青藏高原東部高寒草甸牦牛糞便的分解過程和科學(xué)管理

李 博，何奕忻，王志遠(yuǎn)，3，羅 鵬，李洪泉

(1.四川省綿陽(yáng)中學(xué)，四川 綿陽(yáng) 621000； 2.成都生物研究所，四川 成都 610041； 3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049； 4.四川省草原科學(xué)研究院，四川 成都 611730)

放牧是人類利用草地生態(tài)系統(tǒng)的主要方式。牲畜放牧主要通過啃食、踩踏和糞尿的養(yǎng)分歸還這3種方式影響草地生態(tài)系統(tǒng)，其中糞尿的養(yǎng)分歸還是一種重要的影響方式[1]。在生態(tài)系統(tǒng)中，氮、磷等養(yǎng)分經(jīng)常是植物生長(zhǎng)的限制性資源，特別是在高海拔的寒冷地區(qū)(如青藏高原)，土壤中的有機(jī)物質(zhì)分解受到限制，養(yǎng)分循環(huán)很慢，經(jīng)常導(dǎo)致植物生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的缺乏。牲畜的糞便中含有大量植物所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分，是植物生長(zhǎng)的天然化肥[2-3]。一般來(lái)說，牲畜所產(chǎn)生的糞便能夠直接增加土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的含量，也能夠加快生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)速率[4-5]。糞便養(yǎng)分輸入對(duì)于系統(tǒng)養(yǎng)分平衡具有重要的作用。姜世成和周道瑋[6]通過對(duì)松嫩草地的研究認(rèn)為，牛糞能提高土壤水分、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量。其他學(xué)者通過不同畜禽糞便對(duì)土壤養(yǎng)分影響的研究，也印證了糞便可使土壤N、P、K等養(yǎng)分顯著提高[7-8]這一觀點(diǎn)。

青藏高原東部草地是國(guó)家生態(tài)建設(shè)戰(zhàn)略和長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障建設(shè)戰(zhàn)略規(guī)劃中重要的“生態(tài)功能區(qū)”。牦牛作為草地最主要的經(jīng)濟(jì)種畜，造成的生態(tài)影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他放牧種畜[9]。牦牛糞便對(duì)天然放牧草地具有重要的生態(tài)學(xué)意義，尤其是對(duì)養(yǎng)分進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行再循環(huán)過程中的作用不可低估。但近幾十年來(lái)，隨著交通的改善和當(dāng)?shù)啬撩窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，大量牦牛糞便被牧民作為生物能源向企業(yè)出售。據(jù)估計(jì)，川西北地區(qū)僅紅原縣出售的用于培養(yǎng)食用菌的牛糞就高達(dá)4萬(wàn)t，占年牛糞總量的6.8%[10]。長(zhǎng)期、大量地將牦牛糞便移出草地生態(tài)系統(tǒng)，可能造成糞便中的營(yíng)養(yǎng)元素回不到系統(tǒng)進(jìn)行再循環(huán)，從而增加草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)紊亂的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

牦牛糞便對(duì)土壤的養(yǎng)分究竟有何影響？它的分解過程是怎樣的？如何科學(xué)管理糞便的撿拾？針對(duì)以上問題，本研究以青藏高原東部典型高寒草甸及麥洼牦牛為研究對(duì)象，對(duì)牦牛糞便自身養(yǎng)分特征以及夏、秋季節(jié)養(yǎng)分釋放速率的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了初步研究，并通過計(jì)算植物生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求和糞便養(yǎng)分輸入量，探討了糞便對(duì)于草地土壤及群落生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)，以期為高寒草甸的可持續(xù)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1研究地概況 研究地點(diǎn)位于青藏高原東部的四川省阿壩州紅原縣龍日種畜場(chǎng)場(chǎng)部附近(102°21′ E，30°26′ N，海拔3 560 m)。當(dāng)?shù)貧夂虻闹饕卣鞅憩F(xiàn)為寒冷，無(wú)明顯夏季，只有冷暖二季，且霜凍期長(zhǎng)，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜凍期，全年僅6―8月無(wú)雪，常有冰雹出現(xiàn)，熱量不足，枯草期半年以上。年平均溫度0.6～1.1 ℃,最熱月平均氣溫11.0～13.1 ℃，絕對(duì)最高氣溫出現(xiàn)在7月下旬，為23.4 ℃，絕對(duì)最低氣溫出現(xiàn)在1月下旬，為-34.7 ℃。全年降水多集中在7和9月，且年均降水量870～930 mm，川西北高原由于海拔高，空氣稀薄、透明度大，日照充足，年日照時(shí)間一般在2 300 h左右。草地類型為典型的高寒草甸草地，物種主要以發(fā)草(Deschampsiacaespitos)、穗三毛(Trisetumspicatum)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、高山大戟(Euphorbiastracheyi)等植被為主，其伴生種主要以垂穗披堿草(Elymusnutans)、矮地榆(Sanguisorbaofficinalis)、黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、高山龍膽(Gentianaalgida)為主，土壤為亞高山草甸土。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1牛糞產(chǎn)量調(diào)查 在龍日種畜場(chǎng)內(nèi)選擇一塊典型的放牧草地，將100 m×100 m的圍欄中的牛糞全部清空。然后放入5頭成年牦牛，牦?？烧２墒?。分別在2009年的5月23―29日和7月31日―8月6日兩個(gè)時(shí)期內(nèi)，每天記錄牦牛糞便堆數(shù)，并進(jìn)行質(zhì)量測(cè)定。

1.2.2樣地布置 為了試驗(yàn)的科學(xué)性，樣地盡可能選擇植被組成、地形、土壤母質(zhì)等一致的土地。樣地最終選擇在龍日種畜場(chǎng)2007年底建成的一塊圍欄草地，面積大約1 hm2。在2009年試驗(yàn)開始前兩周，將草統(tǒng)一剪至地面高度。

1.2.3取樣設(shè)置 將收集的新鮮牛糞按原有大小放置在4 mm孔徑尼龍網(wǎng)上(便于稱量)，隨機(jī)布設(shè)在樣地內(nèi)以研究分解過程。分別以2009年6月1日(初夏到夏季結(jié)束，簡(jiǎn)稱“夏季”分解)和8月7日(盛夏到秋季，簡(jiǎn)稱“秋季”分解)為時(shí)間原點(diǎn)，設(shè)置兩個(gè)牛糞分解研究取樣系列。具體取樣時(shí)間見表1。

表1 試驗(yàn)取樣時(shí)間安排Table 1 The sampling schedule

1.2.4取樣方法 每次取牛糞5堆作為重復(fù)，每個(gè)時(shí)間原點(diǎn)分別取樣40堆。牛糞取好后，裝入密封袋并編號(hào)，用裝有冰的泡沫箱帶回實(shí)驗(yàn)室。

2 結(jié)果與分析

2.1牦牛糞便產(chǎn)量和養(yǎng)分含量 通過兩次連續(xù)7 d對(duì)成年牦牛進(jìn)行的牦牛糞便產(chǎn)量測(cè)定，測(cè)得平均每頭成年牦牛每天平均產(chǎn)糞6.95堆，平均每堆牛糞2.1 kg，每頭成年牦牛每天平均產(chǎn)牛糞14.6 kg，年產(chǎn)鮮牛糞5 329 kg。經(jīng)過對(duì)隨機(jī)抽取的龍日種畜場(chǎng)內(nèi)的20戶牧民調(diào)查，龍日種畜場(chǎng)內(nèi)的牧民現(xiàn)戶平均草地95.11 hm2，戶平均飼養(yǎng)牦牛76.5頭，因此，龍日種畜場(chǎng)內(nèi)每戶牦牛平均每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，每公頃草地每年約輸入鮮牛糞4.29×103kg。結(jié)合單堆牛糞質(zhì)量的數(shù)據(jù)(表2)，相當(dāng)于每公頃草地每年約輸入鮮牛糞2×103堆,每年輸入氮79.4 kg、磷11.8 kg。

表2 單堆牦牛糞便基本指標(biāo)Table 2 Basic indexes of single heap yak dung

表3 夏季牛糞各指標(biāo)隨時(shí)間的變化情況Table 3 Changing of different indexes of yak dung with sampling times in summer

2.3牦牛糞便秋季分解過程 糞便在秋季的分解過程與夏季基本一致，但是分解速率有所降低(表3)。在最初的兩周內(nèi)，速效鉀、硝態(tài)氮以及總碳、氮、磷下降速率很快，而氨態(tài)氮和無(wú)機(jī)磷總量則下降較慢。在糞便進(jìn)行分解前，試驗(yàn)所用單堆糞便所具有的硝態(tài)氮、氨態(tài)氮、速效鉀、無(wú)機(jī)磷、有機(jī)碳、全氮和全磷總量分別為23.12 mg、0.45 g、1.94 g、0.39 g、135.93 g、39.93 g和6.10 g，截至第85天，分別降至3.11 mg、0.09 g、0.36 g、0.16 g、51.68 g、14.11 g和1.84 g，分別為初始狀態(tài)的13.44%、19.82%、18.52%、40.06%、38.02%、35.34%和30.19%。

本試驗(yàn)中，牛糞在夏季經(jīng)過85 d后，主要養(yǎng)分降為初始狀態(tài)的0.48%～6.98%，養(yǎng)分基本完全分解。而在秋季牛糞經(jīng)過85 d的分解后，主要養(yǎng)分只降為初始狀態(tài)的13.44%～40.06%。由此可知，牛糞在夏季分解較快，這可能主要是由于夏季氣溫明顯高于秋季造成的。此外，夏季午間的強(qiáng)輻射與夜間的低溫讓糞便反復(fù)凍融，加之降雨的沖刷更易使糞便成為顆粒，隨雨水進(jìn)入土壤，這些也可能是糞便在夏季分解較快的原因。糞便在秋季的分解由于高原氣候的影響，即氣溫急劇降低，降水量減少，微生物活性降低，因此分解速率明顯變慢。

2.4草地糞便科學(xué)管理 營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)是維持草原生態(tài)系統(tǒng)平衡的重要過程。牦牛糞便中含有大量養(yǎng)分，其中的速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)對(duì)于保持土壤肥力及牧草產(chǎn)量和質(zhì)量有重要作用。在青藏高原東部的高寒草地上，從維持草地養(yǎng)分生態(tài)系統(tǒng)平衡和牧民生計(jì)的角度來(lái)看，既需要保持一定的糞便養(yǎng)分輸入，又需要滿足牧民生活對(duì)干牛糞的需要，因此，如何對(duì)牦牛糞便進(jìn)行科學(xué)的拾撿將成為草地科學(xué)管理的一個(gè)重要方面。

如果以1990年川西北地區(qū)牧草產(chǎn)量為理想牧草產(chǎn)量的話，每公頃牧草產(chǎn)量為4 500 kg，按牧草平均含氮量20 g·kg-1計(jì)算，每公頃約需要9.0 ×104g氮[12]。另一方面，川西北地區(qū)生長(zhǎng)季節(jié)自然條件下土壤氮礦化速度約為16 mg·m-2·d-1，全年活躍礦化時(shí)間按6個(gè)月計(jì)算，則全年由礦化產(chǎn)生的有效氮量為2.88 ×104g·hm-2[13]。這樣，為了滿足牧草生產(chǎn)對(duì)氮素的需求，平均每年還需要補(bǔ)充6.12×104g·hm-2氮。這些缺欠的氮目前主要通過牲畜糞便的歸還來(lái)補(bǔ)充。假設(shè)土壤氮礦化速度和沉降率不變，按每堆牛糞的平均含氮量約為39.7 g，每堆牛糞鮮質(zhì)量2.1 kg(表1)計(jì)算，則每年約需3.24×103kg·hm-2鮮牛糞輸入才能滿足牧草生產(chǎn)需要。按每戶草地面積95.11 hm-2計(jì)算，每年需輸入3.08×105kg牛糞才能保持土壤肥力和牧草產(chǎn)量。目前平均每戶牧民的牦牛每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，所以，如果單從養(yǎng)分輸入的角度來(lái)看的話，大約有24%的糞便可以被拾撿而不影響土壤肥力和牧草產(chǎn)量。同時(shí)，鑒于夏、秋季節(jié)牦牛糞便中的養(yǎng)分，在3個(gè)月后已大部分歸還回草地生態(tài)系統(tǒng)，因此，建議可在3個(gè)月后揀拾夏、秋季節(jié)牦牛所產(chǎn)的糞便，以保證養(yǎng)分正常歸還草地生態(tài)系統(tǒng)。

另一方面，牧民以曬干的牛糞作為主要燃料。以一個(gè)6口的牧民家庭來(lái)看，夏季(6―9月)牧民煮飯、燒茶、熬奶等每天平均需要60 kg干牛糞，冬季(10―5月)牧民煮飯、燒茶、取暖等每天平均需要75 kg干牛糞，全年共需要2.55×104kg干牛糞，約8.93×104kg鮮牛糞。

平均每戶牧民的牦牛每年可產(chǎn)4.08×105kg鮮牛糞，其中需有3.08×105kg牛糞用于維持草地肥力，8.93×104kg鮮牛糞用于煮飯、燒茶、取暖等燃料。這樣，每戶牧民每年僅剩下1.02×104kg鮮牛糞。剩余的鮮牛糞僅占全年4.08×105 kg鮮牛糞的2.5%。即在目前條件下，除牧民作為燃料自用的牛糞外，牛糞歸還回草地剛剛能滿足草地肥力的需求，沒有太多的牛糞可供出售。

3 小結(jié)

綜合以上研究和分析，建議為了保持土壤肥力，防止因草地營(yíng)養(yǎng)缺乏而造成的牧草產(chǎn)量降低以及草地的退化和沙化，維系草原生態(tài)平衡，保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境，在目前條件下，不應(yīng)將牛糞作為商品向外銷售。對(duì)不聽勸阻仍要在牧區(qū)收購(gòu)牛糞的商販，牧區(qū)的各級(jí)政府要按照生態(tài)保護(hù)的相關(guān)法規(guī)予以堅(jiān)決制止。同時(shí)，為保持牧民經(jīng)濟(jì)收入的增長(zhǎng)和開展草原生態(tài)保護(hù)的積極性，鑒于長(zhǎng)江、黃河中下游地區(qū)作為生態(tài)受益者，應(yīng)通過中央?yún)f(xié)調(diào)，以生態(tài)補(bǔ)償?shù)男问?，向長(zhǎng)江、黃河上游的草原生態(tài)建設(shè)和保護(hù)方，提供強(qiáng)有力的生態(tài)政策支持和國(guó)家財(cái)政撥款的資金渠道。建立牧民主動(dòng)開展生態(tài)保護(hù)和建設(shè)的長(zhǎng)效良性循環(huán)的草原生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制，使生態(tài)受益者和提供者在成本和收益的分擔(dān)與享受上趨于合理，從而激發(fā)牧民保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境的積極性，形成生態(tài)補(bǔ)償與環(huán)境保護(hù)的良性互動(dòng)關(guān)系，從根本上解決草原生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾，促進(jìn)草原可持續(xù)利用，維護(hù)草原生態(tài)安全[14-16]。最終實(shí)現(xiàn)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

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