連續(xù)4年不同放牧強度內(nèi)蒙古典型草原土壤微生物量碳、氮、磷含量差異

朱曉亞 李子豪 趙小蓉 林啟美 李貴桐

(中國農(nóng)業(yè)大學 土地科學與技術學院，北京 100193)

內(nèi)蒙古典型草原是歐亞大陸草原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是我國重要的綠色生態(tài)屏障。放牧是內(nèi)蒙古草原的主要利用方式之一，適度放牧不但能提高草原凈初級生產(chǎn)力，還能維護植物多樣性和草原生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，防止草原生態(tài)系統(tǒng)退化[1]。不合理的放牧活動會對草原生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生諸多的負面影響，導致草原生產(chǎn)力下降，最終會導致草原退化，甚至沙化，影響草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)利用及其生態(tài)功能的發(fā)揮[2-3]。因此，探尋放牧條件下最大限度優(yōu)化草原的措施具有重要意義[4-6]。

微生物是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，也是土壤最活躍的成分。常用土壤微生物量碳氮磷度量,既反映土壤微生物數(shù)量,也體現(xiàn)土壤養(yǎng)分庫與源的狀況[7]，可作為土壤擾動及健康質(zhì)量的重要指標[8]。放牧對土壤微生物產(chǎn)生諸多影響，牲畜的踩踏作用尤其是過度放牧，可能導致土壤緊實，從而降低土壤微生物量及其活性[9-10]，甚至改變微生物群落，出現(xiàn)更多的厭氧微生物[11]；牲畜的排泄物含有大量的可利用養(yǎng)分，可作為微生物基質(zhì)，提高微生物量[12-13]；牲畜選擇性采食，將影響植被，進而影響輸入土壤的有機物質(zhì)種類和數(shù)量，間接地影響土壤微生物[14]。關于放牧對草原土壤微生物量的影響還沒有一致的結(jié)論，如：孫海燕等[15]和宋俊峰等[16]研究均表明，隨著放牧強度的增加，土壤環(huán)境惡化，不利于微生物生長繁殖，從而降低土壤微生物量；楊青等[17]研究卻發(fā)現(xiàn)適度放牧能增加根系的滲出物，提高微生物活性，從而增加土壤微生物量；趙吉等[18]研究表明自由輕牧區(qū)(4 只羊/hm2,120 d/y)的土壤微生物量在9 年后仍無明顯減少。同時，土壤微生物量碳氮磷含量對放牧的響應可能不同步。鄔嘉華等[19]對溫帶典型草原土壤微生物量的研究表明，放牧對土壤微生物量碳、磷含量的影響顯著，但對土壤微生物量氮含量無顯著影響。因此，由于草原生態(tài)系統(tǒng)本身十分復雜，放牧導致的土壤微生物量的變化，不僅與土壤理化性質(zhì)的變化有關，還受外界環(huán)境因素如氣候因子的影響[20]。除放牧強度外，放牧年限也是影響土壤微生物量的重要因素之一。已有研究表明，長期過度放牧會造成土壤微生物量降低，那么長期放牧的時間是如何界定的？短期放牧和長期放牧對土壤微生物量產(chǎn)生的影響是否一致？放牧對土壤微生物量的影響如何隨時間發(fā)生變化？目前對于這些問題還沒有清晰和確切的答案，關于放牧對草原土壤微生物量的年際動態(tài)變化的研究還比較少。因此，本研究擬以內(nèi)蒙古錫林浩特盟典型草原為研究對象，設置不同放牧強度試驗, 采用雙因素分析方法，探究放牧對土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響及其年際動態(tài)變化特征，以期了解不同放牧強度下土壤微生物量碳、氮、磷含量及其比值的差異，合理評價放牧年限和放牧強度對內(nèi)蒙古典型草原土壤微生物量碳、氮、磷含量的影響，并提出適宜的放牧強度建議。

1 材料與方法

1.1 放牧試驗及土樣采集

放牧梯度試驗樣地位于錫林郭勒盟錫林浩特市東北40 km處的毛登牧場，地理坐標44°15′24″ N～44°15′41″ N，116°32′08″ E～116°32′28″ E，海拔1 111～1 121 m，樣地屬于溫帶半干旱典型草原栗鈣土地帶，砂質(zhì)壤土。

試驗設置5 個放牧強度梯度：放牧羊數(shù)分別為0、4、8、12、16 只/1.33 hm2，記為G0、G4、G8、G12、G16，分別代表對照、輕度放牧、中度放牧、重度放牧和極重度放牧。每個放牧強度設置3 個重復，隨機區(qū)組排列。試驗于2014 年開始，放牧時間為每年6—10月。2014—2017年，每年8月初牧草最大生物量時期，用土鉆隨機多點采集0～20 cm土層土壤，每個小區(qū)至少取15土鉆，混合均勻后，取1 kg裝于自封袋中，置4 ℃冰箱低溫保存。每份土樣分為2 部分：一部分新鮮土樣過2 mm篩后供測定土壤微生物量；一部分自然風干后過篩用于測定土壤理化指標。

1.2 測定項目及方法

土壤含水量采用恒溫箱烘干法[21]，土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱容量法[22]，土壤全磷用HClO4—H2SO4消煮，鉬銻抗比色法測定[23]，土壤速效磷含量用 NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定[23]，土壤全氮含量的測定采用半微量開氏法[23]。土壤微生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法,微生物量碳氮含量分別為熏蒸浸提液與未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值然后除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45,浸提液中的碳氮含量用微量有機碳氮分析儀(multi N/C?3100, Jena, Germany)測定；土壤微生物量磷含量同土壤微生物量碳氮含量的方法進行熏蒸，去除氯仿后加入0.5 mol/L pH 8.5 NaHCO3溶液振蕩過濾，同時另稱取等質(zhì)量土壤，加入 KH2PO4溶液(25 mg/kg)，然后加入NaHCO3溶液振蕩過濾。微生物量磷含量的計算公式如下：

微生物量磷/(μg/g)=ρ×V/(0.40×R×M)

式中：ρ為熏蒸與未熏蒸土壤浸提液中磷濃度的差值，μg/mL；V為浸提液體積，mL；R為所加入無機磷的回收率；M為稱取的土壤質(zhì)量，g。所有濾液中的磷濃度均用鉬銻抗比色法測定[24-25]。

1.3 統(tǒng)計分析

所有結(jié)果用烘干土壤質(zhì)量表示，為3次重復平均值。土壤微生物量碳、氮、磷含量均為質(zhì)量含量，土壤微生物量碳氮含量比、碳磷含量比均為質(zhì)量比。采用雙因素方差分析不同放牧強度和放牧年限土壤基礎理化性質(zhì)和微生物量碳氮磷含量的差異，用最小顯著性差異(LSD0.05)表示不同處理之間95%置信度的差異。采用Pearson相關性分析土壤微生物量與土壤養(yǎng)分之間的關系。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤基礎理化性質(zhì)

連續(xù)4 年放牧前后，土壤理化性質(zhì)的變化如表1 所示。2014 年試驗伊始，不同放牧強度下，土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量無顯著差異(P>0.05),而速效磷含量表現(xiàn)為中度放牧(G8)處理顯著高于其他處理(P<0.05)(表1)。連續(xù)4 年放牧后，各放牧強度土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和速效磷含量變化不顯著，平均分別僅提高了4.08%、0.78%、0.79%、12.25%。

表1 2014和2017年不同放牧強度下試驗土壤基礎理化性質(zhì)Table 1 Basic physicochemical properties of soil in different intensity of grazing plots in 2014 and 2017

與2014 年相比，連續(xù)4 年放牧后，放牧效應明顯，除全氮外，放牧均增大了土壤有機質(zhì)、全磷和速效磷含量在不同放牧強度處理之間的差異，尤其是中度放牧(G8)處理變化最大，分別提高了6.93%、3.05%和21.23%，說明中度放牧(G8)有利于提高土壤養(yǎng)分含量。

2.2 土壤微生物量磷

放牧對土壤微生物量磷含量的影響如圖1所示。不同放牧強度下，土壤微生物量磷含量差異很大，且因年際而異。第一年，不同放牧強度土壤微生物量磷含量差異最大，均是對照的2～3倍，尤其是G8處理最高達56.35 μg/g，而G0只有20.90 μg/g；第二年以后，不同放牧強度土壤微生物量磷含量大幅度降低，相較于第一年平均分別降低了74.21%、50.38%、79.97%，這可能是由于土壤環(huán)境驟變，造成土壤微生物量磷快速周轉(zhuǎn)所導致的。但2014—2017年試驗期間，土壤微生物量磷含量均在中度放牧強度(G8)下含量最高，且均高于不放牧(G0)處理，說明中度放牧有利于提高土壤微生物量磷含量，長期中度放牧可減緩土壤微生物量磷的損失。

同一年份不同字母表示不同放牧強度下差異顯著(P<0.05)。下同。 Different letters indicate significant differences among different grazing intensities in the same year (P<0.05). The same below.圖1 2014—2017年不同放牧強度對土壤微生物量磷含量的影響Fig.1 Effects of grazing intensity on microbial biomass P content from 2014 to 2017

2.3 土壤微生物量碳

土壤微生物量碳含量對放牧強度的響應及其年際動態(tài)變化特征如圖2所示。2014—2017年試驗期間，土壤微生物量碳含量為290.55～325.75 μg/g，平均306.00 μg/g。試驗前3 年，不同放牧強度對土壤微生物量碳含量沒有顯著影響(P>0.05)，但在放牧第四年，放牧效應開始顯現(xiàn)，土壤微生物量碳含量表現(xiàn)為放牧處理均高于對照不放牧處理(G0)，尤其是中度放牧(G8)處理，比G0顯著提高25.15%(P<0.05)。

圖2 2014—2017年不同放牧強度對土壤微生物量碳含量的影響Fig.2 Effects of grazing intensity on microbial biomass C content from 2014 to 2017

2.4 土壤微生物量氮

圖3展示了土壤微生物量氮含量對放牧強度的響應及其年際動態(tài)變化特征。2014—2017年試驗期間，土壤微生物量氮含量為30.12～76.72 μg/g，平均55.98 μg/g。不同放牧強度之間土壤微生物量氮含量也沒有顯著性差異(P>0.05)，但與不放牧(G0)處理相比，放牧樣地的土壤微生物量氮含量均有所提高。連續(xù)4 年放牧中，土壤微生物量氮含量整體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，與微生物量碳含量變化一致。

圖3 2014—2017年不同放牧強度對微生物量氮含量的影響Fig.3 Effects of grazing intensity on microbial biomass N content from 2014 to 2017

2.5 土壤微生物量碳磷含量比和碳氮含量比

土壤微生物量碳磷含量比值對放牧強度的響應及其年際動態(tài)變化特征如圖4所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同放牧強度土壤微生物量碳磷含量比值有顯著性差異(P<0.05)，比值為6.36～49.62, 這主要是由土壤微生物量磷含量的變化引起的。從第二年開始，不同放牧強度土壤微生物量碳磷含量比值均顯著高于對照(P<0.05)，說明放牧可能會加劇土壤磷養(yǎng)分限制的風險，且中度放牧強度(G8)下土壤微生物量碳磷含量比值與不放牧處理(G0)最接近，說明長期中度放牧可維持合理的微生物量碳磷含量比。不同放牧強度土壤微生物量碳氮含量比相對穩(wěn)定，為5.06～7.06，平均為6.11(圖5)。

2.6 土壤微生物量與土壤養(yǎng)分之間的關系

由表2可知，土壤微生物量碳、氮含量僅與土壤有機質(zhì)有顯著正相關性，相關性系數(shù)分別為0.78和0.81(P<0.05)。土壤微生物量磷含量與全磷、速效磷均有顯著正相關關系(r分別為0.82和0.83，P<0.05)，而與土壤氮磷含量比有顯著負相關關系(r=-0.90，P<0.05)，說明微生物量磷含量對放牧引起的土壤全磷和速效磷含量的變化有正響應。土壤微生物量磷含量還與土壤含水量有顯著負相關關系(r=-0.79，P<0.05)，說明含水量也是影響土壤微生物量磷含量的重要因素之一。

圖4 2014—2017年不同放牧強度下土壤微生物量碳磷量比值的變化Fig.4 Content change of soil microbial biomass C and P ratio in different grazing intensity from 2014 to 2017

圖5 2014—2017年不同放牧強度下土壤微生物量碳氮含量比值變化Fig.5 Content change of soil microbial biomass C and N ratio in different grazing intensity from 2014 to 2017

表2 土壤微生物量與土壤養(yǎng)分之間的關系Table 2 The relationship between the microbial biomass and soil nutrients

3 討 論

3.1 放牧年限對土壤微生物量的影響

國內(nèi)外大量研究表明放牧由于牲畜的踩踏、采食及其排泄物等會對土壤養(yǎng)分和微生物量含量產(chǎn)生顯著影響[26-30]。總體上，當考慮時間尺度時，高強度放牧對土壤肥力有負面的影響，短期內(nèi)由于加速了養(yǎng)分的循環(huán)效率，產(chǎn)生有利的影響，但長期無管理的超載放牧必然造成系統(tǒng)物質(zhì)資源輸入和輸出的不平衡，最終導致草原生態(tài)系統(tǒng)退化，特別是在相對脆弱的干旱和半干旱生態(tài)區(qū)。由于已有研究是建立在長期放牧基礎之上，而且草地生態(tài)系統(tǒng)對外界干擾具有滯后性和彈性[12]，對放牧的時間效應還不是很清楚。本研究探究放牧時間效應的結(jié)果顯示：連續(xù)4 年放牧期間，各放牧處理土壤微生物量碳、氮含量的年際變化不顯著(表3)，說明短期放牧不足以影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物量碳、氮含量，可能需要更長時間尺度來進一步探索土壤微生物量碳、氮含量對放牧的響應；然而，與土壤微生物量碳、氮不同，土壤微生物量磷含量年際變化極顯著，且在放牧的第二年各放牧處理均出現(xiàn)驟降(圖1)。造成這種差異的原因可能有：1)土壤微生物量同時受營養(yǎng)基質(zhì)的物理化學組成和土壤理化性質(zhì)的影響[31]，所以造成土壤微生物量碳、氮、磷含量的年際變化趨勢不同；2)土壤理化指標的變化不僅與放牧等人為因素有關，還受降雨等氣候因素的影響。通過對樣地土壤含水量的4 年監(jiān)測(表4)，本研究發(fā)現(xiàn)，2015 年土壤含水量顯著高于其他3年。水分條件好，牧草生物量高，對磷的需求增加，牧草吸磷量增加，土壤有效磷含量降低，微生物量磷含量降低，這可能是造成土壤微生物量磷含量在第二年驟降的主要原因[20]；3)相比于土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)速度更快，對環(huán)境變化更敏感[32]。

表3 土壤微生物量碳、氮、磷含量對放牧強度和放牧時間的響應Table 3 Response of soil microbial biomass C, N and P content to grazing intensity and grazing age

表4 2014—2017年不同放牧強度下土壤含水量變化

3.2 放牧強度對土壤微生物量的影響

在草地生態(tài)系統(tǒng)中, 家畜通過采食、踐踏及排泄物直接影響土壤，或通過這三者對植被和微生物的作用間接影響土壤，土壤的結(jié)構和微生物量的特征則是三者綜合作用的結(jié)果[33]。一般來說，放牧會降低土壤微生物量，馬秀枝等[34]研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古羊草草原土壤和大針茅草原土壤中的微生物量都因放牧而有不同程度下降；王啟蘭等[35]對青藏高原海北高寒蒿草草甸的研究結(jié)果表明土壤微生物量隨著放牧強度增加而降低。然而，本研究結(jié)果與上述研究并不一致。本研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)放牧4 年，僅在中度放牧(G8)的第四年土壤微生物量碳含量顯著高于對照不放牧(G0)處理(圖2)，其他放牧強度并不影響微生物量碳含量。這一方面是因為牲畜通過踩踏活動促使有機質(zhì)進入土壤的量增加；另一方面是因為牲畜的排泄物向土壤中輸入活性物質(zhì)，形成有利于微生物生長的環(huán)境，從而促進微生物量碳含量增加。不同放牧強度下，土壤微生物量氮含量無顯著差異(圖3)，這與鄔嘉華等[19]對溫帶典型草原的研究是一致的,但土壤微生物量氮含量的變化趨勢與微生物量碳是一致的。這也從側(cè)面反應了本研究設置的放牧強度尚未對土壤微生物量具有顯著的實質(zhì)性的影響。目前關于放牧強度的標準不統(tǒng)一，也難以定量，最終導致放牧對土壤影響的研究結(jié)果不盡相同。土壤微生物量磷含量在放牧前3 年均隨放牧強度的增加先增加后降低，在中度放牧強度(G8)下達到最高值(圖1)，說明影響土壤微生物量磷含量和微生物量碳、氮含量的因素并不一致。土壤微生物量同時受營養(yǎng)基質(zhì)的物理化學組成和土壤理化性質(zhì)的影響，土壤微生物量碳、氮含量更易受土壤有機質(zhì)含量和組成影響，土壤微生物量磷含量更易受環(huán)境條件變化、土壤養(yǎng)分尤其是磷素含量的影響。本研究證實了不同放牧強度下土壤微生物量磷含量的變化趨勢與速效磷含量變化趨勢一致，均是先隨放牧強度的增加先增加，在G8處理達到最大值，而后降低。在適度放牧下，牲畜的頻繁采食使磷從系統(tǒng)中的輸出增加，引起土壤中全磷的各組分向速效磷成分轉(zhuǎn)移量增大，磷對有隨著放牧強度繼續(xù)加強，造成土壤磷素養(yǎng)分的輸出量持續(xù)增加，而地上部分歸還量降低，加速了土壤磷素的失調(diào)，導致土壤微生物量磷含量降低。雖然土壤微生物量碳、氮、磷含量隨放牧強度變化不一致，但均在中度放牧強度(G8)下達到最大值，研究結(jié)果符合“中度干擾假說”[12]，即適度放牧有利于土壤微生物量的增加。適度放牧增加了物種豐富度，加快了物質(zhì)和能量流動，使微生物繁殖加快，加之放牧牲畜排泄物的影響,均使土壤養(yǎng)分增加,故有利于微生物的生長繁殖；而過度放牧對植被和微生物都產(chǎn)生了脅迫，導致微生物死亡，微生物量下降。

本研究中，土壤微生物量碳、氮、磷含量比值(25/4/1)低于全球均值(46/6/1)[36]，暗示該區(qū)域可能受氮磷養(yǎng)分的限制。已有研究結(jié)果表明土壤微生物量碳、氮和磷之間的化學計量比是一個相對穩(wěn)定的值[36-37]。本研究結(jié)果顯示土壤微生物量碳氮含量比值保持相對穩(wěn)定(圖5)，但土壤微生物量碳磷含量比值隨放牧波動較大(6.36～49.62)，且土壤微生物量碳磷含量比值在不同放牧強度下均顯著高于對照值，說明放牧可能會加劇該地區(qū)土壤磷養(yǎng)分限制的風險。不放牧處理中的植物殘體會自然返還到原系統(tǒng)中，但放牧處理中，隨著動物的不斷攝取，地上部植物生物量被移出了土壤系統(tǒng)，長期下來，必須造成相對多的磷損失，從而加劇了放牧樣地土壤磷缺失的風險。土壤微生物量碳磷含量比值在中度放牧強度(G8)下與對照保持一致，表明適度放牧可維持合理的微生物量碳磷含量比值。本研究中，4 年連續(xù)放牧(每年只在6月—10月份放牧)還不足以對土壤微生物量造成顯著影響，隨著時間延長，影響可能會逐漸顯著，有待于進行深入的研究。

4 結(jié) 論

內(nèi)蒙古典型草原土壤微生物量碳、氮、磷含量對放牧年限和放牧強度的響應存在差異。4年短期放牧對土壤微生物量碳、氮含量沒有顯著影響(P>0.05)，而對土壤微生物量磷含量則有顯著影響，隨放牧年限延長，土壤微生物量磷含量降低。年際之間氣候變化，尤其是降雨量對土壤微生物量磷含量的影響不可忽視。連續(xù)4年放牧，不同放牧強度下，土壤微生物量碳、氮、磷含量均在中度放牧(G8)處理下達到最大值，且均高于對照不放牧處理(G0)；同時，土壤微生物量碳氮含量比值一直保持相對穩(wěn)定，微生物量碳磷含量比值在中度放牧強度(G8)下與對照保持一致，說明中度放牧強度(G8)可能最適宜微生物生存，可提高土壤微生物量，維持合理的微生物量碳氮磷含量比值。但4 年連續(xù)放牧還不足以對土壤微生物量造成顯著影響，隨著時間延長，影響可能會逐漸顯現(xiàn)，有待深入研究。