放牧對土壤碳、氮含量空間變異的影響

紅 梅，余 娜，趙宏儒，胡吉亞，韓國棟

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018； 2.包頭市土肥站，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

土壤全氮和有機(jī)碳是土壤的重要組成成分，也是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，而且是生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的生態(tài)因子，因此一直倍受生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)等多個學(xué)科的關(guān)注，目前已經(jīng)成為國際全球變化研究的核心內(nèi)容之一[1-5]?？梢?，土壤碳、氮的深入研究對了解土壤養(yǎng)分的分布以及養(yǎng)分的管理具有極其重要的意義。草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要類型，約占陸地生態(tài)系統(tǒng)總面積的46%。近幾十年來，草原生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，土壤侵蝕加劇，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變化。所以，對區(qū)域土壤養(yǎng)分空間格局的研究，能為了解草原土壤的變化過程提供重要依據(jù)。結(jié)合經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)與地統(tǒng)計學(xué)分析土壤有機(jī)碳和全氮的空間變異格局一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)的農(nóng)田已經(jīng)做了大量的研究[6]。Yost和Hatfierld[7]早期應(yīng)用統(tǒng)計方法研究土壤養(yǎng)分大尺度空間格局，在夏威夷島進(jìn)行了土壤養(yǎng)分的空間相關(guān)性研究，結(jié)果表明，土壤氮、磷、鉀、鈣、鎂含量在32～42 km范圍內(nèi)存在空間相關(guān)。以內(nèi)蒙古阿拉善左旗為例，黃元仿等[8]研究了土壤有機(jī)質(zhì)在干旱荒漠區(qū)的空間變異特征。放牧對草地土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)的影響在國內(nèi)外已有很多報道[9-11]，但這些多集中在半濕潤、半干旱草原地區(qū)，而在干旱荒漠地區(qū)放牧對土壤碳、氮空間變異特征影響的定量研究工作甚少。本研究以內(nèi)蒙古四子王旗短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原淡栗鈣土為研究對象，采用經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)與地統(tǒng)計學(xué)相結(jié)合的方法，對該區(qū)土壤碳、氮的變化特性進(jìn)行研究，以揭示放牧強(qiáng)度對土壤碳、氮空間變異特征的影響。

1 材料與方法

1.1試驗區(qū)概況 研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市四子王旗王府一隊，41°47′17″ N， 111°53′46″ E，海拔1 450 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。短花針茅荒漠草原，草地類型為短花針茅+冷蒿(Artemisiafrigida)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica)。植被草層平均高度為8 cm，植被稀疏，蓋度17%～20%。土壤類型為淡栗鈣土，土層厚度約為1 m，鈣積層出現(xiàn)在40～50 cm，土體堅硬，通氣透水能力差[12]。降水集中在夏季，年平均降水量299.4 mm，雨后常見明顯地表徑流沖刷現(xiàn)象。

試驗區(qū)共設(shè)4個處理，分別為未放牧(CK)、輕度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)，3次重復(fù)(圖1)，共12個放牧小區(qū)。載畜率值分別為0(CK)、0.91(LG)、1.82(MG)和2.71(HG)羊單位·hm-2·半年-1。4個處理完全隨機(jī)排列。

1.2樣品采集與測定方法 采樣時間為2007、2008和2009年的9月?？紤]到取樣的代表性，于每個試驗小區(qū)內(nèi)各布設(shè)2條樣線，樣線上隔20 m左右設(shè)一個樣點，組1和組2中每條樣線21個點，LG3和CK3中的每條樣線12個點，MG3中的每條樣線8個點，HG3上是5個點，共410個樣點，3年共1 230個樣點，GPS定位。取樣采用均勻和隨機(jī)相結(jié)合，在每一個樣點的1 m×1 m的亞小區(qū)內(nèi)，用管狀土鉆隨機(jī)取3份0～20 cm的土樣，均勻混合。然后在實驗室自然風(fēng)干，去除植物根系等雜質(zhì)，過120目篩子，用于室內(nèi)分析。

圖1 試驗區(qū)各放牧小區(qū)和區(qū)組位置示意圖Fig.1 The experimental paddocks and blocks location

土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法測定，全氮采用半微量凱氏定氮法[13]測定。

1.3數(shù)據(jù)分析 對測定的數(shù)據(jù)用半方差分析方法計算空間變異特征，半方差函數(shù)的計算公式為：

式中，r(x,h)為半方差函數(shù)，h為兩樣本間的距離，Z(x)與Z(x+h)差的平方一般定義為區(qū)域化變量Z(x)在x軸方向上的變異函數(shù)[14-17]。

圖2 變異曲線示意圖Fig.2 Model variogram curve

1.4數(shù)據(jù)處理 采用SAS(9.0)與SPSS(1.0)結(jié)合進(jìn)行常規(guī)統(tǒng)計分析；地統(tǒng)計學(xué)軟件GS+(9.0)計算半方差函數(shù)模型，含量分布圖形繪制和面積圖統(tǒng)計、計算均采用ArcGIS(8.3)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1各放牧強(qiáng)度的土壤碳、氮的統(tǒng)計特征值 各放牧強(qiáng)度下的土壤碳、氮含量的分布較均一，都服從正態(tài)分布(表1)，表明土壤受外界因素的影響比較少。從變異系數(shù)看，土壤碳、氮的變異系數(shù)介于11.1%～18.1%，均屬中等變異程度，這與已有的一些研究結(jié)果[18-19]相同。隨著放牧強(qiáng)度的增大，土壤有機(jī)碳和全氮含量均呈現(xiàn)減少趨勢，未放牧顯著高于重度放牧(P<0.05)，而與輕度放牧和中度放牧的差異不顯著。2007、2008和2009年的變化趨勢一致。

2.2各放牧強(qiáng)度區(qū)土壤碳、氮含量的空間結(jié)構(gòu)分析 本研究選用了離差平方和最小，即用擬合度最好的指數(shù)和球狀模型來描述土壤有機(jī)碳和全氮的空間結(jié)構(gòu)特征(表2)。從空間變異因素角度來看，Kriging方差與基臺值的比值稱為空間變異比，即C0/(C0+C1)，其表示空間異質(zhì)性程度[20]。此比值大說明由隨機(jī)因素引起的空間變異高，反之則說明由空間自相關(guān)部分引起的變異程度高。若此比值小于25%，則說明變量具有強(qiáng)烈的空間相關(guān)性；若此比值介于25%～75%，則說明變量具有中等的空間相關(guān)性；若此比值大于75%，則說明空間相關(guān)性很弱。本研究區(qū)域內(nèi)，未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤碳、氮C0/(C0+C1)比值都小于25%，說明這3個放牧強(qiáng)度的土壤碳、氮的空間異質(zhì)性主要是由區(qū)域因素引起的，隨機(jī)性因素對土壤碳、氮空間變異的影響相對較小。而輕度放牧土壤碳、氮的C0/(C0+C1)比值介于25%～75%，屬中等程度的空間相關(guān)性(表2)。

變程也稱空間最大相關(guān)距離，未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤碳、氮的變程均比輕度放牧的大(表2)。這與未放牧、中度放牧和重度放牧的土壤有機(jī)碳和全氮主要受土壤類型、成土母質(zhì)、地形等區(qū)域因素影響有關(guān)，輕度放牧區(qū)的土壤碳、氮空間相關(guān)距離小于其它3個放牧強(qiáng)度，則說明受到隨機(jī)因素——放牧強(qiáng)度的影響大。

表1 土壤碳氮的描述統(tǒng)計特征值Table 1 Descriptive statistics of soil carbon and total nitrogen

表2 不同放牧強(qiáng)度下有機(jī)碳和全氮半方差函數(shù)模型Table 2 Best-fitted variogram models of soil carbon and total nitrogen under different grazing intensities

2.3不同放牧強(qiáng)度下土壤碳、氮含量的空間變異特征 各放牧強(qiáng)度下的土壤有機(jī)碳含量主要介于12.29～18.06 g·kg-1，該級別未放牧、輕度放牧、中度放牧和重度放牧的面積分別為11.887、11.425、10.228和8.401 hm2，該研究區(qū)域面積為52.57 hm2，該級面積占研究區(qū)總面積分別為22.62%、21.73%、19.46%和15.98%(表3)。土壤全氮含量主要介于1.24～1.67 g·kg-1，該級別未放牧、輕度放牧、中度放牧和重度放牧的面積分別為10.649、10.502、10.309和7.420 hm2，該級面積占研究區(qū)總面積分別為20.26%、19.98%、19.61%和14.11%。土壤有機(jī)碳<12.29 g·kg-1且全氮<1.24 g·kg-1的區(qū)域主要集中在中度放牧和重度放牧區(qū)，中度放牧區(qū)這兩級的面積分別占研究區(qū)面積的3.44%和4.02%，重度放牧區(qū)占3.06%和4.35%。18.06～19.50 g·kg-1的有機(jī)碳面積中度放牧區(qū)最大，占研究區(qū)面積的2.05%。有機(jī)碳>19.5 g·kg-1和全氮>1.78 g·kg-1的區(qū)域主要集中在未放牧區(qū)，分別占研究區(qū)面積的1.66%和0.84%(表3)。

根據(jù)上面所得到的半方差函數(shù)模型，用Kriging最優(yōu)內(nèi)插法，分別繪制了研究區(qū)不同放牧強(qiáng)度下的土壤碳、氮空間分布圖(圖3)。研究區(qū)土壤碳、氮含量空間分布格局為區(qū)組1和區(qū)組2在樣線200～300 m處含量普遍偏高，MG1的0～50 m處碳、氮都有一個高含量的斑塊，區(qū)組3中CK3和MG3的140 m處含量最高，HG3整體含量低?？傮w表現(xiàn)為未放牧>輕度放牧>中度放牧>重度放牧，這與前面的分析結(jié)果一致。

表3 不同放牧強(qiáng)度下土壤碳氮含量分級面積統(tǒng)計Table 3 Statistics of the graded area of soil micro-biomass carbon and nitrogen content under different grazing intensities

圖3 有機(jī)碳和全氮含量分布圖Fig.3 The spatial distribution of soil organic carbon and total nitrogen content

未放牧和輕度放牧區(qū)土壤碳、氮低含量斑塊面積較小，中度放牧和重度放牧后土壤碳、氮低含量斑塊面積隨著年度遞增呈增加趨勢，而未放牧和輕度放牧區(qū)沒有明顯的變化(圖4、圖5)。重度放牧區(qū)土壤碳、氮高含量斑塊面積小于其它3個放牧強(qiáng)度，并且隨著年度的遞增呈減小趨勢。

研究區(qū)土壤碳、氮含量的空間分布格局大體上是相似的，即土壤有機(jī)碳含量高的地塊全氮含量也較高。相關(guān)分析結(jié)果顯示，土壤全氮和有機(jī)碳的分布存在著顯著的相關(guān)性。全氮含量(y)與土壤有機(jī)碳含量(x)呈顯著正相關(guān)(y=0.075 9x+0.291 5，r=0.950 6*)。

圖4 不同年度土壤碳、氮低含量斑塊面積變化圖Fig.4 Changes in patch areas with low content of soil carbon and nitrogen in different years

圖5 不同年度土壤碳、氮高含量斑塊面積變化圖Fig.5 Changes in patch areas with high content of soil carbon and nitrogen in different years

3 討論

研究區(qū)土壤有機(jī)碳含量受放牧的影響顯著，其中未放牧區(qū)的土壤有機(jī)碳顯著高于重度放牧區(qū)，這與李香真和陳佐忠[21]研究的未放牧區(qū)0～10 cm表層土壤有機(jī)碳含量顯著高于各放牧處理的結(jié)果一致，與傅華和陳亞明[22]研究的阿拉善土壤有機(jī)碳含量隨著放牧強(qiáng)度的增加顯著降低的結(jié)果也一致。而Milchunas和Laurenroth[23]、Manley等[24]通過綜述大量的放牧研究得出，放牧對土壤有機(jī)碳沒有顯著影響。還有一些研究指出，與不放牧相比較，中度放牧?xí)黾油寥乐杏袡C(jī)碳的含量[25-26]，也有一些與上述研究不同的論點[27-28]。本研究中土壤全氮隨著放牧強(qiáng)度的增加而降低，Kooijman 和Smith[29]也認(rèn)為一般情況下，放牧?xí)档屯寥乐腥暮?，但是家畜糞便的排放又會增加土壤中氨態(tài)氮的積累，所以不同外界環(huán)境下，不同放牧強(qiáng)度草地土壤的全氮變化并不確定。土壤碳、氮含量存在顯著的正相關(guān)，這也與國內(nèi)研究者的普遍認(rèn)識是一致的[30-32]。

輕度放牧區(qū)土壤碳、氮屬中等程度的空間相關(guān)性，是因為輕度放牧區(qū)空間變異特征是土壤類型、地形、成土母質(zhì)等區(qū)域因素和放牧等隨機(jī)因素共同作用的結(jié)果。輕度放牧區(qū)適度的干擾，家畜選擇性的采食和踐踏使植被分布格局、植被的組成、產(chǎn)量和進(jìn)入土壤的碳、氮數(shù)量發(fā)生了改變。同時，由于家畜的糞便分布也會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳和全氮含量分布格局發(fā)生變化，呈現(xiàn)中等程度的空間相關(guān)性。而未放牧區(qū)無隨機(jī)因素(如放牧等)的干擾，土壤碳、氮分布受自然區(qū)域因素的影響，空間變異大。中度放牧和重度放牧后，放牧區(qū)植被種類減少，并且變得單一，產(chǎn)量下降，植被補(bǔ)充進(jìn)入土壤的有機(jī)碳和全氮減少，同時變得較均勻。家畜在放牧區(qū)內(nèi)為了采食到更多的食物，游走頻率增高，糞便均勻分布，所以放牧不會使土壤有機(jī)碳和全氮的空間分布格局發(fā)生變化，格局變化主要還是受區(qū)域因素的影響。輕度放牧區(qū)土壤有機(jī)碳和全氮的空間相關(guān)距離小于其他放牧強(qiáng)度，也說明受到隨機(jī)因素的影響相對大。區(qū)域因素在較大范圍上才能發(fā)生變化，所以未放牧、中度放牧和重度放牧的變程大于輕度放牧。

綜上所述，輕度放牧適合該地區(qū)。雖然未放牧的土壤碳、氮含量最高，但是它的草地利用率為0；中度放牧和重度放牧的草地利用率高，土壤碳、氮含量顯著降低，會導(dǎo)致植被種類和數(shù)量減少；而輕度放牧(0.91羊單位·hm-2·半年-1)的草地利用強(qiáng)度適中，碳、氮含量并沒有顯著的減少，可以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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