羊糞歸還對(duì)荒漠草原表層土壤碳氮的影響

王 興，宋乃平，，楊新國(guó)，肖緒培，楊明秀

（1.寧夏大學(xué) 西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川750021；2.寧夏大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川750021）

自由放牧條件下荒漠草原草地土壤養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化受到多種因素的影響：一方面在一定放牧強(qiáng)度范圍內(nèi)，家畜排泄物養(yǎng)分歸還作用增加，從而推動(dòng)草地養(yǎng)分循環(huán)過程［1－2］；另一方面，家畜選擇性采食改變草地群落結(jié)構(gòu)，過度采食踐踏甚至引起植被和土壤退化［3－4］。受制于放牧強(qiáng)度和草地自身?xiàng)l件等因素的影響，放牧既可以改善土壤養(yǎng)分條件［5－9］，也可以使之進(jìn)一步惡化［3，10－12］。因此，放牧對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響是一個(gè)正向和負(fù)向作用綜合驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜過程，是否存在一個(gè)最適放牧強(qiáng)度范圍，協(xié)調(diào)養(yǎng)分有效歸還與表土踐踏損失的關(guān)系，值得深入研究。自由放牧情況下，家畜排泄物歸還作用不可忽視［13］，由于家畜的長(zhǎng)期選擇性活動(dòng)行為，以地表排泄物量為標(biāo)志，在草地內(nèi)部會(huì)形成一定的相對(duì)放牧強(qiáng)度的明顯空間分異。為此，我們以排泄物梯度模擬放牧強(qiáng)度，開展放牧對(duì)“家畜—土壤系統(tǒng)”養(yǎng)分歸還作用的影響的研究，深入認(rèn)識(shí)“家畜—土壤系統(tǒng)”養(yǎng)分歸還的一般規(guī)律，為荒漠草原自由退化放牧草地的生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.2 樣地設(shè)置

在鹽池縣皖記溝村選取一圍欄放牧草地作為試驗(yàn)樣地，草地基質(zhì)環(huán)境條件相似，均為沙質(zhì)土壤，植被類型為灌草結(jié)合，面積約52hm2。試驗(yàn)地放牧?xí)r間為全年夜間18：00到次日5：00，近3a的草地載牧量大致為160～200只羊，造成地表枯落物和立枯較少。放牧羊群每天從圍欄口進(jìn)入草地取食，由于夜間放牧?xí)r羊只根據(jù)氣味辨別草情，游走線路短，一旦吃飽就會(huì)返回圍欄口。因此，導(dǎo)致地表排泄糞便從圍欄口向草地中心呈自然輻射狀梯度分布。通過實(shí)地調(diào)查訪問，根據(jù)羊只采食時(shí)間及區(qū)域范圍，地表羊糞量的變化及植被特征（表1）等，沿圍欄口到草場(chǎng)內(nèi)部方向，按照地表羊糞量多少劃分6個(gè)羊糞量梯度：距圍欄口620.25m樣地為對(duì)照梯度（CK），羊糞量平均為1.41g／m2；梯度 T1距圍欄口392.6m，羊糞量平均為14.94g／m2；梯度T2距圍欄口233.09m，羊糞量平均為74.58g／m2；梯度T3距圍欄口75.66m，羊糞量平均為233.46g／m2；梯度T4距圍欄口29.43m，羊糞量平均為638.48g／m2；梯度T5在圍欄口附近，羊糞量平均為1 581.68g／m2。

表1 不同羊糞量梯度的植被特征

1.3 羊糞收集和土樣采取

2012年5月，分別在6個(gè)羊糞量梯度上隨機(jī)選取5個(gè)1m×1m樣方，每個(gè)樣方間隔15m，共計(jì)30個(gè)樣方。每一個(gè)樣方中人工撿拾地表羊糞，過篩清除土壤中的羊糞。用套筒長(zhǎng)10cm，直徑9cm的土鉆鉆取0—5cm土樣，將所有羊糞和土樣裝入塑封袋，編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.4 樣品測(cè)定

羊糞在自然條件下風(fēng)干，稱重。土壤樣品風(fēng)干后過1mm篩，采用重鉻酸鉀法測(cè)定土壤有機(jī)碳（SOC），凱氏定氮法測(cè)定土壤全氮（STP）［14］。

1.5 數(shù)據(jù)分析與建模

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和作圖利用Excel軟件，運(yùn)用SAS 8.2進(jìn)行方差分析，用于不同羊糞密度下各指標(biāo)間的比較和差異顯著性檢驗(yàn)（p＝0.01）。采用SPSS 17.0的Bivariate Correlation分析法對(duì)地表不同羊糞密度與土壤有機(jī)碳（SOC）及全氮（STP）的相關(guān)性進(jìn)行分析，選擇最佳估測(cè)模型，同時(shí)利用Excel軟件分別對(duì)地表不同羊糞密度與土壤表層有機(jī)碳和全氮含量進(jìn)行擬合，建立有機(jī)碳和全氮含量估測(cè)回歸方程。

要把凝結(jié)著中華民族傳統(tǒng)文化的文物保護(hù)好、管理好，必須堅(jiān)持馬克思主義的科學(xué)觀點(diǎn)。 習(xí)近平表示：“保護(hù)和發(fā)展實(shí)際上并不是對(duì)立面，我們用馬克思主義科學(xué)的方法對(duì)待文化遺產(chǎn)，將保護(hù)與開發(fā)有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)文化效益與經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的統(tǒng)一?！盵7]19 文化遺產(chǎn)保護(hù)也能夠體現(xiàn)出馬克思主義矛盾觀點(diǎn)和辯證否定的觀點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同羊糞密度對(duì)表層土壤有機(jī)碳的影響

從表2可知，0—5cm土壤有機(jī)碳含量由小到大順序?yàn)門1＜CK＜T3＜T2＜T4＜T5。方差分析表明，表層0—5cm土壤有機(jī)碳含量，在不同羊糞量梯度CK，T1，T2，T3間無顯著差異（p＞0.05），但均顯著小于 T4，T5（p＜0.05）；T4，T5間差異顯著（p＜0.05）。整體上看，土壤有機(jī)碳隨地表羊糞量增加而增加，羊糞積累量在T4梯度水平上，對(duì)土壤有機(jī)碳?xì)w還效應(yīng)顯著。T4，T5梯度土壤有機(jī)碳含量分別為4.19，6.96g／kg，分別是其他幾個(gè)梯度的2，3倍左右。從養(yǎng)分歸還過程看，在CK到T3梯度羊糞密度范圍內(nèi)，表層土壤有機(jī)碳含量相對(duì)穩(wěn)定，土壤有機(jī)碳的差異和積累效應(yīng)均不明顯，與羊糞密度的相關(guān)性也較差。也就是說，T1—T3梯度的羊糞密度對(duì)土壤有機(jī)碳的歸還很容易受其他因素干擾。這可能是由于土壤具有一定的緩沖作用，同時(shí)植被和土壤生物等因素也可能對(duì)土壤有機(jī)碳的收支平衡起到重要作用。T4梯度，土壤有機(jī)碳開始顯著增長(zhǎng)，羊糞歸還作用對(duì)土壤有機(jī)碳積累效應(yīng)凸顯；同時(shí)放牧干擾下，草地受多種生態(tài)因子共同作用，羊糞輸入與表層土壤有機(jī)碳變化并非一個(gè)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，有可能存在一種臨界變化。以羊糞量作為自變量建立模型，擬合函數(shù)自變量系數(shù)的數(shù)量級(jí)較大。因此，為了簡(jiǎn)化模擬函數(shù)，并且不影響模擬函數(shù)的實(shí)質(zhì)意義，用羊糞量對(duì)數(shù)lnf為自變量X，土壤有機(jī)碳含量作為因變量Y，進(jìn)行回歸分析，估測(cè)最優(yōu)模型為二次函數(shù)（圖1）。羊糞量對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，有機(jī)碳含量在T4梯度顯著增加。

圖1 羊糞量對(duì)數(shù)與土壤有機(jī)碳含量關(guān)系

2.2 不同羊糞量對(duì)表層土壤全氮的影響

由表2可知，表層土壤全氮含量由小到大順序大體為CK＜T1＜ T3＜ T2＜ T4＜ T5。方差分析表明，T1，T2，T3梯度0—5cm的土壤全氮含量無顯著差異（p＞0.05），顯著高于CK（p＜0.05）。T4，T5顯著高于CK，T1，T2，T3（p＜0.05）。整體上看，表層土壤全氮含量隨地表羊糞量的增加而增加。當(dāng)羊糞積累量達(dá)到T1，T4梯度時(shí)顯著提高土壤氮含量。T1梯度土壤全氮含量為0.29g／kg，相對(duì)于CK梯度提高了2倍，T4，T5梯度土壤全氮含量分別為0.43和0.64g／kg，是CK梯度的4和6倍，是T1—T3梯度的1.4和2.2倍。說明羊糞對(duì)荒漠草原土壤氮的影響程度高于土壤有機(jī)碳，T1—T5梯度土壤全氮含量變化與有機(jī)碳變化相似，說明土壤有機(jī)碳與全氮演變可能存在一定的耦合關(guān)系。與有機(jī)碳變化相類似，全氮與羊糞的對(duì)應(yīng)變化也表現(xiàn)出一種非線性趨勢(shì)，并出現(xiàn)出一種更為復(fù)雜的階梯狀躍變特征，這種特征很可能與羊只尿液的輸入有關(guān)，具體影響需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以羊糞量對(duì)數(shù)lnf為自變量X，土壤全氮含量作為因變量Y進(jìn)行回歸分析，估測(cè)最優(yōu)模型為二次函數(shù)（圖2）。羊糞量對(duì)土壤全氮含量的影響存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，土壤全氮含量在T1，T4梯度顯著增加。

表2 不同羊糞積累量梯度土壤碳氮比

圖2 羊糞積累量對(duì)數(shù)與土壤全氮含量關(guān)系

2.3 土壤C／N

由表2可知，土壤C／N在7.0～15.1，多數(shù)分布在7.5左右，且隨著羊糞密度的增加呈先降低后升高趨勢(shì)。方差分析表明，0—5cm表層土壤C／N在CK梯度均顯著高于其他5個(gè)梯度（p＜0.05），主要由于此梯度氮素含量最低，碳氮元素相對(duì)豐度差異較大。T1，T2，T3，T4梯度間C／N差異不顯著（p＞0.05），說明地表不同的羊糞積累量對(duì)土壤C／N沒有顯著影響，這4個(gè)梯度上，植被生物量和蓋度相對(duì)較高（表1），植物需要從土壤中獲取充足的資源，從而調(diào)節(jié)了土壤碳氮的相對(duì)豐度。T5梯度土壤C／N顯著高于T1—T4梯度（p＜0.05），植被生物量和蓋度降低（表1），土壤碳氮大量盈余，很可能使得碳氮相對(duì)豐度平衡破壞。從整體上看，土壤C／N比分別在T1，T4梯度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

3 討論

（1）羊糞歸還對(duì)表層土壤碳氮的影響。土壤有機(jī)碳能夠衡量土壤的健康狀況，是陸地生物圈地球化學(xué)循環(huán)的主要成分之一［15］，土壤中的氮素對(duì)于草地初級(jí)生產(chǎn)力起到至關(guān)重要的作用［16］。放牧是荒漠草原區(qū)主要土地利用方式之一，家畜的采食及對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化影響草地土壤養(yǎng)分循環(huán)［17］，其排泄物增加了草地養(yǎng)分庫(kù)，通過踐踏、風(fēng)蝕、淋溶等作用，排泄物中養(yǎng)分歸還到土壤。

已有研究表明，家畜排泄物作為一種有機(jī)肥可以直接增加土壤中的有機(jī)質(zhì)［18－20］，但是野外條件下羊糞歸還量與土壤有機(jī)碳含量間可能并非一種簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。從本試驗(yàn)回歸分析可知，表層土壤有機(jī)碳、全氮與地表羊糞積累量的關(guān)系式分別為：

式中：Y1——土壤有機(jī)碳（g／kg）；Y2——全氮含量（g／kg）；X——地表羊糞量對(duì)數(shù)。

擬合的一元二次方程顯示，地表羊糞對(duì)土壤有機(jī)碳和全氮的歸還存在明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，羊糞積累量在較高水平時(shí)顯著影響表層土壤有機(jī)碳含量。同時(shí)，相對(duì)有機(jī)碳，地表羊糞量增加可以更為快速提高土壤全氮含量，這與王蓓等［7］的研究結(jié)果相似。羊糞積累量在T1梯度水平時(shí)，對(duì)土壤全氮?dú)w還作用開始顯現(xiàn)；在T4梯度水平時(shí)，對(duì)于土壤氮素歸還作用顯著增強(qiáng)。這表明放牧干擾情況下，羊糞歸還作用不是簡(jiǎn)單的增加土壤養(yǎng)分含量，而是當(dāng)某種因素積累到一定程度產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)才使得土壤養(yǎng)分含量發(fā)生顯著的改變。本試驗(yàn)中T4梯度土壤有機(jī)碳、全氮均顯著提高，一方面，主要與其距離羊圈位置較近有關(guān)，羊圈周圍羊糞大量積累，其歸還作用使得土壤養(yǎng)分在草場(chǎng)局部形成較大的碳氮儲(chǔ)存庫(kù)［21］；另一方面，家畜糞便中養(yǎng)分釋放到土壤中的最主要方式是轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)，再經(jīng)淋溶滲漏進(jìn)入土壤［22－23］。在干旱區(qū)，羊糞中養(yǎng)分充分釋放到土壤中的主要控制因素是適宜的水分含量和環(huán)境溫度［13］，研究區(qū)干旱少雨，地表羊糞量覆蓋一定程度上可以保持土壤水分含量，這很可能使得高密度羊糞覆蓋條件下，養(yǎng)分輸入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于損失量，對(duì)土壤碳氮的歸還作用也較明顯。同時(shí)，T4梯度植被蓋度開始下降（表1），這可能使得地表溫度升高，更加有利于羊糞中養(yǎng)分的釋放。土壤中有機(jī)碳的積累與有機(jī)肥的量有密切關(guān)系［24－25］，CK—T3梯度土壤有機(jī)碳沒有顯著增加，除了可能與水分和溫度有關(guān)外，還可能是因?yàn)榈乇硌蚣S歸還對(duì)土壤中有機(jī)碳的積累效應(yīng)還未顯現(xiàn)。與有機(jī)碳不同，土壤全氮在T1梯度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)很可能是因?yàn)榧倚竽蛞旱挠绊?，因?yàn)榈厥羌倚竽蛞旱闹饕煞?；同時(shí)土壤全氮與有機(jī)碳之間存在一定的耦合關(guān)系，即有機(jī)碳的輸入一定程度促使土壤氮素積累［26］。

（2）羊糞歸還與表層土壤碳氮比的關(guān)系。在羊糞的歸還作用下，土壤碳氮比呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)。并且，在C／N比變化過程中，出現(xiàn)兩個(gè)比較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：T1和T4梯度。CK—T1梯度，土壤碳氮比呈下降趨勢(shì)，主要是在此梯度范圍內(nèi)，地表羊糞歸還作用對(duì)于有機(jī)碳?xì)w還作用不顯著，但是，對(duì)于土壤全氮?dú)w還作用顯著提高。T1—T5梯度，隨著羊糞積累量的增加，對(duì)于土壤有機(jī)碳和全氮的歸還作用均顯著增強(qiáng)，土壤碳氮比呈逐漸上升趨勢(shì)。相對(duì)第一轉(zhuǎn)折點(diǎn)，第二轉(zhuǎn)折點(diǎn)土壤有機(jī)碳和全氮分別提高了2.02和1.30倍。所以，土壤碳氮比的變化本質(zhì)在于碳素和氮素提高程度不同，導(dǎo)致兩種元素相對(duì)豐度發(fā)生改變。

土壤碳氮比變化往往與微生物有著密切的關(guān)系。本試驗(yàn)得出土壤碳氮比在CK梯度顯著高于其他5個(gè)梯度，很可能是由于羊糞積累量大于1.41g／m2時(shí)，輸入土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量發(fā)生改變，對(duì)土壤微生物特性和有機(jī)碳礦化作用產(chǎn)生顯著影響。尤其是在本研究區(qū)域，草原土壤沙化，土壤養(yǎng)分相對(duì)貧瘠，羊糞作為有機(jī)肥歸還到草原，很可能改善了微生物活性，使得土壤有機(jī)碳礦化作用加強(qiáng)，有機(jī)質(zhì)分解加快，土壤碳氮比下降。就T1—T5梯度分析，土壤碳氮比逐漸升高，并且在T4梯度顯著升高，這可能與土壤濕度和溫度的變化有關(guān)。也有研究發(fā)現(xiàn)，在一定的放牧強(qiáng)度下，隨著放牧率的增加，土壤小型動(dòng)物、微生物數(shù)量總體下降，土壤有機(jī)質(zhì)分解程度降低，碳素大量積累，碳氮比升高。這說明放牧干擾能夠?qū)ν寥牢⑸锂a(chǎn)生負(fù)效應(yīng)，同時(shí)，家畜的排泄物的輸入又可以減緩這種負(fù)效應(yīng)。放牧導(dǎo)致土壤碳氮比變化除了與2種元素自身增減程度差異有關(guān)外，很可能與放牧對(duì)微生物生物學(xué)性狀的正負(fù)交互影響有關(guān)。

4 結(jié)論

放牧對(duì)家畜—土壤系統(tǒng)養(yǎng)分歸還影響具有累積效應(yīng)，主要表現(xiàn)為：當(dāng)?shù)乇硌蚣S積累量在較低水平時(shí)，對(duì)土壤全氮?dú)w還作用開始顯現(xiàn)；羊糞積累量在較高水平時(shí)，對(duì)土壤有機(jī)碳及全氮?dú)w還作用均顯著增強(qiáng)。隨著地表羊糞量的增加，土壤C／N比呈現(xiàn)明顯的先降低后升高趨勢(shì)。目前研究放牧對(duì)草地土壤的影響多集于某一單因素影響機(jī)制層面，從生態(tài)系統(tǒng)角度研究草地對(duì)放牧響應(yīng)較少。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，進(jìn)一步的研究需要將家畜排泄物、微生物、植被等多種因素有機(jī)結(jié)合，從更深層次闡述放牧干擾對(duì)草地影響的機(jī)制。

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