放牧強度對黃土丘陵區生物結皮土壤化學計量學特征的影響

李 雯， 馬昕昕， 馬 寧， 趙允格*， 喬 羽， 王 鵬， 孫 會

(1.西北農林科技大學資源環境學院， 陜西 楊凌 712100； 2.中國科學院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與 旱地農業國家重點實驗室， 陜西 楊 陵 712100； 3.西北農林科技大學林學院， 陜西 楊凌 712100)

草地作為陸地生態系統的重要組成部分，在調節氣候、水土保持、養分循環等方面具有重要生態學意義[1]。黃土丘陵區是我國乃至世界水土流失最嚴重和生態環境最脆弱的地區之一，自上世紀90年代末期退耕還林(草)工程實施以來，該區退耕草地植被得以逐漸恢復[2]。放牧在該區的社會經濟及文化活動中占有不可或缺的位置。放牧可通過動物踩踏、覓食以及排泄物歸還等影響草地的植被和枯落物蓋度、土壤理化屬性、土壤侵蝕及流失[1,3-4]，進而影響土壤養分含量。目前，關于放牧強度對土壤養分影響的研究在全球范圍內均有涉及，但研究結果仍有爭議。如Reeder等[5]在美國研究表明，重度放牧可增加土壤有機質含量；李香真和陳佐忠[6]在內蒙古草原研究表明過度放牧降低了土壤有機質和全氮的含量，輕牧和中牧對養分含量影響不大；而Milchunas和Lauenroth[7]對全球236個試驗點研究表明土壤養分與放牧強度關系復雜，受諸多因素影響，包括植被和土壤的初始情況，環境因素和放牧歷史。

生物土壤結皮(Biological soil crusts，簡稱生物結皮) 是由隱花植物，如藍藻、地衣、苔蘚類和土壤中的微生物以及其他相關生物體通過菌絲體、假根系和分泌物等與土壤表層的顆粒物膠結而形成的復雜復合體，是干旱、半干旱地區健康生態系統中廣泛分布的生物地被物[8]。目前，生物結皮在黃土丘陵區退耕草地覆蓋度可達60%～70%[9]，甚至更高，其作為生態系統中物質和能量交換的關鍵界面層，可從多方面改變土壤的理化屬性，如增加土壤穩定性[10]和養分[8,9]、減輕和降低水土流失和土壤侵蝕[11]，改善土壤水分狀況[12]等。放牧作為影響生物結皮理化性質的關鍵因素，鮮有研究報道。楊巧云[13]在黃土丘陵區模擬羊蹄干擾研究發現，干擾顯著降低了生物結皮層的有機碳(SOC)、全氮(TN)，而對全磷(TP)無明顯影響，但該研究并未考慮實際放牧過程中動物的選擇性采食和動物排泄物的輸入。

生態化學計量學作為研究生態系統中各種元素和能量平衡關系的學科，被廣泛應用于揭示各元素在生態系統中的耦合關系，其中碳(C)、氮(N)、磷(P)是生物有機體內最主要的大量元素，通過對C、N、P等元素之間的計量比，可以更好地分析它們之間的養分限制類型及平衡關系[14]，為研究生態系統平衡提供了有力的框架。目前，已有大量關于放牧對土壤生態化學計量學特征的研究[14-16]，然而基于放牧強度對生物結皮土壤生態化學計量學特征的研究報道較少。當前，放牧強度對生物結皮土壤養分及化學計量學特征的影響尚不清楚，是生物結皮及其生態功能研究中的薄弱環節，妨礙了人們對干旱半干旱地區草地生態系統生物結皮的科學管理。

為此，本文以黃土丘陵區4個地區典型撂荒草地為研究對象，通過測定不同強度放牧條件下的生物結皮層及下層土壤理化性質、生態化學計量學特征，研究放牧對黃土丘陵區生物結皮土壤生態化學計量學特征的影響，以期為黃土丘陵區退耕草地土壤養分管理提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

黃土丘陵區位于我國中部偏北，坡度為10～35°，氣候主要是大陸性季風氣候，從東南向西北，降雨和溫度呈現出明顯的梯度變化特征，多年平均氣溫8～11℃，多年平均降水量300～600 mm，降水一般集中在7—9月，海拔800～2 400 m，土壤類型以黃綿土為主。該區林草面積因退耕還林(草)工程實施而顯著增加，草地覆蓋率在40%以上[17]。本研究于黃土丘陵區選擇4個典型退耕20年以上還林(草)區，分別為固原、定邊、神木、安塞；其中：固原草地覆蓋率為45.6%，土壤以黃綿土、黑壚土、灰鈣土為主；定邊草地覆蓋率為40.3%，土壤以風沙土和黃綿土為主；神木草地覆蓋率為55.1%，土壤以風沙土和黃綿土為主；安塞草地覆蓋率為58.0%，土壤以黃綿土為主。各區域分布情況見圖1。

圖1 各研究區分布圖Fig.1 The distributions of study areas

1.2 樣地選擇

2020年6—9月于4個研究區內分別選擇具有代表性的退耕封禁草地和不同放牧強度退耕草地。采樣前，通過走訪當地牧民、結合地面可食植被的利用程度以及踐踏程度，同時考慮土壤質地、坡度、坡向、土地利用歷史等自然因素，選取距離養殖戶遠近各異的退耕草地，在調查統計地表羊糞球密度[18]的基礎上，根據羊糞球密度選擇不同強度放牧樣地。分別如下：封禁地作為對照，放牧強度為G0，羊糞球在0～10個·m-2為G1，10～20個·m-2為G2，>20個·m-2為G3。每個樣地大小一般大于100 m×100 m，各樣地間距不小于3km。根據以上原則和標準，不同區域的最終樣地數分別為：固原15個、定邊15個、神木15個、安塞9個，總共54個樣地，樣地信息見表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Characteristics of studied sites

1.3 樣地調查與樣品采集

在每個樣地內用25樣點法(25 cm×25 cm樣方)依樣地形狀按照梅花狀或之字狀布設15個樣方，調查生物結皮種類及蓋度，記錄樣方中藻、蘚、地衣、裸土、小石礫、高等植物根基、枯落物的出現頻次，以各類覆被物在調查總點數中的百分數計算其相應的覆蓋度。同時記錄采樣區退耕年限、植被狀況、海拔、坡度、坡向等立地條件。

在每個樣地內樣品采集采用3點混合采樣，去除地表枯落物，采集生物結皮及下層土壤樣品，具體采樣層包括生物結皮層、0～2 cm土層，采集后同層混合作為一個分析樣，樣品帶回實驗室，風干后過18目和60目篩，備用。

1.4 測定指標與方法

土壤有機碳采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；全氮采用濃硫酸-混合催化劑消煮，凱氏定氮法測定；全磷采用高氯酸-硫酸消解，鉬銻抗比色法測定[19]；土壤機械組成：馬爾文MS2000激光粒度分析儀測定，采用國際制土壤質地分級標準，由于生物結皮有機質含量較高，為了充分分散土壤顆粒，對樣品進行如下前處理：先后采用10%和30%的過氧化氫(H2O2)浸泡，去除有機質，然后采用0.2 mol·L-1的HCl溶液浸泡以洗去土壤中的碳酸鹽，再用0.05 mol·L-1的HCl浸泡土壤樣品至無氣泡；蘚生物量：烘干法測定[20]，將風干遮光保存的蘚結皮用水噴濕，使其脫離休眠狀態,然后用打孔器取一定面積(0.95 cm2)的樣品放入網篩中沖洗，收集網篩中蘚植物放至稱量瓶中，于85℃殺青30 min后，65℃烘干至恒重后稱重，計算出單位面積蘚生物量(g·dm-2)；藻生物量：乙醇萃取法測定[21]，在暗處用研缽研磨藻結皮，使藻體分散。取3 g樣品裝入具塞刻度試管中，向試管中加入6 mL乙醇，置于65℃恒溫水浴鍋中水浴5 min，取出冷卻，震蕩20 min后離心10 min(全程在暗處進行)，取上清液于波長665 nm處測吸光值，然后移取100 μL,1 mol·L-1HCl酸化，90 s后于波長665 nm處測吸光值。藻類葉綠素a含量的計算公式為：

式中：Chla為測定的葉綠素a含量(mg·g-1)；A665和B665分別為萃取液酸化前和酸化后于波長665 nm處的吸光值；V為萃取液體積(mL)；M為土樣質量(g)

1.5 數據分析

數據統計處理采用Excel2010，運用SPSS25.0對各地區封禁與不同放牧強度下的退耕草地各土層土壤有機碳、全氮、全磷含量及C∶N、N∶P、C∶P等進行方差分析(Anova)，方差分析前對數據進行正態分布檢驗和同質性檢驗，利用Levene’s test檢驗方差齊性。方差齊性時使用LSD法進行多重比較(α=0.05)，方差不齊時使用Tamhane’s T2 test進行多重比較。對土壤C∶N、N∶P、C∶P與放牧強度、土壤理化屬性、地上生物量、枯落物生物量等指標進行Pearson雙尾相關分析(α=0.05)，利用Origin2021作圖。

2 結果與分析

2.1 放牧強度對黃土丘陵區生物結皮蓋度和生物量的影響

如圖2所示，不同放牧強度生物結皮蓋度和生物量在各區域的變化特征各不相同。固原、定邊、神木的藻、蘚結皮蓋度在各放牧強度間均無顯著變化(圖2A，B，C)。在安塞，隨放牧強度的增加，藻結皮蓋度無顯著變化，蘚結皮蓋度顯著降低(P<0.05)，降幅為71.4%～93.1%(圖2D)。各地區藻、蘚結皮生物量隨放牧強度增加均無顯著變化(圖2E，F，G，H)。

圖2 放牧強度對生物結皮蓋度和生物量的影響Fig.2 Effects of grazing intensity on the coverageand biomassof biological soil crusts注：不同小寫字母表示同一類型結皮在不同放牧強度之間差異顯著(P<0.05)。無字母標注，表明同一類型結皮在不同放牧強度之間沒有顯著差異(P>0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among same type of crusts with the different grazing intensity.There is no significant difference at 0.05 level between them without letters labeled

2.2 放牧強度對黃土丘陵區退耕草地生物結皮土壤有機碳、全氮、全磷含量的影響

如圖3所示，與G0相比較，黃土丘陵區退耕草地各放牧強度下的生物結皮層及0～2 cm土層SOC、TN、TP含量均無顯著變化(圖3A，B，C)。

2.3 放牧強度對生物結皮土壤有機碳、全氮、全磷含量影響的區域差異

如圖4所示，各區域不同放牧強度生物結皮層及0～2 cm土層SOC、TN、TP含量變化各有不同。在生物結皮層(圖4A)，隨放牧強度的增加，固原、定邊和安塞SOC含量均無顯著變化，神木在G3下的SOC含量較G0顯著降低(P<0.05)，降幅約為49.6%。在0～2 cm土層(圖4B)，固原在各放牧強度下的SOC含量均較G0顯著降低(P<0.05)，降幅為50.8%～62.2%，定邊、神木和安塞在各放牧強度下的SOC含量較G0均無顯著變化。

在生物結皮層(圖4C)，隨放牧強度的增加，固原、定邊和安塞的TN含量均無顯著變化，神木在G3較G0顯著降低了37.3%(P<0.05)。在0～2 cm土層(圖4D)，隨放牧強度的增加，固原的TN含量顯著降低(P<0.05)，降幅為44.9%～56.6%，定邊、神木和安塞的TN含量均無顯著變化。

在生物結皮層，隨放牧強度的增加，TP含量在各個地區均無顯著變化(圖4E)。在0～2 cm土層，隨放牧強度的增加，固原和定邊的TP含量均無顯著變化，神木在G1下較G0顯著增加(P<0.05)，增幅約為30.2%，安塞的G2強度較G0顯著增加(P<0.05)，增幅約為6.9%(圖4F)。

圖3 黃土丘陵區各放牧強度下生物結皮層及0～2 cm土層有機碳、全氮、全磷含量Fig.3 Contents of organic carbon,total nitrogen and total phosphorus in the biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：同一土層不同放牧強度之間差異均不顯著(P>0.05)Note:There is no significant difference at 0.05 level among same soil layers with the different grazing intensity

圖4 黃土丘陵區各區域不同放牧強度生物結皮層及0～2 cm土層有機碳、全氮、全磷含量Fig.4 Contents of organic carbon,total nitrogen and total phosphorus in biocrustal layer and 0～2 cm soil layer with different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小寫字母表示同一地區不同放牧強度間差異顯著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same area

2.4 放牧強度對黃土丘陵區退耕草地生物結皮土壤C∶N、N∶P、C∶P的影響

如圖5所示，不同放牧強度生物結皮層及0～2 cm土層C∶N、N∶P、C∶P在黃土丘陵區退耕草地變化不同。各放牧強度下的生物結皮層和0～2 cm土層C∶N較G0均無顯著變化(圖5A)。隨放牧強度的增加，生物結皮層C∶P無顯著變化；0～2 cm土層呈降低趨勢，其中G3較G0顯著降低(P<0.05)，降幅約為40.2%(圖5B)。各放牧強度下的生物結皮層N∶P較G0無顯著變化；在0～2 cm土層，隨放牧強度的增加，N∶P呈降低趨勢，其中G3較G0顯著降低(P<0.05)，降幅約為41.3%(圖5C)。綜上所述，G3會導致0～2 cm土層N∶P、C∶P降低。

圖5 黃土丘陵區不同放牧強度下生物結皮層及0～2 cm土層C∶N、N∶P、C∶PFig.5 C∶N,N∶P,C∶P in the biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小寫字母表示同一土層不同放牧強度間差異顯著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same soil layer

2.5 放牧強度對生物結皮土壤生態化學計量學特征影響的區域差異

如圖6所示，各區域不同放牧強度生物結皮層和0～2 cm土層C∶N、N∶P、C∶P變化各有不同。在生物結皮層，固原、定邊和安塞的C∶N在各放牧強度間均表現為無顯著變化，隨放牧強度的增加，神木呈先增加后降低趨勢，其中，G2較G0顯著增加(P<0.05)，增幅為18.4%(圖6A)。在0～2 cm土層，各放牧強度下，固原的C∶N較G0顯著降低(P<0.05)，平均降幅為11.1%，隨放牧強度的增加，定邊、神木和安塞的C∶N均無顯著變化(圖6B)。

在生物結皮層，固原、定邊和安塞的N∶P在各放牧強度間均無顯著變化，隨放牧強度的增加，神木的N∶P呈降低趨勢，其中，G3較G0顯著降低(P<0.05)，降幅約為49.6%(圖6C)。在0～2 cm土層，隨放牧強度的增加，固原和神木的N∶P較G0顯著降低(P<0.05)，平均降幅分別為44.5%、43.9%，定邊無顯著變化，安塞呈先增加后降低趨勢，其中G1較G0呈顯著增加(P<0.05)，增幅約為114.0%，G2較G0呈顯著降低(P<0.05)，降幅約為41.0%(圖6D)。

在生物結皮層，固原、定邊和安塞的C∶P在各放牧強度間均無顯著差異，隨放牧強度的增加，神木G3較G0顯著降低(P<0.05)，降幅約為55.7%(圖6E)。在0～2 cm土層，隨放牧強度的增加，固原和神木的C∶P均呈降低趨勢，其中，固原在各放牧強度較G0顯著降低47.1%～58.6%(P<0.05)，神木在G3較G0顯著降低49.9%(P<0.05)，定邊無顯著變化，安塞呈先增加后降低趨勢，其中G1較G0顯著增加(P<0.05)，增幅約為160.9%(圖6F)。

2.6 環境因子對化學計量學特征的影響

由表2可知，C∶N與各環境因子無顯著相關性；N∶P與粘粒、地上生物量、枯落物生物量呈極顯著正相關(P<0.01)，與藻結皮生物量、蘚結皮生物量呈顯著正相關(P<0.05)，與藻結皮蓋度呈極顯著負相關(P<0.01)；C∶P與地上生物量呈極顯著正相關(P<0.01)，與枯落物生物量、藻結皮生物量、蘚結皮生物量呈顯著正相關(P<0.05)，與藻結皮蓋度呈極顯著負相關(P<0.01)。

圖6 黃土丘陵區各區域不同放牧強度下生物結皮層及0～2 cm土層C∶N、C∶P、N∶PFig.6 C∶N,C∶P,N∶P in biocrustal layer and 0～2 cm soil layer under different grazing intensities in the hilly Loess Plateau region注：不同小寫字母表示同一地區不同放牧強度間差異顯著(P<0.05)Note:Different small letters mean significant difference at 0.05 level among different grazing intensities with the same area

表2 黃土丘陵區退耕地環境因子與化學計量學特征的相關關系Table 2 Correlation between environmental factors and stoichiometry characteristics in the hilly Loess Plateau region

LB：枯落物生物量Litter biomass；AB：地上生物量Aboveground biomass；Ccover：藻結皮蓋度Cyanobacterial cover；Mcover：蘚結皮蓋度Moss cover；Chla：藻結皮生物量Cyanobacterial biomass；MB：蘚結皮生物量Moss biomass

3 討論

3.1 放牧強度對生物結皮土壤的有機碳、全氮、全磷含量的影響

土壤SOC、TN、TP含量與其肥力狀況密切相關，放牧可通過動物覓食、踩踏、排泄等方式影響土壤養分狀況[16]。在固原，由于封禁草地退耕年限在35年以上，草地植被發育良好，已無生物結皮覆蓋，不考慮G0時，不同放牧強度間的生物結皮層SOC、TN含量無顯著差異；各放牧強度下的0～2 cm土層SOC、TN均較G0顯著降低，這與丁小慧等[22]研究結果一致。在神木，G3下的結皮層和0～2 cm土層SOC、TN含量較G0降低，裴雯等[23]在內蒙古草原也有相似發現，其原因可能是由于G3樣地的羊糞球密度高于40個·m-2，屬于超強度放牧，放牧達到一定強度會引起植被蓋度降低，水土流失風險加劇[4]，并導致SOC和TN的降低。對于定邊和安塞地區，各放牧強度下的生物結皮層和0～2 cm土層土壤SOC、TN含量均較封禁無顯著變化。而韓炳宏[24]認為，較封禁樣地，放牧樣地生物結皮層和0～2 cm土層土壤SOC、TN含量顯著降低。本研究發現，放牧均不會降低四個地區的生物結皮層及0～2 cm土層土壤TP含量。其中，在神木和安塞，一定程度的放牧可增加0～2 cm土層土壤TP含量，其原因可能是因為動物排泄物增加了土壤磷的含量[25]；在G3強度下無顯著變化，可能是因為該強度導致土壤壓實[3]。侯扶江等[26]研究發現，放牧能促進土壤TP素累積，另有相關研究[27]發現，隨放牧強度的增加，植被及地上枯落物歸還量減少，土壤TP含量降低，而宋潔等[28]認為，放牧并不能導致土壤TP發生改變。可見，放牧對土壤性質的影響可能因各地區環境因素而異[7]。

總體來看，各放牧強度對黃土丘陵區退耕草地SOC、TN、TP均較封禁無顯著影響。但由于本研究中所選取的四個研究區空間跨度較大，各自SOC、TN、TP變化趨勢不同，這與Milchunas和Lauenroth[7]對全球236處研究區的分析結論一致，各研究區結果差異可能與地理位置、氣候、成土因素和土壤質地等有關[29]。另外，黃土丘陵區不同放牧強度下退耕草地生物結皮層SOC、TN、TP含量變化范圍分別為10.71～14.48,1.06～1.34和0.51～0.58 g·kg-1；0～2 cm土層SOC、TN、TP含量變化范圍分別為7.44～13.43,0.81～1.35,0.50～0.55 g·kg-1，與全國土壤SOC、TN、TP平均水平(依次為11.12，1.06，0.65 g·kg-1)基本一致[15]。綜上，適當的放牧不會對黃土丘陵區退耕草地土壤養分產生負效應。

3.2 放牧強度對生物結皮土壤C∶N、C∶P、N∶P的影響

生態化學計量學理論認為有機體存在一個相對穩定的C∶N∶P比值，因此，通過該理論可判斷有機體生長、發育和繁殖的限制性元素[14]。土壤C∶N被認為是影響土壤質量的敏感指標，并且會影響SOC和TN的循環[14]。由于地域性差異，各地區C∶N變化趨勢不同。在內蒙古克氏針茅草原的研究表明，隨放牧強度的增加，土壤C∶N先降低后增加[30]，與之不同，本研究中，在固原，放牧使0～2 cm土層C∶N降低，這與封禁樣地有機碳含量顯著高于放牧樣地有關；在定邊、神木和安塞，各放牧強度下的生物結皮層及0～2 cm土層C∶N較G0無顯著變化。土壤C∶P的高低是土壤P素有效性的一個判斷指標[14]。在固原，與C∶N相似，放牧樣地的0～2 cm土層C∶P較G0降低；在定邊和安塞，各放牧強度下的生物結皮層和0～2 cm土層C∶P在均無降低現象；在神木，G3降低了生物結皮層和0～2 cm土層C∶P，這與G3強度下的SOC含量降低有關。土壤N∶P通常被認為是衡量生態系統N和P養分限制的一個指標[14]，由于SOC和TN相關性強，因此各區域生物結皮層及0～2 cm土層N∶P與C∶P變化趨勢一致。

總體來看，相較于G0，G1和G2放牧強度對黃土丘陵區退耕草地生物結皮層及0～2 cm土層C∶N、N∶P、C∶P無顯著影響，而G3放牧強度使生物結皮層及0～2 cm土層N∶P、C∶P降低。與本研究不同，Yang等[31]研究表明，放牧強度增加會使土壤C∶N降低、土壤C∶P和N∶P增加；這可能與本研究中的放牧強度不同有關。另外，本研究結果顯示，黃土丘陵區不同放牧強度下退耕草地生物結皮層C∶N、N∶P、C∶P變化范圍分別為9.52～10.85,1.77～2.41,19.81～24.82；0～2 cm土層C∶N、N∶P、C∶P變化范圍分別為8.97～9.45,1.37～2.35,13.69～22.88，這與楊巧云等[13]在黃土丘陵區的研究結果相似。C∶N與全國土壤平均水平11.90[13]接近，但是N∶P、C∶P較全國土壤平均水平5.20,61.00偏低，這與黃土丘陵區退耕草地土壤TN和TP偏低有關。綜上，從生態化學計量學的角度來說，適當的放牧對黃土丘陵區退耕草地生物結皮土壤化學計量學特征無顯著影響，當放牧超過一定強度后，生態化學計量比降低，同時，會減弱土壤TP的限制作用。

4 結論

放牧顯著降低了安塞蘚結皮蓋度，降幅為71.4%～93.1%，而對其他地區蘚結皮蓋度無顯著影響，且對各個地區的藻結皮蓋度和生物量均無顯著影響；放牧強度小于G3(羊糞球密度為0～20個·m-2)時，對黃土丘陵區退耕草地的生物結皮層及0～2 cm土層土壤養分含量及化學計量學特征未造成顯著降低現象；生物結皮土壤化學計量學特征除與放牧強度有關以外，還與粘粒、枯落物生物量、地上生物量、藻生物量、蘚生物量、藻蓋度等有關。