孫海燕， 萬(wàn)書(shū)波， 李 林， 劉登望

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410128； 2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250100)

放牧對(duì)荒漠草原土壤養(yǎng)分及微生物量的影響

孫海燕1， 萬(wàn)書(shū)波2， 李 林1， 劉登望1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410128； 2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250100)

摘要：[目的] 探討不同放牧強(qiáng)度對(duì)荒漠草原植被多樣性、土壤理化性狀、土壤養(yǎng)分及土壤微生物量的影響。[方法] 以圍封禁牧草地為對(duì)照，采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析的方法，對(duì)不同放牧強(qiáng)度下的草地土壤及植被展開(kāi)調(diào)查。[結(jié)果] 隨放牧強(qiáng)度的增加，荒漠草原植被蓋度、物種多樣性、地上生物量、土壤養(yǎng)分和微生物量顯著降低，土壤容重和pH值呈增加趨勢(shì)，土壤電導(dǎo)率呈先增加后降低趨勢(shì)，地下生物量則沒(méi)有明顯變化趨勢(shì)；在植被作用下土壤養(yǎng)分和微生物量垂直方向表現(xiàn)遞減規(guī)律并且在表層富集，“表聚性”較為明顯；在放牧干擾下土壤全磷變異系數(shù)最高；放牧并沒(méi)有改變荒漠草原土壤養(yǎng)分和微生物量的垂直分布特征；相關(guān)分析表明，放牧干擾下土壤微生物量與土壤養(yǎng)分之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，二者與土壤含水量也有較強(qiáng)的相關(guān)性。[結(jié)論] 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤全磷的空間變異影響較大，并且土壤微生物量對(duì)于放牧干擾的敏感性高于土壤養(yǎng)分全量；土壤養(yǎng)分和微生物量等地下生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)之間具有統(tǒng)一性。

關(guān)鍵詞：荒漠草原； 放牧干擾； 土壤養(yǎng)分； 土壤微生物量

放牧是當(dāng)前天然草地利用的主要方式之一，放牧導(dǎo)致的草原土壤退化始終是草地生態(tài)學(xué)家關(guān)注的問(wèn)題[1-3]。由于長(zhǎng)期受超載過(guò)牧、不合理的放牧制度及氣候變化等因素的影響,天然草地出現(xiàn)大面積的退化，嚴(yán)重影響了我國(guó)生態(tài)安全和草地畜牧業(yè)的良性發(fā)展[4-5]。放牧過(guò)程中草地、土壤是一個(gè)有機(jī)整體，它們之間互相影響和制約，放牧除了直接影響草地生產(chǎn)力、生物多樣性以及導(dǎo)致種群特征變化以外，是否通過(guò)影響草地群落組成植物形態(tài)和土壤養(yǎng)分狀況而導(dǎo)致植物養(yǎng)分利用策略變化等問(wèn)題還有待進(jìn)一步探究。因此，研究放牧對(duì)植被和土壤性質(zhì)特征的影響，對(duì)認(rèn)識(shí)放牧過(guò)程中土壤演變機(jī)制、草地生態(tài)系統(tǒng)合理發(fā)展及資源可持續(xù)利用具有重要意義[1-3]。

對(duì)于氣候干旱、波動(dòng)頻繁、土壤基質(zhì)極不穩(wěn)定的荒漠草原，放牧對(duì)草地—土壤生態(tài)系統(tǒng)的影響更為明顯，持續(xù)的過(guò)度放牧是該區(qū)域草地退化的主要成因[1-2,6-7]。近年來(lái)，對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的放牧干擾已有大量研究，但對(duì)不同放牧強(qiáng)度下植被多樣性、土壤養(yǎng)分、理化性質(zhì)和土壤微生物量垂直分布特征尚缺乏系統(tǒng)的研究報(bào)道。鑒于此，本試驗(yàn)從植被多樣性和土壤養(yǎng)分特征等方面研究放牧對(duì)荒漠草原植被和土壤養(yǎng)分特征影響，旨在揭示植被對(duì)放牧干擾的響應(yīng)和探討放牧對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分循環(huán)的影響機(jī)制，為荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)功能維持、植被恢復(fù)和資源合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗典型荒漠草原區(qū)(41°46′35″N，112°01′50″E)，該區(qū)具有典型荒漠植被特征，代表了荒漠草原干旱半干旱區(qū)的基本特征，海拔1 450 m，屬于典型大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱，年均氣溫6.3 ℃，極端最高氣溫39.2 ℃，極端最低氣溫-28.3 ℃，≥10 ℃的年積溫為2 200～2 500 ℃，年均降雨量280 mm，主要集中在5—9月，濕潤(rùn)度0.16～0.31，月平均溫度最高月為6月(20.3 ℃)、7月(24.6 ℃)和8月(24.8 ℃)，地帶性土壤為灰鈣土和淡栗鈣土，非地帶性土壤主要有風(fēng)沙土、鹽堿土和草甸土等，無(wú)霜期142 d，年平均風(fēng)速3.1 m/s，每年5 m/s以上的揚(yáng)沙達(dá)340多次。試驗(yàn)區(qū)主要草地類(lèi)型為短花針茅+無(wú)芒隱子草荒漠草原，建群種為短花針茅(Stipabreviflora)，優(yōu)勢(shì)種為無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)、冷蒿(Artemisiafrigid)等，伴生種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、阿爾泰紫苑(Heteropappusaltaicus)、木地膚(Kochiaprostrata)等。

1.2　研究方法

1.2.1樣地設(shè)置及植物采集在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗典型荒漠草原試驗(yàn)區(qū)選取了4個(gè)樣點(diǎn)，圍欄放牧試驗(yàn)于2012年開(kāi)始，每年5月開(kāi)始放牧，10月放牧終止，根據(jù)草地地上生物量、家畜采食量和草場(chǎng)面積及放牧?xí)r間，分別設(shè)置4個(gè)放牧處理。圍封禁牧(NG,0 尾/hm2)、輕度放牧(LG,0.4 尾/hm2)、中度放牧(MG,0.8 尾/hm2)、重度放牧(HG,1.2 尾/hm2)，各放牧試驗(yàn)小區(qū)面積均為15 hm2，各樣地地理位置相差不大，保證草地生長(zhǎng)環(huán)境因子的一致。2013年10月全面開(kāi)展草地生物量、群落結(jié)構(gòu)和土壤調(diào)查研究，每個(gè)樣地設(shè)置一條50 m的樣線，沿樣線每隔8設(shè)置一個(gè)1 m×1 m的樣方5個(gè)。調(diào)查樣方中物種組成高度、蓋度和多度；物種地上生物量用收割法獲取，隨機(jī)挑選3個(gè)樣方齊地面分物種將植物剪下帶回實(shí)驗(yàn)室，在105 ℃下殺青30 min后65 ℃下烘至恒重，稱其干重，獲取每個(gè)樣方地上和地下生物量。

選用Shannon—Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)，其計(jì)算公式[8]為：

Patrick豐富度指數(shù)Pa：

Pa=S

(1)

Shannon—Wiener 多樣性指數(shù)(H)：

H=-∑PiInPi

(2)

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)：

D=1-∑(Pi)2

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(JP)：

JP=H/InS

(4)

式中：S——樣方內(nèi)物種數(shù)目；Pi——樣方內(nèi)種的相對(duì)重要值； 相對(duì)重要值(Pi)=(相對(duì)覆蓋度+相對(duì)高度+相對(duì)多度)/3

1.2.2土樣采集及測(cè)定在調(diào)查完植被后分別在每個(gè)樣地的3個(gè)樣方將土層分為0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，取個(gè)樣方按對(duì)角交叉取樣法5點(diǎn)取樣，分別裝入干凈塑料袋，封口盛裝在保溫箱內(nèi)4 ℃保存以測(cè)定土壤微生物量及含水量，然后風(fēng)干后過(guò)0.15 mm篩去除有機(jī)碎片用作土壤養(yǎng)分分析。土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定：土壤有機(jī)碳含量(g/kg)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤容重(g/cm3)采用環(huán)刀法；土壤電導(dǎo)率(5∶1水土比浸提液；EC，μS/cm)采用P4多功能測(cè)定儀測(cè)定(Germany)，土壤含水量(%)采用烘干法；土壤全氮(g/kg)采用凱氏定氮法；土壤全磷(g/kg)用NaOH熔融—鉬銻抗比色法；有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；堿解氮采用NaOH—H3BO3法測(cè)定；土壤微生物量碳、氮、磷采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[9]。

1.3　數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 18.00軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，顯著性分析采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著法(LSD)，對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物量之間相關(guān)系數(shù)采用Pearson相關(guān)法，所有數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差，作圖采用Origin 7.5軟件。

2結(jié)果與分析

2.1　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下植被多樣性及生物量

通過(guò)分析不同放牧強(qiáng)度下植物多樣性發(fā)現(xiàn)(表1)，放牧對(duì)荒漠草原植被多樣性具有顯著的影響。隨著放牧強(qiáng)度的增加，荒漠草原植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均降低，其中LG，MG和HG均與NG達(dá)到顯著差異水平(p<0.05)，并且均表現(xiàn)出NG>LG>MG>HG變化趨勢(shì)；輕度放牧豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)與中度放牧沒(méi)有顯著差異。

放牧對(duì)荒漠草原植物群落地上生物量具有顯著影響(圖1)，4種處理植被地上生物量均達(dá)到顯著差異水平(p<0.05)，并且地上生物量隨放牧強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)，與NG相比，LG，MG和HG分別下降了14.28%，26.37%和71.42%；但由圖1可知，放牧對(duì)荒漠草原植物群落地下生物量并沒(méi)有顯著影響，NG，LG和HG地下生物量差異不顯著，NG與MG地下生物量差異不顯著，MG與NG，LG，HG差異顯著(p<0.05)。

表1　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下生物多樣性各指數(shù)

注：NG，LG，MG，HG分別表示禁牧、輕度、中度和重度放牧； 同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下生物量

2.2　荒漠草原不同棄耕地土壤理化性質(zhì)

圖2反映了荒漠草原不同棄耕地土壤理化性質(zhì)(圖中數(shù)值代表了每個(gè)樣地土壤垂直方向和重復(fù)取樣的平均值，下同)，土壤容重是土壤緊實(shí)度和土壤結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。隨放牧強(qiáng)度的增加土壤容重增加，這與植物根系在土壤中的空間分布有關(guān)，因?yàn)橹参锔抵饕植荚谕寥辣韺樱员韺油寥辣容^疏松，隨著土層深度，增加根系逐漸減少，土壤通氣性變差，使得土壤緊實(shí)度增加，土壤容重變大，而放牧地的容重隨土層深度增加而降低，因?yàn)槠渲脖簧w度小，地上生物量小，根系隨之減少，加上牲畜的踩踏，使得土壤緊實(shí)度增加，土壤結(jié)構(gòu)變差，圖2的結(jié)果說(shuō)明放牧對(duì)上層土壤的壓實(shí)作用更顯著，使土壤容重增加。

土壤含水量受大氣降水蒸發(fā)，植物吸收蒸騰及土壤特性等影響是決定植物生長(zhǎng)及系統(tǒng)構(gòu)成的重要指標(biāo)。土壤含水量都隨放牧強(qiáng)度增加而降低，主要是由于NG植被高度和蓋度均高于其他樣地土壤入滲和持水能力增大土壤含水量增大，而放牧地由于牲畜的踐踏使土壤變得緊實(shí)從而降低對(duì)水分的滲透與蓄積能力土壤含水量最小(圖2)。

由圖2可以明顯地看出，放牧強(qiáng)度顯著影響了土壤電導(dǎo)率，土壤電導(dǎo)率隨著放牧強(qiáng)度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，在輕度放牧達(dá)到最大值，在重度放牧最小值。土壤pH值也受放牧強(qiáng)度的影響，隨著放牧強(qiáng)度的增加和土壤pH均表現(xiàn)出NG>LG>MG>HG的變化趨勢(shì)。

圖2　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤理化性質(zhì)比較

2.3　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度土壤養(yǎng)分垂直分布

放牧干擾對(duì)荒漠草原土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、土壤微生物量碳、氮、磷垂直分布影響均顯著(圖3)，隨土層深度的增加而逐漸降低趨勢(shì)，各放牧強(qiáng)度下土壤表層養(yǎng)分均高于土壤亞表層，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”；同層土壤各養(yǎng)分相比，基本出現(xiàn)NG>LG>MG>HG規(guī)律，局部有所波動(dòng)。

2.4　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度土壤速效養(yǎng)分垂直分布

由圖4可知，放牧干擾對(duì)荒漠草原土壤有效養(yǎng)分影響顯著，土壤有效養(yǎng)分與土壤養(yǎng)分的垂直變化規(guī)律相一致，表現(xiàn)出明顯的“表聚性”；同層相比，基本出現(xiàn)NG>LG>MG>HG規(guī)律，局部有所波動(dòng)。

圖3　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分垂直分布

2.5　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分含量比較

由表2可知，放牧干擾對(duì)土壤養(yǎng)分有很大影響，隨放牧強(qiáng)度的增加，土壤養(yǎng)分平均含量明顯降低，土壤養(yǎng)分各指標(biāo)表現(xiàn)為：NG>LG>MG>HG，土壤養(yǎng)分的8個(gè)指標(biāo)在3種不同放牧強(qiáng)度下與CK基本達(dá)到差異顯著(p<0.05)；其中，土壤微生物量碳、氮、磷在3種不同放牧強(qiáng)度和NG之間差異最為顯著；土壤有效養(yǎng)分LG和MG之間差異不顯著，與NG和HG差異達(dá)到顯著水平；土壤有機(jī)碳和全氮NG與MG，HG之間差異顯著，與LG差異不顯著；土壤全磷NG與HG之間差異顯著，與LG，MG差異不顯著。相對(duì)于NG，隨放牧強(qiáng)度的增加，有機(jī)碳分別減少了8.54%，14.54%，25.45%；全氮分別減少了9.09%，14.55%，25.24%；全磷分別減少了12.22%，16.67%，24.44%；有效磷分別減少了8.16%，16.33%，27.55%，堿解氮分別減少了10.76%，13.74%，26.72%，微生物量碳分別減少了9.82%，16.56%，25.77%；微生物量氮分別減少了9.69%，21.94%，47.96%，微生物量磷分別減少了16.23%，18.83%，48.70%，表明放牧干擾嚴(yán)重影響了荒漠草原土壤養(yǎng)分含量，具體表現(xiàn)為：降低了土壤各養(yǎng)分含量；經(jīng)計(jì)算可得，在放牧干擾下土壤全磷變異系數(shù)最高，磷素是一種遷移率很低的沉積性礦物，在整個(gè)空間中分布較均勻，來(lái)源于枯落物分解和根系分泌物以及垂直分布，說(shuō)明放牧強(qiáng)度對(duì)土壤全磷的空間變異影響較大，這可能是由于放牧嚴(yán)重干擾了枯落物分解等過(guò)程而嚴(yán)重影響了土壤全磷的空間分布，也是荒漠草原對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件的適應(yīng)的一種必然結(jié)果。綜合來(lái)看，重度放牧干擾對(duì)荒漠草原土壤養(yǎng)分影響最大，而有效磷的減小幅度最大，對(duì)放牧干擾表現(xiàn)最為敏感。

圖4　荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤速效養(yǎng)分垂直分布

項(xiàng)目有機(jī)碳全氮全磷有效磷堿解氮微生物量碳微生物量氮微生物量磷NG5.50±0.30a0.55±0.02a0.90±0.03a0.98±0.06a13.1±0.7a163±7.3a19.6±1.7a15.4±1.7aLG5.03±0.23ab0.50±0.02ab0.79±0.03ab0.90±0.04b11.7±0.5b147±10.0b17.7±1.0b12.9±1.2bMG4.70±0.20b0.47±0.17b0.75±0.02ab0.82±0.04b11.3±0.4b136±8.3c15.3±1.4c12.5±1.4bHG4.10±0.23c0.41±0.02c0.68±0.02b0.71±0.03c9.6±0.4c 121±7.7d10.2±0.9d7.9±1.2c

2.6　荒漠草原放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分與土壤微生物量之間的關(guān)系

荒漠草原不同放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分與土壤理化性質(zhì)Pearson相關(guān)關(guān)系詳見(jiàn)表3。由表3可以看出，土壤有機(jī)碳與全氮、微生物量碳和含水量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與全磷、有效磷和堿解氮呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；土壤全氮與堿解氮、微生物量氮和含水量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與微生物量磷呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；全磷與有效磷、微生物量磷和含水量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；有效磷與微生物量磷呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)，與含水量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)；堿解氮與含水量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；微生物量碳與微生物量氮和含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；微生物量氮與微生物量磷和含水量呈極顯著正相關(guān)(p<0.01)；微生物量磷與含水量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。

3結(jié)論與討論

荒漠草原不合理的放牧制度導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)各組分及其協(xié)調(diào)關(guān)系的破壞[10]。由表1可知，放牧使荒漠草原植被的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，草地植被重要值降低，對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均表現(xiàn)為：NG>LG>MG>HG。由此可見(jiàn)，禁牧是保護(hù)荒漠草原植物多樣性、維護(hù)土壤養(yǎng)分以及提高草地生產(chǎn)力的有效途徑。大量研究[11-12]表明，中度放牧是維持草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的最佳選擇，而本研究從植被多樣性和土壤養(yǎng)分的角度得出禁牧優(yōu)于放牧處理，其可能的原因是荒漠草原脆弱的氣候和環(huán)境條件對(duì)于地上植被和土壤微生物理論上已經(jīng)達(dá)到中度干擾程度，即使輕度放牧?xí)哟髮?duì)荒漠草原的干擾，而在禁牧下其植被多樣性指數(shù)和土壤各養(yǎng)分指標(biāo)均達(dá)到最佳狀態(tài)。

表3　荒漠草原放牧強(qiáng)度下土壤養(yǎng)分與土壤微生物量之間的關(guān)系

注：**表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾)，*表示相關(guān)性在0.05水平上顯著(雙尾)。

放牧不僅影響植物群落的物種組成和群落結(jié)構(gòu)，對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤物理結(jié)構(gòu)與化學(xué)性狀也會(huì)產(chǎn)生影響[1-3,13]。土壤容重可以反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞，影響著土壤中水、肥氣熱等肥力因素的變化和協(xié)調(diào)[14]，本研究重度放牧后土壤容重顯著高于其它處理，并且土壤容重隨著放牧強(qiáng)度的增加呈線性增加趨勢(shì)，說(shuō)明重度放牧使土壤物理性狀?lèi)夯?，與其它學(xué)者的結(jié)果一致[1,15-16]，土壤容重降低的主要是由于重度放牧導(dǎo)致土壤失去了大中等孔隙，而土壤含水量隨著放牧強(qiáng)度的增加呈下降趨勢(shì)，隨著放牧強(qiáng)度的增大地表的裸露程度增大，地表蒸發(fā)隨之增大，土壤水分不易保持，呈逐漸下降的趨勢(shì)。同時(shí)，由于家畜踐踏作用增加，草地植被隨家畜啃食而減少，植物對(duì)土壤的保水能力下降，土壤的滲透阻力加大，土壤容重隨之增加，從而導(dǎo)致土壤保水和持水能力下降[15-17]。因此，隨放牧強(qiáng)度的增加，土壤容重與水分變化趨勢(shì)相反，而禁牧在一定程度上可以改善土壤的通透性，從而使土壤有很好的保水和持水能力。土壤pH值隨放牧強(qiáng)度的增加而增加，主要是由于放牧造成的植被蓋度和地表凋落物量減小，進(jìn)一步加速了土壤水分蒸發(fā)量加大使土壤中的部分鹽分聚積到土表以及尿素水解過(guò)程產(chǎn)生的碳酸根離子與水作用形成大量的氫氧根離子均導(dǎo)致土壤pH值升高[18-19]。

放牧對(duì)土壤養(yǎng)分影響的過(guò)程比較復(fù)雜，其影響程度與放牧強(qiáng)度、頻度、方式、時(shí)間以及草地本身的土壤特性等有關(guān)[20-21]。本研究試驗(yàn)區(qū)具有相同的土壤基質(zhì)和環(huán)境條件，重度放牧下土壤養(yǎng)分各指標(biāo)均顯著低于中牧、輕牧和禁牧，并且隨放牧強(qiáng)度的增加而降低，主要是由于重度放牧導(dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的破壞并引起了草地沙漠化，土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況是度量生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能恢復(fù)與維持的關(guān)鍵指標(biāo)之一，家畜的踐踏和采食導(dǎo)致歸還土壤的養(yǎng)分減少，破壞了土壤的物理性狀，也減少了土壤養(yǎng)分的部分來(lái)源[1-3,20,22-23]。綜合圖3的結(jié)果表明，重度放牧干擾已超出了荒漠草原承載能力和承受干擾的閾限，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分及理化性狀嚴(yán)重退化，草原生態(tài)系統(tǒng)中植被與土壤之間構(gòu)成一個(gè)相互作用和影響的統(tǒng)一系統(tǒng)，土壤退化會(huì)引起植被的變化，而植被的演替也會(huì)引起土壤性狀的改變[24-25]，這也是導(dǎo)致草地生物多樣性降低的主要原因之一。本研究禁牧后土壤生物學(xué)性狀及化學(xué)性狀均優(yōu)于放牧試驗(yàn)區(qū)，表明禁牧有利于植被—土壤系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)和腐殖質(zhì)的形成等，有利于土壤有效養(yǎng)分的提高(圖4)，從而對(duì)于本研究而言禁牧有利于荒漠草原系統(tǒng)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能的恢復(fù)。從土壤養(yǎng)分的垂直分布規(guī)律來(lái)看，無(wú)論放牧與否，表層土壤養(yǎng)分“表聚性”較為明顯，并且土壤養(yǎng)分和微生物量隨土層深度的加深呈降低趨勢(shì)(圖4)，同時(shí)放牧也并未影響荒漠草原土壤養(yǎng)分垂直分布特征和規(guī)律。

由表2可知，本研究在放牧干擾下荒漠草原土壤養(yǎng)分變化幅度較大，隨放牧強(qiáng)度的增加，土壤養(yǎng)分降低且降低幅度逐漸增加，其中微生物量碳氮磷的減小幅度高于土壤養(yǎng)分全磷減小幅度，說(shuō)明荒漠草原土壤系統(tǒng)內(nèi)部因子處于動(dòng)態(tài)變化和平衡中，放牧通過(guò)畜體采食、踐踏和排泄物歸還等一系列方式影響草地群落組成、植物形態(tài)和土壤養(yǎng)分，而植物通過(guò)改變養(yǎng)分利用策略適應(yīng)環(huán)境變化，它們之間可以看做相互作用和影響的一個(gè)有機(jī)整體，并且土壤微生物量對(duì)于放牧干擾的敏感性高于土壤養(yǎng)分全量。綜合表3的結(jié)果可知，放牧干擾下土壤微生物量與土壤養(yǎng)分之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，二者與土壤含水量也有較強(qiáng)的相關(guān)性，更加說(shuō)明了荒漠草原土壤養(yǎng)分和微生物量等地下生態(tài)系統(tǒng)各指標(biāo)之間的統(tǒng)一性，同時(shí)也說(shuō)明了土壤內(nèi)部各因子相互影響和作用[26-27]。

由于草地生態(tài)系統(tǒng)具有滯后性和彈性以及地區(qū)的氣候環(huán)境差異等[28-29]，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分在草地生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化和循環(huán)具有復(fù)雜性，并且目前放牧強(qiáng)度的定性指標(biāo)難以定量和制度難以劃分，最終導(dǎo)致放牧對(duì)土壤養(yǎng)分含量影響的研究結(jié)果不盡相同[1-3,20-21]。從國(guó)內(nèi)外的研究[28,30]結(jié)果來(lái)看適度放牧對(duì)草地土壤生態(tài)系統(tǒng)沒(méi)有負(fù)面影響，長(zhǎng)期重度放牧?xí)共莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)退化和崩潰，實(shí)施合理的放牧管理方式使草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)保持相對(duì)平衡才能達(dá)到草地資源的可持續(xù)發(fā)展利用。因此，在未來(lái)的研究中應(yīng)融入相關(guān)的環(huán)境因子探究放牧強(qiáng)度、方式、輪牧、時(shí)間和制度等對(duì)草地地上—地下生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)。

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Effects of Grazing on Soil Nutrients and Microbial Biomass in Desert Steppe

SUN Haiyan1, WAN Shubo2, LI Lin1, LIU Dengwang1

(1.CollegeofBioscienceandBiotechnology,Hu’nanAgriculturalUniversity,Changsha,Hu’nan410128,China； 2.ShandongAcademyofAgriculturalScience,Ji’nan,Shandong250100,China)

Abstract：[Objective] This study aimed to explore the effects of grazing disturbance on soil nutrients and microbial biomass in desert steppe. [Methods] The impacts of grazing disturbance(high disturbance, HD; middle disturbance, MD; lower disturbance, LD) on soil nutrients and microbial biomass was analyzed based on the field investigation and the laboratory analysis. [Results] The vegetation coverage, species diversity, ground biomass, soil nutrients and microbial biomass significantly reduced. The soil bulk density and pH value increased. The soil conductivity firstly increased and then decreased with the increase of grazing intensity, while the underground biomass had no obvious trend. The soil nutrient and microbial biomass decreased progressively with the increase of soil depth and showed enrichment in the surface soil layer, the “surface accumulation” was observed obvious. The variation coefficient of soil total phosphorus was the highest, which implied that the spatial variability of soil total phosphorus was mostly influenced by grazing intensity. The vertical distributions of soil nutrients and microbial biomass were not affected by razing or not, and were independent on the grazing intensity. Microbial biomass had significant correlation with soil nutrients though grazing disturbed. The two items also had obvious correlations with soil moisture. [Conclusion] Soil total phosphorus showed more spatial heterogeneous than other nutrients under grazing conditions. And soil microbial biomass was more sensitive than soil nutrients to grazing disturbance. The variation responses of soil nutrients, microbial biomass and other indicators to grazing showed a consistency trait.

Keywords:desert steppe; grazing disturbance; soil nutrient; soil microbial biomass

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0082-07

中圖分類(lèi)號(hào)：S158.3

通信作者：萬(wàn)書(shū)波(1963—),男(漢族), 山東省棲霞市人，研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)方面的研究。E-mail:fhgreat@126.com。

收稿日期：2014-03-31修回日期：2014-04-14
資助項(xiàng)目：湖南省研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目“基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究”(CX2012B310)
第一作者：孫海燕(1979—),女(漢族),陜西省西安市人，博士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)。E-mail:sunhaiyan425@163.com。