不同刈割頻度對(duì)大針茅草原土壤呼吸及其土壤因子的影響

萬志強(qiáng)，楊九艷，閆玉龍，谷蕊,楊劼，高清竹

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100081)

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不同刈割頻度對(duì)大針茅草原土壤呼吸及其土壤因子的影響

萬志強(qiáng)1,2，楊九艷1*，閆玉龍1,2，谷蕊1,2,楊劼1,2，高清竹2*

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境與氣候變化重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100081)

通過對(duì)大針茅草原土壤呼吸特性及影響因子的測定，研究3種不同刈割方式天然草地土壤呼吸特性及其影響因子，為典型草原刈割對(duì)碳收支研究提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。大針茅草原是亞洲中部草原亞區(qū)特有的一種草原類型。研究區(qū)設(shè)置在內(nèi)蒙古錫林浩特市東部以大針茅建群的典型草原；在2009-2013年進(jìn)行不同頻度的刈割處理，一年兩次、一年一次、兩年一次(割一年休一年)、圍封，在2013年8月采集測定土壤養(yǎng)分樣品，在2013年生長季的6、7、8月進(jìn)行土壤呼吸速率的測定及土壤微生物數(shù)量的測定。結(jié)果表明，圍封處理下土壤含水量要高于其他刈割處理。6與8月時(shí)，圍封處理下的細(xì)菌和微生物總數(shù)均顯著高于刈割處理。不同頻度刈割下群落的土壤呼吸速率有顯著的差異，割一年休一年與圍封處理顯著高于其他刈割處理，且不同處理的土壤呼吸速率均在7月初為最低；土壤呼吸速率在內(nèi)蒙古干旱半干旱地區(qū)與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，受土壤含水量影響顯著。結(jié)合生物多樣性及生產(chǎn)利用的角度，割一年休一年為最合理的刈割頻度。

刈割頻度；大針茅草原；土壤呼吸；土壤影響因子

隨著草原上氣候變化和人為活動(dòng)的日益增多，天然草地資源在近幾十年退化嚴(yán)重。刈割是最為普遍的利用草原資源的方式，同時(shí)也是人為干擾草地生態(tài)系統(tǒng)的機(jī)制，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)等方面都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

在草原生態(tài)系統(tǒng)中，土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量和肥力的重要生物學(xué)指標(biāo)[1]。土壤呼吸的變化，反映出草原生態(tài)系統(tǒng)演替中土壤質(zhì)量的變化過程?；A(chǔ)土壤呼吸與根系呼吸兩部分構(gòu)成了土壤呼吸，其中基礎(chǔ)土壤呼吸可以反應(yīng)土壤的物質(zhì)代謝能力[2]。因?yàn)樨赘顣?huì)影響土壤的非生物因子-環(huán)境條件，如土壤微生物種類及數(shù)量比例，土壤水分條件，土壤元素組成等，而土壤呼吸又受到土壤環(huán)境因子的重要影響[3-5]；不同頻度的刈割會(huì)直接影響土壤含水量，或通過影響植被和枯落物覆蓋和根系蓄水能力而間接影響土壤含水量，土壤呼吸速率會(huì)隨著土壤含水量的變化而產(chǎn)生差異，在內(nèi)蒙古典型草原生態(tài)系統(tǒng)中，0～20 cm深度土壤含水量能夠?qū)ν寥篮粑俾实慕忉屄?1%～80%，兩者間存在很好的線性相關(guān)關(guān)系[6-9]。土壤條件的變化會(huì)使微生物種類及數(shù)量產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響到微生物呼吸[10]，因此土壤呼吸在不同刈割頻度間必然會(huì)存在差異。相同地區(qū)溫度和水分會(huì)因海拔高度不同而有差異，因此導(dǎo)致碳同化過程產(chǎn)生變化[11]。

關(guān)于刈割頻度對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)影響的研究目前已有一些結(jié)果，但多數(shù)關(guān)注于不同頻度刈割對(duì)生產(chǎn)力[12-15]、群落組成[16-17]、草地質(zhì)量[18-19]等影響的研究。刈割對(duì)土壤呼吸影響的研究主要集中在刈割與圍封之間的差別，但不同刈割頻度也會(huì)對(duì)土壤的環(huán)境因子產(chǎn)生不同影響，進(jìn)而土壤呼吸速率產(chǎn)生差異。研究不同刈割頻度對(duì)土壤環(huán)境因子及其與土壤呼吸的關(guān)系，可以更為詳細(xì)明確的揭示不同刈割頻度對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)碳收支的影響。因此，本研究關(guān)注不同刈割頻度對(duì)土壤呼吸及土壤影響因子的影響，為揭示天然草地在刈割利用方式下的碳收支提供部分理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)樣地布置在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市東部內(nèi)蒙古大學(xué)草地生態(tài)學(xué)研究基地。海拔為1101 m，土壤類型為栗鈣土。年平均溫度為-0.4 ℃，≥10 ℃年積溫在1600～2300 ℃之間，無霜期100 d左右。植物生長集中于4-9月，約150 d。雨量主要集中在6-8月，占年降水量的70%左右，年度間降水變化率大，豐水年與貧水年降水差距較大，年蒸發(fā)量1746.5 mm，約是降水量的5.8倍。該地區(qū)典型草原，以大針茅(Stipagrandis)和羊草(Leymuschinensis)為建群種，分布的優(yōu)勢種為知母(Anemarrhenaasphodeloides)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)和黃囊苔草(Carexkorshinskii)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣地設(shè)置

實(shí)驗(yàn)樣地從2010年5月開始布置，共設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，具體情況見表1。

1.3 土壤環(huán)境因子的調(diào)查

在2013年的6、7、8月，測定土壤呼吸速率同時(shí)采用土鉆法測定不同刈割頻度的土壤含水量[20]，取土層次為0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～40 cm、40～50 cm，5個(gè)重復(fù)，用烘干稱重法測定；在2013年6、7、8月對(duì)不同實(shí)驗(yàn)處理樣地采集0～15 cm表層土壤并低溫保存，采用平板計(jì)數(shù)法測定土壤中細(xì)菌和放線菌的數(shù)量，細(xì)菌使用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；放線菌使用高氏1號(hào)瓊脂培養(yǎng)基(淀粉瓊脂培養(yǎng)基)[21]。

表1 樣地設(shè)置Table 1 Fact sheet of research plots

1.4 土壤呼吸速率調(diào)查

于6、7、8月用Li-8100測定不同刈割頻度下的土壤呼吸，提前埋置PVC管，測定時(shí)，管內(nèi)植物要齊地面去除，每個(gè)處理埋置5個(gè)PVC管；測定時(shí)間選擇晴朗無云天氣，上午9:00-11:00。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel進(jìn)行平均值計(jì)算與作圖，SPSS 19.0進(jìn)行方差分析與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤環(huán)境因子調(diào)查

2.1.1 土壤含水量季節(jié)動(dòng)態(tài) 由圖1看出，在6月份時(shí)，圍封下土壤含水量在不同土壤深度均要高于其他處理，且割一年休一年處理也要高于其他兩個(gè)處理；在7、8月，各個(gè)處理下并無一致規(guī)律，但總體趨勢上可以看出，圍封處理下土壤含水量仍要高于其他刈割處理。

圖1 不同刈割頻度下土壤含水量季節(jié)變化Fig.1 Seasonal change of soil moisture under different mowing frequency treatments

2.1.2 土壤微生物數(shù)量季節(jié)動(dòng)態(tài) 不同刈割處理下的土壤細(xì)菌數(shù)量的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化趨勢，在高頻次刈割即一年兩次(TAY)和一年一次(OAY)一致，均為7月最低(P<0.05)；但在割一年休一年(OTY)和圍封處理下(NM)均為6月最高，7月仍最低(P<0.05)；可能原因是割一年休一年處理及圍封處理，地表有較多的枯落物，土壤水分狀況優(yōu)于其他處理，因此在生長季初期，高頻次刈割處理下細(xì)菌數(shù)量較少。圍封對(duì)照處理下的細(xì)菌數(shù)量在6和8月顯著高于其他刈割處理(P<0.05)。一年一次的刈割處理，細(xì)菌數(shù)量在季節(jié)上的變化趨勢較為平緩(表2)。

土壤放線菌數(shù)量的季節(jié)動(dòng)態(tài)，在不同刈割處理下均為6月>8月>7月(P<0.05)。在6月份，圍封處理下的土壤中的放線菌數(shù)量最低，顯著低于刈割處理(P<0.05)，這與圍封處理的地表枯落物較多有關(guān)，導(dǎo)致了在植物開始生長的季節(jié)，土壤中放線菌的活性與數(shù)量恢復(fù)較為緩慢(表2)。

2.2 土壤呼吸速率

不同的刈割頻度下的土壤呼吸均在7月份為最高值，這與植物的生長期有關(guān)，7月份為植物生長速率最快速的時(shí)期。不同的刈割頻度下的土壤呼吸,圍封處理下的土壤呼吸速率要顯著高于其他刈割處理，一年兩次的高頻刈割處理下的土壤呼吸速率為最小(表3)。

2.3 土壤呼吸與影響因子相關(guān)性分析

對(duì)土壤呼吸速率與土壤環(huán)境因子作相關(guān)性分析，結(jié)果得出，土壤呼吸速率與土壤含水量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系， 與細(xì)菌數(shù)量呈現(xiàn)顯著相關(guān)(表4)。

表2 不同月份、不同頻度刈割處理下土壤微生物類型及數(shù)量Table 2 The type and number of the soil microbial under different cutting systems in different months ×106/g

注：同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)。同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:The different capital letters in the same column indicate significant differences atP<0.05. The different small letters in the same row indicate significant differences atP<0.05. The same below.

表3 不同刈割處理下土壤呼吸速率季節(jié)變化Table 3 Seasonal variation of soil respiration rate under different cutting treatments μmol/(m2·s)

表4 土壤呼吸速率與影響因子相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between diversity indices and soil factors

“**”表示P<0.01,“*”表示P<0.05達(dá)到顯著性水平。The “**” indicateP<0.01, The “*” indicateP<0.05.

3 討論

土壤呼吸由土壤微生物呼吸、植物根系呼吸、土壤動(dòng)物呼吸3個(gè)生物學(xué)過程以及含碳礦物質(zhì)的化學(xué)氧化作用組成。前人研究綜合了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)植物根系呼吸與土壤呼吸關(guān)系的研究，結(jié)論表明土壤總呼吸的30%～40%部分為根系呼吸[22-26]。溫度和水分等環(huán)境因子是影響草地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的主要因素[22,27]，此外土壤理化性質(zhì)、土壤碳氮比等環(huán)境因子和放牧施肥灌溉等人類利用方式都會(huì)影響土壤呼吸[24,27-28]。本研究結(jié)果顯示，不同頻度刈割處理下土壤呼吸速率間有顯著差異，圍封處理下的土壤呼吸速率要高于其他刈割處理，一年兩次的高頻刈割處理下的土壤呼吸速率為最小，這是由于高頻次刈割不利于植物根系的生長，可導(dǎo)致根系數(shù)量降低[29-30]，影響結(jié)果直接表現(xiàn)為根系呼吸下降。

仲延凱等[31]研究了刈割對(duì)典型草原的影響，刈割帶走土壤表面枯落物，植物個(gè)體小型化并密度降低，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)得不到有效的補(bǔ)充，是根系和微生物呼吸減弱的主要原因；其次根系和土壤微生物都受到土壤水分的影響，而刈割會(huì)導(dǎo)致土壤含水量降低進(jìn)而影響土壤呼吸。圍封樣地植被和土壤受到的人為活動(dòng)干擾最為微弱，群落特征和土壤性質(zhì)顯著優(yōu)于刈割處理，因此圍封處理下土壤呼吸速率最高。

枯落物的降解會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間圍封導(dǎo)致枯落物累積而減緩，土壤中的養(yǎng)分得不到有效補(bǔ)充，土壤呼吸速率減弱；但持續(xù)高頻度的刈割，會(huì)導(dǎo)致地表枯落物的減少，優(yōu)勢種小型化——根系活動(dòng)減弱，土壤呼吸速率要低于低頻度刈割。

4 結(jié)論

本研究在內(nèi)蒙古大針茅草原設(shè)置一年兩次、一年一次、割一年休一年3個(gè)刈割頻度及圍封處理，測定不同刈割頻度對(duì)土壤呼吸及其影響因子的影響，主要結(jié)論如下：

1)6月，圍封下土壤含水量在不同土壤深度均要高于其他處理，且割一年休一年處理也要高于其他兩個(gè)處理；在7、8月，各個(gè)處理下并無一致規(guī)律，但總體趨勢上，圍封處理下土壤含水量要高于其他刈割處理。

2)6與8月時(shí)，圍封處理下的細(xì)菌和微生物總數(shù)均顯著高于刈割處理，7月時(shí)，一年一次刈割處理下的細(xì)菌和微生物總數(shù)顯著高于其他處理。

3)割一年休一年與圍封處理的土壤呼吸速率顯著高于另外的刈割處理，且不同處理的土壤呼吸速率均在7月初為最低。

4)土壤呼吸速率在內(nèi)蒙古干旱半干旱地區(qū)與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

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Effects on soil respiration and soil factors of different mowing frequency onStipagrandissteppe

WAN Zhi-Qiang1,2, YANG Jiu-Yan1*, YAN Yu-Long1,2, GU Rui1,2, YANG Jie1,2, GAO Qing-Zhu2*

1.SchoolofEcologyandEnvironment,InnerMongoliaUniversity,Hohhot010021,China; 2.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,KeyLaboratoryforAgro-Environment&ClimateChangeofMinistryofAgriculture,Beijing100081,China

TheStipagrandissteppe is a characteristically central Asian grassland. In grassland ecosystem, soil has a significant impact on plant community dynamics. The study area comprised Maodeng pasture near Xilin-haote, Inner Mongolia characterized asS.grandissteppe. We established four different mowing treatments in 2009 which were continued until 2013. Mowing frequencies were twice a year (TAY)； Once a year (OAY); Once two year (OTY); No mowing (NM). Soil samples were collected to determine soil nutrient status in August 2013. Soil moisture (gravimetric), soil respiration rate and soil microbial number were measured in June, July and August, respectively. The results indicated that soil moisture of NM was the highest across all treatments. Soil organic matter content in the 20-30 cm and 30-40 cm depth bands in the TAY treatment was significantly higher than all other treatments; total soil nitrogen was also highest in the TAY treatment. There was significantly difference in soil respiration rate among cutting systems; OAY and NM produced higher soil respiration than that of remaining treatments; soil respiration was lowest in July for all systems. Soil microbial activity in NM treatments was significantly higher than in the cutting systems in both June and August. No mowing was beneficial to soil microbial activity, soil nutrients and soil respiration, but was not conducive to the growth ofS.grandis. Annual mowing produced the optimal outcome in terms of productivity in the short and long term.

mowing systems;Stipagrandissteppe; soil respiration; soil factors

10.11686/cyxb2016154

2016-04-07；改回日期：2016-05-26

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014ZD02),國家科技支撐計(jì)劃專題(2013BAC09B03-2)和農(nóng)業(yè)部項(xiàng)目“國家牧草現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系”(CARS-35)資助。

萬志強(qiáng)(1988-)，男，山東泰安人，博士。 E-mail：xiaoqiang1988117@126.com

*通信作者Corresponding author. E-mail：yangjj1122@163.com, gaoqingzhu@caas.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

萬志強(qiáng), 楊九艷, 閆玉龍, 谷蕊, 楊劼, 高清竹. 不同刈割頻度對(duì)大針茅草原土壤呼吸及其土壤因子的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(7): 225-231.

WAN Zhi-Qiang, YANG Jiu-Yan, YAN Yu-Long, GU Rui, YANG Jie, GAO Qing-Zhu. Effects on soil respiration and soil factors of different mowing frequency onStipagrandissteppe. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(7): 225-231.