高 鳳,王 斌,石玉祥,張更新,王 建,斯貴才,韓叢海,5,袁艷麗,胡 盎

1 河北工程大學(xué),邯鄲 0560382 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,中國(guó)科學(xué)院高寒生態(tài)學(xué)與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1001013 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 6100414 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心,蘭州 730000 5 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

藏北古露高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)短期圍封的響應(yīng)

高 鳳1,2,王 斌1,*,石玉祥1,張更新2,王 建3,5,斯貴才4,韓叢海2,5,袁艷麗2,胡 盎2

1 河北工程大學(xué),邯鄲 0560382 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,中國(guó)科學(xué)院高寒生態(tài)學(xué)與生物多樣性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 1001013 中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 6100414 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心,蘭州 730000 5 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

過度放牧導(dǎo)致高寒草地生態(tài)系統(tǒng)退化,圍封是生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的管理手段。以青藏高原那曲縣古露鎮(zhèn)過牧退化高寒草地為對(duì)象,系統(tǒng)分析了高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的植被特征及土壤理化特性、土壤酶活性、土壤微生物生物量和群落結(jié)構(gòu)對(duì)圍封的響應(yīng)。結(jié)果表明,短期圍封后,(1)植被平均高度、蓋度和地上生物量均有極顯著增加(P<0.01),而生物多樣性指數(shù)則顯著降低(P<0.01)；(2)土壤的水溶性有機(jī)碳含量、土壤物理結(jié)構(gòu)(沙土與粉土的比例)及pH有顯著變化(P<0.05)；(3)土壤酶活性沒有明顯改善；(4)土壤微生物生物量(細(xì)菌、放線菌、真菌)均呈顯著增加(P<0.05)；(5)土壤中細(xì)菌的多樣性有增加的趨勢(shì),其群落組成在門水平上也發(fā)生了變化；(6)Mantel test分析顯示與土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的呈正相關(guān)性的環(huán)境因子主要為土壤有機(jī)碳含量(TOC)、總氮含量(TN)、碳磷比(C/P)與氮磷比(N/P)(P<0.05)。這表明圍欄封育有利于藏北草地植被、土壤理化特性的恢復(fù),還能維持土壤微生物多樣性,促進(jìn)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

短期圍封；高寒草地；生態(tài)系統(tǒng)；土壤酶活性；土壤微生物

青藏高原是我國(guó)主要的畜牧業(yè)基地,面積199.95×104km2,約占我國(guó)國(guó)土面積的1/5。平均海拔在4000 m以上。其中天然草地面積128.35×104km2,約占全國(guó)草地面積的1/3。豐富的天然草地資源,是發(fā)展草地畜牧業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。高寒草甸是青藏高原分布最為廣泛,海拔最高的草原植被類型,在維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、生物多樣性和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)起著重要的作用。

過度放牧一方面會(huì)影響草地生態(tài)系統(tǒng)地上植被的高度和蓋度,另一方面還可導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變,土壤微環(huán)境被破壞,土壤微生物的數(shù)量減少,致高寒草甸出現(xiàn)嚴(yán)重退化,減弱了天然草地作為生態(tài)屏障的功能[2-3]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,其質(zhì)量情況對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)具有舉足輕重作用。土壤酶活性大小可表征生化反應(yīng)的方向和強(qiáng)度,對(duì)維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定起著重要的作用。土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)的活性部分,既可作為養(yǎng)分的“庫(kù)”,又可作為養(yǎng)分的“源”,在土壤形成、植物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、污染物降解以及陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)過程中具有不可替代的作用。土壤微生物參數(shù)作為草地生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量變化和草地發(fā)育演替的重要指標(biāo)受到廣泛關(guān)注,研究土壤微生物對(duì)了解土壤肥力、土壤養(yǎng)分有效性以及環(huán)境變化具有重要意義[4-5]。圍封作為有效的修復(fù)退化草地手段,對(duì)輕度、中度放牧有一定的修復(fù)作用[6]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)圍欄禁牧對(duì)土壤微生物和酶活性的影響研究表明,不同的放牧強(qiáng)度對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生不同的影響,圍欄禁牧和輕度放牧可以有效提高土壤中各微生物群落的生物量,重度放牧明顯降低微生物生物量和酶活性[5,7-8]；對(duì)于草地退化和恢復(fù)過程的研究主要集中在植物群落[5]和土壤理化性質(zhì)[9]方面,有關(guān)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的報(bào)道偏少。就研究技術(shù)而言,某些微生物因培養(yǎng)條件要求較高而導(dǎo)致平板計(jì)數(shù)等目前常用的微生物數(shù)量傳統(tǒng)研究方法具有局限性[10]。

為進(jìn)一步系統(tǒng)探究圍欄對(duì)藏北草原化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)作用,在青藏高原那曲縣古露鎮(zhèn)過度放牧區(qū)設(shè)置圍欄禁牧,研究圍欄對(duì)植被與土壤理化、酶活性特征影響,同時(shí)結(jié)合磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty-Acid Analysis,PLFA)技術(shù)、高通量測(cè)序技術(shù)(16S rDNA High-throughput Sequencing)對(duì)土壤微生物的生物量與細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行深度解析,從而為退化的高寒草原化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)古露,藏語為“黃羊聚居的山溝”之意,又名“谷露”,位于西藏那曲縣,是藏北通往藏中、南的門戶,以牧業(yè)為主,兼有副業(yè)。草場(chǎng)面積6.84萬hm2,主要飼養(yǎng)牦牛、綿羊、山羊、馬。當(dāng)?shù)夭莸剌d畜量屬于嚴(yán)重超載,草地植被類型屬于草原化草甸生態(tài)系統(tǒng)的范疇,土壤類型為高原草甸土,具有很強(qiáng)的代表性。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測(cè)站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),研究區(qū)年均溫為-3℃,采樣前后8月份均溫7.8℃[11],年均降水量為411.6 mm。

1.2 樣品采集

本試驗(yàn)在那曲縣古露鎮(zhèn)(30°50′54.23″N,91°37′14.14″E)開展相關(guān)研究。在2008年進(jìn)行圍欄禁牧試驗(yàn),試驗(yàn)小區(qū)為3 m×3 m,共設(shè)置3個(gè)平行小區(qū)。

1.2.1 樣地設(shè)置和植被調(diào)查

2011年8月,在植物生長(zhǎng)最旺盛的季節(jié),分別在圍封樣地和放牧樣地(對(duì)照樣地)內(nèi),隨機(jī)設(shè)置3個(gè)面積為1 m×1 m的小樣方,記錄樣方內(nèi)的物種組成,然后采用樣方法(有100個(gè)面積為10 cm×10 cm的網(wǎng)格組成),分別測(cè)量植物群落總蓋度、物種分蓋度、頻度、高度等,調(diào)查完畢,將樣方內(nèi)植物齊地面剪下,裝入牛皮紙袋內(nèi),密封保存。

1.2.2 土壤樣品的采集

2011年采集圍欄內(nèi)3a的土壤樣品,并且采集放牧土壤樣品作為對(duì)照,每個(gè)樣點(diǎn)用土鉆通過蛇形采集0—15 cm土壤過2 mm篩后混合在一起,各3個(gè)重復(fù)。采集后至于保溫箱中加生物冰袋保存,然后空運(yùn)回北京實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析。

1.3 分析方法

1.3.1 地上植物生物量的測(cè)定

將牛皮紙袋內(nèi)植物,在65℃烘干至恒重后稱重并記錄。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測(cè)定

將部分土壤樣品風(fēng)干,參照土壤農(nóng)化常規(guī)分析法[12]測(cè)定基本理化性質(zhì)。稱取5 g土壤在105℃烘干12 h達(dá)到恒重后,測(cè)含水量；按照1∶2.5的水土比測(cè)定土壤的pH值；用粒度分析儀測(cè)量土壤粒徑；土壤有機(jī)碳使用日本TOC-TN 分析儀測(cè)量；土壤總氮的測(cè)定采用凱氏定氮法；土壤總磷測(cè)定采用紫外分光光度計(jì)。

土壤水溶性物質(zhì)參照J(rèn)ones[13]的方法,將2.5 g濕土加入25 mL去離子水,200 r/min攪拌15 min,2500 r/min離心10 min,收集上清液。采用日本TOC-TN 分析儀測(cè)定水溶性有機(jī)碳和水溶性有機(jī)氮；采用離子色譜法測(cè)量硝酸根離子、銨根離子和硫酸根離子的含量。

1.3.3 土壤酶的測(cè)定

土壤酶活性的測(cè)定試根據(jù)關(guān)松蔭[14]的方法來測(cè)定。酚氧化酶和過氧化物酶活性采用分光光度法測(cè)量：1 g濕土加入10 mL 1%濃度的焦培酸作為底物在30℃條件下混合10 min待測(cè)。β-葡萄糖苷酶活性測(cè)定:以p-Nitrophenol-β-D-Glucopyranoside(pNPG)作為底物,將1 g濕土加入4 mL 0.05 mol/L緩沖液以及1mL 5 mmol/L的pNPG在37℃條件下水浴1 h。L-天冬酰胺酶活性測(cè)定：將5 g土置于50 mL三角瓶中,用0.5 mL甲苯處理15 min后加10 mL 的3%天冬酰胺和10 mL(pH=6.7)磷酸鹽緩沖液后置于37℃恒溫箱中培養(yǎng)24 h。蔗糖酶活性測(cè)定：將1 g濕土加入15 mL的2 mol/L醋酸緩沖溶液,以及15 mL的1.2%蔗糖底物后置于50℃條件下培養(yǎng)3 h。脲酶活性測(cè)定：將0.5 g濕土加入2.5 mL的80 mmol/L脲素和20 mL的75 mmol/L硼酸鹽緩沖溶液后置于37℃條件下反應(yīng)2 h。蛋白酶活性測(cè)定：將1 g濕土加入5 mL的酪蛋白溶液和5 mL的三異丙基乙磺酰緩沖溶液后置于50℃條件下培養(yǎng)2 h。酸性磷酸酶活性測(cè)定：以苯基磷酸鹽作為基質(zhì),以酚的釋放量表示磷酸酶活性。

1.3.4 磷脂脂肪酸的提取和分離

磷脂脂肪酸抽提方法使用調(diào)整后的BD方法[15],將5 g冷凍干燥樣品加入單一相的氯仿、甲醇和磷酸鹽緩沖溶液的混合溶劑(1∶2∶0.8體積比,pH=7.4)抽提2 h,離心在上清液中加入等比例的水和氯仿,靜置分層吸取下層有機(jī)相。重復(fù)此抽提過程兩次,并兩次抽提得到的有機(jī)相混合在一起,分別采用氯仿、丙酮和甲醇沖洗硅酸層析柱得到中性脂、糖脂和磷脂。得到的磷脂部分再通過37℃水浴15 min在堿性條件下水解為磷脂脂肪酸甲酯,加入C19：0作為內(nèi)標(biāo),保存在-20℃條件下,待上機(jī)分析。磷脂脂肪酸圖譜分析采用美國(guó)Agilent 6890 A 型氣象色譜儀,包括全自動(dòng)進(jìn)樣裝置、石英毛細(xì)管柱及氫火焰檢測(cè)器。鑒定采用美國(guó)MIDI公司(MIDI,Newark,Delaware,USA)開發(fā)的基于細(xì)菌細(xì)胞磷脂脂肪酸成分鑒定的SherlockMIS 4.5 系統(tǒng)(Sherlock Microbial Identification System)。

1.3.5 16s rDNA高通量測(cè)序

首先提取基因組DNA：取0.5 g樣品,選用FastDNA? SPIN Kit for Soil提取土壤總DNA,經(jīng)瓊脂凝膠電泳定性檢測(cè),同時(shí)在Nanodrop 2000測(cè)定濃度及其純度,置于-20℃冰箱保存?zhèn)溆?。?15F(5‘-GCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′)和806R (5‘-CCGGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′)作為引物(帶有DNA條形碼)擴(kuò)增16s r RNA基因。PCR擴(kuò)增條件：預(yù)變性94℃、3min,變性94℃、30 s,退火56℃、30 s,延伸溫度72℃、45 s,30個(gè)循環(huán)后在72℃延伸5 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)切膠純化后,使用 PicoGreen精確定量dsDNA的濃度精確定量,然后根據(jù)定量結(jié)果,等量混合樣品,參照Ion PGMTMTemplate OT2 400 Kit與Ion PGMTMSequencing 400 Kit的操作說明,使用Ion OneTouchTM2、Ion PGMTM平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序,從終端導(dǎo)出數(shù)據(jù)待分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

圍封與放牧區(qū)的植被、理化性質(zhì)、土壤酶、磷脂脂肪酸的數(shù)據(jù)整理在Excel中完成,使用SPSS 18.0做單因素方差分析,并在0.05的水平上進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),圖形繪制在OriginPro 8.5中進(jìn)行。

植被調(diào)查數(shù)據(jù)整理后,分別計(jì)算平均蓋度、高度、多樣性指數(shù)、地上生物量等指標(biāo),計(jì)算公式如下[16]：

重要值(IV)=(相對(duì)頻度+相對(duì)蓋度+相對(duì)高度)/3

群落多樣性指數(shù)采用Shannon-wiener指數(shù)：

式中,Pi為種i的重要值,因個(gè)體數(shù)對(duì)草本植物統(tǒng)計(jì)較困難,在計(jì)算中采用各物種的重要值(IV)替代個(gè)體數(shù)[17]。

16s rDNA高通量測(cè)序數(shù)據(jù),由ION Torrent測(cè)序終端導(dǎo)出Q>20的數(shù)據(jù)結(jié)果,首先在Linux系統(tǒng)終端利用Perl腳本進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等標(biāo)準(zhǔn)化處理后,然后上傳到Galaxy云端(http://zhoulab5.rccc.ou.edu:8080)進(jìn)行初步分析,去除短序列、去污染、去掉嵌合體等,其中去掉嵌合體序列使用UCHIME[18],以97%的相似度使用UCLUST劃分操作分類單元(Operational Taxonomic Unit,OTU),同時(shí)得到各OTU的代表序列與核糖體數(shù)據(jù)庫(kù)[19](Ribosomal Database Project,RDP)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)進(jìn)行系統(tǒng)分類(Classifer)。α多樣性采用Chao 1[20]指數(shù)評(píng)估,Mantel test分析在R 3.2.0(http://cran.r-project.org)中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍封與放牧區(qū)植被群落的變化特征

草地植被以矮嵩草(Kobresiahumilis)為建群種,紫花針茅(Stipapurpurea)為優(yōu)勢(shì)種,中亞早熟禾為伴生種,兼有其他雜類草。短期(3a)圍欄,圍封與放牧區(qū)的優(yōu)勢(shì)種群沒有發(fā)生變化,而高寒草地植物群落高度和蓋度都出現(xiàn)了顯著的變化,圍欄內(nèi)的植被平均高度、地上生物量明顯高于圍封外,差異極顯著(P<0.001),而且植被總蓋度高于圍欄外,存在極顯著差異(P<0.01),但圍欄內(nèi)植被的Shannon-wiener指數(shù)顯著(P<0.01)低于圍欄外(表1)。這說明圍封修復(fù)的方式可以有效促進(jìn)植被的生長(zhǎng),而放牧則直接影響群落結(jié)構(gòu)。

表1 圍欄內(nèi)外植被特征

同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 圍封與放牧區(qū)土壤理化性質(zhì)的變化特征

圍封對(duì)土壤理化性質(zhì)有顯著影響,主要體現(xiàn)在土壤的pH、水溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,DOC)方面(表2、表3)。3年后圍欄內(nèi)，土壤pH由6.81顯著降低至6.56,土壤水溶性有機(jī)碳含量(248.43 mg/kg)顯著(P<0.05)高于自由放牧區(qū)(193.88 mg/kg);土壤含水量高于圍欄外,土壤水含量達(dá)到18.69%,而自由放牧的土壤水含量為14.98%,土壤水溶性有機(jī)氮含量為14.56 mg/kg高于自由放牧區(qū)的12.1 mg/kg; 圍欄內(nèi)土壤總有機(jī)碳含量、全碳含量、全磷含量、碳氮含量比略低于圍欄外,但均未達(dá)到顯著水平。圍欄內(nèi)土壤中銨根離子、硝酸根離子的含量略高于圍欄外；而且,圍欄后土壤粒徑也發(fā)生了變化,沙土/粉土含量的比值顯著降低。由此看出,圍封對(duì)易提高對(duì)土壤易降解有機(jī)質(zhì)的含量,而難降解的有機(jī)質(zhì)在一定范圍內(nèi)有固定作用,草原土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)外界變化的響應(yīng)有一定的彈性[22-23],因此土壤有機(jī)質(zhì)的含量沒有顯著變化。

表2 圍欄內(nèi)外土壤有機(jī)元素變化特征

同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

表3 圍欄內(nèi)外土壤水溶性物質(zhì)基本理化特性

同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.3 圍封與放牧區(qū)土壤酶活性的變化特征

從圍欄內(nèi)與自由放牧區(qū)的8種土壤酶活性的測(cè)定結(jié)果(表4)可以看出,土壤酶的活性均有所變化,但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。圍欄內(nèi)的蔗糖酶、葡萄糖苷酶、酚氧化酶、過氧化物酶、蛋白酶的含量均高于圍欄外。反之,L-天冬氨酸酶、脲酶、堿性磷酸酯酶的含量圍欄內(nèi)低于圍欄外。

表4 圍欄內(nèi)外土壤酶活性變化特征

同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.4 圍封與放牧區(qū)土壤微生物生物量的變化特征

磷脂脂肪酸分析(PLFA)技術(shù),可以全面分析土壤微生物的生物量[24-25]。其結(jié)果(表5)表明,圍欄內(nèi)土壤細(xì)菌(i14:0、i15:0、a15:0、C15:1、i16:0、16:1ω5、16:1ω9、16:1ω7t、17:0、i17:0、a17:0、cy17:0、18:1ω5、18:1ω7t、i19:0、a19:0、cy19:0)生物量、放線菌(10Me16:0、Me17:0、10Mel18:0)生物量、革蘭氏陽性菌(i14:0、i15:0、a15:0、i16:0、i17:0、a17:0、i19:0、10Me16:0、10Me17:0、10Me18:0)生物量和革蘭氏陰性菌(cy17:0、cy19:0、15:1、16:1ω9、16：1ω7、16:1ω5、18:1ω7、19:1)生物量顯著高于圍欄外(P<0.05)。但真菌(18:1ω9、18:2ω6)生物量與自由放牧區(qū)均無顯著差異(P>0.05)。

表5 圍欄內(nèi)外土壤微生物生物量變化特征

G+:革蘭氏陽性菌Gram-positive bacteria；G-：革蘭氏陰性菌Gram-negative bacteria；G+/G-：革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌Gram-positive bacteria /Gram-negative bacteria.；F/B：真菌/細(xì)菌 Fungi /Bacteria；cy/pre：環(huán)狀脂肪酸/前體cyclopropyl/ precursors；同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.5 圍封與放牧區(qū)土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化特征

圖1 圍欄內(nèi)外細(xì)菌在門水平上的主要群落結(jié)構(gòu)特征 Fig.1 Relative abundance of the dominant bacterial phyla between grazing and fencing. Relative abundances are based on the proportional frequencies of those DNA sequences that could be classified at the phylum level

測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)控后共得到563617條細(xì)菌的純凈序列,從門(phylum)水平上看(圖1),土壤中變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門占主導(dǎo)位置,圍欄內(nèi)土壤中變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門所占比例分別為24.01%、20.87%、18.43%、15.70%,圍欄外土壤中變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門所占比例分別為22.99%、20.88%、15.56%、15.20%。其中(圖1)圍欄內(nèi)土壤變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、疣微菌門、擬桿菌、浮霉菌門、芽單胞菌門所占比例均明顯高于放牧區(qū)(P>0.05),而圍欄外放牧區(qū)厚壁菌門所占比例高于圍欄內(nèi)(P>0.05)。通過Chao1值來估計(jì)物種總數(shù)[26],圍欄內(nèi)土壤微生物的Chao1(136311.41)高于圍欄外(130616.82),由此看出,圍欄內(nèi)土壤細(xì)菌的多樣性高于放牧區(qū),但未達(dá)顯著水平(P>0.05)。

2.6 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系

通過Mantel test 分析土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性,主要體現(xiàn)在土壤有機(jī)碳含量、總氮含量、碳磷比與氮磷比，呈顯著正相關(guān)的關(guān)系(表6)。

表6 土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系

3 討論

3.1 圍封與放牧區(qū)植被群落的變化特征

圍欄封育作為修復(fù)退化草地的有效手段被廣泛采用,并形成良好的生態(tài)效益,主要表現(xiàn)在圍欄封育可明顯提高草地群落的地上生物量,草地植被的高度和蓋度增加[27-28],有效控制草地的沙化程度、土壤的養(yǎng)分流失[29-30]。本研究表明,短期(3a)圍欄封育后,高寒草地植被群落高度、蓋度、生物量均顯著增加,說明圍封對(duì)植被生長(zhǎng)有顯著修復(fù)效果,對(duì)草地生產(chǎn)力有促進(jìn)作用。然而,Shannon-Wiener指數(shù)顯著降低,說明了放牧對(duì)于植物生物多樣性有促進(jìn)作用。有研究表明,由于受海拔、氣候和植被組成等因素影響,高寒荒漠植被群落蓋度和高度對(duì)圍欄封育響應(yīng)較快,而高寒草原和高寒草甸群落蓋度和高度對(duì)圍封響應(yīng)相對(duì)較為緩慢,而在這3類高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中地上生物量對(duì)圍欄封育均響應(yīng)較快[6]。長(zhǎng)期圍欄一定程度上會(huì)降低草地群落的物種多樣性,而短期圍欄封育對(duì)退化高寒草原植被群落多樣性影響不顯著,生產(chǎn)力顯著提高,這可能是在圍封前退化高寒草地處于過度放牧的狀態(tài),草地植被長(zhǎng)期被踐踏,生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制,降低了優(yōu)勢(shì)種的優(yōu)勢(shì)度,為非優(yōu)勢(shì)物種拓寬了生存空間,物種在種類數(shù)量結(jié)構(gòu)上發(fā)生變化。

3.2 圍封與放牧區(qū)土壤理化性質(zhì)的變化特征

放牧是草地利用的主要方式之一,家畜通過采食、踐踏和排泄3種主要途徑影響草地的土壤健康狀況[31]。放牧主要影響表層土壤物理特性及其化學(xué)元素成分,進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)循環(huán)[9]。土壤有機(jī)質(zhì)(主要指碳素)是陸地生物圈生物地球化學(xué)循環(huán)的主要成分之一,指示土壤健康,而可溶性有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)庫(kù)中最活躍的部分,能最敏感的反映土壤有機(jī)質(zhì)的變化。 本研究中圍欄內(nèi)土壤相對(duì)放牧來說,有機(jī)碳含量略高于圍欄外,并未達(dá)到顯著水平(P>0.05)、而水溶性有機(jī)碳含量高于圍欄外,已經(jīng)發(fā)生了顯著變化(P<0.05)。這是由于在生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱的半干旱地區(qū),土壤本身有機(jī)質(zhì)含量較低,放牧后打破了土壤的低緩沖性能,導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)降低。而圍欄封育區(qū)在無牲畜干擾的情況下,得到了恢復(fù)。而土壤pH有顯著變化(P<0.05),酸性增強(qiáng),同時(shí)土壤物理結(jié)構(gòu)(沙土與粉土比例)有顯著變化(P<0.05),土壤總、氮磷含量圍欄外高于圍欄內(nèi),這是由于圍欄外作為自由放牧區(qū),牲畜頻繁采食,導(dǎo)致排放的糞便輸出增加,土壤全氮、全磷長(zhǎng)時(shí)間累積導(dǎo)致的結(jié)果。而Yanfen W等[32]研究發(fā)現(xiàn),放牧對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)沒有影響,Frank等[33]研究表明圍欄與適牧樣地相比有一定的土壤有機(jī)質(zhì)略有增加。Romulo等[34]發(fā)現(xiàn)放牧對(duì)全氮含量沒有顯著影響,長(zhǎng)期適度放牧有利于提高氮的循環(huán)速率和可利用率。在以往的研究中放牧對(duì)土壤物理和化學(xué)性質(zhì)的影響并沒有單一和一致的結(jié)論,尤其體現(xiàn)在化學(xué)性質(zhì)上,這可能是因?yàn)椴菰寥老到y(tǒng)具有滯后性和容量性 (彈性)[23],而且氣候、地形、土壤性質(zhì)、植物組成、放牧動(dòng)物類型、放牧歷史等因素對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)有重要的影響。

3.3 圍封與放牧區(qū)土壤酶的變化特征

土壤酶作為有機(jī)質(zhì)分解過程的生物催化劑,主要源于土壤微生物、植物根系及動(dòng)植物殘?bào)w腐解過程,是評(píng)價(jià)土壤生產(chǎn)力與生物活性的重要生物指標(biāo)。其中細(xì)菌、真菌、濕地物種的植物根系都能夠合成土壤酶并釋放到細(xì)胞外,土壤中的游離酶的活性非常穩(wěn)定,在1a或更多時(shí)間內(nèi)不失去活性。蔗糖酶、葡萄糖苷酶、酚氧化酶、過氧化物酶與碳循環(huán)密切相關(guān),L-天冬氨酸酶、蛋白酶、脲酶與氮循環(huán)功能相關(guān),而堿性磷酸酯酶與磷循環(huán)密切相關(guān),土壤酶在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中起著重要的作用。本試驗(yàn)證實(shí),脲酶與堿性磷酸酶,L-天冬氨酸酶的活性表現(xiàn)為圍欄外略高于高于圍欄內(nèi),其原因尚不清楚需進(jìn)一步研究,其他5種酶的活性均是圍欄內(nèi)高于圍欄外,圍封后,表層凋落物增多,使土壤肥力得到改善,但有些變化不明顯,可能是由于圍欄期限較短,表層有機(jī)質(zhì)積累較少,代謝活躍性較低。

3.4 圍封與放牧區(qū)土壤微生物生物量及群落結(jié)構(gòu)的變化特征

在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中,土壤微生物及其生物量在土壤形成和演化過程中起介導(dǎo)作用,土壤微生物群落組成及其生物量等成為評(píng)價(jià)土壤健康的生物指標(biāo),以此來評(píng)價(jià)退化土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)過程已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究對(duì)象。土壤具有比陸地上任何其他生態(tài)系統(tǒng)都要豐富且了解甚少的生物多樣性,這是導(dǎo)致其群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能難以被預(yù)測(cè)的原因之一。磷脂脂肪酸分析(PLFA)技術(shù)常被用于研究復(fù)雜群落中微生物的多樣性,磷脂是所有活細(xì)胞細(xì)胞膜的基本組成,具有多樣性和生物學(xué)特異性,可用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究,結(jié)合16S rDNA高通量測(cè)序技術(shù),對(duì)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入探究。PLFA試驗(yàn)結(jié)果表明,微生物的總生物量在圍欄后顯著增加。細(xì)菌與真菌的生物量圍欄內(nèi)顯著高于圍欄外(P<0.05),真菌與細(xì)菌的比值以及環(huán)狀脂肪酸與前體脂肪酸的比值,圍欄內(nèi)略低于圍欄外,沒有顯著變化(P>0.05)。說明在短期(3a)圍欄的時(shí)間內(nèi),青藏高原該地區(qū)的環(huán)境壓力較小,自由放牧區(qū)放牧量有一定的隨機(jī)性,還未引起土壤微生物結(jié)構(gòu)的顯著改變。退化草地的修復(fù)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程,在短時(shí)間內(nèi)難以完全恢復(fù)。由16S rDNA測(cè)序的結(jié)果顯示,圍封后土壤細(xì)菌多樣性(Chao1)及在門水平上的優(yōu)勢(shì)物種相對(duì)豐度均有所增加,但其并未達(dá)到顯著水平。Mantel test結(jié)果顯示,影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子是土壤的固相有機(jī)元素含量。其中有機(jī)元素的含量相對(duì)水溶性元素變化周轉(zhuǎn)較為緩慢,圍封年限較短,還未發(fā)生顯著變化。土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的執(zhí)行者,通過其代謝及微生物間相互作用進(jìn)行著物質(zhì)轉(zhuǎn)化和元素循環(huán)[35]。

4 結(jié)論

過度放牧能破壞植被-土壤-微生物系統(tǒng)穩(wěn)定性,圍欄封育可以修復(fù)退化草地。本試驗(yàn)證實(shí),圍封后植被高度、蓋度均有顯著變化,土壤的理化性質(zhì)(土壤水、pH、水溶性有機(jī)碳氮含量等)有所改善,土壤微生物的生物量有顯著增加。進(jìn)一步分析結(jié)果顯示,細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)與土壤有機(jī)元素的含量與組成(TOC、TN、C/P、N/P)呈顯著正相關(guān)。這表明,圍欄封育對(duì)與藏北退化草地有顯著的修復(fù)效果,土壤微生物的生活環(huán)境已發(fā)生顯著變化。因此,圍欄封育雖對(duì)藏北退化草地生態(tài)系統(tǒng)有一定的修復(fù)作用,但為了保證其達(dá)到更好的平衡狀態(tài),可適當(dāng)延長(zhǎng)圍欄年限,促進(jìn)退化草地生態(tài)系統(tǒng)的完全修復(fù)。

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The response of alpine grasslands ecosystem in the north Tibet to short-term enclosure

GAO Feng1,2, WANG Bin1,*, SHI Yuxiang1, ZHANG Gengxin2,WANG Jian3,5, SI Guicai4, HAN Conghai2,5, YUAN Yanli2, HU Ang2

1 Hebei University of Engineering, Handan 056038, China2 Key Laboratory of Alpine Ecology and Biodiversity (LAEB),Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China 3 Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China 4 Lanzhou Institute of Geology, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China5 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Alpine grasslands, an important terrestrial ecosystem, play an essential role in global carbon and nitrogen cycles. Recently, overgrazing in alpine grasslands, particularly on the Tibetan Plateau, a sensitive district subject to climate change, is a serious issue leading to their degradation and degeneration, Fencing to exclude grazers has become an important management practice to protect and re-establish the degraded grasslands on the TP. Previous studies on the alpine grassland ecosystem have focused on a certain aspect. However, a systematic study has largely been lacking. The current research was focused on the severely degraded alpine grassland in Gulu Town, Naqu County, located in the north of TP. In order to determine the effect of restoration, we studied the short-term (three-year) effects of fencing on the vegetation characteristics, soil physicochemical properties, soil enzyme activities, soil microbial biomass, and soil microbial communities, and compared them with areas where grazing was allowed. Soil enzyme activity was detected using an UV spectrophotometer. Microbial biomass was measured by phospholipid-derived fatty-acid analysis (PLFA) method. Furthermore, we also studied profiling of complex soil bacterial communities based on 16S ribosomal RNA gene (rDNA) sequences by means of Next Generation Sequencing (NGS) technologies at the Ion Personal Genome Machine (PGM) platform. After fencing for three years, the alpine grassland ecosystem differed noticeably between the fencing and grazing areas across the study sites. Our study showed that: (1) The total plant cover, average vegetation height, and aboveground biomass of vegetation determined during the above ground vegetation surveys were significantly higher in fenced areas than the areas where grazing was permitted (P<0.01). However, the diversity of vegetation (Shannon-Weiner index) in the fenced area was significantly lower than that in grazing sites (P<0.01). (2) Soil pH perceptibly decreased while the dissolved organic carbon in soil was increased after fencing. Soil structure, in terms of the ratio of sand to silt was also affected with fencing (P<0.05). (3) Soil enzyme activities were not influenced by fencing. (4) Soil microbial biomass (Bacteria, Actinomycetes, and Fungi) significantly increased in the fencing area(P<0.05). (5) There was an increasing tendency in the diversity of bacteria in soil, and the community composition of bacteria was changed at the phylum level, but there was no significant difference after fencing. (6) Further, the Mantel′s test suggested that the major environmental factor,soil organic matter such as total organic carbon (TOC), total nitrogen (TN), carbon to phosphorus ratio(C/P), and nitrogen to phosphorus ratio(N/P)were affecting microbial community in the fenced sites. From these results, it can be inferred that, in the grasslands ecosystem, soil sub-system was steadier than plant community sub-system. In soil sub-system, soil microbial communities were less susceptible than soil profile characteristics in fenced grasslands. In conclusions, fencing was a valid method in reconstructing aboveground biomass in the alpine grassland on TP, thereby inducing a number of changes in the soil microbial community, including the composition and diversity of microorganisms. In future, more destroyed grassland should be fenced in order to preserve the balance of the ecosystem and to resist the effects of global climate change. More studies were needed to be conducted over longer periods of fencing to further our understanding of the effects on fencing on restoration of alpine grasslands.

short-term enclosure; alpine grasslands; ecological system; soil enzyme activities; soil microorganism

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)專題項(xiàng)目(2013CB956002);國(guó)家自然科學(xué)基金(41471055,41201236)

2016- 02- 04; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201602040259

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hdwangbin@126.com

高鳳,王斌,石玉祥,張更新,王建,斯貴才,韓叢海,袁艷麗,胡盎.藏北古露高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)短期圍封的響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4366- 4374.

Gao F, Wang B, Shi Y X, Zhang G X,Wang J, Si G C, Han C H, Yuan Y L, Hu A.The response of alpine grasslands ecosystem in the north Tibet to short-term enclosure.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4366- 4374.