Spatial Distribution of Herbage Nutrition in Alpine Meadows in Chatan Wetland of Dangqu Basin

  • CHENG Xue-jun , 1, 2 ,
  • LIAO Mao-xin 1, 2 ,
  • FU Chong-qing 1, 2 ,
  • ZHANG Shuang-yin , 1, 2 ,
  • XU Jian 1, 2
Expand
  • 1 Department of Spatial Information Technology Application,Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 2 Wuhan Smart Watershed Engineering Technology Research Center, Wuhan 430010, China

Received date: 2024-01-24

  Revised date: 2024-06-11

  Online published: 2024-11-26

Abstract

Forage yield and quality are the basis of reasonable livestock carrying capacity, which is of great significance for livestock production. Based on the field survey data and spatial information of natural alpine meadows in Chatan wetland of Dangqu basin, this paper analyzes the spatial distribution of forage nutrient quality indexes and explores their spatial heterogeneity under the change of soil types by combining with the laboratory test. The results showed that: crude protein content decreased and then increased from south to north in Cambisols pasture, with the minimum value occurring at about 32.90°N; neutral detergent fiber content increased and then decreased from south to north in highly active lyophilized soil pasture, with the maximum value occurring at about 32.85°N; and acidic detergent fiber content increased and then decreased from south to north in Cambisols pasture, with the maximum value occurring at about 32.90°N. Between 4 650 and 4 850 m, the crude protein content of Cambisols pasture had an extremely significant positive correlation with elevation (R2=0.61, p<0.01); the acid detergent fiber content of Cambisols pasture had a significant negative correlation with elevation (R2=0.43, p<0.05). High-quality alpine pastures are mainly distributed in a U-shape from south to north with 32.90°N as the lowest point. Forage nutritional quality was positively correlated with elevation between 4 650 and 4 850 m. The research results can deepen the knowledge of the nutritional quality of the alpine grassland in the Yangtze River source, improve the rational utilization of the alpine grassland in the Yangtze River source, and provide auxiliary suggestions for the intensive, large-scale, ecological and digital development of the animal husbandry industry.

Cite this article

CHENG Xue-jun , LIAO Mao-xin , FU Chong-qing , ZHANG Shuang-yin , XU Jian . Spatial Distribution of Herbage Nutrition in Alpine Meadows in Chatan Wetland of Dangqu Basin[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024 , 41(11) : 189 -195 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240083

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

草地是生态系统中重要的组成部分,对于维持生物多样性、水土保持、减碳增汇和碳固存等方面具有重要意义[1]。草地为人类生存提供丰富的能源来源,不仅可以保持土壤肥力,还为畜牧等生产提供草场。在所有草地中,高寒草地海拔高、生态脆弱,对于生态平衡、生物多样性等意义重大,其生长状态和时空分布是分析全球气候变化影响效应的研究热点[2]
牧草品质通过影响牲畜对牧草的消化率、能量摄入以及养分获取,对畜产品的产量和品质起到重要的作用[3-4]。牧草品质优劣与草地利用率的高低紧密相关。与普通牧草相比,优质牧草粗蛋白含量较高,而酸性洗涤纤维(Acid Detergent Fiber,ADF)和中性洗涤纤维(Neutral Detergent Fiber, NDF)偏低,草质柔软,耐牧性好,具有更高的营养价值[5]。市面上常见的牧草质量评定指数有相对饲喂价值(Relative Feed Value,RFV)、相对饲喂质量(Relative Forage Quality,RFQ)等[6]。牧草品质快速评价成为限制牧区选择和畜牧量调控的主要影响因素。
目前国内外针对高寒草地牧草营养品质的研究多以三江源区或青藏高原等大尺度宏观区域为研究范围[7-8],鲜有关于牧草品质在小尺度典型高寒湿地等生态敏感区上格局及影响因素的研究。此外,不同类型土壤中贮存的碳、氮、磷、钾等矿质元素以及有机质等营养物质大相径庭,这些物质对牧草的生长起着关键性的作用,直接影响着牧草的产量和营养品质[9],而许多已有研究在探究高寒草地牧草质量的影响因子时,缺少对土壤类型变化的影响分析,导致流域尺度土壤类型变化下草地营养指标的空间分布不清[10]
长江南源当曲流域是高寒沼泽湿地的集中分布区,该地区沼泽湿地的平均高程在4 600 m以上,位于源头的查旦湿地更是其中的典型代表[11]。广布的湿地孕育了丰茂的牧草,成为了当地牧民赖以生存和发展的物质基础以及稳定区域生态系统和维持高原生态功能的重要屏障[12]。长期以来,畜牧是当曲流域高寒草地最常见的土地利用方式[13],合理的牧草利用是当地草地生态系统健康发展的关键。2023年8月23日,《三江源国家公园总体规划(2023—2030年)》发布,将南源当曲等区域纳入国家公园范围,加大对该区域牧草合理利用的监督和保护[14]
因此,本文选择当曲流域查旦湿地开展土壤类型变化下的草地营养品质分析,探究高寒草地牧草营养品质的空间分布格局,为长江源高寒草地可持续发展和合理规划载畜量提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

长江南源当曲发源于唐古拉山东麓的霞舍日阿巴山(海拔5 395 m),源头段两侧对称平行分布多条支流,流域水系呈扇形[15],主要支流有天曲、果曲、加吕曲、杈吾曲和吾钦曲等(见图1),位于青海省玉树藏族自治州杂多县查旦乡境内。本文研究区为查旦湿地,位于当曲流域东部。研究区的主要植被类型为高寒草甸(Alpine meadow),优势种为高寒嵩草和紫花针茅[16]。查旦湿地气候具有寒冷、气压低、太阳辐射强烈、多风等特点,月平均气温约在-3~-13 ℃之间,南北低中部高[17](见图2(a));月平均降水约在29~54 mm,南北多中部少[18] (见图2(b))。主要的土壤类型有雏形土、高活性淋溶土、潜育土、黑土等[19]
图1 当曲流域概况和查旦湿地采样分布

Fig.1 Overview map of the Dangqu basin and sampling distribution in Chatan wetland

图2 查旦湿地月均气温和月均降水

Fig.2 Average monthly precipitation and average monthly temperature in Chatan wetland

1.2 数据采集和化学分析

1.2.1 野外调查与取样

于2023年7月(盛草期)对查旦湿地的高寒草甸进行调查采样。通过调研共设置25个取样地,沿当曲干流(多朝能)集中分布(见图1)。在每个样地选择植被分布均匀的区域设置3 m×3 m的大样方,记录样地所处的经纬度、高程,并沿对角线设置2个1 m×1 m小样方并对样方内的植被进行取样。所有样品带回实验室后,烘干称重,粉碎过筛,备用。

1.2.2 营养成分指标与测定方法

牧草营养成分的测定均以干物质为基础。经过实验室化学分析,获得牧草样品的粗蛋白含量和酸(中)性洗涤纤维含量。粗蛋白含量(Crude Protein,CP) 测定采用凯氏定氮法[20];中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量采用滤袋法进行测定[21]。样地牧草的粗蛋白、中(酸)性洗涤纤维含量采用2个小样方的均值来表示样地水平。

1.2.3 空间信息和土壤水文数据

利用Trimble GPS获取采样点的经纬度和高程信息。基于世界土壤数据库(Harmonized World Soil Database,HWSD)的中国土壤数据集(v1.1)[19]提取采样点的土壤类型。气温数据采用中国1 km分辨率逐月平均气温数据集[17]。降水数据采用中国1 km分辨率逐月降水量数据集[18]

1.3 牧草质量评价和空间分析

1.3.1 相对饲喂价值

RFV即相对饲喂价值,是由美国饲草和草原理事会下属的干草市场特别工作组提出的一种粗饲料质量评定指数,在美国被广泛使用[5,22]。它是根据可消化能计算的,较高的RFV代表着较高的品质。其计算公式如下:
R F V = D M I · D D M / 1.29   ;
D M I = 120 / N D F   ;
D D M = 88.9 - 0.779 × A D F  
式中:DMI(Dry Matter Intake)是粗饲料干物质的随意采食量,单位为占体重的百分比,即%;DDM(Digestible Dry Matter)是可消化的干物质含量,单位为占干物质的百分比,即%。NDF为中性洗涤纤维含量(%);ADF为酸性洗涤纤维含量(%)。

1.3.2 控制变量和空间格局分析

根据已有研究成果,影响牧草质量指标最重要的解释变量是植被类型和土壤类型,其次是解释率较低的气温因子和降水条件[23-25]。当曲流域是典型的高寒湿地小流域,草地类型只有高寒嵩草、杂草类草甸,可认为是同一植被类型。故认为土壤类型是影响本研究牧草品质指标的核心变量。在按土壤类型对牧草进行分组的前提下,使用皮尔逊相关性分析探讨空间尺度上群落水平牧草营养品质指标——粗蛋白、中(酸)性洗涤纤维含量与经纬度、高程之间的关系,探究流域尺度土壤类型变化下草地营养指标的空间分布。

2 结果

2.1 牧草营养品质指标的统计特征

从整体上看,当曲流域查旦湿地高寒草甸的牧草中粗蛋白含量、中(酸)性洗涤纤维含量、相对饲喂价值(RFV)分布存在一定的地域差异性。其中,粗蛋白含量平均为14.08%,其范围为7.72%~25.83%,高值多出现在32.97°N左右;中性洗涤纤维含量平均为52.88%,范围为45.98%~59.03%,高值多出现在32.95°N左右;酸性洗涤纤维含量平均为29.47%,范围为24.02%~34.84%,高值多出现在32.90°N左右;RFV平均值为116.60,范围为103.38 ~133.86,高值多出现在33.00°N和32.85°N左右,低值多出现在32.90°N(见图3图4)。
图3 查旦湿地高寒牧草营养成分含量基本特征

Fig.3 Basic characteristics of the nutrient content of alpine herbage in Chatan wetland

图4 查旦湿地高寒草甸牧草营养品质空间格局

Fig.4 Spatial distribution of herbage nutrient in alpine meadows in Chatan wetland

2.2 不同土壤类型下牧草品质指标的特征

基于世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集提取各样点的土壤类型,共有雏形土、高活性淋溶土、黑土和潜育土4类土壤。分析每种土壤类型下牧草品质指标的特征,结果显示牧草粗蛋白含量在雏形土、高活性淋溶土、黑土中十分相近,在潜育土中偏高;中性洗涤纤维含量在雏形土、高活性淋溶土、黑土和潜育土中依次增加,差异不明显;酸性洗涤纤维含量由高到低排序为雏形土、黑土、高活性淋溶土、潜育土,潜育土略低,总体差异性不大(见图5)。
图5 查旦湿地不同土壤类型下牧草营养品质指标特征

Fig.5 Characteristics of herbage nutrient indicators under different soil types in Chatan wetland

2.3 牧草营养品质的地理环境空间协同变化

2.3.1 牧草营养品质指标和经纬度的关系

在按土壤类型对牧草进行分组的前提下分析牧草营养指标和经纬度的关系,结果表明:经度、纬度与雏形土和高活性淋溶土牧草线性相关性皆不高(见图6),但粗蛋白含量和酸性洗涤纤维含量在雏形土牧草中与纬度有一定的二次多项式相关性,相关性系数R2分别为0.47和0.38,中性洗涤纤维含量在高活性淋溶土牧草中与纬度有较好的二次多项式相关性,相关性系数R2为0.58。
图6 查旦湿地高寒草甸不同土壤类型下牧草营养品质指标与经度和纬度的相关性

Fig.6 Correlation of herbage nutrient indicators with longitude and latitude under different soil types in alpine meadows in Chatan wetland

分析图6(b)可知,粗蛋白含量在雏形土牧草中自南向北先递减后递增,最小值在32.90°N左右;中性洗涤纤维含量在高活性淋溶土牧草中自南向北先递增后递减,最大值在32.85°N左右;酸性洗涤纤维含量在雏形土牧草中自南向北先递增后递减,最大值在32.90°N左右。

2.3.2 牧草营养品质指标和高程的关系

在按土壤类型对牧草进行分组的前提下分析牧草营养指标和高程的关系,结果表明高程与雏形土牧草粗蛋白含量有着极其显著的正相关性(R2=0.61,p<0.01),与雏形土牧草酸性洗涤纤维含量有着显著的负相关性(R2=0.43,p<0.05);此外,高程与高活性淋溶土牧草中中性洗涤纤维含量有一定的相关性(R2=0.38),但与其余变量相关性不高(见图7)。高粗蛋白含量和低粗纤维含量往往代表着优质牧草,因此可以得出结论:在高程4 650~4 850 m之间,牧草营养品质与高程呈正相关。
图7 查旦湿地高寒草甸不同土壤类型下牧草营养品质指标与高程的相关性

Fig.7 Correlation of herbage nutrient indicators with elevation under different soil types in alpine meadows in Chatan wetland

通过分析皮尔逊相关系数(表1)可得,雏形土和高活性淋溶土牧草中的粗蛋白含量随着高程的增加而增加;中性洗涤纤维含量在雏形土和高活性淋溶土牧草中随着高程的增加而减少;酸性洗涤纤维含量在雏形土牧草中随着高程的增加而减少,在高活性淋溶土牧草中反而随着高程的增加而增加。这代表土壤类型变化时,查旦湿地高寒牧草的粗蛋白含量和粗纤维含量的空间分布较为相似但略有差异。
表1 不同土壤类型下牧草粗蛋白、中(酸)性洗涤纤维与空间信息变量之间的皮尔逊相关系数

Table 1 Pearson’s correlation coefficients between crude protein, neutral (acid) detergent fiber and spatial infor-mation variables of herbage under different soil types

土壤
类型
营养品质 经度 纬度 高程
皮尔
逊系
显著
性(双
尾)
皮尔
逊系
显著
性(双
尾)
皮尔
逊系
显著
性(双
尾)
雏形
粗蛋白 0.314 0.347 -0.178 0.601 0.780** 0.005
中性洗涤纤维 -0.022 0.949 0.100 0.769 -0.117 0.731
酸性洗涤纤维 -0.532 0.092 0.441 0.175 -0.656* 0.029
高活
性淋
溶土
粗蛋白 0.454 0.220 -0.398 0.289 0.178 0.648
中性洗涤纤维 -0.284 0.459 0.105 0.787 -0.619 0.075
酸性洗涤纤维 0.126 0.747 0.322 0.399 0.156 0.689

注:**表示在0.01水平(双侧)上显著相关;*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。其中黑土、潜育土样点数目过少,不分析其相关性和显著性。

3 讨论

3.1 牧草营养品质指标的空间格局

从整体上来看,查旦湿地高寒草地牧草粗蛋白含量高值多分布在32.97°N左右;粗纤维含量高值多分布在32.90°N左右;RFV高值多分布在33.00°N和32.85°N左右,低值则多集中在32.90°N左右。在按土壤类型对牧草进行分组的条件下,粗蛋白含量在雏形土牧草中自南向北先递减后递增,最小值在32.90°N左右;中性洗涤纤维含量在高活性淋溶土牧草中自南向北先递增后递减,最大值在32.85°N左右;酸性洗涤纤维含量在雏形土牧草中自南向北先递增后递减,最大值在32.90°N左右。高粗蛋白含量和低粗纤维含量往往代表着优质牧草,这与RVF的分布较吻合。本文进行研究分析时未考虑水热因子,因此这种情况可能与降水量分布密切相关,往往降水量多的生长环境中牧草更加丰沃。以32.90°N为参照,其南北两侧降水量随着距离的增加而增加(见图2)[25-26]
根据已有研究成果,青藏高原高程4 000~5 100 m草地粗蛋白含量随高程先降低后升高,临界点大概在4 300~4 600 m之间;但纤维和灰分含量随高程提升持续降低[27-28]。这与本研究结果类似,在4 650~4 750 m高程梯度内,雏形土牧草的粗蛋白含量随高程增加而增加,有着极其显著的正相关性(R2=0.61,p<0.01);雏形土牧草酸性洗涤纤维含量随高程增加而减少,有着显著的负相关性(R2=0.43,p<0.05)。不同的是,本研究结果显示,高活性淋溶土粗蛋白含量与高程之间不存在显著的相关性。此外,酸性洗涤纤维含量在雏形土牧草中随着高程的增加而减少,在高活性淋溶土牧草中反而随着高程的增加而增加。这可能是不同土壤类型高寒草甸的适生优势种群和植被构成的不同,以及采样结果过少出现的偶然性,从而导致草地养分含量上的差异。

3.2 本研究的局限

由于当曲地区高寒、缺氧的艰苦环境,时间、人力、物力等有限,部分地区难以到达,采样艰难,本研究现阶段仅有25个采样点,采样点基本集中在河谷地区,每个样点仅调查两个样方,样点数据较少,采样点位置代表性不够,采样点位置多样性和数据均需在未来的研究中优化补充;皮尔逊相关系数、线性回归方程均属于经典统计分析,样点数据较少同样会影响结论的可靠性。未来研究工作将逐步完善采样数据,进一步探讨环境因子对牧草品质影响的相关机制。

4 结论

基于江源科考野外获取的当曲流域查旦湿地25个样地采样数据和空间信息,结合实验室分析的牧草品质指标含量,本研究从小尺度上探讨了不同土壤类型下当曲流域查旦湿地高寒草甸牧草品质的空间分布格局和随经纬度、高程的变化趋势。结果表明:①当曲流域查旦湿地高寒草甸的牧草粗蛋白、中(酸)性洗涤纤维含量和RFV分布存在一定的地域差异性,优质高寒牧草主要以32.90°N左右为最低点,自南向北呈U形分布;②在高程4 650~4 850 m之间,牧草营养品质与高程呈正相关;③牧草相对饲喂价值RFV分布在103.38~133.86之间,均值为116.60(>100),代表查旦湿地牧草品质优良;④土壤类型变化时,当曲流域查旦湿地高寒牧草的粗蛋白含量和粗纤维含量的空间分布较为相似但略有差异。
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