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《兰州大学》 2007年
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环县典型草原放牧家畜践踏的模拟研究

林慧龙  
【摘要】: 践踏是放牧家畜对草地的三大影响因素之一,也是导致草原全面退化的最主要的原因。为了深入探索草地退化机理和草地恢复机制,研究家畜对草地的践踏作用是非常必要的,但是由于技术和方法的限制,相关的研究报道较少,极大地削弱了我们对草地农业生态系统的主体—草畜界面生态动力机制的整体认识。基于上述原因,在我国干旱半干旱的黄土高原典型草原区——兰州大学环县草畜生产系统野外实验点,通过滩羊夏季轮牧试验践踏强度的跟群观测、践踏同质性试验、模拟降水与试验践踏的双因子试验进行了为期2年的野外试验系列研究。首先建立了践踏强度指标和严格的践踏试验方法,然后围绕践踏强度这一主线重点揭示土(土壤理化性质,土壤侵蚀)—草(地下生物量)—畜(践踏)在不同降水条件下的互作机制,对家畜践踏这一不受关注的“小”问题,应用数学生态学的原理和方法开展综合性、系统性的研究,探讨家畜践踏对草地的作用。主要结果如下: 1、提出践踏强度是在特定的放牧方式(自由放牧或轮牧)下,单一种或组合种畜群单位时间内(通常指一个放牧季内)对单位草地面积所施加的践踏重力或践踏面积,它应有三种表示方法:重力表示法、面积表示法、频率表示法。首次提出了践踏单位和践踏当量概念,以明确践踏强度的计算标准和折算标准,有助于使当前不统一的践踏强度表示方法规范化。 2、通过在环县典型草原不同放牧强度下轮牧试验的跟群观测,获得了家畜践踏强度依放牧强度的幂函数式增大的定量结论,揭示了放牧强度与践踏强度的关系,该定量结论为调控践踏提供了实践途径,为制定科学的放牧制度提供了又一新的理论与实践的基础。 3、研制了模拟践踏器,通过对试验践踏样区与传统的滩羊夏季轮牧样区的土壤和植被的6项指标的对比研究表明,模拟践踏与放牧滩羊的践踏具有同质性,为本研究提供了将践踏与采食和排泄的影响区分开来的试验手段,使能对践踏进行精确的研究。 4、根系是植物体受放牧家畜采食影响较小,而受放牧活动机械干扰(践踏)较大的部位,但践踏对草地地下生物量影响的专项研究较少。对以0-10cm地下生物量为目标函数,以践踏强度、牧草生长期降水量为决策变量的践踏、降水耦合模型,以地下生物量最大化为准则,进行解析和寻优分析,确定出环县典型草原适宜的草地放牧强度是3.84-5.09羊单位/hm~2。 5、对模拟降水与试验践踏的双因子野外控制试验的48个试验处理组合的5项土壤化学指标进行分析,结果表明在践踏强度梯度上碱解氮(mg/kg)和全磷(%)差异显著;在模拟降水量梯度上,碱解氮(mg/kg)、全磷(%)、速效磷(mg/kg)和有机质(%)差异显著,表明土壤化学性状对模拟降水更为敏感。践踏强度与模拟降水量交互效应对碱解氮(mg/kg)、全磷(%)、有机质(%)影响显著,说明践踏和模拟降水均是引起土壤化学性质变化的驱动力因素。 6、通过模拟降水与试验践踏的野外控制试验,对不同试验组合样区表土(0-15cm)质地的机械组成,利用分形模型计算了土壤粒径分形维数,计算结果表明:分维数值均表现为重度践踏区<中度践踏区<轻度践踏区<对照区,说明分维数指标对践踏强度呈一定的负相关,即践踏强度越大土壤的分维数值越小。但分形维数递减幅度与模拟降水处理水平相关,在模拟降水处理水平依次为干旱、自然降水、平水、丰水时,粒径分形维数递减幅度依次为4.33%、2.61%、1.34%和1.23%。降水与践踏的匹配关系,对形成确定的分形维数具有决定性作用,其回归模型是:F=2.427+2.0982×10~(-4)W-1.3333x10~(-4)T。土壤侵蚀过程在土壤颗粒分形维数上亦可表现为分形维数降低,因此,在此种意义上来说,土壤分维数的测算对土壤侵蚀程度的评估具有一定的指示意义,对进一步研究放牧草地土壤侵蚀机理可能具有推动作用。 7、降水和践踏通过各种不同强度的侵蚀外营力组合方式,改变土壤可蚀性。以牧草生长期单位面积累计践踏量和模拟降水量为自变量的土壤可蚀性K值的ANN(Artificial Neural Networks)关系模型具有较好的拟合结果和预测能力,说明直接从输入到草地生态系统的外侵蚀营力着手,跨越系统内土壤可蚀性变化的内在的复杂的隐含过程,建立的输出端—土壤可蚀性K值与土壤侵蚀外营力的ANN(Artificial Neural Networks)关系模型是准确确定土壤可蚀性K值的一次全新的成功尝试。 8、模拟降水和试验践踏通过各种不同的组合方式改变土壤抗蚀力,从而起到对草地土壤侵蚀的增减作用。在牧草生长期,中、高强度践踏对土壤的扰动,加剧了干旱状况下土壤风蚀的风险,降水具有双向调节作用,即在践踏强度升高时具有降低土壤侵蚀的作用,而在践踏强度降低时又具有升高土壤侵蚀的作用,但显然模拟降水对土壤侵蚀的限制作用小于践踏对侵蚀的增加作用。构建的以试验期土壤侵蚀模数为因变量,以践踏、模拟降水累计量为自变量的机理模型,可为黄土高原放牧地土壤侵蚀产沙量提供计算方法。据此,以土壤侵蚀最小化为目标,对于不同的牧草生育期降水量,解析得到的最适放牧强度显然是对正确确定载畜量的一次新的尝试。 9、在可持续发展前提下,仅仅根据草畜的供求关系管理放牧系统远远不够,科学管理放牧系统还需要兼顾“地下生物量”和“土壤侵蚀”状况,为此提出:适宜的放牧率=min(理论载畜量,以地下生物量最大化为准则确定的适宜放牧率,以土壤侵蚀最小化为目标确定的最适放牧率)。由此得出环县典型草原在牧草生长期降水量为224.9mm时,最适宜的践踏强度为:39次羊践踏/m~2·期,对应的放牧强度为:3.8羊单位/hm~2。
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