放牧策略对草原土壤和植被生物影响的研究与分析

（基金项目：2024年校级大学生创新训练计划项目，项目编号cx2421005）

摘        要：草原作为世界上分布最广的重要的陆地植被类型之一，在维护生物多样性、涵养水土、净化空气、固碳、调节水土流失和沙尘暴等方面具有重要的生态功能，合理的放牧政策是带动区域经济、防止草原沙漠化及保障民生的关键，放牧优化问题的研究为国家、政府制定放牧政策和草原管理决策提供科学的依据，因此，研究草原放牧策略具有重要意义。

本文从机理分析的角度，建立不同放牧策略（放牧方式和放牧强度）对锡林郭勒草原土壤物理性质（主要是土壤湿度）和植被生物量影响的数学模型，由于缺乏放牧方式的数据，不同放牧策略主要考虑不同的放牧强度，主要为对照、轻牧、中牧和重牧。

首先搜集和整合不同放牧强度下，土壤湿度和植被生物量的变化情况，对数据进行处理。根据数据和扩展阅读给出不同放牧强度对锡林郭勒草原土壤湿度和植被生物量影响的数学模型，并结合放牧强度对不同层次土壤湿度影响的折线图和放牧强度对植被生物量影响的折线图，对不同放牧强度对土壤湿度和植被生物量的影响进行分析。

关键字：微分方程

一、数据处理

针对放牧强度对土壤物理性质的影响，主要考虑放牧强度对土壤湿度的影响。由于附件中缺乏放牧强度对土壤物理性质影响的相关数据，我们通过广泛阅读大量文献，搜集了针对华北农牧交错地带，关于放牧强度对土壤水分影响的相关数据[3]。土壤含水量一般是指土壤绝对含水量，即100g烘干土中含有若干克水分，与土壤湿度本质相同，只是表现方法上有所不同。具体数据见表4-1。

针对放牧强度对植被生物量的影响，根据内蒙古锡林郭勒草原数据及其说明，采用收割法齐地面收割地上植物部分，收集到的植物同天晚上称取鲜重后，置于（ 的鼓风烘箱中，24 小时后，称取干重，即为植物地上生物量，因此，我们整合附件15 中放牧强度和植被干重的数据，针对不同放牧强度，对牧前、第一次牧后、第二次牧后、第三次牧后以及第四次牧后的各种植被干重进行求和，作为植被生物量，整合数据见表4-2。

二、模型建立

根据扩展阅读我们可以得到，对于放牧与植物生长之间的关系，Woodward等建立了如下一个简单模型[4]：

该模型只考虑放牧影响，简单地反映了载畜率对植被生物量的作用，没有考虑其他因素的影响，只是从某一个侧面刻某一个因素对于植被生长的影响。

草原水分通过降水、入渗、蒸发等形式周而复始的循环，其过程十分复杂，在无人干扰的情况下，土壤-植被-大气系统的水平衡基本方程为

草地的植被直接决定放牧的强度，而植被的截流量能最好反映植被的生长能力，依照递推关系，放牧强度与植被的截流量存在正相关关系。

植被截流量与降水量、植被覆盖度、叶面积指数（LAI）等密切相关。植被覆盖率是植物群落覆盖地表状况的一个综合量化指标，能够直观反映地表植被的丰度。降水量小、植被覆盖度高、LAI大时植被截流量大，其表达式为：

式中，LAI为一个分布式的时变参数。

根据以上知识，我们可以建立不同放牧强度对锡林郭勒草原土壤物理性质（主要是土壤湿度）和植被生物量影响的数学模型：

三、结果与分析

（一）放牧强度对土壤湿度的影响分析

根据 4.1节搜集和整合的数据，我们可以得到在不同放牧强度（对照、轻牧、中牧、重牧）下，不同层次土壤湿度在牧前和三次牧后的变化情况，从而直观地分析放牧强度对不同层次土壤湿度的影响。

根据分析表4-1和图4-1中数据我们可以得到以下结论：

1.对比牧前和牧后不同层次土壤的含水量，第1次放牧后和第2次放牧后的结果表明，不同的放牧强度都使得土壤湿度呈现下降的趋势，但在第3次放牧后出现了相反的趋势，土壤湿度增加了，甚至超过了牧前的土壤湿度。这说明不同放牧强度在前两次放牧后会使土壤湿度降低后面，继续放牧则会增加土壤湿度。

2.对于不同的放牧强度，0-10cm 土壤湿度的变化较大。在牧前，土壤含水量从高到低依次是对照组；轻牧；中牧；重牧，整体随着放牧强度的增加而降低；但在第3次牧后，土壤含水量的情况完全相反了过来。而对于10-20cm和20-30cm的较深层次的土壤，随着放牧强度的增加，湿都逐渐降低。说明在较深的土壤区域，不同程度的放牧强度对土壤湿度的影响趋势大体上一致。

（二）放牧强度对植被生物量的影响分析

根据4.1节搜集和整合的数据，我们可以直观地分析放牧强度对植被生物量的影响。通过对不同放牧强度（对照、轻牧、中牧、重牧）下植被生物量在牧前和三次牧后变化情况的分析，能够更清晰地呈现这种影响。

根据分析表4-2和图4-2中数据我们可以得到以下结论：

1.对比不同放牧强度下植被生物量，在放牧前，四种放牧强度区域的植被生物量差不多，而在放牧后，对照区的植被生物量在达到一个平衡值后便不再大幅变化，轻牧和中牧也可以达到植被生物量平衡点，而重牧的植被数量无法得到循环，越来越低。

2.对比四次放牧前后的植被生物量，可以发现：对照组的植被生物量在到达一个顶峰后降低，而轻牧则持续增长，重牧与中牧则在到达高峰后开始走低，这说明良性的放牧对草原植物生长有刺激作用，而过度的放牧会对草原生态造成破坏。

四、参考文献

[1]Woodward S J R．Wake G C．McCall D G．Optimal grazing of a multi—paddock system using a discrete time model[j]．Agri—cultural Systems．1995，48：119—139．

[2]张蕴薇，韩建国，李志强.放牧强度对土壤物理性质的影响[.草地学报，2002（01）：74-78

[3]奥蓝·生态红线”这些年：发生在锡林郭勒草原上的牧业转型http：//ku.m.chinanews.com/wapapp/zaker/sh/2020/11-26/9348187.shtml. 2022.10.7.