基于Meta分析的中國北方草地土壤pH對放牧的響應(yīng)研究

楊雪龍，杜巖功，石麗娜，謝芹芹，趙旭東

(1.青海省海北州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，青海 海晏縣 812200;2.中國科學(xué)院西北高原生物研究所,青海 西寧市 810008；3.青海觀谷生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究有限公司,青海 西寧市 810001)

天然草地是我國牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的重要資源基礎(chǔ)和綠色生態(tài)屏障[1-2]。我國天然草地包括18個(gè)類型，目前約90%的天然草地處于不同程度的退化狀態(tài)[3]。過度放牧是草地退化的重要原因[4]。不同強(qiáng)度放牧干擾對草地脅迫存在較大差異，會對草地土壤性質(zhì)、植被產(chǎn)生不同影響[1，5]。土壤pH值是表征酸堿性的指標(biāo)，其變化直接影響土壤營養(yǎng)元素的有效性和存在狀態(tài)[3]，對土壤肥力的形成和土壤質(zhì)量演變過程起著重要作用[6]。

放牧家畜主要通過采食、踐踏及排泄物影響土壤物理結(jié)構(gòu)和理化性狀[7]。放牧和圍封草地土壤pH值分別為8.94、8.50，放牧可以明顯增加草地生態(tài)系統(tǒng)土壤pH[2]。輕度放牧增加小葉章草甸土壤pH，土壤呈弱酸性特征、pH值約為5.81[8]。隨著放牧強(qiáng)度增加，內(nèi)蒙古典型草原土壤pH值顯著增加[6]，而草甸草原土壤pH值呈現(xiàn)先增加后降低趨勢[4]。重度放牧顯著提高川西北亞高山草地土壤pH值[9]。西藏高寒草甸土壤呈酸性，pH值低于6.20，放牧對高寒草甸pH無顯著影響[10]。劃區(qū)輪牧對荒漠草原速效鉀含量和pH值無顯著影響，但有利于表層土壤0～5 cm粘粒的形成[1]。長期封育降低內(nèi)蒙古草原和黃土高原土壤pH值[2，11]。圍欄封育有效降低松嫩平原蘇打鹽漬土鹽分表聚作用[12]。

草地pH改變土壤微環(huán)境，一方面可以影響微生物生理代謝酶活性，還可以影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微生物對環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)的利用[13]。內(nèi)蒙古草原土壤微生物碳和氮含量均與土壤pH值呈顯著正相關(guān)關(guān)系[14]。家畜尿液進(jìn)入草地后尿素很快轉(zhuǎn)化為銨，提高土壤銨態(tài)氮含量和pH值[15]。草地群落多樣性與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7]，硝化細(xì)菌更適應(yīng)酸性環(huán)境[16]。氮沉降引起草地土壤細(xì)菌多樣性的喪失主要?dú)w因于土壤pH值急劇降低[17]。短期內(nèi)增加pH值會對羊草草地土壤碳礦化速率產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[11]。

單個(gè)控制試驗(yàn)對于理解具體生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)非常關(guān)鍵，但陸地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)特征的普遍規(guī)律需要使用整合研究的手段[18]，可直接為陸面模型提供參數(shù)和理論依據(jù)。已有研究關(guān)注不同放牧強(qiáng)度對不同類型草地pH的影響，尚缺少我國北方草地pH對不同放牧強(qiáng)度響應(yīng)特征的整合研究，本文基于meta分析，探索不同放牧強(qiáng)度對草地土壤pH的影響及主要調(diào)控因素，以期為草地適宜放牧強(qiáng)度的確立及適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)收集

基于中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，檢索條件關(guān)鍵詞“pH”且“放牧”，中英文論文共搜索到36篇。按照下列準(zhǔn)則進(jìn)行論文篩選：以中國北方草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，土壤pH值測定采用酸度計(jì)方法，均在生長季開展試驗(yàn)研究工作。最終11篇論文(表1)、24組研究數(shù)據(jù)被采用，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。調(diào)查樣點(diǎn)主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)、西藏自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和青海省等。

表1 本研究選用的11篇論文基本情況

采用Web Plot Digitizer軟件提取原文圖片數(shù)據(jù)。草地類型和放牧強(qiáng)度的劃分，均采用原文的分類方法。同時(shí)提取年均氣溫、降水量、海拔、容重、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀含量等數(shù)據(jù)。本研究引入了不同放牧強(qiáng)度作為分類變量，放牧強(qiáng)度因草地類型和家畜類型差異，輕度、中度和重度放牧梯度采用原有文章分類標(biāo)準(zhǔn)；提取的土壤理化性質(zhì)和氣候因素作為平均效應(yīng)值的解釋變量，探討放牧干擾對效應(yīng)值的影響幅度(圍封為對照)。

1.2 基于均值的草地pH對放牧響應(yīng)的效應(yīng)值(響應(yīng)比)計(jì)算

式中：xe為我國北方放牧草地pH均值，xc為圍封樣地均值，lnR為效應(yīng)值。

研究內(nèi)方差：

式中：V為方差，Se為處理標(biāo)準(zhǔn)差，Sc圍封標(biāo)準(zhǔn)差，Ne和Nc為處理和對照(圍封)樣本量。

平均效應(yīng)值及置信區(qū)間的計(jì)算方法：

式中：vi表示本論文的研究內(nèi)方差，τ2表示研究間方差結(jié)果，yi為單個(gè)研究的效應(yīng)值。

pH對放牧響應(yīng)的效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)(Qt)計(jì)算：

土壤理化性質(zhì)和氣象因素等解釋變量對效應(yīng)值影響程度檢驗(yàn)(Qm)：

式中：p、ni分別表示解釋變量異質(zhì)性檢驗(yàn)值和處理樣本量；j、i分別代表處理和對照；yij表示單個(gè)研究結(jié)論效應(yīng)值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法

研究數(shù)據(jù)通過R語言metafor1.9-8程序包開展數(shù)據(jù)整合分析。我國北方草地土壤pH對放牧響應(yīng)的平均效應(yīng)值和單一效應(yīng)值計(jì)算均采用隨機(jī)效應(yīng)模型。當(dāng)研究結(jié)果效應(yīng)值整體異質(zhì)性較強(qiáng)且達(dá)到顯著性檢驗(yàn)水平時(shí)，表明放牧處理的效應(yīng)存在較大差異?；诨旌闲?yīng)模型，引入解釋變量對異質(zhì)性進(jìn)行分析。發(fā)表偏差通過對稱性檢驗(yàn)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧干擾對中國北方草地土壤pH的影響

放牧干擾輕微增加我國北方草地土壤pH值，平均效應(yīng)值為0.009±0.006 (95%置信區(qū)間：-0.002～0.020)(圖1)，增加幅度0.91%。放牧對不同類型草地土壤pH影響的順序?yàn)椋簻匦圆菰?溫性草甸草原>溫性荒漠>高寒草甸(圖2)。放牧活動極顯著增加溫性草甸草原土壤pH，平均效應(yīng)值為0.012±0.004(P<0.01)。放牧增加溫性草原(0.033±0.018)和溫性荒漠(0.003±0.007)土壤pH值，降低高寒草甸pH值(-0.002±0.006)。放牧干擾對pH影響的效應(yīng)值異質(zhì)性(Qe)檢驗(yàn)表明異質(zhì)性很強(qiáng)(P<0.0001)

圖1 放牧影響中國北方草地土壤pH效應(yīng)值森林圖Fig.1 Forest plots of effect size of grazing on soil pH of grasslands in northern China

圖2 放牧對不同類型草地pH平均效應(yīng)值的影響結(jié)果對比分析Fig.2 Comparation of effect sizes of grazing on soil pH among different types of grassland in China(** meant P<0.01)

(表2)，需要引入解釋變量(分類變量和連續(xù)變量)對異質(zhì)性的來源進(jìn)行進(jìn)一步探討。

表2 放牧對pH影響的效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)

2.2 放牧強(qiáng)度對中國北方草地土壤pH影響及平均效應(yīng)值異質(zhì)性檢驗(yàn)

不同放牧強(qiáng)度的平均效應(yīng)值之間無顯著性差異。平均效應(yīng)值從高到低順序，依次為輕度放牧>重度放牧>中度放牧。輕度、重度和中度放牧對pH值增幅分別為1.02%、1.01%和0.61%。異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果表明平均效應(yīng)值殘差仍具有異質(zhì)性(P<0.000 1)(表3)，需要引入其他解釋變量。

表3 不同放牧強(qiáng)度對pH平均效應(yīng)值的影響及95%置信區(qū)間

2.3 平均效應(yīng)值對氣候因子及土壤理化性質(zhì)等變量的響應(yīng)特征

本研究引入解釋變量包括海拔、年均氣溫、土壤全氮、全磷含量等因素。北方草地土壤全磷含量對平均效應(yīng)值具有顯著影響(P<0.05)(表3)，可以解釋14.56%的效應(yīng)值變異。土壤速效氮、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全鉀含量和容重也是解釋效應(yīng)值變異的主要因素?；跀M合方程結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)平均效應(yīng)值與全鉀、全氮含量間之間存在正相關(guān)關(guān)系，與其余因素均存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 放牧影響pH的平均效應(yīng)值對氣象因子和土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)

2.4 放牧對我國草地生態(tài)系統(tǒng)pH影響效應(yīng)值漏斗圖的對稱性檢驗(yàn)

Meta分析是對平均效應(yīng)值的定量化評價(jià)，數(shù)據(jù)來源于已發(fā)表的研究論文，這可能會受選擇性偏倚的影響。通過對漏斗圖的對稱性進(jìn)行檢驗(yàn)分析(z=0.96，P=0.39)，發(fā)現(xiàn)P值大于0.05，說明本研究所采用數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果基本對稱。本研究并無研究論文發(fā)表偏愛性(圖3)，研究結(jié)果具有充分可信度。

圖3 放牧對我國北方草地土壤pH影響的發(fā)表偏愛性檢驗(yàn)Figure 3 Egger's test for funnel plot asymmetry on effects size of grazing on soil pH of grasslands

3 討論

北方草地是我國重要的生態(tài)屏障，對于提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性均具有極其重要作用[3,5]。由于人口數(shù)量及其對畜產(chǎn)品需求的不斷增長，造成草地長期超載放牧、同時(shí)受氣候變化影響，草地已發(fā)生大面積退化[19-20]。重度放牧草地土壤pH明顯高于輕度放牧草地，主要與放牧家畜排泄物含有大量鉀元素有關(guān)[21-22]。土壤pH直接影響草地植被對土壤養(yǎng)分的吸收效率，酸化可能導(dǎo)致放牧草地微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性發(fā)生顯著的變化[2,23]。土壤pH是反映土壤鹽堿化程度的主要指標(biāo)，它可以通過影響微生物代謝的酶活性及細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響微生物對環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收[12，24]。

本研究發(fā)現(xiàn)放牧干擾輕度增加我國北方草地土壤pH值，增幅0.91%。重度放牧草地受家畜連續(xù)踐踏作用影響，草場植被蓋度明顯地下降，土壤水分蒸發(fā)量和鹽分含量逐漸增加，從而提高土壤pH值[7]。但是也有研究發(fā)現(xiàn)隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤所接受的家畜尿量也增加，家畜尿量的增加導(dǎo)致了土壤離子循環(huán)速度的加快，從而提高了土壤氫離子的濃度，降低土壤pH值[25]。本研究也表明放牧對草地pH影響，可能受到草地類型或者放牧強(qiáng)度的共同影響，溫性草原pH對放牧干擾反應(yīng)幅度明顯高于高寒草甸。溫性草原土壤pH值為8.54～9.26[2]，明顯高于高寒草甸和小葉章草甸[8，10]。草地生態(tài)系統(tǒng)土壤pH值與土壤微生物量通常呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，pH值偏低影響土壤有機(jī)碳溶解，提高土壤溶液交換性鋁離子的生物毒性，降低土壤微生物量[26]。隨pH值增加，草地土壤微生物群落脅迫壓力降低，可提高土壤微生物量[27]。封育時(shí)間越久，植物生長的枯黃落葉的程度也越大，對土壤的覆蓋度也越大，土壤空氣與大氣的通氣性減弱，氧含量減少，CO2的含量增多，土壤pH值降低[2]。

土壤酸堿度是土壤在其形成過程中受生物、氣候、地質(zhì)、水文等因素綜合作用所產(chǎn)生的重要屬性[2]。本研究表明全磷對北方放牧草地土壤pH平均效應(yīng)值具有顯著負(fù)效應(yīng)，隨著全磷含量降低，我國北方放牧干擾對草地土壤pH影響的平均效應(yīng)值呈現(xiàn)增加趨勢。土壤全磷大部分以有機(jī)態(tài)形式存在，全磷含量較低時(shí)表征草地土壤磷素供應(yīng)不足[14,28]。高寒草甸磷素年凈損失量為1.58 kg/hm2，土壤速效磷素缺乏已成為限制草地生產(chǎn)力提升的重要營養(yǎng)元素[28]。

4 結(jié)論

放牧干擾輕度增加我國北方草地土壤pH值。放牧對不同類型草地pH影響的平均效應(yīng)值順序?yàn)椋簻匦圆菰?溫性草甸草原>溫性荒漠>高寒草甸。放牧降低高寒草甸土壤pH值，增加溫性草原、溫性草甸草原和溫性荒漠土壤pH值。不同放牧強(qiáng)度的平均效應(yīng)值之間無顯著性差異，中度放牧對北方草地pH影響程度最低。土壤全磷是北方草地pH對放牧響應(yīng)的主要調(diào)控因素。隨著全磷含量降低，我國北方草地土壤pH值呈現(xiàn)增加趨勢。