牧管理模式后，禁牧和季節(jié)性休牧顯著提高了高寒草甸草原0～30 cm土層全氮含量和20～30 cm土層速效氮含量，而降低了0～10 cm土壤的速效氮含量。

圖2　不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤全氮和速效氮含量Fig.2　Total nitrogen and available nitrogen under different grazing managements

2.3不同放牧管理模式對高寒草甸草原土壤全磷和速效磷含量的影響

為期4年不同放牧管理模式對高寒草甸草原土壤全磷和速效磷含量影響明顯(圖 3)。0～10 cm土層，全磷含量RG>NG>TG>CG，RG和TG間無顯著差異(P>0.05)，其中RG,NG和TG分別比CG增加了1.05,0.68和0.53倍；10～20 cm土層，NG,RG和TG顯著高于CG，但NG,RG和TG間無顯著差異(P>0.05)；20～30 cm土層各樣地間全磷含量無顯著差異(P>0.05)。

速效磷在0～10 cm土層變化表現(xiàn)為RG>NG>TG>CG，RG,NG和TG顯著高于CG，但RG和NG間無顯著差異(P>0.05)，其中RG,NG和TG分別比CG增加了0.48,0.43和0.24倍；10～20 cm和20～30 cm土層，NG,RG和TG顯著高于CG，但NG,RG和TG間無顯著差異(P>0.05)，其中在10～20 cm土

圖3　不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤全磷和速效磷含量Fig.3　Total phosphorus and available phosphorus under different grazing managements

層，NG,RG和TG分別比CG增加了0.37,0.27和0.31倍，在20～30 cm土層，NG,RG和TG分別比CG增加了0.46,0.35和0.40倍。說明經(jīng)過為期4年不同放牧管理模式后，禁牧和季節(jié)性休牧顯著提高了高寒草甸草原0～30 cm土層全磷和速效磷含量。

2.4不同放牧管理模式對高寒草甸草原土壤全鉀和速效鉀含量的影響

為期4年不同放牧管理模式后，高寒草甸草原土壤全鉀和速效鉀含量變化明顯(圖 4)。盡管0～30 cm土層全鉀含量在各樣地間無顯著差異(P>0.05)，但還是表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，0～10 cm土層全鉀含量CG>TG>RG>NG，其中CG,TG和RG分別比NG增加了5.27%,3.87和1.59%；總體上10～20 cm和20～30 cm土層全鉀含量禁牧和季節(jié)休牧樣地高于連續(xù)放牧樣地。

在0～10 cm土層速效鉀表現(xiàn)為CG>TG>RG>NG，但RG和TG間無顯著差異(P>0.05)；10～20 cm和20～30 cm土層NG>RG>TG>CG，各樣地間差異顯著(P<0.05)。說明為期4年不同模式放牧對高寒草甸草原土壤全鉀含量無顯著影響，禁牧和季節(jié)性休牧降低了0～10 cm土層速效鉀含量，而顯著增加了10～30 cm土層速效鉀含量。

圖4　不同放牧管理模式下高寒草甸草原土壤全鉀和速效鉀含量Fig.4　Total potassium and available potassium under different grazing managements

3討論

休牧是修復草地生態(tài)系統(tǒng)的主要措施之一，且對保持草地生態(tài)系統(tǒng)平衡，實現(xiàn)天然草地可持續(xù)利用具有重要意義[19]。草地封育后由于阻止了家畜采食和踐踏等干擾，家畜喜食植物的抑制程度減弱，生長加快，植物種多樣性和生物量發(fā)生變化，從而引發(fā)群落結(jié)構(gòu)變化，進而起到植被恢復的效果[20]，而逐漸恢復的植被也通過凋落物、根系和微生物等生態(tài)組分間的相互作用促進土壤養(yǎng)分恢復，特別是速效養(yǎng)分的增加，促使草地生態(tài)系統(tǒng)向正態(tài)方向發(fā)展[21]。土壤養(yǎng)分恢復是評價生態(tài)系統(tǒng)恢復的一個重要方面[22]。土壤有機質(zhì)是陸地生物圈生物地球化學循環(huán)的主要成分之一，是指示土壤健康的關(guān)鍵指標[23]，也是植物養(yǎng)分元素循環(huán)的中心，影響水分關(guān)系和侵蝕潛力，在土壤結(jié)構(gòu)中是一個關(guān)鍵因子[24]。由于草地土壤系統(tǒng)本身的復雜性、滯后性和彈性，研究者得出了放牧對土壤有機質(zhì)的影響不同，具體表現(xiàn)為：放牧對土壤有機質(zhì)沒有影響[25-26]；放牧增加了土壤有機質(zhì)含量[27]；放牧降低了土壤有機質(zhì)含量[28]。試驗表明，禁牧和季節(jié)性休牧較連續(xù)放牧顯著增加了0～20 cm土層的有機質(zhì)含量，主要是因為連續(xù)放牧全年一直處于放牧狀態(tài)，家畜對植物的采食和踐踏使得地上部分顯著減少，從而減少了地上植物殘體等向地下的碳輸入量，也可能是因為過度放牧對土壤理化性質(zhì)的干擾加速了土壤的呼吸作用，造成土壤有機碳的損失[4]。侯扶江等[29]研究表明，隨放牧踐踏的增強，0～20 cm土層有機質(zhì)含量降低，但此次研究中，傳統(tǒng)夏季休牧樣地10～20 cm土層有機質(zhì)含量顯著高于全生長季休牧樣地，原因可能是傳統(tǒng)夏季休牧樣地在牧草返青期放牧，家畜對返青期牧草采食機率增大，植物避食適應使根系從表層向深層生長，死亡分解后致該層有機質(zhì)含量升高，也可能是牲畜的糞便和尿液由于雨水的淋溶下滲所致[28]。

在氣候條件相同的情況下，土壤的養(yǎng)分狀況主要取決于土壤母質(zhì)和生物因素[30]，本研究區(qū)土壤的成土母質(zhì)是相同的，因此，導致其養(yǎng)分含量不同的因素主要是生物因素，具體來講，就是各生態(tài)系統(tǒng)的植被狀況，高寒草原全氮和全磷養(yǎng)分的增加依賴于地表植被對土壤養(yǎng)分的回饋[31]。植物體中含有大量的養(yǎng)分元素，是土壤中養(yǎng)分元素的重要來源。所以當植被狀況不同時，其向土壤中進行的養(yǎng)分輸出也會有明顯不同。本研究表明，經(jīng)過為期4年不同放牧管理模式后，禁牧和季節(jié)性休牧顯著提高了高寒草甸草原0～30 cm土壤全氮含量。磷是最重要的化學元素，其分布和儲量對草原生態(tài)系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮有重要作用[32]，本研究中，禁牧和季節(jié)性休牧顯著增加了0～20 cm土壤全磷含量，其中在0～10 cm土層，全生長季休牧>禁牧>傳統(tǒng)夏季休牧>連續(xù)放牧，但禁牧與傳統(tǒng)夏季休牧樣地間無顯著差異，而在10～20 cm土層，禁牧與季節(jié)性休牧樣地間無顯著差異。這是因為禁牧和季節(jié)性休牧不僅使高寒草甸草原群落地上與地下生物量增加，草層高度和蓋度增大，地表凋落物積累，從而使得地上植被對全氮和全磷養(yǎng)分的回饋作用增強。而連續(xù)放牧草地由于放牧時間長、放牧壓力大，植物得不到及時再生與恢復生長，群落地上、地下生物量得不到積累，群落蓋度、高度和凋落物極低，地表土壤裸露嚴重，土壤溫度較高，土壤有機質(zhì)大量分解，加之風蝕與水蝕作用，所以連續(xù)放牧草地土壤全氮和全磷流失嚴重。也可能是因為連續(xù)放牧樣地全年一直處于放牧狀態(tài)，家畜對植物的采食更加頻繁，植物不斷地進行補償性生長，并在采食后進行營養(yǎng)繁殖或有性繁殖，對氮的消耗加劇[33]，同時，連續(xù)放牧由于家畜頻繁的采食和踐踏，減輕了地上群落競爭強度，但加劇了地下競爭強度，激烈的地下競爭導致土壤營養(yǎng)元素含量下降，而在禁牧樣地和季節(jié)性休牧樣地中，植物群落的競爭主要表現(xiàn)為對地上資源(如光、空間等)的競爭，地下競爭強度相對于連續(xù)放牧樣地有所緩解，因此，禁牧和季節(jié)性休牧樣地全氮和全磷含量較高。全鉀在各樣地間無顯著差異，是因為全鉀含量不是限制青藏高原高寒草原植物生長的因素[30]。

土壤速效養(yǎng)分主要與土壤的礦化作用、植物的吸收量和牲畜排泄物量有關(guān)[32]，速效養(yǎng)分含量反映土壤現(xiàn)實供肥能力，受土壤溫度、濕度，尤其是微生物活動影響[14]。在草原生態(tài)系統(tǒng)中，有效性氮素是初級生產(chǎn)力首要的限制資源，與植物生長關(guān)系密切，也是決定系統(tǒng)物種組成的主要因子[34]，速效氮含量的高低可以評估短期內(nèi)土壤的供氮水平。本研究表明，禁牧和季節(jié)性休牧樣地0～10 cm土層速效氮和速效鉀含量顯著低于連續(xù)放牧樣地，這是因為禁牧和季節(jié)性休牧樣地地上生物量大，植被對速效養(yǎng)分的吸收作用強，同時連續(xù)放牧樣地地上生物量小，植被對速效養(yǎng)分的吸收減少，同時家畜排泄物增加，土壤表層有機質(zhì)含量增加，植被減少，速效氮含量增加卻沒有被吸收，從而積累了速效氮含量。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)連續(xù)放牧樣地速效磷含量顯著低于禁牧和季節(jié)性休牧樣地，這與戎郁萍等[35]的研究結(jié)果一致。

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Effect of different grazing management on soil nutrient characteristics in alpine meadow-steppe

LI Wen,CAO Wen-xia,LI Xiao-long,XU Chang-lin,SHI Shang-li

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Abstract：To study the changes of soil nutrient characteristics under different grazing management in alpine meadow-steppe ecosystem on eastern margin of Qinghai-Tibet Plateau.The study investigated the soil organic matter,total nitrogen,total phosphorus,total potassium,available nitrogen,available phosphorus and available potassium in 4 sites with different grazing managements,which were non-grazing(NG),rest grazing in growing stage(RG),traditional grazing (TG) and continuous grazing (CG).The results revealed that soil organic matter in 0～30 cm soil layer in NG was significantly higher than that in RG,TG and CG,and soil organic matter in 0～20 cm soil layer in RG and TG was significantly higher than that in NG and CG. NG,RG and TG significantly improved total nitrogen content in 0～30 cm soil layer and available nitrogen content in 20～30 cm soil layer but reduced the available nitrogen content in 0～10 cm soil layer.The total soil phosphorus and available phosphorus content of alpine meadow-steppe in 0～30 cm soil layer was significantly higher in NG,RG and TG than those in CG.Different grazing management had no significant effect on soil total potassium content,but on the whole,the total potassium content in NG,RG and TG was higher than that in CG.It is concluded that continuous grazing reduced soil nutrient result in soil fertility decrease,and non-grazing and seasonal rest grazing can effectively increase the soil nutrient content in alpine meadow-steppe.NG and RG were recommended grazing management in the regions or the similar regions.

Key words：grazing management model;alpine meadow-steppe;soil nutrient characteristics

中圖分類號：S 812

文獻標識碼：A

文章編號：1009-5500(2016)02-0008-07

作者簡介：李文(1987-)，男，甘肅會寧人，在讀碩士。

基金項目：國家自然科學基金(31360569)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系(CARS-35)；甘肅省退牧還草科技支撐項目和青藏高原打草場建設項目資助

收稿日期：2015-06-15； 修回日期：2015-07-07

E-mail：670410113@qq.com

曹文俠為通訊作者。