韋應(yīng)莉，曹文俠，劉玉禎

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè) 可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

祁連山作為青藏高原和北部內(nèi)陸荒漠地區(qū)重要的分水嶺，地處青藏、蒙新、黃土3大高原交匯地帶，形成了獨具特色的生物多樣性和成土條件[1]。高寒灌叢草地作為東祁連山主要地帶性植被之一，近年來不合理的放牧使其存在不同程度退化現(xiàn)象。草地退化不僅是草地植被的退化，更重要的是草地土壤環(huán)境的退化[2]。土壤肥力是土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的綜合反映，是土壤的基本屬性[3]。土壤微生物與土壤健康及土壤肥力有著密切關(guān)系，在土壤形成與發(fā)育、物質(zhì)轉(zhuǎn)化與能量傳遞等過程中發(fā)揮著重要作用[4]。土壤微生物量是土壤營養(yǎng)元素的資源庫，是植物生長所需養(yǎng)分的重要來源[5-6]。而且，有研究報道微生物生物量與微生物個體數(shù)量相比，更能反映土壤中微生物的實際含量和潛在能力[7]。所以，土壤微生物量是反映土壤質(zhì)量和性能的一項重要的指標。與未放牧地相比，放牧地微生物生物量較高，且有機碳和氮的含量也較高[8]。研究發(fā)現(xiàn)，圍欄禁牧和輕度放牧可以提高土壤微生物的生物量，重牧梯度下土壤微生物量最低[10-12]。孫海燕等[13]對荒漠草原研究發(fā)現(xiàn)，隨放牧強度的增加，微生物量顯著降低，pH值呈增加趨勢。單貴蓮等[14]對典型草原研究表明，圍封草地與自由放牧草地相比，微生物生物量碳、氮含量顯著增加，且隨圍封年限的延長呈增加趨勢。但是有關(guān)高寒灌叢草地土壤微生物的研究較少[15]。以高寒灌叢草地為研究對象，探討不同強度放牧和圍封對高寒灌叢草地土壤理化性質(zhì)及土壤微生物量的影響，尋求一種較為合理的草地放牧管理措施，為祁連山高寒杜鵑灌叢草地的合理利用提供有效措施和理論支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)自然概況

試驗地位于青藏髙原東部的天?？h金強河，地理位置N 37°11′，E 102°47′，平均海拔3 200 m，年均溫-0.1℃，年最低氣溫-18.3℃；年均降水量416 mm，其中66%集中在7～9月；年蒸發(fā)量1 592 mm。無絕對無霜期。生長季120～l40 d。土壤為高山灌叢草甸土，顯微堿性，土層較薄，為40～80 cm。植被分布受地形特征和氣候差異等因素的影響，垂直分布較明顯，上層灌木是由頭花杜鵑(Rhododendroncapitatum)、青海杜鵑(R.przewalskii)和百里香杜鵑(R.thymifolium)組成的杜鵑花科(Ericaceae)，由金露梅(Dasiphorafruticosa)和高山繡線菊(Spiraeaalpina)為主的薔薇科(Rosaceae)，山生柳(Salixoritrepha)為主的楊柳科(Salicaceae)；下層是禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)、豆科(Leguminosae)、菊科(Compositae)、毛莨科(Ranunculaceae)等為優(yōu)勢科的草層植物，具體優(yōu)勢種為問荊(Equisetumarvense)、珠芽蓼(Polygonumviviparum)、嵩草(Kobresiaspp.)、苔草(Carexspp.)等植物。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2014年6月，選取坡向和海拔一致圍欄高寒灌叢草地作為研究樣地，根據(jù)農(nóng)業(yè)部放牧利用草地退化分級標準，綜合考慮灌下可飼用草本植物利用率、可飼用灌木被采食率，灌叢地境土壤基況及家畜踐踏程度[16]，將樣地劃分為重度放牧(HG)、中度放牧(MG)、輕度放牧(LG)。分別在不同放牧強度灌叢草地內(nèi)沿海拔方向各設(shè)置3個100 m×30 m的圍欄，共9個圍欄，實施全年禁牧，作為圍封樣地，繼續(xù)觀測，以圍欄外的自由放牧圍封灌叢草地為對照，放牧家畜為藏羊、牦牛。

2016年7月中旬分別在3個不同放牧強度(重度放牧、中度放牧、輕度放牧)的試驗區(qū)釆集土壤樣品，每個處理區(qū)圍欄內(nèi)外按照S型曲線選擇40個點，去除表面植被，用直徑為3.5 cm的土鉆分別取0～10 cm和10～20 cm土樣，最后將同一深度40份土樣混勻過篩，去除根系和土壤入侵物，作為混合土樣裝入同一密封袋為一個測試樣品，共36個待試混合土樣。土樣采集標識完畢后采用“四分法”選取1 kg盡快帶回實驗室4℃保存。每份混合土樣均分為兩部分，一部分自然風(fēng)干后用于測定土壤理化指標(pH、土壤有機碳、全氮)；另外一部分4℃保存，用于測定含水量、土壤微生物量指標(微生物量碳、微生物量氮)。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)測定 土壤含水量用烘干法測定；pH用酸度計測定[18]；土壤有機碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮采用半微量凱式定氮法[19]。

1.3.2 土壤微生物量的測定

(1) 土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法[20],按以下公式計算:

式中：M為FeSO4溶液的濃度(mol/L)；Vo為滴定試劑空白所消耗的FeSO4溶液的體積(mL)；V為滴定土壤樣品所消耗的FeSO4溶液的體積(mL)；f為稀釋倍數(shù)；W為烘干土重(g)。

微生物量碳=0.38×ΔEC

式中：ΔEC為熏蒸和不熏蒸土樣浸提液中提取的碳的差值。0.38為校正系數(shù)。

(2) 微生物量氮采用氯仿熏蒸浸提法[21],按以下公式計算:

式中：M為HCl溶液的濃度；V為滴定土壤樣品所消耗的HCl溶液的體積(mL)；Vo為滴定試劑空白所消耗的HCl溶液的體積(mL)；f為稀釋倍數(shù)；W為烘干土重(g)。

微生物量碳=0.54×ΔEN

式中：ΔEN為熏蒸和不熏蒸土樣浸提液中提取的氮的差值。0.54為校正系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 放牧和圍封對高寒灌叢草地土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 不同放牧強度和圍封下土壤含水量和pH的變化 0～10 cm和10～20 cm土層的土壤含水量分別為48.33%～75.04%和46.56%～67.77%，隨著放牧強度的增大，變化順序均為MG>LG>HG,且同一土層不同放牧強度差異顯著(P<0.05)。各放牧強度灌叢草地圍封后土壤含水量均顯著高于放牧處理，HG和LG灌叢草地圍封后同一土層土壤含水量比放牧處理增加的比例最高，0～10 cm分別為12%和12.90%，和10～20 cm土層分別高4.49%和11.10%。說明隨著放牧強度的增強，土壤含水量呈先升高后降低的趨勢，同一土層各個放牧強度下圍封處理后的土壤含水量都高于放牧處理，且各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤含水量都高于10～20 cm土層土壤含水量(表1)。

0～10 cm和10～20 cm土壤pH分別為7.27～7.56和7.29～7.63，呈弱堿性，隨著放牧強度的增強，同一土層pH值逐漸增大，且差異顯著(P<0.05)。各個放牧強度灌叢草地圍封后同一土層pH值均顯著降低，且MG灌叢草地圍封后pH降低最為明顯；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤pH都低于10～20 cm土層。

2.1.2 不同放牧強度和圍封下土壤有機碳和全氮的變化 0～10 cm和10～20 cm土壤有機碳含量分別為40.98～84.18 g/kg和34.96～62.96 g/kg，且同一土層土壤有機碳含量隨著放牧強度的增大而顯著降低(P<0.05)。各個放牧強度灌叢草地圍封后同一土層有機碳含量高于放牧處理，且MG和HG圍封后與放牧處理差異顯著(P<0.05)；HG灌叢草地圍封后0～10 cm和10～20 cm有機碳含量相比放牧處理增加最大，分別為11.96%和13.13%；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤pH值都低于10～20 cm土層。說明隨著放牧強度的增強，土壤有機碳含量降低；同一土層各個放牧強度下圍封處理后的土壤有機碳含量都高于放牧處理，但在HG強度下圍封處理對土壤有機碳含量的提高作用比較明顯；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤有機碳含量都高于10～20 cm土層土壤有機碳含量(表1)。

0～10 cm和10～20 cm土層土壤全氮含量分別為3.35～5.7 g/kg和3.07～4.19 g/kg，隨著放牧強度的增強，MG和HG同一土層土壤全氮含量顯著降低。HG灌叢草地圍封后0～10 cm和10～20 cm全氮含量比放牧處理增加比例最大，分別為32.24%和21.50%；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤pH都低于10～20 cm土層。結(jié)果說明，土壤全氮含量隨著放牧強度的增大而降低；同一土層各個放牧強度下圍封處理后的土壤全氮含量都高于放牧處理，但在HG強度下圍封處理對土壤全氮含量的提高作用比較明顯；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤全氮含量都高于10～20 cm土層(表1)。

表1 不同樣地土壤理化性質(zhì)

注：同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 放牧和圍封對高寒灌叢草地土壤微生物量的影響

2.2.1 不同放牧強度和圍封對土壤微生物量碳的影響 0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物量碳分別為69.28～121.56 mg/kg和29.24～85.80 mg/kg。隨著放牧強度的增大，同一土層土壤微生物量碳顯著降低(P<0.05)。HG強度下，圍封處理后的0～10 cm和10～20 cm土層微生物量碳比放牧處理高39.67%和107.01%；MG強度下，圍封處理后的0～10 cm和10～20 cm土層微生物量碳比放牧處理高16.9%和28.09%；LG強度下，圍封處理后的各土層土壤微生物量碳與放牧處理無顯著差異(圖1)。結(jié)果表明，同一土層土壤微生物量碳隨著放牧強度的增大而降低；圍封處理能使高寒灌叢草地同層土壤微生物量碳升高，且在HG強度下圍封處理對土壤微生物量碳的提高作用尤其明顯；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤微生物量碳都高于10～20 cm土層。

2.2.2 對微生物量氮的影響 0～10 cm和10～20 cm土層土壤微生物量氮分別為9.28～18.84 mg/kg和6.93～13.19 mg/kg。隨著放牧強度的增強，同一土層土壤微生物量氮顯著降低(P<0.05)。HG強度下，圍封處理后的0～10 cm和10～20 cm土層微生物量氮比放牧處理分別高54.96%和54.96%；MG強度下，圍封處理后的0～10 cm土層微生物量氮比放牧處理高17.32%，10～20 cm土層微生物量氮比放牧處理高27%；LG強度下，圍封處理后的土壤微生物量氮與放牧處理無顯著差異(圖2)。說明同一土層土壤微生物量氮隨著放牧強度的增大而降低；圍封處理能使高寒灌叢草地同層土壤微生物量氮升高，且在HG強度下圍封處理對土壤微生物量氮的提高作用尤其明顯；各個強度放牧和圍封處理下的0～10 cm土層土壤微生物量氮含量都高于10～20 cm土層。

圖1 不同樣地土壤微生物量碳Fig.1 Soil micro-biomass carbon at different sampling sites

圖2 不同樣地土壤微生物量氮Fig.2 Soil micro-biomass nitrogen of different sampling sites

2.3 土壤微生物量碳、氮與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性分析

土壤微生物量氮與微生物量碳，全氮，有機碳和含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與pH呈極顯著負相關(guān)；土壤微生物量碳與有機碳呈極顯著正相關(guān)，與含水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH呈極顯著負相關(guān)；全氮與有機碳呈極顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負相關(guān)；有機碳與含水量呈顯著正相關(guān)，與pH呈極顯著負相關(guān)；pH與含水量呈極顯著負相關(guān)。

3 討論

3.1 不同強度放牧和圍封對土壤微生物量的影響

試驗結(jié)果表明，各層土壤微生物量碳、氮含量隨著放牧強度的增強而顯著降低(P<0.05)；不同土層各個放牧強度下圍封處理的微生物量碳、氮含量高于放牧處理；0～10 cm土層土壤微生物量碳、氮含量均高于10～20 cm土層。Wen等[22]報道高寒草地對碳庫影響，表明隨著退化程度的加深微生物量碳含量降低。張?zhí)N薇等[23]以華北農(nóng)牧交錯帶地區(qū)為試驗區(qū)，研究不同放牧強度下人工草地土壤微生物量碳、氮含量的變化，發(fā)現(xiàn)土壤微生物量碳氮含量隨放牧強度增加而迅速降低。近年來，我國學(xué)者研究了對放牧和封育管理下典型草原[24]、東北羊草草原[25-26]、高寒草地[27-30]以及荒漠草原[31]土壤微生物的變化，封育可以顯著提高土壤中微生物的數(shù)量及生物量。其中，張偉娜[29]發(fā)現(xiàn)藏北高寒草甸圍封樣地處理后微生物生物量高于圍欄外放牧處理；牛磊等[30]以不同放牧方式下那曲高寒草甸為研究對象，發(fā)現(xiàn)土壤化學(xué)性質(zhì)和微生物生物量碳總體表現(xiàn)為休牧7年>自由放牧，可見圍封在一定程度上可促進微生物的生長。放牧處理下，牲畜踐踏改變了土壤的緊實度，使土壤孔隙度和水穩(wěn)性團聚體減少，引起透水性，透氣性和水導(dǎo)率降低，土壤微環(huán)境發(fā)生改變，土壤微生物的繁殖代謝受到不同程度的干擾，造成圍封處理的微生物生物量顯著高于放牧。但牛得草等[32]以阿拉善高原微溫干旱溫帶半荒漠類草地為對象，研究圍封與放牧對土壤微生物的影響，認為退化程度低的草地與退化程度高的草地內(nèi)土壤微生物量碳含量無顯著差異，同樣王春燕等[33]以內(nèi)蒙古羊草草地為對象，研究恢復(fù)和改良草地時發(fā)現(xiàn)，長期封育使土壤微生物碳含量降低。其結(jié)果與本研究放牧強度增強，微生物量降低，且圍封處理后的土壤微生物量碳含量高于放牧處理結(jié)果并不一致，原因是不同研究中選用的試驗地點、氣候條件及水分條件不同，因此，微生物碳氮的變化規(guī)律也不同。牛得草等[32]還發(fā)現(xiàn)不同土層的土壤微生物量碳、氮含量變化規(guī)律均為表層(0～10 cm)土壤高于下層(10～20 cm)土壤，本研究與其相同。

表2 土壤微生物量與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析

注：**為0.01水平(兩側(cè))上顯著相關(guān)，* 為0.05水平(兩側(cè))上顯著相關(guān)

3.2 土壤微生物量與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系

研究表明，土壤微生物量碳與有機碳、含水量呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負相關(guān)。土壤微生物氮與微生物量碳，有機碳、全氮、含水量呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負相關(guān)。有研究指出，土壤微生物碳的變異89%決定于土壤有機碳的變異，11%變異受其他因素的作用；土壤生物氮的變異僅67%可通過土壤全氮的變異來說明，其他尚待研究[34]。有報道以青藏高原東北邊緣地區(qū)高寒草甸為試驗對象，發(fā)現(xiàn)土壤有機碳、土壤全氮以及土壤微生物量碳，兩兩之間均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系[35]。楊青等[36]對青藏高原高寒草甸研究發(fā)現(xiàn)，微生物量碳分別與微生物量氮、土壤含水量呈極顯著正相關(guān)；微生物量氮與含水量呈極顯著正相關(guān)。有報道認為土壤有機碳和全氮是決定土壤微生物量的主要影響因子[37]，而且放牧強度加重，家畜過度采食，導(dǎo)致地表覆蓋度降低，植被凋落物生物量減少，引起土壤有機碳和全氮減少，同時減少了土壤有機物質(zhì)和碳的投入，限制了微生物生長的可用能源，也使土壤微生物量減少。所以，隨著放牧強度加重，土壤有機碳含量低導(dǎo)致土壤微生物量降低，同時，土壤有機碳和全氮與土壤微生物量之間顯著的相關(guān)性也說明微生物量是土壤C、N動態(tài)的敏感指示者。

4 結(jié)論

不同放牧強度和圍封對0～10 cm和10～20 cm土層土壤含水量、pH值、有機碳和全氮影響顯著(P<0.05)，隨著放牧強度的增大，有機碳和全氮逐漸降低，土壤含水量呈先增大后降低的趨勢，pH值逐漸增大；各放牧強度灌叢草地圍封后各層土壤含水量、有機碳和全氮高于放牧處理，pH低于放牧處理；同一放牧強度下，土壤含水量、有機碳和全氮含量隨土壤深度的增加而減少，pH隨土壤深度的增加而增加。

各土層微生物量碳、微生物量氮隨著放牧強度的增大而顯著降低(P<0.05)；各放牧強度灌叢草地圍封后各層土壤微生物量碳、微生物量氮升高，且重牧下圍封處理對土壤微生物量的提高作用最明顯；同一放牧強度下，微生物量隨土壤深度的增加而減少相關(guān)性分析表明，土壤微生物量碳與有機碳、含水量呈顯著正相關(guān)，與pH值呈顯著負相關(guān)；土壤微生物氮與微生物量碳，有機碳、全氮、含水量呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負相關(guān)。