土壤有效養(yǎng)分和微生物特征對短期不同放牧強度的響應(yīng)

高昌宇， 齊志遠(yuǎn)， 鄭 慧， 陳璽洋， 秦加敏， 郝 杰，張乃莉， 王?；?5*， 董寬虎*

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 太谷 030801； 2. 山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究站， 山西 右玉 037200；3. 草地生態(tài)保護(hù)與鄉(xiāng)土草種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室， 山西 太谷 030801； 4. 北京林業(yè)大學(xué)森林培育與保護(hù)教育部重點實驗室， 北京 100083； 5. 中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室， 北京 100093)

放牧是天然草地的主要利用方式之一，不同的放牧強度通過家畜的采食和踐踏直接影響植被組成和土壤的養(yǎng)分狀況，適度放牧有利于草地的更新和健康，維持高的生物多樣性、微生物活性和地上生產(chǎn)力[1]。但是，大多數(shù)草地生態(tài)系統(tǒng)由于沒有實施科學(xué)的管理，處于過度放牧造成嚴(yán)重退化的狀態(tài)。過度放牧不僅改變草地土壤的物理結(jié)構(gòu)，使得土壤容重升高，土壤通透性降低，更重要的是使得草地土壤有效養(yǎng)分流失，生物多樣性降低導(dǎo)致不同程度的退化或荒漠化等[2-4]。尤其在農(nóng)牧交錯帶，受農(nóng)業(yè)和牧業(yè)的雙重影響，草地屬于極度脆弱的生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究不同放牧強度對農(nóng)牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響，為該區(qū)域草地管理和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)是非常必要的。

雖然大量的研究報道了放牧影響土壤有效養(yǎng)分，但是其中的機(jī)理并不清晰。土壤微生物參與土壤養(yǎng)分循環(huán)的各個過程，也是土壤可利用養(yǎng)分不可缺少的部分，微生物通過分解動植物殘體，參與生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)[5-6]，對土壤養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生直接的影響[7-8]。土壤微生物生物量表征土壤微生物的活性和土壤養(yǎng)分的有效性[9]，是表征土壤健康狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[10]。已有的研究也報道了放牧對草地土壤微生物的影響，鄔嘉華(2018)等[11]研究發(fā)現(xiàn)溫帶典型草原放牧對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響顯著，而且隨放牧強度的增加，真菌的豐度降低。Krone(2011)等[12]在半天然草原研究發(fā)現(xiàn)使用犁作為擾動源，翻土30 cm深會改變真菌群落組成。草地土壤有效養(yǎng)分庫容易受氣候變化和人為干擾的影響，因此存在顯著的季節(jié)動態(tài)變化。土壤可溶性有機(jī)碳、氮是維持微生物生命和活性的重要養(yǎng)分，是土壤可利用養(yǎng)分庫的重要組成部分[13-14]，土壤可溶性氮影響植被以及土壤氮儲量的變化[15-16]。放牧如何影響土壤有效養(yǎng)分庫以及影響的程度研究報道并不一致[17]，有促進(jìn)[4,18]、抑制[19-20]和沒有[21]顯著影響。造成這些差異是因為草地類型、放牧家畜不同以及放牧強度和放牧持續(xù)時間不同。

目前，放牧對草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響的研究大部分集中于天然牧區(qū)草地。對于農(nóng)牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)的放牧研究較少。本研究依托2016年在位于山西省右玉縣境內(nèi)典型農(nóng)牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)建立的放牧實驗平臺，研究放牧處理4年后整個生長季(5—9月)的草地土壤有效養(yǎng)分和微生物特征，包括土壤可溶性有機(jī)碳(Soil dissolved organic carbon,DOC)、土壤可溶性氮(Soil dissolved nitrogen,DN)、土壤微生物生物量碳(Soil microbial biomass carbon,MBC)、土壤微生物生物量氮(Soil microbial biomass nitrogen,MBN)和細(xì)菌、真菌豐度的季節(jié)變化規(guī)律，并且分析了它們之間的關(guān)系，揭示短期不同放牧強度處理對我國北方農(nóng)牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)土壤有效養(yǎng)分和土壤微生物特征的影響，為我國農(nóng)牧交錯區(qū)草地管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗樣地位于山西省朔州市右玉縣威遠(yuǎn)鎮(zhèn)后所堡村(39°59′N，112°19′E)，海拔1 348 m。屬溫帶季風(fēng)性氣候，四季分明，年均溫4.7℃，其中最低月(1月)均溫為-14.0℃，最高月(7月)均溫為20.5℃。無霜期為5月初至9月初，約120 d。全年太陽總輻射量約598 kJ·cm-2，年日照2 600～2 700 h；年平均降水量約435 mm，集中于6—9月[22-24]。土壤為栗鈣土，優(yōu)勢種為賴草(Leymussecalinus(Georgi) Tzvel.)，其他伴生種有羊草(Leymuschinensis(Trin.) Tzvel.)、堿蒿(ArtemisiaanethifoliaWeb. ex Stechm.)、堿地風(fēng)毛菊(Saussureajaponica(Thunb.) DC.)、蒲公英、(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)、鵝絨委陵菜(PotentillaanserinaL.)、車前(PlantagoasiaticaL.)等[22-23]。

2020年生長季(5—9月)總降水量為426.6 mm，主要集中在7月和8月，分別為226.2 mm和93.2 mm，生長季平均氣溫為16.4℃，7月最高，其均溫為19.2℃(圖1)。

圖1 2020年生長季(5—9月)日均溫和日降水量Fig.1 Average daily temperature and precipitation in the 2020 growing season (May-September)

1.2 試驗設(shè)計

放牧平臺建立于2016年，隸屬于山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，實驗采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置不放牧(UG)、輕度放牧(LG，2.35羊單位·hm-2·生長季-1)、中度放牧(MG，4.80羊單位·hm-2·生長季-1)和重度放牧(HG，7.85羊單位·hm-2·生長季-1)4個放牧強度，每個放牧強度4個重復(fù)。試驗小區(qū)之間用鐵絲網(wǎng)圍欄分隔，小區(qū)面積0.2 hm2，每年的6月1日，按照不同放牧強度將體重和年齡一致的綿羊放置在處理小區(qū)，一直到9月30日生長季結(jié)束，放牧?xí)r間為4個月。

1.3 試驗測定指標(biāo)及方法

在2020年5—10月的月初，使用直徑3 cm的土鉆取表層0～10 cm的土壤，每個放牧區(qū)用隨機(jī)取樣法取5個樣品，混合后過2 mm篩，除去粗根及石礫?？諝鉁囟群徒涤炅咳∽苑拍列^(qū)附近的小型氣象站(HOBO U30-NRC，美國，Onset)。土壤溫度利用數(shù)字式地溫計(M-SP-E-17，北京)測定；土壤含水量利用TDR-300(Spectrum Technologies，Plainfield，USA)測定。采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法，測定DOC和DN，MBC和MBN，其中MBC和MBN分別為熏蒸浸提液與未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45[25]、0.54[26]得到(總有機(jī)碳分析儀，Elementar vario，德國，TOC)。土壤DNA提取采用Fast DNA ? SPIN Kit for Soil(土壤基因組DNA提取試劑盒)，定量PCR儀器(博日LineGene9600plus型熒光定量PCR儀)測定細(xì)菌和真菌的豐富度。提取的DNA樣品保存在-80℃用于PCR擴(kuò)增，其中PCR引物(PAGE純化)由生工生物工程有限公司提供，反應(yīng)體系由5 μLEx Taq buffer,4 μLdNTP Mix,0.5 μLEx Taq,1 μLPrimer F,1 μLPrimer R,1 μLTemplate,12.5 μLddH2O組成，反應(yīng)條件如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)曲線通過10倍梯度稀釋構(gòu)建好的各質(zhì)粒獲得，16S基因的R2為0.9997，擴(kuò)增效率為97.99%，ITS基因的R2為1.0000，擴(kuò)增效率為100.99%。

表1 反應(yīng)條件Table 1 Reaction conditions

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別對DOC，DN，MBC，MBN和細(xì)菌、真菌的豐度進(jìn)行單因素方差分析和多重比較(SPSS 22.0，LSD，P<0.05)。通過重復(fù)測量方差分析法，分析不同放牧強度下采樣時間對土壤TC，TN，DOC，DN，MBC，MBN,細(xì)菌和真菌豐度的影響，利用Origin 2021軟件作柱狀圖以及相關(guān)系數(shù)矩陣圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同放牧強度對土壤溫度和土壤含水量的影響

土壤溫度和土壤濕度具有明顯的季節(jié)動態(tài)變化(圖2)，放牧提高了生長季的土壤溫度和土壤含水量。重度放牧的土壤溫度和含水量的生長季均值都顯著高于不放牧處理(圖2，P<0.05)。

圖2 2020年生長季(5—9月)放牧地土壤溫度和土壤濕度Fig.2 Soil temperature and soil moisture of grazing land during the 2020 growing season (May—September)注：UG為不放牧，LG為輕度放牧，MG為中度放牧，HG為重度放牧。不同小寫字母表示同一月份不同放牧強度之間差異顯著(P<0.05)Note:UG means no grazing,LG means light grazing,MG means moderate grazing,HG means heavy grazing. Different lowercase letters indicate the significant difference between different grazing intensities in the same month at the 0.05 level

2.2 不同放牧強度對土壤MBC，MBN含量及MBC∶MBN的影響

土壤MBC和MBN存在明顯的季節(jié)動態(tài)，并且變化趨勢一致(圖3)。在不放牧小區(qū)，土壤MBC在6月顯著高于7月(圖3，P<0.05)；MBN和MBC∶MBN在月份之間無顯著差異(圖3)。在輕度放牧處理下，土壤MBC∶MBN在6月顯著增加，在10月顯著降低(圖3，P<0.05)。在中度和重度放牧處理下，土壤MBC在6月顯著增加(圖3，P<0.05)；土壤MBN在7月顯著降低(圖3，P<0.05)。

同一月份土壤MBC，MBN和MBC∶MBN在不同放牧強度之間無顯著差異(圖3)，8月份土壤MBN在中度放牧處理顯著低于輕度和重度放牧處理(圖3，P<0.05)。

圖3 不同放牧強度下草地土壤MBC、MBN和MBC∶MBN含量Fig.3 Grassland soil MBC,MBN and MBC∶MBN content under different grazing intensities注：UG為不放牧，LG為輕度放牧，MG為中度放牧，HG為重度放牧。不同小寫字母表示同一月份不同放牧強度之間的差異顯著性；不同大寫字母表示同一放牧強度不同月份之間的差異顯著性。下同Note:UG means no grazing,LG means light grazing,MG means moderate grazing,HG means heavy grazing. Different lowercase letters indicate the significance of the difference between different grazing intensities in the same month;different capital letters indicate the significance of the difference between different months of the same grazing intensity. The same as below

2.3 不同放牧強度對土壤DOC，DN含量及DOC∶DN的影響

土壤DOC和DN存在明顯的季節(jié)動態(tài)(圖4)。在不放牧處理下，土壤DN含量在5月和6月顯著高于7月、9月和10月(圖4，P<0.05)；DOC∶DN在9月顯著高于5月和8月(圖4，P<0.05)。在輕度、中度和重度放牧處理下，土壤DOC和DN含量在9月均顯著低于其它月份(圖4，P<0.05)。

同一月份草地土壤DOC，DN含量和DOC∶DN在不同放牧強度之間差異不顯著(圖4)。與不放牧相比，土壤DOC含量在9月輕度放牧處理下顯著降低(圖4，P<0.05)；土壤DOC和DN含量在9月表現(xiàn)出較低值，DOC∶DN有升高的趨勢，但差異不顯著(圖4)。

圖4 不同放牧強度下草地土壤DOC、DN和DOC∶DN含量Fig.4 Grassland soil DOC,DN and DOC∶DN content under different grazing intensities

不同放牧強度處理下，土壤MBC∶DOC在不同的月份間沒有顯著差異(圖5)，但是7月表現(xiàn)出下降的趨勢(圖5)，且MBC∶DOC與土壤水分含量的變化趨勢相同(圖3)，土壤MBN∶DN在10月份最高。

圖5 不同放牧強度下草地土壤MBC∶DOC和MBN∶DN含量Fig.5 Grassland soil MBC∶DOC and MBN∶DN content under different grazing intensities

2.4 不同放牧強度對土壤細(xì)菌和真菌豐度的影響

土壤細(xì)菌和真菌的豐度存在顯著的季節(jié)動態(tài)變化(圖6)，均呈現(xiàn)出先上升再下降最后上升的趨勢(圖6)，而細(xì)菌與真菌的比值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在不放牧處理下，細(xì)菌和真菌豐度在9月均顯著高于5月和8月(圖6，P<0.05)；在輕度、中度放牧處理下，真菌豐度在9月顯著增加(圖6，P<0.05)。

與不放牧小區(qū)相比，2020年5—9月細(xì)菌與真菌豐度均值，輕度放牧處理均顯著降低(圖6，P<0.05)。

圖6 不同放牧強度下草地土壤細(xì)菌豐度、真菌豐度和細(xì)菌∶真菌Fig.6 Grassland soil bacterial abundance and fungal abundance and bacteria/fungi under different grazing intensities

2.5 不同放牧強度土壤養(yǎng)分及細(xì)菌和真菌豐度的關(guān)系

由表2可知，月份顯著影響土壤微生物特征(P<0.05)，放牧強度處理對土壤微生物特征沒有顯著影響，月份和放牧強度處理的交互作用對土壤養(yǎng)分及微生物特征影響不顯著。

表2 土壤微生物特征重復(fù)測量方差分析結(jié)果Table 2 Analysis of variance results of repeated measurement of soil microbial characteristics

2.6 土壤微生物特征與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

由圖7所示，真菌的豐度與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；細(xì)菌:真菌與土壤pH值呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤DOC含量與土壤溫度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤MBN含量和細(xì)菌:真菌與土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖7 8月土壤微生物特征與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis of soil microbial characteristics and soil physical and chemical properties in August注：橢圓朝右上表示正相關(guān)，朝右下表示負(fù)相關(guān)；*在置信度(雙測)為0.05時，相關(guān)性是顯著的Note:the ellipse facing up to the right indicates a positive correlation,and facing down to the right indicates a negative correlation;*When the confidence (double test) is 0.05,the correlation is significant

3 討論

3.1 不同放牧強度對土壤可利用養(yǎng)分庫和微生物特征的影響

本研究表明，4年不同強度的放牧處理沒有顯著影響農(nóng)牧交錯帶草地土壤可利用養(yǎng)分庫，但是存在顯著的季節(jié)動態(tài)，說明溫度和降水是影響土壤微生物活性的重要因素，從而影響可利用養(yǎng)分庫。放牧雖然提高了土壤溫度和土壤含水量，但是放牧引起土壤溫度和水分的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于溫度和降雨引起土壤水分變化的季節(jié)動態(tài)，因此，放牧對土壤可利用養(yǎng)分庫和微生物特征沒有通過提高土壤溫度和含水量產(chǎn)生影響。放牧通過影響草地植物的生長和凋落物組分，影響草地生態(tài)系統(tǒng)微生物參與的養(yǎng)分循環(huán)過程[27]，同時放牧動物通過采食、踐踏與糞尿歸還對草地土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生影響[28]。我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4年的放牧處理，生長季土壤DOC和DN含量有降低的趨勢，但是差異不顯著，這與阿穆拉(2011)等[29]在荒漠草原研究結(jié)果一致，隨著放牧強度的增加，動物的采食和踐踏行為加劇，使草地初級生產(chǎn)力以及凋落物累積量降低，減少進(jìn)入土壤的有機(jī)物，從而影響土壤有機(jī)質(zhì)含量[29]。我們還發(fā)現(xiàn)輕度和中度放牧使得土壤可利用養(yǎng)分有升高的趨勢，而重度放牧處理下呈現(xiàn)降低趨勢，已經(jīng)初步證實了輕度和中度放牧有利于土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)和微生物活動，但是需要長期實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證。

土壤MBC，MBN存在明顯的季節(jié)變化，與高雪峰(2010)等[30]在內(nèi)蒙古典型草原研究結(jié)果一致，土壤微生物生物量有較強的季節(jié)變化，且峰值出現(xiàn)在8月份，重度放牧降低土壤微生物生物量。華北地區(qū)四季分明，8月水熱同期有利于土壤微生物的生長和繁殖。土壤MBC，MBN隨放牧強度的增加有降低的趨勢。這與已有研究報道的重度放牧降低土壤微生物生物量結(jié)果一致[31]，而且在內(nèi)蒙古典型羊草草原和大針茅草原的長期自由放牧地也發(fā)現(xiàn)MBC顯著下降[31]。由于我們的放牧處理只進(jìn)行了4年，不同強度的放牧處理尚未對土壤可利用養(yǎng)分產(chǎn)生顯著影響，短期放牧不能改變土壤總碳氮庫，這可能是短期放牧處理沒有引起土壤微生物特征發(fā)生顯著變化的重要原因[32]。

已有研究表明，當(dāng)土壤溫度和含水量升高的時候，凋落物分解速率最快且微生物活性最高，所以，在土壤溫度和水分含量較高的環(huán)境下，土壤微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的固持率也較高，5月和6月的MBC和DOC含量也呈現(xiàn)較高的趨勢(圖3，圖4)。土壤水分含量是影響土壤微生物活性的重要因子，因此土壤MBC與土壤含水量有較好的相關(guān)性[33-34]。另一方面，由于放牧家畜對草地植被進(jìn)行長期啃食，導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)地上、地下生物量分配發(fā)生變化，植被更多地向地上分配，從而降低了土壤微生物量[20,35]。

3.2 放牧強度對土壤養(yǎng)分和微生物關(guān)系的影響。

土壤有機(jī)質(zhì)在微生物的生命活動過程中是不可或缺的，且微生物在有機(jī)質(zhì)分解過程中會將土壤中的有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為CO2或是植物可以直接吸收利用的形態(tài)[36]，放牧直接或者間接的影響土壤微生物的數(shù)量以及微生物群落的結(jié)構(gòu)組成，對土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生影響。我們發(fā)現(xiàn)，與不放牧相比，放牧降低了細(xì)菌和真菌豐度，增加了細(xì)菌與真菌豐度的比值。與細(xì)菌相比，真菌的養(yǎng)分利用效率更高，土壤細(xì)菌與真菌的比值越小，說明有更大的固碳潛勢[37]。另外在不同放牧強度處理下，細(xì)菌豐度大于真菌豐度，這與曹淑寶(2012年)等[38]在呼倫貝爾草甸草原的研究結(jié)果一致。細(xì)菌與真菌的比值呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這與李春莉(2009年)等[39]在內(nèi)蒙古荒漠草原的研究結(jié)果一致。由于春夏交接之季降雨少，土壤表層的微生物在含水量較低的環(huán)境條件下活性較低，所在真菌和細(xì)菌的豐度較低(圖6)；由于細(xì)菌對水分變化的敏感性高于真菌，因此生長季細(xì)菌豐度高于真菌豐度[39]。

4 結(jié)論

綜上所述，短期不同放牧強度對晉北農(nóng)牧交錯帶草地生態(tài)系統(tǒng)生長季土壤微生物特征(土壤微生物生物量碳、土壤微生物生物量氮、土壤微生物生物量碳氮比、細(xì)菌和真菌豐度)和土壤可利用養(yǎng)分庫(可溶性有機(jī)碳、可溶性有機(jī)氮、可溶性有機(jī)碳氮比)沒有顯著影響，土壤可利用碳氮庫及微生物群落呈現(xiàn)出一個較為穩(wěn)定的水平，說明短期的放牧對該草地土壤養(yǎng)分循環(huán)過程及土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能沒有產(chǎn)生顯著影響。從短期放牧結(jié)果推斷，農(nóng)牧交錯區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤可利用養(yǎng)分和微生物結(jié)構(gòu)與功能對放牧的響應(yīng)會隨著處理時間的延長而增強，未來需要繼續(xù)在長時間尺度研究不同放牧強度對土壤養(yǎng)分及微生物的影響，從而進(jìn)一步為農(nóng)牧交錯區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)利用和適應(yīng)性管理提供科學(xué)依據(jù)。