放牧對(duì)人工草地群落特征及土壤養(yǎng)分的影響

馬香云，王俊杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

科爾沁草原分布北方獨(dú)特的沙地疏林草原，原生草地植被以中旱生植物為主，植物群落物種組成豐富，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，層片發(fā)育明顯，蓋度和生物量較高〔1〕。然而近百年來，由于原生植被受到了嚴(yán)重破壞，沙漠化日益嚴(yán)重，昔日林豐草茂的疏林草原景觀已變成佗甸交錯(cuò)、流沙遍野的沙地景觀〔2〕。與原生植被相比較，沙地植被中的喬木層已基本消失，草本層退化，灌木層發(fā)育強(qiáng)烈，植物種類組成減少，結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單，植被層發(fā)育不良，群落的覆蓋度只有10%～40%，產(chǎn)草量300～3000kg·hm-2，而且可食牧草比重很小〔3〕。

科爾沁草原是內(nèi)蒙古自治區(qū)畜牧業(yè)基地之一，由于長(zhǎng)期的開耕種田以及過度放牧使植被和土壤被嚴(yán)重破壞，草地退化日益加劇和蔓延。草原退化沙化嚴(yán)重影響著畜牧業(yè)發(fā)展，草場(chǎng)生產(chǎn)力降低，載畜量下降，草質(zhì)量變劣，導(dǎo)致家畜質(zhì)量也下降。本研究以科爾沁草地退化形成的沙地為試驗(yàn)區(qū)，通過豆禾混播人工草地以補(bǔ)充土壤種子庫(kù)優(yōu)良牧草種子的缺乏，增加植被密度和蓋度，達(dá)到快速恢復(fù)植被的目的，提高草地質(zhì)量，培育出群落組成和結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定、生態(tài)系統(tǒng)能自我維持以及適于放牧的人工草地，并且探索放牧對(duì)人工草地土壤養(yǎng)分的影響。以短期快速恢復(fù)植被為主，合理放牧利用，為大力發(fā)展低成本、高效益的放牧人工草地提供有效的參考。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在內(nèi)蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗紹根鎮(zhèn)，大部分地勢(shì)平坦，邊緣有固定沙丘或半流動(dòng)沙丘和沙坑。植被稀疏，地表裸露，偶見小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)等灌木，冷蒿(Artemisiafrigida)、虎尾草(Chlorisvirgate)、蒺藜(Tribulusterrestris)等多年生或一年生植物生長(zhǎng)，土壤以風(fēng)沙土為主。由于風(fēng)蝕形成的沙坑和沙丘不利于人工草地的建植，對(duì)沙坑進(jìn)行了人工填埋。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)以紹根鎮(zhèn)退化草地形成的沙地作為混播人工放牧草地試驗(yàn)區(qū)，2017年建植放牧人工草地，樣地面積約20hm2，其中放牧區(qū)為19.93hm2，其余為對(duì)照區(qū)。采用羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、無芒雀麥(BromusinermisLeyss)、披堿草(ElymusdahuricusTurcz.)、苜蓿(MedicagovariaMartin.cv.Caoyuan No.3)和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)按一定比例均勻混播(表1)。人工填埋處由于是新土，肥力不足，對(duì)豆禾比例做了調(diào)整，增加了豆科沙打旺的播種比例，播深1～2cm，設(shè)有噴灌設(shè)備。每年6月開始放牧，冬季11月至次年5月休牧，放牧期間在放牧區(qū)放1～2歲育成牛共300頭，為了草地能夠持續(xù)放牧利用每天放牧3～4h后歸牧。通過方差分析人工恢復(fù)和放牧對(duì)草地群落高度、蓋度、密度、現(xiàn)存量、凋落物和群落多樣性的影響，以及放牧對(duì)人工草地土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分的影響。

于2019年7月在每個(gè)試驗(yàn)處理區(qū)內(nèi)沿對(duì)角線隔20m設(shè)置1個(gè)1m×1m的樣方，共5個(gè)樣方，分種對(duì)植被數(shù)量特征(蓋度、密度、高度)進(jìn)行測(cè)定，齊地面刈割，取其地上生物量并收集凋落物稱重鮮重，陰干稱干重。

土壤樣品隨樣方一同取，用土鉆(內(nèi)徑為5.0cm)分層次取樣，共分3層，分別為0～10cm、10～20cm和20～30cm土層深度，每個(gè)處理區(qū)3次重復(fù)，按“S”形均勻取9個(gè)點(diǎn)均勻混合后，用四分法合成一個(gè)樣，編號(hào)封袋帶回實(shí)驗(yàn)室。在自然風(fēng)干條件下，去除植物根系和石塊等雜質(zhì)，分別過2mm、0.15mm土壤篩，然后進(jìn)行理化性質(zhì)、養(yǎng)分的測(cè)定。養(yǎng)分測(cè)定指標(biāo)方法分別如下：土壤速效磷：碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗顯色-分光光度法；土壤全磷：氫氧化鈉熔融-鉬銻抗顯色-分光光度法；土壤速效鉀：醋酸銨浸提-火焰光度吸收法；土壤全鉀：氫氧化鈉熔融-火焰光度計(jì)測(cè)定；土壤全氮：凱氏定氮法；土壤有機(jī)碳：重鉻酸鉀外源熱氧化法測(cè)定。

表1 科爾沁退化草地植被恢復(fù)混播方式及比例

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

地上植物α多樣性采用下列方法計(jì)算：

Monk豐富度指數(shù)

Simpson多樣性指數(shù)：

H1=-∑(Pi)lnPi

Shannon-Wlener多樣性指數(shù)：

H2=∑[Ni(Ni-1)/N(N-1)]

Pielou均勻度指數(shù)：

E1=H1/lnS

式中S為每個(gè)樣方中的物種數(shù)，N為樣方中所有物種的總個(gè)體數(shù)，Ni為樣方中的物種i個(gè)體數(shù)，Pi為樣方中第i種個(gè)體數(shù)占全部物種個(gè)體數(shù)N的比例。

數(shù)據(jù)的錄入及初步整理在Excel 2010下完成，采用SAS中的單因素方差分析法，分析比較不同處理之間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1放牧人工草地群落特征研究

2.1.1 放牧對(duì)人工草地群落高度、密度、蓋度的影響

放牧對(duì)人工草地的影響通過方差分析可知，MG、CK和PV群落平均高度有顯著性差異(p<0.05)，CK顯著高于MG和PV，說明放牧對(duì)植被群落高度有一定影響，另一方面說明補(bǔ)播增加了群落植被平均高度；CK群落密度顯著高于MG和PV，說明適度放牧對(duì)人工草地密度有減小的作用；CK群落蓋度顯著高于PV，而和MG無顯著性差異，表明人工補(bǔ)播草地在群落覆蓋水平上要顯著優(yōu)于自然恢復(fù)，而放牧對(duì)人工草地蓋度效果不明顯；每樣方種數(shù)各處理間無顯著性差異，顯示出群落在分布水平上是無差異的(表2)。整體來說，混播牧草可以加速植被的介入，對(duì)改良沙地有很好的作用，而放牧對(duì)植被群落高度和密度有顯著影響。

2.1.2 放牧對(duì)人工草地現(xiàn)存量和凋落物的影響

放牧對(duì)混播人工草地現(xiàn)存量和凋落物通過方差分析可知，CK現(xiàn)存量顯著高于PV，表明混播人工草地相較于原始植被地上生物量顯著增加；MG和CK無顯著性差異，但CK現(xiàn)存量仍高于MG；PV和MG現(xiàn)存量無顯著性差異，但MG現(xiàn)存量也高于PV，表明放牧能夠一定程度降低人工草地現(xiàn)存量，但較原始植被仍增加了地上現(xiàn)存量；各處理凋落物無顯著性差異(p<0.05)(表3)，由于家畜隨意的游走和踐踏，凋落物無明顯差異。

表2 放牧對(duì)人工草地群落特征的影響

注：p<0.05，同列具有字母相同小寫字母則差異不顯著。(下同)

表3 放牧對(duì)人工草地生現(xiàn)存量和凋落物的影響

2.1.3 放牧對(duì)混播人工草地群落多樣性的影響

Simpson多樣性指數(shù)，Shannon-Wlener多樣性指數(shù)，均能較好反映樣地植物多樣性，明顯看出MG的Monk豐富度指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-Wlener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均高于CK，表明放牧能夠促進(jìn)人工草地物種豐富度的增加，呈種間競(jìng)爭(zhēng)多元化趨勢(shì)；PV的Monk豐富度指數(shù)高于CK，多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)無較大差異(表4)，植物群落α多樣性分析表明補(bǔ)播人工草地對(duì)促進(jìn)群落多樣性影響較小。綜上所述，適度放牧能夠增加群落的生物多樣性而且均一度較好是較為合理的人工草地利用方式。

表4 放牧對(duì)人工草地群落多樣性的影響

2.2放牧對(duì)人工草地土壤的影響

2.2.1 放牧對(duì)人工草地土壤理化性質(zhì)的影響

放牧對(duì)人工草地土壤理化性質(zhì)的影響如下，放牧對(duì)各土層有機(jī)質(zhì)含量均無顯著性差異，但從數(shù)值上看，適度放牧條件下各土層有機(jī)質(zhì)含量均高于CK，說明適度放牧有利于土壤有機(jī)質(zhì)積累，且隨土層深度增加有逐漸降低的趨勢(shì)。在0～10cm和20～30cm土層，MG土壤含水量均顯著低于CK(p<0.05)，10～20cm土層無顯著差異，但數(shù)值上放牧條件下要高于CK，整體來看，放牧能夠使表層土壤含水量降低，深層土含水量增加。0～10cm和10～20cm土層，MG土壤pH顯著低于CK，說明一定放牧條件下使土壤pH有降低的趨勢(shì)，且隨土層深度增加，pH有逐漸增大的趨勢(shì)；放牧對(duì)20～30cm土層的pH無顯著性差異。0～10cm和10～20cm土層MG土壤容重沒有顯著性差異，20～30cm土層MG容重顯著高于CK，從數(shù)值上看，各土層放牧條件下土壤容重均高于不放牧區(qū)。(表5)

表5 放牧對(duì)各土層土壤理化性質(zhì)的影響

注：p<0.05水平下，同一土層不同處理平均值后標(biāo)有相同小寫字母，表示差異不顯著。下同

2.2.2 放牧對(duì)人工草地土壤速效鉀和速效磷含量的影響

作物的生理代謝、抗逆性，尤其是品質(zhì)的改善與鉀的關(guān)系非常密切。MG處理下不同土層速效鉀含量變化表現(xiàn)為0～10cm土層顯著高于10～20cm、20～30cm土層的速效鉀含量(p<0.05)，且含量隨著土層深度的增加而逐漸降低的趨勢(shì)(圖9)。CK處理下0～10cm速效鉀含量顯著高于20～30cm(p<0.05)，10～20cm土層速效磷含量與0～10cm和20～30cm均無顯著性差異(表6)。綜上所述，在放牧和不牧條件下土壤中速效鉀含量隨土層深度增加均有逐漸降低的趨勢(shì)。

0～10cm土層下，MG的土壤速效鉀含量顯著高于CK(p<0.05)，高達(dá)209.52mg/kg，屬于富鉀土壤范圍；10～20cm和20～30cm土層下，MG的土壤速效鉀含量與CK無顯著性差異，說明放牧對(duì)人工草地土壤淺層速效鉀含量有明顯的影響，對(duì)較深土層速效鉀含量影響不明顯，且隨土層深度增加，速效鉀含量呈逐漸降低的趨勢(shì)。整體來看，土壤速效鉀含量均處于較高范圍(表6)。

表6 放牧對(duì)人工草地土壤速效鉀含量的影響(mg·kg-1)

注：p<0.05水平下，同一處理不同土層平均值后標(biāo)有相同大寫字母，表示差異不顯著。(下同)

不同土層速效磷含量通過方差分析可知，MG處理區(qū)各土層速效磷含量均無顯著性差異(p>0.05)，從數(shù)值上看，10～20cm土層較其他土層速效磷含量高，土層間無明顯變化規(guī)律；CK處理區(qū)各土層速效磷含量亦無顯著性差異(p>0.05)，從數(shù)值上看，0～10cm土層較其他土層速效磷含量高，土層間無明顯變化規(guī)律(表7)。整體來說，人工草地土壤速效磷含量土層間變化無明顯規(guī)律。

放牧對(duì)人工草地土壤速效磷含量的影響通過方差分析可知，在各土層下MG和CK的土壤速效磷含量均無顯著性差異。從數(shù)值上看，在0～10cm土層下，MG的土壤速效鉀含量和CK幾乎一致，10～30cm土層下MG速效鉀含量均高于CK(表7)，表明，放牧對(duì)人工草地較深土層土壤速效磷含量有一定影響。整體來說，放牧對(duì)人工草地土壤速效磷含量影響不明顯。

表7 放牧對(duì)人工草地土壤速效磷含量的影響(mg·kg-1)

2.2.3 放牧對(duì)人工草地土壤全磷含量的影響

土壤磷營(yíng)養(yǎng)是影響我國(guó)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的主要限制因素，其有效性對(duì)植物光合作用、呼吸作用及生物合成過程有極大的影響。不同土層土壤速效磷含量通過方差分析可知，在MG和CK條件下，各土層間均無顯著性差異。從數(shù)值上看，MG條件下，隨土層深度增加全磷含量有逐漸降低的趨勢(shì)，而在CK處理中10～20cm土層土壤全磷含量最高，20～30cm次之，0～10cm土層最低(表8)。

放牧對(duì)人工草地土壤全磷含量影響通過方差分析可知，在0～10cm和20～30cm土層下，MG土壤全磷含量和CK無顯著性差異，從數(shù)值上看，MG的表層土壤全磷含量較CK高(表8)，說明一定放牧條件可增加表層土壤中供給植物生長(zhǎng)發(fā)育的磷速；而10～20cm土層，MG全磷含量顯著低于CK(p<0.05)。整體來說，全磷含量在各土層間受放牧影響變化不大。

表8 放牧對(duì)人工草地土壤全磷含量的影響(g·kg-1)

2.2.4 放牧對(duì)人工草地土壤全鉀含量的影響

土壤全鉀含量指的是土壤中全部鉀元素之和，全鉀在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間是無效的，因此，全鉀值不能指導(dǎo)施肥。不同土層土壤全鉀含量通過方差分析可知，不同土層之間土壤全鉀含量均沒有顯著性差異(p>0.05)，在MG條件下，隨著土層深度土壤全鉀含量有逐漸降低的趨勢(shì)，而在CK條件下土壤全鉀無明顯變化規(guī)律(表9)。

放牧對(duì)土壤全鉀含量的影響通過方差分析可知，在各土層下放牧對(duì)土壤全鉀含量影響均不顯著(p<0.05)。在0～10cm和20～30cm土層下，放牧條件下全鉀含量均低于對(duì)照，而10～20cm土層MG土壤全鉀含量卻高于CK(表9)。整體來看，放牧對(duì)人工草地土壤全鉀含量沒有明顯的影響。

表9 放牧對(duì)人工草地土壤全鉀含量的影響(g·kg-1)

2.2.5 放牧對(duì)人工草地土壤全氮含量的影響

土壤氮素的含量主要由土壤生物量的積累和有機(jī)質(zhì)分解的速率所決定，與其土壤環(huán)境密切相關(guān)。

各土層土壤氮含量通過方差分析可知，在MG條件下，各土層土壤氮含量均無顯著性差異(p>0.05)，從數(shù)值上看，10-20cm土層氮含量高于其他土層；在CK條件下，10-20cm土層氮含量顯著高于20-30cm土層(表10)?？傮w來說，10-20cm土層氮含量均較高。

土壤全氮含量通過方差分析可知，在0～10cm、10～20cm和20～30cm土層下，MG和CK土壤氮含量均無顯著性差異(p>0.05)。從數(shù)值上看，各土層條件下，放牧區(qū)土壤氮含量均較CK高，說明放牧條件能夠一定程度增加科爾沁沙質(zhì)草甸退化沙地下的人工草地土壤氮含量，且較深土層增量較高。隨土層深度增加，氮含量增幅呈逐漸增加的趨勢(shì)。(表10)

表10 放牧對(duì)人工草地土壤全氮含量的影響(g·kg-1)

3 討論與結(jié)論

3.1放牧對(duì)人工草地群落特征的影響

人工草地建植2年后，試驗(yàn)區(qū)與原始植被相比，在群落高度、植被蓋度和草群密度都有不同程度的增加。這與楊增增〔4〕等人研究黑土灘退化草地通過混播植被恢復(fù)結(jié)果一致。放牧明顯降低了人工草地對(duì)植被高度、蓋度和現(xiàn)存量，但這也進(jìn)一步說明建植人工草地對(duì)草地質(zhì)量有所提高，有利于植被恢復(fù)，更有利于低成本高收益的畜牧業(yè)的發(fā)展。有一些研究證實(shí)放牧優(yōu)化假說原理，即適度放牧提高草地生物量〔5〕。

試驗(yàn)結(jié)果表明MG相較于CK一定程度增加了群落豐富度、生物多樣性和均勻度，是較為合理的放牧人工草地。這與孫世賢〔6〕等人對(duì)荒漠草原植被特征的研究結(jié)果一致，表明放牧能夠增加群落生物多樣性。原因可能是家畜的踩踏、采食抑制了適口性較好的植物的生長(zhǎng)，為處于弱勢(shì)的物種提供了定居和生長(zhǎng)的空間〔7〕。植物生態(tài)學(xué)理論認(rèn)為，多樣性增高意味著草地穩(wěn)定性也趨于增強(qiáng)，即由多樣性較低的人工或半人工草地向多樣性較高的原生植被演替的過程〔8〕。也有學(xué)者研究得出不同的結(jié)論，補(bǔ)播后草地植物多樣性指數(shù)減小〔9-12〕，可能原因是補(bǔ)播牧草競(jìng)爭(zhēng)大于原生植被，原生植被和一年生植物逐漸退出群落，導(dǎo)致群落多樣性降低。由于管理疏忽，個(gè)別家畜進(jìn)入不放牧區(qū)采食了部分沙打旺和苜蓿等適口性較好的牧草，導(dǎo)致高度蓋度等指標(biāo)均偏低。補(bǔ)播措施對(duì)改善退化草地群落特征具有持久性，將對(duì)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

3.2放牧對(duì)人工草地土壤養(yǎng)分的影響

放牧對(duì)土壤養(yǎng)分的影響過程較為復(fù)雜，與放牧強(qiáng)度、頻度、方式以及草地本身的土壤特性等有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果顯示放牧使人工草地表層土壤含水量顯著降低，而較深土層含水量有增加的趨勢(shì)。這與牛鈺杰〔13〕等研究結(jié)果具有一致性。放牧家畜對(duì)于草地牧草的采食會(huì)導(dǎo)致植被的蓋度降低。植物具有涵養(yǎng)水源的功能，植被數(shù)量的減少會(huì)導(dǎo)致地表水分的蒸發(fā)量加大，進(jìn)而導(dǎo)致土壤含水量降低。放牧使人工草地0～20cm土壤pH顯著降低，而20～30cm土層影響不顯著，這與益西措姆〔14〕等在西藏高寒草甸土壤研究放牧干擾的結(jié)果一致，結(jié)果顯示在0～10cm、10～20cm土壤層內(nèi)，土壤pH顯著減小，在20～30cm土層內(nèi)，土壤pH變化不明顯。也有學(xué)者得出不同的結(jié)果，Liebig〔15〕等認(rèn)為放牧對(duì)土壤pH沒有影響。研究結(jié)果表明放牧對(duì)人工草地20～30cm土層土壤容重顯著增加，而對(duì)較淺土層無較大影響，這與寇欣〔16〕等在錫林河中游放牧的和被圍封的濕草甸土壤理化性質(zhì)研究中結(jié)果不一致。由于試驗(yàn)區(qū)在科爾沁沙地，表層土質(zhì)疏松，家畜踩踏不易板結(jié)，導(dǎo)致放牧對(duì)表層土壤容重沒有顯著影響。放牧使得表層土壤速效鉀含量顯著增加，這與史印濤〔17〕等人研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)榉拍良倚笈判沟募S尿中含有大量的鉀，放牧?xí)箚挝徊莸孛娣e上的牲畜數(shù)量增多，所以通過糞便排泄到草地上的鉀量也相應(yīng)較大；而放牧對(duì)人工草地土壤速效磷、全磷、全鉀含量沒有顯著影響，這一結(jié)論也經(jīng)相關(guān)學(xué)者論證所得到〔18,19〕。隨著土層深度的增加，土壤速效鉀和全磷含量逐漸降低的趨勢(shì)?？傮w來看，放牧對(duì)人工草地土壤有機(jī)碳、氮含量在一定程度增加，隨土層深度變化沒有明顯規(guī)律。有學(xué)者也得出這一結(jié)果〔20〕。一方面由于家畜的采食踐踏造成枯落物分解，充分進(jìn)入土壤，從而提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮含量，另一方面土壤氮含量的增加主要受家畜排泄物(氮主要以尿的形式排出)的影響。

4 結(jié)論

4.1 混播人工草地相較原始植被在群落高度、蓋度、草群密度、每樣方物種數(shù)方面都有不同程度的增加，放牧使混播人工草地在群落高度和現(xiàn)存量都顯著降低；適度放牧條件下能增加人工草地群落的豐富度和生物多樣性，而且均一度較好，是較為合理的放牧人工草地。

4.2 放牧能夠降低表層土壤含水量、pH，一定程度增加土壤容重、有機(jī)質(zhì)含量和表層土壤速效鉀含量，對(duì)速效磷、全磷和全鉀影響不大；隨土層深度增加，速效鉀、全磷全鉀含量呈降低趨勢(shì)。