放牧对武功山草甸土壤微生物生物量及酶活性的影响

徐晓凤，牛德奎，郭晓敏，邓邦良，周桂香，王书丽，朱丛飞，罗汉东

(1.江西省森林培育重点实验室 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045； 2.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京 210000)

草地是陆地生态系统的重要组成部分[1]，是巨大的碳(C)、氮(N)库[2]。放牧作为草地的一种土地利用方式，会改变草地的空间异质性、生态系统进程和土壤养分循环[3]，是导致生物多样性减少[4-5]和植被覆盖率减少的主要驱动者[6]。然而，过度放牧使草地退化现象日趋严重[7-10]，导致土壤C、N含量降低[10]，减少土壤有机碳的存储[11]，显著影响土壤物理、化学和微生物学特性[10,12-14]。土壤微生物是土壤有机物质中最活跃且易变化的部分，微生物量的多少以及酶活性等对土壤C、N、P等循环至关重要[15]。土壤微生物体是土壤中的活性碳库，微生物的残体经分解可供植物吸收利用，酶活性是土壤肥力、土壤质量和土壤生产力的重要指示剂[16-17]，可以反映生物代谢功能强弱、凋落物的腐殖化速度以及微生物、植物对养分的间接利用效率[18]。土壤酶主要来源于土壤中的微生物，其主要作用是参与物质的分解与转化，与土壤养分循环有密切关系。土壤β-葡萄糖甘酶可以分解植物残体的纤维素和高分子碳水化合物，影响土壤有机物质的形态结构[14]。土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性可以把C、N、P等组成的土壤有机物质的化合物转化成供植物直接利用的有效态养分[19]。土壤脲酶参与N素转化，能为植物提供吸收利用的有效态N[20]。 江西武功山山地草甸是南方草地生态系统的重要组成部分，在华东地区具有代表性，然而当地农民常年偷牧，导致草甸受到不同程度的破坏。目前已有许多学者对在不同海拔、不同植被类型等条件下对武功山山地草甸土壤理化性质及微生物生物量碳分布进行了研究，然而对于不同放牧强度下，山地草甸区域土壤理化性质和微生物功能的研究鲜有报道。因此，本研究通过对武功山不同放牧强度的山地草甸进行理化性质和微生物的相关性研究，旨在为退化草甸修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

江西武功山(114° 10′ -114° 17′ E ，27 °25′ -27°35′ N )属于亚热带季风湿润型气候。该地区气候温和，四季分明，年均降水量1 350～1 570 mm，年平均气温14～16 ℃，夏季最高温度为23 ℃[21]。本试验样地主要位于武功山九龙山自然保护区，海拔约1 600 m，土壤为亚热带山地草地土，厚度约40 cm，物种数目约108种，草甸优势种主要为野古草(Arundinellaanomala)、芒草(Miscanthus)，另外还有少量的十字花科(Brassicaceae)、唇形科(Labiatae)和蔷薇科(Rosaceae)植物[21]。九龙山草甸区是典型的牧民偷牧区域，草地破坏严重，植被覆盖率低。

1.2 试验设计与样品采集

试验以牧民自由放牧利用草地为研究对象，采用随机区组设计，每个区组包含3个处理，分别为轻度放牧(植被覆盖率>80%)、中度放牧(植被覆盖率为40%～80%)和重度放牧(植被覆盖率<40%)，共3个区组。

2017年7月，根据每个处理分别随机设置1 m×1 m的样方，在样方内采用直径5 cm的土钻按照五点取样法采集0-20和20-40 cm土层的土壤。土壤混匀，装入保鲜袋，冷藏处理后，带回实验室。用镊子挑出根、石子及其他碎屑物，过2 mm孔径筛，装入自封袋放在4 ℃冰箱里，用于测定土壤微生物生物量碳氮和酶活性。

1.3 试验方法

土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[22]测定，换算系数分别为0.38、0.45。可溶性碳、氮使用TOC(multi 3 100)仪器测定。脲酶采用靛酚比色法[23]测定。碱解氮采用碱解扩散法[22]，β-葡萄糖甘酶活性参考文献[24]的方法测定。β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性参考文献[25]的方法测定。易氧化碳采用333 mmoL·L-1高锰酸钾氧化，分光光度计比色法[26]测定。

1.4 数据处理

采用双因素方差法分析不同土层和不同放牧强度对土壤微生物生物量碳氮和酶活性的影响，用Duncan法进行多重比较，对不同放牧强度下，酶活性与土壤微生物生物量、可溶性碳氮、碱解氮和易氧化碳进行相关性分析。采用SPSS 20.0软件进行数据统计分析，使用Origin 8.1制图。

2 结果

2.1 不同放牧强度对土壤微生物生物量碳氮的影响

0-20 cm土层土壤微生物生物量碳氮含量均显著高于20-40 cm土层(P<0.05)(图1)。除20-40 cm土层轻牧和中牧的微生物生物量氮无显著差异(P>0.05)外，随放牧强度增加，微生物生物量碳氮含量显著降低(P<0.05)。较之轻牧，在0-40 cm土层，中牧和重牧微生物生物量碳下降幅度为38%、72%，微生物生物量氮下降幅度为28%、66%。

图1 放牧强度对土壤微生物生物量碳氮的影响Fig. 1 Effect of different grazing intensity on soil microbial biomass carbon and nitrogen

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Diffenrent lowercase letters indicat significant difference among treatments at the 0.05 level;similarly for the following figures.

2.2 不同放牧强度对可溶性碳氮的影响

不同放牧强度下0-20 cm土层可溶性碳含量表现为轻牧显著大于中牧和重牧(P<0.05)，20-40 cm土层放牧强度间无显著差异(P>0.05)(图2)。0-20 cm土层可溶性氮含量轻牧显著高于中牧和重牧，中牧和重牧间无显著差异，20-40 cm土层重牧显著低于轻牧(P<0.05)。在0-40 cm土层，与轻牧相比较，中牧和重牧可溶性碳的均下降了26%，可溶性氮分别下降了18%和30%。

2.3 不同放牧强度对碱解氮和易氧化碳的影响

重牧碱解氮含量显著低于轻牧和中牧(P<0.05)，且轻牧和中牧间无显著差异(P>0.05)，同一放牧强度下，0-20和20-40 cm土层间无显著差异(P>0.05)(图3)。重牧易氧化氮含量显著低于中牧和轻牧(P<0.05)，且0-20 cm土层轻牧和中牧碱解氮含量无显著差异(P>0.05)。在0-40 cm土层，与轻牧相比较，中牧和重牧碱解氮和易氧化碳分别下降了10%、42%和14%、51%。

2.4 不同放牧强度对土壤酶活性的影响

重牧土壤β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性显著低于轻牧和中牧(P<0.05)(图4)。20-40 cm土层轻牧和中牧的β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性显著低于0-20 cm土层(P<0.05)。同一土层下，重牧脲酶活性显著低于轻牧和中牧(P<0.05)，且轻牧和中牧间无显著差异(P>0.05)。在0-40 cm土层，与轻牧相比，中牧和重牧β-葡萄糖甘酶分别下降了2%、73%，β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶和脲酶分别下降了23%、65%和17%、55%。

2.5 不同放牧强度土壤酶活性与土壤微生物生物量碳氮及其他理化性质相关性分析

轻度放牧下，土壤β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性与土壤微生物生物量碳氮、碱解氮和易氧化碳均呈显著正相关(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01)，脲酶与土壤微生物生物量碳呈显著性正相关 (P<0.05)(表1)。中度放牧下，β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性与土壤微生物生物量碳氮和易氧化碳呈显著正相关(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01)，与可溶性碳呈显著性负相关(P<0.05)，脲酶与土壤微生物生物量碳氮和易氧化碳呈显著正相关(P<0.05)或极显著正相关(P<0.01)。重度放牧下，β-葡萄糖甘酶与土壤微生物生物量碳氮呈显著正相关(P<0.05)，β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶与土壤微生物生物量碳呈显著正相关(P<0.05)，脲酶与土壤微生物生物量碳氮呈显著正相关(P<0.05)，与可溶性碳呈显著负相关(P<0.05)。

图2 放牧强度对可溶性碳氮的影响Fig. 2 Effect of grazing intensity on soluble carbon and nitrogen

图3 放牧强度对土壤碱解氮和易氧化碳的影响Fig. 3 Effect of grazing intensity on soil alkali-hydrolyzale nitrogen and readily oxidizable carbon

图4 放牧强度对酶活性的影响Fig. 4 Effect of grazing intensity on enzyme activity

表1 不同放牧强度土壤酶活性与土壤微生物生物量碳氮及其他理化性质的相关性分析Table 1 Correlation analysis of soil enzyme activities and soil microbial biomass C and N and other soil physicochemical properties under different grazing intensities

*,显著性相关(P<0.05)，**,极显著相关(P<0.01);MBC,微生物生物量碳，MBN,微生物生物量氮;DOC,可溶性碳;DON,可溶性氮;ROC,易氧化碳;AN,碱解氮。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively; MBC, soil microbial biomass carbon; MBN, soil microbial biomass nitrogen; DOC, soluble carbon; DON, soluble nitrogen; ROC, readily oxidizable carbon; AN, alkali-hydrolyzale nitrogen.

3 讨论与结论

3.1 放牧强度增加降低土壤微生物生物量碳氮、可溶性碳氮、碱解氮、易氧化碳的含量

土壤有机物[27]对微生物活动有明显的影响，根据Talore等[11]和Panayiotou等[14]的研究表明，放牧强度的增加会导致土壤沙化，有机物含量降低，从而抑制微生物繁殖[28]，且放牧导致土壤地上地下生物量减少，会引起植物残体回馈给土壤的养分含量减少[11]，使得微生物可利用的碳源减少，而微生物可利用的碳源主要来自动植物残体以及凋落物，进而导致微生物生物量碳氮随着放牧程度的增加呈下降趋势(图1)，表层微生物生物量碳氮较深层多，是因为表层土壤微生物比较活跃[29]，根系分泌物一般能够促进微生物的生长，但是由于牲畜长期对草地进行啃食，导致地上地下生物量降低，根系相对减少，从而降低了微生物量[29]。微生物量碳氮与可溶性碳氮对放牧强度的响应有一定相似性[14]，但可溶性碳氮下降趋势小于微生物量碳氮(图1，图2)，这是因为微生物是土壤中活体有机碳，微生物对环境变化非常敏感。土壤易氧化碳是土壤活性有机碳的组成部分，其来源于植物残体、微生物残体以及根系分泌等，地上地下生物量、土壤微生物生物量会随着放牧强度的增强而降低(图1)，进而降低易氧化碳的含量(图3)。碱解氮作为速效氮可在短时间内供植物吸收利用，曹丽华等[30]研究表明，植被减少导致碱解氮含量降低，而放牧导致植被破坏，土壤裸露，直接导致碱解氮含量降低(图3)，同时长期的过度放牧带走了大量的氮素也会导致其含量降低。

3.2 放牧强度增加降低土壤酶活性

土壤酶活性主要来源于土壤微生物和植物的分泌，与土壤生态系统功能具有直接的关系[14]，连接土壤养分与植被，参与土壤的养分循环[31]。β-葡萄糖甘酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶和脲酶活性随着深度和放牧强度的增加显著减少(图4)，与Mastrogianni等[32]和Monokrousos等[33]的研究结果一致，这是因为酶活性与土壤微生物碳氮等指标有关(表2)。首先随着放牧强度的增加，微生物可利用的碳源和氮源减少，降低了微生物活性(图1)，进而降低酶活性(图4)。而深层土壤酶活性低于表层(图4)，是因为表层植物残体较多，碳氮含量高，且表层土壤通透性较好，有利于微生物呼吸和生长，从而使表层酶活性大于深层。其次易氧化碳和酶活性呈显著相关性(表2)，易氧化碳作为活体有机碳为微生物提供碳源，放牧强度增加导致其含量降低(图3)，进而降低了酶活性(图4)。在轻牧和中牧下，β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性无显著性变化，可能是因为在一定放牧范围内草地生态系统具有缓冲性。

综上所述，武功山九龙山放牧区随着放牧强度增加，土壤养分呈下降趋势，微生物碳氮和酶活性显著下降，土壤加剧贫瘠，水土流失严重。因此，相关部门要加强管理，禁止牧民偷牧，保护山地草甸生态系统。本文只研究了微生物生物量碳氮和酶活性与养分之间的关系，放牧强度到底是怎样通过对微生物群落结构的影响来影响养分的机制，还有待于进一步研究。