放牧强度对黄土丘陵区生物结皮土壤化学计量学特征的影响

李 雯， 马昕昕， 马 宁， 赵允格*， 乔 羽， 王 鹏， 孙 会

(1.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100； 2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与 旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨 陵 712100； 3.西北农林科技大学林学院， 陕西 杨凌 712100)

草地作为陆地生态系统的重要组成部分，在调节气候、水土保持、养分循环等方面具有重要生态学意义[1]。黄土丘陵区是我国乃至世界水土流失最严重和生态环境最脆弱的地区之一，自上世纪90年代末期退耕还林(草)工程实施以来，该区退耕草地植被得以逐渐恢复[2]。放牧在该区的社会经济及文化活动中占有不可或缺的位置。放牧可通过动物踩踏、觅食以及排泄物归还等影响草地的植被和枯落物盖度、土壤理化属性、土壤侵蚀及流失[1,3-4]，进而影响土壤养分含量。目前，关于放牧强度对土壤养分影响的研究在全球范围内均有涉及，但研究结果仍有争议。如Reeder等[5]在美国研究表明，重度放牧可增加土壤有机质含量；李香真和陈佐忠[6]在内蒙古草原研究表明过度放牧降低了土壤有机质和全氮的含量，轻牧和中牧对养分含量影响不大；而Milchunas和Lauenroth[7]对全球236个试验点研究表明土壤养分与放牧强度关系复杂，受诸多因素影响，包括植被和土壤的初始情况，环境因素和放牧历史。

生物土壤结皮(Biological soil crusts，简称生物结皮) 是由隐花植物，如蓝藻、地衣、苔藓类和土壤中的微生物以及其他相关生物体通过菌丝体、假根系和分泌物等与土壤表层的颗粒物胶结而形成的复杂复合体，是干旱、半干旱地区健康生态系统中广泛分布的生物地被物[8]。目前，生物结皮在黄土丘陵区退耕草地覆盖度可达60%～70%[9]，甚至更高，其作为生态系统中物质和能量交换的关键界面层，可从多方面改变土壤的理化属性，如增加土壤稳定性[10]和养分[8,9]、减轻和降低水土流失和土壤侵蚀[11]，改善土壤水分状况[12]等。放牧作为影响生物结皮理化性质的关键因素，鲜有研究报道。杨巧云[13]在黄土丘陵区模拟羊蹄干扰研究发现，干扰显著降低了生物结皮层的有机碳(SOC)、全氮(TN)，而对全磷(TP)无明显影响，但该研究并未考虑实际放牧过程中动物的选择性采食和动物排泄物的输入。

生态化学计量学作为研究生态系统中各种元素和能量平衡关系的学科，被广泛应用于揭示各元素在生态系统中的耦合关系，其中碳(C)、氮(N)、磷(P)是生物有机体内最主要的大量元素，通过对C、N、P等元素之间的计量比，可以更好地分析它们之间的养分限制类型及平衡关系[14]，为研究生态系统平衡提供了有力的框架。目前，已有大量关于放牧对土壤生态化学计量学特征的研究[14-16]，然而基于放牧强度对生物结皮土壤生态化学计量学特征的研究报道较少。当前，放牧强度对生物结皮土壤养分及化学计量学特征的影响尚不清楚，是生物结皮及其生态功能研究中的薄弱环节，妨碍了人们对干旱半干旱地区草地生态系统生物结皮的科学管理。

为此，本文以黄土丘陵区4个地区典型撂荒草地为研究对象，通过测定不同强度放牧条件下的生物结皮层及下层土壤理化性质、生态化学计量学特征，研究放牧对黄土丘陵区生物结皮土壤生态化学计量学特征的影响，以期为黄土丘陵区退耕草地土壤养分管理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

黄土丘陵区位于我国中部偏北，坡度为10～35°，气候主要是大陆性季风气候，从东南向西北，降雨和温度呈现出明显的梯度变化特征，多年平均气温8～11℃，多年平均降水量300～600 mm，降水一般集中在7—9月，海拔800～2 400 m，土壤类型以黄绵土为主。该区林草面积因退耕还林(草)工程实施而显著增加，草地覆盖率在40%以上[17]。本研究于黄土丘陵区选择4个典型退耕20年以上还林(草)区，分别为固原、定边、神木、安塞；其中：固原草地覆盖率为45.6%，土壤以黄绵土、黑垆土、灰钙土为主；定边草地覆盖率为40.3%，土壤以风沙土和黄绵土为主；神木草地覆盖率为55.1%，土壤以风沙土和黄绵土为主；安塞草地覆盖率为58.0%，土壤以黄绵土为主。各区域分布情况见图1。

图1 各研究区分布图Fig.1 The distributions of study areas

1.2 样地选择

2020年6—9月于4个研究区内分别选择具有代表性的退耕封禁草地和不同放牧强度退耕草地。采样前，通过走访当地牧民、结合地面可食植被的利用程度以及践踏程度，同时考虑土壤质地、坡度、坡向、土地利用历史等自然因素，选取距离养殖户远近各异的退耕草地，在调查统计地表羊粪球密度[18]的基础上，根据羊粪球密度选择不同强度放牧样地。分别如下：封禁地作为对照，放牧强度为G0，羊粪球在0～10个·m-2为G1，10～20个·m-2为G2，>20个·m-2为G3。每个样地大小一般大于100 m×100 m，各样地间距不小于3km。根据以上原则和标准，不同区域的最终样地数分别为：固原15个、定边15个、神木15个、安塞9个，总共54个样地，样地信息见表1。

表1 样地基本信息Table 1 Characteristics of studied sites

1.3 样地调查与样品采集

在每个样地内用25样点法(25 cm×25 cm样方)依样地形状按照梅花状或之字状布设15个样方，调查生物结皮种类及盖度，记录样方中藻、藓、地衣、裸土、小石砾、高等植物根基、枯落物的出现频次，以各类覆被物在调查总点数中的百分数计算其相应的覆盖度。同时记录采样区退耕年限、植被状况、海拔、坡度、坡向等立地条件。

在每个样地内样品采集采用3点混合采样，去除地表枯落物，采集生物结皮及下层土壤样品，具体采样层包括生物结皮层、0～2 cm土层，采集后同层混合作为一个分析样，样品带回实验室，风干后过18目和60目筛，备用。

1.4 测定指标与方法

土壤有机碳采用重铬酸钾-外加热法测定；全氮采用浓硫酸-混合催化剂消煮，凯氏定氮法测定；全磷采用高氯酸-硫酸消解，钼锑抗比色法测定[19]；土壤机械组成：马尔文MS2000激光粒度分析仪测定，采用国际制土壤质地分级标准，由于生物结皮有机质含量较高，为了充分分散土壤颗粒，对样品进行如下前处理：先后采用10%和30%的过氧化氢(H2O2)浸泡，去除有机质，然后采用0.2 mol·L-1的HCl溶液浸泡以洗去土壤中的碳酸盐，再用0.05 mol·L-1的HCl浸泡土壤样品至无气泡；藓生物量：烘干法测定[20]，将风干遮光保存的藓结皮用水喷湿，使其脱离休眠状态,然后用打孔器取一定面积(0.95 cm2)的样品放入网筛中冲洗，收集网筛中藓植物放至称量瓶中，于85℃杀青30 min后，65℃烘干至恒重后称重，计算出单位面积藓生物量(g·dm-2)；藻生物量：乙醇萃取法测定[21]，在暗处用研钵研磨藻结皮，使藻体分散。取3 g样品装入具塞刻度试管中，向试管中加入6 mL乙醇，置于65℃恒温水浴锅中水浴5 min，取出冷却，震荡20 min后离心10 min(全程在暗处进行)，取上清液于波长665 nm处测吸光值，然后移取100 μL,1 mol·L-1HCl酸化，90 s后于波长665 nm处测吸光值。藻类叶绿素a含量的计算公式为：

式中：Chla为测定的叶绿素a含量(mg·g-1)；A665和B665分别为萃取液酸化前和酸化后于波长665 nm处的吸光值；V为萃取液体积(mL)；M为土样质量(g)

1.5 数据分析

数据统计处理采用Excel2010，运用SPSS25.0对各地区封禁与不同放牧强度下的退耕草地各土层土壤有机碳、全氮、全磷含量及C∶N、N∶P、C∶P等进行方差分析(Anova)，方差分析前对数据进行正态分布检验和同质性检验，利用Levene’s test检验方差齐性。方差齐性时使用LSD法进行多重比较(α=0.05)，方差不齐时使用Tamhane’s T2 test进行多重比较。对土壤C∶N、N∶P、C∶P与放牧强度、土壤理化属性、地上生物量、枯落物生物量等指标进行Pearson双尾相关分析(α=0.05)，利用Origin2021作图。

2 结果与分析

2.1 放牧强度对黄土丘陵区生物结皮盖度和生物量的影响

如图2所示，不同放牧强度生物结皮盖度和生物量在各区域的变化特征各不相同。固原、定边、神木的藻、藓结皮盖度在各放牧强度间均无显著变化(图2A，B，C)。在安塞，随放牧强度的增加，藻结皮盖度无显著变化，藓结皮盖度显著降低(P<0.05)，降幅为71.4%～93.1%(图2D)。各地区藻、藓结皮生物量随放牧强度增加均无显著变化(图2E，F，G，H)。

图2 放牧强度对生物结皮盖度和生物量的影响Fig.2 Effects of grazing intensity on the coverageand biomassof biological soil crusts注：不同小写字母表示同一类型结皮在不同放牧强度之间差异显著(P<0.05)。无字母标注，表明同一类型结皮在不同放牧强度之间没有显著差异(P>0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among same type of crusts with the different grazing intensity.There is no significant difference at 0.05 level between them without letters labeled

2.2 放牧强度对黄土丘陵区退耕草地生物结皮土壤有机碳、全氮、全磷含量的影响

如图3所示，与G0相比较，黄土丘陵区退耕草地各放牧强度下的生物结皮层及0～2 cm土层SOC、TN、TP含量均无显著变化(图3A，B，C)。

2.3 放牧强度对生物结皮土壤有机碳、全氮、全磷含量影响的区域差异

如图4所示，各区域不同放牧强度生物结皮层及0～2 cm土层SOC、TN、TP含量变化各有不同。在生物结皮层(图4A)，随放牧强度的增加，固原、定边和安塞SOC含量均无显著变化，神木在G3下的SOC含量较G0显著降低(P<0.05)，降幅约为49.6%。在0～2 cm土层(图4B)，固原在各放牧强度下的SOC含量均较G0显著降低(P<0.05)，降幅为50.8%～62.2%，定边、神木和安塞在各放牧强度下的SOC含量较G0均无显著变化。

在生物结皮层(图4C)，随放牧强度的增加，固原、定边和安塞的TN含量均无显著变化，神木在G3较G0显著降低了37.3%(P<0.05)。在0～2 cm土层(图4D)，随放牧强度的增加，固原的TN含量显著降低(P<0.05)，降幅为44.9%～56.6%，定边、神木和安塞的TN含量均无显著变化。

在生物结皮层，随放牧强度的增加，TP含量在各个地区均无显著变化(图4E)。在0～2 cm土层，随放牧强度的增加，固原和定边的TP含量均无显著变化，神木在G1下较G0显著增加(P<0.05)，增幅约为30.2%，安塞的G2强度较G0显著增加(P<0.05)，增幅约为6.9%(图4F)。

图3 黄土丘陵区各放牧强度下生物结皮层及0～2 cm土层有机碳、全氮、全磷含量Fig.3 Contents of organic carbon,total nitrogen and total phosphorus in the biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：同一土层不同放牧强度之间差异均不显著(P>0.05)Note:There is no significant difference at 0.05 level among same soil layers with the different grazing intensity

图4 黄土丘陵区各区域不同放牧强度生物结皮层及0～2 cm土层有机碳、全氮、全磷含量Fig.4 Contents of organic carbon,total nitrogen and total phosphorus in biocrustal layer and 0～2 cm soil layer with different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小写字母表示同一地区不同放牧强度间差异显著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same area

2.4 放牧强度对黄土丘陵区退耕草地生物结皮土壤C∶N、N∶P、C∶P的影响

如图5所示，不同放牧强度生物结皮层及0～2 cm土层C∶N、N∶P、C∶P在黄土丘陵区退耕草地变化不同。各放牧强度下的生物结皮层和0～2 cm土层C∶N较G0均无显著变化(图5A)。随放牧强度的增加，生物结皮层C∶P无显著变化；0～2 cm土层呈降低趋势，其中G3较G0显著降低(P<0.05)，降幅约为40.2%(图5B)。各放牧强度下的生物结皮层N∶P较G0无显著变化；在0～2 cm土层，随放牧强度的增加，N∶P呈降低趋势，其中G3较G0显著降低(P<0.05)，降幅约为41.3%(图5C)。综上所述，G3会导致0～2 cm土层N∶P、C∶P降低。

图5 黄土丘陵区不同放牧强度下生物结皮层及0～2 cm土层C∶N、N∶P、C∶PFig.5 C∶N,N∶P,C∶P in the biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小写字母表示同一土层不同放牧强度间差异显著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same soil layer

2.5 放牧强度对生物结皮土壤生态化学计量学特征影响的区域差异

如图6所示，各区域不同放牧强度生物结皮层和0～2 cm土层C∶N、N∶P、C∶P变化各有不同。在生物结皮层，固原、定边和安塞的C∶N在各放牧强度间均表现为无显著变化，随放牧强度的增加，神木呈先增加后降低趋势，其中，G2较G0显著增加(P<0.05)，增幅为18.4%(图6A)。在0～2 cm土层，各放牧强度下，固原的C∶N较G0显著降低(P<0.05)，平均降幅为11.1%，随放牧强度的增加，定边、神木和安塞的C∶N均无显著变化(图6B)。

在生物结皮层，固原、定边和安塞的N∶P在各放牧强度间均无显著变化，随放牧强度的增加，神木的N∶P呈降低趋势，其中，G3较G0显著降低(P<0.05)，降幅约为49.6%(图6C)。在0～2 cm土层，随放牧强度的增加，固原和神木的N∶P较G0显著降低(P<0.05)，平均降幅分别为44.5%、43.9%，定边无显著变化，安塞呈先增加后降低趋势，其中G1较G0呈显著增加(P<0.05)，增幅约为114.0%，G2较G0呈显著降低(P<0.05)，降幅约为41.0%(图6D)。

在生物结皮层，固原、定边和安塞的C∶P在各放牧强度间均无显著差异，随放牧强度的增加，神木G3较G0显著降低(P<0.05)，降幅约为55.7%(图6E)。在0～2 cm土层，随放牧强度的增加，固原和神木的C∶P均呈降低趋势，其中，固原在各放牧强度较G0显著降低47.1%～58.6%(P<0.05)，神木在G3较G0显著降低49.9%(P<0.05)，定边无显著变化，安塞呈先增加后降低趋势，其中G1较G0显著增加(P<0.05)，增幅约为160.9%(图6F)。

2.6 环境因子对化学计量学特征的影响

由表2可知，C∶N与各环境因子无显著相关性；N∶P与粘粒、地上生物量、枯落物生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与藻结皮生物量、藓结皮生物量呈显著正相关(P<0.05)，与藻结皮盖度呈极显著负相关(P<0.01)；C∶P与地上生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与枯落物生物量、藻结皮生物量、藓结皮生物量呈显著正相关(P<0.05)，与藻结皮盖度呈极显著负相关(P<0.01)。

图6 黄土丘陵区各区域不同放牧强度下生物结皮层及0～2 cm土层C∶N、C∶P、N∶PFig.6 C∶N,C∶P,N∶P in biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小写字母表示同一地区不同放牧强度间差异显著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same area

表2 黄土丘陵区退耕地环境因子与化学计量学特征的相关关系Table 2 Correlation between environmental factors and stoichiometry characteristics in the hilly Loess Plateau region

LB：枯落物生物量Litter biomass；AB：地上生物量Aboveground biomass；Ccover：藻结皮盖度Cyanobacterial cover；Mcover：藓结皮盖度Moss cover；Chla：藻结皮生物量Cyanobacterial biomass；MB：藓结皮生物量Moss biomass

3 讨论

3.1 放牧强度对生物结皮土壤的有机碳、全氮、全磷含量的影响

土壤SOC、TN、TP含量与其肥力状况密切相关，放牧可通过动物觅食、踩踏、排泄等方式影响土壤养分状况[16]。在固原，由于封禁草地退耕年限在35年以上，草地植被发育良好，已无生物结皮覆盖，不考虑G0时，不同放牧强度间的生物结皮层SOC、TN含量无显著差异；各放牧强度下的0～2 cm土层SOC、TN均较G0显著降低，这与丁小慧等[22]研究结果一致。在神木，G3下的结皮层和0～2 cm土层SOC、TN含量较G0降低，裴雯等[23]在内蒙古草原也有相似发现，其原因可能是由于G3样地的羊粪球密度高于40个·m-2，属于超强度放牧，放牧达到一定强度会引起植被盖度降低，水土流失风险加剧[4]，并导致SOC和TN的降低。对于定边和安塞地区，各放牧强度下的生物结皮层和0～2 cm土层土壤SOC、TN含量均较封禁无显著变化。而韩炳宏[24]认为，较封禁样地，放牧样地生物结皮层和0～2 cm土层土壤SOC、TN含量显著降低。本研究发现，放牧均不会降低四个地区的生物结皮层及0～2 cm土层土壤TP含量。其中，在神木和安塞，一定程度的放牧可增加0～2 cm土层土壤TP含量，其原因可能是因为动物排泄物增加了土壤磷的含量[25]；在G3强度下无显著变化，可能是因为该强度导致土壤压实[3]。侯扶江等[26]研究发现，放牧能促进土壤TP素累积，另有相关研究[27]发现，随放牧强度的增加，植被及地上枯落物归还量减少，土壤TP含量降低，而宋洁等[28]认为，放牧并不能导致土壤TP发生改变。可见，放牧对土壤性质的影响可能因各地区环境因素而异[7]。

总体来看，各放牧强度对黄土丘陵区退耕草地SOC、TN、TP均较封禁无显著影响。但由于本研究中所选取的四个研究区空间跨度较大，各自SOC、TN、TP变化趋势不同，这与Milchunas和Lauenroth[7]对全球236处研究区的分析结论一致，各研究区结果差异可能与地理位置、气候、成土因素和土壤质地等有关[29]。另外，黄土丘陵区不同放牧强度下退耕草地生物结皮层SOC、TN、TP含量变化范围分别为10.71～14.48,1.06～1.34和0.51～0.58 g·kg-1；0～2 cm土层SOC、TN、TP含量变化范围分别为7.44～13.43,0.81～1.35,0.50～0.55 g·kg-1，与全国土壤SOC、TN、TP平均水平(依次为11.12，1.06，0.65 g·kg-1)基本一致[15]。综上，适当的放牧不会对黄土丘陵区退耕草地土壤养分产生负效应。

3.2 放牧强度对生物结皮土壤C∶N、C∶P、N∶P的影响

生态化学计量学理论认为有机体存在一个相对稳定的C∶N∶P比值，因此，通过该理论可判断有机体生长、发育和繁殖的限制性元素[14]。土壤C∶N被认为是影响土壤质量的敏感指标，并且会影响SOC和TN的循环[14]。由于地域性差异，各地区C∶N变化趋势不同。在内蒙古克氏针茅草原的研究表明，随放牧强度的增加，土壤C∶N先降低后增加[30]，与之不同，本研究中，在固原，放牧使0～2 cm土层C∶N降低，这与封禁样地有机碳含量显著高于放牧样地有关；在定边、神木和安塞，各放牧强度下的生物结皮层及0～2 cm土层C∶N较G0无显著变化。土壤C∶P的高低是土壤P素有效性的一个判断指标[14]。在固原，与C∶N相似，放牧样地的0～2 cm土层C∶P较G0降低；在定边和安塞，各放牧强度下的生物结皮层和0～2 cm土层C∶P在均无降低现象；在神木，G3降低了生物结皮层和0～2 cm土层C∶P，这与G3强度下的SOC含量降低有关。土壤N∶P通常被认为是衡量生态系统N和P养分限制的一个指标[14]，由于SOC和TN相关性强，因此各区域生物结皮层及0～2 cm土层N∶P与C∶P变化趋势一致。

总体来看，相较于G0，G1和G2放牧强度对黄土丘陵区退耕草地生物结皮层及0～2 cm土层C∶N、N∶P、C∶P无显著影响，而G3放牧强度使生物结皮层及0～2 cm土层N∶P、C∶P降低。与本研究不同，Yang等[31]研究表明，放牧强度增加会使土壤C∶N降低、土壤C∶P和N∶P增加；这可能与本研究中的放牧强度不同有关。另外，本研究结果显示，黄土丘陵区不同放牧强度下退耕草地生物结皮层C∶N、N∶P、C∶P变化范围分别为9.52～10.85,1.77～2.41,19.81～24.82；0～2 cm土层C∶N、N∶P、C∶P变化范围分别为8.97～9.45,1.37～2.35,13.69～22.88，这与杨巧云等[13]在黄土丘陵区的研究结果相似。C∶N与全国土壤平均水平11.90[13]接近，但是N∶P、C∶P较全国土壤平均水平5.20,61.00偏低，这与黄土丘陵区退耕草地土壤TN和TP偏低有关。综上，从生态化学计量学的角度来说，适当的放牧对黄土丘陵区退耕草地生物结皮土壤化学计量学特征无显著影响，当放牧超过一定强度后，生态化学计量比降低，同时，会减弱土壤TP的限制作用。

4 结论

放牧显著降低了安塞藓结皮盖度，降幅为71.4%～93.1%，而对其他地区藓结皮盖度无显著影响，且对各个地区的藻结皮盖度和生物量均无显著影响；放牧强度小于G3(羊粪球密度为0～20个·m-2)时，对黄土丘陵区退耕草地的生物结皮层及0～2 cm土层土壤养分含量及化学计量学特征未造成显著降低现象；生物结皮土壤化学计量学特征除与放牧强度有关以外，还与粘粒、枯落物生物量、地上生物量、藻生物量、藓生物量、藻盖度等有关。