王德平，宋 倩，劉忠寬，趙 坤，劉玉玲，肖 紅，曹 婧，戎郁萍

（1.中國農業(yè)大學草業(yè)科學與技術學院, 北京 100193；2.河北省農林科學院農業(yè)資源環(huán)境研究所, 河北 石家莊 050051）

呼倫貝爾草地是我國北方重要的生態(tài)屏障與草牧業(yè)生產(chǎn)基地，隨著全球氣候變化及人為不合理利用，該地區(qū)80%的草地出現(xiàn)不同程度的退化，生物多樣性與穩(wěn)定性降低，草地生產(chǎn)力下降，生態(tài)系統(tǒng)結構和功能受損[1]。土壤微生物是維持草地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的關鍵因子[2]，對環(huán)境的變化較為敏感，對土壤健康和草地退化具有較好的指示作用[3]。土壤微生物通過分解有機質，為土壤養(yǎng)分循環(huán)提供動力；并且通過菌絲纏繞、分泌有機酸及黏結作用促進大團聚體的形成，在改良土壤質量方面發(fā)揮關鍵作用[3]；同時土壤微生物通過與植被進行碳交換，在調節(jié)植物生長、發(fā)育中也發(fā)揮重要作用[4-5]。一些研究認為土壤微生物的多樣性及復雜性在預測草地群落的多樣性及穩(wěn)定性方面具有關鍵指導作用[6]；同時土壤微生物群落結構的多樣性有利于提高土壤對環(huán)境變化的緩沖能力，進而保持草地生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定[7]。

放牧是天然草地的普遍利用方式，呼倫貝爾草地產(chǎn)草量高，為滿足畜牧業(yè)需要，一部分天然草地將會被刈割，并加工處理為飼草料，因此，刈割是除了放牧之外的草地主要利用方式；而開墾為農田有利于獲得更大的經(jīng)濟效益[8]。因此，草地刈割、放牧、開墾成農田等是呼倫貝爾地區(qū)主要草地利用方式，草地利用方式的轉變可以通過影響土壤理化性狀，進一步改變土壤微生物生物量和群落結構[9]。方圓等[10]對北方溫帶草原研究發(fā)現(xiàn)，草甸草原土壤微生物群落主要受土壤全碳(total carbon，TC)、全氮(total nitrogen，TN)調節(jié)，宋倩[11]在呼倫貝爾草原的研究也發(fā)現(xiàn)TC、TN 與細菌、真菌磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid, PLFA)量呈正向關系。放牧通過采食踐踏及糞尿歸還，影響土壤微生物生物量及組成。Zhao 等[12]發(fā)現(xiàn)放牧顯著降低土壤微生物總生物量，但不同微生物群落對放牧的響應存在差異；Xu 等[13]在亞熱帶放牧場的研究發(fā)現(xiàn)，放牧顯著提高土壤微生物生物量，但細菌豐度增加而真菌豐度降低，這主要是由于真菌比細菌對復雜底物具有更高的利用效率，而細菌更利于分解簡單底物[14]；同時，放牧作用促進高質量凋落物(低碳氮比)輸入土壤中，提高土壤養(yǎng)分狀況從而降低真菌豐度?；趦让晒挪莸氐膍eta 分析發(fā)現(xiàn)[15]，重度放牧顯著降低土壤有機碳，輕度放牧顯著增加了土壤有機碳，而土壤有機碳與微生物生物量呈顯著正相關關系，土壤微生物群落對放牧的響應方式及其與土壤理化性狀的關系仍需進一步研究。圍封是退化草地常用的恢復措施，圍封通過提高地上生物量和根系分泌物，有利于土壤微生物繁殖[16]。但是，長期圍封導致立枯物和凋落物分解緩慢，植被綠色活體生物量降低，進而影響?zhàn)B分循環(huán)，從而抑制土壤微生物對養(yǎng)分的獲取[17]，因此，圍封可能在短期內提高土壤微生物生物量，但長期圍封可能對微生物群落起抑制作用。刈割通過地上植被的移除，改變地上植被的豐富度和多樣性，也影響微生物群落結構[18]。有學者研究發(fā)現(xiàn)刈割導致植物光合器官損傷和消耗，使土壤微生物可獲得的養(yǎng)分及凋落物減少，導致微生物生物量降低[19]。在高草草原的研究中發(fā)現(xiàn)，適度刈割通過減少遮陰增加光合作用、補償生長和改變分配模式[20]；有利于地上、地下生物量的積累，促進微生物群落的繁殖。草地開墾為農田使地上生物多樣性顯著降低，同時人為的田間管理(施肥、灌溉、翻耕等)對土壤的擾動很大[21]，土壤微生物生物量及群落結構對草地轉變?yōu)檗r田的響應極為復雜。施肥是農田管理的重要措施，主要包括礦物肥料和有機肥料。礦物肥料可能通過影響土壤的非生物特性(如酸堿度)[22]，強烈影響土壤微生物生物量和微生物群落的組成和功能。與礦物肥料相比，有機肥料的應用導致了土壤微生物群落結構和功能的根本不同，并導致土壤微生物生物多樣性的減少[23]。農田翻耕降低了土壤團聚體的穩(wěn)定性，加速了微生物對團聚體中碳的利用[24]；對81 個草地開墾的案例進行meta 分析時發(fā)現(xiàn)，草地向農業(yè)用地的轉變普遍造成了土壤有機碳的流失，但不同地區(qū)抵御土壤有機碳流失存在顯著差異[25]，具體的作用機制及調控策略尚不明確。

本研究以圍封草地為對照，通過調查不同草地利用方式(刈割、放牧、開墾)下土壤理化性狀和磷脂脂肪酸含量，研究草地利用方式對土壤微生物群落結構的影響，以期為呼倫貝爾地區(qū)草地合理利用和退化草地修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于內蒙古呼倫貝爾市陳巴爾虎旗特尼河九隊(49°20′～49°26′ N，119°55′～120°09′ E，海拔629～653 m)，溫帶大陸性季風氣候，年均溫-1.1 ℃，7 月為最熱月，月均溫在20～22 ℃，1 月為最冷月，月均溫為-28～-25 ℃；無霜期100～115 d。年降水量約345 mm，其中6 月 - 9 月降水量約占全年降水量的80%。土壤類型為黑鈣土，土壤表層有機碳含量約36.7 g·kg-1。

試驗區(qū)草地為溫性草甸草原，建群種為羊草(Leymus chinensis)，伴生植物有貝加爾針茅(Stipa baicalensis)、無芒雀麥(Bromzus inermis)、裂葉蒿(Artemisia tanacetifolia)、 星 毛 委 陵 菜 (Potentilla acaulis)、寸草苔(Carex duriuscula)、日蔭菅(Carex pediformis)、 黃 花 蒿(Artemisia annua)、 斜 莖 黃 芪(Astragalus adsurgens)等。

1.2 野外調查方法

2019 年8 月中旬進行野外調查取樣，選取空間上相近的3 種草地(刈割、放牧、開墾)和圍封草地；其中，圍封樣地自2016 年開始圍封；刈割樣地自2000 年起，每年8 月中、下旬刈割，留茬8 cm；放牧樣地自2013 年起，每年6 月 - 10 月初放牧，其余時間休牧，載畜率為每年每公頃0.43 標準牛單位；草地開墾轉化為農田樣地已耕種60 年，種植作物為小麥(Triticum aestivum)。在上述樣地中，每類樣地選取具有代表性的地段，設置3 塊100 m × 300 m 的子樣地，共計12 塊子樣地。在每塊子樣地中采用“S”型取樣法，隨機選取10 個樣點，在每個樣點處隨機選取一個50 cm × 50 cm 的樣方，使用直徑5 cm 的土鉆采集0 - 10 cm 土壤，將每個子樣地所取的10 個樣方土壤樣品混合為3 個土壤樣品；所有樣地共計獲得36 個土壤樣品。將所得土壤樣品去除石礫、根系及雜物，過2 mm 篩；將剩余土壤樣品分為3 份，一份置于-20 ℃冰箱用于測定土壤銨、硝態(tài)氮，一份置于-80 ℃冰箱，用于測定土壤微生物PLFA 含量；一份自然陰干后用于土壤基礎養(yǎng)分的測定。

1.3 土壤樣品測定

表1 特定微生物磷脂脂肪酸標記Table 1 Labeling of specific microbial phospholipid fatty acids

1.4 數(shù)據(jù)分析

對土壤理化性狀、磷脂脂肪酸類型、微生物各類群PLFA 含量進行單因素方差分析及Duncan 差異顯著性檢驗(α = 0.05)。使用Vegan 包中的decorana、rda 函數(shù)對土壤理化性質與微生物群落結構進行冗余分析，用Ezekiel 公式進行R2校正，采用蒙特卡洛置換檢驗進行約束軸的置換檢驗，置換次數(shù)為999 次。數(shù)據(jù)在R3.6.0 中分析，Sigmaplot 14.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 草地利用方式對土壤理化性狀的影響

除銨態(tài)氮含量外，其他土壤指標4 種草地利用方式間均出現(xiàn)顯著差異(P＜ 0.05) (表2)。草地開墾為農田土壤TC、TN 顯著低于其他草地利用方式(放牧、圍封、刈割)；但開墾處理下AP、EC 及pH 均顯著高于其他3 種草地利用方式(放牧、圍封、刈割)；與放牧、圍封、刈割草地相比，農田土壤AP 分別提高了327.39%、371.93%和395.23%，EC 分別提高了149.49%、139.40%和102.30%。4 種草地利用方式中，僅農田土壤pH 表現(xiàn)為堿性，其余土壤pH均表現(xiàn)為酸性。與圍封相比，放牧處理TP、硝態(tài)氮均顯著降低，但AP、TC、TN 與圍封并無顯著差異。圍封處理硝態(tài)氮顯著高于開墾、刈割、放牧，硝態(tài)氮含量分別提高了26.25%、67.07%和20.08%。

表2 草地利用方式對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of grassland utilization on soil nutrient content

2.2 草地利用方式對微生物群落結構的影響

土壤樣品中檢測出各處理共有的PLFA 標記磷脂脂肪酸26 種(圖1)。其中，支鏈飽和脂肪酸(branched-chain saturated fatty acids, BFA) 10 種：13 ∶ 0 iso、14 ∶ 0 iso、15 ∶ 0 anteiso、15 ∶ 0 iso、16 ∶ 0 iso、16 ∶ 0 10-methyl、17 ∶ 0 iso、17 ∶ 0 anteiso、18 ∶ 0 iso、20 ∶ 0 10-methyl，BFA 相對含量占土壤磷脂脂肪酸總量的37.84%～42.71%。共檢測出單烯脂肪酸(monoenoic fatty acids,MFA) 6 種：16 ∶ 1 w5c、16 ∶ 1 w9c、16 ∶ 1 w7c、18 ∶ 1 w7c、18 ∶ 1 w5c、18 ∶ 1 w9c，MFA 相對含量占PLFA 總量25.47%～29.95%。共檢測出6 種直鏈飽和脂肪酸(straight chain saturated fatty acids, SFA)：14 ∶ 00、15 ∶ 00、16 ∶ 00、17 ∶ 00、18 ∶ 00、20 ∶ 00，SFA 相對含量占PLFA總量19.96%～23.69%。多烯脂肪酸(polyenoic fatty acids, PFA) 2 種：18 ∶ 3 w6c、18 ∶ 2 w6c；相對含量均在5%以下。環(huán)丙烷脂肪酸(cyclopropane fatty acids,CFA) 2 種：17 ∶ 0 cyclo w7c、19 ∶ 0 cyclo w7c，相對含量在5.45%～6.82%。與放牧草地和圍封草地相比，刈割草地和農田BFA 顯著降低(P＜ 0.05)，但MFA顯著增高；農田SFA 顯著高于刈割草地，但與放牧草地、圍封草地無顯著差異(P＞ 0.05)；刈割草地PFA 顯著高于其他草地利用方式。在各草地利用方式中BFA 占比均為最高；且土壤磷脂脂肪酸類型占比均為BFA ＞ MFA ＞ SFA ＞ CFA ＞ PFA (表3)。

表3 不同草地利用方式下土壤磷脂脂肪酸類型及其比例Table 3 PLFA and their proportions under different grassland utilization methods

圖1 不同草地利用方式土壤微生物PLFA 圖譜Figure 1 Soil microbial PLFA profiles map under different grassland utilization methods

草地利用方式對各微生物菌群均具有明顯影響(圖2)。除AMF 外，刈割草地各微生物菌群均顯著高于農田、圍封草地和放牧草地(P ＜0.05)。其中，細菌、放線菌、G+、總PLFA 菌群在農田、圍封草地和放牧草地間無顯著差異(P＞ 0.05)，圍封草地真菌顯著高于農田。與刈割草地相比，農田G+顯著降低，放牧草地G+與圍封草地無顯著差異。各微生物菌群均表現(xiàn)為刈割草地最高，且在4 種草地利用中細菌占總PLFA 比例均為最高。

圖2 草地利用方式對微生物群落的影響Figure 2 Effects of grassland utilization on microbial community

不同草地利用方式細菌/真菌PLFA 濃度比值在各處理下均無顯著差異(P＞ 0.05)。細菌/真菌PLFA濃度比值的變異系數(shù)在0.01～0.10，變異系數(shù)表現(xiàn)為圍封 = 放牧 ＞ 農田 ＞ 刈割。草地利用方式對G+/G-影響明顯，與圍封草地相比，草地刈割和農田顯著降低了G+/G-；放牧處理G+/G-低于圍封，但二者無顯著差異(P＞ 0.05)。G+/G-變異系數(shù)在0.03～0.09，具體表現(xiàn)為開墾 ＞ 放牧 ＞ 刈割 ＞ 圍封；開墾處理G+/G-最小，但變異系數(shù)最大(表4)。

表4 草地利用方式對土壤微生物PLFA 比值的影響Table 4 The influence of grassland utilization on the ratio of soil microbial PLFA

2.3 土壤理化性狀與微生物群落的冗余分析

RDA1 軸和RDA2 軸共同解釋微生物群落組成變異的51.04% (圖3)。土壤AP、pH、EC 與G+、細菌、總PLFA、真菌呈顯著負相關關系(P＜ 0.05)；TC、TN 與G+、細菌、總PLFA、真菌呈顯著正相關關系；AMF、G-、放線菌與AP、pH、EC、TC、TN 的相關性均較低，但總體仍與TC、TN 呈正相關關系，與AP、pH、EC 呈負相關關系。

3 討 論

3.1 草地利用方式對土壤理化性狀的影響

草地開墾為農田易導致土壤C、N 元素流失，本研究發(fā)現(xiàn)草地開墾為農田，土壤TC、TN 分別降低41.47%和45.08%。地上凋落物與植物根系是土壤C、N 的重要來源，與草地植被相比，農作物地下根系并不發(fā)達，且大多數(shù)農作物根系以淺層須根為主[27]，由根系分解至土壤的C、N 相對較少。除此之外，研究區(qū)農田種植作物為小麥，地上生物量較大，農田收獲導致大量的地上植被從農田生態(tài)系統(tǒng)中移除；因此，與其他3 種草地利用方式相比，農田生態(tài)系統(tǒng)由地上植被返還土壤的C、N 也相對較少。同時，草地開墾導致土壤透氣性增加，提高了微生物對有機碳的礦化速率[28]，且開墾導致的地表裸露，有利于風蝕對土壤團聚體的破壞，直接導致土壤團聚體中的微團聚體流失。草地轉變?yōu)檗r田后，土壤有機碳由主要大團聚體儲存，轉變?yōu)橹饕晌F聚體儲存[29]，因此，微團聚體的損失會進一步加速土壤C、N 流失。除此之外，風蝕對土壤團聚體的物理破碎作用有利于提高微生物與有機質的接觸面積[30]，這可能是造成草地開墾后土壤C、N 損失的另一原因。土壤開墾后，地表水分蒸發(fā)較高，地下鹽分隨水分運移向土壤上層積累，進而導致草地開墾后pH增加[31]。同時，農田施肥導致速效養(yǎng)分及鹽分歸還至土壤，直接導致土壤速效磷及電導率的提高。

與C、N 元素不同，P 元素易被植物吸收利用[32-33]。放牧通過家畜采食作用造成植被損失，進而影響植物將更多的磷吸收儲藏，而未被分解歸還至土壤[34]，這可能是導致放牧草地土壤全磷顯著低于圍封草地的主要原因。研究區(qū)土壤速效氮主要以硝態(tài)氮形式存在，銨態(tài)氮含量較少；放牧對硝態(tài)氮的影響可能取決于放牧強度[35]，Zhou 等[36]在全球尺度的meta分析表明，中、重度放牧強度導致土壤速效氮流失，而輕度放牧對土壤速效氮影響較小。首先，中、重度放牧下家畜的選擇性采食導致草地群落組成改變[37]，進而造成進入土壤的地上凋落物質量降低[38]，從而降低土壤N 庫。其次，家畜踐踏導致土壤緊實，放牧草地氧分壓相對較低，適宜反硝化細菌生存，且家畜糞便中C/N 比較低[39]，糞便的返還為反硝化細菌提供N 源及易分解的有機質，進而造成反硝化作用增強，導致放牧草地硝態(tài)氮的損失。

3.2 草地利用方式對微生物群落的影響

在4 種草地利用方式中，土壤微生物均以細菌為主體，這與在青藏高原[40]的研究結果一致。譚紅妍[41]在對呼倫貝爾草地的研究中發(fā)現(xiàn)，刈割提高了各菌群PLFA 量，這與本研究結果一致。冗余分析表明，TC、TN 與各微生物類群呈不同程度的正相關關系，土壤微生物碳、氮主要來源于土壤碳、氮[42]，刈割處理中土壤TC、TN 在各個處理中均為最高，這在一定程度上解釋了刈割導致各菌群PLFA 量升高。除此之外，適度的刈割促進地上植物生長，并進一步提升養(yǎng)分周轉效率，這有利于促進地下共生微生物的繁殖，進而導致微生物PLFA 量增加[43]。同時AP、pH 和EC 與各微生物類群PLFA 量均呈負相關關系，Wen 等[44]研究認為，N 沉降背景下，過多的N 素進入土壤，可造成土壤速效磷增加，導致微生物底物酸化及木質素和纖維素降解能力的減弱等，進一步造成微生物生物量減少[45]。

與刈割不同，草地開墾后地上凋落物減少且土壤有機質流失嚴重[46]，而真菌在分解凋落物及通過菌絲纏繞作用形成大團聚體中發(fā)揮關鍵作用[47]，可能是開墾處理下，真菌PLFA 量顯著降低的原因。與革蘭氏陰性菌相比，革蘭氏陽性菌分解復雜碳組分的能力更為突出[48]，本研究中農田G+/G-顯著降低(P＜ 0.05)，表明農田土壤微生物群落向分解高活性碳底物方向轉變。這可能是草地開墾后，由于人為輸入碳底物，農田生態(tài)系統(tǒng)中易分解碳的比例增加，不利于主要分解復雜碳組分的革蘭氏陽性菌生存。同時，草地開墾后，人為施肥、水分蒸發(fā)、土壤風蝕等原因導致農田生態(tài)系統(tǒng)較高的土壤EC、AP 和pH，EC、AP、pH 與土壤各微生物類群均成負相關關系(圖3)，這表明農田較高的EC、AP 和pH一定程度上抑制土壤各微生物類群的生長和繁殖。可能是由于人為施肥導致的P 添加，加劇了土壤微生物的C、N 限制；Xiao 等[49]在呼倫貝爾草地的N、P 添加試驗也發(fā)現(xiàn)，P 添加增加了微生物的N 限制，N 添加增加了微生物的C 限制。因此土壤TC、TN 可被考慮作為草地開墾為農田后微生物群落的重要調控因素。

4 結 論

呼倫貝爾草地開墾為農田導致土壤C、N 流失，降低革蘭氏陽性菌和真菌PLFA；且開墾處理下，土壤電導率、pH 及速效磷的提高不利于微生物生長、繁殖。刈割通過提高土壤TC、TN，降低AP 等方式為微生物各菌群生長提供有利土壤理化條件。