放牧对新疆天山山地草甸土壤团聚体和土壤呼吸潜力的影响

王永琪， 杜保军， 张树振*， 孙群策， 徐婉宁， 张 博*

(1. 新疆农业大学草业学院， 新疆 乌鲁木齐 830052； 2. 新疆维吾尔自治区畜牧兽医局， 新疆 乌鲁木齐 830000)

碳汇是草地生态系统主要的生态服务功能之一，中国草地碳储量为59.47 Pg，其中植被碳3.15 Pg，约占全世界植被碳储量的11.3%，土壤碳56.32 Pg，约占全世界土壤有机碳储量的9.72%[1]。土壤呼吸是土壤碳排放的关键环节，据统计每年约有600亿吨的CO2由陆地释放到大气中，土壤呼吸的微小变化都会对土壤碳库平衡产生巨大的影响[2]。土壤呼吸主要由土壤微生物和植物根系产生，其中土壤微生物的贡献约占50%，研究发现影响微生物活性的非生物因素如土壤水分、温度、通气性的变化，均会对土壤呼吸产生影响[3-4]。土壤团聚体作为土壤的基本结构单元，其特殊的孔隙结构可以调节土壤通气性及水热平衡，为土壤养分贮存和土壤微生物活动创造了良好的环境[5-6]。根据团聚体大小不同，可以将其分为微团聚体(<0.25 mm)和大团聚体(0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm)[7]。不同粒径大小的土壤团聚体，其持水性、通透性和孔隙性等会存在差异，故其土壤微生物活性也存在差异，进而影响到土壤呼吸[8]。

放牧是草地生态系统最经济的利用方式，家畜的践踏作用会破坏草地土壤结构，影响土壤各粒径团聚体的分布，在重度放牧条件下，土壤大团聚体比例会显著降低[9]，同时践踏作用还会降低土壤孔隙度，影响土壤微生物活性，使得土壤呼吸减弱[10]。研究表明，放牧过程中家畜的粪尿返还会增加土壤氮含量，增加土壤微生物活性，进而加强土壤呼吸[11]。王忆慧等[12]研究指出水分是放牧草地与围封草地土壤呼吸存在差异的主要限制因素；张亮等[13]在放牧影响土壤呼吸的综述中指出影响土壤呼吸的因子众多(土壤结构、土壤酶活性等)，且土壤呼吸由不同部分组成，因此应进一步细化组成土壤呼吸各组分的研究。团聚体的大小会显著影响微生物的分布和土壤呼吸，放牧对草原土壤团聚体粒级分布和稳定性的影响具有明显交互作用[9,14]，不同粒径团聚体呼吸与放牧利用方式的关系有待进一步的研究。

新疆是我国四大牧区之一，草地资源非常丰富，天然草地面积5 725.88万hm2，可利用草地面积4 800.68万hm2，在全国位居第三[15]，其不仅是我国重要的生态屏障，也是广大边疆牧民赖以生存的物质精神家园。但在全球气候变化及人类不合理利用的双重影响下，我国草地出现了不同程度的退化，碳汇功能下降日益显现[16]，如何实施合理的草地管理措施，充分发挥草地的生产及生态功能，是当前亟待解决的问题。本文以天山北坡中段山地草甸为研究对象，以围封草地为对照，探究放牧对土壤团聚体特征、土壤酶活性以及土壤呼吸的影响，为山地草甸的合理利用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于新疆天山北坡中段乌鲁木齐县谢家沟境内，实验区地理位置：43°31′4″ N，87°2′7″ E。该区域东西狭长，东北高而西南低，海拔为1 400～2 000 m，属于典型中温带大陆性气候，年降水量为300～350 mm，年蒸发量为1 100～1 300 mm，年均气温为2.1～3.3℃，土壤为山地栗钙土。当地牧民主要以围封、放牧、刈割3种方式进行草地利用。研究区样地植被包括无芒雀麦(Bromusinermis)、千叶蓍(Achilleamillefolium)、草原苔草(Carexliparocarpos)羊茅(Festucaovina)、醉马草(Achnatheruminebrians)等。放牧草地于1999年开始放牧，至今已持续20余年，为春秋牧场，每年5—6月，8—9月进行牛羊混合放牧，7月份牲畜转场至海拔更高的夏牧场，在前期调研期间，按照丛日慧的测定方法[17]测定取样样地放牧强度为2.4～2.8个标准羊单位，而该区域适宜放牧强度为1.49个标准羊单位，属于重度放牧。

1.2 研究方法

1.2.1样品采集及处理 2020年8月，在试验样地的围封和放牧处理分别随机选择5个10 m×10 m的样方，样方间距在30 m以上，在样方内采用“S”形混合取样法采集0～10 cm土层的土壤样品，混合后备用。小心去除植物的根和叶，自然风干，参照Elliott等[18-19]的干式筛分法对不同粒径土壤团聚体进行筛分，分离出：<0.25 mm，0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm四个粒径，称重后测定不同草地利用方式下各粒径团聚体比例。并将各粒径团聚体一分为二，分别进行土壤呼吸和土壤酶活性的测定。

1.2.2土壤呼吸测定 将放牧和围封下小粒径团聚体(<0.25 mm)大粒径团聚体(0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm)的土样30 g放入容量为500 mL的呼吸瓶底部，铺平(2种利用方式×4种土壤×3个重复)共24个呼吸瓶，用去离子水将湿度调整到土壤最大持水量，最大持水量采用环刀法进行测定。呼吸瓶口覆透气膜，在30℃预培养3天后，将培养瓶放在黑暗中，25℃培养21天，同时将装有5 mL 1 mol·L-1氢氧化钠溶液的吸收瓶(容量为10 mL的玻璃小瓶)放入培养瓶中采用碱吸收法捕获CO2，并使用6个不放土壤的培养瓶作为空白，以校正容器内空气中捕获的CO2。吸收瓶通过铁丝悬挂在呼吸瓶中，不与土壤直接接触。在整个测定过程中每3天使用称重补水法进行补水，以保持最大持水量。分别在1，7，14，21天通过使用0.1 mol·L-1盐酸和酚酞指示剂滴定每一个小瓶中的2 mL NaOH和2 mL 1 mol·L-1BaCl2(1∶1)来计算CO2释放量。在每次取样时将另一添加好氢氧化钠溶液的吸收瓶迅速放入培养瓶中，以减少误差[14]。

CO2释放量计算公式：

CO2释放量mg·kg-1=(44-22×VHCI×CHCl)/W

式中VHCl：滴定时消耗盐酸体积mL；CHCl：滴定盐酸浓度mol·L-1；W：测定呼吸时样品质量kg

1.2.3土壤酶活性测定 酶活性测定采用北京索莱宝公司的土壤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)活性检测试剂盒，将风干后不同粒径的土壤过50目筛后按照说明书进行测定[20]。

1.3 数据处理与统计分析

试验数据采用SPSS 22.0 和Excel 2019 软件进行处理，采用SigmaPlot 14.0进行绘图。采用ANOVA对两种利用方式下的各粒径土壤团聚体比例、土壤呼吸、土壤酶活性进行比较，对各个粒径的土壤团聚体酶活性与土壤呼吸进行回归分析，文中字母不同代表差异显著(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 放牧对土壤团聚体组成的影响

放牧和围封土壤中，<0.25 mm粒径土壤团聚体占比存在差异，放牧草地<0.25 mm粒径的团聚体的比例显著高于1～2 mm，2～4 mm，分别高出107.1%，165.2%(P<0.05)；围封草地0.25～1 mm粒径的土壤团聚体占比34.7%，显著高于1～2 mm，2～4 mm粒径的土壤团聚体，分别高出101.3%，157.9%(P<0.05)。同一团聚体粒径在不同利用方式下的占比也存在差异，围封地<0.25 mm粒径团聚体比例为23.4%，放牧地<0.25 mm团聚体比例为35.3%，与围封草地相比，放牧草地微团聚体(<0.25 mm粒径)增加了50.9%(P<0.05)。同时放牧草地1～2 mm和2～4 mm中大团聚体的比例有降低趋势，但未达到显著差异水平。

图1 两种利用方式下不同粒径土壤团聚体占比Fig.1 Proportion of soil aggregates with different particle sizes under two utilization directions注：不同大写字母表示同一粒径两种利用方式团聚体比例存在显著差异，不同小写字母表示同种利用方式下不同粒径土壤团聚体比例存在显著差异(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 放牧和围封对不同粒径土壤团聚体呼吸的影响

如图2所示,在围封和放牧草地，各粒径土壤团聚体释放量均随时间的增加而上升，放牧和围封草地小粒径土壤团聚体CO2释放量均显著高于其他粒径。放牧和围封大粒径团聚体(1～2 mm，2～4 mm粒径)在21天显著低于其他粒径(P<0.05)，如图(2a)在放牧地，测定第1天0.25～1 mm，<0.25 mm粒径土壤团聚体CO2释放量分别为0.25～1 mm 188.22 mg·kg-1、<0.25 mm 174.53 mg·kg-1、显著高于2～4 mm粒径43.69 mg·kg-1，1～2 mm粒径41.07 mg·kg-1(P<0.01)；测定第7天0.25～1 mm，<0.25 mm粒径土壤团聚体CO2释放量分别为544.62 mg·kg-1，506.73 mg·kg-1显著高于1～2 mm粒径(P<0.01)；测定第14天0.25～1 mm粒径CO2释放量依旧处于最高为820.35 mg·kg-1，且显著高于1～2 mm土壤团聚体(P<0.01)；测定第21天0.25～1 mm、<0.25 mm团聚体CO2释放量分别为1 077.75 mg·kg-1，1 049.89 mg·kg-1，显著高于2～4 mm粒径815.47 mg·kg-1，1～2 mm粒径758.51 mg·kg-1(P<0.01)；图2(b)在围封地，第1天不同粒径土壤团聚体之间的CO2释放量差异不显著；测第7,14天各粒径土壤团聚体CO2释放量均为<0.25 mm粒径的团聚体显著高于其他粒径(P<0.05)，大粒径团聚体之间差异不显著。

如图3所示，在<0.25 mm，1～2 mm粒径土壤团聚体下围封地和放牧地土壤CO2总释放量存在显著差异(P<0.05)，而在0.25～1 mm，2～4 mm粒径土壤团聚体下围封地与放牧地土壤差异不显著。在<0.25 mm粒径围封地CO2总释放量显著高于放牧地32.24%(P<0.05)，在0.25～1 mm粒径下，围封地CO2总释放量高于放牧地1.77%但两者差异不显著；在1～2 mm粒径下，围封地CO2总释放量显著高于放牧地35.87%(P<0.05)，在2～4 mm粒径下，围封地CO2总释放量低于放牧地0.5%，两者差异不显著。

图2 两种利用方式下不同粒径土壤团聚体CO2释放量随时间变化规律Fig.2 Variation of CO2 release from soil aggregates with different particle sizes with time under two utilization modes注：(a)放牧地各粒径土壤团聚体CO2随时间变化规律，(b)围封地各粒径土壤团聚体CO2随时间变化规律，不同字母表示由上到下不同粒径的土壤团聚体呼吸具有显著差异(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

图3 放牧和围封草地不同粒径土壤团聚体CO2 总释放量比较Fig.3 The same soil separate containment and grazing land release of carbon dioxide注：不同大写字母表示两种利用方式的土壤团聚体呼吸具有显著差异(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 放牧对不同粒径土壤团聚体土壤酶活性的影响

如图4所示，放牧对土壤酶活性产生了不同的影响。土壤葡萄糖苷酶主要对纤维素进行分解，如图4(a)所示，放牧地四个粒径土壤团聚体葡萄糖苷酶活性分别低于围封地8.12%，6.06%，4.59%，3.73%(P<0.01)。表明草地的围封管理相对于放牧管理更有利于土壤微生物进行纤维素分解的生物化学反应，同时，在两种利用方式下，均为<0.25 mm的小粒径土壤团聚体土壤β-葡萄糖苷酶活性最高(P<0.01)，而其他三个粒径之间差异不显著，表明不论是放牧地还是围封地，小粒径的土壤团聚体中纤维素分解的生物化学反应更加强烈。

土壤β-木糖苷酶主要针对半纤维素的主要组成部分木聚糖进行反应，如图4(b)所示，两种不同利用方式下不同粒径土壤团聚体土壤β-木糖苷酶活性存在较大差异，其中在<0.25,2～4 mm粒径下放牧地分别低于围封地8.15%,32.86%(P<0.01)，而0.25～1 mm,1～2 mm粒径的土壤团聚体之间差异不显著。围封地中<0.25 mm粒径土壤团聚体土壤β-葡萄糖苷酶活性显著高于0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm粒径的土壤团聚体(P<0.01)，在0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm三个粒径的土壤团聚体之间的酶活性没有显著性差异。放牧地中随着土壤团聚体粒径的增加，土壤β-木糖苷酶呈现明显下降趋势(P<0.01)，<0.25 mm粒径土壤团聚体酶活性最高为24.07 U·g-1，2～4 mm粒径土壤团聚体酶活性最低,为12.39 U·g-1。

如图4(c)所示，两种利用方式下不同粒径土壤团聚体土壤N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性，除0.25～1 mm粒径土壤团聚体外，其余三个粒径的土壤团聚体酶活性围封地分别高出放牧地土壤49.81%，36.76%，45.67%(P<0.05)。在围封地不同粒径土壤团聚体中0.25～1 mm粒径团聚体N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均显著低于其他三个粒径土壤团聚体(P<0.05)，而在放牧地中，不同粒径土壤团聚体之间N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性均没有显著差异，表明利用方式相对于粒径来说对于N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶的活性影响更大。

图4 围封地放牧地不同粒径土壤团聚体土壤酶活性Fig.4 Soil enzyme activities of soil aggregates with different particle sizes in enclosed grazing land注：(a)为土壤β-葡萄糖苷酶活性，(b)为土壤β-木糖苷酶活性，(c)为土壤N-乙酰-β-D葡萄糖苷酶活性。不同大写字母表示两种利用方式之间酶活性存在显著差异(P<0.05)，不同小写字母表示同一利用方式下不同粒径团聚体酶活性存在显著差异(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 不同粒径土壤团聚体呼吸与其酶活性的回归分析

如表1所示，在<0.25 mm粒径下，三种土壤酶活性均与土壤呼吸呈现显著的正相关(P<0.05)，且三者之间的回归方程拟合水平较高，表明在小粒径团聚体中，三种土壤酶活性越高，则土壤呼吸量越高，二者有较强的相关性；在0.25～1 mm粒径下三种酶活性与土壤呼吸相关性均不显著；在1～2 mm粒径下，三种土壤酶活性均与土壤呼吸呈现显著的正相关(P<0.05)，且三者之间的回归方程拟合程度较高。在2～4 mm粒径下三种酶活性与土壤呼吸相关性均不显著。

表1 不同团聚体粒径下土壤酶活性与土壤呼吸的回归分析Table 1 Regression analysis of soil enzyme activity and soil respiration under different aggregate particle sizes

3 讨论

3.1 放牧对土壤团聚体组成的影响

本研究中放牧地土壤大粒径团聚体比例相较于围封地有减少趋势，<0.25 mm粒径的微团聚体显著高于围封地(P<0.05)同时土壤酶活性显著低于围封地(P<0.05)。在土壤团聚体的形成过程中，土壤养分含量，植被多样性，土壤微生物等均发挥着重要的作用[21]，在长期的重度放牧过程中，由于放牧家畜采食行为的干扰，使得放牧地植被群落组成发生改变，植被地上地下生物量、植被盖度、土壤养分含量降低[22-23]，一方面使得植物根系及土壤有机质在大粒径团聚体形成过程中的粘合作用降低，这与裴雯等[24]关于放牧、水分和氮素对团聚体影响的研究结果是一致的，另一方面植被生物量降低，减少了微生物活动的底物，土壤微生物活性降低，也不利于大粒径土壤团聚体的稳定和形成[25]。同时放牧家畜的践踏行为对大粒径团聚体的破碎也使得放牧地小粒径土壤团聚体比例逐渐增加，这与张强等[26-27]的研究结果一致。

3.2 放牧对土壤呼吸的影响

在<0.25 mm，1～2 mm粒径的土壤团聚体下，放牧地的土壤呼吸在整个测定周期均显著低于围封地，同时对放牧和围封草地不同粒径土壤团聚体中的三种水解酶活性进行测定，结果表明放牧草地的碳、氮水解酶活性均低于围封草地，表明重度放牧显著降低了土壤微生物的活性，这与贺桂香等[28]在关于新疆天山高寒草原放牧管理对CO2通量特征和张新杰等[29]在放牧与荒漠土壤呼吸关系以及纪磊[3]、黄雪琳等[30]关于放牧对土壤酶活性的研究结果是一致的。由土壤微生物、土壤动物所产生的土壤酶是保证草地生物化学过程持续进行的基础，土壤酶活性在一定程度上反映了土壤微生物活性的强弱[31]，而土壤微生物群落往往会对周围环境做出敏感的变化[32]，相对于围封草地来说长期的放牧活动会增加土壤容重，减少土壤水分含量，同时由于放牧家畜的采食使得凋落物返还量降低，而凋落物是生态系统中养分周转的重要枢纽[33]，也是土壤微生物进行生物代谢反应重要的底物，因此在诸多因素的共同作用下，会对土壤微生物的活性产生抑制，导致放牧地土壤呼吸减弱[34]。此外土壤呼吸是由植物根系、土壤动物、微生物共同产生的[35]，放牧过程中，家畜对植物叶片的采食及践踏减弱了植物的光合作用，降低了光合作用产物向根系分配，使得植物地下生物量降低，也会对土壤呼吸产生不利影响[36]。综合来看重度放牧会使得草地整体物质循环减慢，减少了CO2的释放，但是重度放牧条件下，植被生物量降低所导致的凋落物输入量减少，以及土壤结构的破坏，仍然不利于草地土壤的碳固持[12]。

作为土壤的基本结构单元，土壤团聚体在物质循环和能量转化中扮演着重要的角色[37]，不同粒径的土壤团聚体与土壤通透性、持水性密切相关，同时也影响着土壤水分和养分[38]。因此不同粒径的土壤团聚体对于土壤酶的种类和活性影响也是不同的[39]，本研究中，不论是放牧草地还是围封草地，在<0.25 mm，0.25～1 mm，1～2 mm，2～4 mm 4个粒径的土壤团聚体中，水解碳源的2种土壤酶活性均为<0.25 mm粒径最高，其中土壤β-木糖苷酶在放牧和围封两种条件下其酶活性随着土壤团聚体粒径增加而逐渐降低，水解氮源的酶活性不受土壤粒径的影响，在张亚等[40-41]对不同粒径团聚体酶活性的研究中也存在随团聚体粒径增大，酶活性减小的现象，以及主要酶活性集中在<1 mm团聚体粒径。这表明了相较于大粒径团聚体，小粒径的团聚体可能对土壤酶活性的保护作用更加明显，而本研究中不论是放牧草地还是围封草地，二氧化碳释放量主要集中在<0.25 mm，1～2 mm粒径的土壤团聚体也印证了这一结果。Six等[42]在研究中指出小粒径团体结构更为稳定，且其孔径更小，根据毛细原理，溶液总是从大孔径向小孔径毛细迁移，表明会有更多的水分和养分由大团聚体进入小团聚体从而保证其酶活性，这与马寰菲等[43]的研究结果一致。

4 结论

本文对新疆天山山地草甸放牧和围封草地不同粒径土壤团聚体的土壤酶活性及土壤CO2释放量的研究，发现放牧(2.4～2.8个羊单位)条件使得土壤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导致草地代谢强度减弱，使得放牧地CO2释放量低于围封地，尤其在<0.25 mm和1～2 mm粒径团聚体中表现出显著差异。在相同的利用方式下土壤团聚体的粒径会对土壤酶活性产生显著的影响，土壤β-葡萄糖苷酶、土壤β-木糖苷酶活性均随土壤团聚体粒径的减小而增强，同时土壤CO2释放量在<0.25 mm粒径的团聚体中与三种土壤酶活性均存在显著正相关性。放牧使得小粒径团聚体比例显著增加，但放牧对各粒径团聚体酶活性的抑制作用更强，导致放牧地土壤呼吸降低。