不同放牧強度對高寒草甸植被群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀的影響

安生輝

(甘肅省甘南藏族自治州草原工作站,甘肅 合作 747000)

草地不僅是保障我國食品結(jié)構(gòu)和食品安全的基礎(chǔ)資源,其還在水土保護、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性和基因資源保護方面發(fā)揮著重要作用。由于氣候變化、過度放牧、不合理的放牧制度等綜合因素作用導(dǎo)致草地發(fā)生了不同程度的退化。據(jù)統(tǒng)計,我國90%的草地發(fā)生了不同程度的退化,并且以200 km2/年的速率增加。高寒草甸是我國現(xiàn)有18個草原類型中面積最大的一個草原類型,約占我國草原資源面積的的16%, 也發(fā)生了不同程度的退化。

放牧是高寒草甸最基本的利用方式,能顯著改變草地植被群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性狀。然而很多研究結(jié)果表明過度放牧可導(dǎo)致草地退化、沙化、物種多樣性降低和草地生態(tài)功能失衡。如何確定適度、合理和科學(xué)的放牧制度至關(guān)重要。植被和土壤的理化性狀與放牧強度密切相關(guān),是草地是否健康可持續(xù)發(fā)展最直觀的表現(xiàn)形式。本研究分析甘肅省甘南碌曲縣放牧強度對高寒草甸植物群落和土壤理化性狀的影響,揭示不同放牧強度與草地之間的內(nèi)在聯(lián)系,為合理高效利用高寒草甸、為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

研究地處甘肅西南碌曲縣,是甘肅省重要的畜牧縣, 草場總面積39.4萬hm2,占全縣土地總面積的83.3%。試驗地位于瑪曲縣尕海鄉(xiāng)(lat.34°14'N; long.102°13'E),海拔3 650 m,研究區(qū)域?qū)偾嗖馗咴瓪夂驇Ц咴瓭駶櫄夂騾^(qū),冬長無夏,春秋短促,高寒陰濕,年均氣溫 2.3℃,無絕對無霜期,年降水量633～782 mm,該區(qū)域主要分為冬季放牧和夏季放牧兩種利用方式。土壤類型為亞高山草甸土壤;草地類型為典型的高寒草甸草地,以莎草科的嵩草屬(Kobresia)和疏叢型禾本科的針茅屬(Stipa)、羊茅屬(Festuca)、早熟禾屬(Poa)的一些草種為主,并伴有大量的雜類草,如莓葉委陵菜(Potentillafragarioide)、條葉銀蓮花(Anemonetrullifolia)、火絨草(Leontopdiumhatioid)等,植被蓋度在80%以上。

1.2 試驗設(shè)計

2016年,本試驗選定一個放牧戶,其家庭草場面積約為178 hm2。根據(jù)王向濤等(2010)的劃分方式,以該牧戶夏季草場的居住點為起點,距起點2 800～3 200 m 的范圍為輕度放牧(LG)區(qū)域;離居住點1 500～1 900 m范圍內(nèi)中度放牧(MD)區(qū)域,距居住點200～600 m為重度放牧(HG)區(qū)域;對照區(qū)域為該牧戶的冬季牧場。試驗采樣于2016年8月10～18日進行。

1.3 草地植被特征測定

2016年8月分別從3個放牧梯度樣地和對照區(qū)隨機選擇10個(50 cm×50 cm)進行植物群落調(diào)查,按照禾草、莎草、豆科、雜類草歸類,帶回實驗室于烘箱內(nèi)80℃、24 h烘干,測定生物量。調(diào)查項目包括草地植被高度、蓋度、群落總蓋度和物種豐富度。

1.4 土壤理化性狀測定方法

在三個不同放牧梯度和對照樣地內(nèi)隨機選取5個植被群落樣方,用容積為100 cm3的環(huán)刀在0～15 cm土層收集土樣,迅速裝入鋁盒,帶回室內(nèi)立即稱重,再將土樣放至 105℃烘箱烘至恒重,測定土壤容重和土壤含水量。同時,每個樣點按照0～15 cm收集土壤樣品,在室溫下自然風(fēng)干,充分研磨過0.25 mm的尼龍篩后,以便分析土壤pH、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效鉀和土壤有機質(zhì)。參照鮑士旦主編的《土壤農(nóng)化分析方法》,土壤有機碳( OC) 采用重鉻酸鉀法測定,用凱氏定氮法測定土壤全氮(TN)(本研究中土壤速效氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之和),土壤全磷( TP) 采用鉬銻抗比色法測定,用火焰分光光度計測定土壤全鉀( TK) 和速效鉀( AK),土壤銨態(tài)氮( AN) 和硝態(tài)氮( NN) 采用連續(xù)流動分析儀測定,土壤速效磷( AP) 采用雙酸浸提鉬銻抗比色法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)進行正太分布檢驗。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPASS19.0軟件,用One-way ANOVA進行單因素方差分析,圖表用Excel 2003繪制。

2 結(jié)果分析

2.1 不同放牧強度下植被高度、蓋度、物種數(shù)和地上生物量的變化

從表1可以看出,不同放牧強度下的植被高度、蓋度和地上生物量均顯著低于零放牧區(qū) (P<0.05);植被高度、蓋度和地上生物量均表現(xiàn)為:對照(NG)>輕牧(LG)>中牧(MG)>重牧(HG)。物種數(shù)在中度最高,可達29種,其次依次為輕度、重度,對照區(qū)域物種數(shù)最低,只有19種(P<0.05);

表1 不同利用方式下草地植被高度、蓋度、物種數(shù)和地上生物量的變化

2.2 不同放牧強度對4個功能群的影響

從圖1中可以看出,對照區(qū)域的禾草生物量所占比例顯著高于莎草、豆科牧草和雜草(P<0.05);輕度放牧區(qū)域的禾草生物量所占比例與莎草差異不顯著,但禾草和莎草均顯著高于豆科牧草和雜草(P<0.05);中度放牧區(qū)域的莎草生物量所占比例顯著高于禾草、豆科牧草和雜草(P<0.05);重度放牧區(qū)域的雜草生物量所占比例顯著高于禾草、莎草和豆科牧草,但莎草和禾草均顯著高于豆科牧草(P<0.05)。

圖1 不同放牧強度下4種功能群地上生物量所占比例

2.3 不同放牧強度對土壤物理性狀的影響

從表2可以看出,與對照相比,中度放牧區(qū)域的土壤容重雖然略有下降,但差異不顯著(P>0.05);輕度和中度放牧區(qū)域的土壤容重顯著低于對照和重度放牧區(qū)域,且二者之間差異顯著(P<0.05)。重度放牧區(qū)域的土壤含水量顯著低于中度、輕度和對照,但中度、輕度和對照三者之間差異不顯著(P>0.05)。

表2 不同利用方式下土壤理化性狀的變化

2.4 不同放牧強度對土壤化學(xué)性狀的影響

從表2可以看出,與對照相比,不同放牧強度下的土壤pH、全P無顯著性差異變化(P>0.05)。隨著放牧強度的增加,全氮、全鉀和速效鉀表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢,中度放牧下最高,分別可達4.72 g/kg,76.8 g/kg和131.6 mg/kg。速效氮在中度放牧下達到最高,可達54.6 mg/kg,顯著高于輕度和重度放牧區(qū)域(P<0.05)。速效磷表現(xiàn)為隨放牧強度的增加而增加,但中度和重度區(qū)域無顯著性差異(P>0.05)。土壤有機質(zhì)隨放牧強度的增加而減小,重度放牧條件下最小,為111.8 g/kg。

3 討論

適度放牧能促進高寒草甸正向演替,然而,過度放牧可導(dǎo)致高寒草甸發(fā)生逆向演替,草原生產(chǎn)力下降,穩(wěn)定平衡的生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,引起草原發(fā)生不同程度的退化。本試驗研究發(fā)現(xiàn),不同放牧強度下植物群落高度、蓋度和地上生物量顯著降低,輕度放牧能有效增加植物群落高度、蓋度和地上生物量;同時,適度放牧能有效增加植被群落結(jié)構(gòu)中莎草所占的比例。這從一定程度上驗證了“中度干擾假說”中關(guān)于適度放牧可以維持草地較高的生產(chǎn)力。地上生物量在放牧區(qū)顯著低于對照區(qū)域,主要是由于家畜長期踐踏和采食造成的。

毒雜草在重牧強度時生物量達到最大,這與很多研究結(jié)果相一致,由于放牧強度的增加,草地群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,禾本科和莎草科的優(yōu)良牧草減少,而中等和劣質(zhì)牧草的毒雜草增加。

中度干擾下草地具有較高的生物多樣性,即中等放牧強度能增加物種豐富度,這與江小雷等(2004)的研究結(jié)果一致。放牧強度較低時,高大禾草的光利用率高,為優(yōu)勢植物,種間的光競爭強度增大,對低矮植被的光利用率具有抑制作用;放牧強度適中時,由于家畜采食降低了群落中禾草優(yōu)勢植物的高度,導(dǎo)致種間光競爭強度減小,有利于那些競爭力弱的植物建殖。當放牧強度持續(xù)增加,適口性高、植株高的禾草優(yōu)勢物種減少,食物資源短缺后,家畜進而采食那些適口性差的植物,從而使物種多樣性降低;除此而外,低矮的植物通常是毒草,這些有毒植物根系分泌物能夠抑制其它牧草種子萌發(fā)和牧草生長,這也是造成物種多樣性降低的原因之一。

土壤含水量是影響草地生產(chǎn)力的重要因子。重度放牧區(qū)域由于家畜的踩踏使表層土壤緊實度增加,同時由于植被蓋度降低,陽光直射地面導(dǎo)致蒸發(fā)量增加,進而導(dǎo)致土壤持水能力降低,土壤含水量降低。本研究中的土壤含水量在對照組最高,輕度和重度放牧區(qū)域雖有下降,但差異不顯著,在重度放牧強度下土壤含水量最低。放牧引起土壤容重變化最直接的原因就是家畜不同程度的踐踏導(dǎo)致的。然而,本研究發(fā)現(xiàn)土壤容重從小到大依次為對照>中牧>輕牧>重牧,毫無規(guī)律可言,還需更長時間的觀測才能發(fā)現(xiàn)是否放牧強度對土壤容重存在規(guī)律性的響應(yīng)。

氮、磷和鉀的補給對土壤肥力有著重要作用。很多有關(guān)青藏高原高寒草甸的研究表明,植物生長季適度放牧能有效提高土壤中全氮和全鉀的含量。本研究也證實了這一點,適度放牧能有效提高土壤養(yǎng)分含量。然而,全磷含量差異不顯著,這可能是因為高寒草甸土壤磷含量少,同時還受氣候環(huán)境等因素的影響,所以導(dǎo)致放牧強度對磷元素的影響不大。土壤中速效養(yǎng)分的含量反應(yīng)了土壤實際提供養(yǎng)分能力。速效養(yǎng)分與溫度、含水量和土壤微生物活動密切相關(guān)。本試驗研究表明,高寒草甸土壤速效鉀含量隨放牧強度增加而降低。這可能是因為隨放牧強度的增加,家畜采食量增大,牧草不斷進行補償性生長,增加了對這些速效養(yǎng)分的利用,導(dǎo)致土壤中速效鉀含量降低。速效氮和速效磷隨放牧強度增加呈先增加后降低的趨勢。這很有可能是家畜適宜的采食和踐踏能改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),進而引起氮和磷向其他組分的轉(zhuǎn)換。高寒草甸氣候寒冷,土壤微生物活動弱,土壤中有機物分解速率緩慢,因而放牧是改變土壤中碳元素的主要因素之一。我們的試驗表明,高寒草甸土壤有機質(zhì)含量隨放牧強度增加而降低,與其他的研究結(jié)果一致。有機質(zhì)的這種變化可能是因為放牧活動使植物不斷進行補償性生長,進而從土壤中吸收大量養(yǎng)分,減少了土壤有機質(zhì)含量;也有可能是采食和踐踏使植物枯落物含量減少,導(dǎo)致土壤中碳輸入量減小。

4 結(jié)論

(1)植被蓋度、高度和地上生物量均隨放牧強度增加而降低,物種在中度放牧下最高;適度放牧能顯著增加莎草比例,雜草隨放牧強度增加而增加。(2)全氮、全鉀和速效鉀隨放牧強度增加呈先增加后降低的趨勢;速效磷隨放牧強度增加而增加。(3)適度放牧能顯著改良植被群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì),有利于高寒草甸的可持續(xù)性利用。