載畜率對荒漠草原小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分含量的影響

王梓晗， 呂世杰， 李治國， 韓國棟， 侯東杰， 崔媛媛， 孫海蓮， 王忠武 *

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特，010010； 2.內蒙古自治區農牧業科學院， 內蒙古 呼和浩特， 010010)

中圖分類號：S812文獻標識碼：A

文章編號：1007-0435(2023)02-0464-07

Effect of Stocking Rates on the Content of Available Nutrients in Adjacent Soil ofCaraganamicrophyllaPlants in Desert Steppe

WANG Zi-han1, LV Shi-jie1, LI Zhi-guo1, HAN Guo-dong1, HOU Dong-jie1, CUI Yuan-yuan1, SUN Hai-lian2, WANG Zhong-wu1*

(1.College of Grassland,Resources and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China; 2.Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Science, Hohhot, Inner Mongolia 010010, China)

Abstract:Grazing is the most important way for human beings to use grassland and significantly affects the physical and chemical properties of grassland soil.Caraganamicrophylla,as a leguminous shrub,its adjacent soil nutrient changes will have important effects on the structure and function of the graasland ecosystem. In order to study the effect of stocking rate on the nutrients content of the soil adjacent toCaraganamicrophyllain desert steppe,grazing experiments were carried out inStipabrevifloradesert steppe in Inner Mongolia. A total of four stocking rate treatments were conducted,namely the control-check (CK,0 sheep·hm-2·a-1),light-grazing (LG,0.93 sheep·hm-2·a-1),moderate-grazing (MG,1.82 sheep·hm-2·a-1) and heavy-grazing (HG,2.71 sheep·hm-2·a-1). In each treatment of the stocking rate,Caraganamicrophyllaplants with the same size were selected and the four points were setup adjacent to the plants in the directions of East,South,West and North for soil sampling. The contents of alkaline hydrolysis nitrogen,rapidly available phosphorus and rapidly available potassium of the soil were tested. The effect of stocking rate on the contents of soil nutrients in desert steppe was analyzed. The results showed that with the increase of stocking rate,the content of soil alkaline hydrolysis nitrogen first increased then decreased;the content of soil available phosphorus first decreased then increased;and the content of soil available potassium content had been in a downward state. In LG treatment,the rapidly available phosphorus content of soil around the equilibrium point between the alkaline hydrolysis nitrogen and the rapidly available potassium showed the lowest value. In MG treatment,the content of alkaline hydrolysis nitrogen corresponding to the equilibrium point between the rapidly available phosphorus and the rapidly available potassium of soil adjacent toCaraganamicrophyllaplants showed the highest value. The soil nutrients nearCaraganamicrophyllaplants vary with the change of stocking rate,which helps to improve the soil environment and optimize the resources management.

Keywords:Desert steppe,Soil available nutrients,Stocking rate,Caraganamicrophylla

荒漠草原是內蒙古中西部地區主要的草原類型，為重要的畜牧業生產基地，具有防風固沙、涵養水源、保持水土等生態功能[1]。放牧是天然草原利用的主要方式之一，由于人類的過度放牧和氣候變化等因素加劇了草原退化。土壤為植物的生長提供水分和營養物質，是植物生長發育過程中的關鍵因素。家畜采食、踐踏以及排泄物歸還會直接或者間接影響土壤養分的含量[2]。小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)是內蒙古草原中常見的落葉灌木之一，在內蒙古草原的分布范圍較廣。小葉錦雞兒耐旱、耐熱、耐沙埋，在防風固沙、水土保持中發揮重要作用，其嫩枝還可以作為優質飼草原料，具有重要的生態和經濟價值[3]。小葉錦雞兒較發達的根系能夠利用更深層的土壤水分，進而促進土壤養分的吸收。這使其比草本植物對水分和養分具有更強的競爭力，進而形成“沃島效應”。在干旱環境和放牧作用的影響下，短花針茅荒漠草原將向小葉錦雞兒灌叢化草原發展，使得小葉錦雞兒在荒漠草原上侵入、定居和擴展[4-5]。

放牧會導致土壤中速效鉀含量下降，造成土壤滲透能力的降低，加劇灌木競爭[6]。Abril等[7]的研究發現家畜通過對植物的采食和踐踏導致蓋度和生物量下降，繼而導致土壤中凋落物養分的輸入減少。王曉朦等[8]發現放牧會導致土壤全氮、全磷含量的降低。Xiong等[9]在高寒草甸研究表明放牧后土壤中氮的儲量明顯下降。關于小葉錦雞兒的土壤養分的影響已有文獻報道[10-11]，小葉錦雞兒在荒漠草原中生長主要受到磷含量的限制，荒漠草原降水量較少會降低小葉錦雞兒土壤黏粒含量和土壤分形維數，間接影響到小葉錦雞兒的土壤養分含量。閆寶龍等[12]發現灌木會存在明顯的距離效應和方位效應，并且灌木對土壤養分及微環境的影響主要表現在半徑0.5 m的范圍內。

土壤是草地生態系統的重要組成部分，其養分含量變化會影響植物的生長發育及群落構成[13-14]。土壤速效養分可為植物生長提供所必需的營養元素，其含量的高低是土壤肥力供應的衡量標準[15]。研究土壤速效養分含量及其比例關系，對解釋土壤養分循環利用有重要作用[16-17]。因此，認識和理解小葉錦雞兒鄰近土壤養分的變化對天然草原生態系統的影響有十分重要意義。目前，研究主要集中于人工種植小葉錦雞兒的飼用價值的影響[18-19]，對于載畜率與小葉錦雞兒土壤速效養分含量和方位效應的研究較少。本文通過取樣調查，研究不同載畜率下的小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分含量，探討載畜率對小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分的影響，為維持荒漠草原生態系統的穩定性和資源可持續利用提供重要的科學依據。

1 試驗研究內容與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于內蒙古自治區四子王旗的短花針茅荒漠草原(41°47′17″N，111°53′46″E)，屬于典型中溫帶大陸性氣候，春季干旱多風，夏季炎熱干燥，多年平均降水量在230 mm。土壤類型為淡栗鈣土。試驗樣地的主要建群種為短花針茅(Stipabreviflora)，主要優勢種是冷蒿(Artemisiafrigida)和無芒隱子草(Cleistogenessongorica)，常見植物有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、木地膚(Kochiaprostrata)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)和駝絨藜(Ceratoideslatens)。

1.2 試驗設計

該試驗為隨機區組設計，建于2004年，至今有18年的放牧實驗，各個試驗小區面積約為4.4 hm2，實驗共設置4個載畜率水平：對照處理CK(0羊單位·hm-2·a-1)、輕度放牧LG(0.93羊單位·hm-2·a-1)、中度放牧MG(1.82羊單位·hm-2·a-1)和重度放牧HG(2.71羊單位·hm-2·a-1)，每個處理3次重復，共計12個小區(如圖1所示)。放牧綿羊品種為蒙古羊，于每年6月至11月放牧，每日放牧時間為早晨6時放牧，傍晚18時歸牧，放牧期間羊自由采食。

圖1 試驗小區和區組示意圖Fig.1 Schematic diagram for experimental plots and blocks注：CK，對照Control check；LG，輕度放牧Light grazing；MG，中度放牧Moderate grazing；HG，重度放牧Heavy grazing

1.3 研究方法

本試驗于2017年8月進行取樣，在每個試驗小區隨機選擇大小相近的小葉錦雞兒各3株，以選定植株為中心，采用以0.25米為半徑的同心圓樣方法，分東、西、南、北四個方向，每個方向等距離中取土壤樣品3次，分別用內徑為2 cm土鉆鉆取0～10 cm的表層土壤，三鉆混樣(圖2)，帶回實驗室陰干，過1 mm土壤篩，從中挑出石礫和植物根系。將篩過的土壤用于測定土壤堿解氮(AHN)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)。采用堿解擴散法測定土壤堿解氮，碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，碳酸氫鈉浸提-火焰光度法測定土壤速效鉀[20]。

圖2 固定樣地取樣樣點分布情況Fig. 2 Distribution of sampling points in fixed sites注：1,2,3,4分別代表東、南、西、北四個方向，空心圓代表每個方向中土壤樣品的取樣點Note:1,2,3,4 represent the for directions of east,south,west and north respetiwely.Hollow circle represents the sampling point of soil samples in each direction

試驗結果使用SAS9.4軟件將2017年8月的小葉錦雞兒鄰近區域的土壤速效養分含量進行雙因素方差分析(調用GLM過程)，多重比較采用Duncan檢驗法，顯著性水平為0.05。將數據進行Kriging點插值計算后，使用Surfer 12.0軟件以熱圖的形式分析小葉錦雞兒鄰近區域的土壤速效養分含量在不同方位、不同載畜率下的變化規律。將養分數據標準化(0-1)處理后進行回歸分析，0-1規范化處理為了消除數據量綱和大小的差異，確保數據是在同一量綱或者同一數量級下進行比較，數值較大的數據不會占據較大的權重，將原始數據縮放到[0，1]區間內，公式如下：

式中，x為原始數據，xmax為原始數據中的最大值，xmin為原始數據的最小值，x′為原始數據標準化后的值。使用Sigmaplot 14.0軟件進行圖形繪制多重比較結果和回歸分析圖。

2 結果與分析

2.1 小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分含量的方差分析

小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量對載畜率和方位的影響如圖3所示。MG和HG處理下的堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05)，CK、LG處理下無顯著性差異。方位為南的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量要更高，方位為東和北的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量偏低。不同載畜率下的方位為南和西對堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05)，方位為東和北無顯著性差異。綜上所述，MG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量偏高，LG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量稍偏低。

圖3 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量Fig. 3 The content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates注：不同大寫字母表示不同方向下差異性顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示不同載畜率下差異性顯著(P<0.05)。下同Note:Different uppercase letters indicated significant difference in different directions (P<0.05),and different lowercase letters indicated significant difference in different stocking rates (P<0.05).The same as below

土壤速效磷含量對載畜率和方位的響應出現不同的變化如圖4所示。CK處理對速效磷含量有顯著性差異(P<0.05)。方位為北時，CK處理下速效磷值大，HG處理下值偏小。不同載畜率下，方位為南和北對速效磷含量有顯著性差異(P<0.05)，方位為東和西無顯著性差異。方位為南時，HG處理下速效磷含量的值偏高，MG處理下的值偏低。方位為北時，CK處理下的值偏高，HG處理下的值偏低。

小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量在不同方位和載畜率下總體呈現下降趨勢(圖5)。不同方位下的CK和MG處理對速效鉀含量有顯著性差異(P<0.05)，在LG和HG處理下無顯著性差異。CK和MG處理中小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量隨方位為東南西北呈現下降趨勢。不同載畜率下，方位為東和南對堿解氮含量有顯著性差異(P<0.05)，方位為西和北無顯著性差異。方位為東和南時，隨著載畜率增大，小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量呈下降趨勢(MG處理除外)。

圖4 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量Fig.4 The content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates

圖5 不同載畜率下小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量Fig.5 The content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants under different stocking rates

2.2 小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分的熱圖分析

由于小葉錦雞兒是固氮的豆科植物，其鄰近土壤堿解氮的變化相對復雜。隨著載畜率增大和方位變化，小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量呈現先下降后上升的趨勢(圖6)，表明小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量存在放牧效應和方位效應。在正南方向，載畜率為MG，該含量出現最大值。在LG處理下，不同方位的小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量變化較為平緩，說明方位影響著土壤堿解氮在小葉錦雞兒周圍的分配。在方位為東和北時，呈現兩處從內到外數值由小到大變化的閉合等高線，這是小范圍的斑塊。總體來看，不同方位下，隨載畜率增大，小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量的響應趨勢不同。

圖6 小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量的變化圖Fig.6 The variation of content of alkaline hydrolysis nitrogen of soil adjacent to Caragana microphylla plants

土壤速效磷含量隨著載畜率增大和方位變化均呈增大趨勢(圖7)，說明小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量存在放牧效應和方位效應。在LG處理區不同方位下土壤速效磷的含量較低。在正南方向，小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量在MG處理下呈現最小值。并且方位為東和方位為西的速效磷含量類似。方位為北的速效磷含量在CK處理下有最大值。總體來看，方位為北時土壤速效磷的含量最大，土壤速效磷含量隨載畜率增大而增大。

小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀隨載畜率增大呈先下降后上升趨勢，隨方位變化而減小(圖8)。說明小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量存在放牧效應和方位效應。可明顯看出，方位為東時，CK和MG處理的土壤速效鉀含量最高。在LG處理下，方位越偏北時其值含量越小，呈現出由中心到四周速效鉀含量變大的閉合曲線，說明在LG處理下的小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量對方位的響應較為敏感。相比較堿解氮和速效磷的變化，速效鉀含量的變化更為單一。

圖7 小葉錦雞兒鄰近土壤速效磷含量的變化圖Fig.7 The variation of content of rapidly available phosphorus of soil adjacent to Caragana microphylla plants

圖8 小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀含量的變化圖Fig.8 The variation of content of rapidly available potassium of soil adjacent to Caragana microphylla plants

2.3 小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分的回歸分析

小葉錦雞兒鄰近土壤速效鉀和載畜率呈線性負相關關系(P<0.05)，堿解氮、速效磷和載畜率呈一元二次關系(P<0.05)(圖9)。速效磷含量在載畜率為0.460時出現最小值，堿解氮在載畜率為0.776時出現最大值。堿解氮、速效磷和速效鉀的R2接近于1，說明回歸擬合效果較好，擬合的方程可以充分表示小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分和載畜率之間的關系。

在CK區(栽畜率為0)時，小葉錦雞兒鄰近的速效鉀含量最高，其次是速效磷，堿解氮的含量最低。土壤速效磷在LG區(栽畜率為0.343)時出現最小值；土壤速效鉀含量的下降和土壤速效磷含量的上升會促進土壤堿解氮含量的增大，土壤堿解氮在MG區(栽畜率為0.672)時含量最高。在HG區(栽畜率為1)時，小錦雞兒鄰近土壤養分中，堿解氮的含量最高，其次時速效磷和速效鉀。不同載畜率處理下，小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分均會呈現不同的響應規律。

3 討論

土壤速效養分狀況是反映土壤肥力的重要指標，可體現出土壤為植物生長提供養分的潛在能力，反映土壤質量情況。植物枯落物的腐解，根系分泌物及土壤動物和微生物的分解是其主要來源[21]。不同植物對土壤化學性狀的改善與環境條件有關，尤其在荒漠草原生態系統上，對外界環境的變化更加敏感，土壤養分會出現表聚效應[22]，土壤物質交換主要在表土中進行，植物的根系從深處吸取養分依靠土壤表層的根系調落物礦化釋放出的養分[23]。

土壤堿解氮含量反映了土壤的供氮水平，是表征土壤肥力質量的重要指標之一，有研究表明小葉錦雞兒會使得土壤中堿解氮的含量增加[24]，主要是因為小葉錦雞兒的氮元素主要來源于植物根瘤固氮，其作為豆科灌木，能夠固定空氣中的氮素，家畜的糞便是氮含量增加的主要途徑。孫宗玖等[25]在草甸草原研究的結果表明，放牧強度增加會使得堿解氮含量呈波動變化，并提出這可能是由于土壤堿解氮含量對放牧強度的響應具有一定的“滯后”性。小葉錦雞兒在不同的草地類型上的供氮能力不同，氮元素含量較少或者不能供應自身的生長需要時，其固氮能力也可能會受到氣候因素或其他因素的影響。

土壤速效磷是指能夠被植物體吸收利用的養分，以多種方式參與植物體內的生理過程，對提高植物的抗旱、抗寒有著良好的作用，如果缺乏速效磷，就會使植被發育受到影響[26]。土壤磷的來源主要包含有機質的輸入和母巖分化的補充[27]。在本試驗處理區為LG時，土壤速效磷的含量最低，適度放牧抑制了小葉錦雞兒對速效磷的吸收，增加放牧強度會加強對速效磷的吸收。土壤速效磷含量降低可能是由于土壤中磷素的微生物和非生物的固定作用下降所致。這與李浩等[28]在典型草原的研究結果相符。磷元素適宜于偏酸性的土壤環境，本研究區域的土壤呈堿性并且取樣時間為8月，溫度較高會使得土壤磷元素容易活化，這會大大減少對磷元素的固定。在中度放牧與重度放牧區中，牲畜為了自身生長的需要，通過采食植物的方式吸收養分,小葉錦雞兒的種群數量變少，使得這些養分歸還到臨近的土壤中。

土壤速效鉀含量影響著植物鉀元素營養的多少。在本研究中隨著載畜率增加，小葉錦雞兒臨近速效鉀的含量下降，可能是因為過度放牧條件下，家畜的采食和踐踏程度加劇，使速效鉀地上部分歸還量減少，CK區的土壤速效鉀更容易被小葉錦雞兒的根系吸收，有利于土壤速效鉀養分的循環利用。劉佳[29]的研究表明，隨放牧強度增加，荒漠草原主要植物種群的速效鉀含量減少，這與本研究的結果一致，說明重度放牧條件下土壤速效鉀流失較快。

對于土壤速效養分之間的關系的研究中，常帥等[30]在內蒙古錫林郭勒草原中發現，土壤堿解氮和速效磷呈極顯著的正相關關系，與速效鉀無明顯關系。在本研究中，方位為南且在LG處理下，小葉錦雞兒鄰近土壤堿解氮含量最高，而速效磷的含量最低。這可能是小葉錦雞兒作為灌木可抵抗風寒，南部的光照時間較長，導致溫度升高，相應的水分含量會下降，這些外界條件的影響會使得土壤堿解氮含量與速效磷含量呈現對抗的關系。小葉錦雞兒對其中心一定距離某點的影響并不一定在任何方向上的同一距離均有相同的作用，這與冠層物理效應的空間不對稱性有關，所以小葉錦雞兒對鄰近范圍的影響具有相對性[31]，即方位效應。太陽輻射和風是導致方位效應的主要物理因素，溫帶地區太陽輻射分布的不對稱性使灌木不對稱，從而導致微環境的變化而產生微環境相對溫和的方向和相對嚴酷的方向[32]。LG處理下，土壤堿解氮含量與速效鉀含量平衡，速效磷含量出現最低值。MG處理下，土壤速效磷和速效鉀含量平衡，堿解氮含量出現最高值。土壤中的氮能促進植物根系的生長，在植物根系生長的過程中會分泌出一些分子有機酸物質，這些物質在一定程度上促進了土壤磷素的活化作用，本研究中堿解氮和速效鉀含量呈正相關關系是在輕度放牧處理之后，可能是適度放牧使得土壤中養分含量的關系更為顯著[33]。載畜率對土壤速效鉀含量影響不明顯[12]，這可能和土壤中鉀元素的來源有關[34]。在不同草地類型下，土壤速效養分的變化也不盡相同，所以要結合當地的土壤類型情況具體分析。土壤作為植物養分的主要供應者，還需長時間野外觀測與調查，進而深入研究小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分的變化情況，對內蒙古短花針茅荒漠草原可持續發展有重要的指示意義。

4 結論

荒漠草原小葉錦雞兒鄰近土壤速效養分含量隨載畜率和方位變化而變化。在LG區且方位為南時，小葉錦雞兒旁的土壤堿解氮含量較高，土壤速效磷含量較低。方位為東時，小葉錦雞兒旁的土壤速效鉀含量均比其他方位的含量高。隨載畜率增大，土壤堿解氮含量先升高后降低，速效磷含量先下降后上升，速效鉀含量一直處于下降狀態。