放牧顯著降低中國草地生態系統土壤含水量

王云英，裴薇薇，王 新，文焱斌，杜巖功

（1.中國科學院西北高原生物研究所, 青海 西寧 810008；2.中國科學院大學, 北京 100049）

草地生態系統是我國重要的綠色生態屏障。我國草地總面積約4 億hm2[1]，占國土面積的41.7%[2]，是我國面積最大的陸地生態系統[3]，對保障我國生態安全具有重要作用[4]。近年來，由于全球氣候變化[5]、人類對草地資源的不合理開發利用[6]、當地的經營理念[7]和人類活動加劇[8]，草地退化問題進一步加劇，從而影響當地牧民的經濟與生態安全[9]。

土壤水分含量直接影響植被生長以及分布格局[10]，對于陸地土壤－植被－大氣連續體的相互作用至關重要[11]。土壤水分變化受到土地利用方式的影響[12]。放牧是草地生態系統的重要利用方式[13]。已有研究發現重度放牧家畜踐踏降低土壤孔隙度和土壤含水量，且放牧強度對于表層土壤含水量的影響較強[14]。同時放牧處理下，土壤容重增加，土壤含水量下降[15]。放牧活動直接影響草地生態系統地上生物量和土壤容重的變化，間接影響土壤含水量，禁牧處理主要通過增強水分入滲速率和飽和含水量，增加土壤含水率[16]。

降水是草地土壤水分的主要來源[17]，草地表層土壤水分含量波動劇烈[15]。溫度主要是通過影響土壤溫度來影響土壤含水量，增溫處理下三江源地區0－10 cm 土層土壤含水量提高了27.65%[18]。在一定的海拔區域內，海拔升高降低土壤含水量[19]?，F階段，關于放牧對于土壤含水量的影響也有很多研究所涉及到，但因地理環境和氣候條件的差異缺少大范圍變化的統計分析。故本研究借助Meta 分析技術，以我國草地生態系統為研究對象，揭示放牧對我國草地生態系統土壤含水量的影響及其對環境因子的響應機理。

1 研究內容與方法

1.1 數據收集

通過中國知網數據庫，檢索條件關鍵詞“草地”或“草原”或“草甸”或“荒漠”或“沼澤”，且“放牧”且“土壤含水量”，共計搜索到中英文論文158 篇。通過原文下載，按照如下準則進行文章篩選：研究對象為我國草地生態系統，且試驗均是在植物生長季進行的。最后選用33 篇文章中258 組數據展開統計分析，以圖片發表的論文數據，采用WebPlotDigitizer軟件進行數據提取。提取文獻中的數據包括土壤含水量、溫度、海拔、土壤容重、地上生物量、土壤全氮、土壤pH、土壤有機質等環境因子，并按照不同植被類型進行相應的分類。研究樣地主要分布于內蒙古、新疆、青海、西藏、黑龍江、寧夏、河北、甘肅和四川9 個?。ㄗ灾螀^）。

1.2 基于均值的效應值 (反應比)

式中：xe為放牧草地蒸散量均值，xc為對照的均值。與效應值相對應的研究內方差：

式中：Se為處理的標準差，Sc為對照的標準差，Ne和Nc分別為實驗組和對照的樣本量。

基于隨機效應模型的平均效應值及置信區間的計算：

w*i=1/(vi+τ2)

單個研究結論的權重： ；

1.3 數據統計分析

使用Excel 2010 進行數據的整理分析，數據的分析采用R 語言 (4.2.1 版本) Metafor 包進行森林圖的制作。效應值和平均效應值的計算采用隨機效應模型。同時利用增強回歸樹模型進行環境因子相對貢獻率的計算，最后利用SPSS 21.0 進行多元回歸分析。文章中所有圖件均用Origin 2022 軟件制作。

2 結果與分析

2.1 放牧對我國草地生態系統土壤含水量影響的平均效應值

放牧對我國草地生態系統土壤含水量影響的平均效應值為-0.111 (95%置信區間：-0.144～-0.077)(圖1)，效應值檢驗結果表明，放牧極顯著降低土壤含水量(P＜ 0.01)，降低幅度約為10.51%。放牧使得0－10 、10－20 和20－30 cm 草地土壤含水量分別下降了14.53%、11.71%和9.52% (圖2)。效應值異質性檢驗發現本研究數據異質性較強(P＜ 0.001)，需引入解釋變量對異質性的來源進行進一步分析。

圖1 放牧對我國北方草地生態系統土壤含水量影響效應值森林圖Figure 1 Forest plots of effect size of grazing activity on soil water content in northern China

圖2 不同放牧強度對不同土層土壤含水量影響的效應值Figure 2 Effect values of different grazing intensities on soil water content in different soil layers

因此，本研究引入分類變量(不同放牧強度)，探討輕度、中度和重度放牧處理對不同深度土壤含水量的影響。隨放牧強度增加，土壤含水量呈下降趨勢，且達到顯著性水平(P＜ 0.05)和極顯著性水平(P＜ 0.01)。整體而言，輕度放牧草地0－30 cm 土層均呈現較弱降低趨勢，輕度和重度放牧對表層(0－10 cm)土壤影響最高，10－20 cm 次之，20－30 cm影響最低(圖2)。

2.2 放牧對不同草地植被類型土壤含水量影響的平均效應值

土壤含水量因不同植被類型的變化存在較強異質性，放牧對草地土壤含水量的影響主要體現在0－10 cm 土層，且隨土層加深顯著降低(P＜ 0.05)(圖2)。草甸草原在中度和重度放牧處理下，0－10 和10－20 cm 土壤含水量差異不顯著(P＞ 0.05) (圖3)。0－10 和10－20 cm 土層上，放牧對草甸草原影響最大，從小到大的影響順序分別為草甸草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 典型草原 ＞ 高寒草甸；草甸草原 ＞ 高寒草甸 ＞荒漠草原 ＞ 典型草原。典型草原在20－30 cm 土層受放牧影響最大，高寒草甸和荒漠草原次之，草甸草原受影響最小。整體而言，0－30 cm 土層上放牧對不同草地植被類型土壤含水量影響的從大到小的順序為草甸草原 ＞ 典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 高寒草甸。

圖3 對比分析放牧強度對不同草地類型和土層深度土壤含水量的影響Figure 3 Comparison of the effects of different soil layers on grazing intensity of grassland vegetation types

2.3 平均效應值對氣候因子及土壤理化性質等連續變量的響應特征

本研究引入連續變量如溫度、降水量、海拔、地上生物量、土壤容重、全氮、pH 和有機質等，通過隨機森林方法發現，溫度、降水量、海拔和土壤容重4 種環境因子對0－30 cm 土層含水量貢獻率較高。放牧可分別解釋93.90%、87.66%、90.64%的對0－10、10－20 和20－30 土層的土壤含水量(圖4)。多元逐步回歸結果發現溫度、降水量、土壤容重和pH 對土壤含水量存在顯著影響(P＜ 0.05)。輕度放牧、中度放牧及重度放牧3 種放牧梯度回歸系數分別是0.735、0.852 和0.944，且均達到顯著性水平(P＜ 0.05) (表1)。

表1 環境因子對不同放牧強度草地土壤含水量影響的擬合方程Table 1 Multiple regression analysis of environmental factors on grassland vegetation types with different grazing intensities

3 討論

作為植物生長發育水分主要來源，土壤水分是作物吸收養分重要條件[20]。植物的根系從土壤中吸水，沿著根毛進入導管，上運到葉片，再由葉氣孔擴散到大氣，形成了水分運行的土壤－植物－大氣連續體。本研究發現放牧對草地生態系統土壤含水量存在顯著負相關關系，放牧處理下，土壤含水量下降，且主要作用于表層土壤含水量。這與益西措姆等[21]、楊紅善等[22]、鄭偉等[23]的研究結果一致。主要有以下兩個原因，一方面，放牧處理下，家畜踩踏草地使土壤緊實度增加，降水入滲補給下降，故土壤含水量下降[24]；另一方面，當草地載畜率增大時，地表蒸發是草地中土壤水分的損失的主要原因，同時，放牧處理主要通過改變地表凋落物的量來影響土壤溫度和土壤表面的蒸發[25]。重牧處理下，內蒙古針茅(Stipa mongolorum)草原土壤含水量較對照降低了40.17%[26]。本研究中，0－10 cm 土壤含水量于重度放牧處理下較對照下降了21.55%，猜測可能是因為土壤滲透阻力在重牧處理下下降，故土壤含水量下降[26]。

土壤水分在很大程度上影響草地植被生產力，本研究中，地上生物量變化對土壤含水量變化的貢獻率在0－10 cm 上的值為2.76%，且放牧對表層土壤0－10 cm 土壤中影響最大，究其原因可能是由于放牧使得草地地上生物量下降，故植被光合速率下降[27]，土地裸露面積增大，陽光穿透增加，土壤蒸發增大[28]。

土壤含水量受土壤地形、植被、氣候和人類活動干擾等各種環境因素的影響[29]。本研究中，環境因子溫度、降水、海拔、全氮和土壤容重等對草地土壤含水量存在顯著影響。溫度、土壤容重和土壤pH 是影響土壤含水量的顯著負效應因子，降水、全氮和海拔是其主要顯著正效應因子。降水量的增加會促進更多水分滲入到土壤，故土壤含水量上升[30]。海拔的變化亦會影響土壤含水量變化，在高海拔地區，土壤含水量對降水的響應更為強烈[31]。海拔越高，土壤蒸發和植物蒸騰越弱，故土壤含水量升高[32]。溫度的上升會導致土壤蒸發量增大，致使土壤水分含量下降[33]。土壤容重增大致使土壤孔隙度下降，故土壤水分含量下降[14]。全氮含量是影響土壤氮素總量和植被有效氮素的源和庫，進而影響土壤含水量變化[34]。本研究中，土壤含水量與土壤pH 之間呈負相關關系，土壤水分蒸發使鹽分隨毛管水聚集于地表，土壤pH 增大，故土壤含水量下降[35]。

4 結論

本研究中，放牧顯著降低草地土壤含水量。在水平尺度上，土壤含水量隨放牧強度的增加顯著減小，輕度放牧處理對土壤含水量影響較??；垂直尺度上，放牧對表層土壤含水量影響最大，且放牧對土壤含水量的影響隨土層深入而減少。從植被類型角度分析，在該研究綜述中放牧對于0－30 cm 土層土壤含水量的影響從大到小為草甸草原 ＞ 典型草原 ＞ 荒漠草原 ＞ 高寒草甸。

環境因子中，溫度、降水量、海拔和土壤容重對草地土壤含水量影響最大。土壤容重顯著降低0－30 cm 土層土壤含水量，溫度、降水量和海拔、全氮和土壤pH 等環境因子影響放牧草地土壤含水量的主要調控因子。