不同放牧強度對貴州人工草地土壤養分及活性有機碳的影響

舒健虹，蔡一鳴，丁磊磊，王普昶，李小冬

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不同放牧強度對貴州人工草地土壤養分及活性有機碳的影響

舒健虹，蔡一鳴，丁磊磊，王普昶，李小冬*

貴州省農業科學院草業研究所, 貴陽 550006

研究不同放牧強度下人工草地土壤養分以及有機碳含量的變化, 為在西南喀斯特地區建植與檢測人工草地提供參考。在貴州省獨山縣貴州省草業研究所試驗示范基地, 以2012年10月11日建植的多年生黑麥草: 高羊茅: 鴨茅: 白三葉: 紫花苜蓿=3.5: 2: 2: 1: 1.5的人工草地0.33 ha, 設置禁牧(圍欄封育)、中度、重度3個處理, 于2015年10月13日開始放牧, 61 d后測定不同放牧強度下人工草地土壤營養元素與活性有機碳含量。研究結果表明, 放牧顯著影響pH值、有機質以及氮、磷、鉀等營養元素的含量。土壤有機質含量與pH值在中度放牧的0—10 cm土層中最高, 土壤總氮和堿解氮含量隨著放牧強度增強而上升, 磷元素與鉀元素的含量隨著放牧強度增強而下降。土壤有機碳、微生物碳及易氧化碳的含量都隨著放牧強度增加而降低, 并且它們兩兩顯著相關。在貴州喀斯特地區建植人工草地與維護人工草地可適當補充磷肥與鉀肥, 在草場質量檢測中微生物碳和易氧化碳的含量可以作為土壤質量監測的早期指標。

喀斯特地區; 人工草地; 營養元素; 有機碳; 微生物碳; 易氧化碳

1 前言

大氣中二氧化碳濃度升高與人類的活動存在密切聯系, 其中土地利用方式的變化是主要因素之一[1]。在陸地生態系統中, 對碳循環影響較大的生態系統包括森林、草地、濕地等; 其中森林是最大的碳庫, 對其研究也已經比較深入, 而對于草地碳循環的研究還比較少。草地生態系統占陸地生態系統碳素總儲量的15.2%, 是陸地生態系統的重要組成部分[2]。中國草地主要分為北方溫帶草原、青藏高原高寒草地以及南方熱帶亞熱帶草山草坡3個主要區域, 由于南方雨熱同期, 光照降水豐富等特點, 草地資源與森林、農田交錯分布, 針對森林和農田生態系統, 許多學者已經開展了土壤有機碳采樣方法、小生境碳含量估算、人工修復林土壤碳循環以及土壤表層碳含量分布等相關研究[3–7]。目前針對草地碳循環的研究主要集中在青藏高原的高寒草地[8–9]和蒙古高原的溫帶草原[10-12]。對于南方草山草坡, 特別是南方喀斯特地區的人工混播草地的碳循環研究還比較少。本試驗以貴州省獨山縣貴州草業所放牧實驗基地建植的混播草地為典型研究區域, 測定不同放牧強度下土壤基本養分、易氧化碳、微生物碳以及有機碳含量, 定量地分析了不同放牧強度對人工混播草地土壤碳含量的影響, 旨在為貴州喀斯特地區人工草地建植、草地資源可持續利用和適度放牧的決策研究提供參考依據。

2 材料與方法

2.1 研究區域概況

本研究在貴州省草業研究所獨山放牧實驗基地的圍欄放牧試驗區進行, 該區位于貴州省黔南州獨山縣麻萬鎮, 地處北緯25°34′?東經107°37′, 海拔950—1017 m, 該區氣候為副熱帶東亞大陸季風氣候區(亞熱帶高原季風濕潤氣候), 四季分明, 溫差較小, 年均降水量在1100—1300 mm, 空氣濕度為80%?年0 ℃以上積溫為5302 ℃, 10 ℃以上積溫為4538 ℃。極端低溫為–8 ℃, 極端高溫為34 ℃, 年均溫度為15.0 ℃。無霜期為272 d, 年均日照約為1336.7 h, 平均溫度4.3 ℃, 雨熱同期, 干濕季節明顯, 土壤類型為紅壤。人工草地建植以多年生黑麥草: 高羊茅: 鴨茅: 白三葉: 紫花苜蓿=3.5: 2: 2: 1: 1.5比例混播, 水城高羊茅(cv Shuicheng)和DG05鴨茅(L. cv.QiancaoNO.4)為貴州省草業研究所育成, 尼普頓多年生黑麥草(L.cv.Nipton)、白三葉(L.)和紫花苜蓿(為百綠公司提供, 2013年3月建成后劃分圍欄進行分區, 禁牧小區720 m2, 中度放牧小區1720 m2, 重度放牧小區720 m2。

2.2 試驗設計

本試驗采用系牧法、輪牧制, 設計禁牧(圍欄封育)?中度放牧和重度放牧3個放牧強度處理。試驗前選擇牧草生長較一致的人工草地, 休牧50 d, 選取6只重量相同的半細毛羊做定點放牧試驗。中度放牧: 系牧繩長6 m, 放牧時間3 d, 輪牧點5個, 輪牧周期15 d, 試驗60 d期間, 輪牧頻率4次; 重度放牧: 系牧繩長2 m, 輪牧點5個, 輪牧周期15 d, 試驗60 d期間, 輪牧頻率4次。在2015年10月13日開始進行放牧實驗, 放牧60 d后進行取樣調查, 每個定點放牧試驗小區設置5個1 m×1 m草本樣方, 挖開土壤坡面, 分別取0—10 cm, 10—20 cm土層土壤, 測定土壤易氧化碳、微生物碳以及有機碳等。土壤理化性質的測定采用直徑為7 cm的土壤環刀采樣?詳細實驗設計見表1。

表1 不同放牧強度實驗方案設計

2.3 測定方法

根據實驗設計分層取樣, 每層采樣點為9個, 將每點的每層樣品混勻, 清除樣品中的石塊及雜物, 輕輕碾碎過2 mm篩, 混勻。將土壤樣分成兩部分: 一部分自然風干碾壓成粉末, 用孔徑為0.25 mm分樣篩篩去粗大顆粒(主要為小石子), 研磨過篩后將樣品充分混合后進行養分與碳含量測定, 全氮: GB7173－87土壤全氮測定法, 土壤有機質: 油浴加熱生鉻酸鉀氧化－容量法, pH值: 稱10 g過篩的風干土樣于25 mL的三角瓶中, 加入10 mL蒸餾水混勻, 靜止30 min, 用pH計(雷磁pHs-3c)測定懸液的PH值, 全磷: 氫氧化鈉熔融－抗比色法, 速效磷: 0.5 M NaHCO3浸提－鉬銻抗比色法, 堿解氮: 堿解擴散法, 用重鉻酸鉀氧化－外加熱法[13]測定土壤有機碳含量, 土壤易氧化碳采用高錳酸鉀氧化－比色法測定。另一部分放于4℃下冷藏保存, 用于水溶性有機碳和微生物量碳測定, 水溶性有機碳采用TOC有機碳分析儀(島津, 日本)測定, 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法[14]。

2.4 數據分析

實驗數據采用SPSS 13.0和Excel 2010進行分析, 樣品差異顯著性分析采用測驗,<0.05被認為是差異顯著, 作圖采用Excel 2010與PowerPoint 2010。

3 結果與分析

3.1 不同放牧強度對土壤養分的影響

在貴州喀斯特地區, 石漠化程度較深, 許多山區土層厚度在20 cm以內, 我們重點分析了0—10 cm, 10—20 cm土壤養分以及碳氮含量的變化。在禁牧(對照)、中度放牧與重度放牧3種條件下, 0—10 cm土壤有機質含量在放牧條件下比禁牧會提高, 在中牧水平下最高, 重牧次之(<0.05)。放牧條件下, 10—20 cm土壤有機質含量也顯著高于對照, 依次為重牧>中牧>禁牧(<0.05, 圖1A)。0—10 cm土壤pH值在中牧條件下比對照升高, 而重牧與禁牧之間差異不顯著, 10—20 cm土壤pH值在中牧與重牧條件下都顯著高于禁牧(<0.05), 但在中牧與重牧之間差異不顯著(圖1B)。土壤全氮含量在中度放牧下顯著高于禁牧對照(<0.05), 而在重度放牧下全氮含量與禁牧差異不顯著(>0.05)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧、中度放牧與禁牧之間全氮含量差異不顯著, 但均顯著低于0—10 cm土壤全氮的含量(圖1C)。土壤全磷含量隨著放牧強度增加, 土壤有機磷含量呈下降的趨勢, 其中中度放牧與重度放牧顯著低于禁牧(<0.05), 而在重度放牧下全磷含量與中度放牧含量差異不顯著(>0.05)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧、中度放牧土壤全磷含量都顯著比禁牧低(<0.05, 圖1D), 依次為禁牧>中牧>重牧, 中牧與重牧間差異不顯著。0—10 cm土壤堿解氮的含量在中牧與重牧條件顯著比禁牧高, 依次為重牧>中牧>禁牧(<0.05, 圖1E)。在10—20 cm土壤中, 重牧比禁牧堿解氮含量顯著升高, 而中牧與禁牧之間差異不顯著(圖1E)。在0—10 cm土壤中, 放牧條件下土壤速效磷含量顯著下降(<0.05, 圖1E), 依次為禁牧>中牧>重牧, 中牧與重牧間差異不顯著。在10—20 cm土壤中, 土壤速效磷含量的變化趨勢與0—10 cm相同, 但3者之間差異不顯著(>0.05, 圖1E)。在0—10 cm土壤中, 中牧條件以及重牧條件下, 土壤速效鉀含量顯著低于禁牧條件(<0.05, 圖1G), 依次為禁牧>中牧>重牧, 但中牧與禁牧之間差異不顯著(圖1G)。在10—20 cm土壤中, 土壤速效鉀含量的變化趨勢與0—10 cm變化趨勢相同(圖1G)。

3.2 不同放牧強度對土壤有機碳的影響

土壤有機碳是土壤質量和草地健康的重要指標, 對草地土壤肥力和草地生產力有直接影響, 草地生態系統土壤有機碳含量主要受土壤利用方式和管理策略的影響。從平均土壤有機碳含量水平來看, 放牧強度增加會顯著降低土壤有機碳含量, 但是在不同土層深度表現不一致(表1)。在0—10 cm土壤中, 重度放牧土壤有機碳顯著低于中度放牧以及禁牧(<0.05), 中度放牧與禁牧的土壤有機碳含量沒有顯著差異(>0.05, 表2)。在10—20 cm土壤中, 重度放牧與中度放牧土壤有機碳含量均顯著低于禁牧水平(<0.05), 但他們兩者之間沒有顯著差異(>0.05, 表2)。

3.3 不同放牧強度對土壤微生物碳的影響

土壤微生物碳的含量見表3, 與土壤有機碳的變化趨勢類似, 從平均值來看, 放牧降低了土壤微生物碳含量, 但中度放牧與禁牧之間差異不顯著, 重度放牧顯著低于禁牧和中度放牧的土壤微生物碳含量。與有機碳的變化不同, 土壤微生物碳含量的下降主要發生在0—10 cm的重度放牧土壤中, 而在10—20 cm的土壤中, 三種放牧條件沒有顯著差異(表3)。

圖1 不同放牧強度下人工草地土壤養分的變化, 同一土層不同字母表示p值在0.05水平上差異顯著.

表2 不同放牧梯度下土壤有機碳含量的變化

同一土層深度不同字母表示在值在0.05水平上差異顯著.

表3 不同放牧梯度下土壤微生物碳含量的變化

同一土層深度不同字母表示在值在0.05水平上差異顯著.

3.4 不同放牧強度對土壤易氧化碳的影響

土壤易氧化碳的含量反應土壤能釋放有效肥力的多少, 在不同放牧條件下土壤易氧化碳的含量見表4, 土壤易氧化碳的變化趨勢與有機碳以及微生物碳的趨勢基本相同, 其平均含量隨著放牧強度的增加而顯著下降, 依次為禁牧>中牧>重牧。這種差異主要集中表現在0—10 cm的土層中, 中度放牧比禁牧條件下土壤易氧化碳的含量下降20.60%, 而重度放牧比禁牧條件下土壤易氧化碳含量下降48.77%。在10—20 cm土壤中, 易氧化碳含量雖然有下降趨勢, 但在不同放牧條件下差異不顯著。重度放牧10—20 cm土壤易氧化碳含量比中度放牧條件下要高, 但差異不顯著(表4)。

3.5 土壤有機碳與土壤有機物含量相關性分析

從圖2可以看出, 土壤總有機碳與易氧化碳及微生物碳含量兩兩之間均呈現極顯著相關。這一方面說明土壤活性碳很大程度上依賴于總有機碳含量, 另一方面也說明各活性碳之間相互作用密切, 它們雖然表述和測定方法不同, 但各自從不同角度表征了土壤中活性較高部分的碳的含量。

4 討論

放牧顯著影響草地植物營養成分, 進而影響草地生態系統營養循環[15]。而放牧的草食動物通過采食以及排泄對草地土壤養分有重要影響。它們吸收攝入營養物質和礦物質, 經代謝后將約60—99%的營養物質和礦物質又以糞便和尿的形式返回到土壤中[16]。我們研究發現草地有機質與總氮元素等含量在放牧條件下要高于禁牧, 在中度放牧下最高(圖1), 說明中度放牧條件下動物排泄對草地補充效應要強于草地生長對營養物質的消耗, 并且在10—20 cm土層有著類似的變化趨勢(圖1), 說明表層土壤營養富集后能緩慢往深層土壤沉積。草地速效氮含量的變化受草地類型的影響較大, 在貴州人工草地條件下, 0—10 cm土層的速效氮含量與放牧強度呈正相關(圖1), 這可能與動物排泄物中多為有機肥能長久穩定釋放氮元素, 類似的研究在北美與國內都有報道[16-19]。但也有不一樣的研究結論, 姚愛興等[20]研究發現不同放牧強度下的多年生黑麥草和白三葉草地土壤全氮含量隨著放牧強度的增加而增加, 速效氮則隨著放牧強度的增加而減少。而速效氮在10—20 cm土層變化不顯著, 可能與建植草地以須根系植物為主, 植物對營養元素的吸收主要從表層土壤中獲得, 速效氮從表層往深層擴散與植物吸收之間達到一種平衡。因此, 速效氮含量的變化主要由草地植被類型與土層因素決定。

表4 不同放牧梯度下土壤易氧化碳含量的變化

同一土層深度不同字母表示在值在0.05水平上差異顯著.

圖2 土壤有機碳、微生物碳以及易氧化碳含量的相關性分析

放牧對土壤磷含量的變化更加復雜, 目前普遍認為放牧降低全磷以及速效磷的含量。Bauer等[18]、董全民等[21]、關世英等[22]以及戎郁萍[19]等在不同的草地中都發現土壤全磷以及速效磷含量隨著放牧強度的增加呈下降趨勢。但也有不同的研究結果, 裴海昆[23]等發現放牧和未放牧的土壤磷含量沒有顯著性差異。我們發現總磷和速效磷含量隨著放牧強度增大而顯著下降(圖1), 這除了受放牧影響外, 還可能與貴州獨特的石灰質土壤環境有關, 土壤中可利用的磷元素十分匱乏, 而且喀斯特地區土壤富含鈣離子與鐵離子, 游離的磷酸根離子極易與鈣、鐵離子形成難溶沉淀。

放牧對土壤鉀離子含量的影響趨勢比較一致, 鉀離子含量隨著放牧強度增加而降低, 我們的研究結果也證明這一結論(圖1)。鉀元素在植物中主要分布在代謝旺盛的新生組織, 如芽點、嫩葉以及生長點等, 而這些組織往往優先被動物采食; 同時植物對鉀元素吸收具有奢侈性吸收的特點, 因此過度放牧會進一步降低草地鉀元素含量。因此, 放牧降低草地土壤鉀元素的含量可能與植物與鉀元素的特點有關, 而與草地類型沒有關系, 因為在荒漠草原[24]、高寒草甸[23]以及東北平原[25]的草地研究中都有類似報道。總之, 在本研究中, 我們發現在適度放牧條件下, 土壤有機質、全氮與全磷含量會升高, 在適度放牧的條件下的0—10 cm土壤中的效果最明顯, 在重度放牧條件下以及10—20 cm的土壤中土壤養分的富集效果較差(圖1)。而能夠被植物直接利用的堿解氮、速效磷以及速效鉀含量在不同放牧條件下呈現顯著差異。其中, 堿解氮含量隨著放牧強度增大而升高, 速效磷與速效鉀的含量隨著放牧強度增高而降低。這種變化與多數前人結果的變化趨勢基本一致, 其中微小差異可能與西南喀斯特獨特土壤類型與人工混播草種類型有關。

土壤pH值也隨著放牧強度增加而升高。0—10 cm土壤pH值變化在適度放牧條件下顯著升高, 并且在放牧條件下的10—20 cm的土壤pH值也顯著高于對照(圖1)。類似的結果在前人的研究中也有報道, 王玉輝等[26]研究發現羊草草原土壤pH隨放牧強度的增加而逐漸增加, 可能是放牧家畜的采食和踐踏導致地表蓋度降低,土壤水分蒸發加大, 可溶性鹽類隨毛管水上升積累于地表, 導致土壤pH值增加。

土壤有機碳含量與地上凋落物、植物地上地下物質分配、根系深度和根生物量緊密相關。在我們的結果中, 土壤有機碳含量隨著放牧強度增強以及土層深度增加而減小(表1), 前人研究也發現了相同的變化趨勢, 并且這種差異主要表現在0—30 cm土壤表層[27]。因為在草地生態系統中, 枯落物和植被根系主要集中在0—40 cm土層[28]。在貴州喀斯特地區土層瘠薄, 適度放牧強度下0—10 cm土層有機碳與禁牧沒有顯著變化, 而在強度放牧條件下其顯著下降, 10—20 cm土層中, 適度和強度放牧條件下土壤有機質含量都顯著下降, 這種現象可能是由于0—10 cm土層由于由植物凋謝物補充在適度放牧條件下能夠基本維持平衡, 而植物根系能夠生長并吸收到10—20 cm土層中養分及有機物等, 相對淺層次土層能夠快速得到補充, 深層次土壤有機物的平衡可能需要更長的時間, 短期受放牧的影響更大。對一個多年監測的放牧與禁牧草地對比發現圍封草地深層次土壤有機碳的含量增高[29]。

在荒漠草原上, 土壤微生物碳受放牧影響較大, 禁牧能顯著增高土壤微生物碳[29], 這可能與北方土壤與氣候條件有關。在貴州喀斯特人工草地, 適度放牧對土壤微生物碳的影響不大, 而重度放牧顯著降低草地微生物碳含量, 在西南溫暖潮濕的氣候環境中, 微生物碳受放牧的影響程度可能較北方小。易氧化碳是土壤中不穩定、易被微生物酶氧化的有機碳, 其含量也受土層深度以及放牧強度的影響, 并且年度間變化差異也極其顯著[30], 通常能夠更加靈敏的反應土壤肥力和理化性質的變化[31]。在我們研究中發現, 易氧化碳受放牧強度的影響比微生物碳更加敏感。并且土壤有機碳、微生物碳以及易氧化碳的含量兩兩顯著相關(圖2), 在西南喀斯特地區以易氧化碳結合微生物碳作為土壤質量變化的重要早期評判指標可能比只用微生物碳的效果更好。

5 結論

西南喀斯特山區人工草地土壤有機質與氮元素在適度放牧條件下增高, 重度放牧也約高于禁牧。土壤磷元素與鉀元素的含量以及土壤有機碳、微生物碳與易氧化碳的含量隨著放牧強度增加而減少, 因此, 建議在貴州喀斯特地區建植人工草地與維護人工草地可適當補充磷肥與鉀肥。土壤易氧化碳含量變化對放牧強度相應更迅速, 可以和微生物碳含量一起作為土壤肥力與土壤質量變化的早期評判標準。

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Effect of different grazing intensities on soil nutrient and active organic carbon in Guizhou artificial grassland

SHU Jianhong, CAI Yiming, DING Leilei, WANG Puchang, LI Xiaodong*

Institute of Prataculture, Guizhou Academy of Agriculture Science, Guiyang 550006, China

It aimed to study the changes of soil nutrients and organic carbon content under different grazing intensity in the artificial grassland of Guizhou, which could be useful for building and evaluating the artificial grassland in the southwest karst area. The experiment was carried out in the Guizhou Institute of Prataculture Experimental and Exemplary Bases, Dushan County, Guizhou province, China. 5 acres of artificial grassland was built on October 11, 2012, planted with lolium perenne, tall fescue, orchardgrass, white clover and alfalfa with a proportion of 3.5: 2: 2: 1: 1.5. We set three different levels of no grazing, moderate grazing and severe grazing. The herding experiment was started on October 13, 2015, and last for 61 days. After grazing, soil nutrients and active organic carbon content were determined. Grazing significantly affected organic matter, pH value and the content of nitrogen, phosphorus, potassium concentration. The highest soil organic matter content and pH value were detected in 0 to 10 cm soil layer after moderate grazing. Soil total nitrogen and alkaline hydrolysis nitrogen concentration increased by the enhancement of the grazing intensity; while phosphorus and potassium concentration decreased with the enhancement of grazing intensity. Soil organic carbon, microbial carbon and easy oxidative carbon concentration were reduced by the increase of grazing intensity; moreover, they each were significantly correlated. Phosphate fertilizer and potash fertilizer should be appropriately added in the artificial grassland in the karst region of Guizhou province. Microbial carbon and easy oxidative carbon concentration can be used as an early indicator of soil quality monitoring parameters in the grassland in Guizhou province.

karst area; artificial grassland; nutrient elements; organic carbon; microbial carbon; easy oxidative carbon

S8-05

A

1008-8873(2018)01-042-07

2016-06-27;

2018-02-06

貴州省基金項目（黔科合[2013]2153號）；貴州省農科院專項（黔農科院專項 [2013]003號）；貴州省農科院專項（黔農科院專項[2014]004 號）;貴州省農科院專項（黔農科院專項[2016]032號）.

舒健虹（1972—），女，壯族，貴州獨山人，高級農藝師，主要從事牧草資源研究與草地管理。E-mail:gzsjhong@126.com

李小冬（1984—），男，漢族，湖南邵陽人，副研究員，博士，主要從事牧草育種與草地生態研究。E-mail:lixiaodongzl@163.com

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.01.006

舒健虹, 蔡一鳴, 丁磊磊, 等. 不同放牧強度對貴州人工草地土壤養分及活性有機碳的影響[J]. 生態科學, 2018, 37(1): 42-48.

SHU Jianhong, CAI Yiming, DING Leilei, et al. Different grazing intensities affect soil nutrient and active organic carbon in Guizhou artificial grassland[J]. Ecological Science, 2018, 37(1): 42-48.