不同放牧强度下西藏高山嵩草草甸土壤养分的变化

苏振声，孙永芳，付娟娟，褚希彤，许岳飞，呼天明

(西北农林科技大学 动物科技学院，陕西 杨凌712100)

西藏草地主要以高寒草甸为主，总面积为6.37万hm2，其中可利用面积为5.88 万hm2。西藏高寒草甸既是重要的生态保护屏障，又是当地农牧民的基本生产资料，具有多重功能和效益［1-2］。高寒草甸风蚀化程度低、土层薄、粗骨性强，加之高原气候寒冷，土层下部为冻土层，地表在反复冻融过程中容易出现龟裂和草皮剥落而形成裸地，在大风吹蚀下产生沙漠化［1］。西藏草甸大多分布在高海拔地区，近年来，由于受自然气候和人类活动的影响，西藏高寒草甸土壤退化严重，其主要原因是气候变迁、极度脆弱的生态环境、过度放牧以及草地管理制度的不完善等［2］，草地植被盖度减少了80%左右，近30%的草地出现了严重退化，草地鼠、虫等自然灾害频频发生，毒草滋生蔓延，畜牧业经济效益下滑，草原生态屏障和水源涵养功能正在逐步减弱和丧失［3］。

高寒草甸的形成是一个长期复杂的过程，其发育成的草毡寒冻雏形土有机质含量较高，是碳素的巨大储备库。高寒土壤随季节冻融变化和昼夜融冻交替变化明显，土壤中微生物活动比较弱，以致死亡根系和枯枝落叶难以分解，长期积累于土壤表层，形成根系盘根错结的草毡表层，物质风化程度弱，土壤有机物质和全量养分含量丰富［4］。植物赖以生存的氮、磷、钾元素主要由土壤提供，家畜的采食对土壤有机质，氮、磷、钾元素影响大。家畜在采食过程中，除了践踏草地影响土壤物理结构外，还通过畜体本身的采食活动和对营养物质的转化，进一步影响草地的营养物质循环，从而使高寒草甸土壤的化学组成发生变化。通常情况下，高寒草甸土壤的化学变化和物理变化相互影响，而过度放牧使这种影响更加剧烈，造成草地急剧退化，土壤严重沙化［5］。本研究主要分析放牧对土壤养分的影响，揭示不同放牧梯度与土壤养分之间的内在联系，旨在为合理放牧和有效保护西藏高寒草甸提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区自然概况

试验地建立在西藏自治区林芝地区工布江达县加兴乡松多三村邦杰塘野外试验站(29°87' N，93°38' E)，海拔高度为4 450 m，年平均气温3. 8℃，1 月最冷，平均气温为－10.5 ℃，7 月最热，平均气温为9.3 ℃，该地区属典型高原温带半湿润气候，植物生长期为120 d 左右，年降水量为550 mm，主要集中在6 －9 月，全年日照时间为2 016 h，无绝对无霜期，土壤类型为高山草甸，草地类型为高山嵩草草甸。草地植被主要有高山嵩草(Kobresia pygmaea)、西藏羊茅(Festuca walli)、高原唐松草(Thalictrum cultratum)、西藏粉报春(Primula puilio)、紫花针茅(Stipa purpurea)、高山大戟(Euphorbia stracheyi)、高山点地梅(Amdrodace gmelinii)、高山红景天(Rhodiola rosea)、马先蒿(Pedicularis reaupinanta)、肉果草(Lancea tibetica)、条裂银莲花(Anemone trullidolia)、高山委陵菜(Potentilla polyschista)、火绒草(Leomtopidium alpinum)、独一味(Lamiophlomis rotate)等植物。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2010 年5 月至2012 年9 在西藏邦杰塘野外建立试验站，设定试验样地，用网围栏分割各样地，放牧家畜为西藏牦牛(Bos grunniens)，性别为雌性，体重(100 ±5)kg，年龄均为48 月龄，连续进行3 年的试验，本文以第3 年数据为主，前两年数据为参考。根据试验地上的平均生物量、家畜体重和草地面积以及放牧时间等因素来确定放牧牦牛的头数(放牧强度)，即对照零放牧(NG)、适度放牧(MG)、延迟+适度放牧(DMG)、延迟+重度放牧(DHG)、重度放牧(HG)，5 个处理，每处理3 个重复，共15 个样地，随机排列。适度放牧和重度放牧开始时间为6 月初，至9 月初结束放牧;而延迟+适度放牧和延迟+重度放牧开始时间为7 月初，9 月初结束放牧(表1)。

1.2.2 取样 2012 年9 月前测定试验数据(放牧结束)。按照对角线取样法，在每个试验小区内选定3 个具有代表性固定样点取样，在每个样点上随机选取5 个样方，在每个样方内分层采集0－10、10 －20 和20－30 cm 的土壤，将土壤样品带回实验室自然风干，分别用0.2 和1.0 mm 的筛子筛后留用。按照鲍士旦［6］的方法，测定土壤中有机质(重铬酸钾容量法)、pH 值(1/2.5 土水比、电位法测定)、全氮(凯氏法消解，AA3 连续流动分析仪测定)、全钾(NaOH熔融、火焰光度法)、全磷(H2SO4-HClO4消解，硫酸钼锑抗比色法)、速效氮(1.0 mol·L－1KCL 浸提，AA3 连续流动分析仪测定)、速效钾(1.0 mol·L－1NH4OAc 浸提、火焰光度法)、速效磷(0.5 mol·L－1NaHCO3浸提，硫酸钼锑抗比色法)。

表1 放牧试验设计Table 1 Design of grazing test

1.3 统计分析

试验数据的统计分析用SPSS 15.0 统计软件，用One-way ANOVA 进行单因素方差分析，对显著差异的使用Duncan’s 法对平均值进行多重比较分析，统计图形在Sigmaplot 10.0 软件中绘制。

2 结果

2.1 不同放牧强度对土壤全氮、全磷、全钾的影响

放牧强度从弱到强依次为零放牧、延迟+适度放牧、适度放牧、延迟+重度放牧和重度放牧，0 －10 cm 土壤全氮含量，延迟+重度放牧和重度放牧下的全氮含量显著小于对照(零放牧)下全氮含量(P ＜0.05)，其他各放牧下全氮含量变化与对照差异不显著(P ＞0.05);在10 －20 cm 土壤中，在延迟+重度放牧和重度放牧下全氮含量差异不显著，但均显著低于其他放牧强度下全氮的含量，其他各放牧强度下全氮含量与对照没有显著差异;随着放牧强度增加，在20 －30 cm 土壤中，除延迟+重度放牧下全氮含量增加，与对照之间没有显著差异，其他各放牧强度下全氮含量显著减少(P ＜0.05)(图1)。在0－10 cm 土壤中，重度放牧下全磷含量显著低于对照，其他不同的放牧强度下全磷变化差异不显著(P＞0.05);在10 －20 cm 土壤中，延迟+适度放牧下全磷含量显著高于对照，重度放牧时显著低于对照，适度放牧和延迟+重度放牧下与对照差异不显著;在20 －30 cm 土壤中，随着放牧强度的增加，全磷没有显著变化。在0 －10 cm 土壤中，全钾含量随着放牧强度的增加升高后减少，除延迟+重度放牧外各放牧强度下全钾含量均显著高于对照;10 －20 cm土壤中，各放牧强度下全钾含量均显著高于对照，延迟+适度放牧、适度放牧、延迟+重度放牧下全钾含量差异不显著;20 －30 cm 土壤中，适度放牧下全钾含量显著高于对照。

2.2 不同放牧强度对土壤速效氮、速效磷、速效钾的影响

在0 －10 cm 土壤中，适度放牧下速效氮的含量与对照之间没有差异(P ＞0.05)，其他各放牧强度下速效氮含量显著低于对照(P ＜0.05);在10 －20 cm 土壤中，速效氮整体呈现减少局势，但延迟+重度放牧与对照没有差异(P ＞0.05);在20 －30 cm土壤中，除适度放牧下速效氮与对照没有显著差异外，其他各放牧强度下速效氮含量均显著低于对照(图2)。在0 －10 cm 土壤中，随放牧强度增加，速效磷含量先减少后增加，重度放牧下速效磷含量显著高于对照(P ＜0.05);在10 －20 cm 土壤中，延迟+适度放牧、延迟+重度放牧的速效磷含量差异不显著，但均显著低于对照和其他放牧强度下速效磷的含量，其他各放牧强度下与对照差异不显著;在20 －30 cm 土壤中，适度和重度放牧下速效磷的含量显著高于对照。随放牧强度增加，在0 －10 cm 土壤中，适度放牧速效钾含量略高于对照(P ＞0.05)，重度放牧强度下速效钾含量显著低于对照;在10 －20 cm 土壤中，重度放牧速效钾含量显著低于对照，其他各放牧强度下速效钾含量差异不显著;在20 －30 cm 土壤中，随放牧强度增加，速效钾含量先增加后减少，延迟+适度放牧时速效钾含量显著高于对照，其他各放牧强度下速效钾含量显著低于对照。

2.3 不同放牧强度对土壤有机质的影响

0 －10 cm 土壤中有机质含量随着放牧强度增加而降低，在不同的放牧强度下土壤有机质含量变化差异显著(P ＜0.05)，且均显著低于对照，延迟+重度放牧和重度放牧时，有机质含量低于其他各放牧强度下有机质含量;10 －30 cm 土壤有机质含量随放牧强度的增加而减少，各放牧强度下土壤有机质含量均显著低于对照(图3)。

2.4 不同放牧强度对土壤pH 值的影响

土壤呈酸性，pH 值小于6.2，随着土壤深度的增加pH 值也相应升高。在0 －30 cm 土壤中，不同的放牧强度对土壤pH 值没有显著影响(P ＞0.05)(图4)，可能与土壤微生物的活动、有机质的合成与分解、土壤保持养分的能力以及土壤重金属元素的存在形态更密切。

图1 不同放牧强度对土壤全氮、全磷和全钾含量的影响Fig.1 Effects of grazing intensity on contents of soil total nitrogen，total phosphorus and total potassium

图2 不同放牧强度对土壤速效氮、速效磷和速效钾含量的影响Fig.2 Effects of grazing intensity on content of soil available nitrogen，available phosphorus and available potassium

图3 不同放牧强度对土壤有机质的影响Fig.3 Effects of grazing intensity on content of soil organic matter

图4 不同放牧强度对土壤PH 值的影响Fig.4 Effects of grazing intensity on soil p H

3 讨论

高寒草甸生态系统有着独特的生物地球化学过程，拥有丰富的碳储量，其中，大约90%的碳储存在土壤中［7］，而土壤中氮素、磷素和有机质等是土壤主要的养分指标。植物为土壤提供大量的有机物质，经过土壤中微生物的活动，有机质逐渐转化为土壤腐殖质，供植物生长需要。土壤有机质不仅可以提高土壤含水量、团聚体和土壤结构，还可以增加土壤养分的供应能力和土壤阳离子交换能力［8］。西藏高原气候寒冷，昼夜温差大，土壤微生物活动弱，土壤中有机体分解缓慢，家畜放牧活动成为改变土壤碳素最主要的因素之一。本研究表明，土壤有机质含量随着放牧强度的增加而降低，短期放牧直接影响着0 －10 cm 土壤中的有机质含量，长期放牧可以影响到10 －30 cm 深层土壤中有机质含量。究其原因可能是，在草地生态循环过程中，重度放牧强度显著影响着土壤有机质的含量，家畜通过采食使植物枯枝落叶量减少，降低草地生态系统中碳的含量［9］，也降低了草地的生产力，导致土壤中碳的输入量下降;另一原因可能是放牧活动践踏等使土壤本身发生变化，植物在进行不断补偿性生长过程中，吸收了大量的土壤养分，从而影响了土壤有机质的含量。

氮、磷元素对土壤有着重要影响，对土壤的物理结构维持和改善尤为重要［10］。众多学者对青藏高原草甸植被系统的研究表明，在植物生长期间，放牧可以提高土壤硝态氮和氨态氮含量，加速土壤的硝化反应［11］。本研究表明，随着放牧强度增加，土壤中全氮含量减少。可能是随着放牧强度增加，草地植被减少，牧草吸收无机氮量逐渐减少，土壤中有机质可溶性物质增加，为土壤微生物的生命活动提供了大量富含碳、氮基团的物质，从而促进了氮素矿化［12］，导致土壤中全氮含量的减少。在0 －30 cm土壤中，不同放牧强度对土壤全磷含量的影响较小，可能是由于西藏高原高寒草甸土壤中磷含量少，高寒土壤中磷含量主要受气候环境、土壤类型等因素的影响。土壤中钾在土壤、牧草和家畜之间构成循环系统，家畜通过牧草摄入的钾，除20%左右通过粪便返回草地外，大约80%都是通过尿液返回草地［13］。本研究表明，土壤全钾含量除10 －20 cm 土层外随着放牧强度的增加先增加后减少，但均高于对照。主要原因是，钾本身很容易从土壤胶体上被代换出来，而钾化合物一般不挥发，在水中溶解度比较高。随着放牧强度的增加，土壤中全钾含量增加，是由于家畜粪便为土壤提供大量钾，在高强放牧中，家畜粪便提供给土壤钾含量超过了土壤提供给植被生长时钾的含量，从而导致土壤中钾的含量增加［14-16］。

土壤速效养分动态变化反映着土壤实际的供肥能力［17］。速效养分的质量分数与土壤的温度、湿度、含水量，尤其是与土壤中微生物活动关系紧密［18］。本研究表明，土壤中速效氮含量除10 －20 cm 土层外随着放牧强度的增加而降低，这是因为随着放牧强度的增加，家畜对草地采食量明显增加，植物在不断地进行补偿性生长时，对速效氮的需求也随之增大。速效磷的变化没有定律，20 －30 cm 土层，适度放牧时速效磷的含量高于对照，但表层土壤(0 －10 cm)中，速效磷含量却显著低于对照。这主要是因为在适度放牧强度下，家畜反复采食刺激了牧草再生，导致表层土壤速效磷含量减少，引起深层土壤全磷各组分向速效磷转移量增加［19］。本研究表明，随着放牧强度的增加，土壤中特别是表层土壤速效钾的含量除0 －10 cm土层外，其他土层先增加后降低，其主要原因是牲畜排泄的粪便中钾的含量大，随着放牧强度的增加，牧地单位面积家畜数量多，粪便排泄量大，草地钾含量也相应增加［14-15］。

4 结论

随着放牧强度的增加，西藏高寒草甸土壤有机质含量减少;延迟+适度放牧和适度放牧能够提高土壤中全磷、全钾含量，也能缓解其他养分的减少;重度放牧降低土壤全氮、速效氮、速效钾含量。超载放牧是造成高寒土壤养分减少和草地退化的主要原因，延迟+适度放牧和适度放牧可以维持土壤养分，保护草地生态平衡，防止高寒草地进一步退化。

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