不同管理措施對高寒草甸土壤微生物量季節性變化的影響

蔣永梅，姚 拓，田永亮，楊會會，張建貴，高亞敏，魏長華，曾小霞，燕彩霞，張 標

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

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不同管理措施對高寒草甸土壤微生物量季節性變化的影響

蔣永梅，姚 拓，田永亮，楊會會，張建貴，高亞敏，魏長華，曾小霞，燕彩霞，張 標

(甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

采用氯仿熏蒸浸提法測定了4種不同管理措施(不圍欄、圍欄、圍欄+施肥、圍欄+補播)土壤微生物量碳、氮和磷季節變化，結果表明：(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，土壤微生物量表現為：圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，土壤微生物量表現為：0～20 cm>20～40 cm，且前者為后者的1.16～3.13倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量的季節變化均呈先增后降的趨勢，7月出現最大值，各月間呈不同的顯著性差異；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量季節變化幅度高于20～40 cm。土壤微生物量季節變化與氣溫變化呈極顯著正相關(P<0.01)，與降水量呈正相關。運用綜合指數法計算不同管理措施下土壤質量綜合指數，其排序為：圍欄+補播(0.193)>圍欄+施肥(0.096)>圍欄(-0.059)>不圍欄(-0.231)。圍欄+補播對土壤的改善效果最佳，是瑪曲高寒草甸生態恢復的重要途徑。

高寒草甸；管理措施；土壤微生物量；季節變化

土壤微生物是陸地生態系統的調節者和分解者，參與有機質的分解、腐殖質的形成，調控土壤中能量和養分循環等各個生化過程[1-3]，是十分重要的土壤養分供應源和貯存庫[4]，也是維護陸地生態系統可持續發展的重要組成部分[5]。土壤微生物量的多少及其變化是衡量土壤肥力高低及其變化的重要依據之一[6]，土壤微生物量是土壤中活性較高的有機質部分，對土壤環境因子的變化極為敏感[7]，其可在短時間內發生大幅度變化，并反映土壤的綜合質量狀況，是公認的土壤生態系統變化的預警及敏感指標，也可較早指示生態系統功能的變化[8]。目前，對土壤微生物量的季節變化研究已經取得了不少成果，Roger等[9]研究發現土壤微生物量不隨季節而變化，而Patel等[10]則發現季節變化對微生物的影響是肯定的，區別在于不同學者對季節生物量的分布規律結論不一致。因此，研究高寒草甸土壤微生物量的季節變化具有重要意義。

甘肅省瑪曲縣地處青藏高原東部邊緣，甘肅省西南部，甘、青、川三省交界處，是黃河徑流重要的匯集區和黃河上游至源頭的重要水源涵養區[11]。近年來，由于受全球性氣候變化的影響和人為不合理的經營利用，使得草原植被恢復和更新長期得不到保障，導致天然草原植被日趨惡化[12]。草地產量和質量的下降使草-畜之間矛盾更加突出，過度放牧進一步加劇了草地的退化。因此，采取一切可能的手段和技術措施加快恢復退化草地植物生產力，是當前退化草地治理與生態重建的主要任務[13]。研究表明，圍欄封育可提高草地生產力，緩解放牧壓力，使草地自然恢復，是一種低投入的廣泛應用的恢復和重建退化草地的管理措施[14]；施肥對高寒草地生產力有影響，肥料的施用對草地恢復、提高草地生態系統穩定性具有積極作用[15]；補播可增加草群中優良牧草成分和草地的覆蓋度，提高產草量，增加優質牧草比例[16]，其3種管理措施均是較好的恢復重建退化草地的有效措施。通過比較分析4種管理措施下土壤微生物量季節性變化，旨在為恢復瑪曲高寒草甸找到最佳的管理措施，為制定科學的土地利用規劃和進行生態系統的有效管理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區域概況

試驗樣地選在瑪曲縣大水種畜廠，東南與四川省若爾蓋縣相連，地理坐標位于E 102°16′、N 34°00′，平均海拔3 471.4 m。主要草地類型為高寒草甸，擁有可利用天然草地6 000 hm2，氣候為寒冷濕潤氣候，無霜期只有20 d，全年無絕對無霜期，年均溫為1.2℃，平均風速為2.5 m/s，最大風速36 m/s，年均大風日數77.1 d，年平均降水量615.5 mm，年蒸發量1 353.4 mm，日照差大，年均日照2 583.9 h[17]。

1.2 樣地設置及土樣的采集

試驗樣地設在瑪曲縣大水種畜廠周邊，選擇平坦開闊且退化程度一致的草地(植被蓋度約80%，平均高度20 cm，冬季地表有少量枯落物)，樣地中主要植物有垂穗披堿草(Elymusnutans)、黃花蒿(Artemisiaannua)、草地早熟禾(Poapratensis)、香青(Anaphalissinica)、蒲公英(Taraxacummongolocum)、唐松草(Thalictrumaquigifolium)、龍膽(Gentianascabra)、狼毒(Stellerachamaejasme)、委陵菜(Potentillaaiscolor)等。2010年5月在研究區設置了4個面積為5 hm2樣地(每個內設3個重復)，并采取不圍欄(自由放牧)、圍欄、圍欄+施肥和圍欄+補播4種不同的管理措施。自由放牧家畜為綿羊，放牧強度為14只/hm2。施肥選用復合肥磷酸二銨(NH4)2HPO4進行撒施，施肥量為10 kg/hm2。補播植物選取當地常用的垂穗披堿草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapratensis)和中華羊茅(Festucasinensis)，補播比例為6∶2∶2，總播量為10.2 kg/hm2。

采樣時間為2014年5月(返青期)、7月(生長旺盛期)、9月(枯黃期)、11月(休眠期)，分別在各樣地內采用5點法，用土鉆分別采集0～20和20～40 cm土樣，每個樣地5次重復，剔除植株根系和石頭等雜物，把相同層次樣品混合均勻后，再利用四分法的方式取適量土樣，封裝好帶回實驗室，并過孔徑2 mm土壤篩，用于土壤微生物量的測定與分析。

1.3 測定方法

(1)土壤微生物量碳(SMBC)的測定[18]

SMBC(mg/kg)=(Ec- Ec0)/0.38

式中：Ec、Ec0分別表示熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中有機碳量；0.38為校正系數。

(2)土壤微生物量氮(SMBN)的測定[19]

SMBN(mg/kg)=(En- En0)/0.54

式中：En、En0分別表示熏蒸和未熏蒸浸提液中全氮含量，0.54為校正系數。

(3)土壤微生物量磷(SMBP)的測定[20]

SMBP(mg/kg)=(Ep- Ep0)/0.4

式中：Ep為熏蒸土壤浸提液中磷量；Ep0為不熏蒸土壤浸提液中磷量；0.4為校正系數。

1.4 數據分析與處理方法

采用 Excel 2010制圖和 SPSS 19.0軟件進行主成分分析和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同管理措施土壤微生物量碳的季節變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，除11月(20～40 cm土層)外，SMBC均表現為：圍欄+補播>圍欄+施肥 >圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，SMBC總體表現為：0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的2.25～3.13倍；(3)不同月份，相同土層，相同的管理措施，SMBC的季節變化均呈先增后降的趨勢，7月出現最大值。除0～20 cm圍欄外，5月至7月顯著上升(P<0.05)，7月至11月逐漸下降，且各月間呈不同的顯著性差異；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層SMBC季節變化趨勢比20～40 cm明顯，且變化幅度大(圖1)。

2.2 不同管理措施土壤微生物量氮的季節變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，除5月的20～40 cm，SMBN總體表現與SMBC含量一致，即圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同空間層次，相同管理措施，SMBN與SMBC含量表現一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的1.16～1.52倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，SMBN的季節變化趨勢與SMBC季節變化趨勢一致，即均呈先增后降的趨勢，7月出現最大值，各月間呈現不同程度的顯著性；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，SMBN含量與SMBC表現一致，即0～20 cm變化幅度高于20～40 cm(圖2)。

圖1 不同管理措施下土壤微生物量碳Fig.1 Seasonal dynamics of SMBC under different managements注：不同小寫字母表示相同土層相同管理措施不同月份差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 不同管理措施下土壤微生物量氮Fig.2 Seasonal dynamics of SMBN under different managements

2.3 不同管理措施土壤微生物量磷的季節變化特征

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，SMBP與SMBC、SMBN表現一致，即圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄；(2)相同月份，不同空間層次，相同管理措施，SMBP，SMBC和SMBN表現一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者為后者的1.59～1.98倍；(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，SMBP的季節變化趨勢與SMBC、SMBN季節變化趨勢一致，即均呈先增后降的趨勢，7月出現最大值，各月間變化程度不明顯；(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，SMBP含量與SMBC、SMBN表現一致，即0～20 cm變化幅度高于20～40 cm(圖3)。

圖3 不同管理措施下土壤微生物量磷Fig.3 Seasonal dynamics of SMBP under different managements

2.4 不同月份氣溫和降水量變化

從中國氣象科學數據共享服務網獲取2014年瑪曲縣5、7、9、11月的氣溫和降水量數據(圖4)，2014年瑪曲縣氣溫7月最高，11月最低，呈先增后降的變化趨勢。降水量9月最多，11月最少。

圖4 2014年瑪曲氣溫和降水量變化Fig.4 The change of temperature and precipitation in 2014

2.5 土壤微生物量與氣溫和降水量之間的相關性

不同管理措施土壤微生物量碳、氮、磷與氣溫和降水量之間呈正相關關系(表1)，與氣溫呈極顯著正相關(P<0.01)。這可能是因為氣溫和降水量均可影響微生物的生長，但影響程度各異。

表1 不同管理措施土壤微生物量與氣溫和 降水量的相關性Table 1 Correlation of soil microbial biomass with temperature and precipitation in different managements mg/kg

注：**表示在0.01水平上顯著相關；*表示在0.05水平上顯著相關

2.6 土壤質量評價

通過主成分分析對不同管理措施下土壤質量進行綜合評價(表2)，第1主成分的方差貢獻率為62.36%，第1和第2主成分的方差貢獻率為90.28%，前3個主成分累計貢獻率達98.63%，符合主成分分析的要求。第1主成分主要反映的是土壤微生物量，說明土壤微生物量是評價土壤質量最重要的因子；第2主成分和第3主成分主要反映的是氣溫和降水量，說明氣溫和降水量在土壤質量評價中的作用相對較小(表2)。

由特征向量與標準化后的數據相乘得出主成分表達式：

表2 主成分的因子負荷量、特征根與貢獻率Table 2 Loading factor,eigenvalue and contribution ratio of principal component

F1=0.540X1+0.333X2+0.930X3+0.976X4+0.948X5

F2=0.714X1-0.836X2-0.294X3-0.114X4-0.295X5

F3=-0.442X1+0.435X2+0.141X3-0.098X4+0.061X5

根據以上表達式利用公式：F=0.624×F1+0.279×F2+0.083×F3，計算土壤綜合得分F值(土壤質量綜合評價指數)，并進行排序。不同管理措施下土壤綜合指數排序為：圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄。總體而言，處理圍欄+補播土壤質量最優，其次為圍欄+施肥(表3)。

表3 土壤綜合得分及排序Table 3 General scores and ranking under different managements

3 討論

大量研究表明[21-22]，不同的草地利用方式影響草地的地上植被類型、地下根系、土壤微生物數量，導致即使處于相同氣候帶，土壤微生物量也有所差異。通過研究瑪曲高寒草甸土壤微生物量季節變化，結果表明：(1)相同月份，相同土層，圍欄+施肥和圍欄+補播下均能顯著提高土壤微生物量，但其增加程度不同，究其原因可能是施肥(本試驗復合肥為磷酸二銨)使土壤中可溶性速效養分(N、P素)增加[23]，植被生長速度加快，根系生物量和分泌物逐漸增加；補播后植物群落多樣性和蓋度及植物量增加[24]，腐殖質含量增加，同時圍欄使草地免受擾動，兩種管理措施均能促進土壤微生物的生長，從而提高土壤微生物量。不圍欄下草地受到家畜、人為的干擾很大，使草地退化更加劇烈，土壤微生物生長受到抑制，土壤微生物量逐漸降低。(2)相同月份，不同土層，相同管理措施，土壤微生物量表現為0～20 cm>20～40 cm。可能是因為草地表層土壤有機質豐富，為微生物生長和繁殖提供適宜的環境，促進了微生物的生物活性，從而增加土壤微生物量，這與郭明英等[21]的研究結果一致。(3)不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量的季節變化均呈先增后降的趨勢，可能是由每月氣溫和降水量不同引起的，相關性分析表明氣溫和降水量是影響土壤微生物量的重要環境因子，其中氣溫是影響土壤微生物量月季變化的主要因子。(4)不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量含量季節變化幅度高于20～40 cm。這可能是由于表層聚積大量枯枝落葉，土壤中含有豐富的有機質和大量植物根系，且外界條件(氣溫和降水量)的擾動對表層土壤影響較大，因此有利于微生物生長和繁殖[21]。

試驗中所采用主成分分析對瑪曲高寒草甸土壤微生物量、氣溫、降水量進行綜合評價，土壤綜合指數排序為：圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄，與不圍欄相比，管理措施圍欄+補播、圍欄+施肥和圍欄土壤質量綜合評價指數分別提高了183.55%，141.56%和74.46%。

4 結論

(1)相同月份，相同土層，不同管理措施，土壤微生物量表現為：圍欄+施肥>圍欄+補播>圍欄>不圍欄，圍欄+施肥和圍欄+補播下均能顯著提高土壤微生物量(P<0.05)；相同月份，相同管理措施，不同土層，土壤微生物量表現為：0～20 cm>20～40 cm；不同月份，相同土層，相同管理措施，土壤微生物量季節變化與氣溫變化趨勢一致，即呈先增后降的趨勢，且7月出現最大值，相關性結果也進一步印證了這一結論；不同月份，不同土層，相同管理措施，0～20 cm土層土壤微生物量含量季節變化幅度高于20～40 cm土層。

(2)采用主成分分析對瑪曲高寒草甸土壤微生物量、氣溫及降水量進行綜合評價，運用綜合指數法計算出不同管理措施下土壤質量綜合指數，其值排序為：圍欄+補播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄。總體分析，4種不同管理措施不同程度的改變了土壤狀況，其中，圍欄+補播恢復效果最好，能夠改善土壤質量，在瑪曲高寒草甸生態恢復和管理過程中可作為最佳的管理措施進行推廣。

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Effect of different management patterns on seasonal dynamics of soil microbial biomass in the alpine meadow

JIANG Yong-mei,YAO Tuo,TIAN Yong-liang,YANG Hui-hui,ZHANG Jian-gui,GAO Ya-min,WEI Chang-hua,ZENG Xiao-xia,YAN Cai-xia,ZHANG Biao

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Seasonal dynamics of soil microbial biomass carbon(SMBC),soil microbial biomass nitrogen(SMBN) and soil microbial biomass phosphorus(SMBP) were tested and analyzed with the chloroform fumigation extraction method in alpine meadow in Maqu under different management measures.The main results obtained as follows:1) in the same month and soil depth,soil microbial biomass shown a decreasing tendency(enclosure + reseeding > enclosure + fertilization > enclosure > no-fence);2) in same month and management measures,soil microbial biomass with different soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm),they were much greater(1.16 to 3.13 times) in 0 to 20 cm soil depth than that in 20 to 40 cm;3) in same management measures and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm),the seasonal trend of soil microbial biomass reached the peak in July and then declined,the differences among months were significant;4) in same management measures,the seasonal dynamics of soil microbial biomass with the different month and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm).Soil microbial biomass was significantly related with temperature(P<0.010),and positively correlated with precipitation.The synthetic index method was used to calculate a soil quality index under different management patterns,the tendency of the values of the soil quality indices was as follows:enclosure + reseeding(0.193) > enclosure + fertilization(0.096) > enclosure(-0.059) > no-fence(-0.231).It could be concluded that the enclosure + reseeding was the best for the ecological restoration of alpine meadow.

alpine meadow;management pattern;soil microbial biomass;seasonal dynamics

2016-05-10；

2016-05-30

國家自然基金(31360584)資助

蔣永梅(1990-)，女，甘肅榆中人，在讀碩士。

E-mail：JYMjiangyongmei@yeah.net

154.3

A

1009-5500(2016)05-0105-06

姚拓為通訊作者。