徐曉鳳，牛德奎，郭曉敏，鄧邦良，周桂香，王書(shū)麗，朱叢飛，羅漢東

(1.江西省森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江西 南昌 330045； 2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210000)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，是巨大的碳(C)、氮(N)庫(kù)[2]。放牧作為草地的一種土地利用方式，會(huì)改變草地的空間異質(zhì)性、生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程和土壤養(yǎng)分循環(huán)[3]，是導(dǎo)致生物多樣性減少[4-5]和植被覆蓋率減少的主要驅(qū)動(dòng)者[6]。然而，過(guò)度放牧使草地退化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重[7-10]，導(dǎo)致土壤C、N含量降低[10]，減少土壤有機(jī)碳的存儲(chǔ)[11]，顯著影響土壤物理、化學(xué)和微生物學(xué)特性[10,12-14]。土壤微生物是土壤有機(jī)物質(zhì)中最活躍且易變化的部分，微生物量的多少以及酶活性等對(duì)土壤C、N、P等循環(huán)至關(guān)重要[15]。土壤微生物體是土壤中的活性碳庫(kù)，微生物的殘?bào)w經(jīng)分解可供植物吸收利用，酶活性是土壤肥力、土壤質(zhì)量和土壤生產(chǎn)力的重要指示劑[16-17]，可以反映生物代謝功能強(qiáng)弱、凋落物的腐殖化速度以及微生物、植物對(duì)養(yǎng)分的間接利用效率[18]。土壤酶主要來(lái)源于土壤中的微生物，其主要作用是參與物質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化，與土壤養(yǎng)分循環(huán)有密切關(guān)系。土壤β-葡萄糖甘酶可以分解植物殘?bào)w的纖維素和高分子碳水化合物，影響土壤有機(jī)物質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)[14]。土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性可以把C、N、P等組成的土壤有機(jī)物質(zhì)的化合物轉(zhuǎn)化成供植物直接利用的有效態(tài)養(yǎng)分[19]。土壤脲酶參與N素轉(zhuǎn)化，能為植物提供吸收利用的有效態(tài)N[20]。 江西武功山山地草甸是南方草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在華東地區(qū)具有代表性，然而當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常年偷牧，導(dǎo)致草甸受到不同程度的破壞。目前已有許多學(xué)者對(duì)在不同海拔、不同植被類型等條件下對(duì)武功山山地草甸土壤理化性質(zhì)及微生物生物量碳分布進(jìn)行了研究，然而對(duì)于不同放牧強(qiáng)度下，山地草甸區(qū)域土壤理化性質(zhì)和微生物功能的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究通過(guò)對(duì)武功山不同放牧強(qiáng)度的山地草甸進(jìn)行理化性質(zhì)和微生物的相關(guān)性研究，旨在為退化草甸修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

江西武功山(114° 10′ -114° 17′ E ，27 °25′ -27°35′ N )屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)型氣候。該地區(qū)氣候溫和，四季分明，年均降水量1 350～1 570 mm，年平均氣溫14～16 ℃，夏季最高溫度為23 ℃[21]。本試驗(yàn)樣地主要位于武功山九龍山自然保護(hù)區(qū)，海拔約1 600 m，土壤為亞熱帶山地草地土，厚度約40 cm，物種數(shù)目約108種，草甸優(yōu)勢(shì)種主要為野古草(Arundinellaanomala)、芒草(Miscanthus)，另外還有少量的十字花科(Brassicaceae)、唇形科(Labiatae)和薔薇科(Rosaceae)植物[21]。九龍山草甸區(qū)是典型的牧民偷牧區(qū)域，草地破壞嚴(yán)重，植被覆蓋率低。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

試驗(yàn)以牧民自由放牧利用草地為研究對(duì)象，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)區(qū)組包含3個(gè)處理，分別為輕度放牧(植被覆蓋率>80%)、中度放牧(植被覆蓋率為40%～80%)和重度放牧(植被覆蓋率<40%)，共3個(gè)區(qū)組。

2017年7月，根據(jù)每個(gè)處理分別隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m的樣方，在樣方內(nèi)采用直徑5 cm的土鉆按照五點(diǎn)取樣法采集0-20和20-40 cm土層的土壤。土壤混勻，裝入保鮮袋，冷藏處理后，帶回實(shí)驗(yàn)室。用鑷子挑出根、石子及其他碎屑物，過(guò)2 mm孔徑篩，裝入自封袋放在4 ℃冰箱里，用于測(cè)定土壤微生物生物量碳氮和酶活性。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[22]測(cè)定，換算系數(shù)分別為0.38、0.45?？扇苄蕴?、氮使用TOC(multi 3 100)儀器測(cè)定。脲酶采用靛酚比色法[23]測(cè)定。堿解氮采用堿解擴(kuò)散法[22]，β-葡萄糖甘酶活性參考文獻(xiàn)[24]的方法測(cè)定。β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性參考文獻(xiàn)[25]的方法測(cè)定。易氧化碳采用333 mmoL·L-1高錳酸鉀氧化，分光光度計(jì)比色法[26]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用雙因素方差法分析不同土層和不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤微生物生物量碳氮和酶活性的影響，用Duncan法進(jìn)行多重比較，對(duì)不同放牧強(qiáng)度下，酶活性與土壤微生物生物量、可溶性碳氮、堿解氮和易氧化碳進(jìn)行相關(guān)性分析。采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin 8.1制圖。

2 結(jié)果

2.1 不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤微生物生物量碳氮的影響

0-20 cm土層土壤微生物生物量碳氮含量均顯著高于20-40 cm土層(P<0.05)(圖1)。除20-40 cm土層輕牧和中牧的微生物生物量氮無(wú)顯著差異(P>0.05)外，隨放牧強(qiáng)度增加，微生物生物量碳氮含量顯著降低(P<0.05)。較之輕牧，在0-40 cm土層，中牧和重牧微生物生物量碳下降幅度為38%、72%，微生物生物量氮下降幅度為28%、66%。

圖1 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤微生物生物量碳氮的影響Fig. 1 Effect of different grazing intensity on soil microbial biomass carbon and nitrogen

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Diffenrent lowercase letters indicat significant difference among treatments at the 0.05 level;similarly for the following figures.

2.2 不同放牧強(qiáng)度對(duì)可溶性碳氮的影響

不同放牧強(qiáng)度下0-20 cm土層可溶性碳含量表現(xiàn)為輕牧顯著大于中牧和重牧(P<0.05)，20-40 cm土層放牧強(qiáng)度間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖2)。0-20 cm土層可溶性氮含量輕牧顯著高于中牧和重牧，中牧和重牧間無(wú)顯著差異，20-40 cm土層重牧顯著低于輕牧(P<0.05)。在0-40 cm土層，與輕牧相比較，中牧和重牧可溶性碳的均下降了26%，可溶性氮分別下降了18%和30%。

2.3 不同放牧強(qiáng)度對(duì)堿解氮和易氧化碳的影響

重牧堿解氮含量顯著低于輕牧和中牧(P<0.05)，且輕牧和中牧間無(wú)顯著差異(P>0.05)，同一放牧強(qiáng)度下，0-20和20-40 cm土層間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖3)。重牧易氧化氮含量顯著低于中牧和輕牧(P<0.05)，且0-20 cm土層輕牧和中牧堿解氮含量無(wú)顯著差異(P>0.05)。在0-40 cm土層，與輕牧相比較，中牧和重牧堿解氮和易氧化碳分別下降了10%、42%和14%、51%。

2.4 不同放牧強(qiáng)度對(duì)土壤酶活性的影響

重牧土壤β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性顯著低于輕牧和中牧(P<0.05)(圖4)。20-40 cm土層輕牧和中牧的β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性顯著低于0-20 cm土層(P<0.05)。同一土層下，重牧脲酶活性顯著低于輕牧和中牧(P<0.05)，且輕牧和中牧間無(wú)顯著差異(P>0.05)。在0-40 cm土層，與輕牧相比，中牧和重牧β-葡萄糖甘酶分別下降了2%、73%，β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶和脲酶分別下降了23%、65%和17%、55%。

2.5 不同放牧強(qiáng)度土壤酶活性與土壤微生物生物量碳氮及其他理化性質(zhì)相關(guān)性分析

輕度放牧下，土壤β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性與土壤微生物生物量碳氮、堿解氮和易氧化碳均呈顯著正相關(guān)(P<0.05)或極顯著正相關(guān)(P<0.01)，脲酶與土壤微生物生物量碳呈顯著性正相關(guān) (P<0.05)(表1)。中度放牧下，β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性與土壤微生物生物量碳氮和易氧化碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)或極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與可溶性碳呈顯著性負(fù)相關(guān)(P<0.05)，脲酶與土壤微生物生物量碳氮和易氧化碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)或極顯著正相關(guān)(P<0.01)。重度放牧下，β-葡萄糖甘酶與土壤微生物生物量碳氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶與土壤微生物生物量碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，脲酶與土壤微生物生物量碳氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與可溶性碳呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖2 放牧強(qiáng)度對(duì)可溶性碳氮的影響Fig. 2 Effect of grazing intensity on soluble carbon and nitrogen

圖3 放牧強(qiáng)度對(duì)土壤堿解氮和易氧化碳的影響Fig. 3 Effect of grazing intensity on soil alkali-hydrolyzale nitrogen and readily oxidizable carbon

圖4 放牧強(qiáng)度對(duì)酶活性的影響Fig. 4 Effect of grazing intensity on enzyme activity

表1 不同放牧強(qiáng)度土壤酶活性與土壤微生物生物量碳氮及其他理化性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of soil enzyme activities and soil microbial biomass C and N and other soil physicochemical properties under different grazing intensities

*,顯著性相關(guān)(P<0.05)，**,極顯著相關(guān)(P<0.01);MBC,微生物生物量碳，MBN,微生物生物量氮;DOC,可溶性碳;DON,可溶性氮;ROC,易氧化碳;AN,堿解氮。

* and ** indicate significant correlation at 0.05 and 0.01 level, respectively; MBC, soil microbial biomass carbon; MBN, soil microbial biomass nitrogen; DOC, soluble carbon; DON, soluble nitrogen; ROC, readily oxidizable carbon; AN, alkali-hydrolyzale nitrogen.

3 討論與結(jié)論

3.1 放牧強(qiáng)度增加降低土壤微生物生物量碳氮、可溶性碳氮、堿解氮、易氧化碳的含量

土壤有機(jī)物[27]對(duì)微生物活動(dòng)有明顯的影響，根據(jù)Talore等[11]和Panayiotou等[14]的研究表明，放牧強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致土壤沙化，有機(jī)物含量降低，從而抑制微生物繁殖[28]，且放牧導(dǎo)致土壤地上地下生物量減少，會(huì)引起植物殘?bào)w回饋給土壤的養(yǎng)分含量減少[11]，使得微生物可利用的碳源減少，而微生物可利用的碳源主要來(lái)自動(dòng)植物殘?bào)w以及凋落物，進(jìn)而導(dǎo)致微生物生物量碳氮隨著放牧程度的增加呈下降趨勢(shì)(圖1)，表層微生物生物量碳氮較深層多，是因?yàn)楸韺油寥牢⑸锉容^活躍[29]，根系分泌物一般能夠促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)，但是由于牲畜長(zhǎng)期對(duì)草地進(jìn)行啃食，導(dǎo)致地上地下生物量降低，根系相對(duì)減少，從而降低了微生物量[29]。微生物量碳氮與可溶性碳氮對(duì)放牧強(qiáng)度的響應(yīng)有一定相似性[14]，但可溶性碳氮下降趨勢(shì)小于微生物量碳氮(圖1，圖2)，這是因?yàn)槲⑸锸峭寥乐谢铙w有機(jī)碳，微生物對(duì)環(huán)境變化非常敏感。土壤易氧化碳是土壤活性有機(jī)碳的組成部分，其來(lái)源于植物殘?bào)w、微生物殘?bào)w以及根系分泌等，地上地下生物量、土壤微生物生物量會(huì)隨著放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)而降低(圖1)，進(jìn)而降低易氧化碳的含量(圖3)。堿解氮作為速效氮可在短時(shí)間內(nèi)供植物吸收利用，曹麗華等[30]研究表明，植被減少導(dǎo)致堿解氮含量降低，而放牧導(dǎo)致植被破壞，土壤裸露，直接導(dǎo)致堿解氮含量降低(圖3)，同時(shí)長(zhǎng)期的過(guò)度放牧帶走了大量的氮素也會(huì)導(dǎo)致其含量降低。

3.2 放牧強(qiáng)度增加降低土壤酶活性

土壤酶活性主要來(lái)源于土壤微生物和植物的分泌，與土壤生態(tài)系統(tǒng)功能具有直接的關(guān)系[14]，連接土壤養(yǎng)分與植被，參與土壤的養(yǎng)分循環(huán)[31]。β-葡萄糖甘酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶和脲酶活性隨著深度和放牧強(qiáng)度的增加顯著減少(圖4)，與Mastrogianni等[32]和Monokrousos等[33]的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)槊富钚耘c土壤微生物碳氮等指標(biāo)有關(guān)(表2)。首先隨著放牧強(qiáng)度的增加，微生物可利用的碳源和氮源減少，降低了微生物活性(圖1)，進(jìn)而降低酶活性(圖4)。而深層土壤酶活性低于表層(圖4)，是因?yàn)楸韺又参餁報(bào)w較多，碳氮含量高，且表層土壤通透性較好，有利于微生物呼吸和生長(zhǎng)，從而使表層酶活性大于深層。其次易氧化碳和酶活性呈顯著相關(guān)性(表2)，易氧化碳作為活體有機(jī)碳為微生物提供碳源，放牧強(qiáng)度增加導(dǎo)致其含量降低(圖3)，進(jìn)而降低了酶活性(圖4)。在輕牧和中牧下，β-葡萄糖甘酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖甘酶活性無(wú)顯著性變化，可能是因?yàn)樵谝欢ǚ拍练秶鷥?nèi)草地生態(tài)系統(tǒng)具有緩沖性。

綜上所述，武功山九龍山放牧區(qū)隨著放牧強(qiáng)度增加，土壤養(yǎng)分呈下降趨勢(shì)，微生物碳氮和酶活性顯著下降，土壤加劇貧瘠，水土流失嚴(yán)重。因此，相關(guān)部門(mén)要加強(qiáng)管理，禁止牧民偷牧，保護(hù)山地草甸生態(tài)系統(tǒng)。本文只研究了微生物生物量碳氮和酶活性與養(yǎng)分之間的關(guān)系，放牧強(qiáng)度到底是怎樣通過(guò)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響來(lái)影響?zhàn)B分的機(jī)制，還有待于進(jìn)一步研究。