放牧強(qiáng)度對克氏針茅草原的土壤酶活性和養(yǎng)分影響

張鳳杰，烏云娜，宋彥濤，霍光偉

(大連民族學(xué)院 環(huán)境與資源學(xué)院，遼寧 大連116605)

克氏針茅(stipa krylovii )草原是內(nèi)蒙古高原分布最廣泛的典型草原之一，也是中國溫帶半干旱草原區(qū)分布最集中、最具代表性的草原生態(tài)系統(tǒng)類型，更是中國北方地區(qū)最重要的生態(tài)防護(hù)屏障，在中國畜牧業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位。

自20 世紀(jì)80 年代開始實(shí)施草原草畜雙向承包制以來，克氏針茅草原草畜循環(huán)功能逐漸失調(diào)，導(dǎo)致草地退化嚴(yán)重［1］。克氏針茅草原退化不僅是草地植被演替波動，優(yōu)勢種組成變動和生長型變異，更重要的是地表裸露增加，土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重，土壤表層養(yǎng)分銳減，草地物質(zhì)循環(huán)能力下降，土壤環(huán)境質(zhì)量面臨嚴(yán)重的威脅。土壤微生物是草地土壤生態(tài)系統(tǒng)的最活躍的組成部分，是土壤中物質(zhì)循環(huán)的調(diào)節(jié)者和能量流動的推動者，土壤微生物和根系分泌物的強(qiáng)大生物化學(xué)活力構(gòu)成了土壤活性養(yǎng)分的庫和源，參與土壤中碳、氮、磷等養(yǎng)分腐殖化和礦化過程，對土壤養(yǎng)分的供給和轉(zhuǎn)化具有重要意義。土壤酶主要來自土壤微生物、植物、動植物殘體，酶活性的大小反映了土壤中養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力和土壤生物活性，是土壤生物化學(xué)特征的重要組成部分，也是衡量生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)［3］。因此，利用土壤酶活性來確定土壤生產(chǎn)力，評估因過度放牧引起草地退化過程土壤養(yǎng)分和微生物波動已經(jīng)成為土壤微生態(tài)學(xué)研究的重要領(lǐng)域［4－5］。本研究以克氏針茅草原為研究對象，分析不同放牧強(qiáng)度對土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的影響及其相互關(guān)系，為克氏針茅草原生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)、恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市新巴爾虎右旗境內(nèi)克魯倫河流域的中溫型典型草原區(qū)。地理位置N 47°36＇－49°50＇、E 115°31＇－117°43＇，氣候?qū)儆跍貛О敫珊导撅L(fēng)氣候，年降水量250 mm～400 mm，濕潤度0.5 ～0.7，年均溫－3 ～0 ℃，全年≥10 ℃的活動積溫1600 ～2000 ℃，潛在年蒸發(fā)量為950 mm ～1900 mm，土壤類型主要為栗鈣土和黑鈣土。植物種類主要有克氏針茅(Stipa krylovii)、羊草(Leymus chinensis)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、黃囊苔草(Carex korshinskyi)、冷蒿(Artemisia frigid)等［6］。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

2013 年7 月末至8 月初植物生長季，在研究區(qū)域以空間演替系列代替時間演替系列的方法，以代表性克氏針茅草原優(yōu)勢種的變化為依據(jù)選取輕度放牧(輕牧)、中度放牧(中牧)、重度放牧(重牧)三個研究樣地。輕度放牧樣地圍欄封育時間為2001 年，中牧放牧樣地為輪牧活動，重牧放牧樣地為自然放牧區(qū)，常年受到放牧壓力的影響，具體樣地自然狀況見表1。

表1 樣地基本自然概況

1.3 樣品采集和分析方法

在每個樣地的典型地段設(shè)置3 條50 m 樣線，每條樣線上每隔10 m 設(shè)置一個50 cm × 50 cm樣方，共計10 個樣方。在每個小樣方中心部位用100 cm3環(huán)刀取0 ～10 cm 土壤樣品，充分混合均勻土壤，實(shí)驗(yàn)設(shè)3 次重復(fù)。將土樣保鮮帶回實(shí)驗(yàn)室，去除植物根系和礫石，改成:風(fēng)干，過篩，用于土壤理化性質(zhì)和土壤酶活性的測定。

土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后，研磨過篩，貯存于廣口瓶中，4 ℃保藏備用。土壤基本理化性狀采用常規(guī)分析法測定［7］。土壤樣品的全磷(鉬銻抗比色)、速效磷(碳酸氫鈉浸提－ 鉬銻抗比色法)、全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮(半微量凱氏定氮法)和有機(jī)質(zhì)含量(重鉻酸鉀氧化－外加熱法);蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法;過氧化氫酶高錳酸鉀滴定法;磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，脫氫酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法［8］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)進(jìn)行同質(zhì)性和正態(tài)分布檢驗(yàn)，對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脫氫酶和蔗糖酶進(jìn)行單因素方差分析;以放牧強(qiáng)度為固定因子對這些指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析;用Person 相關(guān)分析法對各指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析、雙側(cè)檢驗(yàn);Scheffe 法比較均值間的差異性，顯著性水平a=0. 05，所有統(tǒng)計用SPSS 19.0 (SPSS Inc.，USA)完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 放牧強(qiáng)度對草原土壤養(yǎng)分的影響

在輕牧、中牧和重牧3 個代表性樣地土壤的各種養(yǎng)分含量分別見表2。

表2 放牧強(qiáng)度對土壤養(yǎng)分的影響

從表2 可以看出，不同放牧強(qiáng)度3 個樣地表層土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量都隨著放牧強(qiáng)度的增大，養(yǎng)分含量明顯下降，差異極顯著(p ＜0.01)。輕度放牧土壤養(yǎng)分含量最高，中度放牧土壤養(yǎng)分含量居中，而重度放牧土壤養(yǎng)分含量最低。重度放牧土壤同輕度放牧土壤養(yǎng)分含量相比，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷含量分別下降了49. 3 %、68.8 %、62.5 %、99.4 %、38.4 %、58.2 %，其中土壤有效態(tài)養(yǎng)分中硝態(tài)氮的影響最大;中度放牧同輕度放牧相比，養(yǎng)分含量下降幅度相對較小，其中有機(jī)質(zhì)和銨態(tài)氮下降了16.3 % 和16.4 %，而硝態(tài)氮和有效磷分別下降了76. 3 %、50. 7 %。由此可見，放牧強(qiáng)度對土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生明顯影響，隨著放牧強(qiáng)度的增加，土壤養(yǎng)分下降明顯。這與高雪峰等人［9］在羊草草原的研究結(jié)果相一致。

2.2 不同放牧強(qiáng)度對草原土壤酶活的影響

克氏針茅草原不同放牧條件下酶活性值反映出土壤中土壤酶活性的變化趨勢，見圖1。放牧強(qiáng)度對脫氫酶和磷酸酶沒有顯著影響(P ＞0.05);放牧強(qiáng)度對過氧化氫酶和蔗糖酶有顯著影響(P ＜0.05)。過氧化氫酶和蔗糖酶活性隨放牧強(qiáng)度的增加而降低，并在輕牧樣地土壤兩種酶活性顯著高于中牧和重牧樣地的土壤酶活性，中牧和重牧樣地兩種酶活性都無明顯差異。上述研究結(jié)果表明放牧強(qiáng)度對由不同植物群落土壤的影響是不同的，土壤水熱條件的改變影響不同草地植物生長及其微生物的生存和繁衍，從而對土壤酶活性產(chǎn)生間接作用。

圖1 放牧強(qiáng)度對土壤酶的影響

2.3 相關(guān)性分析

不同放牧強(qiáng)度的土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性之間相關(guān)關(guān)系不同(見表3)?？耸厢樏┎菰寥肋^氧化氫酶活性與土壤有效磷含量達(dá)到了顯著正相關(guān)(P ＜0.05);土壤脫氫酶與土壤硝態(tài)氮和有效磷含量均達(dá)到了顯著正相關(guān)(P ＜0.05);蔗糖酶活性與土壤有效磷含量之間達(dá)到了顯著正相關(guān)(P ＜0.05)。以上結(jié)果說明，呼倫貝爾克氏針茅草原土壤磷酸酶、脫氫酶酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性與土壤養(yǎng)分有密切的關(guān)系。

表3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)系數(shù)

3 討論與結(jié)論

放牧作為一種典型的人為干擾，不僅直接導(dǎo)致自然植被發(fā)生相應(yīng)變化，還通過采食活動及畜體對營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化影響草地營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，深刻影響著土壤生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分形態(tài)和分布［10］。放牧強(qiáng)度對土壤養(yǎng)分含量影響顯著。不同植被類型草原在放牧影響下土壤有機(jī)質(zhì)含量均下降，這主要是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)質(zhì)的含量取決于草原生物量的生產(chǎn)與分解的平衡狀態(tài)以及土壤儲存有機(jī)質(zhì)的能力，隨著放牧強(qiáng)度的增加，家畜啃食牧草量增加，而殘留歸還給土壤的有機(jī)物減少，草原生物量生產(chǎn)與分解的平衡狀態(tài)失衡，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，牛得草和高雪峰也有同樣的研究結(jié)果［11－12］。隨著放牧強(qiáng)度的增大，植物根冠比增大［13］，蘊(yùn)育土壤根系的基質(zhì)量逐漸減少，表層根土比例增加引起歸還土壤中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量逐漸減少，即微生物利用的碳源、氮源減少［14］;同時微生物數(shù)量和微生物量隨著放牧強(qiáng)度的增大而增加［13］，土壤微生物代謝速率加快，引起土壤中養(yǎng)分循環(huán)加快，土壤中的養(yǎng)分隨放牧強(qiáng)度的增加而顯著下降，這與本研究結(jié)果基本一致。

呼倫貝爾克氏針茅草原是中國代表性的溫帶半干旱草原，水熱條件季節(jié)和年度波動較大［15］。因此，由土壤微生物分泌的土壤酶數(shù)量和活性會受土壤環(huán)境水熱條件的影響，進(jìn)而影響土壤生物化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度及養(yǎng)分循環(huán)的速度，對土壤養(yǎng)分釋放和儲存產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)呼倫貝爾克氏針茅草放牧樣地土壤養(yǎng)分和土壤酶活性(過氧化氫酶、磷酸酶、脫氫酶和蔗糖酶)均隨著放牧強(qiáng)度的增加而顯著降低，說明放牧強(qiáng)度不同干擾了土壤養(yǎng)分平衡和土壤微生物的數(shù)量進(jìn)而影響了土壤微生物生理生化反應(yīng)機(jī)制，進(jìn)而降低了土壤酶的活性，破環(huán)了土壤的養(yǎng)分平衡。因此，對放牧方式應(yīng)采取人為干擾措施，建立合理的草地利用制度，才能實(shí)現(xiàn)克氏針茅草原的可持續(xù)發(fā)展和利用。

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