放牧對(duì)內(nèi)蒙古荒漠草原土壤理化性質(zhì)和有機(jī)碳組分的影響

通樂嘎，趙斌，吳玲敏

河套學(xué)院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000

草原是陸地生態(tài)系統(tǒng)中分布很廣的植被類型之一，在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占據(jù)著重要地位（梁茂偉等，2016；周貴堯等，2016）。全球陸地總面積多達(dá)5.0×109hm2；而中國(guó)的草原總面積約占其中的近8%，面積高達(dá)3.55×108hm2，這就意味著中國(guó)高達(dá) 41%的國(guó)土面積屬于草原分布。中國(guó)草原總面積位居世界第二，其中最主要的草原分布類型為溫帶草原、高寒草原和荒漠草原等（高新磊，2017；王揚(yáng)，2016）。內(nèi)蒙古草原是中國(guó)典型的草原分布區(qū)，也是中國(guó)重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地；同時(shí)，內(nèi)蒙古大草原是西北部重要的綠色生態(tài)屏障，能夠有效保持水土、調(diào)節(jié)氣溫，對(duì)阻擋沙塵暴起著無可替代的作用，在中國(guó)環(huán)境保護(hù)方面起著重要的作用（王雪峰等，2017；李瑞華等，2016）。近年來，因過度放牧、不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致草原退化日益嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)了局部的沙化及鹽堿化現(xiàn)象。

對(duì)于氣候干旱、波動(dòng)頻繁、土壤基質(zhì)極不穩(wěn)定的荒漠草原，放牧對(duì)草地-土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響更為明顯，持續(xù)的過度放牧是該區(qū)域草地退化的主要成因（李永強(qiáng)等，2016；劉文亭等，2017）。土壤有機(jī)碳（SOC）能夠通過不同的組分來影響土壤肥力等（張爽等，2017；李文等，2016），其中具有較高活性的是生物量碳，雖然其只是總有機(jī)碳中的一小部分，但是作為土壤中最活躍的因子，其不僅在土壤有機(jī)質(zhì)分解方面起著重要的作用，而且能夠有效促進(jìn)腐殖質(zhì)的形成，加速土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化及循環(huán)，從而促進(jìn)土壤肥力的保持及恢復(fù)，有利于植物生長(zhǎng)（高明華等，2016）。近年來，對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的放牧干擾已有大量研究，但對(duì)不同放牧強(qiáng)度下土壤有機(jī)碳組分尚缺乏系統(tǒng)的研究報(bào)道。鑒于此，本試驗(yàn)從植被多樣性和土壤有機(jī)碳組分等方面研究放牧對(duì)荒漠草原土壤土壤有機(jī)碳組分的影響，旨在揭示植被對(duì)放牧干擾的響應(yīng)，探討放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響機(jī)制，為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)功能維持、植被恢復(fù)和資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗典型荒漠草原區(qū)（41°46′35″N，112°01′50″E），該區(qū)具有典型荒漠植被明顯特征，代表了荒漠草原干旱半干旱區(qū)的基本特征。海拔 1450 m，屬于典型大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱，年均氣溫 6.3 ℃，極端最高氣溫 39.2 ℃，極端最低氣溫-28.3 ℃，月平均溫度最高月為6月（20.3 ℃）、7月（24.6 ℃）和 8月（24.8 ℃），≥10 ℃的年積溫為2200～2500 ℃。年均降雨量280 mm，主要集中在5—9月，濕潤(rùn)度0.16～0.31。無霜期142 d，年平均風(fēng)速3.1 m·s-1，每年5 m·s-1以上的揚(yáng)沙達(dá)340多次。地帶性土壤為灰鈣土和淡栗鈣土，非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土、鹽堿土和草甸土等。試驗(yàn)區(qū)主要草地類型為短花針茅（Stipa brevifloraGriseb.）+無芒隱子草（Cleistogenes songoricaOhwi.）荒漠草原，建群種為短花針茅，優(yōu)勢(shì)種為無芒隱子草、冷蒿（Artemisia frigidWilld.）等，伴生種有銀灰旋花（Convolvulus ammanniiDesr.）、阿爾泰狗娃花（Hetropappus altaicusNovepokr.）、木地膚（Kochia prostrata L.）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗典型荒漠草原試驗(yàn)區(qū)選取了4個(gè)樣點(diǎn)（圖1），圍欄放牧試驗(yàn)于2015年開始，每年5月開始放牧，10月放牧終止，根據(jù)草地地上生物量、家畜理論、采食量和草場(chǎng)面積及放牧?xí)r間，分別設(shè)置4個(gè)放牧處理：圍封禁牧（ungrazed，NG，0.0 sheep·hm-2）、輕度放牧（light grazing，LG，0.4 sheep·hm-2）、中度放牧（moderate grazing，MG，0.8 sheep·hm-2）、重度放牧（high grazing，HG，1.2 sheep·hm-2）。各放牧試驗(yàn)小區(qū)面積均為15 hm2，各樣地地理位置相差不大，可保證草地生長(zhǎng)環(huán)境因子一致。

1.2.2 樣品采集

于2016—2017年9月中旬進(jìn)行樣品采集。為降低實(shí)驗(yàn)誤差，在 4種放牧分區(qū)分別設(shè)置重復(fù)樣地5個(gè)，樣地的長(zhǎng)寬均為100 m，各樣地間距離約為100 m；每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)土壤采樣點(diǎn)，樣點(diǎn)間距離超過10 m。隨機(jī)進(jìn)行5次重復(fù)取樣，采樣坡度在5°以下，除去土壤雜物，采用四分法保留大約1000 g土壤，分成兩份：一份直接過2 mm篩后置于4 ℃保溫箱中，用于土壤微生物量碳的測(cè)定；另一份進(jìn)行風(fēng)干處理，過0.15 mm篩后測(cè)定土壤理化性質(zhì)測(cè)定和有機(jī)碳組分分析。

對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行植被調(diào)查，并記錄樣方里所有物種的高度、多度和蓋度；每個(gè)樣方地面剪齊收割地上部分，測(cè)量鮮物質(zhì)量；挖取每個(gè)樣方全部地下部，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘干（65 ℃），稱量生物量。

種植大豆時(shí)，應(yīng)首先選擇適宜的品種，不同的地理環(huán)境，種植面積適合不同大豆品種的生長(zhǎng)，大豆窄行高產(chǎn)栽培技術(shù)一般用于矮稈、低稈或半低稈品種。選擇合適的品種后，對(duì)種子進(jìn)行篩選。種子純度在98%以上，水分含量在13%以上，應(yīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平。由于某些種子原因，一些被蟲咬或不飽的大豆應(yīng)該去掉，以防止大豆的生長(zhǎng)。

1.2.3 分析測(cè)定

采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重，根據(jù)容重和土壤比重計(jì)算土壤孔隙度（%）。用激光粒度分析儀測(cè)定土壤粒徑組成。本研究測(cè)定的有機(jī)碳組分包括土壤微生物量碳（MBC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）。其中，土壤微生物量碳（MBC）采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定；易氧化有機(jī)碳（EOC）采用高錳酸鉀氧化法測(cè)定；顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）離心后采用碳自動(dòng)分析儀測(cè)定（Baldock et al.，2014）。

1.2.4 多樣性指數(shù)

生物多樣性指數(shù)如下（Chen et al.，2017）：

Patrick豐富度指數(shù)P：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H：

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)D：

Pielou均勻度指數(shù)JP：

式中，S為物種數(shù)；Pi為相對(duì)重要值，Pi=(相對(duì)覆蓋度+相對(duì)高度+相對(duì)多度)/3。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2007.0和SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差（Mean±SE）表示結(jié)果，采用單因素方差（One-way ANOVA）進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

圖1 樣區(qū)分布圖Fig. 1 Distribution of study site

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對(duì)荒漠草原物種多樣性的影響

由圖 2可知，隨著放牧程度的加強(qiáng)，物種豐富度、均勻度及多樣性等指標(biāo)以MG最高，其次依次是LG、NG，HG最低，而優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的變化與之相反。方差分析表明，HG與LG、HG與NG之間的豐富度并沒有顯著差異（P>0.05）；就優(yōu)勢(shì)度而言，隨著放牧程度的加強(qiáng)，其指數(shù)下降，與NG相比，LG、NG和HG的物種優(yōu)勢(shì)度水平明顯下降，均表現(xiàn)出MG＜LG＜HG＜NG，其中HG和NG差異不顯著（P>0.05）。MG具有較高水平的多樣性和均勻度分布，NG、HG之間的差異不明顯。在較低草原開發(fā)水平下，物種分布重要值具有更大差異，優(yōu)勢(shì)種更加突出，從而降低了其均勻性。在高度開發(fā)利用水平下，物種的競(jìng)爭(zhēng)被弱化，群落分布差異并不明顯，從而使其均勻度升高。在輕度放牧區(qū)，植被的均勻度和多樣性水平較低，在放牧強(qiáng)度增加的情況下，草原的優(yōu)勢(shì)種被耐牧植被取代，故中度放牧區(qū)呈現(xiàn)較高水平的多樣性和均勻度。

2.2 放牧對(duì)荒漠草原生物量的影響

放牧對(duì)荒漠草原植物群落地上生物量（AGB）具有顯著影響（圖3）；就AGB而言，NG與LG差異不顯著（P>0.05），MG和 HG差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于NG與LG（P＜0.05）；就地下生物量（BGB）而言，NG、LG和MG差異不顯著（P>0.05），但均顯著高于HG（P＜0.05）。AGB和BGB隨放牧強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)，與NG相比，LG、MG和 HG處理下 AGB分別下降了3.48%、10.21%和16.31%，BGB分別下降了5.98%、6.70%和16.68%。

圖2 放牧強(qiáng)度對(duì)物種多樣性的影響Fig. 2 Effect of grazing intensity on plant species diversity

圖3 荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下生物量Fig. 3 Effect of grazing intensity on plant biomass

表1 放牧對(duì)荒漠草原土壤粒徑的影響Table 1 Effect of grazing intensity on soil grain size composition

2.3 放牧對(duì)荒漠草原土壤粒徑的影響

不同放牧強(qiáng)度下土壤機(jī)械組成如表1所示，由表可知，1～0.05 mm土壤所占比例范圍為14.58%～20.36%，基本表現(xiàn)為：NG>HG>LG>MG，0.05～0.002 mm土壤所占比例范圍為53.89%～ 64.85%，基本表現(xiàn)為：LG>NG>HG>MG，＜0.002 mm土壤所占比例范圍為 20.57%～35.24%，基本表現(xiàn)為：MG>HG>NG>LG。土壤容重變化范圍在 0.81～1.57 g·cm-3之間，隨放牧強(qiáng)度的增加呈逐漸降低趨勢(shì)，基本表現(xiàn)為：HG>MG>LG>NG，LG和 NG差異不顯著（P>0.05），但均顯著低于HG和MG（P＜0.05）。土壤總孔隙度與土壤容重變化趨勢(shì)相反，基本表現(xiàn)為：HG＜MG＜LG＜NG，LG 和 NG 差異不顯著（P>0.05），MG 和 HG 差異不顯著（P>0.05），MG和HG顯著低于LG和NG（P＜0.05）。

2.4 放牧對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響

放牧對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響見表 2，由表可知，土壤微生物量碳（MBC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）明顯受放牧強(qiáng)度的的影響。

土壤微生物量碳（MBC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為 MG>LG>HG>NG，MBC變化范圍為231.56～298.74 mg·kg-1，其中 HG 和 NG 差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于MG和LG（P＜0.05）；EOC變化范圍為1.23～2.45 mg·kg-1，MG顯著高于LG、HG和NG（P＜0.05），LG、HG和NG差異不顯著（P>0.05）；POC變化范圍為 1.46～2.65 mg·kg-1，MG和 LG差異不顯著（P>0.05），二者顯著高于NG和HG（P＜0.05）；LFOC變化范圍為1.36～2.14 mg·kg-1，NG 和 HG 差異不顯著（P>0.05），二者顯著低于MG和LG（P＜0.05）；WSOC變化范圍為16.25～9.58 mg·kg-1，LG和HG差異不顯著（P>0.05），MG顯著高于其他處理（P＜0.05）。

2.5 土壤活性碳與總有機(jī)碳的比例關(guān)系

由表3可知，不同放牧強(qiáng)度下ω(EOC)/ω(SOC)比例為 8.13%～11.58%，變異系數(shù)范圍在 12.62%～19.87%之間，基本表現(xiàn)為MG>LG>HG>NG，其中MG顯著高于NG、LG和HG（P＜0.05），NG、LG和 HG差異不顯著（P>0.05），說明放牧對(duì)土壤ω(EOC)/ω(SOC)有顯著影響，而LG和HG土壤有機(jī)碳比較穩(wěn)定。土壤微生物量碳占有機(jī)碳的百分比稱為微生物熵。微生物熵的變化反映了土壤中輸入的有機(jī)質(zhì)向微生物量碳的轉(zhuǎn)化效率、土壤中碳損失和土壤礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)的固定。不同放牧強(qiáng)度下土壤ω(MBC)/ω(SOC)比例0.15%～0.38%，變異系數(shù)范圍在8.16%～13.02%之間，基本表現(xiàn)為MG>HG>NG>LG，其中MG顯著高于NG、LG和HG（P＜0.05），NG、LG和HG差異不顯著（P>0.05）。

表2 放牧對(duì)土壤有機(jī)碳組分的影響Table 2 Effect of grazing intensity on soil organic carbon fractions

表3 土壤活性碳與總有機(jī)碳的比例關(guān)系Table 3 The ratio of soil activated carbon to total organic carbon

2.6 土壤有機(jī)碳組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系

土壤活性有機(jī)碳組分與土壤養(yǎng)分間存在顯著相關(guān)關(guān)系，由表 4可知：1～0.05 mm 機(jī)械組成與LFOC呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；0.05～0.002 mm機(jī)械組成與POC和WSOC呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；BD和D與土壤活性有機(jī)碳組分呈顯著負(fù)相關(guān)；TPO與POC和WSOC呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；AGB與土壤活性有機(jī)碳組分沒有顯著相關(guān)性；BGB與土壤活性有機(jī)碳組分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；S與MBC呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；H與POC和WSOC呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）；JP與 WSOC呈呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。綜合而言，BGB是影響土壤活性有機(jī)碳組分變化的重要影響因素。

3 討論

荒漠草原不合理的放牧制度導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)各組分及其協(xié)調(diào)關(guān)系的破壞（方軍武，2017）。本研究結(jié)果表明，放牧使荒漠草原植被的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，植被豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為MG>LG>NG>HG。大量研究表明，中度放牧是維持草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最佳選擇（高英志等，2017；劉佳慧等，2017），本研究從植被多樣性和土壤養(yǎng)分的角度得出中度放牧提高了草原植被多樣性和土壤養(yǎng)分。此外，放牧不僅影響植物群落的物種組成和群落結(jié)構(gòu)，也會(huì)對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)性狀產(chǎn)生影響（樊才睿等，2017）。土壤容重可以反映土壤結(jié)構(gòu)，影響著土壤中水、肥氣熱等肥力因素的變化和協(xié)調(diào)，本研究重度放牧后土壤容重顯著高于其他處理，并且土壤容重隨著放牧強(qiáng)度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)，說明重度放牧使土壤物理性狀惡化，與前人的結(jié)果一致（徐志超等，2016；劉娜，2016）。土壤容重降低主要是由于重度放牧導(dǎo)致土壤失去了大中等孔隙。

表4 土壤有機(jī)碳組分與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 4 The relationship between soil organic carbon fractions and soil physical-chemical properties

放牧對(duì)土壤養(yǎng)分影響的過程比較復(fù)雜，其影響程度與放牧強(qiáng)度、頻度、方式、時(shí)間以及草地本身的土壤特性等有關(guān)（林斐，2017）。本研究試驗(yàn)區(qū)具有相同的土壤基質(zhì)和環(huán)境條件，重度放牧下土壤養(yǎng)分各指標(biāo)均顯著低于中牧、輕牧和禁牧，并且隨放牧強(qiáng)度的增加而降低，主要是由于重度放牧導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞并引起了草地沙漠化，土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一，家畜的踐踏和采食導(dǎo)致歸還土壤的養(yǎng)分減少，破壞了土壤的物理性狀，也降低了土壤養(yǎng)分的部分來源（王合云等，2016；孫世賢等，2016）。綜合分析表明，重度放牧干擾已超出了荒漠草原承載能力和承受干擾的閾限，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及理化性狀嚴(yán)重退化，草原生態(tài)系統(tǒng)中植被與土壤之間構(gòu)成一個(gè)相互作用和影響的統(tǒng)一系統(tǒng)，土壤退化會(huì)引起植被的變化，而植被的演替也會(huì)引起土壤性狀的改變（張洪芹等，2017；楊勇等，2016），這也是導(dǎo)致草地生物多樣性降低的主要原因之一。

本研究中，禁牧后土壤生物學(xué)性狀及化學(xué)性狀均優(yōu)于放牧試驗(yàn)區(qū)，表明禁牧有利于植被-土壤系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和腐殖質(zhì)的形成等，有利于土壤有效養(yǎng)分的提高，從而有利于荒漠草原系統(tǒng)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)（Eldridge et al.，2017；Stark et al.，2015）。從土壤的活性有機(jī)碳的化學(xué)因子分析可知，其所具備的一定的抗生物降解能力是反映土壤活性的關(guān)鍵指標(biāo)，在提升土壤的有機(jī)質(zhì)等方面發(fā)揮著重要的作用（Abdalla et al.，2018；Klaus et al.，2018）。土壤中有機(jī)質(zhì)含量會(huì)對(duì)土壤的有機(jī)碳和活性產(chǎn)生一定的影響，而且決定著土壤的穩(wěn)定性，會(huì)使土壤活性有機(jī)碳發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變（Zhou et al.，2017；Chen et al.，2017；Niu et al.，2016）。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性與其活性具體密切的聯(lián)系，因此，土壤質(zhì)量建立在良好的有機(jī)碳含量和活性的基礎(chǔ)之上。本研究中，由于草地生態(tài)系統(tǒng)具有滯后性和彈性以及地區(qū)的氣候環(huán)境差異等，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分在草地生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)具有復(fù)雜性，并且目前放牧強(qiáng)度的定性指標(biāo)難以定量化，導(dǎo)致放牧對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響的研究結(jié)果不盡相同（Cline et al.，2017；Waters et al.，2017）。從國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果來看，適度放牧對(duì)草地土壤生態(tài)系統(tǒng)沒有負(fù)面影響，長(zhǎng)期重度放牧?xí)共莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)退化和崩潰，實(shí)施合理的放牧管理方式使草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)保持相對(duì)平衡才能達(dá)到草地資源的可持續(xù)發(fā)展利用（楊勇等，2016；孫世賢等，2016）。因此，在未來的研究中應(yīng)融入相關(guān)的環(huán)境因子探究放牧強(qiáng)度、方式、輪牧、時(shí)間和制度等對(duì)草地地上-地下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）中度放牧能夠提高荒漠草原物種多樣性，而重度放牧降低了物種多樣性。放牧顯著降低了荒漠草原生物量。

（2）放牧改變了土壤緊實(shí)度和透氣性，從而影響了土壤粒徑組成，其中0.05～0.002 mm土壤粒徑所占比例最大。土壤微生物量碳（MBC）、易氧化有機(jī)碳（EOC）、顆粒有機(jī)碳（POC）、輕組有機(jī)碳（LFOC）和水溶性有機(jī)碳（WSOC）均呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，大致表現(xiàn)為 MG>LG>HG>NG。ω(EOC)/ω(SOC)比例和微生物熵[ω(MBC)/ω(SOC)]隨放牧強(qiáng)度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，其中，MG顯著高于NG、LG和HG（P＜0.05）。

（3）相關(guān)分析表明，地下生物量與土壤活性有機(jī)碳組分呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），其相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大，是影響荒漠草原土壤活性有機(jī)碳組分變化的重要影響因素。