短期羊粪归还对荒漠草地土壤质量的影响

doi:10.11686/cyxb2025084

摘要/Abstract

摘要：

放牧家畜的粪便归还在草地土壤养分循环和物理性质改善等方面具有重要作用，但短期家畜粪便归还对荒漠草地土壤质量的影响仍缺乏关注。本研究以宁夏盐池荒漠草地为对象，模拟不同放牧强度下的羊粪蓄积量，探究了4种不同水平的羊粪蓄积量（MN：0 kg·hm^-2；ML：4000 kg·hm^-2；MM：8000 kg·hm^-2；MH：16000 kg·hm^-2）对土壤质量的影响。结果表明：1）羊粪归还2年后，土壤温度随着羊粪蓄积量的增加而升高，但土壤平均温度仅MH显著高于MN、ML和MM（P<0.05）；土壤平均含水量也仅MH显著高于ML和MM（P<0.05）。2）随着羊粪蓄积量的增加，pH值呈降低趋势，但土壤胞外酶活性呈增加趋势。3）羊粪归还促进了土壤大团聚体的形成，而降低了微团聚体的数量，说明土壤团聚体稳定性随着羊粪蓄积量的增加而增强。4）与MN相比，ML、MM和MH显著增加了土壤质量指数（P<0.05）；相关性分析和结构方程模型进一步表明，羊粪归还改善了土壤水热状况，激发了土壤碳氮循环相关酶活性，从而增加了土壤养分的输入及大团聚体的数量，并最终改善了土壤质量。总之，低、中和高羊粪归还量均能够有效改善土壤质量状况，可为退化草地土壤的恢复提供理论依据和实践参考。

关键词: 荒漠草原, 羊粪蓄积, 胞外酶, 土壤养分, 团聚体, 土壤质量

Abstract:

The return of livestock manure through grazing plays a significant role in grassland soil nutrient cycling and improvement of physical properties. However， the impact of short-term livestock manure return on soil quality in desert steppes remains understudied. This research simulated sheep manure accumulation under different grazing intensities to explore the effects of four manure accumulation levels （MN， 0 kg·ha^-1； ML， 4000 kg·ha^-1； MM， 8000 kg·ha^-1； MH， 16000 kg·ha^-1） on soil quality of a desert steppe in Yanchi， Ningxia. The results demonstrated： 1） After two years of manure application， soil temperature tended to increase with increased manure accumulation level， although the average soil temperature differed significantly only in MH compared to MN， ML and MM （P<0.05）. Similarly， average soil moisture content was significantly higher in MH than in ML and MM （P<0.05）. 2） Soil pH decreased while extracellular enzyme activity increased with increased manure accumulation. 3） Manure return promoted the formation of soil macro-aggregates while reducing the proportion of micro-aggregates quantities， and the soil stability increased with increased accumulation of sheep manure. 4） Compared to MN， ML， MM and MH also significantly enhanced the soil quality index （P<0.05）. Correlation analysis and structural equation modelling further revealed that manure return improved soil hydrothermal conditions， and stimulated enzyme activities related to carbon and nitrogen cycling， thereby increasing nutrient inputs and macro-aggregate formation， and ultimately enhancing soil quality. In conclusion， low， medium and high levels of manure application effectively improved soil quality， providing both a theoretical foundation and practical guidance for restoring degraded grassland soils.

Key words: desert steppe, sheep manure accumulation, extracellular enzymes, soil nutrients, aggregates, soil quality

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图/表 8

图1 不同羊粪蓄积量对土壤温度和土壤含水量的影响不同的大写字母代表4-9月份土壤温度和土壤含水量的平均值在不同羊粪蓄积量间存在显著差异（P<0.05），不同小写字母代表同一月份土壤温度和土壤含水量在不同羊粪蓄积量下存在显著差异（P<0.05）。MN：无羊粪蓄积。ML：低羊粪蓄积量。MM：中羊粪蓄积量。MH：高羊粪蓄积量。下同。Different uppercase letters represent significant differences in the average soil temperature and soil moisture content from April to September among different sheep manure accumulation amounts （P<0.05）， while different lowercase letters represent significant differences in soil temperature and soil moisture content for the same month under different sheep manure accumulation amounts （P<0.05）. MN： No sheep manure accumulation. ML： Low sheep manure accumulation. MM： Medium sheep manure accumulation. MH： High sheep manure accumulation. The same below.

Fig.1 Effects of different sheep manure volumes on soil temperature and soil water content

图2 不同羊粪蓄积量对土壤胞外酶活性的影响不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments （P<0.05）. The same below.

Fig.2 Effects of different sheep manure volumes on soil extracellular enzymes activity

图3 不同羊粪蓄积量对土壤化学性质的影响

Fig.3 Effects of different sheep manure volumes on soil chemical properties

图4 不同羊粪蓄积量对土壤团聚体的影响MWD：平均重量直径。GMD：几何平均直径。MWD： Mean weight diameter； GMD： Geometric mean diameter.

Fig.4 Effects of different sheep manure volumes on soil aggregates

图5 土壤理化性质间的皮尔森相关性分析蓝色代表负相关，粉色代表正相关，*表示P<0.05， **表示P<0.01， ***表示P<0.001。 SOC：土壤有机碳；TN：土壤全氮；TP：土壤全磷； AN：土壤碱解氮；AP：土壤速效磷；CL：纤维素酶；NAG：β-1， 4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶； LAP：亮氨酸氨基肽酶；GC：β-1， 4-葡萄糖苷酶；UE：脲酶；XYS：β-1， 4-木糖苷酶；ST：土壤温度；SWC：土壤含水量；MWD：平均重量直径；GMD：几何平均直径。下同。Blue represents negative correlation， pink represents positive correlation. * indicates P<0.05； ** indicates P<0.01； *** indicates P<0.001. SOC： Soil organic carbon； TN： Soil total nitrogen； TP： Soil total phosphorus； AN： Soil alkali-hydrolysable nitrogen； AP： Soil available phosphorus； CL： Cellulase； NAG： β-1， 4-N-acetylglucosaminidase； LAP： Leucine aminopeptidase； GC： β-1，4-glucosidase； UE： Urease； XYS： β-1，4-xylosidase； ST： Soil temperature； SWC： Soil water content； MWD： Mean weight diameter； GMD： Geometric mean diameter. The same below.

Fig.5 Pearson correlation analysis between soil physicochemical properties

表1 土壤指标主成分分析结果及公因子方差

Table 1 The results of principal component analysis of soil indicators and the variance of common factors

土壤指标 Soil indicators	主成分分析Principal component analysis		公因子方差 Common factors variance
土壤指标 Soil indicators	PC1	PC2	公因子方差 Common factors variance
土壤pH Soil pH	-0.468	-0.803	0.864
有机碳 Organic carbon	0.783	0.386	0.761
全氮 Total nitrogen	0.770	0.495	0.839
全磷 Total phosphorus	0.322	0.824	0.782
碱解氮 Soil alkali-hydrolysable nitrogen	0.676	0.602	0.820
速效磷 Available phosphorus	0.469	0.769	0.811
纤维素酶 Cellulase	0.653	0.614	0.804
β-1，4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶 β-1，4-N-acetylglucosaminidase	0.571	0.721	0.846
亮氨酸氨基肽酶 Leucine aminopeptidase	0.839	0.486	0.939
β-1，4-葡萄糖苷酶 β-1，4-glucosidase	0.438	0.846	0.908
脲酶 Urease	0.256	0.935	0.941
β-1，4-木糖苷酶 β-1，4-xylosidase	0.896	0.188	0.839
平均重量直径 Mean weight diameter	0.842	0.476	0.936
几何平均直径 Geometric mean diameter	0.858	0.453	0.942
特征值 Eigenvalue	10.900	1.132
解释度 Explain of the degree （%）	77.856	8.087
累计解释度 Cumulative explanatory degree （%）	72.671	85.943
权重 Weighing value	0.529	0.471

图6 不同羊粪蓄积量下的土壤质量指数

Fig.6 Soil quality index under different sheep manure accumulation

图7 羊粪归还对土壤质量指数影响的结构方程模型实线粉色和蓝色分别代表正相关和负相关，虚线代表相关性不显著（P>0.05），箭头的粗细与标准化路径系数的路径强度呈正比。粉色和蓝色柱子分别代表结构方程模型中每个变量的直接效应和间接效应。SQI：土壤质量指数；Fisher’s C：费希尔C统计量；P-value：概率值；df：自由度；AIC：赤池信息准则。Solid pink and blue lines represent positive and negative correlations， respectively， while dashed lines indicate non-significant correlations （P>0.05）， the thickness of the arrows is proportional to the strength of the standardized path coefficients. The pink and blue bars represent the direct and indirect effects of each variable in the structural equation model （SEM）， respectively. SQI： Soil quality index； Fisher’s C： Fisher’s C-statistic； P-value： Probability-value； df： Degrees of freedom； AIC： Akaike information criterion.

Fig.7 Structural equation model of the impact of sheep manure return on soil quality index

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