放牧對新疆天山山地草甸土壤團聚體和土壤呼吸潛力的影響

王永琪， 杜保軍， 張樹振*， 孫群策， 徐婉寧， 張 博*

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2. 新疆維吾爾自治區(qū)畜牧獸醫(yī)局， 新疆 烏魯木齊 830000)

碳匯是草地生態(tài)系統(tǒng)主要的生態(tài)服務(wù)功能之一，中國草地碳儲量為59.47 Pg，其中植被碳3.15 Pg，約占全世界植被碳儲量的11.3%，土壤碳56.32 Pg，約占全世界土壤有機碳儲量的9.72%[1]。土壤呼吸是土壤碳排放的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，據(jù)統(tǒng)計每年約有600億噸的CO2由陸地釋放到大氣中，土壤呼吸的微小變化都會對土壤碳庫平衡產(chǎn)生巨大的影響[2]。土壤呼吸主要由土壤微生物和植物根系產(chǎn)生，其中土壤微生物的貢獻約占50%，研究發(fā)現(xiàn)影響微生物活性的非生物因素如土壤水分、溫度、通氣性的變化，均會對土壤呼吸產(chǎn)生影響[3-4]。土壤團聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，其特殊的孔隙結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)土壤通氣性及水熱平衡，為土壤養(yǎng)分貯存和土壤微生物活動創(chuàng)造了良好的環(huán)境[5-6]。根據(jù)團聚體大小不同，可以將其分為微團聚體(<0.25 mm)和大團聚體(0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm)[7]。不同粒徑大小的土壤團聚體，其持水性、通透性和孔隙性等會存在差異，故其土壤微生物活性也存在差異，進而影響到土壤呼吸[8]。

放牧是草地生態(tài)系統(tǒng)最經(jīng)濟的利用方式，家畜的踐踏作用會破壞草地土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤各粒徑團聚體的分布，在重度放牧條件下，土壤大團聚體比例會顯著降低[9]，同時踐踏作用還會降低土壤孔隙度，影響土壤微生物活性，使得土壤呼吸減弱[10]。研究表明，放牧過程中家畜的糞尿返還會增加土壤氮含量，增加土壤微生物活性，進而加強土壤呼吸[11]。王憶慧等[12]研究指出水分是放牧草地與圍封草地土壤呼吸存在差異的主要限制因素；張亮等[13]在放牧影響土壤呼吸的綜述中指出影響土壤呼吸的因子眾多(土壤結(jié)構(gòu)、土壤酶活性等)，且土壤呼吸由不同部分組成，因此應(yīng)進一步細化組成土壤呼吸各組分的研究。團聚體的大小會顯著影響微生物的分布和土壤呼吸，放牧對草原土壤團聚體粒級分布和穩(wěn)定性的影響具有明顯交互作用[9,14]，不同粒徑團聚體呼吸與放牧利用方式的關(guān)系有待進一步的研究。

新疆是我國四大牧區(qū)之一，草地資源非常豐富，天然草地面積5 725.88萬hm2，可利用草地面積4 800.68萬hm2，在全國位居第三[15]，其不僅是我國重要的生態(tài)屏障，也是廣大邊疆牧民賴以生存的物質(zhì)精神家園。但在全球氣候變化及人類不合理利用的雙重影響下，我國草地出現(xiàn)了不同程度的退化，碳匯功能下降日益顯現(xiàn)[16]，如何實施合理的草地管理措施，充分發(fā)揮草地的生產(chǎn)及生態(tài)功能，是當(dāng)前亟待解決的問題。本文以天山北坡中段山地草甸為研究對象，以圍封草地為對照，探究放牧對土壤團聚體特征、土壤酶活性以及土壤呼吸的影響，為山地草甸的合理利用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)位于新疆天山北坡中段烏魯木齊縣謝家溝境內(nèi)，實驗區(qū)地理位置：43°31′4″ N，87°2′7″ E。該區(qū)域東西狹長，東北高而西南低，海拔為1 400～2 000 m，屬于典型中溫帶大陸性氣候，年降水量為300～350 mm，年蒸發(fā)量為1 100～1 300 mm，年均氣溫為2.1～3.3℃，土壤為山地栗鈣土。當(dāng)?shù)啬撩裰饕試?、放牧、刈?種方式進行草地利用。研究區(qū)樣地植被包括無芒雀麥(Bromusinermis)、千葉蓍(Achilleamillefolium)、草原苔草(Carexliparocarpos)羊茅(Festucaovina)、醉馬草(Achnatheruminebrians)等。放牧草地于1999年開始放牧，至今已持續(xù)20余年，為春秋牧場，每年5—6月，8—9月進行牛羊混合放牧，7月份牲畜轉(zhuǎn)場至海拔更高的夏牧場，在前期調(diào)研期間，按照叢日慧的測定方法[17]測定取樣樣地放牧強度為2.4～2.8個標(biāo)準羊單位，而該區(qū)域適宜放牧強度為1.49個標(biāo)準羊單位，屬于重度放牧。

1.2 研究方法

1.2.1樣品采集及處理 2020年8月，在試驗樣地的圍封和放牧處理分別隨機選擇5個10 m×10 m的樣方，樣方間距在30 m以上，在樣方內(nèi)采用“S”形混合取樣法采集0～10 cm土層的土壤樣品，混合后備用。小心去除植物的根和葉，自然風(fēng)干，參照Elliott等[18-19]的干式篩分法對不同粒徑土壤團聚體進行篩分，分離出：<0.25 mm，0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm四個粒徑，稱重后測定不同草地利用方式下各粒徑團聚體比例。并將各粒徑團聚體一分為二，分別進行土壤呼吸和土壤酶活性的測定。

1.2.2土壤呼吸測定 將放牧和圍封下小粒徑團聚體(<0.25 mm)大粒徑團聚體(0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm)的土樣30 g放入容量為500 mL的呼吸瓶底部，鋪平(2種利用方式×4種土壤×3個重復(fù))共24個呼吸瓶，用去離子水將濕度調(diào)整到土壤最大持水量，最大持水量采用環(huán)刀法進行測定。呼吸瓶口覆透氣膜，在30℃預(yù)培養(yǎng)3天后，將培養(yǎng)瓶放在黑暗中，25℃培養(yǎng)21天，同時將裝有5 mL 1 mol·L-1氫氧化鈉溶液的吸收瓶(容量為10 mL的玻璃小瓶)放入培養(yǎng)瓶中采用堿吸收法捕獲CO2，并使用6個不放土壤的培養(yǎng)瓶作為空白，以校正容器內(nèi)空氣中捕獲的CO2。吸收瓶通過鐵絲懸掛在呼吸瓶中，不與土壤直接接觸。在整個測定過程中每3天使用稱重補水法進行補水，以保持最大持水量。分別在1，7，14，21天通過使用0.1 mol·L-1鹽酸和酚酞指示劑滴定每一個小瓶中的2 mL NaOH和2 mL 1 mol·L-1BaCl2(1∶1)來計算CO2釋放量。在每次取樣時將另一添加好氫氧化鈉溶液的吸收瓶迅速放入培養(yǎng)瓶中，以減少誤差[14]。

CO2釋放量計算公式：

CO2釋放量mg·kg-1=(44-22×VHCI×CHCl)/W

式中VHCl：滴定時消耗鹽酸體積mL；CHCl：滴定鹽酸濃度mol·L-1；W：測定呼吸時樣品質(zhì)量kg

1.2.3土壤酶活性測定 酶活性測定采用北京索萊寶公司的土壤β-葡萄糖苷酶(S-β-GC)、土壤β-木糖苷酶(S-β-XXS)、土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶(S-NAG)活性檢測試劑盒，將風(fēng)干后不同粒徑的土壤過50目篩后按照說明書進行測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0 和Excel 2019 軟件進行處理，采用SigmaPlot 14.0進行繪圖。采用ANOVA對兩種利用方式下的各粒徑土壤團聚體比例、土壤呼吸、土壤酶活性進行比較，對各個粒徑的土壤團聚體酶活性與土壤呼吸進行回歸分析，文中字母不同代表差異顯著(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧對土壤團聚體組成的影響

放牧和圍封土壤中，<0.25 mm粒徑土壤團聚體占比存在差異，放牧草地<0.25 mm粒徑的團聚體的比例顯著高于1～2 mm，2～4 mm，分別高出107.1%，165.2%(P<0.05)；圍封草地0.25～1 mm粒徑的土壤團聚體占比34.7%，顯著高于1～2 mm，2～4 mm粒徑的土壤團聚體，分別高出101.3%，157.9%(P<0.05)。同一團聚體粒徑在不同利用方式下的占比也存在差異，圍封地<0.25 mm粒徑團聚體比例為23.4%，放牧地<0.25 mm團聚體比例為35.3%，與圍封草地相比，放牧草地微團聚體(<0.25 mm粒徑)增加了50.9%(P<0.05)。同時放牧草地1～2 mm和2～4 mm中大團聚體的比例有降低趨勢，但未達到顯著差異水平。

圖1 兩種利用方式下不同粒徑土壤團聚體占比Fig.1 Proportion of soil aggregates with different particle sizes under two utilization directions注：不同大寫字母表示同一粒徑兩種利用方式團聚體比例存在顯著差異，不同小寫字母表示同種利用方式下不同粒徑土壤團聚體比例存在顯著差異(P<0.05)Note:Different capital letters that there are differences in the proportion of aggregates between the two utilization modes of the same particle size,and different small letters indicate that there are significant differences in the proportion of soil aggregates of different particle sizes under the same utilization mode at 0.05 level

2.2 放牧和圍封對不同粒徑土壤團聚體呼吸的影響

如圖2所示,在圍封和放牧草地，各粒徑土壤團聚體釋放量均隨時間的增加而上升，放牧和圍封草地小粒徑土壤團聚體CO2釋放量均顯著高于其他粒徑。放牧和圍封大粒徑團聚體(1～2 mm，2～4 mm粒徑)在21天顯著低于其他粒徑(P<0.05)，如圖(2a)在放牧地，測定第1天0.25～1 mm，<0.25 mm粒徑土壤團聚體CO2釋放量分別為0.25～1 mm 188.22 mg·kg-1、<0.25 mm 174.53 mg·kg-1、顯著高于2～4 mm粒徑43.69 mg·kg-1，1～2 mm粒徑41.07 mg·kg-1(P<0.01)；測定第7天0.25～1 mm，<0.25 mm粒徑土壤團聚體CO2釋放量分別為544.62 mg·kg-1，506.73 mg·kg-1顯著高于1～2 mm粒徑(P<0.01)；測定第14天0.25～1 mm粒徑CO2釋放量依舊處于最高為820.35 mg·kg-1，且顯著高于1～2 mm土壤團聚體(P<0.01)；測定第21天0.25～1 mm、<0.25 mm團聚體CO2釋放量分別為1 077.75 mg·kg-1，1 049.89 mg·kg-1，顯著高于2～4 mm粒徑815.47 mg·kg-1，1～2 mm粒徑758.51 mg·kg-1(P<0.01)；圖2(b)在圍封地，第1天不同粒徑土壤團聚體之間的CO2釋放量差異不顯著；測第7,14天各粒徑土壤團聚體CO2釋放量均為<0.25 mm粒徑的團聚體顯著高于其他粒徑(P<0.05)，大粒徑團聚體之間差異不顯著。

如圖3所示，在<0.25 mm，1～2 mm粒徑土壤團聚體下圍封地和放牧地土壤CO2總釋放量存在顯著差異(P<0.05)，而在0.25～1 mm，2～4 mm粒徑土壤團聚體下圍封地與放牧地土壤差異不顯著。在<0.25 mm粒徑圍封地CO2總釋放量顯著高于放牧地32.24%(P<0.05)，在0.25～1 mm粒徑下，圍封地CO2總釋放量高于放牧地1.77%但兩者差異不顯著；在1～2 mm粒徑下，圍封地CO2總釋放量顯著高于放牧地35.87%(P<0.05)，在2～4 mm粒徑下，圍封地CO2總釋放量低于放牧地0.5%，兩者差異不顯著。

圖2 兩種利用方式下不同粒徑土壤團聚體CO2釋放量隨時間變化規(guī)律Fig.2 Variation of CO2 release from soil aggregates with different particle sizes with time under two utilization modes注：(a)放牧地各粒徑土壤團聚體CO2隨時間變化規(guī)律，(b)圍封地各粒徑土壤團聚體CO2隨時間變化規(guī)律，不同字母表示由上到下不同粒徑的土壤團聚體呼吸具有顯著差異(P<0.05)Note:(a) The variation of CO2 in soil aggregates with different particle sizes in grazing land with time,(b) variation of CO2 in soil aggregates with different particle sizes in enclosed land with time. Different letters indicate that there are significant differences in the respiration of soil aggregates with different particle sizes from top to bottom at 0.05 level

圖3 放牧和圍封草地不同粒徑土壤團聚體CO2 總釋放量比較Fig.3 The same soil separate containment and grazing land release of carbon dioxide注：不同大寫字母表示兩種利用方式的土壤團聚體呼吸具有顯著差異(P<0.05)Note:Different capital letters that there are significant differences in soil aggregate respiration between the two utilization modes at 0.05 level

2.3 放牧對不同粒徑土壤團聚體土壤酶活性的影響

如圖4所示，放牧對土壤酶活性產(chǎn)生了不同的影響。土壤葡萄糖苷酶主要對纖維素進行分解，如圖4(a)所示，放牧地四個粒徑土壤團聚體葡萄糖苷酶活性分別低于圍封地8.12%，6.06%，4.59%，3.73%(P<0.01)。表明草地的圍封管理相對于放牧管理更有利于土壤微生物進行纖維素分解的生物化學(xué)反應(yīng)，同時，在兩種利用方式下，均為<0.25 mm的小粒徑土壤團聚體土壤β-葡萄糖苷酶活性最高(P<0.01)，而其他三個粒徑之間差異不顯著，表明不論是放牧地還是圍封地，小粒徑的土壤團聚體中纖維素分解的生物化學(xué)反應(yīng)更加強烈。

土壤β-木糖苷酶主要針對半纖維素的主要組成部分木聚糖進行反應(yīng)，如圖4(b)所示，兩種不同利用方式下不同粒徑土壤團聚體土壤β-木糖苷酶活性存在較大差異，其中在<0.25,2～4 mm粒徑下放牧地分別低于圍封地8.15%,32.86%(P<0.01)，而0.25～1 mm,1～2 mm粒徑的土壤團聚體之間差異不顯著。圍封地中<0.25 mm粒徑土壤團聚體土壤β-葡萄糖苷酶活性顯著高于0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm粒徑的土壤團聚體(P<0.01)，在0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm三個粒徑的土壤團聚體之間的酶活性沒有顯著性差異。放牧地中隨著土壤團聚體粒徑的增加，土壤β-木糖苷酶呈現(xiàn)明顯下降趨勢(P<0.01)，<0.25 mm粒徑土壤團聚體酶活性最高為24.07 U·g-1，2～4 mm粒徑土壤團聚體酶活性最低,為12.39 U·g-1。

如圖4(c)所示，兩種利用方式下不同粒徑土壤團聚體土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性，除0.25～1 mm粒徑土壤團聚體外，其余三個粒徑的土壤團聚體酶活性圍封地分別高出放牧地土壤49.81%，36.76%，45.67%(P<0.05)。在圍封地不同粒徑土壤團聚體中0.25～1 mm粒徑團聚體N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均顯著低于其他三個粒徑土壤團聚體(P<0.05)，而在放牧地中，不同粒徑土壤團聚體之間N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均沒有顯著差異，表明利用方式相對于粒徑來說對于N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶的活性影響更大。

圖4 圍封地放牧地不同粒徑土壤團聚體土壤酶活性Fig.4 Soil enzyme activities of soil aggregates with different particle sizes in enclosed grazing land注：(a)為土壤β-葡萄糖苷酶活性，(b)為土壤β-木糖苷酶活性，(c)為土壤N-乙酰-β-D葡萄糖苷酶活性。不同大寫字母表示兩種利用方式之間酶活性存在顯著差異(P<0.05)，不同小寫字母表示同一利用方式下不同粒徑團聚體酶活性存在顯著差異(P<0.05)Note:(a)S-β-GC activity,(b)S-β-YXS activity,(c)S-NAG activity,Different capital litters that there is a significant difference in enzyme activity between the two utilization modes (P < 0.05),and different small letters indicate that there is a significant difference in enzyme activity of aggregates with different particle sizes under the same utilization mode at 0.05 level

2.5 不同粒徑土壤團聚體呼吸與其酶活性的回歸分析

如表1所示，在<0.25 mm粒徑下，三種土壤酶活性均與土壤呼吸呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<0.05)，且三者之間的回歸方程擬合水平較高，表明在小粒徑團聚體中，三種土壤酶活性越高，則土壤呼吸量越高，二者有較強的相關(guān)性；在0.25～1 mm粒徑下三種酶活性與土壤呼吸相關(guān)性均不顯著；在1～2 mm粒徑下，三種土壤酶活性均與土壤呼吸呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)(P<0.05)，且三者之間的回歸方程擬合程度較高。在2～4 mm粒徑下三種酶活性與土壤呼吸相關(guān)性均不顯著。

表1 不同團聚體粒徑下土壤酶活性與土壤呼吸的回歸分析Table 1 Regression analysis of soil enzyme activity and soil respiration under different aggregate particle sizes

3 討論

3.1 放牧對土壤團聚體組成的影響

本研究中放牧地土壤大粒徑團聚體比例相較于圍封地有減少趨勢，<0.25 mm粒徑的微團聚體顯著高于圍封地(P<0.05)同時土壤酶活性顯著低于圍封地(P<0.05)。在土壤團聚體的形成過程中，土壤養(yǎng)分含量，植被多樣性，土壤微生物等均發(fā)揮著重要的作用[21]，在長期的重度放牧過程中，由于放牧家畜采食行為的干擾，使得放牧地植被群落組成發(fā)生改變，植被地上地下生物量、植被蓋度、土壤養(yǎng)分含量降低[22-23]，一方面使得植物根系及土壤有機質(zhì)在大粒徑團聚體形成過程中的粘合作用降低，這與裴雯等[24]關(guān)于放牧、水分和氮素對團聚體影響的研究結(jié)果是一致的，另一方面植被生物量降低，減少了微生物活動的底物，土壤微生物活性降低，也不利于大粒徑土壤團聚體的穩(wěn)定和形成[25]。同時放牧家畜的踐踏行為對大粒徑團聚體的破碎也使得放牧地小粒徑土壤團聚體比例逐漸增加，這與張強等[26-27]的研究結(jié)果一致。

3.2 放牧對土壤呼吸的影響

在<0.25 mm，1～2 mm粒徑的土壤團聚體下，放牧地的土壤呼吸在整個測定周期均顯著低于圍封地，同時對放牧和圍封草地不同粒徑土壤團聚體中的三種水解酶活性進行測定，結(jié)果表明放牧草地的碳、氮水解酶活性均低于圍封草地，表明重度放牧顯著降低了土壤微生物的活性，這與賀桂香等[28]在關(guān)于新疆天山高寒草原放牧管理對CO2通量特征和張新杰等[29]在放牧與荒漠土壤呼吸關(guān)系以及紀磊[3]、黃雪琳等[30]關(guān)于放牧對土壤酶活性的研究結(jié)果是一致的。由土壤微生物、土壤動物所產(chǎn)生的土壤酶是保證草地生物化學(xué)過程持續(xù)進行的基礎(chǔ)，土壤酶活性在一定程度上反映了土壤微生物活性的強弱[31]，而土壤微生物群落往往會對周圍環(huán)境做出敏感的變化[32]，相對于圍封草地來說長期的放牧活動會增加土壤容重，減少土壤水分含量，同時由于放牧家畜的采食使得凋落物返還量降低，而凋落物是生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分周轉(zhuǎn)的重要樞紐[33]，也是土壤微生物進行生物代謝反應(yīng)重要的底物，因此在諸多因素的共同作用下，會對土壤微生物的活性產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致放牧地土壤呼吸減弱[34]。此外土壤呼吸是由植物根系、土壤動物、微生物共同產(chǎn)生的[35]，放牧過程中，家畜對植物葉片的采食及踐踏減弱了植物的光合作用，降低了光合作用產(chǎn)物向根系分配，使得植物地下生物量降低，也會對土壤呼吸產(chǎn)生不利影響[36]。綜合來看重度放牧?xí)沟貌莸卣w物質(zhì)循環(huán)減慢，減少了CO2的釋放，但是重度放牧條件下，植被生物量降低所導(dǎo)致的凋落物輸入量減少，以及土壤結(jié)構(gòu)的破壞，仍然不利于草地土壤的碳固持[12]。

作為土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，土壤團聚體在物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化中扮演著重要的角色[37]，不同粒徑的土壤團聚體與土壤通透性、持水性密切相關(guān)，同時也影響著土壤水分和養(yǎng)分[38]。因此不同粒徑的土壤團聚體對于土壤酶的種類和活性影響也是不同的[39]，本研究中，不論是放牧草地還是圍封草地，在<0.25 mm，0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm 4個粒徑的土壤團聚體中，水解碳源的2種土壤酶活性均為<0.25 mm粒徑最高，其中土壤β-木糖苷酶在放牧和圍封兩種條件下其酶活性隨著土壤團聚體粒徑增加而逐漸降低，水解氮源的酶活性不受土壤粒徑的影響，在張亞等[40-41]對不同粒徑團聚體酶活性的研究中也存在隨團聚體粒徑增大，酶活性減小的現(xiàn)象，以及主要酶活性集中在<1 mm團聚體粒徑。這表明了相較于大粒徑團聚體，小粒徑的團聚體可能對土壤酶活性的保護作用更加明顯，而本研究中不論是放牧草地還是圍封草地，二氧化碳釋放量主要集中在<0.25 mm，1～2 mm粒徑的土壤團聚體也印證了這一結(jié)果。Six等[42]在研究中指出小粒徑團體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，且其孔徑更小，根據(jù)毛細原理，溶液總是從大孔徑向小孔徑毛細遷移，表明會有更多的水分和養(yǎng)分由大團聚體進入小團聚體從而保證其酶活性，這與馬寰菲等[43]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文對新疆天山山地草甸放牧和圍封草地不同粒徑土壤團聚體的土壤酶活性及土壤CO2釋放量的研究，發(fā)現(xiàn)放牧(2.4～2.8個羊單位)條件使得土壤β-葡萄糖苷酶、土壤β-木糖苷酶以及土壤N-乙酰-β-D葡萄糖苷酶活性受到抑制導(dǎo)致草地代謝強度減弱，使得放牧地CO2釋放量低于圍封地，尤其在<0.25 mm和1～2 mm粒徑團聚體中表現(xiàn)出顯著差異。在相同的利用方式下土壤團聚體的粒徑會對土壤酶活性產(chǎn)生顯著的影響，土壤β-葡萄糖苷酶、土壤β-木糖苷酶活性均隨土壤團聚體粒徑的減小而增強，同時土壤CO2釋放量在<0.25 mm粒徑的團聚體中與三種土壤酶活性均存在顯著正相關(guān)性。放牧使得小粒徑團聚體比例顯著增加，但放牧對各粒徑團聚體酶活性的抑制作用更強，導(dǎo)致放牧地土壤呼吸降低。