不同放牧强度对贵州人工草地土壤养分及活性有机碳的影响

不同放牧强度对贵州人工草地土壤养分及活性有机碳的影响【摘要】研究不同放牧强度下人工草地土壤养分以及有机碳含量的变化,为在西南喀斯特地区建植与检测人工草地提供参考。在贵州省独山县贵州省草业研究所试验示范基地,以2022年10月11日建植的多年生黑麦草:高羊茅:鸭茅:白三叶:紫花苜蓿=3.5:2:2:1:1.5的人工草地0.33ha,设置禁牧(围栏封育)、中度、重度3个处理,于2022年10月13日开始放牧,61d后测定不同放牧强度下人工草地土壤营养元素与活性有机碳含量。研究结果说明,放牧显著影响pH值、有机质以及氮、磷、钾等营养元素的含量。土壤有机质含量与pH值在中度放牧的010cm土层中最高,土壤总氮和碱解氮含量随着放牧强度增强而上升,磷元素与钾元素的含量随着放牧强度增强而下降。土壤有机碳、微生物碳及易氧化碳的含量都随着放牧强度增加而降低,并且它们两两显著相关。在贵州喀斯特地区建植人工草地与维护人工草地可适当补充磷肥与钾肥,在草场质量检测中微生物碳和易氧化碳的含量可以作为土壤质量监测的早期指标。关键词：喀斯特地区;人工草地;营养元素;有机碳;微生物碳;易氧化碳1前言大气中二氧化碳浓度升高与人类的活动存在密切联系,其中土地利用方式的变化是主要因素之一1。在陆地生态系统中,对碳循环影响较大的生态系统包括森林、草地、湿地等;其中森林是最大的碳库,对其研究也已经比拟深入,而对于草地碳循环的研究还比拟少。草地生态系统占陆地生态系统碳素总储量的15.2%,是陆地生态系统的重要组成局部2。中国草地主要分为北方温带草原、青藏高原高寒草地以及南方热带亚热带草山草坡3个主要区域,由于南方雨热同期,光照降水丰富等特点,草地资源与森林、农田交错分布,针对森林和农田生态系统,许多学者已经开展了土壤有机碳采样方法、小生境碳含量估算、人工修复林土壤碳循环以及土壤表层碳含量分布等相关研究37。目前针对草地碳循环的研究主要集中在青藏高原的高寒草地89和蒙古高原的温带草原10-12。对于南方草山草坡,特别是南方喀斯特地区的人工混播草地的碳循环研究还比拟少。本试验以贵州省独山县贵州草业所放牧实验基地建植的混播草地为典型研究区域,测定不同放牧强度下土壤根本养分、易氧化碳、微生物碳以及有机碳含量,定量地分析了不同放牧强度对人工混播草地土壤碳含量的影响,旨在为贵州喀斯特地区人工草地建植、草地资源可持续利用和适度放牧的决策研究提供参考依据。2材料与方法2.1研究区域概况本研究在贵州省草业研究所独山放牧实验基地的围栏放牧试验区进行,该区位于贵州省黔南州独山县麻万镇,地处北纬2534东经10737,海拔9501017m,该区气候为副热带东亚大陆季风气候区(亚热带高原季风湿润气候),四季清楚,温差较小,年均降水量在11001300mm,空气湿度为80%年0以上积温为5302,10以上积温为4538。极端低温为8,极端高温为34,年均温度为15.0。无霜期为272d,年均日照约为1336.7h,平均温度4.3,雨热同期,干湿季节明显,土壤类型为红壤。人工草地建植以多年生黑麦草:高羊茅:鸭茅:白三叶:紫花苜蓿=3.5:2:2:1:1.5比例混播,水城高羊茅(FestucaarundinaceaSchrebcvShuicheng)和DG05鸭茅(DactylisglomerataL.cv.QiancaoNO.4)为贵州省草业研究所育成,尼普顿多年生黑麦草(LoliumperenneL.cv.Nipton)、白三叶(TrifoliumrepensL.)和紫花苜蓿(Medicagosativa)为百绿公司提供,2022年3月建成后划分围栏进行分区,禁牧小区720m2,中度放牧小区1720m2,重度放牧小区720m2。2.2试验设计本试验采用系牧法、轮牧制,设计禁牧(围栏封育)中度放牧和重度放牧3个放牧强度处理。试验前选择牧草生长较一致的人工草地,休牧50d,选取6只重量相同的半细毛羊做定点放牧试验。中度放牧:系牧绳长6m,放牧时间3d,轮牧点5个,轮牧周期15d,试验60d期间,轮牧频率4次;重度放牧:系牧绳长2m,轮牧点5个,轮牧周期15d,试验60d期间,轮牧频率4次。在2022年10月13日开始进行放牧实验,放牧60d后进行取样调查,每个定点放牧试验小区设置5个1m1m草本样方,挖开土壤坡面,分别取010cm,1020cm土层土壤,测定土壤易氧化碳、微生物碳以及有机碳等。土壤理化性质的测定采用直径为7cm的土壤环刀采样2.3测定方法根据实验设计分层取样,每层采样点为9个,将每点的每层样品混匀,去除样品中的石块及杂物,轻轻碾碎过2mm筛,混匀。将土壤样分成两局部:一局部自然风干碾压成粉末,用孔径为0.25mm分样筛筛去粗大颗粒(主要为小石子),研磨过筛后将样品充分混合后进行养分与碳含量测定,全氮:GB7173-87土壤全氮测定法,土壤有机质:油浴加热生铬酸钾氧化-容量法,pH值:称10g过筛的风干土样于25mL的三角瓶中,参加10mL蒸馏水混匀,静止30min,用pH计(雷磁pHs-3c)测定悬液的PH值,全磷:氢氧化钠熔融-抗比色法,速效磷:0.5MNaHCO3浸提-钼锑抗比色法,碱解氮:碱解扩散法,用重铬酸钾氧化-外加热法13测定土壤有机碳含量,土壤易氧化碳采用高锰酸钾氧化-比色法测定。另一局部放于4下冷藏保存,用于水溶性有机碳和微生物量碳测定,水溶性有机碳采用TOC有机碳分析仪(岛津,日本)测定,土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法14。2.4数据分析实验数据采用SPSS13.0和Excel2022进行分析,样品差异显著性分析采用t测验,p3结果与分析3.1不同放牧强度对土壤养分的影响在贵州喀斯特地区,石漠化程度较深,许多山区土层厚度在20cm以内,我们重点分析了010cm,1020cm土壤养分以及碳氮含量的变化。在禁牧(对照)、中度放牧与重度放牧3种条件下,010cm土壤有机质含量在放牧条件下比禁牧会提高,在中牧水平下最高,重牧次之(p中牧禁牧(p土壤全氮含量在中度放牧下显著高于禁牧对照(p0.05)。在1020cm土壤中,重度放牧、中度放牧与禁牧之间全氮含量差异不显著,但均显著低于010cm土壤全氮的含量。土壤全磷含量随着放牧强度增加,土壤有机磷含量呈下降的趋势,其中中度放牧与重度放牧显著低于禁牧(p0.05)。在1020cm土壤中,重度放牧、中度放牧土壤全磷含量都显著比禁牧低(p中牧重牧,中牧与重牧间差异不显著。010cm土壤碱解氮的含量在中牧与重牧条件显著比禁牧高,依次为重牧中牧禁牧(p在1020cm土壤中,重牧比禁牧碱解氮含量显著升高,而中牧与禁牧之间差异不显著(图1E)。在010cm土壤中,放牧条件下土壤速效磷含量显著下降(p中牧重牧,中牧与重牧间差异不显著。在1020cm土壤中,土壤速效磷含量的变化趋势与010cm相同,但3者之间差异不显著(p0.05)。在010cm土壤中,中牧条件以及重牧条件下,土壤速效钾含量显著低于禁牧条件(p中牧重牧,但中牧与禁牧之间差异不显著。在1020cm土壤中,土壤速效钾含量的变化趋势与010cm变化趋势相同。3.2不同放牧强度对土壤有机碳的影响土壤有机碳是土壤质量和草地健康的重要指标,对草地土壤肥力和草地生产力有直接影响,草地生态系统土壤有机碳含量主要受土壤利用方式和管理策略的影响。从平均土壤有机碳含量水平来看,放牧强度增加会显著降低土壤有机碳含量,但是在不同土层深度表现不一致。在010cm土壤中,重度放牧土壤有机碳显著低于中度放牧以及禁牧(p0.05,表2)。在1020cm土壤中,重度放牧与中度放牧土壤有机碳含量均显著低于禁牧水平(p0.05)。3.3不同放牧强度对土壤微生物碳的影响土壤微生物碳的含量,与土壤有机碳的变化趋势类似,从平均值来看,放牧降低了土壤微生物碳含量,但中度放牧与禁牧之间差异不显著,重度放牧显著低于禁牧和中度放牧的土壤微生物碳含量。与有机碳的变化不同,土壤微生物碳含量的下降主要发生在010cm的重度放牧土壤中,而在1020cm的土壤中,三种放牧条件没有显著差异。3.4不同放牧强度对土壤易氧化碳的影响土壤易氧化碳的含量反响土壤能释放有效肥力的多少,在不同放牧条件下土壤易氧化碳的含量,土壤易氧化碳的变化趋势与有机碳以及微生物碳的趋势根本相同,其平均含量随着放牧强度的增加而显著下降,依次为禁牧中牧重牧。这种差异主要集中表现在010cm的土层中,中度放牧比禁牧条件下土壤易氧化碳的含量下降20.60%,而重度放牧比禁牧条件下土壤易氧化碳含量下降48.77%。在1020cm土壤中,易氧化碳含量虽然有下降趋势,但在不同放牧条件下差异不显著。重度放牧1020cm土壤易氧化碳含量比中度放牧条件下要高,但差异不显著。3.5土壤有机碳与土壤有机物含量相关性分析土壤总有机碳与易氧化碳及微生物碳含量两两之间均呈现极显著相关。这一方面说明土壤活性碳很大程度上依赖于总有机碳含量,另一方面也说明各活性碳之间相互作用密切,它们虽然表述和测定方法不同,但各自从不同角度表征了土壤中活性较高局部的碳的含量。4讨论放牧显著影响草地植物营养成分,进而影响草地生态系统营养循环15。而放牧的草食动物通过采食以及排泄对草地土壤养分有重要影响。它们吸收摄入营养物质和矿物质,经代谢后将约6099%的营养物质和矿物质又以粪便和尿的形式返回到土壤中16。我们研究发现草地有机质与总氮元素等含量在放牧条件下要高于禁牧,在中度放牧下最高,说明中度放牧条件下动物排泄对草地补充效应要强于草地生长对营养物质的消耗,并且在1020cm土层有着类似的变化趋势,说明表层土壤营养富集后能缓慢往深层土壤沉积。草地速效氮含量的变化受草地类型的影响较大,在贵州人工草地条件下,010cm土层的速效氮含量与放牧强度呈正相关,这可能与动物排泄物中多为有机肥能长久稳定释放氮元素,类似的研究在北美与国内都有报道16-19。但也有不一样的研究结论,姚爱兴等20研究发现不同放牧强度下的多年生黑麦草和白三叶草地土壤全氮含量随着放牧强度的增加而增加,速效氮那么随着放牧强度的增加而减少。而速效氮在1020cm土层变化不显著,可能与建植草地以须根系植物为主,植物对营养元素的吸收主要从表层土壤中获得,速效氮从表层往深层扩散与植物吸收之间到达一种平衡。因此,速效氮含量的变化主要由草地植被类型与土层因素决定。