全 文 :书放牧对草地土壤理化特性影响的研究进展
张成霞1,2,南志标2
(1.西南林业大学园林学院,云南 昆明650224;2.兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)
摘要:综述了放牧对草地土壤物理特性(容重、渗透率)和化学特性(有机质、全氮、全磷等)的影响。由于草地土壤
生态系统本身的复杂性和弹性,放牧对草地土壤特性的影响并没有一致的结论。一般而言,随着放牧强度的增加,
牲畜的践踏作用变强,土壤容重逐渐增加,土壤的渗透性降低,导致土壤的含水量下降,随着土壤深度增加其影响
减弱。但在有机质含量很低的沙质土壤中,超载过牧造成有机质含量降低,土壤的团粒结构减少,稳定性团聚体减
少,土壤结构遭到破坏,使得土壤容重降低。放牧对土壤有机质的影响受多种因素的影响,如温度、降水、植被、土
壤和管理措施(持续放牧、轮牧、围栏等),所以有机质的动态转化过程十分复杂,已有的文献放牧管理对土壤有机
质的影响有3类结论:无影响、增加和降低。放牧家畜通过采食、践踏、排泄等行为直接或间接地影响土壤中氮的
含量,随放牧强度增加,土壤全氮含量呈现出降低、不变和增加等。土壤磷对放牧的响应也有不同的研究报道,有
的认为随放牧强度的增加,土壤全磷下降,而速效磷增加,也有研究认为长期放牧对草地的全磷和速效磷变化不
大。不合理的放牧是造成土壤退化的最普遍原因,故认识不合理放牧导致草原土壤退化的过程和机制,对遏止草
原退化、实现草地畜牧业的可持续发展具有重要的意义。
关键词:放牧;草地生态系统;土壤理化特性
中图分类号:S812.8;S155.4+7 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)04020408
全球草地面积约为3.42×109hm2,约占陆地面积的40%[1,2]。我国草地面积近4×108hm2,占全国陆地面
积的41%[3],其中北方牧区和半农半牧区草地面积2.7×108hm2,范围涉及北方12个省区,草地面积占该区域
总土地面积的55.9%[4]。它们不仅是重要的绿色生态屏障,而且也是重要的畜牧业生产基地,其功能的正常发
挥对维持全球及区域性生态系统的平衡有极其重要作用。按照联合国粮农组织1997年数据,各种人类活动影响
全球土壤退化面积比例分别是:过度放牧34.5%,森林破坏29.5%,农业利用28.2%,过度开发6.8%,污染
1.7%。因而从全球范围内看,过度放牧是土壤退化的主要驱动因素之一[5]。
我国草地退化现象亦十分严重,全国90%以上的草地已经退化,中度和重度退化草地超过一半[6]。天然草
原已有近1/3的面积处于不同程度的退化之中,草原大面积退化已严重威胁着我国畜牧业生产和牧区人民的生
活。如素以水草丰美著称的全国重点牧区呼伦贝尔草原和锡林郭勒草原,退化面积分别达23%和41%,鄂尔多
斯草原退化最为严重,面积达68%以上[7]。草地退化是人为因素和自然因素作用下生态系统的逆向演变过程,
人类活动因素在草地退化的驱动因素中占据主导地位。特别是我国北方草地退化的根本原因是人为因素的作
用,其中最主要的是对草地的过度开垦和过度放牧等不合理的利用方式[5]。
放牧是草地利用的主要方式之一,家畜主要通过采食、践踏和排泄粪便3种主要形式影响草地[8],特别是草
地的土壤状况,因为畜蹄的践踏作用对土壤产生一系列潜在的影响,如对土壤紧实度、渗透能力等的影响[9,10],另
外,家畜通过采食活动及其对营养物质的转化和排泄物归还等影响草地营养物质的循环,致使草地土壤化学成分
的变化,而草地土壤的物理变化和化学变化之间也是相互作用、相互影响[11,12]。在草地生态系统中,土壤-牧草
-家畜是一个整体,即土壤是生物量生产最重要的基质,是许多营养的储存库,是动植物分解和循环的场所,是牧
草和家畜的载体,它们互相影响,互相制约。因此,研究放牧对土壤理化特性的影响,认识不合理放牧导致草地土
壤退化的过程和机制,采取合理的管理措施,对遏止草地退化、保证草地畜牧业的可持续发展具有重要的意义。
204-211
2010年8月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第19卷 第4期
Vol.19,No.4
收稿日期:20090708;改回日期:20090924
基金项目:973课题(2007CB108902)资助。
作者简介:张成霞(1974),女,青海乐都人,讲师,博士。Email:chengxia0211@163.com
通讯作者。Email:zhibiao@lzu.edu.cn
将放牧对草地土壤理化特性的影响研究进展加以综述,为进一步深入开展此类研究提供有益参考。
1 草地土壤物理特性
放牧主要影响表层土壤的物理特性[10,13],包括土壤的容重和渗透阻力增加[10,14],风蚀和水蚀增大,土壤孔隙
的空间分布发生变化,土壤团聚体稳定性和渗透率降低等[15,16]。
1.1 土壤容重
土壤容重是土壤紧实度的指标之一,其综合反应了土壤颗粒和土壤孔隙的状况,与土壤的孔隙度和渗透率密
切相关[17,18],也是对放牧较为敏感的指标之一,可以作为草地退化的数量指标。容重主要受到土壤有机质含量、
土壤中矿物质的组成、土壤质地及放牧家畜践踏程度的影响。国内外学者在放牧强度对土壤压实效应方面做了
大量研究[14,1921]。一般认为,随着放牧强度的增加,牲畜对土壤的压实作用愈来愈强烈,土壤容重亦逐渐增加。
Holt等[22]报道,土壤容重在高的放牧压力下显著高于低的放牧压力下。在美国得克萨斯州,冬小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿
犪犲狊狋犻狏狌犿)茬地放牧绵羊,践踏增加表土紧实度40%以上[23]。在我国天山北麓的高山草地[24]、内蒙古典型草
原[17]和东北羊草(犔犲狔犿狌狊犮犺犻狀犲狀狊犻狊)草原[25]、松嫩羊草草原[26]、华北农牧交错带以新麦草(犘狊犪狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊犼狌狀
犮犲犪)为主的人工草地[10,27]、三江源区[28]、小嵩草(犓狅犫狉犲狊犻犪狆狔犵犿犪犮犪)为主的高寒草甸[29]的研究均表明,放牧对
土壤容重的增加具有累积效应,随着放牧强度的增加,土壤容重逐渐增大,且随土壤深度的增加,土壤容重逐渐增
大,这与Greenwood等[16]的试验结果一致。而贾树海等[20]却发现表层土壤紧实度和土壤容重在轻度和中度放
牧下增加,重度放牧下降低。
数个研究发现,放牧压力对土壤容重的影响仅限于0~10cm的土壤,且0~10cm土壤容重随放牧强度的增
加而增加,其中对0~5cm/0~10cm土壤的影响最明显[10,14],国外亦有类似报道[30,31]。但侯扶江和任继周[32]研
究发现,祁连山高山草原10~40cm土壤容重与牧压正相关,但放牧较重区域0~10cm土壤容重较小。姚爱兴
等[18]和石永红等[14]在奶牛的放牧试验中得到放牧强度使土壤下层的容重也增大,这可能是由于放牧大家畜的缘
故。随放牧强度的增大,动物践踏作用的增强,土壤孔隙分布的空间格局发生变化,土壤的总孔隙减少,土壤容重
增加[33,34]。放牧使土壤容重增加,其主要原因是家畜的反复践踏压实土壤表面,造成土壤非毛管孔隙减少,通气
性、渗透性和蓄水能力受到不良影响。但在有机质含量很低的沙质土壤中,超载过牧造成有机质含量降低,土壤
的团粒结构减少,稳定性团聚体减少,土壤结构遭到破坏,而使得土壤容重反而降低[20]。
1.2 土壤渗透能力
透水性和土壤饱和导水率是判定土壤水分的重要参数,衡量土壤渗透能力的重要指标。透水性强弱反映土
壤水分和养分保蓄能力的大小,影响土壤的通气状况和水分利用,也是土壤肥力状况的指标之一。一般认为,草
地状况越好,则土壤渗透率越大[35]。在干旱的撒哈拉以南地区,绵羊和山羊践踏导致土壤结皮破碎,减少土壤结
皮的面积,中等强度践踏提高了土壤渗透率,但重度践踏降低土壤的渗透率[30]。过度放牧严重影响阿根廷干热
稀树草原土壤肥力,使土壤持水力下降[36]。肉牛短期重度放牧和绵羊冬季践踏,减少了土壤孔隙度和水稳性团
聚体,引起透水性、透气性和导水率下降[37,38]。Kobayashi等[39]研究发现,家畜践踏虽然减少阳坡的土壤水分,
但对阴坡土壤有效水无显著影响。张蕴薇等[10]发现,随放牧强度的增加,土壤水分渗透率呈下降趋势,开始时渗
透率最大,随时间的推移,渗透率降低。在渗透的各阶段,重度放牧区土壤渗透率都明显低于其他处理,说明重度
放牧严重破坏了土壤的结构,使土壤紧实、渗透率下降,而且随着渗透时间的推移,重度放牧区渗透率下降幅度明
显增大。牛海山等[40]研究认为,随放牧率的增大,土壤饱和导水率显著下降。土壤饱和导水率与土壤孔隙状况
密切相关,特别是大孔隙分布显著影响饱和导水率。随放牧压力的增强,牲畜对土壤的压实作用变强,导致土壤
孔隙度降低[21]。María等[31]认为,土壤表层总孔隙度放牧地比未放牧地低17%,主要是因为过度放牧导致大孔
隙和较大中等孔隙的丧失。Greenwood等[16]也认为绵羊对土壤的压实作用主要局限在5cm以上的表土层,而
且孔隙度的降低主要是112mm当量孔隙的减少。有的试验证明放牧使表土层和亚表土层的孔隙都明显减
少[41]。总之,随着放牧率的增大,一定深度内土壤孔隙度的下降,尤其大孔隙的丧失[42],是造成饱和导水率下降
的重要原因。
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2 草地土壤化学特性
放牧对草地生态系统中化学元素组成的直接影响是食草动物将化学元素固持、转移和空间上再分配。放牧
对草地生态系统中化学元素的间接影响是改变化学元素的循环过程和行为特征。通过草食动物的践踏,植物残
体变得破碎,植被盖度下降,土壤容重增加,其结果提高了土壤表面温度,这些环境因素的变化均有利于植物残体
的分解,加速了养分的循环过程。从较长时间看,由于食草动物对植物的选择性采食使植物群落结构发生变化,
从而也影响了草地群落养分循环动态。
2.1 土壤有机质
土壤有机质是陆地生物圈的主要成分之一,是指示土壤健康的关键指标。土壤有机质是最大的有机碳库,占
整个系统有机碳的90%左右[1,43],且土壤有机质是植物养分元素循环的中心,影响水分关系和土壤被侵蚀的潜
力,在土壤结构中是一个关键因子。在草地生态系统中,虽然总碳量在不同的草地类型中显著不同,但有机碳在
多年生草地生态系统中的相对分布相当一致。总体上,植物生物量中的碳占草原总碳储量相对较少的部分(少于
10%),且大部分保存在根系中(80%~90%)[44],所以只有不足1%的有机碳分布在地上植物生物量中[43]。有机
质的动态转化过程十分复杂,受很多因素的影响,如温度、降水、植被、土壤和管理措施。放牧管理是草地管理的
重要措施,但放牧管理影响下草地碳循环和分布的生态过程没有完全被认识,但根据已有的文献报道放牧管理对
土壤有机质的影响有3类结论:无影响、增加和降低。
一些研究认为,草地生态系统对放牧有相当的弹性,放牧对土壤有机质含量没有影响[45,46]。澳大利亚东北
部半干旱草原群落[47]、内蒙古羊草小禾草草原[33]经过8年放牧后,土壤有机碳含量没有显著变化。Frank等[48]
利用13C技术研究了不同放牧率对土壤有机质的影响,发现与围栏不放牧相比,适度放牧样地土壤有机质有轻微
降低,而重度放牧样地土壤有机质没有下降,主要是因为重度放牧后没有发生土壤侵蚀,而是植物组成发生了很
大的变化,有较浅的根系和较高的有机质生产能力的C4 植物明显增加。也可能是因为食草动物排泄物的归还使
土壤表层速效养分增加,土壤的矿化作用加强。植物根系集中在表层的比例增加,深层分布的根系量减少。因此
表层土壤有机质在特定阶段内可以维持在原有水平或更高水平[33]。
有的研究发现放牧增加了土壤有机质含量[44,49]。主要是由于放牧管理技术的合理应用增加了牧草的产量,
也潜在增加了土壤有机质和碳沉积量[50]。然而,当放牧管理导致牧草产量降低时,以土壤有机质形式沉积的碳
量也增加。这是由于放牧使植物的组成发生变化,导致了低的产草量,但植物有较大的根冠比率,因而增加了碳
向地下的分配量[51]。由于动物的践踏使凋落物破碎并与土壤充分接触,放牧使凋落物积累量减少,有助于凋落
物的分解,也有助于碳和养分元素转移到土壤中[52]。凋落物减少,亦使土壤表层变暖,有利于早春植物的返青。
使植物冠层采光增强,光合效率提高[53]。这些都有助于土壤有机质的积累。而且这些系统多是土壤有机质含量
较高,植被没有退化或有轻微退化,且气候条件较好,并有一定的管理措施(如施肥等)。
亦有研究认为放牧降低了土壤有机质含量[5456]。随着放牧强度的增加,阿根廷干热稀树草原土壤有机质含
量从20年未放牧草地的4.68%降低到极端过度放牧草地的1.45%[36]。阿根廷西部低地平原土壤有机碳从恢
复较好草地的7.0kg/m2降低到高度退化草地的1.5kg/m2[57]。我国东北羊草草原[25]、高寒草甸草原[58]、内蒙
古草甸草原[55]土壤有机质随着放牧强度增加,其含量逐渐降低。内蒙古半干旱沙化草地自由放牧后,与围栏封
育草地相比,土壤有机碳下降11.78%[56]。也有人认为在重度放牧条件下土壤有机质的降低是土壤侵蚀加重所
致。若放牧地土壤本身含有较低的有机质,土壤的缓冲性能低,放牧后,也可导致土壤有机质降低。特别是在生
态环境相对脆弱的半干旱和干旱地区[30]。
2.2 土壤氮素循环
土壤中的氮是植物生长所需最重要的养分之一。土壤中可利用氮主要与土壤的矿化作用、植物的吸收量、家
畜排泄物量等有关。全氮通过矿化作用转化为铵态氮和硝态氮,同时微生物将部分铵态氮和硝态氮又固结到体
内成为微生物量氮,在适当的时候这部分氮仍可释放为铵态氮和硝态氮,因此土壤中可利用氮主要由这3部分组
成。
放牧家畜通过采食、践踏、排泄等行为直接或间接地影响土壤中氮的含量。有研究认为随着放牧强度增加,
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土壤中全氮含量降低[48,5456,59]。随着放牧强度的增加,土壤全氮含量从20年未放牧草地的0.28%降低到极端过
度放牧草地的0.14%[36]。而Berg等[60]和Romulo等[61]认为放牧对全氮含量没有大的影响,长期适度放牧有利
于提高氮的循环速率及可利用率。也有研究认为,土壤中的氮随放牧强度增加而增加[27]。单位面积放牧家畜头
数的增加,使粪便排泄量增加,从而导致铵态氮和硝态氮含量增加[14,62],且随土层的加深呈下降趋势[14,27,55]。戎
郁萍等[27]研究表明,高强度放牧通过家畜在草地上排泄粪尿能够逐渐增加土壤全氮含量且随放牧次数(轮牧后
期)增加,其影响逐渐增大,但是放牧区土壤全氮含量始终不如对照封育区高。放牧使土壤氮含量增加是由于动
物的粪便增加了土壤中的氮素特别是速效氮,因为放牧家畜使消耗了的植物养分的大部分返回到土壤中。
放牧影响草地生态系统的土壤养分动态循环。食草动物能加速有排泄物斑块的养分循环[63],放牧降低了植
物根茎的碳/氮,但提高了植物残体的分解速率[64,65]。而且,植物经常通过减少根生产量对刈牧做出响应,从而
降低了土壤碳和碳/氮[64]。放牧地植物残体和土壤较低的碳/氮,使微生物矿化作用加强,CO2/氮的净矿化比率
降低,固定作用减弱,进而增加了土壤氮的净矿化量[64,66]。也有研究认为放牧减缓了养分循环[67]。放牧是加速
还是减缓氮素养分循环,主要受土壤碳的有效性控制。碳的有效性是控制微生物矿化-固定动态循环的重要因
子。可利用性碳相对于氮充足时,微生物对氮的需求高,氮的固定潜能高。相反,当可利用性碳相对于氮缺乏时,
氮的固定潜能低,氮的净矿化可能升高。放牧减少了碳向地下的分配,通过根分泌供给微生物的碳减少,因而提
高了氮的净矿化。这是系统的主要优势种对动物采食的一种补偿机制[68],使植物的富氮组织和器官增加[69],凋
落物分解加速,加上动物的排泄物,系统的周转加快,加速了氮的净矿化速率。而当放牧引起植物群落结构发生
变化时,又能抑制氮素的矿化和有效性。这种过程主要是食草动物对优质牧草的择食而增加了劣质植物的多度,
降低了凋落物品质,致使凋落物分解速度变慢。
2.3 全磷和速效磷
土壤全磷包括速效磷、有机磷、无机磷和微生物磷。土壤全磷含量主要受土壤类型、气候条件的影响,而土壤
速效磷含量则随土壤类型、气候、管理水平、利用程度等而不同。放牧对土壤磷的作用有降低、无变化等结论。一
个放牧40年的重度放牧草地全磷降低,而速效磷则增加,是因为放牧使草地地上、地下生物量和归还量降低的结
果[70]。内蒙古半干旱沙化草地自由放牧后,与围栏封育草地相比,土壤全磷下降16.00%[56]。而侯扶江和任继
周[32]进一步发现,放牧践踏促进土壤磷的积累。不同放牧强度下土壤速效磷亦增加[71],而Smoliak等[72]报道,
在针茅-格兰马草(犛狋犻狆犪-犅狅狌狋犲犾狅狌犪)草原放牧19年的试验中,重度放牧草地的全磷和速效磷变化不大。戎郁
萍等[27]研究认为,放牧对土壤全磷含量影响不大,但0~10cm土壤全磷和速效磷含量随放牧强度增加而降低,
是由于在高放牧强度下,家畜频繁的采食使磷从系统中的输出增加,引起土壤中全磷的各组分向速效成分的转移
量增大,通过植物吸收后转向系统外输出,从而导致土壤全磷和速效磷含量减少。
3 小结
综上所述,放牧对草地土壤理化特性的影响国内外学者虽然作了一些相关的研究工作,并取得了一定的进
展,但放牧对草地土壤理化特性的影响并没有单一和一致的结论,特别是在化学特性方面。这一方面反映了草地
土壤生态系统具有一定的弹性,也反映出环境、生物、人类生产活动等因素对土壤化学特性有重要的影响。另一
方面,不同地区、不同国家对适度放牧、重度放牧和过度放牧这样的定性指标难以进行定量比较,所以对适度放
牧、重度放牧和过度放牧等亦有不同的理解。总体来说,适度放牧对草地土壤生态系统没有负面的影响,而有积
极的影响,但是长期超载过牧,特别是在一些相对比较脆弱的干旱和半干旱地区会使生态系统崩溃。因此,必须
改变只注重草原经济功能的观念,注重发挥草原的生态功能和社会功能,使草原得以修养生息,从而使草地生态
系统的物质循环与能量流动保持相对平衡,这样才能达到草地资源的可持续发展利用。
致谢:本研究得到云南省园林植物与观赏园艺重点学科建设支持,特此感谢!
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012 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.4
犚犲狊犲犪狉犮犺狆狉狅犵狉犲狊狊狅狀犲犳犳犲犮狋狊狅犳犵狉犪狕犻狀犵狅狀狆犺狔狊犻犮犪犾犪狀犱犮犺犲犿犻犮犪犾犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊狅犳犵狉犪狊狊犾犪狀犱狊狅犻犾
ZHANGChengxia1,2,NANZhibiao2
(1.FacultyofLandscapeArchitecture,SouthwestForestryUniversity,Kunming650224,China;
2.ColegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,Lanzhou
University,Lanzhou730020,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thepublishedliteraturewasreviewedforeffectsofgrazingonsoilphysicalproperties(bulkdensity,
waterinfiltration)andchemicalproperties(soilorganicmatter,totalnitrogen,andtotalphosphorus).The
effectsonsoilpropertieswereinconsistentbecauseofthecomplexityandresilienceofgrasslandsoilecosystems
toperturbation.Ingeneral,becausetheimpactoflivestocktramplingledtoincreasedsoilbulkdensityasgraz
ingintensitiesincreased,andtoreducedsoilinfiltrationandwaterholdingcapacity,althoughthisphenomenon
decreasedassoillayersincreased.Soilbulkdensitymaydecreaseinsandysoilwithlowerorganicmattercon
tent,becauseovergrazingreducessoilorganicmatterthusinfluencingthestabilityofsoilaggregatesandresul
tinginacolapsedsoilstructure.Thetransformationprocessoforganicmatterisverycomplicatedbecausethe
effectsofgrazingonsoilorganicmatterareaffectedbymanyfactors,suchastemperature,precipitation,vege
tation,soilandmanagementmeasures(e.g.continuousgrazing,rotationgrazing,andenclosure).Theeffects
ofgrazingonsoilorganicmatterisnotconsistentinthepublishedliterature:Itmayincrease,decrease,orhave
noeffect.Livestockinteractswithsoilnitrogencontentofgrasslandbyfeeding,tramplingandexcreting.
Basedonreportedliterature,totalnitrogenmaybeincreasedanddecreasedorshownochangeasgrazinginten
sityisincreased.Theeffectofgrazingonsoilphosphorusisdifferent.Soiltotalphosphorusisreducedwhilea
vailablephosphorusisincreasedasgrazingintensityisincreased.However,someresearchersreportthatsoil
totalphosphorusandavailablephosphorusofgrasslandshavelittlechangeunderlongtermgrazingconditions.
Overgrazingisthemostcommoncauseofsoildegradation.Theawarenessofthisprocessandmechanismof
overgrazingisofgreatsignificanceforcurbinggrasslanddegradationandachievingsustainabledevelopmentof
grasslandanimalhusbandry.
犓犲狔狑狅狉犱狊:grazing;grasslandecosystem;soilphysicalandchemicalcharacteristics
112第19卷第4期 草业学报2010年