青藏高原高寒草甸土壤理化性质及微生物量对放牧强度的响应

青藏高原高寒草甸土壤理化性质及微生物量对放牧强度的响应杨青;何贵永;孙浩智;杜国祯【摘要】试验选取土壤含水量、pH值、微生物量碳、微生物量氮、代谢熵这5个对生态环境变化较为敏感的指标,研究了不同放牧强度处理对青藏高原高寒草甸土壤理化性质、土壤微生物特征的影响.结果表明:在不同土壤深度(0～15、15～30 cm)随着放牧强度的逐渐增大,土壤含水量均呈下降趋势,且变化趋势均为全年禁牧＞季节性放牧＞全年放牧;pH值在不同放牧处理下的不同深度土壤中均无显著变化;不同强度的放牧处理在不同深度的土壤中均显著影响了土壤微生物量,0～15、15～30 cm深度土壤微生物量碳、氮的变化趋势均为季节性放牧＞全年禁牧＞全年放牧;在不同深度的土壤中均为全年放牧处理区的代谢熵值较大;在同一放牧强度,不同土壤深度的土壤含水量、微生物量碳、微生物量氮大小均为0～15 cm＞15～30 cm;在同一放牧强度,不同土壤深度的代谢熵值表现为15～30 cm＞0～15 cm.微生物量碳分别与微生物量氮、土壤含水量呈极显著正相关(P＜0.01);代谢熵分别与土壤含水量、微生物量碳、微生物量氮呈极显著负相关(P＜0.01);含水量分别与pH、微生物量氮呈极显著正相关(P＜0.01).【期刊名称】《甘肃农业大学学报》【年(卷),期】2013(048)004【总页数】6页(P76-81)【关键词】高寒草甸;放牧强度;土壤理化性质;土壤微生物量【作者】杨青;何贵永;孙浩智;杜国祯【作者单位】兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃兰州730000;兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃兰州730000;兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃兰州730000;兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室,甘肃兰州730000【正文语种】中文【中图分类】S812.2土壤肥力是土壤的基本属性，是土壤物理、化学和生物性质的综合反映[1].土壤微生物与土壤肥力及土壤健康有着密切关系，在土壤形成与发育、物质转化与能量传递等过程中发挥着重要作用，是评价土壤质量的重要指标之一[2].土壤微生物量虽然只占土壤营养库的一小部分，但它即是养分的“库”又是养分的“源”，特别在土壤质量的演变中，具有较高的营养转化能力，参与生态系统中能量流和物质流，影响生态系统中的植物营养、土壤结构和土壤肥力等变化[3－5].近年来，微生物量已成为国际土壤生物学、土壤生态学以及全球变化生物学等领域研究的重点问题之一[6].放牧作为最主要的生物干扰因子之一，影响着草地生态系统的土壤生态进程[7].青藏高原面积250万km2，是全球最高和最年轻的高原[8].近年来，随着放牧活动等因子的影响，青藏高原草地退化日益严重，已成为重大的社会经济和生态环境问题[9－10].土壤微生物作为土壤养分转化过程的一个重要“源”和“库”，在维护生态平衡和保护环境方面具有重要意义，已被越来越多的应用于评价受损生态系统的受损程度或恢复潜力[11].本试验拟以青藏高原高寒草甸为研究对象，探讨不同强度的放牧干扰对不同深度土壤理化性质及微生物量的影响，以便了解放牧干扰对土壤生态进程的影响并采取合理措施防止草地继续退化.1 材料与方法1.1 研究区概况本试验在兰州大学高寒草甸与湿地生态系统野外定位研究站——玛曲站进行，该站位于E 105°53′、N 35°58′，平均海拔约3 500m，属大陆性季风气候，年均降水量约620mm，年均日照时数约2 580h，年均霜日大于270d，年均温为1.2℃（最低温为1月的－10℃，最高温为7月的11.7℃），主要土壤类型为亚高山草甸土，植被类型以莎草科，禾本科，菊科为主，主要为多年生草本植物（表1）.1.2 样点取样试验选取沼泽化草甸土壤，研究其不同深度的在不同放牧强度下的土壤理化性质及微生物特征.沼泽化草甸的放牧土壤试验根据每年放牧持续时间分为全年放牧、季节性放牧和全年禁牧，整个试验区域位于同一片沼泽化草甸并用围栏与非试验区分隔，试验区外围作为全年放牧处理区域，试验区中部划分出一区域并用围栏分隔作为季节性放牧处理区域，在季节性放牧处理区域中再划分出3个小的区域并用围栏分隔作为全年禁牧区域，3种试验地进行不同强度放牧处理前田间一致.其中季节性放牧处理区在每年夏秋季绝对禁牧，1999年12月围栏后仅在冬春季放牧，植被覆盖度在全年禁牧区最高而在全年放牧区最低，优势种为藏嵩草（Kobresia tibetica）.表1 不同放牧强度处理区的优势植物和采样点数Tab.1 Conditions and sample numbers of soils of different grazing intensity草地类型土地利用类型主要优势植物样点数高寒草甸全年放牧蕨麻（Potentilla anserina）草地早熟禾（Poa pratensis）披碱草（Elymus dahuricus）线叶嵩草（Kobresia capillifolia）108季节性放牧异针茅（Stipa aliena）禾叶嵩草（Kobresia graminifolia）草玉梅（Anemone rivularis）108全年禁牧披碱草（Elymus dahuricus）草地早熟禾（Poa pratensis）1082012年5、7 、9月分别在上述3个放牧区采集土样，每个处理区选取6个具代表性的样区，每个样区按“之”行采6个单样（深度0～15、15～30cm），然后将单样混匀后装入密封袋作为1个混合土样，采样完毕后立即带回实验室.每份混合土样分为两部分：一部分风干，其中一些子样品过2mm筛后用于测定土壤含水量和pH值，另一些子样品过0.15 mm筛后用于测定土壤有机碳和全氮；另一部分鲜土样过2mm筛后保存于4℃条件下以备测定微生物生物量.1.3 土壤理化性质及微生物量的测定土壤含水量用烘干法测定；pH用酸度计测定[12]；土壤微生物量碳的测定采用氯仿熏蒸浸提法，该法简单、快速并可用于淹水土壤微生物量的测定[13]，转换系数为0.38；呼吸强度值用标准酸滴定法测定，代谢熵值由呼吸强度和微生物碳的比值得到[14].1.4 数据处理采用SPSS 16.0软件对试验数据进行单因素方差分析和多重比较，用Pearson′s 相关分析法分析因子间的相关性.2 结果与分析2.1 不同放牧强度处理下的土壤理化性质结果显示，在0～15cm的深度，土壤质量含水量范围为72%～165%，且在不同时期全年放牧处理与全年禁牧处理均差异显著；pH的范围为5.16～5.73，呈弱酸性，在不同时期不同处理下差异均不显著（表2～3）.在15～30cm的深度，质量含水量范围为42%～114%，且在7月及9月全年放牧处理与全年禁牧处理差异均显著；pH的范围为5.22～5.78，呈弱酸性，在不同时期不同处理下差异均不显著（表3）.2.2 不同放牧强度处理下的土壤微生物量由表2～3可知，在0～15cm微生物量碳范围为1 487.75～1 966.85mg／kg，微生物量氮范围为179.69～354.19mg／kg，代谢熵范围为0.03～0.08；在15～30cm微生物量碳范围为372.61～870.52mg／kg，微生物量氮范围为54.06～93.47mg／kg，代谢熵范围为0.04～0.15.不同强度放牧处理对土壤微生物量有显著影响.在不同采样时期的0～15cm及15～30cm土壤深度，微生物量碳、微生物量氮的最大值均出现在季节性放牧处理，最小值均出现在全年放牧处理，且微生物量碳、微生物量氮大小的的变化趋势均为季节性放牧＞全年禁牧＞全年放牧.在不同时期的0～15cm及15～30cm土壤深度，微生物代谢熵的最大值均出现在全年放牧处理区，且微生物代谢熵大小的的变化趋势均为全年放牧＞季节性放牧牧＞全年禁牧.2.3 同一采样时期同一放牧强度处理下不同采样深度的土壤理化性质及微生物量由表2～3可知，同一采样时间、同一放牧强度处理下不同深度土壤的质量含水量的变化趋势均为0～15cm＞15～30cm，差值范围为9%～62%；而同一处理下不同深度土壤的pH值无显著差异，且均呈弱酸性；同一采样时间、同一放牧强度处理下不同深度土壤的微生物量碳、微生物量氮的变化趋势均为0～15cm＞15～30cm，且0～15cm深度土壤微生物量碳含量比15～30cm深度土壤微生物量碳含量增大的百分比范围为136%～288%，0～15cm深度土壤微生物量氮含量比15～30cm深度土壤微生物量氮含量增大的百分比范围为84%～159%；微生物代谢熵的变化趋势均为15～30cm＞0～15cm，且15～30cm深度土壤微生物代谢熵大小比0～15cm深度土壤微生物代谢熵大小增大的百分比范围为11%～92%. 表2 0～15cm深度不同月份不同放牧强度的土壤理化性质和微生物量Tab.2 The physico－chemical characteristics and the microbial biomass of different grazing intensity soils with different sampling time in depth of 0～15cm表中值为±s，不同小写字母表示同一采样时间不同放牧强度土壤的方差分析差异显著（P＜0.05）.采样月份放牧强度土层深度／cm含水量／% pH 微生物碳／（mg·kg－1）微生物氮／（mg·kg－1）代谢熵全年放牧72±6a 5.17±0.09a1 591.69±47.16a 224.84±36.66b 0.07±0.001a 5 季节性放牧 0～15 133±64b 5.36±0.34a1 966.85±379.50a354.19±35.13a 0.04±0.006b全年禁牧165±53b 5.30±0.18a1 871.87±237.81a331.61±39.11a 0.04±0.004b全年放牧74±5a 5.30±0.19a1 487.75±99.63b 179.69±13.24c 0.06±0.004a 7 季节性放牧 0～15 66±22a 5.16±0.05a1 796.21±174.28a281.87±26.22a 0.03±0.003b全年禁牧142±53b 5.39±0.24a1 565.85±91.18b 246.71±28.16b 0.08±0.005b全年放牧81±8a 5.73±0.16a1 526.26±86.81b 191.08±27.54b 0.08±0.005a 9 季节性放牧 0～15 156±61b 5.53±0.23a1 834.40±220.26a334.67±13.79a0.06±0.010b全年禁牧174±40b 5.65±0.38a1 670.19±109.51ab318.23±24.85a 0.04±0.004c表3 15～30cm深度不同月份不同放牧强度的土壤理化性质和微生物量Tab.3 The physico－chemical characteristics and the microbial biomass of different grazing intensity soils with different sampling time in depth of 15～30cm表中值为±s，不同小写字母表示同一采样时间不同放牧强度土壤的方差分析差异显著（P＜0.05）.采样月份放牧强度土层深度／cm含水量／% pH 微生物碳／（mg·kg－1）微生物氮／（mg·kg－1）代谢熵全年放牧42±5a5.22±0.07a 372.61±59.35b 54.06±13.34b 0.15±0.040a 5 季节性放牧 15～30 71±33a 5.36±0.34a 748.76±92.19a 84.80±16.30a 0.05±0.007b全年禁牧90±49a 5.30±0.18a 667.61±76.96a 73.61±11.24a 0.07±0.020b全年放牧47±2a 5.35±0.05a 556.36±146.64b 75.52±3.59a 0.07±0.02a 7 季节性放牧15～30 57±14a 5.25±0.05a 870.52±67.07a 86.75±17.64a 0.04±0.003b全年禁牧84±21b 5.44±0.24a 763.95±94.90a 75.69±21.61a 0.05±0.008b全年放牧47±1a 5.78±0.19a 590.61±23.35c 57.29±9.68b 0.09±0.004a 9 季节性放牧15～30 103±51b 5.43±0.18a 708.96±42.12a 93.47±25.59a 0.09±0.010a全年禁牧114±40b 5.68±0.22a 660.83±32.10b 81.63±12.36a 0.07±0.002b2.4 各因素的相关性分析由表4可知，微生物量碳分别与微生物量氮、土壤含水量呈极显著正相关（P＜0.01）；代谢熵分别与土壤含水量、微生物量碳、微生物量氮呈极显著负相关（P ＜0.01）；含水量分别与pH、微生物量氮呈极显著正相关（P＜0.01）.表4 土壤微生物量与理化性质之间的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between the microbial biomass and physico－chemical characteristics＊＊表示相关极显著（P＜0.01）.因素微生物碳微生物氮代谢熵含水量微生物氮0.919＊＊代谢熵－0.599＊＊－0.512＊＊含水量 0.278＊＊ 0.308＊＊－0.338＊＊酸碱度－0.034 －0.103 －0.053 0.268＊＊3 讨论与结论3.1 放牧对不同深度土壤理化性质的影响土壤含水量受蒸发、蒸腾、降水、太阳辐射等多种因素的影响与制约[14].而对于高寒草原，随着牲畜践踏作用和放牧强度的增加，土壤孔隙度减少，土壤体积质量增加，相应渗透阻力增大[15－16].杨红善等[17]通过研究放牧对肃北高寒草原土壤养分的研究表明，0～10、10～20cm土层土壤孔隙度、土壤含水量随草地放牧强度的增大呈不断减小的趋势，且土壤退化很大程度上取决于土壤水分条件，随草地退化程度的提高，土壤含水量大幅度下降.本试验结果表明在不同土壤深度放牧处理对土壤含水量均有显著影响，全年放牧处理区的含水量均低于全年禁牧处理区.这与杨红善等[17]的研究结果一致，原因可能是随着放牧强度的增大，家畜的采食和践踏作用增强，土壤渗透阻力增大，植被盖度减少，土壤的保水能力下降，土壤含水量在相同条件下呈现下降趋势.同一放牧处理下0～15cm的含水量值均高于15～30cm，原因可能是，随着土壤剖面的加深，土壤容重变大，孔隙度变小[18]，土壤相对的渗透阻力也有所增大，此外，7月份试验区降雨较为频繁且降雨量较大，表层土壤通常有积水情况，可能也是导致7月份表层土壤含水量大于深层土壤的因素之一；在不同土壤深度不同放牧处理下土壤pH均没有显著变化，说明由于土壤的缓冲特性，在一定的放牧压力下，土壤酸碱度总体上稳定.3.2 放牧对土壤微生物量的影响土壤微生物作为土壤物质循环的调节者，是活的土壤有机质部分[19].有试验证明，放牧能显著增加高原草原土壤微生物量[20].另一些试验结果表明，长期的草地管理措施并未显著影响土壤微生物量[21－22].本试验结果表明，在同一时期不同放牧强度处理下，季节性放牧处理的微生物量碳氮较高而全年放牧处理下的微生物量碳氮最低.这与陈懂懂等[23]的研究结果类似，原因可能是家畜的践踏促使有机质混合入土壤而其排泄物一方面向土壤中输入活性物质，刺激产生了新的根生物量及根的分泌物质形成了对微生物生长有利的环境；另一方面为作为重要分解者的微生物提供了充足的资源.而在全年放牧处理区，家畜的过度啃食及践踏改变了土壤透气性及含水量等对微生物生长较为重要的因素，从而对微生物的生长产生了不利影响，降低了土壤微生物量.同一放牧处理下0～15cm的微生物量、微生物呼吸均高于15～30cm.这与朱炜歆等[24]的研究结果一致，原因可能是土壤表层枯枝落叶较多，且含水量、温度及通气状况均良好，因而有利于根际微生物在植物根系趋向性聚居并有效分解转化根系分泌物[25－26]，表层土壤碳库周转很快，随着土壤深度的增加碳库由难以分解的腐殖质复合物构成且周转十分缓慢[25]，因而限制了土壤生物的正常活动.3.3 放牧对代谢熵的影响代谢熵反映了微生物群落对基质的利用效率及其维持能大小等特征[26]，揭示了土壤对环境胁迫的反应[27].本试验结果显示，全年放牧处理区有较高的代谢熵，这表明该区的微生物在生活环境受到胁迫时将更多的碳用于维持细胞的完整性[28－29]；微生物对土壤团聚体破碎后释放的有效碳进行激烈的竞争[30].代谢熵值在15～30cm土壤深度高于0～15cm，可能原因是表层土壤熟化程度较高，土壤熟化程度越高则相应的呼吸熵越小[31]，表明表层土壤微生物呼吸消耗的碳较少，微生物群落对基质的利用效率较高.微生物量虽然只占土壤有机质较少的一部分但却是控制其它养分循环的关键因素[31].同时，微生物量碳氮对环境变化较为敏感，能较早的指示生态环境的变化[32－33].本试验结果显示，不同的放牧处理对土壤含水量，微生物量碳氮等指标有显著影响.全年放牧处理在不同土壤深度（0～15、25～30cm）均显著降低了土壤含水量，而季节性放牧处理则显著提高了该区域不同深度土壤的微生物量.放牧作为较常见的生物干扰因子，适度的干扰能够增加该区域的微生物量，加快养分循环，而过度的干扰则导致土壤含水量、微生物量等指标的降低.参考文献[1] 杨瑞吉，杨祁峰，牛俊义，等.表征土壤肥力指标的研究进展[J].甘肃农业大学学报，2004，39（1）：86－91[2] Kandeler E，Stemmer M，Klimanek E M.Response of soil microbial biomass，urease and xylanase within particle size fractions to long－term soil management[J].Soil Biology and Biochemistry，1999，31：261－273 [3] Wilson J R.Advances in nitrogen cycling in agriculture ecosystem [M].Wallingford：CAB International，1988：368－386[4] Doran J W，Sarrantonio M，Liebig m A.Soil health and sustainability[J].Advances in Agronomy，1996，56：1－54[5] 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