放牧强度和草地利用方式对内蒙古典型草原土壤氮矿化和凋落物分解的影响

【摘要】：全球变化背景下,开展草原生态系统土壤氮库、氮矿化作用、凋落物分解的动态变化规律及其对环境变化和人类活动干扰的响应与适应机制的研究,有助于我们深入了解和掌握草地生态系统的退化机理,为合理利用草地资源和草地生态系统的可持续发展提供理论依据。本研究依托内蒙古锡林河流域中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的大型放牧控制试验平台,研究了不同放牧强度和草地利用方式下土壤氮库、氮矿化速率和凋落物分解过程中氮素储量的季节动态变化及其与生态系统功能的关系。该放牧试验开始于2005年,试验设置有2种放牧制度(传统放牧和混合利用)和7个放牧强度(0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 and 9.0sheep hm~(-2)),采用随机区组设计,共计56个试验小区。在混合利用方式下,放牧区和割草区每年轮换一次,即第一年为放牧处理,第二年转为割草处理,反之亦然。在传统利用方式下,放牧区和割草区不轮换,即放牧区一直进行放牧处理,割草区一直进行割草处理。放牧时间为每年的6月初至9月中旬,持续100d左右,晚上不归牧;打草时间为每年的8月中旬。 2008年10月至2009年9月,研究了土壤无机氮库和净氮矿化速率的季节动态变化规律及其与生态系统功能的关系。结果表明,在非生长季和生长季旺期,放牧区的土壤净氮矿化速率都有不同程度的减少,且在非生长季,所有的放牧区都出现了氮固持现象。在生长季初期,放牧促进了净氮矿化并增加了累积氮矿化量。放牧对土壤无机氮库和净氮矿化速率季节动态的影响主要是受土壤温度和湿度的调控,在生长季旺期土壤湿度起主要作用。放牧可以通过改变植物的净初级生产力、生物量氮含量以及氮素的利用效率进而影响土壤无机氮含量和氮矿化。从季节变化而言,土壤无机氮库和净氮矿化作用主要受放牧强度、土壤温度、湿度以及它们之间交互作用的影响。 2009年6月至2010年9月,研究了施尿和施粪对土壤不同层次无机氮含量和植物功能性状的影响。结果表明,土壤无机氮含量对施尿和施粪的响应随取样时间和土壤层次不同而差异显著。施尿处理后1周时间,土壤无机氮含量急剧增加,而在16周后影响效果减弱;施尿对植物地上生物量、植株高度和植株全氮含量的影响具有明显的正效应,对植株全碳含量有明显的负效应。施粪对土壤和植物的影响较缓慢,对0～5cm土层无机氮含量的影响强于5～10cm土层;随施粪量水平的增加,植株高度和地上生物量增加,中度施粪量水平下植物的养分含量较高。 2009年6至9月,研究了不同放牧强度(0、3.0、6.0和9.0sheep hm~(-2))与打草交替利用方式下土壤无机氮含量、土壤含水量和温度的变化及其相关性。结果表明,土壤温度整体呈先增加后降低的趋势,土壤含水量与之相反;土壤铵态氮含量与温度之间的相关性不明显,与含水量呈负相关;硝态氮含量与温度呈显著负相关,与含水量间呈极显著正相关;中度放牧强度下,总无机氮含量与温度呈显著负相关,与含水量间呈显著正相关。综合分析,中度放牧强度与打草交替利用方式较有利于土壤氮素的转化以及无机氮含量的增加。 2009年5至9月,研究了不同放牧强度和草地利用方式下,群落水平凋落物的分解速率、失重率及其碳、氮损失率的变化规律。结果表明,经过一个生长季的分解,传统放牧和混合利用方式下,放牧都不同程度地加速了群落凋落物的分解和失重。在传统放牧平地和混合利用坡地系统中,重度放牧小区群落凋落物的分解速率和失重率分别显著高于对照区的45%和40%;在混合利用平地系统中,中度放牧小区群落凋落物的分解速率显著高于对照区的35%。群落凋落物碳和氮损失率在传统放牧系统和混合利用系统中,呈现出相反的变化趋势,但是总体表现为增加放牧强度可以加速群落凋落物中碳氮的释放。高放牧强度下,群落凋落物的分解速率、失重率和碳损失率的显著差异表现为混合利用传统割草传统放牧,这一研究结果在一定程度上支持了放牧优化假说。