放牧強度對克氏針茅草原的土壤酶活性和養分影響

張鳳杰，烏云娜，宋彥濤，霍光偉

(大連民族學院 環境與資源學院，遼寧 大連116605)

克氏針茅(stipa krylovii )草原是內蒙古高原分布最廣泛的典型草原之一，也是中國溫帶半干旱草原區分布最集中、最具代表性的草原生態系統類型，更是中國北方地區最重要的生態防護屏障，在中國畜牧業生產中占有非常重要的地位。

自20 世紀80 年代開始實施草原草畜雙向承包制以來，克氏針茅草原草畜循環功能逐漸失調，導致草地退化嚴重［1］。克氏針茅草原退化不僅是草地植被演替波動，優勢種組成變動和生長型變異，更重要的是地表裸露增加，土壤風蝕嚴重，土壤表層養分銳減，草地物質循環能力下降，土壤環境質量面臨嚴重的威脅。土壤微生物是草地土壤生態系統的最活躍的組成部分，是土壤中物質循環的調節者和能量流動的推動者，土壤微生物和根系分泌物的強大生物化學活力構成了土壤活性養分的庫和源，參與土壤中碳、氮、磷等養分腐殖化和礦化過程，對土壤養分的供給和轉化具有重要意義。土壤酶主要來自土壤微生物、植物、動植物殘體，酶活性的大小反映了土壤中養分的轉化能力和土壤生物活性，是土壤生物化學特征的重要組成部分，也是衡量生態系統土壤質量變化的預警和敏感指標［3］。因此，利用土壤酶活性來確定土壤生產力，評估因過度放牧引起草地退化過程土壤養分和微生物波動已經成為土壤微生態學研究的重要領域［4－5］。本研究以克氏針茅草原為研究對象，分析不同放牧強度對土壤養分和土壤酶活性的影響及其相互關系，為克氏針茅草原生態系統的保護、恢復和重建提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域自然概況

研究區位于內蒙古自治區呼倫貝爾市新巴爾虎右旗境內克魯倫河流域的中溫型典型草原區。地理位置N 47°36＇－49°50＇、E 115°31＇－117°43＇，氣候屬于溫帶半干旱季風氣候，年降水量250 mm～400 mm，濕潤度0.5 ～0.7，年均溫－3 ～0 ℃，全年≥10 ℃的活動積溫1600 ～2000 ℃，潛在年蒸發量為950 mm ～1900 mm，土壤類型主要為栗鈣土和黑鈣土。植物種類主要有克氏針茅(Stipa krylovii)、羊草(Leymus chinensis)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、黃囊苔草(Carex korshinskyi)、冷蒿(Artemisia frigid)等［6］。

1.2 實驗設計

2013 年7 月末至8 月初植物生長季，在研究區域以空間演替系列代替時間演替系列的方法，以代表性克氏針茅草原優勢種的變化為依據選取輕度放牧(輕牧)、中度放牧(中牧)、重度放牧(重牧)三個研究樣地。輕度放牧樣地圍欄封育時間為2001 年，中牧放牧樣地為輪牧活動，重牧放牧樣地為自然放牧區，常年受到放牧壓力的影響，具體樣地自然狀況見表1。

表1 樣地基本自然概況

1.3 樣品采集和分析方法

在每個樣地的典型地段設置3 條50 m 樣線，每條樣線上每隔10 m 設置一個50 cm × 50 cm樣方，共計10 個樣方。在每個小樣方中心部位用100 cm3環刀取0 ～10 cm 土壤樣品，充分混合均勻土壤，實驗設3 次重復。將土樣保鮮帶回實驗室，去除植物根系和礫石，改成:風干，過篩，用于土壤理化性質和土壤酶活性的測定。

土壤樣品經風干后，研磨過篩，貯存于廣口瓶中，4 ℃保藏備用。土壤基本理化性狀采用常規分析法測定［7］。土壤樣品的全磷(鉬銻抗比色)、速效磷(碳酸氫鈉浸提－ 鉬銻抗比色法)、全氮、銨態氮和硝態氮(半微量凱氏定氮法)和有機質含量(重鉻酸鉀氧化－外加熱法);蔗糖酶采用3，5二硝基水楊酸比色法;過氧化氫酶高錳酸鉀滴定法;磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，脫氫酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)比色法［8］。

1.4 數據統計分析

數據進行同質性和正態分布檢驗，對土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、銨態氮和硝態氮，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、脫氫酶和蔗糖酶進行單因素方差分析;以放牧強度為固定因子對這些指標進行雙因素方差分析;用Person 相關分析法對各指標進行相關分析、雙側檢驗;Scheffe 法比較均值間的差異性，顯著性水平a=0. 05，所有統計用SPSS 19.0 (SPSS Inc.，USA)完成。

2 結果與討論

2.1 放牧強度對草原土壤養分的影響

在輕牧、中牧和重牧3 個代表性樣地土壤的各種養分含量分別見表2。

表2 放牧強度對土壤養分的影響

從表2 可以看出，不同放牧強度3 個樣地表層土壤的有機質、全氮、全磷、硝態氮、銨態氮和有效磷含量都隨著放牧強度的增大，養分含量明顯下降，差異極顯著(p ＜0.01)。輕度放牧土壤養分含量最高，中度放牧土壤養分含量居中，而重度放牧土壤養分含量最低。重度放牧土壤同輕度放牧土壤養分含量相比，有機質、全氮、全磷、硝態氮、銨態氮和有效磷含量分別下降了49. 3 %、68.8 %、62.5 %、99.4 %、38.4 %、58.2 %，其中土壤有效態養分中硝態氮的影響最大;中度放牧同輕度放牧相比，養分含量下降幅度相對較小，其中有機質和銨態氮下降了16.3 % 和16.4 %，而硝態氮和有效磷分別下降了76. 3 %、50. 7 %。由此可見，放牧強度對土壤養分循環產生明顯影響，隨著放牧強度的增加，土壤養分下降明顯。這與高雪峰等人［9］在羊草草原的研究結果相一致。

2.2 不同放牧強度對草原土壤酶活的影響

克氏針茅草原不同放牧條件下酶活性值反映出土壤中土壤酶活性的變化趨勢，見圖1。放牧強度對脫氫酶和磷酸酶沒有顯著影響(P ＞0.05);放牧強度對過氧化氫酶和蔗糖酶有顯著影響(P ＜0.05)。過氧化氫酶和蔗糖酶活性隨放牧強度的增加而降低，并在輕牧樣地土壤兩種酶活性顯著高于中牧和重牧樣地的土壤酶活性，中牧和重牧樣地兩種酶活性都無明顯差異。上述研究結果表明放牧強度對由不同植物群落土壤的影響是不同的，土壤水熱條件的改變影響不同草地植物生長及其微生物的生存和繁衍，從而對土壤酶活性產生間接作用。

圖1 放牧強度對土壤酶的影響

2.3 相關性分析

不同放牧強度的土壤養分含量和土壤酶活性之間相關關系不同(見表3)?？耸厢樏┎菰寥肋^氧化氫酶活性與土壤有效磷含量達到了顯著正相關(P ＜0.05);土壤脫氫酶與土壤硝態氮和有效磷含量均達到了顯著正相關(P ＜0.05);蔗糖酶活性與土壤有效磷含量之間達到了顯著正相關(P ＜0.05)。以上結果說明，呼倫貝爾克氏針茅草原土壤磷酸酶、脫氫酶酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性與土壤養分有密切的關系。

表3 土壤養分與土壤酶活性的相關系數

3 討論與結論

放牧作為一種典型的人為干擾，不僅直接導致自然植被發生相應變化，還通過采食活動及畜體對營養物質的轉化影響草地營養物質循環，深刻影響著土壤生態系統的養分形態和分布［10］。放牧強度對土壤養分含量影響顯著。不同植被類型草原在放牧影響下土壤有機質含量均下降，這主要是因為土壤有機質的含量取決于草原生物量的生產與分解的平衡狀態以及土壤儲存有機質的能力，隨著放牧強度的增加，家畜啃食牧草量增加，而殘留歸還給土壤的有機物減少，草原生物量生產與分解的平衡狀態失衡，從而導致土壤有機質含量下降，牛得草和高雪峰也有同樣的研究結果［11－12］。隨著放牧強度的增大，植物根冠比增大［13］，蘊育土壤根系的基質量逐漸減少，表層根土比例增加引起歸還土壤中有機質的數量逐漸減少，即微生物利用的碳源、氮源減少［14］;同時微生物數量和微生物量隨著放牧強度的增大而增加［13］，土壤微生物代謝速率加快，引起土壤中養分循環加快，土壤中的養分隨放牧強度的增加而顯著下降，這與本研究結果基本一致。

呼倫貝爾克氏針茅草原是中國代表性的溫帶半干旱草原，水熱條件季節和年度波動較大［15］。因此，由土壤微生物分泌的土壤酶數量和活性會受土壤環境水熱條件的影響，進而影響土壤生物化學反應強度及養分循環的速度，對土壤養分釋放和儲存產生影響。研究發現呼倫貝爾克氏針茅草放牧樣地土壤養分和土壤酶活性(過氧化氫酶、磷酸酶、脫氫酶和蔗糖酶)均隨著放牧強度的增加而顯著降低，說明放牧強度不同干擾了土壤養分平衡和土壤微生物的數量進而影響了土壤微生物生理生化反應機制，進而降低了土壤酶的活性，破環了土壤的養分平衡。因此，對放牧方式應采取人為干擾措施，建立合理的草地利用制度，才能實現克氏針茅草原的可持續發展和利用。

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