草地生态系统退化日益严重,生态环境破坏加剧,持续引发的生态安全、环境安全、粮食安全问题。这些关系到社会稳定及人类可持续发展的重大问题亟待解决。浑善达克沙地是我国四大沙地之一,地处北方干旱、半干旱区,长期以来因过度放牧和不合理的生产活动,加之脆弱的生态环境,已引起了严重的草地、土地退化问题。虽然,应用大量的恢复技术,进行了退化草原生态系统的恢复实践,取得了一定成效,但无法兼顾生态和经济的双重发展需要。近年,本领域学者提出了“草原牧鸡”这种新的草原利用模式,为解决上述问题提供了新思路。本文以中国科学院植物研究所浑善达克沙地生态研究站草原牧鸡试验平台为研究对象,设计进行了包括样地植被、土壤的样品采集与处理,测试样地生物量、覆盖度、物种丰富度、植被高度四项因素指标,以及土壤的容重、含水量、p H值、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、全氮、速效磷及微生物碳、氮十一项理化因素指标在内的试验体系。数据采用SPSS18.0中的单因素方差分析(One-Way ANOVA)方法,统计分析了草原牧鸡各处理对植被因素指标、试验样地和集约散养样地土壤理化因素指标的影响及处理差异性,并进行了两种牧鸡生物量置换模式的对比分析、各指标时间尺度分析、指标间相关性分析、以及牧鸡生物量置换模式的生态环境、经济效益和粮食安全分析。得到以下主要结论:牧鸡密度对植被覆盖度、物质丰富度和地上、地下生物量存在较大的影响,与不放牧草地对比,牧鸡密度为400只/hm2以上时有一定的负面影响。鸡的放养密度与群落覆盖度、物种丰富度和地上部生物量存在显著的线性相关关系,即放养密度越小,植被群落覆盖度、物种丰富度和地上生物量越高。与合理牧羊密度样地对比,各项指标显著增加。时间尺度上,随着牧鸡年限的增加,不同处理密度样地地上和地下生物量均有所增加,其中地下生物量增加幅度较大;植被的高度、覆盖度、物种丰富度、生物多样性指数和均匀性指数均有一定程度增加,但差异不显著。研究表明:对比空白样地,牧鸡密度小于400只/hm2不会对沙草地地上生态系统造成明显影响,与合理的牧羊样地对比,800只/hm2的各项生态因素指标均优于牧羊样地。草原牧鸡对草地生产力为超补偿,验证了Connell中度干扰假说。试验样地和集约散养样地牧鸡密度对土壤容重影响不明显,距鸡舍不同距离和不同的植被类型对土壤容重差异显著(p<0.05),且距鸡舍8m土壤容重最低。与空白样地对比差异不明显,随牧鸡密度的增加土壤容重略有上升,但显著低于牧羊样地。随着牧鸡放牧年限的增加,样地土壤容重呈下降趋势,最大降幅为7.2%,集约散养样地则变化不大。试验样地和集约散养样地不同密度、不同距离、不同层级及距离与层级的交互作用对土壤含水量均影响显著(p<0.05)。总体上随着土壤层级深度增加土壤含水量显著下降,最大降幅为65.1%。对比空白样地,不同层级不同密度处理土壤含水量均呈小幅下降;对比合理牧羊样地,0-10cm层级土壤含水量均显著增加,总计均值最大增幅为34.8%。随距离增加土壤含水量总体呈下降趋势,不同密度处理距鸡舍8m土壤含水量最大。集约散养样地间差异显著,不同层级总计均值IC1样地土壤含水量显著高于IC2、IC3样地。随着牧鸡年限的增加,不同密度不同层级土壤含水量显著增加。试验样地土壤层级对p H值影响明显,10-20cm层级土壤p H值最高,最大增幅为12.9%。随距离增加呈小幅下降,最大降幅为2.9%。对比空白样地,不同密度处理变化不明显;对比合理的牧羊样地,不同密度处理表层土壤p H值略增加,最大增幅为5.4%,随着牧鸡放牧年限的增加,不同密度、不同层级土壤p H值均有所增加,均值范围7.6-9.5。集约散养样地土壤层级、植被类型对集约散养样地土壤p H值影响明显。20-50cm层级土壤p H值显著高于0-10cm、10-20cm层级,样地间均值比较:IC1>IC2>IC3。均值范围7.00-8.30,呈弱碱性。随着放牧年限的增加,各样地土壤p H值变化很小。试验样地土壤层级对C素养分影响显著(p<0.05),牧鸡密度和层级对N、P养分素影响显著(p<0.05)。总体上,碳素养分随土壤层级深度增加下降明显,土壤微生物量碳10-20cm层级含量最高。与空白样地对比差异不显著。总计均值0-10cm层级,土壤有机质、有机碳、微生物量碳含量均显著高于牧羊样地。随着距离增加C素养分有下降趋势,距鸡舍8m处,土壤有机质、有机碳含量最高。随着牧鸡年限的增加,土壤表层不同密度处理碳素养分均小幅增加。两年的试验结果表明,N素养分的分布和变化差异较大,总体上,随土壤层级深度的增加土壤硝态氮、铵态氮、速效氮变化不一致。2009年随着土壤层级深度增加硝态氮、铵态氮含量减少、铵态氮含量增加,而2011年则硝态氮、铵态氮含量增加、铵态氮含量减少;但两年的研究表明,随着土壤层级深度的增加全氮含量增加、微生物量氮含量下降。不同密度处理土壤硝态氮、速效氮、全氮高于空白样地,对比合理牧羊样地,10-20cm、20-50cm层级硝态氮、速效氮、全氮含量均显著增加,0-10cm层级土壤铵态氮变化很小,10-20cm、20-50cm层级土壤铵态氮含量显著增加;对比空白样地,0-10cm、10-20cm层级土壤微生物量氮含量减小,20-50cm层级均增加,对比合理牧羊样地各层级无明显变化。土壤硝态氮、速效氮、全氮含量随距离增加而减小,铵态氮含量增大。随着牧鸡放牧年限增加,表层土壤硝态氮、速效氮、全氮含量显著下降,铵态氮含量显著增加;但20-50cm层级土壤硝态氮、速效氮、全氮含量显著增加,铵态氮含量显著下降,10-20cm、20-50cm层级土壤微生物量氮含量显著增加。土壤速效磷密度间差异显著,但变化规律不明显。随土壤层级深度增加速效磷含量显著降低;与空白样地对比,不同密度处理、不同层级土壤速效磷含量增加;与合理牧羊样地对比,0-10cm和10-20cm层级总计均值降低,20-50cm层级变化很小;合理牧羊不同层级土壤速效磷含量均高于空白样地。总计均值不同距离间差异不显著。随着放牧年限的增加,10-20cm层级土壤速效磷含量显著增加,其他两层级变化不明显。总体上通过对土壤理化指标的分析,也验证了验证了Connell中度干扰假说。集约散养样地C、N、P养分随层级和距离变化规律与试验样地一致。植被类型间土壤有机质、有机碳含量差异显著,IC1样地显著高于IC2和IC3样地,植被类型间土壤微生物碳差异不显著。植被类型间N素养分含量差异显著,硝态氮、铵态氮、速效氮总计均值大小:IC2>IC3>IC1;全氮、微生物量氮、速效磷:IC3>IC2>IC1。随着放牧年限的增加,IC1样地不同层级土壤硝态氮、速效氮含量增加,IC3样地不同层级降低,IC2样地10-20cm、20-50cm层级显著降低。IC1样地10-20cm、20-50cm层级土壤铵态氮含量显著降低,IC2、IC3样地0-10cm、10-20cm层级显著增加;IC1样地不同距离各层级土壤全氮含量显著增加,IC2、IC3样地不同距离0-10cm层级土壤全氮含量显著增加;IC1样地不同距离0-10cm、20-50cm层级土壤微生物量氮含量显著增加,10-20cm层级不同距离土壤微生物量氮含量明显减小;IC2、IC3样地0-10cm、10-20cm层级土壤微生物量氮显著增加,IC2样地20-50cm层级明显减少。集约散养样地表层各因素指标与试验样地(ESP)对比表明,IC3样地土壤容重增大;不同植被类型样地土壤硝态氮、速效氮含量显著增加,含水量、p H值、有机质、有机碳含量下降;IC2样地土壤铵态氮含量明显增加;IC1、IC3样地土壤铵态氮含量显著减少;不同植被类型样地土壤全氮、微生物量氮、速效磷含量明显增加。10-20cm、20-50cm层级各土壤因素指标增减类似表层。两种模式样地因素间相关性总体上基本一致。有机质与有机碳显著正相关,并有其他氮素养分和速效磷显著正相关,氮素养分与碳素养分和速效磷显著相关,但硝态氮与铵态氮负相关,速效磷与p H值显著负相关;土壤p H值铵态氮显著相关,与其他养分负相关,土壤含水量与土壤养分显著相关,容重与养分、含水量负相关。综上所述,试验样地牧鸡密度400只/hm2以下,不会对沙草地地上生态系统因子造成明显影响,最大的牧鸡密度(800只/hm2)对地上的生态系统的影响显著低于合理的牧羊样地;草原牧鸡对试验样地土壤输入的养分大于输出,随着牧鸡年限的增加而增加,显著高于合理的牧羊样地;综合分析得出最佳牧鸡密度400只/hm2。草原牧鸡对草地生产力为超补偿,验证了Connell中度干扰假说。两种样地对比分析表明:集约散养样地土壤养分空间分布及转移规律、因素间相关性与试验样地相同,总体养分输入略高于试验样地。草原牧鸡可有效地恢复退化草原的生态系统,产生显著的环境生态效益,同时增加牧民经济收入,具有可观的经济效益;草原牧鸡节约粮食饲料,生产的肉蛋产品符合欧盟有机鸡肉蛋标准,一定程度保障粮食与食品安全。本研究具有较强的理论与现实意义。