內蒙古典型草原放牧壓力評價及土壤N儲量響應

李瑞華，李曉兵，王　宏，鄧　飛，李　旭

1 北京師范大學資源學院，北京　100875

2 河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作　454000

3 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京　100875

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內蒙古典型草原放牧壓力評價及土壤N儲量響應

李瑞華1,2，李曉兵1,3,*，王宏1，鄧飛1，李旭1

1 北京師范大學資源學院，北京100875

2 河南理工大學測繪與國土信息工程學院，焦作454000

3 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京100875

摘要:放牧是草原生態系統的重要干擾，是草原氮循環的重要影響因素。為了揭示放牧對土壤N儲量的影響，在內蒙古典型草原，基于單位草原面積草原載畜量和單位草原生產力，建立了放牧壓力評價模型，并利用1990—2011年以縣為單位統計的放牧牲畜數據和2001—2011每年合成的MODIS-NDVImax影像數據評估了放牧壓力的空間分布?；?011年野外調查的95個樣點和2010年調查的41個樣點數據，對處于低放牧壓力(LG)，中放牧壓力(MG)和高放牧壓力(HG)的樣點數據進行了統計分析。結果表明：放牧壓力對土壤容重(BD)，土壤全碳(TC)含量和土壤全氮(TN)含量具有顯著影響，特別在土壤表層(0—10cm)，土壤容重、TC含量和TN含量在LG，MG和HG之間存在顯著差異。TC含量和TN含量隨放牧壓力增加而降低，BD隨放牧壓力增加而增加；黏粒含量(CC)在3個放牧壓力梯度上不存在顯著差異；土壤N儲量表現出和TN含量相似的變化特征，隨土壤深度增加而降低，隨放牧壓力增加而減少，在0—50cm范圍內，土壤N儲量在LG、MG和HG之間存在顯著差異(2011，P<0.05; 2010，P<0.1)。重度放牧是草原生態系統氮損失的主要因素之一，降低放牧壓力有助于降低草原氮損失和恢復植被生產力。

關鍵詞：NDVI；載畜量；放牧壓力梯度；土壤N儲量；內蒙古

氮是植被生長關鍵的限制因素之一[1]，特別是干旱半干旱區的自然草原生態系統[2]。放牧是草原生態系統利用的主要形式[3]，是塑造草原群落結構和功能的關鍵干擾[4]，其對植被生長的積極和消極作用還存在爭議[4- 9]。分析放牧對土壤氮的影響，有助于理解放牧管理對牧場健康的作用效果[8]，隨著對草原可持續利用的關注日益增加和發展可持續的草原利用實踐，需要定量確定土壤N儲量對放牧壓力的響應[2]。

過度放牧被認為是草原退化的主要原因之一[10- 11]。放牧壓力和物種組成相互作用影響土壤N動態，而土壤N動態反過來影響植被結構和物種組成[12]。牲畜生產被認為N損失的主要源泉[13]。圍封試驗也表明相比于開放的牧場，圍封能夠顯著提高表層土壤N儲量[10]。由于自由放牧的天然牧場和圍封控制實驗的草原環境存在一定的差異，采用圍封控制實驗得到的放牧壓力梯度及土壤N儲量響應與天然草原放牧壓力梯度引起的土壤N儲量響應是否一致，目前仍不清楚。另外，空間尺度對于理解生態系統功能響應是一個重要維度，因為影響的方向和量級是系統或尺度依賴的[6,14]。在區域尺度上放牧如何對生態系統功能和土壤N儲量影響的研究仍然缺乏[15]。放牧壓力通常采用每公頃每月載蓄量計算，由于植被生產能力的差異，載畜量指示的放牧壓力在不同樣地之間難以進行比較[16]。而在區域尺度上將單位面積承載的牲畜數量和植被生產力相結合進行放牧壓力評估，比較不同放牧壓力梯度上土壤N儲量的變化特征還未見報道。

當前，溫帶草原大部分牧場正遭受過度放牧，多數草原由于過度放牧和不合理的管理正在退化，特別是在干旱和半干旱草原[17]。內蒙古溫帶半干旱草原是溫帶歐亞草原的重要組成部分，覆蓋了20%的中國草地面積[18]，在過去幾十年內，天然草原遭受了過度放牧，已經導致大約30%—50%草原存在退化[19]。隨著土壤特性的變化，土壤養分耗竭和生態服務功能降低，已引起了嚴重的經濟，社會和環境問題。我國政府在最近幾年加強了該區植被覆蓋的研究和實踐探索[20- 21]。然而，在區域尺度上放牧對土壤特性影響的研究依然很少有人關注[22]。

基于單位草原面積載畜量和植被生產力，本文建立了草原放牧壓力評估模型，并利用該模型評估和分析了內蒙古典型草原放牧壓力的空間分布及土壤N儲量響應。本文研究目的是評價區域草原放牧壓力的空間分布，分析不同放牧壓力土壤N儲量及相關的土壤特征存在的差異，在區域尺度上揭示土壤N儲量對放牧壓力變化的響應。

1研究區域

研究區域屬于內蒙古典型草原，位于經度113°27′—119°12′，緯度43°2′—46°44′之間，包括阿巴嘎旗、錫林浩特市、西烏珠穆沁旗和東烏珠穆沁旗的大部分區域(圖1和圖2)。該區域屬于中國的半干旱區域，年平均降水量270mm(在200到350mm之間變化)，降雨集中于6—8月份，占全年降水量60%—80%。年平均溫度2.2℃(在-2.3℃和5.6℃之間變化)[23]，季節溫差大，1月份溫度最低，最低溫度可達-34.7℃，7月份溫度最高，最高溫度可達32.8℃。該區是內蒙古草甸草原向荒漠草原的過渡區，氣候過渡特征明顯，降雨和溫度自東南向西北遞減。該區地貌屬于內蒙古高原，地勢西高東低，海拔在767—1643m之間，地勢起伏較小，是放牧的理想區域。植被類型主要為大針茅(Stipagrandis)，克氏針茅(Stipakrylovii)，羊草(Leymuschinensis)，隱子草(Cleistogenes)和冷蒿(Artemisiafrigida)，植被生長季為4—8月份；與氣候過渡特征相一致的地帶性土壤——淡黑鈣土、草甸栗鈣土、暗栗鈣土、栗鈣土、淡栗鈣土和灰漠土占主體，零星分布有風沙土、潮土和沼澤土等非地帶性土壤；這里是中國傳統的天然草場，有著悠久的放牧歷史，是中國重要的畜牧業生產基地。1978之前輕度輪牧制度使得放牧對草原的影響較小，而1978年之后，實行的牧場承包經營制度，牧戶在自己所承包的牧場內放牧，牧戶承包的牧場規模和放牧的牲畜數量存在較大的差異，導致草原放牧壓力呈現顯著的空間異質性，一些牧場由于過度放牧已出現退化。

圖1　研究區域采樣點位置Fig.1　Study area and location of sampling points

圖2　放牧壓力空間分布圖Fig.2　Distribution of grazing pressure

2研究材料和方法

2.1影像數據

采用美國國家航空航天局(簡稱NASA)提供的2001—2011年6—8月份16d合成的MODIS-NDVI產品數據(產品類型：MOD13A2，1000m分辨率，2001—2011)作為研究的基礎影像數據。該期間是植被一年中長勢最好的時期。為了降低人為干擾(放牧或割草)的影響，對每年的6期影像進行最大值合成生成MODIS-NDVImax數據，并對2001—2011年所有年份的MODIS-NDVImax進行平均后得到反映區域植被生產能力的MODIS-NDVImax數據以用作計算放牧壓力指數。另外，由于研究區域6—8月份有較多的降雨，為弱化遙感影像云污染的影響，在應用數據前，采用時間序列諧波分析法(Harmonic Analysis of Time Series，HANTS)對MODIS-NDVI影像進行了預處理[24]，以提高影像的質量。

2.2土壤采樣方法

為增強2010年和2011年采樣數據的可比性，采樣時間統一為7月15號到8月15號。樣地選擇在自由放牧的傳統天然牧場，為降低地形的影響，樣地布置在相對平坦處，同時，為降低人類活動的影響，要求樣地和居住區、城鎮或主要干道距離不小于2000m。樣地與樣地之間的距離不小于20km。樣地分布如圖1所示。采樣時在每一樣地挖一個土壤剖面，深度為50cm，分5層(0—10cm、10—20cm、20—30cm、30—40cm和40—50cm)取樣，采用環刀法測土壤容重，吸管法測土壤顆粒分布，利用CHNOS Elemental Analyzer(德國ELEMENTAR公司生產，型號：Vario EL cube)測算TC和TN含量。

2.3放牧壓力計算

傳統的放牧壓力常采用單位面積的載畜量計算，忽略了植被生產力的空間差異性，在區域較大時難以表明草原生態系統所承受的壓力。放牧壓力評價應將草原單位面積載畜量和植被生產力結合起來，用單位生產力所承受的牲畜量來表示放牧壓力則更為客觀。由于單位面積載畜量受放牧管理制度的影響，而旗縣之間和同一旗縣不同年份之間單位面積規定的放牧數量存在一定差異。因此，用1990—2011年統計的縣級行政單位的可利用草原面積和6月份擁有的牲畜數量，計算該旗縣每年的單位草原面積的載畜量，并用22年單位草原面積載畜量的平均值，作為最后該旗縣單位草原面積的載畜量。將研究區域內每個旗縣的單位草原面積載畜量作為行政區劃圖上旗縣的屬性數據，利用ArcGIS (ESRI Institute, 1993)生成研究區域單位草原面積載畜量專題圖，以1000m分辨率重采樣轉換為柵格影像，進行空間糾正，使其和MODIS-NDVI影像空間參考一致。

植被生產力采用MODIS-NDVI影像數據計算。NDVI是用來表明地表生產能力的歸一化植被指數[25]。已有研究表明研究區域植被生產能力和NDVI成正相關關系，相關系數達到0.78以上[26- 27]，因此可用NDVI近似表示地表的植被生產能力。放牧壓力和單位面積的載畜量成正比，和單位面積的植被生產力成反比?？紤]到NDVI存在年內和年際間的變化，采用2001—2011年6月份到8月份的NDVI最大值(NDVImax)的平均值來代替地表的植被生產能力。放牧壓力的計算如公式1所示:

(1)

2.4 土壤N儲量計算和統計分析

既然土壤N儲量沿土壤剖面變化而變化，土壤N儲量計算如下公式(2)所示[29- 30]。

(2)

式中，n是土層數量，Td是土壤深度為d的土壤氮儲量(Mg/m2)；Bi為第i層的土壤容重(Mg/m3)；Pi為第i層土壤氮含量(gN/g)；Di為第i層的厚度(m)；

統計分析采用SPSS程序(SPSS Institute, 2007)。采用最小顯著性差異方法(LSD)方法判定不同土壤深度的BD(g/cm3)，CC(%)，TC (%), TN (g/kg)和土壤N儲量(kg/m2)在不同放牧壓力下的差異顯著性。利用ArcGIS(ESRI 公司, 1993)自然斷點分類方法，劃分放牧壓力空間分布圖。

3結果3.1研究區域放牧壓力空間分布

研究區域東北部放牧壓力較低，西部、中西部和東南部放牧壓力較高。在行政區劃上放牧壓力較高的區域主要分布在西珠穆沁旗，錫林浩特市的西北部，阿巴嘎旗的西部和東烏旗的西部。另外，在非草原區的水域和居民點周圍地區放牧壓力也較高。

3.2不同放牧梯度土壤容重，黏粒含量，土壤有機碳和全氮含量變化特征

表1列出了不同土層土壤容重，黏粒含量，土壤全碳和全氮含量在不同放牧梯度的變化特征。土壤容重隨著土壤深度增加而增加，在放牧梯度上表現為低放牧壓力(LG)<中放牧壓力(MG)<高放牧壓力的特征。其中，在2010和2011年LG和MG，LG和HG的土壤容重在土壤表層(0—10cm)都表現出顯著差異，而MG和HG之間沒有表現出顯著差異性；黏粒含量在兩年中都沒有變現出明顯的規律性，在LG、MG和HG之間也不存在顯著的差異性；TC除在2011年的高放牧壓力樣地表現出不規律外，在其他放牧壓力樣地都表現出明顯的規律性，既隨著土壤深度增加而降低。在0—20cm土層，全碳含量表現為LG>MG>HG，其中在0—10cm的土層中，在2011年LG、MG和HG兩兩之間都存在顯著差異，在2010年表現為LG與MG和HG之間存在顯著差異；TN含量隨著土壤深度增加而降低，在2011和2010年在土壤表層都表現出LG與MG和HG具有顯著的差異性。在2011年的10—20cm土層LG和HG之間，MG和HG之間存在顯著差異。而在20—50cm之間除在2011年的20—30cm土層中LG和HG存在顯著差異性外，其他土層TN含量沒有表現出顯著的差異性。

表1　2011和2010年不同土壤深度土壤容重、黏粒含量，土壤全碳和全氮含量特征

表中的值是平均值±標準差; a: LG 和 MG之間存在顯著差異；b:LG和HG之間存在顯著差異；c:MG和HG之間存在顯著差異.

3.3土壤N儲量變化

土壤N儲量隨土壤深度增加而降低，各層的土壤N儲量表現為LG>MG>HG，放牧壓力越高，土壤N儲量越低(圖3)。2011年各土層土壤N儲量在LG，MG和HG 3個放牧壓力梯度都呈現顯著差異，在0—50cm深度范圍內，在LG、MG和HG 3個放牧壓力梯度上降低趨勢明顯，LG、MG和HG土壤N儲量具有顯著差異(圖3)。在2010年土壤N儲量變化趨勢和2011年近似，只是在0—10cm和20—30cm的土層LG、MG和HG之間存在顯著差異，在其他土層表現不明顯。在0—50cm深的范圍內，土壤N儲量也呈現降低趨勢，但是，MG和HG土壤N儲量差異較小，LG、MG和HG之間差異顯著性達到了0.1的顯著性水平(P=0.07)。

圖3　2010和2011年樣地不同土層土壤N儲量分布。數值是平均值±標準差Fig.3　Distribution of soil N storage in the soil horizons of grazing pressure gradients in 2011 and 2010s:該層LG(低放牧壓力)、MG(中放牧壓力)和HG(高放牧壓力)之間存在顯著差異(P=0.05)

4討論

4.1放牧壓力模型及對放牧壓力空間分布的影響

圖4　研究區域內不同行政區域1990—2011年平均單位草原面積載畜量和年NDVImax的平均值Fig.4　Average stocking rate in the administrative districts and the mean of NDVImax of study area from 1990 to 2011

利用結合植被生產力的放牧壓力評價模型對區域放牧壓力評價，得到的放牧壓力空間分布不僅受單位面積載畜量影響也收到植被生產力空間差異的影響。研究區域處于我國的半干旱區，植被生產力受降雨分布的影響，呈現自東南向西北遞減的特征(圖4)，而單位草原載畜量不僅僅受自然條件(如水和產草量)的影響還受到草原管理制度的影響，不同的旗縣自1990—2011年單位草原載畜量有著明顯的差異(圖4)。在單位草原載畜量和植被生產力兩個因素的共同作用下，形成了放牧壓力的空間分布特征(圖2)，例如：阿巴嘎載畜量較低(圖4)，但由于阿巴嘎旗的西部植被生產力較低(圖4)，導致該區域放牧壓力較高；相反，西珠穆沁旗植被生產力較高(圖4b)，但由于載畜量也較高，導致放牧壓力較高。另外牧民居住地和水源地周圍，盡管大多具有較好的水分供給，但由于牲畜在此活動較為頻繁，導致相對于其他區域植被啃食比較嚴重，使得表示植被生產能力的NDVI值較小，從而放牧壓力較高。由此可以看出，結合植被生產力的放牧壓力評價模型將影響放牧壓力的自然和社會因素結合在一起。將降水、溫度、土壤和植被甚至生態系統中微生物活動等自然因素對放牧壓力的影響反映在植被生產力指標中(NDVImax)中，而放牧牲畜數量的社會活動反映在載畜量指標中，其他社會活動(過度打草、采礦)導致草原植被覆蓋降低，也可以在植被生產能力指標(NDVImax)中反映，因此結合植被生產力的放牧壓力評價模型將放牧強度(單位草原面積載畜量)和資源承載力(單位草原面積生產力)結合起來可以在區域尺度上對草原的放牧壓力進行客觀評價。

4.2BD、CC、TC和TN變化特征及對土壤N儲量變化的影響

Wang等得出錫林格勒草原土壤容重隨土壤深度增加而增加[30]，本研究得到了相似的結論。隨著放牧梯度的增加，土壤容重不斷增加，特別在土壤表層(0—10cm)LG，MG和HG的土壤容重具有顯著差異。HG的表層土壤容重比LG高出0.16g/cm3原因可能是，放牧壓實了表層土壤，增加了表層土壤容重，放牧壓力越大，容重越大[31]，由于表層土壤被壓實，降低了土壤空隙度，增加了地表徑流，降低了土壤持水量[31- 32]。壓實的土壤影響了土壤N的礦化和土壤含水量，從而影響到植被的生長[33]。Biondini等也提出土壤中氮素的礦化速率強烈地受到放牧壓力的影響，放牧壓力越大，土壤中的凈氮礦化率越低。因此隨著放牧壓力增大，土壤容重逐漸增加[34]，植被的生產能力降低。而在不施肥的情況下，植被生長需要的N是由凋落物和土壤有機質動態決定的[35]，以凋落物形式反還的N減少，從而影響到土壤N儲量。

Delgado等在對半干旱草原的研究中發現，N固定隨土壤黏粒和土壤有機質的增加而提高[36]，放牧壓力對土壤黏粒含量具有顯著影響，放牧壓力增大，植被蓋度降低，土壤黏粒由于風蝕作用而降低。由于土壤黏粒C和N含量較高，從而導致土壤C和N含量降低[37]。但本研究中土壤黏粒含量在不同的放牧梯度上沒有明顯差異，也即在該區域放牧壓力增加，土壤黏粒對于不同梯度土壤N儲量的影響不顯著，風蝕作用對土壤N儲量影響較弱。

土壤TN含量和TC含量變化特征相似，總體上隨放牧壓力增加而降低，主要原因可能是放牧導致土壤有機質降低，土壤有機質是土壤C和N的重要載體[16,38- 39]。土壤C和N的耦合循環[40]，使得N庫的一個變化通常伴隨著一個相應C庫的變化[41]。土壤表層的TN和TC含量在LG、MG和HG放牧梯度上表現出顯著差異。放牧影響最大的是近地表層，而底層的土壤中的C和N周轉周期較長，影響相對較弱。Medina- Roldan等在墨西哥半干旱草原，進行的放牧對土壤C和N儲量變化影響的研究發現，土壤TC和TN含量隨放牧壓力增加而減少，適度放牧(8—10hm2/牲畜單位)>重度放牧(2—4hm2/牲畜單位)>極重度放牧(<1hm2/ 牲畜單位)[42]。Frank等通過對美國曼丹放牧草原氮儲量長期數據的研究，提出在較長的時間尺度上，強度放牧會對土壤N儲量產生負面影響[43]。但也有些國外學者認為放牧對土壤全N含量沒有影響[6,44- 45]；我國學者在不同類型草原對土壤N含量也進行了廣泛的研究，一些研究結果和和本文的結論相同或相似，而一些研究結果則與本文的結果相反(表2)，因此，放牧壓力對土壤氮含量的影響還沒有一致的結論。這里面既有草原生態系統復雜的客觀原因，也有研究對象、研究方法和研究的時空尺度不同產生的影響。本文在區域尺度上，基于長時間尺度的載畜量數據和植被生產力數據(NDVImax)，得出的不同放牧壓力梯度上土壤N含量變化的特征，與在典型草原進行的相關研究已取得的研究結果[49,52- 53]具有相同或相似性。因此在區域尺度上，結合載畜量和植被生產力評價放牧壓力空間分布及其對土壤N儲量的影響是可行的。

4.3研究結果的不確定性分析

基于單位面積草原載畜量和植被生產力的放牧壓力評價模型，時間尺度的選擇對放牧壓力的空間分布會產生一定的影響。本文考慮到放牧對土壤氮儲量的影響具有一定滯后效應，選取1990—2011年的單位草原面積平均載畜量來表示研究區域載畜量的空間分布。而植被生產力主要受氣候、土壤等自然因素的影響，空間分布演變的時間尺度較長，因此選擇了氣候因素(降水、溫度)變化較為平緩的2001—2011年平均的NDVImax反映植被生產力的空間差異。由于植被生產力空間分布改變需要的時間尺度較長，短時間內不會有大的改變，由此引入的不確定性也較小。相反，單位草原載畜量載短期內則可能產生較大的變化，所以單位草原面積平均載畜量選擇可能引入較高的不確定性，選擇不同時間尺度平均載畜量得出的放牧壓力結果可能會有較大差異。本文選擇1990—2011年的平均載畜量，主要是考慮研究區域過度放牧主要發生在1991—2000年之間[23]，選擇的這個時間區間能夠涵蓋了過度放牧的草原載畜量。因此，平均單位草原載畜量時間尺度的選擇應考慮研究區域放牧特征和研究的目的，這樣有利于弱化尺度選擇不當對研究結果的影響。

另外，分析土壤N儲量對放牧壓力響應時，野外采樣也可能對研究的結果產生影響。本文2011年和2010年數據分析的結果不完全一致，原因可能是空間尺度的差異所致。2010年樣點采集主要集中于研究區域的中部，而2011年采樣覆蓋了全部區域。研究區域中部放牧壓力相比于整個區域放牧壓力偏高，低放牧壓力樣地較少，這樣對于輕度放牧壓力樣地代表性較弱，從而使得在同一研究區域內得出結果存在差異，也就是說野外采樣點的空間分布的代表性也會影響研究結果的不確定性。

表2　我國不同草原類型土壤N含量對放牧強度響應的相關文獻

5結論

放牧壓力是單位面積載畜量和植被生產力的函數，基于2001—2011年每年生長季合成的MODIS-NDVImax的平均值來表示區域植被生產力的差異和近22年的以縣級行政單元統計的單位面積載畜量，建立的放牧壓力評價模型能夠合理評估內蒙古典型草原放牧壓力的空間分布。通過ArcGIS自然斷點法對放牧壓力指數進行聚類，劃分了低放牧、中度放牧和高度放牧3個梯度，統計分析表明土壤容重在土壤表層LG，MG和HG之間存在顯著差異，總體上隨著土壤深度增加而增加，放牧對深層土壤容重變化的影響不大。土壤表層TC含量和TN含量在LG，MG和HG之間存在顯著差異。土壤TN含量隨土壤深度增加而降低。土壤表層的土壤N儲量在LG，MG和HG之間差異顯著，隨著放牧壓力增加而降低。土壤下層的土壤N儲量除在20—30cm土層，LG，MG和HG之間存在顯著差異表現穩定外，其他土層只在2011年表現出顯著差異，在2010年差異不顯著。在0—50cm范圍內，土壤N儲量在2011年存在顯著差異，在2010年盡管沒有達到0.05的顯著差異水平，其顯著性也達到0.1的顯著性水平?？傊拍翆ν寥繬儲量具有顯著影響，降低放牧壓力可以減少土壤氮素的損失有利于恢復退化草原的植被生產力。

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Grazing pressure evaluation and soil N storage response in typical steppe of Inner Mongolia, China

LI Ruihua1, 2, LI Xiaobing1,3,*, WANG Hong1, DENG Fei1, LI Xu1

1CollegeofResourcesScience&Technology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China2SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China3StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

Abstract:Nitrogen is one of the important constraining factors affecting vegetation growth, especially in arid and semi-arid areas of natural grasslands. In a natural grassland ecosystem without fertilizer inputs, the vegetation nutrients mainly come from plant litter decomposition and the mineralization of organic nutrients. Soil nitrogen storage is the result of the historical accumulation of plant litter and the long-term weathering of parent rock in the grassland ecosystem. It is an important nutrient source for vegetation growth, is closely related to vegetation productivity, and is an indicator of ecological service function change. In recent years, the ecological and economic problems caused by grassland degradation and grassland soil nutrient depletion have become the focus of governments and researchers due to climate change and human activity disturbance. Although climate change has important effects on grassland ecosystems, it is difficult to control and manage at the smaller spatial-temporal scales. Human activity is one of the main influencing factors affecting grassland ecological systems. Therefore the control and management of human activities can effectively protect grassland ecosystems and promote sustainable grassland utilization.

Grazing is a significant human disturbance of grassland ecosystems, and is one of the important factors affecting the grassland nitrogen cycle. In order to examine the impact of grazing on soil N storage, we created a grazing pressure index model using the statistical annual grazing livestock data (1990—2011) from counties and MODIS-NDVI (1000 m resolution, 2001—2011), which combined grazing capacity and vegetation productivity per unit area. We used the pressure index model to assess the spatial distribution of grazing pressure in typical steppe of Inner Mongolia, China, and used field sampling point data in 2010 and 2011 across study area to analyze soil N storage and other several related soil properties at low grazing pressures (LG), moderate grazing pressures (MG), and high grazing pressures (HG). The results showed that grazing pressure had a significant effect on soil bulk density (BD), soil total carbon content(TC) and soil total nitrogen content(TN), especially in the surface soil layer (0—10cm). The BD, and TC and TN contents significantly differed between LG, MG, and HG. The TC and TN contents decreased with increasing grazing pressure, and the BD increased as the grazing pressure increased. Clay content (CC) did not significantly differ between the three grazing pressures. Soil N storage showed similar variation characteristics with TN content, but decreased with increasing of soil depth and grazing pressure. In the surface soil, in 2010 and 2011, the soil N storage showed significant differences among LG, MG, and HG. Within the range of 0 to 50 cm, the soil N storage decreased with increasing grazing pressure, and significantly differed among LG, MG and HG (2011,P< 0.05; 2010,P< 0.01). Therefore, grazing has no significant impact on the clay content, and the clay content variation is not the reason for the reduction in soil N storage in the study area. Heavy grazing is one of the main influence factors affecting nitrogen loss in the steppe ecosystem, and thus, reducing grazing pressure helps to reduce the loss in soil N storage and restores vegetation productivity.

Key Words:NDVI; rate of stocking; grazing pressure gradient; soil N storage; Inner Mongolia

DOI:10.5846/stxb201310232557

*通訊作者

Corresponding author.E-mail:xbli@bnu.edu.cn

收稿日期:2013- 10- 23;

修訂日期:2015- 07- 27

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973計劃, 2014CB138803)；國家自然科學基金重點項目(41030535)；地表過程與資源生態國家重點實驗室項目(2011-TDZY-102)

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