典型放牧強度及放牧制度對羊草土壤有機碳和全氮的影響

典型放牧強度及放牧制度對羊草土壤有機碳和全氮的影響

隨著世界各國的可持續(xù)和不斷的環(huán)境問題，生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)已成為研究的重點。草地生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體類型,約占陸地總面積的1/4~1/3,對氣候和環(huán)境的變化十分敏感。據(jù)估計,草地中貯存的碳總量約為266.3Pg,占陸地生態(tài)系統(tǒng)的12.7%,其中90%貯存在土壤中,且分解普遍較慢,草地作為CO2匯的作用十分明顯。我國草地表層土壤有機碳年變化量在不合理管理方式下對草地土壤有機碳的積累具有不利影響。放牧是人類活動作用于草原土壤的一項非常重要的干擾因素,過度放牧是影響草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有機碳含量的最主要因素,一方面由于牲畜采食減少了植物向土壤的碳素歸還量;另一方面,過度放牧由于其對土壤物理化學性質(zhì)的干擾將會加速土壤的呼吸作用,造成土壤有機碳的損失。因而探討不同放牧率與土壤有機碳之間的復雜關(guān)系,對于草原土壤碳貯存的研究具有重要意義。為此,研究典型草原不同放牧強度及不同放牧制度對土壤有機碳及全氮的影響,旨在為典型草地的放牧管理措施提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1優(yōu)勢種及放養(yǎng)梯度試驗地選擇在中國科學院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位站(錫林浩特,43°26′~44°08′N,116°04′~117°05′E)進行,該地區(qū)年均氣溫0.5~1.0℃,年均降水量350mm。土壤為栗沙土,pH值7.5~7.8,質(zhì)地以中細沙為主。試驗地主要植物群落類型為羊草Leymuschinensis+克氏針茅Stipakrylovi+糙隱子草Cleistogenessquarrosa,建群種為羊草,優(yōu)勢種為克氏針茅和糙隱子草,主要伴生種有苔草Carexsp.、艸洽草Koeleriacristata等,屬于典型草原。試驗地從2005年圍欄至今,放牧時間為每年的6月初開始,9月底結(jié)束,連續(xù)放牧;放牧牲畜為內(nèi)蒙古肥尾羊。放牧地采取3個放牧梯度,分別是輕牧(1.5只羊/hm2)、中牧(4.5只羊/hm2)、重牧(9.0只羊/hm2)以及圍封未放牧地作為對照。圍欄面積除輕牧樣地為4hm2外,其余樣地均為2hm2。放牧地分為兩部分,一部分為常年放牧地[分別表示為輕牧、中牧、重牧];一部分為混合放牧地,即一年割草一年放牧,輪流進行,每年8月底割草,留茬高度約5cm,相同放牧強度的2個圍欄挨著(分別表示為輕牧+割草、中牧+割草、重牧+割草),共計7個處理,每個處理有2個重復,共20個小區(qū)。1.2土樣取樣方法取樣時間為2009年7月,土壤樣品采用直徑為50mm的土鉆5點“S”形取樣,每個樣地設5次重復,每個重復內(nèi)隨機取5個點,每個地塊按0~5,5~10,10~20,20~30分4層進行取樣,同層混為一個土樣。人工撿除碎石、草根等,過1mm篩,自然風干后,裝入自封袋帶回實驗室。1.3學習方法土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化法,全氮(TN)采用凱氏定氮法。1.4處理數(shù)據(jù)利用Excel軟件處理基礎數(shù)據(jù),用SPSS16.0軟件對試驗結(jié)果進行方差分析和處理間多重比較。2結(jié)果與分析2.1中牧+割草土層深度特征從表1中土壤有機碳的平均值來看,常年放牧地:輕牧>重牧>中牧>圍封未放牧地;混合放牧地除“輕牧+割草”與“中牧+割草”在20~30cm土層深度表現(xiàn)出顯著性差異以外,各個放牧強度間差異均不顯著。土壤有機碳含量隨著土層的深度增加而下降,但放牧降低了下降的幅度,其中中牧強度下下降幅度最小。常年放牧地與混合放牧地相比較,除中牧地常年放牧土壤有機碳含量要小于混合放牧樣地,其他土壤有機碳含量均表現(xiàn)為常年放牧地>混合放牧地,且差異明顯。2.2全氮含量、放牧地、圍封不平衡的原則由表2可以看出,土壤全氮在不同的放牧梯度間及不同土層深度間的變化趨勢與土壤有機碳大體相同,全氮大體趨勢表現(xiàn)為輕牧>重牧>中牧>圍封未放牧地,而混合放牧地的變化趨勢比較復雜,相比較常年放牧地,混合放牧地的全氮含量要低,尤其在10~20cm,20~30cm土層深度二者的差異十分明顯。隨著土層深度的增加,土壤全氮含量降低。3重牧對土壤理化性質(zhì)的影響土壤有機質(zhì)(主要指土壤C素)是陸地生物圈生物地球化學循環(huán)的主要成分之一,是指示土壤健康的關(guān)鍵指標。據(jù)研究,內(nèi)蒙古錫林河流域羊草草原近40年來,由于過度放牧已使表層(0~20cm)土壤的碳貯量降低了12.4%。在草原生態(tài)系統(tǒng)中,有效性氮素是初級生產(chǎn)力首要的限制資源,也是決定系統(tǒng)物種組成的主要因子。放牧管理是草原管理的重要措施,放牧能影響草原生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分動態(tài)循環(huán)。有機質(zhì)的動態(tài)轉(zhuǎn)化過程十分復雜,受很多因素的影響,如氣候、植被、土壤和管理措施。放牧管理影響下草原碳循環(huán)和分布的生態(tài)過程沒有完全被認識,從已有的文獻中很難得出放牧管理與碳滯留量之間明確的關(guān)系。本試驗得出重牧條件下土壤的有機碳和全氮含量要比中牧地高,且放牧管理的樣地大多數(shù)情況下要比不放牧樣地的土壤碳氮含量高。高永恒等在研究不同放牧強度下高山草甸的碳氮格局時得出,隨著放牧強度的增加,不同程度地增加了土壤有機碳氮的貯量,均表現(xiàn)為:重牧>中牧>輕牧>圍封未地放牧,得到的結(jié)論是:短期的重牧對高山草甸的土壤碳氮貯存是有好處的。戎郁萍等研究不同放牧強度對草地土壤理化性質(zhì)的影響,得出隨著放牧強度的增強土壤的全氮含量增加,變化規(guī)律是重牧>中牧>輕牧。Schuman等在研究放牧制度影響土壤碳氮的研究中,采用連續(xù)12年的輕牧和重牧2種方式得到,0~60cm土層深度的總碳氮含量并沒有發(fā)生改變,但是0~30cm的根際土層的碳氮含量卻顯著地增加了,在影響碳含量的過程中,重牧地與輕牧地大體相同。Frank等利用13C技術(shù)研究了不同放牧率對土壤有機質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)與圍欄(1976年)相比,適牧樣地土壤有機質(zhì)有輕微降低,而重牧樣地土壤有機質(zhì)沒有下降,具體表現(xiàn)為土壤有機碳含量,30.4cm土層深度,重牧>圍欄>適牧;106.7cm土層深度,圍欄>重牧>適牧,這主要是因為重牧后沒有土壤侵蝕發(fā)生,而且植物組成發(fā)生了很大的變化,C4植物大大增加,這些C4植物有較淺的根系和較高的有機質(zhì)生產(chǎn)能力。本試驗中重牧地的有機碳含量相對于中牧地要高,可能就是由于糙隱子草這種C4植物的增多而引起的。原因是白永飛等在相同草原上調(diào)查草原物種組成和群落結(jié)構(gòu)對長期放牧的響應,得出在羊草草原牧壓梯度系列上,糙隱子草等C4多年生叢生禾草的相對多度隨牧壓增大均顯著增加。而輕牧土壤有機碳含量高可能是由于枯落物的作用導致的。本試驗發(fā)現(xiàn)重牧導致土壤有機碳增加,但也有研究