不同放牧強度下羊草和大針茅草原土壤含水量的空間變化

甘磊，馬蕊，彭揚建，彭新華，莫春夢，Rainer Horn

1. 桂林理工大學，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學，廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004；3. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；4. Institute of Plant Nutrition and Soil Science, Christian-Albrechts-University zu Kiel，Kiel 24118 Germany

不同放牧強度下羊草和大針茅草原土壤含水量的空間變化

甘磊1,2,3,4，馬蕊1，彭揚建1，彭新華3*，莫春夢1，Rainer Horn4

1. 桂林理工大學，廣西環境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學，廣西巖溶地區水污染控制與用水安全保障協同創新中心，廣西 桂林 541004；3. 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；4. Institute of Plant Nutrition and Soil Science, Christian-Albrechts-University zu Kiel，Kiel 24118 Germany

近年來不合理的放牧體制造成內蒙古地區土壤退化嚴重。基于內蒙古草原生態系統研究站建立圍封（UG79）、冬季放牧（WG）、持續放牧（CG）和過度放牧（HG）條件下羊草（Leymus chinensis）和大針茅（Stipa grandis）草原試驗區研究不同放牧強度和植被覆蓋條件下土壤含水量的空間變化。試驗共分為5個小區，分布為：LUG79、LWG、LHG、SUG79和SCG。試驗利用GPS在每個小區建立1個長135 m，寬105 m，共計100個測量點的空間區域，通過利用HH2 Moisture Meter測量土含水量并研究其空間變化情況。結果表明：降水是引起區域土壤含水量變化的主要因素，是引起土壤含水量空間變異的關鍵因子。在羊草區，LWG土壤含水量（0.29～0.05 cm3·cm-3）高于LUG79（0.24～0.03 cm3·cm-3），而LHG由于過度放牧導致最小的土壤含水量（0.21～0.01 cm3·cm-3）。在大針茅區SCG土壤含水量（0.28～0.07 cm3·cm-3）要大于SUG79區（0.27～0.05 cm3·cm-3）。相較于圍封而言，SCG和LWG區在適度的持續放牧與冬季放牧方式下能增強土壤對水分的保持能力，說明適度的放牧強度能增加土壤含水量。在圍封區域SUG79區的土壤含水量高于LUG79區的土壤含水量。從地統計分析結果看，每個試驗區的土壤含水量空間分布均具有一定的穩定性，其空間結構比均高于97%。但兩個圍封的UG79區土壤含水量空間分布比放牧的CG、WG和HG試驗區更穩定，說明放牧對土壤含水量空間分布的穩定性有一定破壞作用。

放牧強度；土壤含水量；空間變化

隨著人口的增長和市場經濟利益的驅動，人類對草地資源利用方式的多樣性和利用程度不斷加深，內蒙古草原遭受到了嚴重的破壞，隨之引發的后果是植被減少、水土流失、最終降低草地的生產力（Gan et al.，2012a147-148；Gan et al.，2013）。土壤水分是土壤的重要物理參數，它對于植物生長、存活、凈生產力等具有極其重要的意義（郭衛華等，2003）。放牧行為通過動物踐踏使草場有向旱化發展的趨勢，從而導致土壤的理化性質發生變化（Gan et al.，2012b）165-166。一般而言，隨放牧強度的增大，動物踐踏作用增強，土壤孔隙分布的空間格局發生變化，土壤的總孔隙減少，使土壤容重增加，土壤的滲透阻力加大，土壤的保水和持水能力下降（Gan et al.，2012b170-172；高英志等，2004）。但當設定合適的放牧強度后，由于動物對土壤踐踏作用，使土壤顆粒間隙變小，有助于土壤毛細管水分的保持和土壤含水量的增加（楊智明等，2005）。植被通過降雨截留作用來改變土壤的水分情況，還把林木根系從土壤中吸收的水分孔散發到大氣中，特別是在在干旱或半干旱地區，作為植物生長限制因子的土壤含水量與植被類型及其改變關系密切（Breshears et al.，1997；Roderiguez-Iturbe，2000）。放牧強度可以影響土壤屬性的空間分布的同質性與異質性，在土壤水分中的表現更為明顯（Zhao etal.，2007）244-245得多。

本文主要研究區域位于中國內蒙古錫林郭勒草原，假定放牧強度可以完全改變土壤含水量的空間分布，研究羊草和大針茅兩種被覆蓋條件下不同放牧強度對土壤含水量的大小以及空間結構的變化情況的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古東部的錫林河盆地（43°38′N，116°42′E），是中國科學院植物所內蒙古草原生態系統研究站（IMGERS）管理的區域。研究區域的土壤質地基本一致，屬于砂質壤土（Gan et al.，2012a）148-149。該地區處于溫帶半干旱大陸性氣候條件下的錫林河盆地，屬于中緯度東部地區典型的半干旱草原（Zhao et al.，2007）242-243，其生長季節通常為每年5月至9月。該地多年平均溫度是0.7 ℃，年降水量在343 mm左右，其中60%～80%的降水發生在每年的6月至8月（Gan et al.，2012b）166-167。試驗數據測量在5個區域進行。其中3個研究區域位于羊草草地區，其主要物種為羊草。第一個是從1979年開始禁止放牧的封育區，稱為LUG79（Leymus chinensis Ungrazed since 1979）；第二個是只在冬季進行放牧的區域，放牧強度為0.5羊單位·a-1·hm-2（1羊單位相當于一只成年羊加一只羔羊（Reszkowska et al.，2011182-183；Giese et al.，2013），稱為LWG（Leymus chinensis Winter Grazing）；第三個研究區域是過度放牧區域，植被覆蓋稀少，放牧強度為 2.0羊單位·a-1·hm-2，稱為 LHG（Leymus chinensis Heavy Grazing）。另外兩個研究區域位于大針茅草地區，其主要物種為大針茅。第一個是從1979年開始禁止放牧的封育區，稱為SUG79（Stipa grandis Ungrazed since 1979）；第二個是持續放牧區域，放牧強度為 1.2羊單位·a-1·hm-2，稱為 SCG（Stipa grandis Continuous Grazing）。在每一個研究區域，我們建立了一個矩陣型的柵格研究區，利用GPS中的UTM系統進行測量點定位。每一個柵格研究區都是由一個長135 m，寬105 m的空間區域構成，其中每隔15 m建立一個測量點，并在這些測量點中間再建立 20個次級測量點，共計100個測量點。

1.2 采樣與分析

土壤質地、容重、總孔隙度、飽和導水率和土壤有機質等基本性質均在試驗開始前利用環刀采集土壤在實驗室進行分析。同時采用HH2 Moisture Meter（Theta-probe Type ML2x，Delta-T devices Ltd，England）測量表層0～6 cm的土壤含水量。對土壤含水量的分析選取是一個連續的變化過程中的3種土壤濕度狀態進行，8月13─14日的濕潤條件（自8月10日到8月12日降水17.7 mm），8月20─21日的中等條件（自8月14日到8月20日無降水發生）以及8月27─28日的干旱條件（自8月14日到8月27日無降水發生）。

土壤基本性質先進行方差分析，土壤含水量數據首先都會進行基本的統計描述，使用 SPSS 13.0（SPSS Inc.，Chicago，USA）軟件分析。土壤含水量的地統計分析中，利用半方差分析方法進行數據空間變化的分析（Oliver et al.，2007）：

式中r(h)是間距為h的半方差；N(h)是間距為h時的樣點對數；Z(xi)是樣點Z在位置xi的實測值；Z(xi+h)是與xi間距為h的樣點實測值。根據Zhao et al.（2007）243-244研究，半指數模型能很好的進行插值，因此本文選取半方差模型中的指數模型進行地統計分析。模型的組成包括 3個基本參數r(h)=C0+Cs，用它們來描述空間結構。其中C0表示塊金方差（間距為0時的半方差）；Cs為結構方差；兩者之和為基臺值；半方差達到基臺值的樣本間距為變程 a，指數模型的最大相關距離為 3a。根據Cambardella et al.（1994）的研究認為：Cs/(C0+Cs)> 75%，變量具有強烈的空間相關性；Cs/(C0+Cs)值在25%～75%之間，變量具有中等的空間相關性；Cs/(C0+Cs)<25%時，變量空間相關性很弱。為了分析和呈現數據分析結果，使用ArcGIS9.0（Gamma Design Software，Michigan，USA）處理數據以及成圖。

2 結果

2.1 土壤屬性基本情況

表1中列出了土壤的基本性質：土壤質地，容重，總孔隙度，土壤有機質和飽和導水率。與其它區相比，LHG區土壤質地最粗糙。土壤容重隨放牧強度的增加而變大，而土壤有機質和總孔隙度隨放牧強度減小。圍封區的土壤有機質和飽和導水率普遍高于放牧區。此外，大針茅區的飽和導水率比相對應的羊草區的要大。

2.2 土壤含水量的統計描述

表2表示的是在濕潤條件，中等條件和干旱條件下土壤含水量的基本統計描述。無論在何種水分條件下，SUG79比LUG79的土壤含水量都要高。在羊草區域，濕潤和中等條件下LWG的土壤含水量比LUG79高，而LHG區由于過度放牧導致土壤結構嚴重破壞，土壤的保水性最差導致了在3種水分條件下最小的土壤含水量。而對于大針茅試驗區而言，無論何種水分條件下，持續放牧的 SCG區土壤含水量均高于圍封的SUG79。

表1 5個試驗區土壤質地、容重(BD)、總孔隙度(TP)、有機質(SOM)和飽和導水率(Ks)Table 1 The soil texture, bulk density (BD), total porosity, soil organic matter (SOM), and saturated hydraulic conductivity (Ks) in 5 plots

同列不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05），n=7

表2 土壤含水量在3種土壤水分條件下的統計描述Table 2 The descriptive statistics of soil water content under three moisture states

2.3 土壤含水量的地統計分析

表3表示的是在濕潤條件，中等條件和干旱條件下土壤含水量的地統計分析結果。在3種條件下，土壤含水量在各試驗區觀測點之間的距離基本上都小于各自的最大相關距離，說明這些觀測值之間存在空間相關性。從塊金方差和結構方差的數值來看，塊金方差明顯低于結構方差。同時從結構性因素的角度來看，3種條件下的空間結構比都幾乎接近100%，說明土壤含水量的空間相關性非常強。

表3 土壤含水量在3種土壤濕度狀態下的地統計分析結果Table 3 The geostatistics results of soil water content under three moisture states

從ArcGIS對土壤含水量進行地統計分析的成圖中可以了解土壤含水量在試驗區的空間分布情況，現以LUG79和SCG為例說明，每一幅圖中顏色的深淺代表土壤含水量的高低，顏色越深，土壤含水量就越高，每一幅圖中顏色深淺的變化都有各自的變化閾值。圖1-a，圖1-b和圖1-c表示在3種情況下LUG79區的土壤含水量空間分布圖，在圖1-a中，降水發生后，土壤含水量的分布從高閾值區向低閾值區的變化有一個比較清晰的變化過程。從圖中可以看出，土壤含水量的高閾值區分布于圖中的西北角。而經過一段時間的太陽照射，處于中等條件下的土壤含水量的分布較為模糊，如圖 1-b所示。但是從圖中仍然可以看出土壤含水量的高閾值區還是分布在圖中的西北角。當達到干旱條件時，在圖1-c中可見由本次降水過程所帶來的水分基本已被消耗，土壤含水量又恢復到最初的情況，其空間分布的遞變又比較清晰：高閾值的土壤含水量仍然處于圖中的西北角。

圖2-a，圖2-b和圖2-c表示在3種情況下SCG區的土壤含水量空間分布圖。在持續放牧條件下，圖2-a表示降水后土壤含水量的高閾值區域位于圖中西北角，并且基本呈現由此區域向四周擴散分布的現象。隨時間推移，羊群在試驗區進行采食，對試驗區域產生踩踏作用，出現了圖2-b所示的在中等條件下的分布情況，其中高閾值分布于圖中的西側和西南角。但值得注意的是盡管有放牧的影響，但是圖中西北角區域仍然是較高閾值的分布區。隨著時間的推移，在干旱條件下的分布如圖2-c所示，逐漸回歸到相對均一的分布，但其相對的高閾值分布并無圖2-a明顯。與圍封區域的3幅圖比較，在持續放牧條件下土壤含水量空間分布的穩定性并不非常明顯。

3 討論

在內蒙古地區土壤含水量受降雨的影響非常大，因而它決定了土壤含水量的基數，而隨著放牧強度的增大，土壤含水量基本都呈現一個逐漸降低的變化（Gan et al.，2012b169-174；Zhao et al.，2010）。SUG79比LUG79的土壤含水量要高，這主要是由于LUG79地表凋落物的覆蓋大于SUG79（Gan et al.，2012a）153-155，進而導致其土壤斥水性也高于SUG79（Reszkowska et al.，2011）185-187，最終減少了水分的入滲從而導致圍封區域大針茅土壤含水量要略高于羊草圍封區。但是經過冬季放牧后在生長季節進行休牧的輪牧區 LWG，上一生長季圍封所留下的枯草基本被羊群所食，利于水分的下滲；加之羊群的踩踏對土壤已經形成了一定的壓實作用，土壤中的大孔隙破碎，土壤間隙減小，因此在水分的保持上有一定優勢（Gan et al.，2012a）154-156，同時圍封區域植被較好，根部吸水量較多，從而出現比LUG79的土壤含水量要高的現象。同時SCG區土壤含水量高于圍封的SUG79區，主要歸咎于LCG區設定的適度放牧強度。這種放牧強度是由于羊蹄的踩踏減少了連續性的土壤孔隙，使得土壤水分的補給延遲或者減少，從而增加了土壤水分的保持能力（Zhang et al.，1996a；Zhang et al.，1996b）。該研究結果與Gan et al.（2012a）156-157研究內蒙古草原放牧對土壤水通量的影響結果是一致的。研究結果也暗示著在研究區域這類半干旱草原區，若設定一個合適的放牧強度如：1.2羊單位·a-1·hm-2，不僅能滿足放牧的需求，同時還可以保障土壤水分不至大量流失。因而在半干旱草原地區研究放牧強度的科學設定對于草原的科學管理是非常必要的。

5個試驗區的塊金方差明顯低于結構方差，這表明由土壤母質、氣候等非人為的區域因素所引起的空間變異在土壤含水量的空間變化中起主導作用（張仁陟等，1993）。在本研究區域土壤含水量對降水的反應非常強烈（Gan et al.，2012b）170-171，說明在土壤含水量的空間變化中，降水等非人為的區域因子起主要作用。在圍封區，土壤含水量空間分布由處于西北角的高閾值區分布過渡到如圖 1-b所示的較為模糊的分布，這可能是由于在圍封區內，地上干草覆蓋情況等的局部差異導致土壤水分流失速度的不同，而改變了局部土壤含水量的大小（Zhao et al.，2007）250-251。LUG79 3種水分條件下土壤含水量的高閾值分布區均位于圖中的西北角區域，并在3種狀態下這個位置的土壤含水量一直都保持著最高值，這與Zhao et al.（2007）251-252在該地區研究放牧強度對土壤物理屬性空間分布的研究結果一致。從這里可以看出在圍封條件下，土壤含水量的空間分布具有一定的穩定性，也就是說在一個區域中的某一位置上如果土壤含水量比較高，那么它將在較長一段時間內仍然保持著比較高的土壤含水量。

然而在放牧條件下，羊群在試驗區進行采食的行為是隨機的，即放牧對土壤含水量空間分布的影響也是隨機的。當降水剛發生后，羊群的踩踏并未影響到整個試驗區，因而土壤含水量的空間分布還保有濕潤條件下的分布輪廓，如圖2-b所示。但隨著時間的進一步推移，土壤含水量未得到補充，羊群的踩踏又遍及整個區域，因而對土壤含水量的影響也推及到整個區域，其空間分布逐漸回歸到相對均一狀態，如圖2-c所示。與圍封區域的3幅圖比較，在持續放牧條件下，其相對的高閾值分布不如圍封區明顯，關鍵在于有放牧的干擾存在，一定程度上改變了局部區域的土壤含水量大小，破壞了土壤含水量空間分布的穩定性（Zhao et al.，2007251-252；Anderson et al.，1987），正好印證了本文的假設，說明在一段時間內放牧對于土壤含水量空間分布的穩定性有一定的破壞作用。

4 結論

本文研究了不同放牧強度影響下羊草和大針茅兩種被覆蓋條件下土壤含水量干旱、中等和濕潤條件的大小以及空間結構的變化情況。土壤含水量具有非常強的空間相關性，在五個試驗區中，降水是引起土壤含水量變化的主要因素，是引起土壤含水量空間變異的關鍵因子，對土壤含水量的空間分布有決定性作用。在圍封區域大針的土壤含水量高于代表羊草的土壤含水量。土壤含水量的空間分布具有一定的穩定性，而放牧的干擾證明了本文的假設，在一段時間內放牧對于土壤含水量空間分布的穩定性有一定的破壞作用。過度放牧導致最小的土壤含水量。相較于圍封而言，適當的放牧強度能增強土壤對水分的保持能力，也意味著科學制定牧強度對于草原的持續發展是非常重要的。

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The Effect of Different Grazing Intensities on Spatial Distribution of Soil Water-under Leymus Chinensis and Stipa Grandis Grassland

GAN Lei1,2,3,4, MA Rui1, PENG Yangjian1, PENG Xinhua2, MO Chunmeng1, HORN RAINER4
1. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2. State Key Lab of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Nanjing 210008, China; 3. Institute of Plant Nutrition and Soil Science, Christian-Albrechts-University zu Kiel, Kiel 24118 Germany

The improper grazing manner led to soil deterioration in Inner Mongolia grassland. To understand the change of soil water content and its’ spatial distribution, 5 plots: Un-grazed since 1979 (LUG79), winter grazing (LWG) and heavy grazing (LHG) under Leymus Chinensis (L), and Un-grazed since 1979 (SUG79) and continuous grazing (SCG), under Stipa Grandis (S) Grassland were investigated by HH2 Moisture Meter. In each plot, a regular sampling grid which covered an area of 105m×135m and included 100 points was positioned by GPS. The results showed that precipitation is the key factor to change the magnitude and the spatial variability and distribution of soil water content in Inner Mongolia Grassland. Under Leymus Chinensis plots, soil water content was greater in LWG (0.29～0.05 cm3·cm-3) than LUG79 (0.24～0.03 cm3·cm-3), however the value was lowest in LHG (0.21～0.01 cm3·cm-3). Under Stipa Grandis the soil water content was greater in SCG (0.28～0.07 cm3·cm-3) than in SUG79 (0.27～0.05 cm3·cm-3). Comparing to un-grazing plots, SCG and LWG could increase the soil water content due to appropriate continuous grazing and winter grazing. In 2 un-grazing plots the soil water content was greater in SUG79 than in LUG79. The geostatistical analyst showed the Proportion for the spatial distribution of soil water content were over 97% in all plots but they were more stable in UG79 than other grazing plots, which indicated grazing destroyed the distribution at some extent.

grazing intensity; soil water content; spatial distribution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.003

X144；X171.1

A

1674-5906（2015）08-1274-06

甘磊，馬蕊，彭揚建，彭新華，莫春夢，Rainer Horn. 不同放牧強度下羊草和大針茅草原土壤含水量的空間變化[J]. 生態環境學報, 2015, 24(8): 1274-1279.

GAN Lei, MA Rui, PENG Yangjian, PENG Xinhua, MO Chunmeng, HORN RAINER. The Effect of Different Grazing Intensities on Spatial Distribution of Soil Water-under Leymus Chinensis and Stipa Grandis Grassland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1274-1279.

德國科學基金會（Forschergruppe 536）；國家重點基礎研究發展計劃（2013CB429902）；廣西礦冶與環境科學實驗中心和廣西高等學校高水平創新團隊及卓越學者計劃項目資助

甘磊（1983年生），男，博士，研究方向為草原土壤物理性質及土壤水熱運動模擬。Email: allen_gl2006@163.com *通信作者：彭新華（1972年生），男，研究員，博士，研究方向為土壤結構與水分動力學。Email: xhpeng@issas.ac.cn

2015-06-26