Grazing effects on soil mechanical strength and physical functions in Inner Mongolia, China

Reszkowska, Agnieszka

Overgrazing has become over the last decades a major cause of grassland deterioration in Inner Mongolia, China leading to a decline in its productivity and carrying capacity. Among others, an intensified grazing has significant consequences for soil structure, soil mechanical strength as well as its functions. Furthermore, together with decline of soil functions also intensification of water and wind erosion as well as loss of nutrients in soil can be observed. In order to prevent further landscape degradation of Inner Mongolian steppe ecosystems as well as to evaluate a sustainable land management knowledge about the responses of ecosystem to grazing based on scientific research is needed. Furthermore, to understand the changes in environment due to grazing it is important to consider the response of different grassland ecosystems to overgrazing. The investigations of impact of grazing on environment, in particular on soil mechanical strength and soil physical functions, were carried out under the MAGIM (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) project at the Xilin River Basin in Inner Mongolia, China. Two grassland ecosystems were investigated: Leymus chinensis (LCh) and Stipa grandis (SG), which are dominant grassland types in the semiarid area in Inner Mongolia. At each site different treatments were investigated: ungrazed since 1979 (UG79), continuously grazed (CG) at the SG site and winter grazed (WG) at the LCh site. An evaluation of soil physical properties was done for different depths, representing each soil horizon, using disturbed and undisturbed (soil aggregates and bulk soil) soil samples. The disturbed soil samples were used for measurement of particle size distribution, soil organic carbon content and contact angle; the soil aggregates were used in order to determine tensile strength, repellency index and to test an influence of repeated freezing and thawing on soil tensile strength; the bulk soil was used to determine water retention characteristics, bulk density, precompression stress under static and cyclic loading conditions, parameters defining soil compressibility, saturated and unsaturated hydraulic conductivities and air conductivity. The results indicated changes in soil mechanical properties and soil functions related to influence of animal trampling and recovery of soil from grazing as well as different response of two investigated grassland ecosystems to grazing. The studies indicated strong interrelations between soil mechanical properties and soil functions. The results showed an increase in soil mechanical strength due to grazing on aggregate and bulk soil scale. Furthermore, it was shown that grazing causes a significant rearrangement of soil particles leading to homogenization and formation of a platy soil structure which is more pronounced the more often soil is loaded. Together with changes of soil strength also decline in soil functions could be proven as a result of destruction of continuity of soil pore network. Moreover, it was seen that grazing leads to more pronounced deterioration of soil structure as well as more intensive recovery from grazing at the LCh site compared to the SG site.

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Überbeweidung zu einem der Hauptgründe für den Rückgang der Produktivität und Tragfähigkeit von Weideland in der Inneren Mongolei, China entwickelt. Die Beweidungsintensivierung wirkt sich dabei unter anderem auf die Struktur und mechanische Stabilität des Bodens aus sowie auf dessen ökologische Funktionen. Des Weiteren können eine größere Anfälligkeit für Wasser- und Winderosion sowie Nährstoffverluste des Bodens beobachtet werden. Um einer weiteren Degradation der Landschaft und der Steppenökosysteme in der Inneren Mongolei entgegen zu wirken und um ein nachhaltiges Bewirtschaftungskonzept zu entwickeln, müssen auf wissenschaftlicher Grundlage basierende Erkenntnisse über die Reaktionen des Ökosystems hinsichtlich der Beweidung gewonnen werden. Für das Verständnis der beweidungsbedingten Umweltveränderungen ist es wichtig, das Verhalten unterschiedlicher Grünlandökosysteme bezüglich Überweidung zu berücksichtigen. Untersuchungen zum Einfluss unterschiedlicher Beweidungsintensitäten auf die Umwelt, insbesondere auf die mechanische Festigkeit sowie die physikalischen Funktionen von Steppenböden wurden innerhalb des MAGIM-Projektes (Matter fluxes in Grassland of Inner Mongolia as influenced by stocking rate) im Xilin-Einzugsgebiet in der Inneren Mongolei, China, durchgeführt. Es wurden zwei Grünlandökosysteme untersucht: Leymus chinensis (LCh) und Stipa grandis (SG), beides dominierende Grünlandtypen in semiariden Gebieten der Inneren Mongolei. An beiden Standorten wurden Untersuchungen zu unterschiedlichen Bewirtschaftungsweisen durchgeführt: nicht beweidet seit 1979 (UG79) sowie fortlaufende Beweidung (CG) auf dem SG-Standort und Winterbeweidung auf dem LCh-Standort. Anhand horizontspezifischer Entnahme von gestörten und ungestörten Bodenproben (Bodenaggregate und Stechzylinderproben) wurde eine Bewertung der bodenphysikalischen Eigenschaften für die repräsentativen Bodenhorizonte durchgeführt. Die gestörten Proben wurden für die Ermittlung von Korngrößenverteilung, Kohlenstoffgehalt und Benetzungswinkel genutzt; die ungestörten Bodenaggregate dienten der Erfassung von Zugfestigkeit und Hydrophobie sowie des Einflusses wiederholten Gefrierens und Tauens auf die Zugfestigkeit; anhand der Stechzylinderproben wurden Wasserspannungs-Wassergehalts-Beziehungen, Lagerungsdichte, Vorbelastung unter statischen und zyklischen Belastungsbedingungen, Parameter der Verdichtbarkeit, gesättigte und ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit sowie Luftleitfähigkeit ermittelt. Die Ergebnisse belegen Veränderungen der bodenmechanischen Eigenschaften und der physikalischen Bodenfunktionen aufgrund des Tiertritts, eine Regeneration des Bodens nach Aussetzen der Beweidung sowie verschiedene Reaktionen der beiden untersuchten Grünlandökosysteme hinsichtlich Beweidung. Die Untersuchungen zeigen einen starken Zusammenhang zwischen den bodenmechanischen Eigenschaften und der Porenfunktion der Böden. Durch die Beweidung konnte ein bedingter Anstieg der mechanischen Festigkeit sowohl auf Ebene der Aggregate als auch des gelagerten Bodens aufgezeigt werden. Des Weiteren wird gezeigt, dass Beweidung eine signifikante Umverlagerung von Bodenteilchen bewirkt, die zur Homogenisierung und anschließender Ausbildung einer Plattenstruktur führt, die desto stärker ausgeprägt ist, je öfter der Boden eine Belastung erfährt. Zusammen mit den Veränderungen der Bodenfestigkeit kann auch eine auf der Zerstörung der Kontinuität des Porensystems beruhende Verringerung der Bodenfunktionen belegt werden. Die Untersuchungen in den unterschiedlichen Grünlandökosystemen zeigten, dass der LCh- im Vergleich zum SG-Standort sowohl zu einer ausgeprägteren Degradation der Bodenstruktur bei Beweidung, als auch zu einer stärkeren Regeneration bei Aussetzen der Beweidung neigt.

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Reszkowska, Agnieszka: Grazing effects on soil mechanical strength and physical functions in Inner Mongolia, China.

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