不同管理措施對(duì)高寒草甸土壤微生物量季節(jié)性變化的影響

蔣永梅，姚 拓，田永亮，楊會(huì)會(huì)，張建貴，高亞敏，魏長(zhǎng)華，曾小霞，燕彩霞，張 標(biāo)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

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不同管理措施對(duì)高寒草甸土壤微生物量季節(jié)性變化的影響

蔣永梅，姚 拓，田永亮，楊會(huì)會(huì)，張建貴，高亞敏，魏長(zhǎng)華，曾小霞，燕彩霞，張 標(biāo)

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

采用氯仿熏蒸浸提法測(cè)定了4種不同管理措施(不圍欄、圍欄、圍欄+施肥、圍欄+補(bǔ)播)土壤微生物量碳、氮和磷季節(jié)變化，結(jié)果表明：(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，土壤微生物量表現(xiàn)為：圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，土壤微生物量表現(xiàn)為：0～20 cm>20～40 cm，且前者為后者的1.16～3.13倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量的季節(jié)變化均呈先增后降的趨勢(shì)，7月出現(xiàn)最大值，各月間呈不同的顯著性差異；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量季節(jié)變化幅度高于20～40 cm。土壤微生物量季節(jié)變化與氣溫變化呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與降水量呈正相關(guān)。運(yùn)用綜合指數(shù)法計(jì)算不同管理措施下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，其排序?yàn)椋簢鷻?補(bǔ)播(0.193)>圍欄+施肥(0.096)>圍欄(-0.059)>不圍欄(-0.231)。圍欄+補(bǔ)播對(duì)土壤的改善效果最佳，是瑪曲高寒草甸生態(tài)恢復(fù)的重要途徑。

高寒草甸；管理措施；土壤微生物量；季節(jié)變化

土壤微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)者和分解者，參與有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成，調(diào)控土壤中能量和養(yǎng)分循環(huán)等各個(gè)生化過(guò)程[1-3]，是十分重要的土壤養(yǎng)分供應(yīng)源和貯存庫(kù)[4]，也是維護(hù)陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分[5]。土壤微生物量的多少及其變化是衡量土壤肥力高低及其變化的重要依據(jù)之一[6]，土壤微生物量是土壤中活性較高的有機(jī)質(zhì)部分，對(duì)土壤環(huán)境因子的變化極為敏感[7]，其可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，并反映土壤的綜合質(zhì)量狀況，是公認(rèn)的土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警及敏感指標(biāo)，也可較早指示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[8]。目前，對(duì)土壤微生物量的季節(jié)變化研究已經(jīng)取得了不少成果，Roger等[9]研究發(fā)現(xiàn)土壤微生物量不隨季節(jié)而變化，而Patel等[10]則發(fā)現(xiàn)季節(jié)變化對(duì)微生物的影響是肯定的，區(qū)別在于不同學(xué)者對(duì)季節(jié)生物量的分布規(guī)律結(jié)論不一致。因此，研究高寒草甸土壤微生物量的季節(jié)變化具有重要意義。

甘肅省瑪曲縣地處青藏高原東部邊緣，甘肅省西南部，甘、青、川三省交界處，是黃河徑流重要的匯集區(qū)和黃河上游至源頭的重要水源涵養(yǎng)區(qū)[11]。近年來(lái)，由于受全球性氣候變化的影響和人為不合理的經(jīng)營(yíng)利用，使得草原植被恢復(fù)和更新長(zhǎng)期得不到保障，導(dǎo)致天然草原植被日趨惡化[12]。草地產(chǎn)量和質(zhì)量的下降使草-畜之間矛盾更加突出，過(guò)度放牧進(jìn)一步加劇了草地的退化。因此，采取一切可能的手段和技術(shù)措施加快恢復(fù)退化草地植物生產(chǎn)力，是當(dāng)前退化草地治理與生態(tài)重建的主要任務(wù)[13]。研究表明，圍欄封育可提高草地生產(chǎn)力，緩解放牧壓力，使草地自然恢復(fù)，是一種低投入的廣泛應(yīng)用的恢復(fù)和重建退化草地的管理措施[14]；施肥對(duì)高寒草地生產(chǎn)力有影響，肥料的施用對(duì)草地恢復(fù)、提高草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有積極作用[15]；補(bǔ)播可增加草群中優(yōu)良牧草成分和草地的覆蓋度，提高產(chǎn)草量，增加優(yōu)質(zhì)牧草比例[16]，其3種管理措施均是較好的恢復(fù)重建退化草地的有效措施。通過(guò)比較分析4種管理措施下土壤微生物量季節(jié)性變化，旨在為恢復(fù)瑪曲高寒草甸找到最佳的管理措施，為制定科學(xué)的土地利用規(guī)劃和進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)的有效管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)樣地選在瑪曲縣大水種畜廠，東南與四川省若爾蓋縣相連，地理坐標(biāo)位于E 102°16′、N 34°00′，平均海拔3 471.4 m。主要草地類型為高寒草甸，擁有可利用天然草地6 000 hm2，氣候?yàn)楹錆駶?rùn)氣候，無(wú)霜期只有20 d，全年無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，年均溫為1.2℃，平均風(fēng)速為2.5 m/s，最大風(fēng)速36 m/s，年均大風(fēng)日數(shù)77.1 d，年平均降水量615.5 mm，年蒸發(fā)量1 353.4 mm，日照差大，年均日照2 583.9 h[17]。

1.2 樣地設(shè)置及土樣的采集

試驗(yàn)樣地設(shè)在瑪曲縣大水種畜廠周邊，選擇平坦開(kāi)闊且退化程度一致的草地(植被蓋度約80%，平均高度20 cm，冬季地表有少量枯落物)，樣地中主要植物有垂穗披堿草(Elymusnutans)、黃花蒿(Artemisiaannua)、草地早熟禾(Poapratensis)、香青(Anaphalissinica)、蒲公英(Taraxacummongolocum)、唐松草(Thalictrumaquigifolium)、龍膽(Gentianascabra)、狼毒(Stellerachamaejasme)、委陵菜(Potentillaaiscolor)等。2010年5月在研究區(qū)設(shè)置了4個(gè)面積為5 hm2樣地(每個(gè)內(nèi)設(shè)3個(gè)重復(fù))，并采取不圍欄(自由放牧)、圍欄、圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播4種不同的管理措施。自由放牧家畜為綿羊，放牧強(qiáng)度為14只/hm2。施肥選用復(fù)合肥磷酸二銨(NH4)2HPO4進(jìn)行撒施，施肥量為10 kg/hm2。補(bǔ)播植物選取當(dāng)?shù)爻Ｓ玫拇顾肱麎A草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapratensis)和中華羊茅(Festucasinensis)，補(bǔ)播比例為6∶2∶2，總播量為10.2 kg/hm2。

采樣時(shí)間為2014年5月(返青期)、7月(生長(zhǎng)旺盛期)、9月(枯黃期)、11月(休眠期)，分別在各樣地內(nèi)采用5點(diǎn)法，用土鉆分別采集0～20和20～40 cm土樣，每個(gè)樣地5次重復(fù)，剔除植株根系和石頭等雜物，把相同層次樣品混合均勻后，再利用四分法的方式取適量土樣，封裝好帶回實(shí)驗(yàn)室，并過(guò)孔徑2 mm土壤篩，用于土壤微生物量的測(cè)定與分析。

1.3 測(cè)定方法

(1)土壤微生物量碳(SMBC)的測(cè)定[18]

SMBC(mg/kg)=(Ec- Ec0)/0.38

式中：Ec、Ec0分別表示熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中有機(jī)碳量；0.38為校正系數(shù)。

(2)土壤微生物量氮(SMBN)的測(cè)定[19]

SMBN(mg/kg)=(En- En0)/0.54

式中：En、En0分別表示熏蒸和未熏蒸浸提液中全氮含量，0.54為校正系數(shù)。

(3)土壤微生物量磷(SMBP)的測(cè)定[20]

SMBP(mg/kg)=(Ep- Ep0)/0.4

式中：Ep為熏蒸土壤浸提液中磷量；Ep0為不熏蒸土壤浸提液中磷量；0.4為校正系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理方法

采用 Excel 2010制圖和 SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同管理措施土壤微生物量碳的季節(jié)變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，除11月(20～40 cm土層)外，SMBC均表現(xiàn)為：圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥 >圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，SMBC總體表現(xiàn)為：0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的2.25～3.13倍；(3)不同月份，相同土層，相同的管理措施，SMBC的季節(jié)變化均呈先增后降的趨勢(shì)，7月出現(xiàn)最大值。除0～20 cm圍欄外，5月至7月顯著上升(P<0.05)，7月至11月逐漸下降，且各月間呈不同的顯著性差異；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層SMBC季節(jié)變化趨勢(shì)比20～40 cm明顯，且變化幅度大(圖1)。

2.2 不同管理措施土壤微生物量氮的季節(jié)變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，除5月的20～40 cm，SMBN總體表現(xiàn)與SMBC含量一致，即圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同空間層次，相同管理措施，SMBN與SMBC含量表現(xiàn)一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的1.16～1.52倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，SMBN的季節(jié)變化趨勢(shì)與SMBC季節(jié)變化趨勢(shì)一致，即均呈先增后降的趨勢(shì)，7月出現(xiàn)最大值，各月間呈現(xiàn)不同程度的顯著性；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，SMBN含量與SMBC表現(xiàn)一致，即0～20 cm變化幅度高于20～40 cm(圖2)。

圖1 不同管理措施下土壤微生物量碳Fig.1 Seasonal dynamics of SMBC under different managements注：不同小寫字母表示相同土層相同管理措施不同月份差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 不同管理措施下土壤微生物量氮Fig.2 Seasonal dynamics of SMBN under different managements

2.3 不同管理措施土壤微生物量磷的季節(jié)變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，SMBP與SMBC、SMBN表現(xiàn)一致，即圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同空間層次，相同管理措施，SMBP，SMBC和SMBN表現(xiàn)一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的1.59～1.98倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，SMBP的季節(jié)變化趨勢(shì)與SMBC、SMBN季節(jié)變化趨勢(shì)一致，即均呈先增后降的趨勢(shì)，7月出現(xiàn)最大值，各月間變化程度不明顯；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，SMBP含量與SMBC、SMBN表現(xiàn)一致，即0～20 cm變化幅度高于20～40 cm(圖3)。

圖3 不同管理措施下土壤微生物量磷Fig.3 Seasonal dynamics of SMBP under different managements

2.4 不同月份氣溫和降水量變化

從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲取2014年瑪曲縣5、7、9、11月的氣溫和降水量數(shù)據(jù)(圖4)，2014年瑪曲縣氣溫7月最高，11月最低，呈先增后降的變化趨勢(shì)。降水量9月最多，11月最少。

圖4 2014年瑪曲氣溫和降水量變化Fig.4 The change of temperature and precipitation in 2014

2.5 土壤微生物量與氣溫和降水量之間的相關(guān)性

不同管理措施土壤微生物量碳、氮、磷與氣溫和降水量之間呈正相關(guān)關(guān)系(表1)，與氣溫呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。這可能是因?yàn)闅鉁睾徒邓烤捎绊懳⑸锏纳L(zhǎng)，但影響程度各異。

表1 不同管理措施土壤微生物量與氣溫和 降水量的相關(guān)性Table 1 Correlation of soil microbial biomass with temperature and precipitation in different managements mg/kg

注：**表示在0.01水平上顯著相關(guān)；*表示在0.05水平上顯著相關(guān)

2.6 土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過(guò)主成分分析對(duì)不同管理措施下土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(表2)，第1主成分的方差貢獻(xiàn)率為62.36%，第1和第2主成分的方差貢獻(xiàn)率為90.28%，前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)98.63%，符合主成分分析的要求。第1主成分主要反映的是土壤微生物量，說(shuō)明土壤微生物量是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量最重要的因子；第2主成分和第3主成分主要反映的是氣溫和降水量，說(shuō)明氣溫和降水量在土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)中的作用相對(duì)較小(表2)。

由特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘得出主成分表達(dá)式：

表2 主成分的因子負(fù)荷量、特征根與貢獻(xiàn)率Table 2 Loading factor,eigenvalue and contribution ratio of principal component

F1=0.540X1+0.333X2+0.930X3+0.976X4+0.948X5

F2=0.714X1-0.836X2-0.294X3-0.114X4-0.295X5

F3=-0.442X1+0.435X2+0.141X3-0.098X4+0.061X5

根據(jù)以上表達(dá)式利用公式：F=0.624×F1+0.279×F2+0.083×F3，計(jì)算土壤綜合得分F值(土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù))，并進(jìn)行排序。不同管理措施下土壤綜合指數(shù)排序?yàn)椋簢鷻?補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄?？傮w而言，處理圍欄+補(bǔ)播土壤質(zhì)量最優(yōu)，其次為圍欄+施肥(表3)。

表3 土壤綜合得分及排序Table 3 General scores and ranking under different managements

3 討論

大量研究表明[21-22]，不同的草地利用方式影響草地的地上植被類型、地下根系、土壤微生物數(shù)量，導(dǎo)致即使處于相同氣候帶，土壤微生物量也有所差異。通過(guò)研究瑪曲高寒草甸土壤微生物量季節(jié)變化，結(jié)果表明：(1)相同月份，相同土層，圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播下均能顯著提高土壤微生物量，但其增加程度不同，究其原因可能是施肥(本試驗(yàn)復(fù)合肥為磷酸二銨)使土壤中可溶性速效養(yǎng)分(N、P素)增加[23]，植被生長(zhǎng)速度加快，根系生物量和分泌物逐漸增加；補(bǔ)播后植物群落多樣性和蓋度及植物量增加[24]，腐殖質(zhì)含量增加，同時(shí)圍欄使草地免受擾動(dòng)，兩種管理措施均能促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)，從而提高土壤微生物量。不圍欄下草地受到家畜、人為的干擾很大，使草地退化更加劇烈，土壤微生物生長(zhǎng)受到抑制，土壤微生物量逐漸降低。(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，土壤微生物量表現(xiàn)為0～20 cm>20～40 cm?？赡苁且?yàn)椴莸乇韺油寥烙袡C(jī)質(zhì)豐富，為微生物生長(zhǎng)和繁殖提供適宜的環(huán)境，促進(jìn)了微生物的生物活性，從而增加土壤微生物量，這與郭明英等[21]的研究結(jié)果一致。(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量的季節(jié)變化均呈先增后降的趨勢(shì)，可能是由每月氣溫和降水量不同引起的，相關(guān)性分析表明氣溫和降水量是影響土壤微生物量的重要環(huán)境因子，其中氣溫是影響土壤微生物量月季變化的主要因子。(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量含量季節(jié)變化幅度高于20～40 cm。這可能是由于表層聚積大量枯枝落葉，土壤中含有豐富的有機(jī)質(zhì)和大量植物根系，且外界條件(氣溫和降水量)的擾動(dòng)對(duì)表層土壤影響較大，因此有利于微生物生長(zhǎng)和繁殖[21]。

試驗(yàn)中所采用主成分分析對(duì)瑪曲高寒草甸土壤微生物量、氣溫、降水量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，土壤綜合指數(shù)排序?yàn)椋簢鷻?補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄，與不圍欄相比，管理措施圍欄+補(bǔ)播、圍欄+施肥和圍欄土壤質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)分別提高了183.55%，141.56%和74.46%。

4 結(jié)論

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，土壤微生物量表現(xiàn)為：圍欄+施肥>圍欄+補(bǔ)播>圍欄>不圍欄，圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播下均能顯著提高土壤微生物量(P<0.05)；相同月份，相同管理措施，不同土層，土壤微生物量表現(xiàn)為：0～20 cm>20～40 cm；不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量季節(jié)變化與氣溫變化趨勢(shì)一致，即呈先增后降的趨勢(shì)，且7月出現(xiàn)最大值，相關(guān)性結(jié)果也進(jìn)一步印證了這一結(jié)論；不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量含量季節(jié)變化幅度高于20～40 cm土層。

(2)采用主成分分析對(duì)瑪曲高寒草甸土壤微生物量、氣溫及降水量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，運(yùn)用綜合指數(shù)法計(jì)算出不同管理措施下土壤質(zhì)量綜合指數(shù)，其值排序?yàn)椋簢鷻?補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄?？傮w分析，4種不同管理措施不同程度的改變了土壤狀況，其中，圍欄+補(bǔ)播恢復(fù)效果最好，能夠改善土壤質(zhì)量，在瑪曲高寒草甸生態(tài)恢復(fù)和管理過(guò)程中可作為最佳的管理措施進(jìn)行推廣。

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Effect of different management patterns on seasonal dynamics of soil microbial biomass in the alpine meadow

JIANG Yong-mei,YAO Tuo,TIAN Yong-liang,YANG Hui-hui,ZHANG Jian-gui,GAO Ya-min,WEI Chang-hua,ZENG Xiao-xia,YAN Cai-xia,ZHANG Biao

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Seasonal dynamics of soil microbial biomass carbon(SMBC),soil microbial biomass nitrogen(SMBN) and soil microbial biomass phosphorus(SMBP) were tested and analyzed with the chloroform fumigation extraction method in alpine meadow in Maqu under different management measures.The main results obtained as follows:1) in the same month and soil depth,soil microbial biomass shown a decreasing tendency(enclosure + reseeding > enclosure + fertilization > enclosure > no-fence);2) in same month and management measures,soil microbial biomass with different soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm),they were much greater(1.16 to 3.13 times) in 0 to 20 cm soil depth than that in 20 to 40 cm;3) in same management measures and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm),the seasonal trend of soil microbial biomass reached the peak in July and then declined,the differences among months were significant;4) in same management measures,the seasonal dynamics of soil microbial biomass with the different month and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm).Soil microbial biomass was significantly related with temperature(P<0.010),and positively correlated with precipitation.The synthetic index method was used to calculate a soil quality index under different management patterns,the tendency of the values of the soil quality indices was as follows:enclosure + reseeding(0.193) > enclosure + fertilization(0.096) > enclosure(-0.059) > no-fence(-0.231).It could be concluded that the enclosure + reseeding was the best for the ecological restoration of alpine meadow.

alpine meadow;management pattern;soil microbial biomass;seasonal dynamics

2016-05-10；

2016-05-30

國(guó)家自然基金(31360584)資助

蔣永梅(1990-)，女，甘肅榆中人，在讀碩士。

E-mail：JYMjiangyongmei@yeah.net

154.3

A

1009-5500(2016)05-0105-06

姚拓為通訊作者。