高寒草甸表層土壤物理性狀對短期放牧的響應

楊思維，張德罡，牛鈺杰，花立民

(1.甘肅農業(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； 2.畢節(jié)市畜牧獸醫(yī)科學研究所，貴州 畢節(jié) 551700)

高寒草甸是青藏高原主要草地類型和水源涵養(yǎng)的主體基質[1]，并在水熱交換、生物多樣性保護和生物地球化學循環(huán)等方面起著不可替代的生態(tài)屏障作用[2]。受高原特殊氣候和人類活動影響，高寒草甸植被退化嚴重，面積約16.5%的土壤退化為次生裸地“黑土灘”[3]。放牧是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)最主要的人為干擾，是導致高寒草甸退化的主要原因[3]。放牧造成高寒草甸植被蓋度減少、植物多樣性降低[2]，而且養(yǎng)分輸入量減小，直接或間接影響了土壤理化性狀，最終導致土壤質量衰退且裸地增加，蓄水能力變弱，水土流失加劇[4]。

土壤物理性狀是反映土壤結構的重要指標，直接影響著土壤中水、肥、氣、熱等因素的變化，決定養(yǎng)分、水分的運移[5]。土壤容重和孔隙度綜合反映了土壤顆粒和土壤孔隙的狀況，是指示草地退化的重要物理指標，且對放牧較為敏感[6]。土壤持水能力和滲透性能是土壤水分調節(jié)能力和涵養(yǎng)水源的重要評價指標，也能反映土壤侵蝕[7-8]。重度放牧導致動物的踐踏作用增強，土壤容重增加，孔隙度減少，使土壤的滲透阻力加大，土壤的水分保持能力下降，且對土壤的影響主要集中在表層[5]。多數研究認為，土壤本身的彈性特征，導致土壤理化性狀對放牧的響應較為緩慢，表現出一定的滯后性[9]，需要長期放牧試驗來評估。但也有研究發(fā)現，短期內家畜采食踐踏作用增強，較高的放牧載畜率可能是引發(fā)草地生態(tài)系統(tǒng)功能退化的導火索[4]。

通過在青藏高原東北緣高寒草甸進行連續(xù)3年的定量放牧強度試驗，基于表層土壤容重、孔隙度、土壤持水能力和入滲性能等物理性狀的觀測，旨在揭示高寒草甸土壤容重、孔隙度、土壤飽和含水量、田間持水量、有效水含量、土壤持水量和土壤滲透速率對短期放牧強度的響應，并分析入滲性能的影響因素，為高寒草甸的合理利用和保護提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗設在青藏高原東北緣的甘肅省天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)甘肅農業(yè)大學高山草原試驗站。該站位于祁連山東段的天祝金強河河谷，地理坐標為N 37°11′～ 37°14′，E 102°40′～ 102°47′，海拔2 710～3 080 m。年均溫-0.1℃，>0℃年積溫1 380℃；年降水量416 mm，多為地形雨，集中于7～9月；無絕對無霜期，僅分冷熱兩季。天然草地以高寒草甸為主，主要植物有垂穗披堿草(Elymusdahuricus)、大針茅(Stipagrandis)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifoli)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)、秦艽(Gentianamacrophylla)、扁蓿豆(Melissitusruthenicus)、早熟禾(Poaceaeannua)、狗哇花(Heteropappushispidus)、黃芪(Astragalusmembranaceus)、棘豆(Oxytropisbella)等。土壤以亞高山草甸土、亞高山黑鈣土為主。

1.2 試驗設計

在系統(tǒng)考察試驗地植被情況與當地實際載畜量的基礎上，計算得出當地中等程度載畜量為4.5～5.0羊單位/hm2。在此基礎上下浮動設置不同放牧強度。選擇體重相近的甘肅高山細毛羊為試驗羊。選擇地勢平坦、草地類型一致、優(yōu)勢種為垂穗披堿草(Elymusdahuricus)、大針茅(Stipagrandis)的樣地，設置3個放牧強度區(qū)(放牧強度=羊單位數×放牧時間/放牧面積)[10]，分別為重度(HG)、中度(MG)和輕度(LG)，各處理重復2次(表1)，其中放牧時間為d，于2012年8月開始，進行全年圍欄放牧試驗。每天于8∶00～18∶00放牧(表1)。

表1 放牧強度設置

1.3 取樣與處理方法

2015年8月試驗結束(3年放牧試驗)后，在每一樣地中選取9個代表性樣點(即9次重復)，采用環(huán)刀法取土壤剖面0～10 cm表層原狀土樣。土壤容重和初始含水量(質量含水量)測定采用烘干法；

總孔隙度=(1-容重/土壤密度)×100%

(1)

式中土壤密度為2.65 g/cm3；浸泡法測定土壤飽和含水量與毛管孔隙度[11]，土壤非毛管孔隙度用總孔隙度減去毛管孔隙度獲得；通氣孔度用總孔隙度減去土壤容積含水量(即土壤容重×土壤初始重量含水量)獲得；田間持水量與土壤有效含水量通過壓力膜儀法測得[11]；非毛管持水量、毛管持水量及最大持水量[12]。

Wc=1000Pchrw

(2)

Wo= 1000Pohrw

(3)

Wp=Wc+Wo

(4)

式中：Wp、Wc、Wo分別為土壤最大持水量(t/hm2)、非毛管持水量(t/hm2)、毛管持水量(t/hm2)，Pc、Po分別為土壤非毛管孔隙度(%) 、土壤毛管孔隙度(%)、h、為土層厚度(m)、rw為水容重。

室內環(huán)刀法測定土壤入滲過程[13]，采用初始入滲率(前3 min入滲速率)、穩(wěn)定入滲率和90 min平均入滲率及累積入滲量4個指標來研究土壤入滲特征，并選用Horton模型、Philip 模型、Kostiakov 模型和通用經驗模型分別進行入滲過程模擬[12]。

1.4 數據處理

所有數據采用Excel 2013作圖，SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析( one-way ANOVA)，Duncan多重比較法檢驗組間差異(α= 0.05)，Pearson相關系數評價因子間的相關關系和逐步回歸分析；用Sigmaplot 12.0進行模型模擬；圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 土壤容重與孔隙度的變化

土壤初始含水量、土壤容重、孔隙性狀直接影響土壤的透氣性、導水與持水性能。3年放牧試驗后，土壤初始含水量隨放牧強度增加而降低，而且表現出LG與MG處理均顯著高于HG處理(P<0.05)；土壤容重隨放牧強度增加而升高，但處理間差異不顯著(P>0.05)；土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度及通氣孔隙度均與土壤容重呈現相反變化規(guī)律，但處理間差異不顯著(P>0.05)。說明短期放牧會引起草地土壤容重和孔隙性狀的波動，但影響不明顯。3個處理，以HG處理的土壤容重始終表現最高，但土壤孔隙性狀均表現最低，說明重度放牧處理在增加土壤緊實程度的同時，降低了表層土壤通氣性和透水性(表2)。

表2 不同放牧處理下土壤的容重和孔隙度

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 土壤持水能力的變化

隨放牧強度的增加，所有處理的土壤水分系數表現為降低趨勢，其中土壤飽和含水量、田間持水量對短期放牧響應顯著(P<0.05)，且均表現LG顯著高于HG處理(P<0.05)，但MG處理與LG和HG處理差異均不顯著(P>0.05)，而各放牧處理間土壤有效含水量差異不顯著(P>0.05)。各指標均表現為LG和MG高于HG處理(圖1)。

圖1 不同處理下土壤的持水性能Fig.1 Soil water-holding capacity under different grazing intensities注：同一指標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量分別在78.84～91.10 t/hm2，67.55～77.25 t/hm2與11.29～13.85 t/hm2。隨放牧強度增加，土壤最大持水量和毛管持水量呈現降低趨勢，HG處理最小，分別為78.84、67.55 t/hm2；LG和MG處理均顯著高于HG處理(P<0.05)，但LG與MG處理間差異不顯著(P>0.05)，同時土壤非毛管持水量表現為處理間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 不同處理下土壤的貯水能力Fig.2 Soil water holding capacity under different grazing intensities注：同一指標不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.3 土壤入滲性能的變化

不同放牧處理的土壤水分入滲過程基本相似,入滲過程大致分為入滲瞬變階段(0～18 min)、漸變階段(18～30min)和之后穩(wěn)定入滲階段(>30 min)。在入滲瞬變期，各處理入滲速率都隨時間劇烈減小，而且相互之間差別較明顯，表現為LG>MG>HG；進入入滲漸變階段后入滲率減小而且趨緩，入滲速率范圍變化不大，分別為HG (0.53～0.51 mm/min)，MG(0.99～1.08 mm/min)，LG (1.38～1.40 mm/min)，其中LG處理的入滲率均超過HG和MG處理，HG處理的入滲率最小。進入穩(wěn)定狀態(tài)，HG達到穩(wěn)定入滲歷時最短(20 min)，LG和MG處理均表現在42 min達到穩(wěn)定入滲，但42 min之后，HG入滲率仍比MG處理稍高(圖3)。說明研究區(qū)3個放牧強度中，輕度和中度放牧壓力能促進土壤滲透性能明顯改善，尤其輕度放牧可以延緩地表發(fā)生徑流的時間，降低土壤水分侵蝕風險。

圖3 不同放牧處理土壤入滲過程Fig.3 Soil infiltration process under different grazing intensities

2.3 土壤入滲模型的選擇

通過土壤入滲過程的擬合，不同放牧強度土壤水分入滲過程4 個擬合模型的相關程度均達到顯著水平，但模型的擬合精度存在差異(表3)。根據擬合值R2可知，Horton 模型擬合效果最好，通用經驗模型次之，二者擬合值均在0.95以上，而Philip模型較差，Kostiakov 模型最差，擬合值均小于0.95，但是對于HG處理，Kastiakov模型擬合效果比Philip 模型擬合效果要好。說明Horton 模型更適用于模擬本研究區(qū)域放牧條件下的土壤入滲過程，而Kostiakov 模型和Philip 模型均不適于該流域放牧草地土壤水分入滲過程的模擬。

表3 不同放牧處理下土壤的入滲模型

不同放牧處理下土壤初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和前90 min入滲總量存在較大差異，但土壤入滲性能指標隨放牧強度增加，均表現降低趨勢。各處理土壤入滲性能指標均表現為：LG>MG>HG，初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率和90 min的累計入滲量均以HG處理最小，其平均值分別為2.49、0.59、0.53 mm/min和52.77 mm。LG處理初始入滲速率顯著高于HG處理(P<0.05)，但MG處理各土壤入滲指標與HG和LG處理均無顯著差異(P>0.05)。結果表明，輕度放牧壓力有利于提高土壤水分的入滲，而重度放牧減弱了土壤水分入滲性能，增加了表層土壤水分發(fā)生徑流的風險。此外各處理土壤入滲率特征值大小順序為：初始入滲率>平均入滲率>穩(wěn)定入滲率(圖4)。

圖4 不同處理土壤入滲特征Fig.4 Soil infiltration characteristic under different grazing intensities

2.5 土壤入滲性能與土壤物理性狀的相關關系

短期放牧條件下，除初始入滲率與初始含水量、飽和含水量、有效含水量、毛管持水量正相關不顯著外，高寒草甸土壤滲透性能均與土壤初始含水量、總孔隙度、非毛孔隙度、通氣孔隙度、飽和含水量、田間持水量、有效含水量、非毛管持水量、毛管持水量、最大持水量呈顯著正相關，與土壤容重呈顯著負相關，而與毛管孔隙度相關性不顯著(表4)，選擇表3中與土壤滲透性指標顯著相關的因子作為自變量，以初始入滲率(i1)、穩(wěn)定入滲率(i2)、平均滲透率(i3)和前90 min 滲透總量(i4)為因變量，進行逐步回歸分析，得到初始入滲率、穩(wěn)定入滲率、平均滲透率和前90 min 滲透總量的主導因子方程，分別為i1= 34.333P6-11.848(R2=0.282，P<0.000 1)；i2= 22.789P6+3.503P9-10.331(R2=0.542，P<0.000 1)；i3= 21.951P6+3.593P9-10.071(R2=0.544，P<0.000 1)；i4=2 051.013P6+315.26P9-929.78(R2=0.542，P<0.000 1)。說明短期放牧條件下，土壤入滲性能受土壤水分性狀和物理性狀的綜合影響，尤其土壤通氣孔隙度和有效含水量是最為重要的限制因子。

表4 土壤物理性狀與土壤入滲性能的相關系數

注：i1：初始入滲速率；i2：平均入滲速率；i3：穩(wěn)定入滲速率；i4：入滲總量；P1：土壤初始含水量；P2：土壤容重；P3：總孔隙度；P4：非毛管孔隙度；P5：毛管孔隙度；P6：通氣孔隙；P7：飽和含水量；P8：田間持水量；P9：有效含水量；P10：非毛管持水量；P11：毛管持水量；P12：最大持水量；*P<0.05；**P<0.01

3 討論

3.1 放牧對土壤含水量與孔隙性狀的影響

土壤初始含水量，容重和孔隙度是表征土壤物理性狀的重要指標[8]。放牧家畜對草地的踐踏，易導致表層土壤緊實度增加，引起土壤持水能力下降，從而使土壤含水量降低，且表現放牧強度越大，土壤水分含量越少[14]。研究結果表明，隨放牧強度增加，土壤含水量呈下降趨勢，這與多數研究結果類似[15-16]。同時研究也表明，輕度與中度放牧土壤含水量無明顯變化，但顯著高于重度放牧，這與董全明等[15]在小嵩草高寒草甸區(qū)短期放牧研究的結果一致。重度放牧導致土壤含水量顯著降低，可能是放牧家畜對植被啃食和踐踏，地表的裸露程度增大，地表蒸發(fā)隨之增大，同時地下根系生物量減少，土壤變得緊實，導致土壤容重呈線性增大，而土壤孔隙度降低，土壤非毛管孔隙減少，通氣性，滲透性和蓄水能力受到不良影響，導致土壤含水量降低[5,17]。但試驗中放牧強度間土壤容重與孔隙狀況無顯著變化，這可能與高寒草甸土壤生態(tài)系統(tǒng)對放牧的彈性和滯后性有關[9]，短時間放牧可能并未能改變其抗干擾能力，從而導致土壤容重和孔隙分布未受影響[18]。

3.2 放牧對土壤持水性能的影響

土壤持水性能是土壤一項重要的物理性質，制約著土壤對水分的吸持和貯存，其中土壤飽和含水量、田間持水量、有效水含量、最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均可較好的反映土壤持水能力，是影響土壤水源涵養(yǎng)功能的重要因素[7-8]。放牧家畜的強度采食和過重的踐踏是誘發(fā)高寒草甸土壤持水能力降低的主要原因[19-20]。結果表明，輕度放牧樣地表層土壤飽和含水量與田間持水量顯著高于重度放牧樣地，同時毛管持水量和最大持水量表現輕度與中度放牧均顯著高于重度放牧，這與吳啟華等[20]在高寒雜草類草甸的放牧研究結果類似。這可能與本試驗區(qū)輕度和中度放牧樣地擁有良好的植被覆蓋度、地下根系生物量有關，合理的放牧強度有利于地下根系形成相對穩(wěn)定的草皮，增加腐殖質和有機質含量，降低土壤容重和提高孔隙度的空間分布，從而增加土壤持水量[21]，但由于牲畜過重的反復踐踏，土壤養(yǎng)分輸入減少，土壤細顆粒部分也隨之流失，導致容重增大，孔隙度降低，故引起重度放牧樣地土壤持水量也逐漸減少[7,20]。相關研究報道，土壤持水能力高低變化，其實質是受一定土壤厚度條件下土壤容重和孔隙大小的影響[7，8]。土壤容重較小而孔隙度越大時，土體越疏松，土壤持水能力就越強，土壤容重增大而孔隙度減小時，土壤易板結，相應也減小土壤儲水空間，從而降低了土壤持水能力[22]。因此，不同放牧強度對土壤容重和孔隙度分布狀況的影響也直接反映了放牧強度對持水能力影響的強弱[19-20]。然而本研究各放牧強度對土壤容重和孔隙分布無顯著影響，而飽和含水量、田間持水量、毛管持水量和最大持水量對放牧強度響應敏感，說明短期放牧對土壤物理性狀的微小的波動能引起土壤持水能力的強烈變化，而這些反映土壤持水能力的參數可作為預測高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)土壤質量變化的早期指標。

3.3 放牧對土壤入滲性能的影響

土壤入滲性能作為物理性狀的重要指標，可反映土壤水分和養(yǎng)分保蓄能力，其強弱影響土壤的通氣狀況和對水分利用程度。一般認為良好的草地具有較大的土壤滲透率[5]。本試驗結果無論是土壤入滲曲線的高低還是表征土壤入滲性能的指標均表現隨放牧強度增加而降低的趨勢。這與趙翠珍等[23]對高寒草原，王永明等[24]對大針茅草原、杜巖功等[25]對高寒草甸的放牧研究結果類似，且認為隨放牧壓力的增強，牲畜對土壤的壓實作用變強，使土壤孔隙度減小，引起土壤透水性、透氣性和導水性下降是導致土壤入滲性能降低的主要原因[5]。結果也表明，表征土壤入滲性能的初始入滲率、平均入滲率、穩(wěn)定入滲率與90 min入滲總量均表現輕度放牧顯著高于重度放牧，這可能的原因是輕度放牧有利于累積一定的凋落物量，增加了凋落物的蓋度，可有效攔蓄降水、減少土壤表面水分蒸發(fā)耗損，而且能夠防止雨水直接濺打地表、增加地面粗糙度，促進地表徑流變?yōu)榈叵聫搅鳎瑫r輕度放牧可促進地表凋落物的有效分解，疏松土壤，增加土壤的孔隙度，能夠提高土壤的通氣性，促進了土壤的團粒結構形成，進而提高了降水的入滲率[24]。重度放牧在降低土壤植被覆蓋度和凋落物蓋度的同時，對土壤的過重壓實導致土壤表層容重增加，非毛管孔隙減少，土壤透氣性降低[5，25]，同時重度放牧可導致高寒草甸表土草氈層加厚，進一步增加土壤緊實程度，致密的草氈層在水蝕作用下易形成老化的生物結皮層，從而降低土壤入滲性能[25]。同時本研究對不同放牧強度土壤入滲過程模型擬合發(fā)現，Horton模型是最優(yōu)模型，而Kostiakov 模型和Philip模型基本不適于描述本研究區(qū)的土壤水分入滲過程，高澤永等[26]在青藏高原高寒草原凍土區(qū)的研究也得出類似的結果。

3.4 土壤入滲性能的影響因素

相關研究表明，土壤入滲性能由土壤立地條件下的水分物理性狀決定[8，12，19]。平均入滲率和累積入滲量、穩(wěn)定入滲率均隨土壤初始含水量的增加而顯著增大，同時與土壤非毛管孔隙度顯著正相關，而與毛管孔隙度無顯著相關性，這與李建興等[12]、余新曉等[27]的研究結果相似。土壤初始含水量與初始入滲率無顯著正相關，與王一博等[13，28]的研究結果類似，但與吳啟發(fā)等[20]認為土壤初始含水率增大，初始入滲率減小的結果不同。這可能與不同研究區(qū)有機質含量有關，在有機質含量豐富的草地，土壤初始入滲率對初始含水率的敏感性較弱[13]。李雪轉等[29]報道入滲的大小則主要取決于土壤孔隙度及其分布狀況，更與容重密切相關，其影響的結果是隨著土壤密實度的增大，土壤入滲能力減小。結果表明，土壤入滲性能與土壤容重呈顯著負相關關系，與土壤總孔隙度呈顯著正相關關系。這是因為容重小的土壤，大孔隙較多，土壤內部的連通性較好，即使土粒遇水膨脹，大孔隙內部的氣體也可以較快地排放出來而減小入滲過程中的氣相阻力，所以入滲能力的衰減速度較慢，而隨容重增大，氣相比例減小，大孔隙逐漸減少，土壤內部的連通性變差，遇水土粒膨脹會使入滲受到較大的氣相阻力，所以入滲能力的衰減速度較快[22]。土壤入滲能力與非毛管孔隙關系有直接作用，呈顯著相關關系[12]，且與土壤通氣孔隙度呈極顯著正相關[30]。試驗也得出相似的結果。同時本研究表明，表征土壤持水性能各指標與滲透率顯著相關，其原因可能是土壤各持水參數主要受土壤孔隙度的影響而表現對入滲性能的影響[7，8，12]。通過各入滲速率指標的主導因子分析，土壤通氣孔隙度的大小是制約入滲性能的關鍵指標，同時有效含水量亦是影響土壤平均入滲率、穩(wěn)定入滲率以及入滲總量的重要指標，說明短期放牧條件下，保持土壤良好的通氣性和有效水庫容有利于土壤水分的入滲，進而保證土壤對植物供水需求。

4 結論

(1)短期放牧對高寒草甸表層土壤容重和孔隙狀況無明顯影響；

(2)輕度和中度放牧有利于土壤水分的保持和貯存，重度放牧削弱了土壤持水能力；

(3)短期放牧影響土壤的入滲過程，隨著放牧強度增加，各階段土壤入滲特征值均呈降低趨勢，且短期重度放牧降低了土壤的入滲性能，Horton模型是研究區(qū)的入滲過程擬合最優(yōu)模型；

(4)土壤水分物理性狀均影響土壤入滲性能，其中土壤通氣孔隙度和有效含水量是影響土壤滲透性能變化的主導因子。

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