羊粪归还对荒漠草原表层土壤碳氮的影响

王 兴，宋乃平，，杨新国，肖绪培，杨明秀

（1.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏 银川750021；2.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川750021）

自由放牧条件下荒漠草原草地土壤养分动态变化受到多种因素的影响：一方面在一定放牧强度范围内，家畜排泄物养分归还作用增加，从而推动草地养分循环过程［1－2］；另一方面，家畜选择性采食改变草地群落结构，过度采食践踏甚至引起植被和土壤退化［3－4］。受制于放牧强度和草地自身条件等因素的影响，放牧既可以改善土壤养分条件［5－9］，也可以使之进一步恶化［3，10－12］。因此，放牧对土壤养分含量的影响是一个正向和负向作用综合驱动的复杂过程，是否存在一个最适放牧强度范围，协调养分有效归还与表土践踏损失的关系，值得深入研究。自由放牧情况下，家畜排泄物归还作用不可忽视［13］，由于家畜的长期选择性活动行为，以地表排泄物量为标志，在草地内部会形成一定的相对放牧强度的明显空间分异。为此，我们以排泄物梯度模拟放牧强度，开展放牧对“家畜—土壤系统”养分归还作用的影响的研究，深入认识“家畜—土壤系统”养分归还的一般规律，为荒漠草原自由退化放牧草地的生态恢复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

1.2 样地设置

在盐池县皖记沟村选取一围栏放牧草地作为试验样地，草地基质环境条件相似，均为沙质土壤，植被类型为灌草结合，面积约52hm2。试验地放牧时间为全年夜间18：00到次日5：00，近3a的草地载牧量大致为160～200只羊，造成地表枯落物和立枯较少。放牧羊群每天从围栏口进入草地取食，由于夜间放牧时羊只根据气味辨别草情，游走线路短，一旦吃饱就会返回围栏口。因此，导致地表排泄粪便从围栏口向草地中心呈自然辐射状梯度分布。通过实地调查访问，根据羊只采食时间及区域范围，地表羊粪量的变化及植被特征（表1）等，沿围栏口到草场内部方向，按照地表羊粪量多少划分6个羊粪量梯度：距围栏口620.25m样地为对照梯度（CK），羊粪量平均为1.41g／m2；梯度 T1距围栏口392.6m，羊粪量平均为14.94g／m2；梯度T2距围栏口233.09m，羊粪量平均为74.58g／m2；梯度T3距围栏口75.66m，羊粪量平均为233.46g／m2；梯度T4距围栏口29.43m，羊粪量平均为638.48g／m2；梯度T5在围栏口附近，羊粪量平均为1 581.68g／m2。

表1 不同羊粪量梯度的植被特征

1.3 羊粪收集和土样采取

2012年5月，分别在6个羊粪量梯度上随机选取5个1m×1m样方，每个样方间隔15m，共计30个样方。每一个样方中人工捡拾地表羊粪，过筛清除土壤中的羊粪。用套筒长10cm，直径9cm的土钻钻取0—5cm土样，将所有羊粪和土样装入塑封袋，编号带回实验室。

1.4 样品测定

羊粪在自然条件下风干，称重。土壤样品风干后过1mm筛，采用重铬酸钾法测定土壤有机碳（SOC），凯氏定氮法测定土壤全氮（STP）［14］。

1.5 数据分析与建模

基础数据处理和作图利用Excel软件，运用SAS 8.2进行方差分析，用于不同羊粪密度下各指标间的比较和差异显著性检验（p＝0.01）。采用SPSS 17.0的Bivariate Correlation分析法对地表不同羊粪密度与土壤有机碳（SOC）及全氮（STP）的相关性进行分析，选择最佳估测模型，同时利用Excel软件分别对地表不同羊粪密度与土壤表层有机碳和全氮含量进行拟合，建立有机碳和全氮含量估测回归方程。

要把凝结着中华民族传统文化的文物保护好、管理好，必须坚持马克思主义的科学观点。 习近平表示：“保护和发展实际上并不是对立面，我们用马克思主义科学的方法对待文化遗产，将保护与开发有机结合起来，实现文化效益与经济效益和社会效益的统一。”[7]19 文化遗产保护也能够体现出马克思主义矛盾观点和辩证否定的观点。

2 结果与分析

2.1 不同羊粪密度对表层土壤有机碳的影响

从表2可知，0—5cm土壤有机碳含量由小到大顺序为T1＜CK＜T3＜T2＜T4＜T5。方差分析表明，表层0—5cm土壤有机碳含量，在不同羊粪量梯度CK，T1，T2，T3间无显著差异（p＞0.05），但均显著小于 T4，T5（p＜0.05）；T4，T5间差异显著（p＜0.05）。整体上看，土壤有机碳随地表羊粪量增加而增加，羊粪积累量在T4梯度水平上，对土壤有机碳归还效应显著。T4，T5梯度土壤有机碳含量分别为4.19，6.96g／kg，分别是其他几个梯度的2，3倍左右。从养分归还过程看，在CK到T3梯度羊粪密度范围内，表层土壤有机碳含量相对稳定，土壤有机碳的差异和积累效应均不明显，与羊粪密度的相关性也较差。也就是说，T1—T3梯度的羊粪密度对土壤有机碳的归还很容易受其他因素干扰。这可能是由于土壤具有一定的缓冲作用，同时植被和土壤生物等因素也可能对土壤有机碳的收支平衡起到重要作用。T4梯度，土壤有机碳开始显著增长，羊粪归还作用对土壤有机碳积累效应凸显；同时放牧干扰下，草地受多种生态因子共同作用，羊粪输入与表层土壤有机碳变化并非一个简单的线性关系，有可能存在一种临界变化。以羊粪量作为自变量建立模型，拟合函数自变量系数的数量级较大。因此，为了简化模拟函数，并且不影响模拟函数的实质意义，用羊粪量对数lnf为自变量X，土壤有机碳含量作为因变量Y，进行回归分析，估测最优模型为二次函数（图1）。羊粪量对土壤有机碳含量的影响存在明显的转折点，有机碳含量在T4梯度显著增加。

图1 羊粪量对数与土壤有机碳含量关系

2.2 不同羊粪量对表层土壤全氮的影响

由表2可知，表层土壤全氮含量由小到大顺序大体为CK＜T1＜ T3＜ T2＜ T4＜ T5。方差分析表明，T1，T2，T3梯度0—5cm的土壤全氮含量无显著差异（p＞0.05），显著高于CK（p＜0.05）。T4，T5显著高于CK，T1，T2，T3（p＜0.05）。整体上看，表层土壤全氮含量随地表羊粪量的增加而增加。当羊粪积累量达到T1，T4梯度时显著提高土壤氮含量。T1梯度土壤全氮含量为0.29g／kg，相对于CK梯度提高了2倍，T4，T5梯度土壤全氮含量分别为0.43和0.64g／kg，是CK梯度的4和6倍，是T1—T3梯度的1.4和2.2倍。说明羊粪对荒漠草原土壤氮的影响程度高于土壤有机碳，T1—T5梯度土壤全氮含量变化与有机碳变化相似，说明土壤有机碳与全氮演变可能存在一定的耦合关系。与有机碳变化相类似，全氮与羊粪的对应变化也表现出一种非线性趋势，并出现出一种更为复杂的阶梯状跃变特征，这种特征很可能与羊只尿液的输入有关，具体影响需要进一步实验验证。以羊粪量对数lnf为自变量X，土壤全氮含量作为因变量Y进行回归分析，估测最优模型为二次函数（图2）。羊粪量对土壤全氮含量的影响存在明显的转折点，土壤全氮含量在T1，T4梯度显著增加。

表2 不同羊粪积累量梯度土壤碳氮比

图2 羊粪积累量对数与土壤全氮含量关系

2.3 土壤C／N

由表2可知，土壤C／N在7.0～15.1，多数分布在7.5左右，且随着羊粪密度的增加呈先降低后升高趋势。方差分析表明，0—5cm表层土壤C／N在CK梯度均显著高于其他5个梯度（p＜0.05），主要由于此梯度氮素含量最低，碳氮元素相对丰度差异较大。T1，T2，T3，T4梯度间C／N差异不显著（p＞0.05），说明地表不同的羊粪积累量对土壤C／N没有显著影响，这4个梯度上，植被生物量和盖度相对较高（表1），植物需要从土壤中获取充足的资源，从而调节了土壤碳氮的相对丰度。T5梯度土壤C／N显著高于T1—T4梯度（p＜0.05），植被生物量和盖度降低（表1），土壤碳氮大量盈余，很可能使得碳氮相对丰度平衡破坏。从整体上看，土壤C／N比分别在T1，T4梯度出现转折。

3 讨论

（1）羊粪归还对表层土壤碳氮的影响。土壤有机碳能够衡量土壤的健康状况，是陆地生物圈地球化学循环的主要成分之一［15］，土壤中的氮素对于草地初级生产力起到至关重要的作用［16］。放牧是荒漠草原区主要土地利用方式之一，家畜的采食及对营养物质的转化影响草地土壤养分循环［17］，其排泄物增加了草地养分库，通过践踏、风蚀、淋溶等作用，排泄物中养分归还到土壤。

已有研究表明，家畜排泄物作为一种有机肥可以直接增加土壤中的有机质［18－20］，但是野外条件下羊粪归还量与土壤有机碳含量间可能并非一种简单的线性关系。从本试验回归分析可知，表层土壤有机碳、全氮与地表羊粪积累量的关系式分别为：

式中：Y1——土壤有机碳（g／kg）；Y2——全氮含量（g／kg）；X——地表羊粪量对数。

拟合的一元二次方程显示，地表羊粪对土壤有机碳和全氮的归还存在明显的转折点，羊粪积累量在较高水平时显著影响表层土壤有机碳含量。同时，相对有机碳，地表羊粪量增加可以更为快速提高土壤全氮含量，这与王蓓等［7］的研究结果相似。羊粪积累量在T1梯度水平时，对土壤全氮归还作用开始显现；在T4梯度水平时，对于土壤氮素归还作用显著增强。这表明放牧干扰情况下，羊粪归还作用不是简单的增加土壤养分含量，而是当某种因素积累到一定程度产生激发效应才使得土壤养分含量发生显著的改变。本试验中T4梯度土壤有机碳、全氮均显著提高，一方面，主要与其距离羊圈位置较近有关，羊圈周围羊粪大量积累，其归还作用使得土壤养分在草场局部形成较大的碳氮储存库［21］；另一方面，家畜粪便中养分释放到土壤中的最主要方式是转化为溶解态，再经淋溶渗漏进入土壤［22－23］。在干旱区，羊粪中养分充分释放到土壤中的主要控制因素是适宜的水分含量和环境温度［13］，研究区干旱少雨，地表羊粪量覆盖一定程度上可以保持土壤水分含量，这很可能使得高密度羊粪覆盖条件下，养分输入量远远大于损失量，对土壤碳氮的归还作用也较明显。同时，T4梯度植被盖度开始下降（表1），这可能使得地表温度升高，更加有利于羊粪中养分的释放。土壤中有机碳的积累与有机肥的量有密切关系［24－25］，CK—T3梯度土壤有机碳没有显著增加，除了可能与水分和温度有关外，还可能是因为地表羊粪归还对土壤中有机碳的积累效应还未显现。与有机碳不同，土壤全氮在T1梯度出现转折点很可能是因为家畜尿液的影响，因为氮素是家畜尿液的主要成分；同时土壤全氮与有机碳之间存在一定的耦合关系，即有机碳的输入一定程度促使土壤氮素积累［26］。

（2）羊粪归还与表层土壤碳氮比的关系。在羊粪的归还作用下，土壤碳氮比呈现先下降后上升趋势。并且，在C／N比变化过程中，出现两个比较明显的转折点：T1和T4梯度。CK—T1梯度，土壤碳氮比呈下降趋势，主要是在此梯度范围内，地表羊粪归还作用对于有机碳归还作用不显著，但是，对于土壤全氮归还作用显著提高。T1—T5梯度，随着羊粪积累量的增加，对于土壤有机碳和全氮的归还作用均显著增强，土壤碳氮比呈逐渐上升趋势。相对第一转折点，第二转折点土壤有机碳和全氮分别提高了2.02和1.30倍。所以，土壤碳氮比的变化本质在于碳素和氮素提高程度不同，导致两种元素相对丰度发生改变。

土壤碳氮比变化往往与微生物有着密切的关系。本试验得出土壤碳氮比在CK梯度显著高于其他5个梯度，很可能是由于羊粪积累量大于1.41g／m2时，输入土壤有机质的数量发生改变，对土壤微生物特性和有机碳矿化作用产生显著影响。尤其是在本研究区域，草原土壤沙化，土壤养分相对贫瘠，羊粪作为有机肥归还到草原，很可能改善了微生物活性，使得土壤有机碳矿化作用加强，有机质分解加快，土壤碳氮比下降。就T1—T5梯度分析，土壤碳氮比逐渐升高，并且在T4梯度显著升高，这可能与土壤湿度和温度的变化有关。也有研究发现，在一定的放牧强度下，随着放牧率的增加，土壤小型动物、微生物数量总体下降，土壤有机质分解程度降低，碳素大量积累，碳氮比升高。这说明放牧干扰能够对土壤微生物产生负效应，同时，家畜的排泄物的输入又可以减缓这种负效应。放牧导致土壤碳氮比变化除了与2种元素自身增减程度差异有关外，很可能与放牧对微生物生物学性状的正负交互影响有关。

4 结论

放牧对家畜—土壤系统养分归还影响具有累积效应，主要表现为：当地表羊粪积累量在较低水平时，对土壤全氮归还作用开始显现；羊粪积累量在较高水平时，对土壤有机碳及全氮归还作用均显著增强。随着地表羊粪量的增加，土壤C／N比呈现明显的先降低后升高趋势。目前研究放牧对草地土壤的影响多集于某一单因素影响机制层面，从生态系统角度研究草地对放牧响应较少。因此，从长远来看，进一步的研究需要将家畜排泄物、微生物、植被等多种因素有机结合，从更深层次阐述放牧干扰对草地影响的机制。

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