溫帶典型草原土壤理化性質及微生物量對放牧強度的響應

鄔嘉華， 王立新， 張景慧， 卓 義， 武勝男，王鳳歌， 徐智超， 祁 瑜， 溫 璐,3*

(1. 內蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院， 內蒙古 呼和浩特 010021； 2. 內蒙古自治區(qū)河流與湖泊生態(tài)重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010021；3. 內蒙古大學草地生態(tài)學國家重點實驗， 內蒙古 呼和浩特010021； 4. 內蒙古自治區(qū)環(huán)境科學研究院， 內蒙古 呼和浩特 010011)

放牧是中國溫帶典型草原的主要擾動因素之一[1-2]，放牧方式及強度會影響土壤的物理、化學和生物學指標[3]，這些指標在一定程度上能夠表征草地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。近幾十年來，由于自然和人為等因素溫帶草原發(fā)生了不同程度的退化，選擇適當?shù)姆拍凉芾碇贫葘τ谔嵘菰鷳B(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益具有重要意義。因此，分析放牧強度對草地土壤理化性質和微生物量的影響，研究不合理放牧導致草地土壤退化的過程和機制，尋求合理的放牧制度，這關系到草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用和畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對于提供合理的放牧管理方案至關重要。

以往研究表明休牧(即全年禁牧)作為一種放牧管理方式，可以有效的增強草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[4-5]。休牧過程中，草地植物地上生物量和地下生物量均增加，其作為土壤養(yǎng)分的主要輸入源，使得土壤養(yǎng)分含量增加[5-7]。放牧會改變土壤結構和土壤養(yǎng)分[8-11]，減少植物物種多樣性、生產力、植被覆蓋度，改變凋落物輸入的質量和數(shù)量，抑制土壤有機碳和土壤全氮的固存[11]，從而改變土壤微生物群落[9,12]，且放牧強度不同影響不同。有研究表明隨放牧強度增加草地土壤容重增加，土壤養(yǎng)分和微生物量顯著降低[13]。而王合云等[14]的研究結果表明隨放牧強度的增加，各層土壤有機碳及全氮均呈先增加后減少的趨勢。劉亞軍[15]指出放牧強度加劇會使土壤全氮及速效磷含量增加，全磷含量下降，但對土壤有機質影響不顯著。楊青等[9]研究發(fā)現(xiàn)適度的放牧能夠增加土壤微生物量，加快養(yǎng)分循環(huán)，而過度的放牧則導致土壤含水量、微生物量等降低。張?zhí)N薇等[16]發(fā)現(xiàn)放牧期間中度放牧樣地土壤微生物量高于輕度、重度放牧及禁牧樣地。由此可見不同放牧壓力對草地土壤理化性質及微生物量的影響尚未得到一致結論。

內蒙古草原是中國溫帶典型草原的主體，錫林郭勒草原是內蒙古溫帶典型草原的核心分布區(qū)，既對我國畜牧業(yè)的發(fā)展具有重要影響意義，又是我國北方和京津地區(qū)重要的綠色屏障[17]。然而，溫帶典型草原生態(tài)恢復的基礎理論研究還尚不完善?；谏鲜霰尘?，本文擬進一步開展溫帶典型草原不同放牧強度下土壤微生物量與土壤基本屬性的相互作用關系的研究，為草地合理利用和草原生態(tài)恢復提供基礎數(shù)據(jù)和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究在內蒙古自治區(qū)錫林浩特市東部的錫林浩特國家氣候觀象臺生態(tài)監(jiān)測樣地進行，其地理位置為44°08′ N，116°20′ E，平均海拔約1 100 m，屬于溫帶半干旱大陸性氣候，年平均氣溫3℃，最高氣溫31.8℃，最低氣溫-34.9℃，年平均降水200～300 mm，降雨多集中在6—9月份，約占全年降水的80%。主要的土壤類型是栗鈣土。植被群落優(yōu)勢種組成包括大針茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)，主要物種組成還包括冷蒿(Artemisiafrigida)、米氏冰草(Agropyromcristatum)、刺穗藜(Cenopodiaceaearistatum)、豬毛菜(Salsdacollina)、知母(AnemarrhenaasphodeloidesBunge)、蒙古蔥(Alliummongolicum)、雙齒蔥(Alliumbidentatum)、乳白花黃芪(Stragalusgalactite)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)和黃囊苔草(Carexkorshinskyi)等。

1.2 試驗設計及樣品采集

本實驗從2014年6月開始實施，每年的5—9月連續(xù)進行控制放牧實驗。放牧樣地共有12個小區(qū)，劃分為3個梯度，每個梯度按照地統(tǒng)計學原理選取3個小區(qū)，每個小區(qū)的面積為1.44 hm2(120 m×120 m)。此實驗采用調節(jié)放牧天數(shù)的方式來模擬輕度、中度、重度放牧強度[18]，其中對照處理區(qū)(control check，CK)圍封無放牧；輕度放牧(light grazing，LG)處理區(qū)28只羊每月放牧3天；中度放牧(moderate grazing，MG)處理區(qū)28只羊每月放牧6天；重度放牧(heavy grazing，HG)處理區(qū)28只羊每月放牧12天(圖1)。

圖1 試驗樣地設計Fig.1 The schema of experimental designs

取樣時間為2016年的7月至8月，每個小區(qū)選取3個1 m×1 m樣方，每個樣方內斜對角分層鉆取0～10、10～20、20～30和30～40 cm共4層的土樣，各層取3鉆土樣混合。土樣采集標識完畢后盡快帶回實驗室4℃保存。在樣品預處理階段，每份土樣分為兩部分，一部分自然風干后過20目篩孔用于測定土壤理化指標pH值、電導率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮等；另外一部分過100目篩孔，用于測定土壤總有機碳、總氮、總碳、土壤微生物生物量等。理化性質測定方法如下：土壤含水量用烘干法測定；pH用酸度計測定，土壤全碳、全氮采用元素分析儀測定；土壤總有機碳采用總有機碳測定儀(Elementar Liqui TOC)測定；土壤速效磷采用鉬銻抗比色法測定；土壤堿解氮采用堿解氮擴散法測定[19-20]。土壤微生物生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸提取法測定[21-22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用Excel進行原始數(shù)據(jù)整理，使用SPSS Statistics 17軟件計算均值、標準誤差并進行方差分析(ANOVA)，單因素方差分析前對不同處理間比較前進行方差齊性檢驗，如具有方差齊性使用LSD法，雙因素方差分析(Two-way ANOVA)用于分析土壤深度和放牧強度對土壤各項指標影響的差異顯著性，繪圖使用OriginPro 9.1。使用R語言對土壤理化因子進行因子分析，并用所提取出的公因子與微生物量碳、氮、磷進行Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同放牧強度對土壤理化性質的影響

放牧強度和土壤深度對土壤pH值的影響極顯著(P<0.01)，但隨放牧強度增加各土層土壤pH值變化規(guī)律不一致(表1、表2)。放牧對相同土層土壤電導率無顯著影響。

表1 不同放牧強度下不同深度溫帶典型草原土壤理化性質Table 1 Soil physical and chemical properties of typical steppe with different depths under different grazing intensities

注：不同小寫字母表示同一土壤深度下不同樣地之間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一樣地中不同深度之間的差異顯著(P<0.05)

Note:Different lowercase letters indicate significant difference between the same soil depths at the 0.05 level;Different capital letters indicate significant difference between different depths of the same sample plot at the 0.05 level

土壤總氮(total nitrogen，TN)、土壤總有機碳(total organic carbon，TOC)含量受放牧強度影響極顯著(P<0.01)，土壤總碳(total carbon，TC)受土壤深度影響極顯著(P<0.01)(表2)。表層(0～10 cm)土壤的總碳、總氮和總有機碳含量在輕度放牧樣地顯著高于其他樣地，10～20 cm和20～30 cm層土壤碳氮含量在輕牧和中牧處理樣地顯著高于其他處理樣地，而在30～40 cm層輕牧樣地顯著低于其他處理樣地。各樣地土壤總氮含量隨土壤深度加深而減少，但土壤總碳、總有機碳含量的垂直分布未呈現(xiàn)一致規(guī)律(表3)。

表2 放牧梯度及土壤深度對土壤性質影響的雙因素方差分析Table 2 Two way-ANOVA of effects of grazing gradient and soil depth on soil properties

注：表中數(shù)值為F值；**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)

Note:The value in the table is F values. ** indicate significant difference at the 0.01 level,* indicate significant difference at the 0.05 level

表3 不同放牧強度下不同深度溫帶典型草原土壤化學性質Table 3 Soil chemistry properties of typical steppe with different depths under different grazing intensities

注：同列不同小寫字母表示不同放牧強度下土壤的方差分析差異顯著(P<0.05)；同列不同大寫字母表示不同土壤深度的土壤性質差異顯著(P<0.05)，下同

Note:Different lowercase letters indicate significant difference between different grazing intensity at the 0.05 level;Different capital letters indicate significant difference between different depths of soil at the 0.05 level,the same as below

圖2 不同放牧強度不同土壤深度的銨態(tài)氮占全氮含量的比例Fig.2 Percentage of soil ammonium nitrogen in total nitrogen content at different soil depths with different grazing intensities

土壤銨態(tài)氮占全氮含量的比例在0.28%～0.59%之間，隨土壤深度增加無顯著變化，不同放牧強度對土壤銨態(tài)氮占全氮含量比例影響不顯著(圖2)。

土壤硝態(tài)氮占全氮含量的比例在0.04%～0.64%之間，隨土壤深度增加顯著降低(P<0.05)；放牧強度對表層土壤硝態(tài)氮占全氮含量比例影響顯著(P<0.05)，具體表現(xiàn)為輕度和重度放牧顯著高于中度和對照放牧處理，這與放牧對土壤硝態(tài)氮含量的影響結果一致(圖3)。

2.2 不同放牧強度對土壤微生物量的影響

微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)

圖3 不同放牧強度不同土壤深度的硝態(tài)氮占全氮含量的比例Fig.3 Percentage of soil nitrate nitrogen in total nitrogencontent at different soil depths with different grazing intensities

含量在1.05～5.47 mg·g-1之間，受放牧強度影響顯著(P<0.05)，10～20 cm層土壤MBC含量呈對照樣地和重牧樣地顯著高于輕牧樣地。微生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)含量在0.47～6.43 mg·kg-1之間，受放牧強度影響不顯著，土壤深度對MBN影響極顯著(P<0.01)，0～10 cm層土壤MBN顯著高于其他土層，隨土壤深度加深，MBN含量先降低再升高。土壤微生物量磷(microbial biomass phosphorus，MBP)受放牧強度影響顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為表層(0～10 cm)土壤MG和LG樣地顯著高于CK和HG樣地。MBP受土壤深度極顯著影響(P<0.01),在垂直分布上隨土壤深度加深，微生物量磷含量逐漸降低(表2，表4)。

表4 不同放牧強度下不同土壤深度的土壤微生物生物量Table 4 Soil microbial biomass at different soil depths with different grazing intensities

2.3 土壤理化性質與土壤微生物量間的關系

相關分析結果表明土壤堿解氮含量與總氮含量相關系數(shù)為0.8439(圖4a)，土壤速效磷與總氮含量相關系數(shù)為0.5151(圖4b)，土壤總氮與土壤總有機碳含量相關系數(shù)為0.7677(圖4c)，土壤pH與土壤堿解氮含量相關系數(shù)0.497(圖4d)，均達到極顯著正相關水平(P<0.01)。

圖4 不同放牧梯度不同土壤深度的土壤理化性質間的相關性分析Fig.4 Relativity of soil physical and chemical properties of different soil depth with different grazing intensities

表5 放牧強度下土壤理化因子與土壤微生量Pearson相關性分析Table 5 Pearson correlation analysis of soil physico-chemical factors and soil microbialbiomass under grazing intensity

3 討論

3.1 放牧強度對土壤物理性質和化學性質的影響

土壤碳、氮和磷在草地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，是系統(tǒng)中最大的營養(yǎng)庫，是土壤有機質的重要組成部分，也是維持土壤結構的關鍵因子[23]。放牧主要以家畜的采食和家畜排泄活動而影響著草地土壤化學性質的變化[24]。本研究表明放牧強度對土壤有機碳和氮含量影響顯著(P<0.05)，表層(0～10 cm)土壤表現(xiàn)為LG顯著高于其他樣地，且碳氮含量隨土壤深度增加降低，這與已有研究所得結論一致[8,25-28]。分析其原因可能是由于隨放牧強度加劇，家畜的踩踏和采食活動加強導致草原的初級生產力降低、凋落物的積累減少，從而使土壤的有機質含量減少[17,25,28-29]。而閆鐘清[30]等研究發(fā)現(xiàn)土壤全氮含量隨放牧強度加劇而增加，可能是由于重牧區(qū)家畜糞便多，提供大量的有機氮源。

土壤硝態(tài)氮含量受放牧強度影響極顯著(P<0.01)，0～10 cm層土壤LG>HG>CK、MG，深層土壤(20～30 cm，30～40 cm)重牧處理硝態(tài)氮含量顯著高于其他處理樣地?？赡艿脑蚴沁m度的牲畜踐踏使凋落物破碎并與表層土壤充分接觸，有助于凋落物分解及養(yǎng)分向土壤轉移[31]，而重度放牧牲畜踩踏活動加劇導致表層土壤緊實，阻隔表層土壤的養(yǎng)分來源[25]，卻使深層土壤硝態(tài)氮隨水分的上移量減少[32]。本研究發(fā)現(xiàn)速效磷含量受放牧強度和土壤深度影響極顯著(P<0.01)，且隨土壤深度增加土壤速效磷含量顯著降低。分析其原因，當表層土壤速效磷含量減少時，位于下層土壤的速效磷通過水分的移動可以迅速補充到土壤表層，以此保證植物被采食后補償生長對速效磷的需要[33]。此外，隨著放牧強度增大，家畜的頻繁采食活動使磷素營養(yǎng)的輸出量增加，地上部分歸還量降低，加速了土壤磷素的失調，因此，重牧處理下土壤速效磷含量顯著低于同土層其他樣地[13,34]。然而，錫林圖雅等[35]研究發(fā)現(xiàn)隨著放牧強度加劇土壤速效磷含量增加，可能是由于家畜的頻繁采食使磷從系統(tǒng)中的輸出增加，引起土壤中全磷的各組分向速效磷成分轉移量增大。

可見適度放牧可提高土壤氮、磷的有效性[36-37]，而過度放牧顯著影響土壤全量養(yǎng)分含量和有機碳含量，放牧后牧草再生，促使土壤中全量養(yǎng)分向速效成分轉移量增大，通過植物吸收后向系統(tǒng)外輸出，最終導致土壤有機碳含量及全量養(yǎng)分減少[38]。同時也有學者指出，土壤理化指標的變化不僅與放牧等人為因素有關，還受降雨等氣候因素的影響，而且草原土壤系統(tǒng)本身十分復雜，應對外界環(huán)境變化時也存在著一定的滯后[39]。

3.2 放牧強度對土壤微生物生物量的影響

土壤微生物是土壤養(yǎng)分轉化和物質循環(huán)的動力，是活的土壤有機質部分、土壤肥力的活指標、土壤活性養(yǎng)分的儲存庫，在土壤演化過程和生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用[40-42]。土壤微生物生物量與微生物個體數(shù)量指標相比，更能反映微生物在土壤中的實際含量和作用潛力，具有更加靈敏、準確的優(yōu)點[43-44]。目前，放牧對草地土壤微生物量的影響研究結果不一致[45-47]。高雪峰[48]等、李香真[49]等研究發(fā)現(xiàn)過度放牧導致土壤微環(huán)境惡化，影響微生物的生長繁殖，從而降低土壤MBC含量，而適度放牧增加根系的滲出物，提高微生物活性，從而土壤中的可提取微生物量碳含量隨之增加。本研究發(fā)現(xiàn)土壤MBC受放牧強度影響顯著，10～20 cm層土壤MBC含量呈對照樣地和重牧樣地顯著高于中牧樣地，顯著高于輕牧樣地。分析其原因，可能是放牧過程中，家畜一方面通過踐踏活動促使有機質輸入土壤，另一方面其排泄物向土壤中輸入活性物質，增加根生物量及根的分泌物質，因而形成更有利于微生物生長的環(huán)境，也為作為重要分解者的微生物提供充足資源，從而促進土壤微生物量增加[9,16]。本試驗中，土壤深度對土壤MBN含量影響顯著，而放牧強度對土壤MBN含量影響不顯著。表層(0～10 cm)土壤MBN含量顯著高于其他土層，原因可能是表層植物根系含氮量較高，土壤凋落物較多，而且表層土壤狀況較好，因而有利于根際微生物活動并有效分解轉化根系分泌物，隨土壤深度加深，氮庫由難以分解的腐殖質復合物構成且周轉緩慢，因而限制了土壤微生物的活動[50-51]。土壤微生物量磷周轉速度快，對環(huán)境變化敏感，是植物速效磷的重要來源[52]，本研究發(fā)現(xiàn)放牧強度和土壤深度均對土壤MBP含量產生顯著影響，輕度和中度放牧處理樣地MBP顯著高于重度和對照放牧處理樣地，原因可能由于隨放牧強度的增強，加速土壤磷的轉化與輸出。微生物量碳與磷受放牧強度影響的變化趨勢不同，這可能由于微生物量同時受營養(yǎng)基質的物理化學組成和土壤物理化學性狀的影響[49]。

3.3 放牧處理下土壤性質與微生物量的關系

4 結論

本研究以內蒙古錫林郭勒盟溫帶典型草原為依托，比較不同放牧強度和不同土壤深度下草地土壤理化性質及微生物量的變化。研究表明放牧強度和土壤深度均對土壤pH值、硝態(tài)氮和速效磷含量產生極顯著影響(P<0.01)，輕度放牧不同程度地增加了土壤有機碳、總氮、硝態(tài)氮的含量，有利于提高土壤肥力，而重度放牧會顯著降低土壤全量養(yǎng)分和TOC含量。土壤MBC、MBP含量受放牧強度影響顯著(P<0.05)，可以較靈敏地反映放牧干擾下土壤微生物量的變化。相關性分析表明，放牧干擾下土壤MBN與土壤主環(huán)境因子呈顯著正相關(P<0.05)，土壤MBP與土壤主環(huán)境因子呈，極顯著正相關關系(P<0.01)。因此，土壤MBN和MBP與土壤理化指標之間具有統(tǒng)一性，土壤MBP對土壤肥力及其土壤養(yǎng)分的有效性具有重要的指示意義。