Effects of different grazing intensities on soil water and thermal regimes under Leymus chinensis and Stipa grandis vegetation types in Inner Mongolia grassland, China

Lei, Gan

The research was carried out on a long-term experiment established at the Inner Mongolia Grassland Ecosystem Research Station under the framework of MAGIM project (Matter fluxes in grasslands of Inner Mongolia as influenced by stocking rate). In the following the effect of different grazing intensities on soil properties, soil water regime and soil thermal regime under Leymus chinensis (LC) and Stipa grandis (SG) vegetation covers had be investigated at five sites: two un-grazed sites since 1979 (LCUG79 and SGUG79), two moderately grazed sites which were winter grazed in LC (LCWG, 0.5 sheep units ha-1 year-1) and continuously grazed in SG (SGCG, 1.2 sheep units ha-1 year-1), and one heavily grazed site (LCHG, 2.0 sheep units ha-1 year-1) to model the interactions and define an appropriate grazing system. Grazing generally decreased the soil organic matter and saturated hydraulic conductivity, but increased the soil bulk density accompanying with the reduction of total porosity comparing with the un-grazed. Heavily grazed had the destructive impact on soil properties which caused the coarsest soil texture and increased the risk to wind erosion. As the consequence heavy grazing induced the lowest soil water content and highest soil heat flux. On the contrary, continuous grazing caused higher soil moisture and lower soil heat flux compared with un-grazed, which can be explained by the on site adjusted grazing intensity. At two un-grazed sites, both soil water content and heat flux were greater under SG vegetation than under LC vegetation. The net soil heat flux, generally moved downwards during the growing season at all sites, resulted into the increase of soil temperature, finally depleted the soil water. Soil thermal properties increased with depths, which was in accordance with soil moisture, but were also affected by the soil texture and bulk density. The partitions of soil water budget behaved differently as the different grazing intensities and vegetation covers. The improved model HYDRUS-1D was verified with a reasonable agreement between measured and modeled data. The simulation of soil water in 2010 using the annually averaged parameters was acceptable, which implies that without the long-term monitor and repeated soil and plant sampling every year, the application of such simulation could provide the essential information for the department of land management Our study showed that the rainfall, as the natural essential which can not be controlled by human, was one of the most important factors to improve the soil water and thermal conditions, and also evapotranspiration in such steppe ecosystem. So adjusting the grazing intensity is the breaking point for the sustainable development of grassland. The continuous grazing intensity at the SGCG site benefited to increase soil water content and plant transpiration, and depress soil heat movement, while heavy grazing and slight grazing fail. Taking into account the economic and social development strategy the grassland in Inner Mongolia can not be chronically protected from the grazing. To enable a sustainable agricultural system, our results provided a reference with an appropriate grazing intensity 1.2 sheep units ha-1 year-1 to land-use management in this area.

Die vorliegenden Untersuchungen wurden im Rahmen des MAGIM Projektes als Langzeitexperiment in der „Grassland Ecosystem Research Station“ in der Inneren Mongolei durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Beweidungsintensitäten auf Bodeneigenschaften, den Bodenwasserhaushalt sowie den Bodenwärmehaushalt auf fünf mit Leymus chinensis (LC) und Stipa grandis (SG) bewachsenen Flächen untersucht: auf zwei seit dem Jahre 1979 unbeweideten Flächen (LCUG79 und SGUG79), auf zwei moderat beweideten Flächen, im Winter beweidet und mit LC bewachsen (LCWG, 0.5 Schafeinheiten ha-1 a-1) bzw. permanent beweidet und mit SG bewachsen (SGCG, 1.2 Schafeinheiten ha-1 a-1)sowie eine stark beweidete Fläche (LCHG, 2.0 Schafeinheiten ha-1 a-1). Aus den Ergebnissen sollen Schlussfolgerungen für eine ökologisch angepasste Beweidungsintensität gezogen werden. Im Allgemeinen verringert die Beweidung den Anteil an organischem Bodenmaterial sowie die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, erhöht im Gegenzug jedoch die Lagerungsdichte einhergehend mit einem Verlust der Gesamtporosität im Vergleich zu den unbeweideten Flächen. Eine starke Beweidung wirkt sich negativ auf die Bodeneigenschaften aus, da dieser Prozess grobkörnigeres Bodensubstrat hinterlässt und dadurch die Anfälligkeit für Winderosion erhöht. Als Konsequenz konnten der niedrigste Wassergehalt und die höchste Wärmeleitung im Boden bei einer starken Beweidungsintensität ermittelt werden. Verglichen mit der unbeweideten Fläche konnte bei kontinuierlicher Beweidung eine höhere Bodenfeuchtigkeit und geringerer Wärmefluss nachgewiesen werden. Dies kann auf die Beweidungsintensität zurückgeführt werden. Auf den beiden unbeweideten Flächen war sowohl der Wassergehalt als auch der Wärmefluss unter dem Vegetationsbewuchs mit SG höher als unter dem mit LC bewachsenen Boden. Die Netto-Wärmeleitfähigkeit sank im Laufe der Wachstumsperiode auf allen Flächen, was zu einem Temperaturanstieg führt und folglich den Bodenwassergehalt verringert. Die thermischen Bodeneigenschaften stiegen in Korrelation mit der Bodenfeuchte mit zunehmender Tiefe an, wurden jedoch ebenso durch die Bodentextur sowie die Lagerungsdichte determiniert. Die Tiefenverteilung des Bodenwassers hing ebenfalls von der Beweidungsintensität und Vegetationsbedeckung ab. Die Anwendung des Modells Hydrus-1D zeigte eine sichere Übereinstimmung zwischen gemessenen und modellierten Daten. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass natürliche Niederschlagsereignisse eine der wichtigsten Faktoren sind, um den Wasser- und Wärmehaushalt des Bodens sowie die Evapotranspiration in den Steppenökosystemen zu verbessern. Daher muss die Beweidungsintensität an die Standortbedingungen angepasst werden, um eine nachhaltige Entwicklung des Weidelandes zu gewährleisten. Die dauerhafte Beweidung auf der Fläche SGCG trägt zu einem höheren Bodenwassergehalt und erhöhter Transpiration bei und senkt die Wärmeleitfähigkeit, während dies auf Flächen mit starker oder sehr geringer Beweidung nicht der Fall ist. Unter Berücksichtigung der ökonomischen und sozialen Entwicklungsstrategie wird deutlich, dass die Weideflächen in der Inneren Mongolei z.T. sehr empfindlich auf die Beweidung reagieren. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine adäquate Beweidungsintensität von 1.2 Schafeinheiten ha-1 a-1 möglich ist, um in diesem Gebiet eine nachhaltige Landnutzung zu gewährleisten.

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Lei, Gan: Effects of different grazing intensities on soil water and thermal regimes under Leymus chinensis and Stipa grandis vegetation types in Inner Mongolia grassland, China. 2012.

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