全 文 ：第 卷 第 期 草 地 学 报 ! ∀ # ∃ 年 月
放牧率对土壤饱和导水率及其空间
变异的影响 ‘
牛海 山 李香真 陈佐忠
中国科学院植物研究所生态中心 , 北京 。。
摘要 本文研究放牧对土壤饱和导水率及其对饱和导水率空间变异的影响 。 结果表明 , 在
及 以 上相邻两点之间土壤饱和 导水率相互独立 , 在各个方向均如此 。 呈 自然对数正态分
布 。 放牧对饱和导水率和饱和导水率的标准差有极显著的作用 , 一元方差分析 一 。 和 。
。 随着放牧率的增大 , 饱和导水率降低 , 与放牧率呈极显著的回 归关系 。 回 归方程为 一
一 ’ 一 ” “ “ , 其中 为饱和导水率 , 为放牧率羊 。 随着放牧率的增大 , 土壤饱和
导水率的变异程度并未出现趋势性的变化 。
关键词 放牧 放牧率 土壤饱和导水率
前言
我国北方草原区正承受着愈来愈重的放牧压力 。过度放牧是造成草原退化的主要原因 。
水分是草原区最主要的生态限制因子 , 放牧率与草原生态系统水分过程的研究既能阐明放
牧的生态学后果 , 又有助于揭示过度放牧导致退化的机理 。 土壤饱和导水率是水分平衡研究
的重要参数 , 它影响着地面的水入渗 、径流及蒸散三者之间的分配关系 。再者 , 饱和导水率具
有高度的空间变异性 , 并且这种变异性被作为一个重要的因素而 作用于生态系统的水分分
配关系 , , 。
本文作者研究放牧对土壤饱和导水率和对饱和导水率的空间变异性的影响 。
材料与方法
自然概况和放牧试验设计详见本期李永宏等 , 一 页 。
本试验共设六个放牧率 , 即 。、 、 、 、 、 羊 , 重复三次 。 随机区
组设计 。 该放牧试验 始于 年 李永宏等 , 。
土壤饱和导水率测定 采用双圈法 , 参照华孟 、 王坚 的方法并稍作改动 。外圈直
径 , 内圈 。 内外圈水面相平 , 高出地表面约 , 测量水面每下降 所需时
间 单位 秒 , 再重新加水到 , 重复三次 。 饱和导水率 一 。 每小区 只
测 个点 , 个小区共测 个点 放牧率分别为 、 、 、 、 羊
, , 共 个小区及对照区 。 随机选测一点 , 再自西向东每隔 米定点测定 。
土壤饱和导水率的空间变异情况 , 在样地北六区对照 不放牧 、 北五区 羊
, 中国科学院 “ 九五 ”特别支持项 目 一 一 和重大项 目 一 一 , 及 国家 自然科学基金重大基金项目 资助二 , 本研究承内蒙古大学孙铁军及本室王其兵先生多方协助 , 谨此致谢
草 地 学 报 年
和中五区 羊 , 以三者 的汇点为中心向四周每隔 米以 网格状选 点 , 共测定
个点 。
数据处理
对饱和导水率值先进行自然对数化处理 , 再进行一元方差分析并进行多重 比较 。 对每小
区导水率的变异系数进行相似的分析 。 统计分析所用软件为 ! ∀ # 。 半方
差分析以及饱和导水率等值线图利用 地统计学软件包 。
结果与分析
前 人的研究认 为非饱和导水率呈对数正态分布 , , 而有的学者则认为只
有平方根化的数据符合正态分布 , 。 本研究对饱和导水率数值经对数化 、 自
然对数化和平方根化处理后数据的分布形式进行比较 图 , 结果表明 , 自然对数处理的数
据符合正态分布 。 本文中的饱和导水率数据事先经 自然对数化处理后再进行统计分析 。
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图 土壤饱和导水率的百分比分布
饱和导水率数据分布 对数化饱和导水率数据分布
平方根数据分布 自然对数化数据分布
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2 图 2 是对小区 (38 x 2 m Z)饱和导水率数据进行 K rige 插值后做出的等值线图 。 可以
看出 , 即使在空间尺度较小的情况下饱和导水率也表现纷繁复杂的空间结构 。这种复杂的空
第 3 期 牛海 山等 :放牧率对土壤饱和导水率 及其 空间变异的 影响
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图 2 38x 22m 2小区土壤饱和导水率空间结构 (38 义 2 2 m 2 )
F ig . 2 S p a tia l s tr u e tu r e o f s a tu ra te d h y d ra u lie e o n d u et iv ity in a n d 3 8 义 2 2 m 2 a re a
间变异作为“噪声 ”强烈地干扰着对处理因素(放牧)作用的分析 , 因此探讨放牧对土壤饱和
导水率的作用 , 必须首先考虑导水率空间分布的背景情况 , 尽可能剔除其本身固有的空间变
异性对处理因素的影响 。 图 3 是对同一小区内 150 个点的饱和导水率数据(对数转化数据)
进行的半方差分析结果 , 实测值几乎表现纯块金效应 , 用指数模 型 (E xP on ent ial M od el) 拟
合得出的范围值(R an ge )为 2.51 m , 与本研究中所采用的空间尺度(2 m )很相近 。 另外 , 以
不同方位角对 2 维数据进行半方差分析 , 均呈现纯块金效应 。 所以本研究中相邻两点间的土
壤饱和导水率可以视为相互独立 , 因此在 Z m 或 Z m 以上取样尺度条件下 , 研究放牧率对
土壤饱和导水率的影响可以运用经典统计方法 。
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分隔距离(m) Separation distanee (m)
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图 3 土攘饱和导水率半方差分析
F ig.3 Sem ivarianee analysis of saturated hydraulie eonduetivity
3 .3 随着放牧率的增大 , 土壤饱和导水率显著下降 (表 1) , 无论是饱和导水率的原始数据
或是经 自然对数化处理的数据都明显地反映这一点 。 方差分析结果表明 , 放牧因素作用极显
著(p一 0. 0 0 3 ) 。 而且 , 放牧率与饱和导水率间回归关系极显著(方差分析 p 一 。. 0 0 0 ) , 回归方
程如下 :
草 地 学 报 1999 年
Y = e 一 2· 7 2 一 0 .0 5 :Z x
Y :饱和导水率 , m m / 秒
X :放牧率 , 羊/h m Z
对于方程中的两个参数(一 2. 72 和一 0. 0 8 2 2) 进行检验 , 均达到极显著水平(p< 0.01)。
表 1 放牧率对土壤饱和导水率的影响
T able 1 E ffeet of stoeking rate on the 5011saturated ghydraulie eonduetivity
放牧率
S toeking rate
平均值
M ean value
标准差
S tandard varianee
0.077273
0 068785
0.060946
0.058335
0.053781
0.042884
0.0 40 078
0.0 50 195
0.0 31196
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3.4 对各小区饱和导水率数据的标准差进行一元方差分析 , 结果表明放牧对饱和导水率的
变异程度有极显著的作用 (p一 0. 0 4 ) 。 但是 , 随着放牧率的增加 , 饱和导水率变异系数并未
出现趋势性的变化 (表 2)。 放牧率在 1.3 和 4 羊/h m Z 时 , 变异系数较大 , 而在对照和重牧
区 (6 . 67 羊/h m Z) , 变异系数值接近且 为最低 。
表 2 放牧率对土壤饱和导水率变异系数的影响
T able 2 G razing effeet on the eoeffieients variation of saturated hydraulie eonduetivity
放牧率
Stoek ing rate
变异系数
C oeffieient
0 5 18662
0.72 9739
0.5 1186 1
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0.622295
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4讨论
4.1 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 。
随着牧压的增强 , 牲畜对土壤的压实(com pac t) 作用愈来愈强烈(w ar re n 等 , 1 98 6 ) , 导致土
壤大孔隙不断丧失 。 G re e n w o o d 等 (1997) 认 为绵羊对土壤的压实作用主要局限在 5 。m 以
上的表土层 , 而孔隙度降低主要是大于 1.2 m m 当量孔径孔隙的减少 。 有的实验证明无论表
土还是亚表层土壤的孔隙都明显减少(Pr of fit t等 , 1 9 95 ) 。 总之 , 随着放牧率增大 , 一定深度
内土壤的孔隙度下降 , 尤其大孔隙的丧失 , 是造成饱和导水率下降的重要原因 。
4
.
2 有关放牧对土壤物理性质影响的研究 , 经常出现这样的情况 , 即土壤容重 、孔隙度等指
标只在不放牧 (包括极轻度放牧)和放牧之间差异显著 , 而在放牧的情况下 , 各放牧率间的差
异较小 。 贾树海等 (1997a)在大针茅草 , 放牧强度等级对土壤容重变化的数据 , 以及贾树海等
第 3 期 牛海 山等 :放牧率对土壤饱和 导水率 及其空间变异的影响
( 1 9 7b )关于白音库仑牧场退化草原的系列土壤物理性质研究中 , 容重和孔隙度变化的数
据都反映上述这一规律 。 G re e n w o d 等(1997 )对长期放牧样地(> 30 年 )的土壤不饱和导水
率 、容重和强度进行分析后得到相同的结果 , 作者认为放牧对土壤物理性质的影响具有累积
性 , 而且经过长期放牧后 , 各牧压梯度上土壤物理性质趋于相同 。 而本文的饱和导水率数据
却不符合这一规律 , 即随着放牧率的增大饱和导水率持续下降 。 然而 , 时间因素对土壤饱和
导水率影响究竟有多大? 是否也具有累积性和 “趋同点 ” ? 这些问题尚有待进一步探讨 。 但
是从 G re en w o d 的数据中也发现 , 即使经过 30 多年的放牧实验 , 各牧压梯度下大孔隙的不
饱和导水率差异也很大 , 只是随着孔隙变小牧压梯度上不饱和导水率的差别才逐步减小 , 这
似乎暗示在放牧压力下饱和导水率变化对大孔隙变化具有高度依赖性 。
4
.
3 在过度放牧引起退化的情况下 , 土壤质地变粗(贾树海等 1997b ;顾新运等 , 1 9 7 ) 。 但
是现在尚不能准确地断定该变化对土壤饱和导水率的作用有多大 , 但是显而易见 , 这不是影
响饱和导水率变化的主要原因 , 因为质地变粗 , 往往导致饱和导水率的升高 。
4
.
4 仅仅根据点上的导水率数据推断一个区域的土壤导水能力是不完全的 。 如前所述 , 有
许多研究者指出 , 土壤特性的空间变异 , 对一定面积上的土壤导水能力产生巨大作用 。 本实
验的结果证 明放牧对土壤饱和导水率的空间变异亦有显著作用 (图 3) , 可是与放牧率之间
并非线性关系 。 M il y ( 1 9 8 7) 认为土壤特性 (包括土壤导水性能)的空间变异将使水分平衡对
土壤平均物理性状的依赖性降低 。这种作用在本实验中也是肯定存在的 , 但是如何使其定量
化 , 尚有待进一步研究 。
4
.
5 土壤特性的空间变异对空间尺度具有很强的依赖性 , 空间变异性对水分过程的影响也
对空间尺度具有很强的依赖 。 本文研究我国北方典型草原区 , 正常降雨情况下 , 在坡度低于
10 时 , 一般不发生明显的地表径流 。 所以 , 本实验所采用空间尺度上的土壤饱和导水率的空
间变异对水分过程的作用只局限于少部分时间和小部分地块 , 例如发生暴雨或者地表的坡
度较大时 。 在该地区进行更小尺度导水率的空间变异的研究将更具有意义 。
参 考 文 献
l 华孟 、 王坚 (主编 ) , 1 9 93 . 土壤物理学 . 北京 :北京农业大学出版社 , 2 84 一 285
2 贾树海 、 崔学明 、 李绍良 、 陈有君 、 王芳玖 , 1 9 9 7 , 牧压梯度上物理性质的变化 . 见 :草原生态系统研究
(第 5 集) , 北京:科学出版社 , 1 2 一 16
3 贾树海 、 李绍良 、 陈有君 、 董海峰 、 郭宝峰 , 1 9 9 7 . 草场退化与恢复改良过程中土壤物理性质和水分状况
初探 . 见 :草原生态系统研究(第 5 集 ) , 北京 :科学出版社 , I n 一 117
4 顾新运 、 李淑秋 , 1 9 9 7 . .放牧强度对草原土壤超显微特征的影响 . 见 :草原生态系统研究 (第 5 集) , 北
京 :科学出版社 , 80 一 87
5 G reen w o od K I , M a e l 矛e o d D A , H u t e h i n s o n K J , 1 9 9 7 . 1 , o n g 一t e r m s t o e k i n g r a t e e f f e e t s o n s o i l p h y s i e a l
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草 地 学 报 1999 年
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