王天乐, 卫智军*, 刘文亭, 白玉婷, 张 爽, 丁莉君, 肖嘉圃, 吕世杰

(1. 内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010018; 2. 内蒙古农业大学理学院， 内蒙古 呼和浩特 010018)

放牧草地系统是人类生存、生产的重要基础之一，长期以来，由于超载放牧及盲目开垦等，草地退化十分迅速，严重影响了国家生态安全和草地畜牧业的良性发展，如何缓解草地利用、退化、生态环境保护间的矛盾已迫在眉睫，其中确定适宜的放牧强度是解决目前草地所面临问题的关键技术之一[1-3]。放牧过程中，草、土、畜是一个有机整体，他们之间相互影响，相互制约。土壤是植被生长发育的基础，不断为植被提供水分和营养物质，而植被的出现也影响着土壤的形成和发育[4]。家畜的采食和践踏及粪便排泄物的归还会直接或间接的影响土壤养分含量和植物物种的组成[5]，短花针茅(Stipabreviflora)荒漠草原是草原向荒漠过渡的生态交错带，其独特的生态脆弱性使得该地土壤对放牧家畜格外敏感[6-7]。所以确定合理的放牧方式，对荒漠草原的保护及合理利用具有重要意义。

土壤容重是草地退化的重要指标[8]，随着放牧压力的增强，土壤容重逐渐增加，有研究表明放牧仅对表层土壤容重产生影响，且对0～5 cm土壤影响最为明显[9]，土壤含水量是反映土壤健康状况的重要指标，随着放牧强度的增加，草原植被覆盖度下降，土壤水分蒸发增加，土壤保水能力下降[10]。研究表明，放牧会改变植物群落组成，改变群落中凋落物的组成，降低群落地上生物量，改变土壤氮输入[11]。长期放牧利用，会使草原生态系统中氮素流失[12-13]。许岳飞[14]等认为放牧土壤全氮含量呈现降低趋势，也有人认为放牧对氮含量基本没有影响。作为土壤养分归还的主要因子，凋落物在生态系统物质循环和能量流动过程中起着关键作用，凋落物分解会产生土壤所需的养分和CO2，家畜的采食会减少地上生物量的生成，相应的会降低凋落物的生成，同时凋落物通过食草动物的踩踏、破碎会刺激自身的分解[15-16]。本试验以短花针茅荒漠草原为对象，设置不同放牧强度，研究不同放牧强度下土壤理化性质及其变化规律，旨在从土壤物理性质的改善和养分的积累方面，探寻荒漠草原在保护中利用，在利用中恢复的适宜的放牧方式，为草地合理利用和草-土-畜的可持续发展提供基础数据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗朱日和镇(112°47′ E，42°15′ N)。该地地形平坦，土壤质地为淡栗钙土，腐殖质层厚4～8 cm；钙积层明显分布在10～35 cm土层中，年平均降水量177.2 mm，蒸发量为2 500 mm，该地区大多数年受到不同程度的干旱威胁，降水主要集中在牧草生长旺盛的7、8月份。群落以短花针茅(Stipabreviflora)为建群种，无芒隐子草(Cleistogenessongorica)为亚建群种，伴生种有狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)、木地肤(Kochiaprostrata)、天门冬(Asparagusgobicus)等。

1.2 试验设计

试验地位于连续的同一地段，地势平坦，环境相对均匀。放牧试验于2010年开始，每年5月开始放牧，10月底终止，期间采用连续放牧方式，晚上羊群在样地不归牧，不进行补饲。本研究设有3个放牧处理，依次为不放牧(NG)、适度放牧(MG)和重度放牧(HG)，每个处理均设有3次重复，每个试验小区面积均为2.60 hm2，适度放牧处理和重度放牧处理载畜率分别为1.92羊·hm2·a-1和3.08羊·hm2·a-1。放牧的草食动物为“苏尼特羊”，放牧区绵羊的健康状况、个体大小、体重、性别基本一致。

1.3 取样方法

2015年8月中旬进行土壤取样，用直径为4 cm土钻在各放牧小区随机取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土样，将土样装入铝盒，带回室内立即称重，重复3次，随即将铝盒放入105℃烘箱烘至恒重，计算土壤含水量。用容积为100 cm3的土壤环刀在各放牧小区随机取深度为0～10，10～20，20～30，30～40 cm的土样，将土样装入小铝盒，带回室内称重，重复3次，并放入105℃烘箱烘至恒重，测定土壤容重。随机在不同放牧处理小区取0～10，10～20，20～30，30～40 cm深度的土样，3次重复，带回实验室进行养分分析。测定指标及方法如下：土壤全碳、全氮采用元素分析仪(Elementar vario MACRO)测定，全磷采用氢氧化钠熔融—钼锑抗显色—分光光度法测定；全钾采用氢氧化钠熔融—火焰光度计法测定；速效氮利用氢氧化钠碱解—扩散吸收法测定；速效磷采用碳酸氢钠提取—钼锑抗显色—分光光度法测定；速效钾采用醋酸铵浸提—火焰光度吸收法测定[17]。

在各小区内，选择代表性植物群落的典型地段，设置5个1 m×1 m的样方,采用刈割法获取群落地上现存生物量，80℃下烘干24 h，获得干物质量，同时测定样方内凋落物的现存量。

1.4 数据分析

采用统计软件SPSS 21对相关指标进行单因素方差分析(one way ANOVA)，以放牧方式作固定因子，分别以土壤容重和含水量、土壤C、N、P、K含量、群落地上现存量和凋落物生物量作因变量，采用Duncan法进行多重比较，同时对凋落物生物量和地上现存量进行相关分析，采用Office Excel 2013进行作表和绘图。

2 结果与分析

2.1 放牧对土壤物理性质的影响

土壤容重是土壤结构和土壤紧实度的重要指标，放牧对土壤容重的影响主要表现在0～30 cm土层(表1)，呈重度放牧处理最高，适度放牧次之，不放牧处理最低；而土壤含水量则刚好相反，随放牧强度的增加呈下降趋势，各放牧区20～30，30～40 cm土层土壤含水量无显著性差异，说明土壤深层含水量受放牧强度的响应较小。

表1 不同放牧强度下土壤物理性质变化Table 1 Dynamics of soil physical property under different grazing intensities

2.2 放牧对土壤养分特征的影响

由表2可知，放牧对土壤全碳、土壤速效氮无显著性影响，而30～40 cm深度土壤全氮受放牧影响显著(P<0.05)。随着放牧强度的增加，0～10 cm土层全磷含量呈降低趋势。土壤速效磷在各放牧强度变化中无显著性差异。土壤全钾随着放牧强度的增加逐渐下降，随土层深度的增加逐渐升高。土壤速效钾是植物生长过程中易被较快吸收利用的钾素形态，土壤速效钾含量在0～10 cm土层表现为中度放牧>重度放牧>不放牧。

表2 不同放牧强度下土壤养分变化Table 2 Dynamics of soil nutrients under different grazing intensities

2.3 放牧对草地群落地上生物量的影响

放牧对荒漠草原群落地上生物量有显著影响，随着放牧强度的增加，群落地上生物量逐渐降低，不放牧群落地上生物量为72.6 g·m-2，显著高于适度放牧(44.1 g·m-2)和重度放牧(31.9 g·m-2)(图1)。作为荒漠草原植被的建群种及优势种，短花针茅(Stipabreviflora)、无芒隐子草(Cleistogenessongorica)、碱韭(Alliumpolyrhizum)和银灰旋花(Convolvulusammannii)地上生物量在群落中占较大比重，且变化趋势与群落生物量一致，随着放牧强度的增加，主要物种地上生物量逐渐降低，不放牧样地主要物种地上生物量显著高于适牧和重牧(P< 0.05)。

本研究表明，适度放牧有利于增加主要物种在群落地上生物量中的比值，但随着放牧强度的增加，主要物种相对生物量呈现先增加后降低的变化趋势(图2)，因为适度放牧会刺激植物的生长，增加主要物种的地上生物量[18]。随着放牧强度的增加，草原植物群落生产力大幅降低，使得物种组成发生变化，降低主要物种的相对生物量。

凋落物指一定面积上特定生态系统地表堆积的物质，是生态系统养分归还的重要参与者，当凋落物从植物体脱落进入地表时，就开始物理、化学、生物的分解，通过这些过程释放出生态系统所需的养分和二氧化碳[19]，研究得出，放牧会降低植物地上凋落物存量，随着放牧强度的增加，凋落物生物量逐渐降低，不放牧下凋落物生物量最高，为6.8 g·m-2，显著高于全年重牧(P< 0.05)(图3)。

图1 群落地上生物量和主要物种地上生物量变化Fig.1 Changes of community aboveground biomass and dorminant species aboveground biomass

图2 不同放牧强度主要物种相对生物量Fig.2 Relative biomass of dominant species under different grazing intensities

图3 凋落物生物量随放牧强度的变化Fig.3 Change of litter biomass with grazing density

2.4 群落地上生物量与凋落物生物量之间的关系

研究得出，凋落物地上生物量与群落地上生物量呈显著正线性相关(图4)。对于陆地生态系统养分循环，枯枝落叶的凋落量对于植物生物量的形成，除土壤提供营养外，覆盖物同样也能提高土壤营养物质的利用率。

图4 地上生物量与凋落物生物量之间的关系Fig.4 Relationship between above ground biomass and litter biomass

3 讨论

3.1 放牧强度对土壤物理性质的影响

土壤容重受家畜踩踏的影响较敏感，作为草地退化的重要指标之一，其基本状况综合反映土壤健康状态[20-21]。本研究认为，随放牧强度的增加，表层0～10 cm土壤容重显著增加，即单位面积内牲畜头数的增加，使得家畜对土壤的压实作用更为强烈，伴随土壤紧实、土壤孔隙度减小，引起透水性、透气性和水导率下降，且受家畜的践踏作用主要分布在0～10 cm土层。放牧对土壤容重的影响还表现在不同深度上，不放牧土壤容重随土层深度的增加逐渐上升，而适牧和重牧土壤容重随着土层深度的增加逐渐降低。这可能是因为植物根系主要分布于土壤表层，不放牧土壤没有受到外界因素的干扰，植物生长较好，种类较多，所以表层土壤比较疏松，土壤容重较小，但随着土层深度增加，根系逐渐减少，土壤通气性变差，使得土壤紧实度增加，土壤容重变大。而放牧地本身由于家畜的采食及踩踏，降低了植被盖度，导致表层根系数量减少，同时放牧增加对土壤的压实作用，导致放牧区表层土壤容重高于底层。天然草地土壤含水量不仅与降水的多少密切相关，对放牧也有一定的响应，试验表明全年重度放牧会导致0～20 cm土壤含水量显著下降，20～40 cm土层土壤含水量无显著性变化，放牧对土壤含水量的影响随土层的加深而减弱，这与石永红[8]的研究结果一致。

3.2 放牧强度对土壤养分的影响

作为草地生态系统中最大的营养库，土壤碳、氮和磷在系统中发挥着重要的作用，是构成土壤有机质的重要组成部分，对维持土壤结构、降低土壤侵蚀潜力、保障土壤水分关系产生重要作用，是土壤结构的关键因子[22]。研究认为，放牧对土壤有机质含量没有影响[23]，还有研究发现放牧增加了土壤有机质的含量[24-25]，本试验表明放牧对0～20，30～40 cm土层土壤有机质含量无显著影响，Smoliak·S[26]进行的19年放牧试验结果表明，不同放牧强度对土壤全磷含量影响不大，与本研究结果一致，本试验得出土壤全磷、速效磷含量在各土层不同放牧处理之间无显著差异。全钾含量在重度放牧与轻度放牧之间无显著差异，各处理之间无显著变化，说明土壤全钾对放牧强度的响应较小。随单位面积内家畜数量的增加，各放牧小区地上凋落物积累量逐渐降低，经过动物的践踏、破碎、分解，使得凋落物与土壤充分接触，加速了凋落物分解，使凋落物中的养分含量和碳元素充分转移到土壤中。凋落物分解作为养分归还土壤的一种重要形式，是生态系统物质循环的关键环节，Taylor研究表明[27]，凋落物的质量对凋落物分解速率有很好的指示作用，凋落物的分解会间接提高土壤养分，通过研究发现，土壤有机质及全氮含量并没有表现出显著变化，说明凋落物在自然环境分解过程十分复杂，许多因素会对凋落物分解产生影响，Swift[28]等强调凋落物质量与分解速率间的关系为正相关或负相关，根据凋落物分解阶段不同而异。放牧会减少地上生物量，降低单位面积凋落物的生成，随着放牧强度的增加，群落地上生物量和主要物种生物量显著降低，但主要物种在群落地上生物量的比值，随放牧强度的增加呈先增加后降低的变化趋势，在适度放牧处理下主要物种生物量比值最高，这与戴新刚的研究结果一致，一定程度的啃食有助于增加盛夏季节短花针茅的产量，中度放牧条件下表现最为突出[29-30]。本试验地为以短花针茅为建群种的荒漠草原，生态环境脆弱，适度放牧虽然会对环境造成轻度影响，但是由于植物本身具有强大的根系和密丛型结构，使得成年株丛的存活率高，同时适度放牧可以刺激植物的营养繁殖和生长，有利于增加优势种在群落中的比值[18]。短花针茅作为优良牧草，为家畜所喜食，在重度放牧下，家畜的严重采食，会降低短花针茅生产力，使优势种生物量在群落中的比值降低。尽管植被在放牧影响下变化显著，但是土壤养分并没有显著性变化，说明放牧对土壤养分的影响是一个长期缓慢的过程，短期放牧并不会使土壤养分产生太大变化。同时，凋落物的分解对土壤的影响是一个非常复杂的过程，是生物因素和非生物因素共同作用的结果[31]。

4 结论

本研究以内蒙古短花针茅放牧草地为依托，分析比较了不同放牧强度下土壤理化性质的变化。研究认为，放牧会显著增加土壤容重，降低土壤含水量，短期放牧对土壤养分无显著影响；放牧会降低植被地上生物量，减少凋落物的生成。因此，适度放牧是维护短花针茅荒漠草原土壤养分、提高草地生产力的有效途径，同时也是保护这一地区脆弱的生态环境的有效方法之一。