温带典型草原土壤理化性质及微生物量对放牧强度的响应

邬嘉华， 王立新， 张景慧， 卓 义， 武胜男，王凤歌， 徐智超， 祁 瑜， 温 璐,3*

(1. 内蒙古大学生态与环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010021； 2. 内蒙古自治区河流与湖泊生态重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010021；3. 内蒙古大学草地生态学国家重点实验， 内蒙古 呼和浩特010021； 4. 内蒙古自治区环境科学研究院， 内蒙古 呼和浩特 010011)

放牧是中国温带典型草原的主要扰动因素之一[1-2]，放牧方式及强度会影响土壤的物理、化学和生物学指标[3]，这些指标在一定程度上能够表征草地生态系统的健康状况。近几十年来，由于自然和人为等因素温带草原发生了不同程度的退化，选择适当的放牧管理制度对于提升草原生态系统的生态效益具有重要意义。因此，分析放牧强度对草地土壤理化性质和微生物量的影响，研究不合理放牧导致草地土壤退化的过程和机制，寻求合理的放牧制度，这关系到草地生态系统的可持续利用和畜牧业的可持续发展，对于提供合理的放牧管理方案至关重要。

以往研究表明休牧(即全年禁牧)作为一种放牧管理方式，可以有效的增强草地生态系统的可持续性[4-5]。休牧过程中，草地植物地上生物量和地下生物量均增加，其作为土壤养分的主要输入源，使得土壤养分含量增加[5-7]。放牧会改变土壤结构和土壤养分[8-11]，减少植物物种多样性、生产力、植被覆盖度，改变凋落物输入的质量和数量，抑制土壤有机碳和土壤全氮的固存[11]，从而改变土壤微生物群落[9,12]，且放牧强度不同影响不同。有研究表明随放牧强度增加草地土壤容重增加，土壤养分和微生物量显著降低[13]。而王合云等[14]的研究结果表明随放牧强度的增加，各层土壤有机碳及全氮均呈先增加后减少的趋势。刘亚军[15]指出放牧强度加剧会使土壤全氮及速效磷含量增加，全磷含量下降，但对土壤有机质影响不显著。杨青等[9]研究发现适度的放牧能够增加土壤微生物量，加快养分循环，而过度的放牧则导致土壤含水量、微生物量等降低。张蕴薇等[16]发现放牧期间中度放牧样地土壤微生物量高于轻度、重度放牧及禁牧样地。由此可见不同放牧压力对草地土壤理化性质及微生物量的影响尚未得到一致结论。

内蒙古草原是中国温带典型草原的主体，锡林郭勒草原是内蒙古温带典型草原的核心分布区，既对我国畜牧业的发展具有重要影响意义，又是我国北方和京津地区重要的绿色屏障[17]。然而，温带典型草原生态恢复的基础理论研究还尚不完善。基于上述背景，本文拟进一步开展温带典型草原不同放牧强度下土壤微生物量与土壤基本属性的相互作用关系的研究，为草地合理利用和草原生态恢复提供基础数据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究在内蒙古自治区锡林浩特市东部的锡林浩特国家气候观象台生态监测样地进行，其地理位置为44°08′ N，116°20′ E，平均海拔约1 100 m，属于温带半干旱大陆性气候，年平均气温3℃，最高气温31.8℃，最低气温-34.9℃，年平均降水200～300 mm，降雨多集中在6—9月份，约占全年降水的80%。主要的土壤类型是栗钙土。植被群落优势种组成包括大针茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，主要物种组成还包括冷蒿(Artemisiafrigida)、米氏冰草(Agropyromcristatum)、刺穗藜(Cenopodiaceaearistatum)、猪毛菜(Salsdacollina)、知母(AnemarrhenaasphodeloidesBunge)、蒙古葱(Alliummongolicum)、双齿葱(Alliumbidentatum)、乳白花黄芪(Stragalusgalactite)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)和黄囊苔草(Carexkorshinskyi)等。

1.2 试验设计及样品采集

本实验从2014年6月开始实施，每年的5—9月连续进行控制放牧实验。放牧样地共有12个小区，划分为3个梯度，每个梯度按照地统计学原理选取3个小区，每个小区的面积为1.44 hm2(120 m×120 m)。此实验采用调节放牧天数的方式来模拟轻度、中度、重度放牧强度[18]，其中对照处理区(control check，CK)围封无放牧；轻度放牧(light grazing，LG)处理区28只羊每月放牧3天；中度放牧(moderate grazing，MG)处理区28只羊每月放牧6天；重度放牧(heavy grazing，HG)处理区28只羊每月放牧12天(图1)。

图1 试验样地设计Fig.1 The schema of experimental designs

取样时间为2016年的7月至8月，每个小区选取3个1 m×1 m样方，每个样方内斜对角分层钻取0～10、10～20、20～30和30～40 cm共4层的土样，各层取3钻土样混合。土样采集标识完毕后尽快带回实验室4℃保存。在样品预处理阶段，每份土样分为两部分，一部分自然风干后过20目筛孔用于测定土壤理化指标pH值、电导率、铵态氮、硝态氮等；另外一部分过100目筛孔，用于测定土壤总有机碳、总氮、总碳、土壤微生物生物量等。理化性质测定方法如下：土壤含水量用烘干法测定；pH用酸度计测定，土壤全碳、全氮采用元素分析仪测定；土壤总有机碳采用总有机碳测定仪(Elementar Liqui TOC)测定；土壤速效磷采用钼锑抗比色法测定；土壤碱解氮采用碱解氮扩散法测定[19-20]。土壤微生物生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸提取法测定[21-22]。

1.3 数据分析

数据分析使用Excel进行原始数据整理，使用SPSS Statistics 17软件计算均值、标准误差并进行方差分析(ANOVA)，单因素方差分析前对不同处理间比较前进行方差齐性检验，如具有方差齐性使用LSD法，双因素方差分析(Two-way ANOVA)用于分析土壤深度和放牧强度对土壤各项指标影响的差异显著性，绘图使用OriginPro 9.1。使用R语言对土壤理化因子进行因子分析，并用所提取出的公因子与微生物量碳、氮、磷进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同放牧强度对土壤理化性质的影响

放牧强度和土壤深度对土壤pH值的影响极显著(P<0.01)，但随放牧强度增加各土层土壤pH值变化规律不一致(表1、表2)。放牧对相同土层土壤电导率无显著影响。

表1 不同放牧强度下不同深度温带典型草原土壤理化性质Table 1 Soil physical and chemical properties of typical steppe with different depths under different grazing intensities

注：不同小写字母表示同一土壤深度下不同样地之间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一样地中不同深度之间的差异显著(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

土壤总氮(total nitrogen，TN)、土壤总有机碳(total organic carbon，TOC)含量受放牧强度影响极显著(P<0.01)，土壤总碳(total carbon，TC)受土壤深度影响极显著(P<0.01)(表2)。表层(0～10 cm)土壤的总碳、总氮和总有机碳含量在轻度放牧样地显著高于其他样地，10～20 cm和20～30 cm层土壤碳氮含量在轻牧和中牧处理样地显著高于其他处理样地，而在30～40 cm层轻牧样地显著低于其他处理样地。各样地土壤总氮含量随土壤深度加深而减少，但土壤总碳、总有机碳含量的垂直分布未呈现一致规律(表3)。

表2 放牧梯度及土壤深度对土壤性质影响的双因素方差分析Table 2 Two way-ANOVA of effects of grazing gradient and soil depth on soil properties

注：表中数值为F值；**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(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 不同放牧强度下不同深度温带典型草原土壤化学性质Table 3 Soil chemistry properties of typical steppe with different depths under different grazing intensities

注：同列不同小写字母表示不同放牧强度下土壤的方差分析差异显著(P<0.05)；同列不同大写字母表示不同土壤深度的土壤性质差异显著(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

图2 不同放牧强度不同土壤深度的铵态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

土壤铵态氮占全氮含量的比例在0.28%～0.59%之间，随土壤深度增加无显著变化，不同放牧强度对土壤铵态氮占全氮含量比例影响不显著(图2)。

土壤硝态氮占全氮含量的比例在0.04%～0.64%之间，随土壤深度增加显著降低(P<0.05)；放牧强度对表层土壤硝态氮占全氮含量比例影响显著(P<0.05)，具体表现为轻度和重度放牧显著高于中度和对照放牧处理，这与放牧对土壤硝态氮含量的影响结果一致(图3)。

2.2 不同放牧强度对土壤微生物量的影响

微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)

图3 不同放牧强度不同土壤深度的硝态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之间，受放牧强度影响显著(P<0.05)，10～20 cm层土壤MBC含量呈对照样地和重牧样地显著高于轻牧样地。微生物量氮(microbial biomass nitrogen，MBN)含量在0.47～6.43 mg·kg-1之间，受放牧强度影响不显著，土壤深度对MBN影响极显著(P<0.01)，0～10 cm层土壤MBN显著高于其他土层，随土壤深度加深，MBN含量先降低再升高。土壤微生物量磷(microbial biomass phosphorus，MBP)受放牧强度影响显著(P<0.05)，表现为表层(0～10 cm)土壤MG和LG样地显著高于CK和HG样地。MBP受土壤深度极显著影响(P<0.01),在垂直分布上随土壤深度加深，微生物量磷含量逐渐降低(表2，表4)。

表4 不同放牧强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 土壤理化性质与土壤微生物量间的关系

相关分析结果表明土壤碱解氮含量与总氮含量相关系数为0.8439(图4a)，土壤速效磷与总氮含量相关系数为0.5151(图4b)，土壤总氮与土壤总有机碳含量相关系数为0.7677(图4c)，土壤pH与土壤碱解氮含量相关系数0.497(图4d)，均达到极显著正相关水平(P<0.01)。

图4 不同放牧梯度不同土壤深度的土壤理化性质间的相关性分析Fig.4 Relativity of soil physical and chemical properties of different soil depth with different grazing intensities

表5 放牧强度下土壤理化因子与土壤微生量Pearson相关性分析Table 5 Pearson correlation analysis of soil physico-chemical factors and soil microbialbiomass under grazing intensity

3 讨论

3.1 放牧强度对土壤物理性质和化学性质的影响

土壤碳、氮和磷在草地生态系统中发挥着重要的作用，是系统中最大的营养库，是土壤有机质的重要组成部分，也是维持土壤结构的关键因子[23]。放牧主要以家畜的采食和家畜排泄活动而影响着草地土壤化学性质的变化[24]。本研究表明放牧强度对土壤有机碳和氮含量影响显著(P<0.05)，表层(0～10 cm)土壤表现为LG显著高于其他样地，且碳氮含量随土壤深度增加降低，这与已有研究所得结论一致[8,25-28]。分析其原因可能是由于随放牧强度加剧，家畜的踩踏和采食活动加强导致草原的初级生产力降低、凋落物的积累减少，从而使土壤的有机质含量减少[17,25,28-29]。而闫钟清[30]等研究发现土壤全氮含量随放牧强度加剧而增加，可能是由于重牧区家畜粪便多，提供大量的有机氮源。

土壤硝态氮含量受放牧强度影响极显著(P<0.01)，0～10 cm层土壤LG>HG>CK、MG，深层土壤(20～30 cm，30～40 cm)重牧处理硝态氮含量显著高于其他处理样地。可能的原因是适度的牲畜践踏使凋落物破碎并与表层土壤充分接触，有助于凋落物分解及养分向土壤转移[31]，而重度放牧牲畜踩踏活动加剧导致表层土壤紧实，阻隔表层土壤的养分来源[25]，却使深层土壤硝态氮随水分的上移量减少[32]。本研究发现速效磷含量受放牧强度和土壤深度影响极显著(P<0.01)，且随土壤深度增加土壤速效磷含量显著降低。分析其原因，当表层土壤速效磷含量减少时，位于下层土壤的速效磷通过水分的移动可以迅速补充到土壤表层，以此保证植物被采食后补偿生长对速效磷的需要[33]。此外，随着放牧强度增大，家畜的频繁采食活动使磷素营养的输出量增加，地上部分归还量降低，加速了土壤磷素的失调，因此，重牧处理下土壤速效磷含量显著低于同土层其他样地[13,34]。然而，锡林图雅等[35]研究发现随着放牧强度加剧土壤速效磷含量增加，可能是由于家畜的频繁采食使磷从系统中的输出增加，引起土壤中全磷的各组分向速效磷成分转移量增大。

可见适度放牧可提高土壤氮、磷的有效性[36-37]，而过度放牧显著影响土壤全量养分含量和有机碳含量，放牧后牧草再生，促使土壤中全量养分向速效成分转移量增大，通过植物吸收后向系统外输出，最终导致土壤有机碳含量及全量养分减少[38]。同时也有学者指出，土壤理化指标的变化不仅与放牧等人为因素有关，还受降雨等气候因素的影响，而且草原土壤系统本身十分复杂，应对外界环境变化时也存在着一定的滞后[39]。

3.2 放牧强度对土壤微生物生物量的影响

土壤微生物是土壤养分转化和物质循环的动力，是活的土壤有机质部分、土壤肥力的活指标、土壤活性养分的储存库，在土壤演化过程和生态系统中具有重要作用[40-42]。土壤微生物生物量与微生物个体数量指标相比，更能反映微生物在土壤中的实际含量和作用潜力，具有更加灵敏、准确的优点[43-44]。目前，放牧对草地土壤微生物量的影响研究结果不一致[45-47]。高雪峰[48]等、李香真[49]等研究发现过度放牧导致土壤微环境恶化，影响微生物的生长繁殖，从而降低土壤MBC含量，而适度放牧增加根系的渗出物，提高微生物活性，从而土壤中的可提取微生物量碳含量随之增加。本研究发现土壤MBC受放牧强度影响显著，10～20 cm层土壤MBC含量呈对照样地和重牧样地显著高于中牧样地，显著高于轻牧样地。分析其原因，可能是放牧过程中，家畜一方面通过践踏活动促使有机质输入土壤，另一方面其排泄物向土壤中输入活性物质，增加根生物量及根的分泌物质，因而形成更有利于微生物生长的环境，也为作为重要分解者的微生物提供充足资源，从而促进土壤微生物量增加[9,16]。本试验中，土壤深度对土壤MBN含量影响显著，而放牧强度对土壤MBN含量影响不显著。表层(0～10 cm)土壤MBN含量显著高于其他土层，原因可能是表层植物根系含氮量较高，土壤凋落物较多，而且表层土壤状况较好，因而有利于根际微生物活动并有效分解转化根系分泌物，随土壤深度加深，氮库由难以分解的腐殖质复合物构成且周转缓慢，因而限制了土壤微生物的活动[50-51]。土壤微生物量磷周转速度快，对环境变化敏感，是植物速效磷的重要来源[52]，本研究发现放牧强度和土壤深度均对土壤MBP含量产生显著影响，轻度和中度放牧处理样地MBP显著高于重度和对照放牧处理样地，原因可能由于随放牧强度的增强，加速土壤磷的转化与输出。微生物量碳与磷受放牧强度影响的变化趋势不同，这可能由于微生物量同时受营养基质的物理化学组成和土壤物理化学性状的影响[49]。

3.3 放牧处理下土壤性质与微生物量的关系

4 结论

本研究以内蒙古锡林郭勒盟温带典型草原为依托，比较不同放牧强度和不同土壤深度下草地土壤理化性质及微生物量的变化。研究表明放牧强度和土壤深度均对土壤pH值、硝态氮和速效磷含量产生极显著影响(P<0.01)，轻度放牧不同程度地增加了土壤有机碳、总氮、硝态氮的含量，有利于提高土壤肥力，而重度放牧会显著降低土壤全量养分和TOC含量。土壤MBC、MBP含量受放牧强度影响显著(P<0.05)，可以较灵敏地反映放牧干扰下土壤微生物量的变化。相关性分析表明，放牧干扰下土壤MBN与土壤主环境因子呈显著正相关(P<0.05)，土壤MBP与土壤主环境因子呈，极显著正相关关系(P<0.01)。因此，土壤MBN和MBP与土壤理化指标之间具有统一性，土壤MBP对土壤肥力及其土壤养分的有效性具有重要的指示意义。