放牧模式對內蒙古典型草原生長季土壤呼吸速率的影響

聶 成，牛 磊，張旭博，李 悅，杜 薇，劉穎慧*

（1 北京師范大學地理科學學部/地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；2 中國科學院地理科學與資源研究所/生態網絡觀測與模擬重點實驗室，北京 100101）

土壤呼吸 (respiration of soil，Rs) 是土壤碳庫向大氣中釋放CO2的主要途徑，是草原生態系統碳循環的重要環節之一。我國草原多分布于內蒙古和青藏高原等干旱、低溫的區域，草原生態系統相對脆弱，Rs受到諸多因素的影響。

放牧是人類對草原生態系統的重要管理方式之一，可以直接影響草原生物多樣性、演替過程、物種豐富度[1-2]，同時影響草原土壤理化性質和微生物特征[3-4]，從而對Rs產生諸多影響。在以往的研究中發現，放牧對草原生態系統Rs的影響機制比較復雜[5]，大多數研究表明放牧對Rs具有抑制作用[3，6-7]，牲畜通過采食植被的地上部分，降低了光合作用及根系有機物的來源，使根系生物量及根系呼吸降低，同時凋落物和根系分泌物的等有機質輸入減少，導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，同時降低了根系呼吸和Rs[10]；在中國半干旱草原上放牧通過影響地上凈初級生產力 (ANPP) 及真菌生物量使生長季Rs降低了10%～19%[11]。同樣有研究表明放牧通過采食后的糞便返還，向生態系統中輸入了大量的有機質，促進了生態系統的養分循環和微生物活性，對土壤呼吸產生促進作用[12-13]。如在青藏高原地區中，放牧通過提高土壤溫度和土壤微生物生物量提高了土壤呼吸[14]。同時有研究發現放牧并未對Rs產生顯著影響[15]。此外不同的放牧措施和強度對Rs產生不同程度的影響[7，16-17]，如 Zhao等[18]對1991—2016年期間放牧對微生物影響的文獻進行整合分析，結果顯示重度放牧顯著降低了土壤微生物量和Rs，但是輕度放牧對其無顯著影響。Rs對放牧的響應因研究所在地、草原類型、研究時間及放牧強度而各有差異。

內蒙古溫帶典型草原作為我國重要的草原類型之一，也是大規模的牧區之一。全年放牧曾是內蒙古典型草原常見的管理方式，由此導致了大面積的草原退化，如今采用休牧管理方式實現草原的可持續利用，甚至在退化嚴重區域進行圍欄禁牧。目前對于不同放牧管理措施下Rs差異的研究較少，因此本研究在全年放牧、休牧和禁牧樣地進行Rs的原位檢測，比較生長季Rs的差異，同時監測土壤微生物及理化性質和植物生物量，進而說明內蒙古典型草原三種利用方式下Rs的差異及造成這種差異的可能原因。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于內蒙古自治區錫林郭勒盟多倫縣十三里灘實驗站 (42°02′N，116°17′E)，平均海拔1341 m，氣候為中溫帶半干旱向半濕潤過度的大陸性氣候區，年均溫2.1℃，年降水量379 mm，集中于6～8月，雨熱同期。試驗樣地為溫帶典型草原，土壤類型為栗鈣土，區域內優勢種為克氏針茅 (Stipakrylovii)、羊草 (Leymus chinensis)、冷蒿 (Artemisia frigida) 等[19]。

1.2 試驗設計

在研究區域選取三種放牧管理樣地：1) 禁牧樣地，2002年秋季開始圍封禁牧；2) 放牧樣地，全年自由放牧，小尾寒羊為5只羊/hm2；3) 休牧樣地，2004年起每年4月1日至6月10日實施禁牧休養，2012年起禁牧時間調整為3月10日至6月10日，羊放牧期的放牧強度約為2～4.5只/hm2。在每種放牧樣地內設置3個重復，每個處理距離樣地邊界1 m以上，每種處理間距3 m以上。

1.3 測定項目

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 (測量期間為晴朗無雨天氣) 對放牧、禁牧和休牧樣地進行Rs測定，每月測定一次，每塊樣地每次測定時間持續24 h。測定前在每個重復中埋設深度為7 cm的PVC環，每次測量前24小時剪除地上植被，使用LI-COR 8150土壤碳通量自動測量系統 (LI-COR，Lincoln，USA) 對PVC環內的土壤呼吸進行連續日動態觀測，呼吸單位為 CO2μmol/(m2·s)，每 30 min 對 PVC 環內的土壤呼吸進行一次測定，每次測量時間為4 min。期間用LI-COR 8150-203溫度熱電耦及LI-COR 8150-204土壤含水量測試儀同步測定土壤溫濕度。

每次測定土壤呼吸前將剪除的地表植被收集，將其放入烘箱中105℃殺青，然后65℃烘干至恒重并稱量作為地上生物量。在2015年7月和9月每塊樣地中使用根鉆法取根系生物量，根鉆直徑5 cm，采樣深度為0—30 cm，樣品裝入1 mm的網袋中，去除石頭等，在實驗室將附著的土壤洗凈，于烘箱65℃烘干至恒重并稱量作為根系生物量。

每次觀測呼吸后在PVC環附近用5 cm土鉆取3鉆0—15 cm土壤混勻，過2 mm篩以除去石頭、根系以及土壤動植物。土壤樣品冷藏后帶回實驗室于-70℃冷凍保存，以備分析。土壤總氮 (TN) 和土壤總碳 (TC) 使用元素分析儀 (PerkinElmer2400 seriesⅡCHNS/O analyser，美國 PerkinElmer公司) 測定；土壤總磷 (TP) 經硝酸-高氯酸消解后，使用電感耦合等離子體光譜儀測定 (SPECTRO ARCOS EOP，德國SPECTRO公司)；土壤可溶性有機碳 (DOC) 經K2SO4溶液浸提后使用總有機碳分析儀測定 (Liqui TOC Ⅱ，德國Elementar公司)。土壤磷脂脂肪酸(PLFAs) 經純化提取后使用氣相色譜質譜聯用儀測定[20]。細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌及陰性菌的PLFAs含量均使用PLFA提取方法估算[21]，具體分類見表1。

1.4 數據分析方法和軟件

采用單因素方差分析 (ANOVA) 對不同放牧措施下和不同月份下的Rs、植被、土壤及微生物指標進行差異分析，并采用LSD檢驗進行多重比較，使用Pearson相關系數分析各個因素之間的相關關系。根據假設和相關關系構建結構方程模型 (Structural Equation Modeling，SEM)，對各因子對土壤呼吸的直接和間接影響進行評估。使用SPSS20.0軟件進行數據分析，使用SigmaPlot 12.5軟件進行圖形繪制，使用Amos 24.0對SEM和影響系數進行構建和生成。

表 1 PLFAs群組和生物標記物Table 1 Common PLFAs group and their phospholipid biomarkers

2 結果與分析

2.1 生長季土壤呼吸及土壤溫度、濕度

整個試驗期間三種放牧措施下的Rs未表現出顯著差異 (P＞ 0.05)，放牧、休牧和禁牧樣地的生長季Rs均值分別為 CO21.56、2.00 和 1.94 μmol/(m2·s)。但在不同月份三種放牧樣地的Rs差異顯著 (圖1)，除在2014年7月未表現出顯著差異外，Rs在2015年7月表現為禁牧 ＞ 休牧 ＞ 放牧樣地，而在2014年和2015年的9月份表現為休牧 ＞ 放牧 ＞ 禁牧樣地。同時三種放牧措施下土壤溫濕度差異顯著 (P＜0.05)，休牧和放牧樣地的土壤溫度無顯著差異，均高于禁牧樣地。而土壤濕度在禁牧樣地中最高，且隨著放牧強度的增加而降低 (圖1)。

2.2 生物量

生長季各時期放牧、休牧和禁牧管理下植被地上生物量差異顯著 (圖2，P＜ 0.05)，試驗期間地上生物量均值表現為禁牧 (323 g/m2) ＞ 休牧 (170 g/m2) ＞放牧 (94.8 g/m2)，與禁牧相比，休牧和放牧措施下地上生物量分別降低了47.3%和70.6%。根系生物量在2015年9月較7月下降了18.4%，放牧和休牧均提高了根系生物量，但僅在休牧樣地表現顯著，提高了37.2%，與同期的地上生物量表現出不同的趨勢。

2.3 土壤養分含量

土壤養分在不同月份間存在一定程度的波動變化，但并未出現統一的變化規律 (圖3)。與禁牧樣地相比，放牧和休牧導致了土壤總碳和總氮的顯著下降 (P＜ 0.05)，土壤總碳分別下降34.5%和32.0%，土壤總氮分別下降37.0%和34.5%。除2014年7月外，休牧樣地的土壤總磷均高于放牧和禁牧樣地。土壤的可溶性有機碳含量僅在放牧樣地中上升，在休牧樣地和禁牧樣地間無顯著差異。

2.4 PLFAs總含量和比例

土壤總PLFAs含量存在明顯的季節變化(圖4)，除2015年禁牧樣地外，各個放牧樣地中9月的土壤總PLFAs含量高于7月。總PLFAs含量在7月隨著放牧強度的增加而減少，但在9月未呈現一致規律，試驗期間的土壤總PLFAs含量均值在休牧樣地(30.36 nmol/g) 中最高，其次為禁牧 (29.26 nmol/g) 和放牧 (25.07 nmol/g) 樣地。土壤微生物的結構在不同時期存在差異，從7月到9月，微生物群落結構的變化為：細菌比例降低，真菌比例上升，放線菌變化不明顯。同時放牧降低了細菌比例，提高了真菌比例，真菌細菌比隨著放牧強度的增加而提高，而革蘭氏陽性菌和陰性菌的比值在不同放牧樣地沒有顯著差異(圖4)。

圖 1 三種放牧模式下不同生長季內土壤呼吸、土壤溫度及土壤含水量Fig. 1 Soil respiration, temperature and moisture in growing seasons under the three grazing modes

2.5 土壤呼吸速率與影響因子的關系

圖 2 三種放牧模式下生長季內植被生物量Fig. 2 Vegetation biomass in growing seasons underthe three grazing modes

圖 3 三種放牧模式下生長季內土壤養分含量Fig. 3 Soil nutrient content in growing seasons under the three grazing modes

Rs及其影響因子在7月和9月表現出不同的相關關系 (表2)，Rs在7月份與土壤濕度、總碳總氮含量及地上生物量顯著正相關，與土壤溫度沒有顯著的相關關系。在9月Rs與土壤溫度、總磷含量及微生物磷脂脂肪酸含量呈顯著正相關關系，與土壤總碳顯著負相關，而與土壤濕度和地上生物量沒有顯著的相關關系。

圖 4 三種放牧模式下生長季內土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)總含量及比例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月的數據構建結構方程模型(SEM)，進一步分析放牧對Rs的影響及潛在機制，該模型對Rs變化的總解釋度為85% (圖5)。SEM結果顯示各類影響因子在解釋Rs變化時的貢獻值大小表現為土壤溫度 (0.905) ＞ 土壤濕度 (0.188) ＞放牧 (-0.137) ＞ PLFAs含量 (0.069) ＞ 可溶性有機碳(-0.031) ＞ 地上生物量 (0.011)。結果顯示，土壤溫度和土壤濕度分別對Rs有極顯著和顯著的促進作用，土壤微生物PLFAs含量對Rs有顯著的正效應。放牧對Rs有直接顯著的負效應，除此之外放牧還提高了土壤溫度和可溶性有機碳含量，減少了土壤濕度、地上生物量及PLFAs含量。綜合放牧的直接效應和間接效應 (表3)，土壤溫濕度是生長季Rs變化的主導因素，而放牧措施、植被和微生物因子對Rs變化的解釋率較低。

3 討論

3.1 放牧對土壤呼吸及其影響因素

本研究中內蒙古典型草原生長季Rs在全年放牧管理下降低，在休牧管理下提升，但未達到顯著水平，同時Rs在不同月份響應放牧的形式存在差異：7月份Rs隨放牧強度的增加而減弱，而在9月Rs在休牧樣地速率最高，在禁牧樣地速率最低，可能是由于在不同時期主導和影響Rs的因子有所不同，故Rs響應放牧的形式存在差異。

圖 5 放牧管理下土壤、植被和微生物影響土壤呼吸的結構方程模型Fig. 5 Structural equation model (SEM) describing the effects of grazing, environment factors,biotic factors on soil respiration

表 3 結構方程模型中放牧對土壤呼吸的影響途徑及標準化效應系數Table 3 Influence paths of grazing on soil respiration and theirs standardized effect coefficient in SEM

土壤溫濕度是影響Rs速率最直接和最重要的環境因素，本研究中放牧和休牧樣地的土壤溫度分別提升了2.4℃和2.38℃，而土壤濕度分別下降了6.48%和3.59%。牲畜采食導致地上植被和凋落物減少，植被冠層和凋落物的蓋度下降，光照下土壤升溫明顯[22]；升溫導致地面蒸發作用增強，土壤濕度降低，另外研究表明牲畜踩踏對土壤的壓實作用導致土壤孔隙度降低，土壤導水率及對水分的蓄積作用下降[23]。

在兩種放牧管理下，牲畜通過采食顯著減少了地上生物量，而根系生物量則表現出不同的變化趨勢，根系生物量在放牧樣地和休牧樣地均高于禁牧樣地，可能由于適度放牧促使植物將更多的生物量向地下部分轉移，根系生物量的提升為放牧后植被地上部分的再生進行儲備。在大針茅草原的研究中同樣發現適度放牧能夠提高根系生物量[24]，這可以用放牧優化假說 (grazing optimization hypothesis)[25]解釋，即適度放牧能夠刺激植被根系的增長。

土壤的碳、氮、磷元素作為重要的養分與Rs有重要的聯系，同時也受到放牧的干擾。土壤氮素和碳素表現為禁牧高于放牧和休牧樣地，放牧過程導致了土壤碳氮元素的大量輸出，并證明圍欄封育有助于限制土壤元素的流失。牲畜的采食導致生態系統的磷素輸出增加，同時排泄物返還加速了地上植被中的磷元素進入土壤[26]，導致試驗期間土壤總磷在不同時期和不同放牧措施下未表現出統一的規律。土壤可溶性有機碳是土壤有機質的重要組成部分，是具有溶解性和活性的一類土壤碳素。本研究中可溶性有機碳含量在放牧樣地始終處于最高水平，而休牧與禁牧無顯著差異。在之前的研究中草地生態系統在適度放牧下有一定的恢復能力，在此情況下放牧對土壤有機質的含量沒有顯著影響[27]，而在強度較高的放牧條件下，牲畜的采食、踐踏和糞便返還分別導致了植物根冠比增加、凋落物破碎并進入土層，這些條件加速了土壤可溶性有機碳的產生和累積[28]。

土壤微生物是草原生態系統的重要組成部分，在生態系統物質循環和功能維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，說明適度放牧對微生物生物量有一定的促進作用，該結果與在內蒙古短花針茅上開展的研究相同[30]，適度放牧下根系生物量增加，根系分泌物和根際環境適合微生物的生長；而過度放牧則會導致土壤容重增加，水分和氣體輸送受阻，理化性質變化劇烈，微環境的不穩定干擾了微生物的代謝和生長[31]。放牧降低了細菌的比例，提高了真菌的比例，與Wakelin等在澳大利亞牧場中展開的研究結果相似[32]。土壤中的真菌細菌比反映了土壤生態系統穩定性，其比值越高則生態系統穩定性越高[33]，韋應莉等[34]在高寒灌木草地上的研究表明適度放牧下真菌細菌比提高，與本研究的結果一致，說明適度放牧能夠提高草原生態系統穩定性。

3.2 放牧影響土壤呼吸的原因

Rs與土壤溫濕度、結構與質地、土壤微生物和植被的地上地下生物量密切相關[35]。在半干旱生態系統中，低溫下Rs主要受到溫度變化控制；溫度限制解除后Rs則主要受到土壤濕度等因素的影響[36-37]。由于土壤溫濕度在7月和9月的分布差異，導致該區域土壤濕度與土壤溫度分別成為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時期的主導作用也有差異。7月是生長旺季，植被因素相較于微生物因素對Rs的驅動更大，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來源，生態系統總初級生產力處于較高水平時與Rs呈現一定的正相關性[38]，因此Rs在7月與地上生物量顯著正相關；9月植被的生理活性降低，Rs與磷脂脂肪酸的含量顯著正相關，在此時期Rs主要受到微生物的影響。這也解釋了7月放牧降低了地上生物量后，Rs隨著放牧強度的增加而降低，而在9月這種變化趨勢被弱化。

通過SEM分析對放牧影響Rs的途徑進行量化，結果顯示放牧對生長季Rs的直接影響是其抑制作用的主要來源，牲畜踩踏導致的土壤容重增加，土壤孔隙度減少，阻礙了O2和CO2的擴散，進而抑制了土壤呼吸。放牧通過降低植被生物量和土壤濕度帶來的間接負效應加劇了抑制作用，同時導致土壤溫度的提升也對抑制作用進行了削弱。結果證明溫度和水分仍是影響該區域生長季Rs最重要的因素。放牧對Rs的效應被量化后遠小于土壤溫濕度的影響。在本研究中土壤PLFAs含量對Rs的影響較小，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，微生物呼吸強度應考慮微生物生物量及單位生物量的活性。

在本研究中，不同放牧管理機制間放牧的效應存在一定的差異。研究證明環境因子主要通過改變根系生物量影響根系呼吸[39]，兩種放牧管理下根系生物量均提升但僅在休牧樣地顯著，根系生物量的變化可能是休牧管理下生長季Rs提升的主要原因；微生物生物量僅在全年放牧管理下降低，這可能是全年放牧樣地生長季Rs下降量的主要來源。因此放牧對Rs的影響機制是復雜的，其效應是對根系呼吸的促進作用和對微生物呼吸的抑制作用的綜合結果。

4 結論

內蒙古典型草原生長季不同放牧管理對土壤、植被和微生物的影響差異導致生長季土壤呼吸速率不同。全年放牧管理通過抑制微生物生物量導致土壤碳排放降低，而休牧管理通過刺激根系生長提高了土壤呼吸，增加了碳排放。因此，今后的研究可通過載畜量、放牧時間等對放牧強度進行具體量化，進而深入研究不同放牧強度和模式對草原生態系統土壤呼吸的影響。

致謝：感謝中國科學院植物研究所多倫恢復生態學試驗示范研究站對本研究野外試驗工作的支持。