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不同放牧强度下高寒草甸植被特征和土壤养分变化研究王向涛图
第18卷第4期Vol.18No.4
草地学报
ACTAAGRESTIASINICA
2010年7月Jul.2010
不同放牧强度下高寒草甸植被特征和土壤养分变化研究
王向涛1,2,张世虎2,陈懂懂2,谈嫣蓉2,孙大帅2,杜国祯1,2*
(1.兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州730020;2.兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃兰州730000
摘要:
放牧作为最主要的生物干扰因子之一,影响着草地生态系统植被和土壤的生态进程。
在自然放牧条件下,通过不同放牧强度的比较试验,对高寒草甸土壤营养成分及地上群落特征进行分析,为制定合理的放牧强度提供理论依据。
结果表明:
随着放牧强度加大,地上总生物量、物种丰富度在封育样地最高,在重牧样地最低,而封育、轻牧、中牧样地香浓-威纳多样性指数并没有显著的差异;禾草和莎草的地上生物量和总盖度在中牧条件下最高。
与轻牧、中牧和封育样地相比,重牧样地的杂草有较高的地上生物量和总盖度;5月份土壤含水量随放牧强度增加而减少,7月份、9月份则相反;封育、轻牧、重牧样地的土壤容重显著低于中牧样地(P<0.05;在整个生长季节,重牧样地的pH值明显高于其他3个处理,而封育﹑轻牧﹑中牧3个样地pH值没有显著差异;在整个生长季节,封育、轻牧、中牧、重牧4个样地土壤有机碳含量随着放牧强度的增加而趋于下降,其中封育、轻牧、中牧3样地土壤有机碳含量都显著高于重牧样地(P<0.05;土壤的全氮含量在各放牧样地里并没有显著变化,而土壤氨态氮、硝态氮则在植物整个生长季节随着放牧强度的加大而增加;在整个生长季节里全磷含量最大值都出现在中牧样地里,速效磷含量表现出了和全磷一致的结果。
因此,适度放牧是保护生物多样性,维持土壤养分以及提高草地生产力的有效途径;当高寒草甸由于退化导致生物量锐减,生物多样性丧失等严重后果时,围栏可以作为有效的恢复手段。
关键词:
高寒草甸;放牧强度;功能类群;土壤理化性质;植物多样性
中图分类号:
S812.2文献标识码:
A文章编号:
1007-0435(201004-0510-07
TheEffectsofNaturalGrazingIntensityonPlantCommunity
andSoilNutrientsinAlpineMeadow
WANGXiang-tao1,2,ZHANGSh-ihu2,CHENDong-dong2,
TANYan-rong2,SUNDa-shuai2,DUGuo-zhen1,2*
(1.CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou,GansuProvince730020,China;
2.KeyLaboratoryofAridandGrasslandEcologyofMinistryofEducation,LanzhouUniversity,Lanzhou,GansuProvince730000,ChinaAbstract:
Grazingissignificantfactorimpactingtheecologicalprocessesofgrasslandecosystems.Thisstudywasconductedtoinvestigatetheeffectsofnaturalgrazingintensityonplantcommunityandsoilnu-trientsinalpinemeadow.Usingcomparativeexperiments,researchwasinitiatedunderdifferentgrazingintensitiestoprovideatheoreticalbasisfordefiningthereasonablestockingrateofalpinemeadow.Ourre-sultsshowedthat:
Bothabove-groundbiomassandspeciesrichnessofplantcommunitywerethehighestinfencingthanthatinlightandmoderategrazing,andtheleastinheavygrazingtreatment;Shannon-Wienerdiversityindexwasnotsignificantlydifferentamongfencing,lightandmoderategrazing;theabove-groundbiomassandcoverofpalatableherbages(grassesandsedgeswasreducedwithgrazingintensityincreasing,whiletheforbsinheavygrazingtreatmenthadhigherabove-groundbiomassthanthatinfenc-
ing,lightandmoderategrazing;overthreegrowingstages,soilmoisturedecreasedwithgrazingintensityenhancinginMay,butincreasedinJulyandSeptember;thesoilbulkdensityinmoderategrazingwassig-nificantlylowerthanthatinotherthreegrazingtreatment(P<0.05;thepHvaluewasthehighest(pH7.31inheavygrazingandwasnotsignificantlydifferentamongfencing,lightandmoderategrazingtreat-ment;soilorganiccarbonwasreducedwithincreasinggrazingintensityinplantgrowingstages;soiltotalnitrogenwasnotsignificantdifferentamonglight,moderateandheavygrazingtreatment.However,soilammonium-Nandnitrate-Nincreasedalongtheincreasingofgrazingintensitiesoverthewholeplantgrow-ingstages;soilavailablephosphorussharedthesametrendastotalphosphorusthattheyhadthehighestvalueundermoderategrazing.Ourresultsuggestedthatthemoderategrazingwaseffectivewaytoprotectbiodiversityandimprovegrasslandproductivity,whilefencingisbeneficialforrecoveringofthedegradedalpinemeadow.
收稿日期:
2009-10-12;修回日期:
2010-05-13
基金项目:
国家自然科学基金重点工程研究项目(9020200资助
作者简介:
王向涛(1983-,男,河南开封市人,硕士研究生,研究方向为草地生态学,E-mail:
869713936@qq.com;*通讯作者Authorforcorrespondence,E-mail:
guozdu@lzu.edu.cn
第4期王向涛等:
不同放牧强度下高寒草甸植被特征和土壤养分变化研究
Keywords:
Alpinemeadow;Grazingintensity;Functionclassgroup;Soilphysicalandchemicalproperty;Plantdiversity
放牧强度作为草地生态系统的一个重要生物干扰因素,明显影响地上植物群落和地下营养水平[1]。
前人研究表明,放牧对地上生物量存在负影响[2],但也有研究表明放牧能提高植物的生产力,中度放牧条件下表现最为突出[3]。
牲畜通过采食、粪便和践踏等方式影响土壤理化特性,如牲畜的啃食与践踏,使土壤表层紧实度加大,造成土壤容重的增加[4]。
放牧对土壤有机质及其矿化过程有间接的影响,会导致土壤中有机质损失从而引起土壤团聚体的破坏[5]。
此外,不合理的放牧引起大量碳释放到大气中[6]。
在不同的植被类型和土壤养分库下,放牧强度对草地生态系统的影响也明显存在差异[7]。
青藏高原占地250万,是全球最高和最/年轻0的高原[8]。
自20世纪80年代以来,覆盖青藏高原面积37%的高寒草甸原生植被退化,群落中物种丰富度下降,饲用价值变劣,产草量和载畜量变低。
草地的严重退化,导致环境进一步恶化,土壤裸露,蓄水保肥能力减弱,水土流失加剧,并将向/黑土滩0和沙漠化方向发展[9]。
这对草地生态、草地生产力以及畜牧业的发展造成的破坏远远超过雪、旱灾的危害。
要保护青藏高原的生态,治理退化草地,需要充分了解不同放牧强度干扰下,草地生态系统中植物群落和土壤营养水平变化的生态学过程和特征。
因此,研究放牧强度对高寒草甸植被和土壤的影响对于保护青藏高原高寒草甸生态系统具有积极意义。
本研究通过对不同放牧强度下高寒草甸土壤有机碳、全氮、全磷、速效氮、速效磷等营养成分的测定,以及对地上部分群落特征进行分析,以探寻高寒草甸土壤养分随放牧强度的变化规律及地上群落的演替规律。
并且,筛选出放牧条件下变化最敏感的土壤养分指标以及植被群落变化最显著的特征,为青藏高原高寒草甸生态系统的保护和利用提供必要的科学依据。
1材料与方法
1.1研究区域
实验地点位于兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站玛曲分站(34b30cN,101b53cE,海拔3500m左右;年均气温为1.2e,月气温从1月的-10e到7月的11.7e;年降水量约为620mm,属高寒湿润区;年日照时数约2580h,年平均霜日大于270d;主体土壤类型为亚高山草甸土,土壤呈有机质及全量养分丰富而速效养分贫乏的特点;植被类型是以莎草科的线叶嵩草(Kobresiacapillifolia、禾本科的羊茅(Festucaovina、波伐早熟禾(Poapoophagorum、剪股颖(Agrostismatsumurae、菊科的瑞苓草(Saussureanigrescens为优势种和毛茛科的钝裂银莲花(Anemoneobtusiloba为常见种,并伴有其他杂草的典型高寒草甸。
主要是多年生草本,仅有少数一年生植物。
实验地坡度约为3b。
1.2研究方法
1.2.1野外调查及取样放牧强度和水源点有密切的关系,一般离水源点越远,放牧强度越低。
许多关于放牧强度对草地影响的研究普遍采用空间上不同草地的退化程度来代替在时间上的退化序列[10]。
本试验样地选在玛曲分站附近的一个水源点,以此点为中心周边3000m的距离内,第1样点居中心2400~2800m作为轻度放牧(LG;第2样点选在居中心1400~1800m作为中度放牧(MG;第3样点选在居中心点200~400m作为重度放牧(HG;居中心2800~3000m有一围栏样点(F,从1999年10月份开始围栏保护。
2008年选取地形、土壤条件基本一致,不同放牧强度下的草场作为样地。
每个样地的布局都相同,即20m@20m的正方形样地,按随机取样的方法选定5个具有代表性的固定样点,在5个固定样点上分别取3钻土,共计15个土样。
取土深度为地下15cm,钻口内径为3.8cm,清除草根和小石头之后,分别装入塑料袋,迅速带回实验室并在4e以下冷藏,部分样品用来测定土壤含水量,其他样品在室内自然风干,过2mm筛,待测。
取样时间为2008年的5、7、9月,共计3次。
在植物生长季节临近结束,8月份下旬地上生物量已至最高,从样地内分别随机选择5个样方(50cm@50cm进行植物群落调查,调查参数包括样方内所有物种的分盖度、多度以及植物群落总盖度,然后分别按照禾草、莎草、杂草、毒草、豆科齐地面剪取,带回实验室置于烘箱,80e、24h烘干至恒重。
1.2.2土壤测定内容和方法经过预处理后的土样分别进行有机碳、全氮、全磷、氨氮、硝氮、速效磷、含水量、pH值的测定。
其中有机碳采用重铬酸钾氧化法[11];全氮用凯氏消煮法,消煮后再用快速蒸馏定氮仪(EW78871-0.5,GerhardtCorp.Germany测定[12];氨态氮﹑硝态氮经过2M的KCL氯化钾浸提后,同时采用注射流动分析仪(OIAnalytical511
草地学报
第18卷
Corporation,USA测定;土壤全磷采用硫酸一高氯酸消煮法,速效磷用碳酸氢钠法,并分别在流动注射分析仪上进行测定;pH值采用电位测定法(采用1mol#L-1
的KCL,土样和溶液比是1B2.5;土壤含水量的测定采用重量分析法,将称重后的鲜土放入烘箱置于105e、24h烘干。
测定结果均以干重计。
1.2.3数据分析群落水平上,以地上植物干重来测定生物量,样方内出现的总物种数作为物种丰富度。
生物多样性指数采用Shannon-Wiener指数,计算公式:
H=-6S
i=1(lnPiPi
式中,n是样方中的物种数;S=n表示物种的丰富度指数;Pi是种i的个体在全部个体中的比例;H为物种多样性指数。
1.3统计分析
采用SPSS15.0软件进行单因素方差分析及多重检验法(LSD检验各处理间的差异显著性。
2结果与分析
2.1不同放牧强度下群落和各功能群多样性及地上生物量的变化
研究表明,封育、轻牧、中牧样地多样性指数并没有显著的不同,其中最高的地上总生物量出现在封育样地,地上生物量约为438g#m
-2
DM(表1;
3个放牧样地,与轻牧、重牧相比,中度放牧增加了多样性﹑地上总生物量(表1。
关于不同放牧强度下5个功能类群,研究表明禾草和莎草作为牲畜最主要的牧草,对放牧强度的响应具有相似性,它们的地上生物量和总盖度都在
表1不同放牧强度下植物群落的特性
Table1Plantcommunitypropertiesunderdifferentgrazingintensity
放牧强度Grazingintensity物种数No.ofspecies物种多样性指数Shannon-Wienerindex
地上生物量,g#m-2DMAbove-groundbiomass
总盖度,%Totalcoverage
围栏封育F24.80?
2.08a4.01?
0.12a438.15?
35.11a
96?
4a轻度放牧LG24.00?
1.14a3.89?
0.08a250.40?
19.51b93?
3a中度放牧MG24.20?
1.46a4.00?
0.09a340.6?
67.39ab95?
4a重度放牧HG
18.20?
1.07b
3.11?
0.11b
230.00?
44.05b
75?
2b
注:
表中值为平均值?
标准误,不同字母表示差异显著(P<0.05,下同
Note:
Dataaremeans?
SD.Differentlettersindicatesignificantdifferencesatthe0.05level,thesameasbelow
中牧强度下最高(图1、图2;比起轻牧、中牧和封育样地,重牧样地的杂草有较高的地上生物量和总盖度(图1、图2。
重牧条件下的毒草表现出了和杂草相反的结果,即重牧条件下的毒草地上生物量和总盖度低于其他3个放牧强度(图1、图2。
此外,如图1、图2所示,中牧强度下禾草和莎草的地上生物量高于杂草的地上生物量,而重牧强度下杂草的地上生物量则高于禾草和莎草。
2.2不同放牧强度下土壤理化性质的变化
研究结果表明,5月份土壤含水量随放牧强度增加而减少;7月份、9月份则具有相反的规律(图3,而且在7月份、9月份,封育样地的含水量显著低于重牧样地的(P<0.05(图3。
封育、轻牧、重牧样地的土壤容重显著低于中牧样地的土壤容重(P<0.05(图4。
在整个生长季节,重牧样地的pH值明显高于其他3个放牧处理(P<0.05,而封育、轻牧、中牧之间没有显著差别(图5。
在整个生长季节,土壤有机碳含量随着放牧强度的增加而趋于下降(表2;各放牧样地土壤的全氮含量并没有显著变化,而土壤硝态氮、
氨态氮在整
图1不同放牧强度下各功能群地上生物量
Fig.1Theabove-groundbiomassofdifferent
functionalgroups(Legumes,Sedges,Forbs,Poisonous
weedsandGrassesunderfourgrazingintensities
注:
图中不同字母代表不同放牧强度在0.05水平下的差异显著,竖杠代表标准误差,下同
Note:
DifferentlettersindicatesignificantdifferencesatP<0.05
amongfourgrazingintensities.Barsrepresentstandard
errorsofmeans,thesameasbelow
512
第4期王向涛等:
不同放牧强度下高寒草甸植被特征和土壤养分变化研究
个生长季节均随着放牧强度的加大而增加(表2;各生长季节土壤全磷、速效磷含量变化是从轻牧到中牧增加,从中牧到重牧2个指标的含量均一致降低(表2;在7月份、9月份,各个放牧样地的氨态氮、硝态氮、速效磷含量分别显著变化,说明在植物生长的旺盛季节,放牧强度强烈影响着土壤速效养分的含量(表2。
3讨论
3.1放牧强度对群落及功能群特征的影响
较高的生物多样性可以引起凋落物质量和类型
的多样性,进而引起分解者的多样性,这能在很大程度上改良土壤的理化性质,提高土壤生物的数量、多样性和活性[13]。
研究表明,3个放牧样地,与轻牧、
重牧相比,中牧可增加地上总生物量、物种多样性,这和Gao等
[14]
在高寒草甸的研究结果相似,即净初
级生产力,中牧比轻牧、重牧高。
中牧相对于轻牧和重牧来说,具有较高的地上总生物量、生物多样性,可能是放牧加速了土壤养分的循环及超补偿性的原因,同时提供了空间,为外来物种存活和本地物种恢复提供了机会[15]。
因此,中度放牧能够增加群落结构的复杂性及多样性指数,该结果部分支持/中度干扰理论0
[16]
即中度放牧强度能保持较高的物种多
样性。
方差分析表明,围栏能够增大植被的地上生物量及总盖度,特别是禾草和莎草,而且适口性强的
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表2不同放牧强度草地土壤全氮、全磷、有机碳、氨氮、硝氮、速效磷含量
Table2Soilorganiccarbon,totalN,totalP,ammonium-N,nitrate-N,
availablePunderdifferentgrazingintensityandplantgrowingtime.
取样时间Samplingtime
放牧强度
Grazingintensity
有机碳,%
Organiccarbon
全氮,g#kg-1
TotalN
氨氮,mg#kg-1
Ammonium-N
硝氮,mg#kg-1
Nitrate-N
全磷,g#kg-1
TotalP
速效磷,mg#kg-1AvailableP
五月MayF4.63?
0.11a4.20?
0.09a5.83?
0.20b2.84?
0.16b0.58?
0.01ab11.37?
0
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- 不同 放牧 强度 高寒 草甸 植被 特征 土壤 养分 变化 研究