放牧模式对内蒙古典型草原生长季土壤呼吸速率的影响

聂 成，牛 磊，张旭博，李 悦，杜 薇，刘颖慧*

（1 北京师范大学地理科学学部/地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；2 中国科学院地理科学与资源研究所/生态网络观测与模拟重点实验室，北京 100101）

土壤呼吸 (respiration of soil，Rs) 是土壤碳库向大气中释放CO2的主要途径，是草原生态系统碳循环的重要环节之一。我国草原多分布于内蒙古和青藏高原等干旱、低温的区域，草原生态系统相对脆弱，Rs受到诸多因素的影响。

放牧是人类对草原生态系统的重要管理方式之一，可以直接影响草原生物多样性、演替过程、物种丰富度[1-2]，同时影响草原土壤理化性质和微生物特征[3-4]，从而对Rs产生诸多影响。在以往的研究中发现，放牧对草原生态系统Rs的影响机制比较复杂[5]，大多数研究表明放牧对Rs具有抑制作用[3，6-7]，牲畜通过采食植被的地上部分，降低了光合作用及根系有机物的来源，使根系生物量及根系呼吸降低，同时凋落物和根系分泌物的等有机质输入减少，导致了土壤微生物量及其呼吸的降低[8-9]。如Li等在松嫩平原上研究表明放牧引起了植被退化，同时降低了根系呼吸和Rs[10]；在中国半干旱草原上放牧通过影响地上净初级生产力 (ANPP) 及真菌生物量使生长季Rs降低了10%～19%[11]。同样有研究表明放牧通过采食后的粪便返还，向生态系统中输入了大量的有机质，促进了生态系统的养分循环和微生物活性，对土壤呼吸产生促进作用[12-13]。如在青藏高原地区中，放牧通过提高土壤温度和土壤微生物生物量提高了土壤呼吸[14]。同时有研究发现放牧并未对Rs产生显著影响[15]。此外不同的放牧措施和强度对Rs产生不同程度的影响[7，16-17]，如 Zhao等[18]对1991—2016年期间放牧对微生物影响的文献进行整合分析，结果显示重度放牧显著降低了土壤微生物量和Rs，但是轻度放牧对其无显著影响。Rs对放牧的响应因研究所在地、草原类型、研究时间及放牧强度而各有差异。

内蒙古温带典型草原作为我国重要的草原类型之一，也是大规模的牧区之一。全年放牧曾是内蒙古典型草原常见的管理方式，由此导致了大面积的草原退化，如今采用休牧管理方式实现草原的可持续利用，甚至在退化严重区域进行围栏禁牧。目前对于不同放牧管理措施下Rs差异的研究较少，因此本研究在全年放牧、休牧和禁牧样地进行Rs的原位检测，比较生长季Rs的差异，同时监测土壤微生物及理化性质和植物生物量，进而说明内蒙古典型草原三种利用方式下Rs的差异及造成这种差异的可能原因。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域位于内蒙古自治区锡林郭勒盟多伦县十三里滩实验站 (42°02′N，116°17′E)，平均海拔1341 m，气候为中温带半干旱向半湿润过度的大陆性气候区，年均温2.1℃，年降水量379 mm，集中于6～8月，雨热同期。试验样地为温带典型草原，土壤类型为栗钙土，区域内优势种为克氏针茅 (Stipakrylovii)、羊草 (Leymus chinensis)、冷蒿 (Artemisia frigida) 等[19]。

1.2 试验设计

在研究区域选取三种放牧管理样地：1) 禁牧样地，2002年秋季开始围封禁牧；2) 放牧样地，全年自由放牧，小尾寒羊为5只羊/hm2；3) 休牧样地，2004年起每年4月1日至6月10日实施禁牧休养，2012年起禁牧时间调整为3月10日至6月10日，羊放牧期的放牧强度约为2～4.5只/hm2。在每种放牧样地内设置3个重复，每个处理距离样地边界1 m以上，每种处理间距3 m以上。

1.3 测定项目

在2014年7月14—16日、9月16—18日及2015年7月12—14日、9月17—19日 (测量期间为晴朗无雨天气) 对放牧、禁牧和休牧样地进行Rs测定，每月测定一次，每块样地每次测定时间持续24 h。测定前在每个重复中埋设深度为7 cm的PVC环，每次测量前24小时剪除地上植被，使用LI-COR 8150土壤碳通量自动测量系统 (LI-COR，Lincoln，USA) 对PVC环内的土壤呼吸进行连续日动态观测，呼吸单位为 CO2μmol/(m2·s)，每 30 min 对 PVC 环内的土壤呼吸进行一次测定，每次测量时间为4 min。期间用LI-COR 8150-203温度热电耦及LI-COR 8150-204土壤含水量测试仪同步测定土壤温湿度。

每次测定土壤呼吸前将剪除的地表植被收集，将其放入烘箱中105℃杀青，然后65℃烘干至恒重并称量作为地上生物量。在2015年7月和9月每块样地中使用根钻法取根系生物量，根钻直径5 cm，采样深度为0—30 cm，样品装入1 mm的网袋中，去除石头等，在实验室将附着的土壤洗净，于烘箱65℃烘干至恒重并称量作为根系生物量。

每次观测呼吸后在PVC环附近用5 cm土钻取3钻0—15 cm土壤混匀，过2 mm筛以除去石头、根系以及土壤动植物。土壤样品冷藏后带回实验室于-70℃冷冻保存，以备分析。土壤总氮 (TN) 和土壤总碳 (TC) 使用元素分析仪 (PerkinElmer2400 seriesⅡCHNS/O analyser，美国 PerkinElmer公司) 测定；土壤总磷 (TP) 经硝酸-高氯酸消解后，使用电感耦合等离子体光谱仪测定 (SPECTRO ARCOS EOP，德国SPECTRO公司)；土壤可溶性有机碳 (DOC) 经K2SO4溶液浸提后使用总有机碳分析仪测定 (Liqui TOC Ⅱ，德国Elementar公司)。土壤磷脂脂肪酸(PLFAs) 经纯化提取后使用气相色谱质谱联用仪测定[20]。细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性菌及阴性菌的PLFAs含量均使用PLFA提取方法估算[21]，具体分类见表1。

1.4 数据分析方法和软件

采用单因素方差分析 (ANOVA) 对不同放牧措施下和不同月份下的Rs、植被、土壤及微生物指标进行差异分析，并采用LSD检验进行多重比较，使用Pearson相关系数分析各个因素之间的相关关系。根据假设和相关关系构建结构方程模型 (Structural Equation Modeling，SEM)，对各因子对土壤呼吸的直接和间接影响进行评估。使用SPSS20.0软件进行数据分析，使用SigmaPlot 12.5软件进行图形绘制，使用Amos 24.0对SEM和影响系数进行构建和生成。

表 1 PLFAs群组和生物标记物Table 1 Common PLFAs group and their phospholipid biomarkers

2 结果与分析

2.1 生长季土壤呼吸及土壤温度、湿度

整个试验期间三种放牧措施下的Rs未表现出显著差异 (P＞ 0.05)，放牧、休牧和禁牧样地的生长季Rs均值分别为 CO21.56、2.00 和 1.94 μmol/(m2·s)。但在不同月份三种放牧样地的Rs差异显著 (图1)，除在2014年7月未表现出显著差异外，Rs在2015年7月表现为禁牧 ＞ 休牧 ＞ 放牧样地，而在2014年和2015年的9月份表现为休牧 ＞ 放牧 ＞ 禁牧样地。同时三种放牧措施下土壤温湿度差异显著 (P＜0.05)，休牧和放牧样地的土壤温度无显著差异，均高于禁牧样地。而土壤湿度在禁牧样地中最高，且随着放牧强度的增加而降低 (图1)。

2.2 生物量

生长季各时期放牧、休牧和禁牧管理下植被地上生物量差异显著 (图2，P＜ 0.05)，试验期间地上生物量均值表现为禁牧 (323 g/m2) ＞ 休牧 (170 g/m2) ＞放牧 (94.8 g/m2)，与禁牧相比，休牧和放牧措施下地上生物量分别降低了47.3%和70.6%。根系生物量在2015年9月较7月下降了18.4%，放牧和休牧均提高了根系生物量，但仅在休牧样地表现显著，提高了37.2%，与同期的地上生物量表现出不同的趋势。

2.3 土壤养分含量

土壤养分在不同月份间存在一定程度的波动变化，但并未出现统一的变化规律 (图3)。与禁牧样地相比，放牧和休牧导致了土壤总碳和总氮的显著下降 (P＜ 0.05)，土壤总碳分别下降34.5%和32.0%，土壤总氮分别下降37.0%和34.5%。除2014年7月外，休牧样地的土壤总磷均高于放牧和禁牧样地。土壤的可溶性有机碳含量仅在放牧样地中上升，在休牧样地和禁牧样地间无显著差异。

2.4 PLFAs总含量和比例

土壤总PLFAs含量存在明显的季节变化(图4)，除2015年禁牧样地外，各个放牧样地中9月的土壤总PLFAs含量高于7月。总PLFAs含量在7月随着放牧强度的增加而减少，但在9月未呈现一致规律，试验期间的土壤总PLFAs含量均值在休牧样地(30.36 nmol/g) 中最高，其次为禁牧 (29.26 nmol/g) 和放牧 (25.07 nmol/g) 样地。土壤微生物的结构在不同时期存在差异，从7月到9月，微生物群落结构的变化为：细菌比例降低，真菌比例上升，放线菌变化不明显。同时放牧降低了细菌比例，提高了真菌比例，真菌细菌比随着放牧强度的增加而提高，而革兰氏阳性菌和阴性菌的比值在不同放牧样地没有显著差异(图4)。

图 1 三种放牧模式下不同生长季内土壤呼吸、土壤温度及土壤含水量Fig. 1 Soil respiration, temperature and moisture in growing seasons under the three grazing modes

2.5 土壤呼吸速率与影响因子的关系

图 2 三种放牧模式下生长季内植被生物量Fig. 2 Vegetation biomass in growing seasons underthe three grazing modes

图 3 三种放牧模式下生长季内土壤养分含量Fig. 3 Soil nutrient content in growing seasons under the three grazing modes

Rs及其影响因子在7月和9月表现出不同的相关关系 (表2)，Rs在7月份与土壤湿度、总碳总氮含量及地上生物量显著正相关，与土壤温度没有显著的相关关系。在9月Rs与土壤温度、总磷含量及微生物磷脂脂肪酸含量呈显著正相关关系，与土壤总碳显著负相关，而与土壤湿度和地上生物量没有显著的相关关系。

图 4 三种放牧模式下生长季内土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)总含量及比例Fig. 4 Soil total content and proportion of microbial phospholipid fatty acid in growing seasons under the three grazing modes

使用2014年2015年7月和9月的数据构建结构方程模型(SEM)，进一步分析放牧对Rs的影响及潜在机制，该模型对Rs变化的总解释度为85% (图5)。SEM结果显示各类影响因子在解释Rs变化时的贡献值大小表现为土壤温度 (0.905) ＞ 土壤湿度 (0.188) ＞放牧 (-0.137) ＞ PLFAs含量 (0.069) ＞ 可溶性有机碳(-0.031) ＞ 地上生物量 (0.011)。结果显示，土壤温度和土壤湿度分别对Rs有极显著和显著的促进作用，土壤微生物PLFAs含量对Rs有显著的正效应。放牧对Rs有直接显著的负效应，除此之外放牧还提高了土壤温度和可溶性有机碳含量，减少了土壤湿度、地上生物量及PLFAs含量。综合放牧的直接效应和间接效应 (表3)，土壤温湿度是生长季Rs变化的主导因素，而放牧措施、植被和微生物因子对Rs变化的解释率较低。

3 讨论

3.1 放牧对土壤呼吸及其影响因素

本研究中内蒙古典型草原生长季Rs在全年放牧管理下降低，在休牧管理下提升，但未达到显著水平，同时Rs在不同月份响应放牧的形式存在差异：7月份Rs随放牧强度的增加而减弱，而在9月Rs在休牧样地速率最高，在禁牧样地速率最低，可能是由于在不同时期主导和影响Rs的因子有所不同，故Rs响应放牧的形式存在差异。

图 5 放牧管理下土壤、植被和微生物影响土壤呼吸的结构方程模型Fig. 5 Structural equation model (SEM) describing the effects of grazing, environment factors,biotic factors on soil respiration

表 3 结构方程模型中放牧对土壤呼吸的影响途径及标准化效应系数Table 3 Influence paths of grazing on soil respiration and theirs standardized effect coefficient in SEM

土壤温湿度是影响Rs速率最直接和最重要的环境因素，本研究中放牧和休牧样地的土壤温度分别提升了2.4℃和2.38℃，而土壤湿度分别下降了6.48%和3.59%。牲畜采食导致地上植被和凋落物减少，植被冠层和凋落物的盖度下降，光照下土壤升温明显[22]；升温导致地面蒸发作用增强，土壤湿度降低，另外研究表明牲畜踩踏对土壤的压实作用导致土壤孔隙度降低，土壤导水率及对水分的蓄积作用下降[23]。

在两种放牧管理下，牲畜通过采食显著减少了地上生物量，而根系生物量则表现出不同的变化趋势，根系生物量在放牧样地和休牧样地均高于禁牧样地，可能由于适度放牧促使植物将更多的生物量向地下部分转移，根系生物量的提升为放牧后植被地上部分的再生进行储备。在大针茅草原的研究中同样发现适度放牧能够提高根系生物量[24]，这可以用放牧优化假说 (grazing optimization hypothesis)[25]解释，即适度放牧能够刺激植被根系的增长。

土壤的碳、氮、磷元素作为重要的养分与Rs有重要的联系，同时也受到放牧的干扰。土壤氮素和碳素表现为禁牧高于放牧和休牧样地，放牧过程导致了土壤碳氮元素的大量输出，并证明围栏封育有助于限制土壤元素的流失。牲畜的采食导致生态系统的磷素输出增加，同时排泄物返还加速了地上植被中的磷元素进入土壤[26]，导致试验期间土壤总磷在不同时期和不同放牧措施下未表现出统一的规律。土壤可溶性有机碳是土壤有机质的重要组成部分，是具有溶解性和活性的一类土壤碳素。本研究中可溶性有机碳含量在放牧样地始终处于最高水平，而休牧与禁牧无显著差异。在之前的研究中草地生态系统在适度放牧下有一定的恢复能力，在此情况下放牧对土壤有机质的含量没有显著影响[27]，而在强度较高的放牧条件下，牲畜的采食、践踏和粪便返还分别导致了植物根冠比增加、凋落物破碎并进入土层，这些条件加速了土壤可溶性有机碳的产生和累积[28]。

土壤微生物是草原生态系统的重要组成部分，在生态系统物质循环和功能维持上起到重要的作用[29]。本研究中休牧管理提高了土壤微生物含量，而全年放牧下微生物含量降低，说明适度放牧对微生物生物量有一定的促进作用，该结果与在内蒙古短花针茅上开展的研究相同[30]，适度放牧下根系生物量增加，根系分泌物和根际环境适合微生物的生长；而过度放牧则会导致土壤容重增加，水分和气体输送受阻，理化性质变化剧烈，微环境的不稳定干扰了微生物的代谢和生长[31]。放牧降低了细菌的比例，提高了真菌的比例，与Wakelin等在澳大利亚牧场中展开的研究结果相似[32]。土壤中的真菌细菌比反映了土壤生态系统稳定性，其比值越高则生态系统稳定性越高[33]，韦应莉等[34]在高寒灌木草地上的研究表明适度放牧下真菌细菌比提高，与本研究的结果一致，说明适度放牧能够提高草原生态系统稳定性。

3.2 放牧影响土壤呼吸的原因

Rs与土壤温湿度、结构与质地、土壤微生物和植被的地上地下生物量密切相关[35]。在半干旱生态系统中，低温下Rs主要受到温度变化控制；温度限制解除后Rs则主要受到土壤湿度等因素的影响[36-37]。由于土壤温湿度在7月和9月的分布差异，导致该区域土壤湿度与土壤温度分别成为7月和9月Rs的主要限制因子。

植被因子和微生物因子在不同时期的主导作用也有差异。7月是生长旺季，植被因素相较于微生物因素对Rs的驱动更大，研究表明地上生物量的光合作用是根系呼吸和微生物呼吸的底物来源，生态系统总初级生产力处于较高水平时与Rs呈现一定的正相关性[38]，因此Rs在7月与地上生物量显著正相关；9月植被的生理活性降低，Rs与磷脂脂肪酸的含量显著正相关，在此时期Rs主要受到微生物的影响。这也解释了7月放牧降低了地上生物量后，Rs随着放牧强度的增加而降低，而在9月这种变化趋势被弱化。

通过SEM分析对放牧影响Rs的途径进行量化，结果显示放牧对生长季Rs的直接影响是其抑制作用的主要来源，牲畜踩踏导致的土壤容重增加，土壤孔隙度减少，阻碍了O2和CO2的扩散，进而抑制了土壤呼吸。放牧通过降低植被生物量和土壤湿度带来的间接负效应加剧了抑制作用，同时导致土壤温度的提升也对抑制作用进行了削弱。结果证明温度和水分仍是影响该区域生长季Rs最重要的因素。放牧对Rs的效应被量化后远小于土壤温湿度的影响。在本研究中土壤PLFAs含量对Rs的影响较小，可能原因是土壤PLFAs含量并不能完全表征土壤微生物的活性，微生物呼吸强度应考虑微生物生物量及单位生物量的活性。

在本研究中，不同放牧管理机制间放牧的效应存在一定的差异。研究证明环境因子主要通过改变根系生物量影响根系呼吸[39]，两种放牧管理下根系生物量均提升但仅在休牧样地显著，根系生物量的变化可能是休牧管理下生长季Rs提升的主要原因；微生物生物量仅在全年放牧管理下降低，这可能是全年放牧样地生长季Rs下降量的主要来源。因此放牧对Rs的影响机制是复杂的，其效应是对根系呼吸的促进作用和对微生物呼吸的抑制作用的综合结果。

4 结论

内蒙古典型草原生长季不同放牧管理对土壤、植被和微生物的影响差异导致生长季土壤呼吸速率不同。全年放牧管理通过抑制微生物生物量导致土壤碳排放降低，而休牧管理通过刺激根系生长提高了土壤呼吸，增加了碳排放。因此，今后的研究可通过载畜量、放牧时间等对放牧强度进行具体量化，进而深入研究不同放牧强度和模式对草原生态系统土壤呼吸的影响。

致谢：感谢中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验示范研究站对本研究野外试验工作的支持。