兩個放牧率下藏羊糞在高寒草甸的分解特征

顏才玉,孫 義,劉 陽,王召峰,常生華,侯扶江

蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 蘭州 730020

家畜與草地互作是放牧生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動力之一,放牧家畜通過土-草-畜物質(zhì)循環(huán)對草地施加影響[1- 3]。排泄物是放牧家畜作用于草地的重要途徑之一[4],家畜采食的牧草只轉(zhuǎn)化很少一部分,60%—90%的養(yǎng)分又以糞尿的形式歸還草地[5],促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動[6- 8],成為草畜互作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[9- 10]。而且,過度放牧導(dǎo)致草地的物質(zhì)輸出長期高于輸入,是草地退化的原因之一[2,6]。

放牧草地一般有20%和5%的面積分別被家畜的尿和糞覆蓋[11]。家畜尿和糞的作用之一是調(diào)節(jié)草地元素的平衡[2],但是管理不當(dāng)則容易導(dǎo)致草地元素流失,不僅破壞了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡,而且通過淋溶和揮發(fā)污染環(huán)境[12-14]。因此,放牧家畜排泄物的管理日益受到關(guān)注。目前研究主要集中于兩方面：一是家畜排泄物分解的時效以及對土壤和植物的影響等[15-17]；一般,糞斑在排泄后1—2月內(nèi),養(yǎng)分釋放量最大,其后的釋放過程漸趨于平緩和微弱[2,18]；季節(jié)是制約糞便分解的關(guān)鍵因素[19-20]；草地上,家畜排泄物的分布是導(dǎo)致草地土壤營養(yǎng)異質(zhì)性和植被異質(zhì)性的重要原因之一[21]。二是家畜排泄物對放牧生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放的貢獻(xiàn)[22],家畜排泄物幾乎是牧場所有類型溫室氣體排放的主要來源[23-24]；相對于家畜的腸道發(fā)酵,排泄物對牧場N2O的排放影響更大[25]；家畜排泄物的 CH4排放相對于瘤胃的排放量則可以忽略不計(jì)[26-27]。

放牧率是家畜影響放牧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的重要因素之一[28]。家畜的選擇性采食、食譜構(gòu)成與放牧率密切相關(guān),并對排泄物構(gòu)成及其分解有顯著影響[29]。但是,國際上鮮有放牧率和放牧?xí)r期對家畜排泄物分解影響的報(bào)道,我國草原雖然占國土面積41.7%,而且以放牧利用為主,此類研究報(bào)道也很少。為此,本文在青藏高原這一全球獨(dú)特的生態(tài)區(qū)域,通過在高寒草甸開展定量控制的藏系綿羊輪牧試驗(yàn)[30-31],重點(diǎn)研究放牧率對羊糞分解的作用,尤其是羊糞分解過程中的C、N、P等物質(zhì)循環(huán),以期揭示青藏高原放牧家畜排泄物的分解規(guī)律,闡明其對生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)平衡的作用,進(jìn)而為高寒牧場可持續(xù)的放牧管理提供決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省瑪曲縣阿孜畜牧科技示范園區(qū),地理位置35°58′N、101°53′E,平均海拔3650 m,年均氣溫1.2℃,年日照時數(shù)約2580 h,年平均降霜日大于270 d,無絕對無霜期,四季不明顯,僅有冷暖季之分。多年平均降水量約620 mm,主要集中在5—9月。根據(jù)草原的綜合順序分類法,草地類型是典型的高寒草甸,主要植物有禾葉嵩草(Kobresiagraminifolia)、紫花針茅(Stipapurpurea)、垂穗披堿草(Elymusnutans)等,雜類草以毛茛科的鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)等為主[30]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 放牧試驗(yàn)與畜糞收集

在地勢較為平緩、植被典型地段建立放牧試驗(yàn)樣地。設(shè)置0(不放牧)、8和16 羊/hm23個放牧率梯度, 4次重復(fù)。每個小區(qū)放牧8只體況較為一致的藏系公綿羊,內(nèi)設(shè)3個面積相同的輪牧亞區(qū),每放牧小區(qū)輪牧周期30天,放牧期10 d。暖季7—9月放牧,冷季10—12月放牧[30-31]。

放牧區(qū)家畜糞量的調(diào)查與羊糞收集。每個放牧小區(qū)沿對角線設(shè)置10個1 m×1 m樣方,每次輪牧結(jié)束后調(diào)查樣方內(nèi)糞顆粒數(shù),并收集樣方中羊糞,一部分用于稱干物質(zhì)重。

1.2.2 羊糞分解試驗(yàn)

圖1 雙層盆疊放法示意圖Fig.1 Sketch of piled-up two pots

采用雙層盆疊放法(method of piled-up two pots pile)研究羊糞的分解(圖1)(ZL201410338981.0)。暖季輪牧第1輪結(jié)束后,在每個放牧小區(qū)分別收集新鮮羊糞樣品,分成兩部分,一部分帶回實(shí)驗(yàn)室用于成分分析,另一部分置于上層的盆內(nèi),每盆100 g—130 g,用于分解試驗(yàn)。上層盆高10.0 cm,口徑12.5 cm,盆底直徑8.5 cm；盆底部有直徑1 cm圓孔5個,以利于物質(zhì)下滲；盆底鋪3層40 mm的尼龍紗布,羊糞放在紗布上。將盛有羊糞的花盆置于下層的盆之上。下層盆高12.0 cm,口徑14.0 cm,盆體密封無洞；盆內(nèi)放置8—10 cm厚已知重量的干燥細(xì)砂,以收集上盆中下滲的液體。下層花盆外套2層塑料袋,以防止其他物質(zhì)進(jìn)入盆內(nèi)以及盆內(nèi)的物質(zhì)流失。每組盆完全隨機(jī)區(qū)組排列,下層盆埋于土中,土表至盆沿,上層盆的盆沿高出地面4—5 cm,能接收降水和降塵,同時防止外界其他物質(zhì)流入。以細(xì)砂土替代羊糞做空白對照,物質(zhì)沉降量為對照盆中物質(zhì)的增加量。三次取樣,四次重復(fù)。

裝載羊糞的盆于當(dāng)年7月下旬埋入樣地。分別于埋樣當(dāng)日、2個月后(9月26日)和翌年春季(3月11日)3次取樣。不定期收集塑料袋中的水樣,以防樣品逸出、損失。樣品包括上層盆的糞樣和下層盆的細(xì)砂,以及對照樣品。測定樣品總量后,將樣品分為兩份,一份105℃烘干至恒重測定干物質(zhì),另一份自然風(fēng)干、粉碎后用于成分測定。

凱氏定氮法測定全氮,硫酸-重鉻酸鉀法測定有機(jī)碳含量,FLAstar 5000流動注射分析測定全磷含量。

1.3 羊糞的分解速率

(1)

式中,DRF(%)為羊糞的分解率(decomposition rate of feces),FSt1和FSt2分別為t1和t2時刻糞樣的干重(dry matter of feces sample,FS,g),本研究中分別為試驗(yàn)開始時和結(jié)束時的干重。試驗(yàn)結(jié)束時,供試羊糞的干物質(zhì)分解量達(dá)到了50%以上。

(2)

式中,RRN(%)為糞氮的釋放速率(release rate of feces nitrogen),CNt1和CNt2分別為t1和t2時刻糞氮的含量(content of feces nitrogen,CN,%)。

(3)

式中,RRP(%)為糞磷的釋放速率(release rate of feces phosphorus),式中CPt1和CPt2分別為t1和t2時刻糞磷的含量(content of feces phosphorus,CP,%)。

(4)

式中,RRC(%)為糞碳的釋放速率(release rate of feces carbon),CCt1和CCt2分別為t1和t2時刻糞碳的含量(content of feces carbon,CC,%)。

(5)

式中,DDRF(%/d)為羊糞日均分解速率(daily decomposition rate of feces)。糞中碳、氮、磷的日均釋放速率同理計(jì)算。這個指標(biāo)一定程度上可以指示不同季節(jié)樣品分解的快慢。

1.4 羊糞中物質(zhì)的歸還

(6)

式中,DDF(g/m2·d)為單位面積放牧地羊糞的日均分解量(daily decomposition of feces),FM為t1時單位面積草地上羊糞的干物質(zhì)量(feces mass,FM,g/m2)。單位面積放牧地糞碳、氮、磷的日釋放量同理計(jì)算。

(7)

式中,DF(g/m2)為單位面積放牧地羊糞的分解量(decomposition of feces)。

(8)

式中,RF(g/m2)為單位面積放牧地羊糞中以有機(jī)殘?jiān)问綒埩粲诓莸氐牧?即殘留草地的量(residue of feces)。

(9)

式中,DN(g/m2)為糞氮的分解量(decomposition of feces nitrogen)。糞碳和糞磷的釋放量(DC和DP)同理計(jì)算。

(10)

式中,RN(g/m2)單位面積放牧地糞氮的殘留量(residue of feces nitrogen)。糞碳和糞磷的殘留量(RC和RP)同理計(jì)算。

圖2 放牧系統(tǒng)畜糞元素的轉(zhuǎn)移模式Fig.2 Element flow of feces in the grazed rangeland

羊糞碳、氮、磷的平衡是歸還、排放、沉降、淋溶、殘留等過程綜合作用的結(jié)果(圖2)。

羊糞隨降水歸還于草地的量為淋溶的量(leaching of feces,LF, g/m2)。以N為例,LF= 試驗(yàn)容器中氮素的增加量-對照容器中氮素的增加量。碳和磷的淋溶量同理計(jì)算。

物質(zhì)的沉降量以N為例計(jì)算(deposition of N,SN, g/m2)。SN= 對照盆中氮素的增加量/上盆盆口面積。碳和磷的沉降量同理計(jì)算。

N排放量=N歸還量+N沉降量-N殘留草地的量-N淋溶量。碳的排放量同理計(jì)算。

物質(zhì)沉降分布于整個放牧區(qū),而不僅僅局限于羊糞。這里計(jì)算羊糞的沉降量,原因有二：沉降客觀發(fā)生,是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的一個環(huán)節(jié)；糞沉降量占草地歸還量的比例不足0.5%,在羊糞物質(zhì)循環(huán)中計(jì)算,既不影響準(zhǔn)確性,又反映出沉降的客觀事實(shí)。

用Olson的指數(shù)衰減模型[32],構(gòu)建排泄物分解殘留率隨時間變化的指數(shù)回歸方程。y= ae- kt,y為重量殘留率(%),a為擬合參數(shù),k為分解系數(shù),t為分解時間。利用該模型估測排泄物分解50%時和分解95%時所需時間。

1.5 C和N排放

用靜態(tài)箱法測定[33]。

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性分析和差異顯著性(LSD)分析,用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 羊糞的分解

圖3 不同放牧率下羊糞干物質(zhì)及主要組分日均分解量 Fig.3 Mean daily decomposition amount of dry matter and major components of sheep feces (mean±SD)* means significant different between stocking rates at 0.05 level

兩個放牧率之間,單位面積的高寒草甸上羊糞及其各成分的分解量、元素的歸還量,僅半纖維素沒有差異,其余指標(biāo)(干物質(zhì)、C、N、P、纖維素、木質(zhì)素)16羊/hm2的放牧區(qū)顯著高于8羊/hm2的放牧區(qū)(圖3)。原因可能是16羊/hm2的高寒草甸羊糞量平均77.76 g/m2,高于8羊/hm2的放牧區(qū)53.5%(P﹤0.01)。

2.2 糞中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移

2.2.1 碳

試驗(yàn)期大氣C沉降量為296.9 g/hm2(圖4)。8羊/hm2放牧率下,草地羊糞C的歸還量為225.449 kg/hm2；歸還到草地的總碳量中,50.62%排放到大氣中,1.29%隨降水淋溶,48.08%留存于草地。16羊/hm2放牧率下,羊糞C的總歸還量為348.598 kg/hm2,比8羊/hm2放牧率下高54.62%(P﹤0.05)；歸還草地的C中,呼吸排放、淋溶和殘留草地的C分別占51.75%、1.59%和46.81%,分別比低放牧率下高57.34%、88.89%和49.37%。隨著放牧率增加,糞C的歸還量、排放和淋溶量及其所占比例上升；殘留量也增加,但所占比例略有下降。

2.2.2 氮

研究期間大氣N沉降量為7.9 g/hm2(圖4)。8羊/hm2放牧率的放牧地,羊糞與降塵歸還N的36.47%通過微生物呼吸排放到大氣中,3.50%隨淋溶, 60.03%殘存于草地。16羊/hm2放牧率下,羊糞的N歸還量高出8羊/hm2放牧率57.30%(P﹤0.05)；排放到大氣中和淋溶的N分別占33.73%和4.02%, 草地殘留占62.25%。低放牧率下,排放、淋溶和殘留的N分別只有高放牧率的68.91%、55.40%和61.47%。放牧增加糞N的歸還量、排放量、淋溶量和殘留量,但排放N的占比略有減少。

2.2.3 磷

羊糞分解期間大氣P沉降量為38.9 g/hm2,是N沉降量的4.92倍(圖4)。糞P的歸還量在8羊/hm2放牧率下為253.3 g/hm2；歸還的總P中,41.34%淋溶,58.66%殘留于草地。16羊/hm2放牧率下,糞P的歸還量高出低放牧率73.27%(P﹤0.05)；所歸還的P,淋溶量占47.13%,殘留量占52.87%。高放牧率下P的淋溶量和殘留量比8羊/hm2分別高86.42%和47.37%。放牧促進(jìn)糞P的歸還和淋溶。

圖4 高寒草甸糞C、N、P元素的轉(zhuǎn)移Fig.4 Transfer of C, N and P of feces in alpine meadow

2.3 糞中元素比值與物質(zhì)分解的關(guān)系

糞中C、N、P的分解速率相互之間正相關(guān)極顯著(圖5)。糞P的分解與C/N比負(fù)相關(guān),糞C的分解隨N/P比增大而增加(圖5)。

圖5 糞中物質(zhì)分解的相互關(guān)系Fig.5 The relationships among C, N, P during decomposition process of Tibetan sheep fecal

2.4 糞的分解模型

高寒草甸放牧系統(tǒng),藏羊糞分解50%所需時間,除了纖維素和木質(zhì)素為87—152d,其他均在179—231 d(表1)。95%物質(zhì)分解所需的時間一般在900—1000 d之間,只有纖維素和半纖維素的分解時間不到700 d。16羊/hm2放牧率下,各物質(zhì)分解50%和95%的時間均較8羊/hm2長(表1)。

表1 排泄物分解殘留率(%)隨時間的指數(shù)回歸方程

3 討論

用雙層盆疊法研究畜糞的分解避免了現(xiàn)存量估算法的理論計(jì)算和15N和14C等同位素法對技術(shù)和設(shè)備的要求[34-39]；與分解袋法相比,可以將畜糞分解區(qū)分為草地殘留、淋溶以及大氣排放等[40-41],從而較為系統(tǒng)地模擬畜糞分解的物質(zhì)循環(huán)過程。放牧生態(tài)系統(tǒng)中,除了排放,物質(zhì)輸出的另一個重要途徑是畜產(chǎn)品,物質(zhì)輸入較為固定的途徑之一是大氣沉降[42]。試驗(yàn)期間,高寒草甸藏綿羊放牧系統(tǒng)的畜產(chǎn)品生產(chǎn)量在8羊/hm2和16羊/hm2的放牧率下分別為99.12 kg/hm2和172.48 kg/hm2。如果以歐拉型藏羊活體的蛋白質(zhì)含量為20.95%、身體含水量70%計(jì)測[43],低放牧率和高放牧率下畜產(chǎn)品輸出N量分別約為1.16 kg/hm2和2.02 kg/hm2,均低于大氣排放的N和留存草地的N,但顯著多于淋溶的N和大氣沉降的N；P素平衡有類似規(guī)律。因此,在小流域尺度上,放牧系統(tǒng)的N元素等平衡分析需要綜合考慮共生菌和土壤微生物、地表徑流等的綜合作用。

影響畜糞分解的主要因子具有時空變化特征,放牧強(qiáng)度導(dǎo)致較小的畜糞組成異質(zhì)性,只有溫度較高等較適宜的分解環(huán)境中才得以表現(xiàn)[44]；同時,畜糞分解對溫度可能更加敏感[45]。高放牧率下,僅木質(zhì)素的分解速率高于低放牧率,而其他所有指標(biāo)(干物質(zhì)、C、N、P、半纖維素及纖維素)均小于低放牧率,原因可能是高放牧率降低了家畜的選擇性采食,并迫使家畜采食木質(zhì)素較多的牧草,進(jìn)而導(dǎo)致糞中木質(zhì)素含量較高[30]。通常有機(jī)物分解包括初期糖、淀粉、蛋白質(zhì)等易分解物質(zhì)快速分解和中后期木質(zhì)素、纖維素、脂肪等難分解物質(zhì)的緩速分解過程[46]。當(dāng)畜糞內(nèi)木質(zhì)素含量較高時導(dǎo)致易分解物質(zhì)快速分解完并開始分解木質(zhì)素等,最終導(dǎo)致木質(zhì)素在高放牧率時分解速率高于低放牧率,而其他指標(biāo)(干物質(zhì)、C、N、P、半纖維素及纖維素)則小于低放牧率。

高放牧率增加羊糞及各種物質(zhì)向高寒草甸的返還量(圖4),但是Olson的指數(shù)衰減模型擬合的結(jié)果顯示,高放牧率延長羊糞在高寒草甸的分解時間(表1)。因此,在未來全球升溫的背景下,我國在包括高寒草甸在內(nèi)的所有草原區(qū)實(shí)施“退牧還草”、“生態(tài)補(bǔ)獎”等一系列控制放牧的政策,對家畜排泄物的營養(yǎng)循環(huán)將產(chǎn)生更為復(fù)雜的影響,它在流域、區(qū)域或國家等尺度上對草原的結(jié)構(gòu)與功能有哪些作用,面向物質(zhì)平衡需要調(diào)整哪些適放牧的管理措施,值得深入研究。