封育和添加牛粪对退化亚高山草甸土壤恢复的影响
李永进1,2, 代微然1, 杨春勐1, 任健1, 毕玉芬1
1.云南农业大学草业科学系,云南 昆明 650201
2.云南省草原监督管理站,云南 昆明 650224
通讯作者:任健(1971-),男,四川彭山人,副教授,博士,主要从事草地生态学的研究。E-mail:renjian172@126.com

第一作者:李永进(1985-),女,云南麻栗坡人,硕士,主要从事牧草及草坪草种质资源的研究。E-mail:yongjin119@126.com

摘要

为了解封育和添加牛粪措施对退化草地土壤恢复的影响,本研究以滇西北部亚高山草甸为研究对象,进行了延续4年的试验。结果表明,封育、添加牛粪均显著提高了退化亚高山草甸土壤有机质含量( P<0.05),且封育下有机质含量高于添加牛粪处理;二者对土壤容重、含水量均无显著影响( P>0.05)。封育、添加牛粪对土壤氮磷钾含量的作用有所不同,封育显著提高了0-10 cm土层中全氮、全磷、速效钾的含量( P<0.05),降低了全钾的含量( P<0.05);牛粪处理则显著降低了0-10 cm土壤全氮和速效磷的含量( P<0.05),对全磷、速效钾的含量没有明显影响( P>0.05)。封育和添加牛粪措施之间存在互作效应, 共同作用时对0-10 cm的全氮、全磷、速效磷的影响最大,对0-30 cm土壤的有机质含量则存在累积效应。另外,全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾在土壤中的分布以0-10 cm为主,在0-30 cm土层中从上往下呈递减趋势。可见,封育和添加牛粪均改善了土壤的养分状况,有利于退化亚高山草甸土壤的恢复。

关键词: 草地退化; 全氮; 全磷; 全钾; 有机质
中图分类号:S812.2 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2016)8-1486-06 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0549
Effects of fencing and cattle dung addition on soil rehabilitation of degraded sub-alpine meadow
Li Yong-jin1,2, Dai Wei-ran1, Yang Chun-meng1, Ren Jian1, Bi Yu-fen1
1.Department of Grassland Sciences, Yunnan Agriculture University, Kuming 650201, China
2.Grassland Monitor and Management Station, Kunming 65022, China
Corresponding author: Ren Jian E-mail:renjian172@126.com
Abstract

The degraded sub-alpine meadow in northwest Yunnan province was studied to explore the effects of fencing and cattle dung on soil rehabilitation. The four years experiment results showed that both fencing and cattle dung addition can significantly increase soil organic matter content ( P<0.05) while did not affect soil bulk density and water content. Fencing and cattle dung addition had different effects on nitrogen (N), phosphorous (P) and potassium (K). Fencing significantly increased ( P<0.05) total N, total P and available K contents in 0-10 cm soil but significantly reduced ( P<0.05) total K content. However, cattle dung addition significantly increased ( P<0.05) total N and available P contents in 0-10 cm soil while only had little effects on total P and available K contents. In addition, there was significant interaction between fencing and cattle dung, therefore, treatments with fencing and cattle dung addition significantly affected the contents of total N, total P and available P in 0-10 cm soil. Treatments with fencing and cattle dung addition had cumulative effects on the organic matter in 0-30 cm soil. On the other hand, total N, total P, total K, and available P as well as available K concentrated in 0-10 cm soil and their content decreased with the increase of the depth in 0-30 cm soil. In conclusion, both fencing and cattle dung addition improved the soil nutrient and were benefical to rehabilitation of the degraded sub-alpine meadow.

Keyword: grassland degradation; total nitrogen; total phosphorus; total potassium; organic matter

在滇西北部海拔2 800-4 500 m处广泛分布着亚高山草甸[1], 它不仅是生态系统的重要组成部分, 而且是当地藏族人民发展畜牧业的重要基础[2], 在云南草地畜牧业中占据着重要地位。长期以来, 当地藏族人民习惯在每年的4-9月将牲畜驱赶到海拔3 800-4 100 m的高山牧场放牧, 10月以后逐渐将牲畜赶回村寨附近的冬季牧场(海拔3 100-3 400 m), 通过轮牧模式避免草地的过度使用[3]。然而, 近年来随着社会和经济等领域的迅速变迁, 当地传统的半农半牧生计方式发生了许多改变, 轮牧活动减弱, 越来越多的牲畜集中在村寨附近放养, 使得附近草地严重退化。研究表明, 草地退化会带来一系列的问题, 如土壤养分严重流失, 改变了植物种内和种间对土壤养分的竞争模式, 从而影响植物群落物种组成及群落动态, 最终导致草地生产力下降[4]。为了恢复退化草地, 人们引入了封育、施肥及栽培牧草[5]等改良措施。实践表明, 封育提高了草地生物量和土壤有机质、全氮 、全磷、速效氮等养分含量[6, 7]。另外, 氮肥、三元复合肥可以提高草地的生物量, 抑制杂草的生长[8, 9], 但在辽阔的草地上, 实现大面积的施肥有一定的局限性。相反, 草地上大量散落的家畜粪, 尤其是牛粪却没有得到应有的重视, 而牛粪含有丰富的有机质、氮、磷、钾等营养元素[10], 其中60%以上的氮、40%~80%的磷可以返还草地[11]。可见, 利用牛粪中的养分恢复草地生产力是一个好的举措, 遗憾的是, 长期以来, 在滇西北地区草地上的牛粪被农户搜集起来施于农作物。尽管目前国内外就施肥、围栏封育对草地的影响开展了一定的研究, 但关于添加牛粪和围栏封育对于亚高山草甸的影响还鲜见报道。为此, 本研究以滇西北的退化亚高山草甸为研究对象, 探讨封育和添加牛粪对土壤恢复的影响及二者的作用特点, 以期为退化草原的恢复和重建及藏区草地畜牧业的发展提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验区域自然概况

试验区域位于云南省迪庆州香格里拉县小中甸镇和平村(27° 20'-27° 43' N, 99° 36'-99° 59' E, 海拔3 220 m), 年平均气温5.8 ° C, 年平均降水量879.8 mm, 无霜期120 d, 是半农半牧的高寒坝区, 地势北高南低, 周围群山环绕, 属高原寒温湿润性气候, 草地类型为禾草-杂类草。实地调查中发现, 放牧区域的植物种类稀少, 裸地可见, 土壤有机质含量较低, 水土流失较严重, 固定半固定沙丘大部分被破坏, 沙斑、细沟侵蚀普遍发生; 畜蹄践踏痕迹明显, 草地上的优良牧草采食过度, 狼毒(Stellera chamaejasme)、西南鸢尾(Iris bulleyana)等大量出现, 草地处于明显退化阶段。

1.2 试验材料与设计

试验包括4个处理, 即无围栏无牛粪处理(自由放牧下捡走牛粪, CK), 无围栏有牛粪的处理(简称牛粪, D), 封育但无牛粪处理(简称封育, F), 封育且添加牛粪(封育+牛粪, FD)处理, 其中无围栏无牛粪处理作为对照, 每个处理重复3次, 每个重复面积为10 m× 10 m。在样地上, 利用围栏封育, 封育期间家畜不能入内, 不进行人工割草, 围栏外农户照常放牧。试验采用风干牛粪, 施用量为0.05 kg· m-2, 模拟天然草地上牛粪自然散落情况, 试验期间每年施牛粪一次。2009年春季开始进行试验, 2012年8月进行相关指标的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 样品采集 采集土样时, 在每个试验区内用土壤取样器按五点取样法分别在0-10、10-20、20-30 cm分层土样, 装入密封袋中, 带回实验室将植物根系和石块去除, 其中一部分自然风干, 然后过0.25 mm筛, 供营养成分分析, 取样时每个处理重复3次。

1.3.2 土壤理化性质的测定 利用环刀法测定土壤容重, 烘干称重法测定含水量, 且用于测定土壤含水量的土壤是0-30 cm混合土样。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾含量的测定方法参考鲍士旦[12]:有机质采用重铬酸钾容量法测定; 全氮采用半微量开式法测定; 全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定; 全钾采用NaOH熔融法-火焰光度法测定; 速效磷采用0.05 mol· L-1 NaHCO3浸提-钼铁抗比色法测定; 速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

1.4 数据处理

采用SPSS for Windows 13.0对试验数据进行单因素和双因素的方差分析, 其中单因素分析利用S-N-K多重比较法分析各处理之间的差异, 双因素分析用于比较封育与牛粪的主效应及二者之间的交互作用。另外, 利用SigmaPlot 11.0作图。

2 结果与分析
2.1 牛粪化学成分分析

对试验地的牛粪进行随机取样, 样品带回实验室风干后测定相关养分, 其中全氮含量为7.25 g· kg-1, 全磷为0.62 g· kg-1, 全钾为0.87 g· kg-1, 速效磷为2.34 mg· kg-1, 速效钾为1.19 mg· kg-1

2.2 封育、添加牛粪对土壤容重和含水量的影响

封育和添加牛粪各处理下, 0-10、10-20和20-30 cm土壤的容重及0-30 cm土壤的含水量均差异不显著(P> 0.05)(图1), 说明封育和牛粪处理对土壤容重和含水量无明显影响。

图1 封育、添加牛粪对土壤容重和含水量的影响
注:CK, 无围栏无牛粪处理; D, 无围栏有牛粪的处理; F, 封育但无牛粪处理; FD, 封育且添加牛粪。不同小写字母表示同一土层不同处理样地间差异显著(P< 0.05)。下同。
Fig.1 Effects of fencing and cattle dung addition on soil bulk density and water content
Note: CK, control treatment without fencing and dung addition; D, dung addition treatment without fence; F, fencing treatment without dung addition; FD, fencing & dung addition treatment. Different lower case letters indicate significant difference among different treatments within the same soil layer at 0.05 level. The same as below.

2.3 封育、添加牛粪对土壤化学性质的影响

2.3.1 土壤有机质 封育和牛粪均显著影响了土壤有机质含量(P< 0.05), 且二者之间存在累积效应(图2)。封育且添加牛粪处理中土壤有机质含量显著高于其它处理, 对照中有机质含量最低。

图2 封育、添加牛粪对土壤有机质含量的影响Fig.2 Effects of fencing and cattle dung addition on the soil organic matter content

2.3.2 全氮、全磷、全钾 全氮、全磷、全钾在土壤剖面中的分布均表现为0-10> 10-20> 20-30 cm, 即0-10 cm土壤中的含量最高, 并随着土壤深度的增加含量不断减少(图3)。封育和添加牛粪对土壤全氮、全磷、全钾含量的影响有所不同。方差分析表明(表1), 封育对0-10 cm土层全氮、0-30 cm土层全磷、0-10和20-30 cm土层全钾有极显著影响(P< 0.01), 封育和牛粪互作对0-10 cm土层全氮和全钾有显著影响(P< 0.05)。封育显著提高了0-10 cm土层全氮、全磷含量(P< 0.05), 显著降低了0-10 cm土层全钾含量(P< 0.05); 相比于对照, 添加牛粪除了显著(P< 0.05)降低0-10 cm土层全氮含量、20-30 cm土层全磷含量外, 对0-30 cm土层的全氮、全磷、全钾均无显著影响(P> 0.05); 在0-10 cm土壤中, 封育+牛粪处理中全氮的含量显著高于对照(P< 0.05); 在10-20和20-30 cm土壤中, 由于封育和添加牛粪之间的累积作用, 进一步提高了全磷的含量。

表1 封育、牛粪对不同深度土壤全磷、全氮、全钾、速效磷及速效钾含量影响的双因素分析结果 Table 1 The two-way ANOVA results of total nitrogen, total phosphorus, total potassium, available phosphorus and available potassium content affected by fencing and cattle dung

图3 封育、添加牛粪对0-30 cm土壤全氮、全磷、全钾含量的影响Fig.3 Effects of fencing and cattle dung addition on the total nitrogen content, total phosphorous content and total potassium of 0-30 cm soil layer

2.4 土壤速效磷、速效钾

从速效磷、速效钾在0-10、10-20和20-30 cm土层中的分布来看, 二者主要分布在表层(0-10 cm)土壤中(图4)。方差分析表明(表1), 牛粪对10-30 cm速效磷有显著影响(P< 0.05), 封育对0-30 cm速效磷和速效钾均有极显著影响(P< 0.01), 牛粪和封育互作对0-30 cm速效磷和20-30 cm速效钾有极显著影响(P< 0.01)。

各土层中, 牛粪、封育和封育+牛粪处理的速效磷含量均显著低于对照(P< 0.05), 牛粪、封育+牛粪处理下0-10 cm速效磷的含量显著高于封育处理的(P< 0.05)(图4)。

图4 封育、添加牛粪对0-30 cm土壤速效磷、速效钾含量的影响Fig. 4 Effects of fencing and cattle dung addition on soil available phosphorus content, available potassium content of 0-30 cm soil layer

与不封育的草地相比, 封育后土壤速效钾的含量显著增高(P< 0.05)。与对照相比, 牛粪处理对0-30 cm速效钾的含量无显著影响(P> 0.05)。在20-30 cm土壤中, 封育和牛粪之间存在明显的互作效应(P< 0.05)。

3 讨论与结论

封育和施肥是草地退化治理中常用的措施, 本研究发现, 封育和添加牛粪对退化草地土壤的恢复既有相同之处, 也有不同的地方。就土壤含水量而言, 前人发现, 退化典型草原封育6 年后, 表层土壤的含水量增加[13], 而本研究中土壤含水量的变化并不明显, 这可能与草地类型、当地降水量有关。本研究所处的滇西北地区, 当地年平均降水量为879.8 mm, 且集中在雨季, 这可能是导致土壤含水量变化不明显的原因。有机质是土壤重要的组成部分, 是肥力的基础。本研究中, 封育与牛粪均显著提高了有机质的含量, 这与前人的报道相一致[14, 15]。据孙卫国等[16]研究, 封育后, 没有牲畜的直接践踏, 草地植物增加, 使得土壤中的根系增多, 直接改变了土壤的透气透水性; 凋落物进入土壤后, 又改变土壤质地。因而, 有机质增加有利于改善土壤肥力状况。另外, 有机质分解后会形成大量的有机酸、酚类物质和无机酸, 这些物质能加速难溶性磷和钾转化为速效磷和速效钾, 从而改变速效磷、速效钾含量[17]。本研究中, 有机质含量与0-10 cm全氮(Pearson相关系数r=0.924, P< 0.001)及3个土层的全磷含量呈显著的正相关关系(0-10, 10-20, 20-30 cm的相关系数r分别为0.907, 0.921, 0.720, P< 0.001), 进一步验证了上述结论。

封育下速效磷的含量低于自由放牧草地, 分析认为, 封育下植物生长得到了恢复, 加大了速效磷的吸收利用, 使其含量降低, 当然这有待于通过更长时间的封育试验来验证。与封育相比, 牛粪主要影响土壤钾的含量, 这与钾容易从牛粪中淋溶出来有关。不过, 牛粪样品中全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾的含量与添加牛粪处理中土壤全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾并不完全呈线性关系, 这是因为牛粪养分的转化受多种因素的影响, 牛粪自身的分解速度通常能够决定土壤养分的作用时间。当牛粪分解速度和破碎化缓慢时, 养分被束缚在牛粪中, 使得氮素丧失和养分周转率降低, 从而有利于植物对养分的吸收和利用[18]。基于牛粪有利于改善土壤肥力状况, 在滇西北半农半牧区农户从草地上拾捡牛粪施于农作物的习惯有必要改变, 否则大量的家畜粪便被移出草地生态系统以后, 将不利于生态系统的物质和能量循环。当然, 牛粪滞留在草地上也有不利之处, 例如牛粪沉积初期对草地植物具窒息效应, 待牛粪逐渐分解为细碎颗粒后, 不利的方面才会降低[19]。在试验区域养殖的主要是黄牛及少量犏牛、牦牛, 产生的牛粪养分也有所不同, 牛粪对草地恢复的影响还需要进一步研究。

总之, 封育与添加牛粪措施可以通过增加土壤有机质的含量及二者的互作效应, 改善土壤中全氮、速效磷等养分状况, 加速退化滇西北亚高山草甸的恢复。

The authors have declared that no competing interests exist.

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