本文作者：曹淑宝、刘全伟、王立群、王浩然、王婧瑶单位：中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站、东北农业大学生命科学学院

呼伦贝尔草甸草原是世界草地资源研究和生物多样性保护的重要区域之一[1],也是我国主要畜牧业基地。近年来由于不合理管理和超限度的开发利用,草原退化日趋严重。草地退化的核心问题是土壤退化[2]。过度放牧是人类活动影响土壤退化的主要驱动因素[3]。因此研究不同放牧强度对呼伦贝尔草原土壤的影响,对该区域草地畜牧业可持续发展具有重要的指导意义。土壤微生物是草地生态系统的重要组成,通过分解动植物残体参与草地生态系统的能量流动和物质循环[45],影响着土壤活性,即养分[6]。土壤微生物量只占土壤营养库的小部分,是土壤养分转化的源和库,影响着生态系统中植物营养和土壤肥力[7],可反映出土壤养分的有效性状况及土壤生物活性[8]。土壤酶参与土壤中的各种代谢过程和能量转化,作为土壤生态系统变化的预警和敏感指标,可客观地反映土壤肥力状况[910]。为此,本研究拟通过围栏小区控制放牧强度,研究不同放牧强度下草地土壤微生物数量、微生物量和酶活性变化及其相互关系,为进一步认识退化草地,改良草地提供参考依据。

1材料与方法

1.1研究区域概况研究区位于内蒙古呼伦贝尔市海拉尔区,中国农科院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站放牧样地,N:49°19′349"49°20′173"、E:119°56′521"119°57′854",海拔666m680m,属温带半干旱大陆性气候,年均气温5°C2°C,最高、最低气温分别为36.17°C和48.5°C,无霜期110d左右。年平均降水量350mm。土壤为黑钙土或栗钙土。植被类型为羊草+杂类草草甸草原[11]。

1.2放牧样地设计试验区围成面积相等的6个小区,作为6个放牧强度,每个小区面积5hm2,试验区总面积30hm2。以500kg肉牛为一个标准家畜肉牛单位,在草地面积一定,放牧天数相同条件下,用250300kg的放

牧肉牛头数来控制不同放牧强度的实施,6个放牧强度肉牛头数分别为0、2、3、4、6、8头,即载畜率分别为G0.00:0.00Au/hm2、G0.23:0.23Au/hm2、G0.34:0.34Au/hm2、G0.46:0.46Au/hm2、G0.69:0.69Au/hm2、G0.92:0.92Au/hm2[12],放牧试验于2009年610月、2010年610月进行,共经历两个放牧期。

1.3试验方法

1.3.1样品采集与预处理:于2010年8月进行试验区采样,各试验区分别用土钻采集010cm、10cm20cm土层深度的土样,按混合采样法取10个点的混合样,除根系和石砾,过2mm筛。将采集的土样分成两份:一份4°C冰箱保存,用于土壤微生物数量及微生物量的测定;另一份室内风干,用于土壤酶活性的测定。1.3.2测定及分析方法:土壤微生物各类群数量的测定采用稀释平板法。所用培养基:细菌为牛肉膏蛋白胨培养基;放线菌为改良高氏1号培养基;真菌为马丁氏孟加拉红培养基。每一类群设3个重复,3个稀释度,各类群培养基分别接种后,细菌30°C培养2d、真菌和放线菌28°C培养4d和7d后,进行计数。土壤微生物量的测定采用氯仿熏蒸—浸提法[13]。土壤酶活性测定法[10]:过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定;转化酶采用3,5-二硝基水杨酸比色;蛋白酶采用Folin-Ciocalteu比色;脲酶采用苯酚次氯酸钠比色。所得数据采用Spss17.0统计软件进行方差分析和相关性分析。

2结果分析

2.1微生物类群组成及其数量土壤微生物类群组成及数量见表1。微生物类群主要由细菌、真菌和放线菌组成,各放牧区细菌数量有绝对优势,占总数的90.02%95.58%;其次是放线菌,占4.21%8.90%;真菌最少,仅占0.10%0.26%。微生物总数在010cm土层,G0.92最高,10cm20cm,G0.34最高,两层均为G0.00最少。从放牧强度对草原土壤微生物数量影响的显著性分析来看,各类群微生物数量均在G0.00最低。细菌数量在010cm和10cm20cm土层表现为G0.23、G0.34显著高于G0.00(P<0.05),与010cm相比,10cm20cm土层,G0.00下降了35.9%,G0.23下降了36.98%,G0.46下降了47.90%,G0.92下降了57.81%。真菌数量在010cm土层随放牧强度增加而增加,G0.92显著高于其他试验区(P<0.05),是G0.00的2.57倍,是G0.34的1.59倍,而在10cm20cm土层,真菌数量表现为各放牧区均显著高于G0.00(P<0.05),且与010cm相比,在10cm20cm土层G0.00下降了56.42%,G0.23下降了54.34%,G0.46下降了57.65%,G0.92下降了72.63%。放线菌数量与细菌和真菌变化趋势并不一致,其两层变化趋势相似,随放牧强度的增加表现为先升后降,G0.34最高。

2.2土壤微生物量不同放牧强度下,土壤微生物量碳、氮含量的变化如表2。其中微生物量碳、氮含量分别在254.17529.12mg/kg和19.1239.60mg/kg之间,受放牧强度的影响很明显,在010cm,微生物量碳、氮含量均以G0.92最高,显著高于G0.00(P<0.05)。在10cm20cm土层,土壤微生物量碳在G0.23最高,显著高于各试验区(P<0.05);微生物量氮在G0.23和G0.34较高,显著高于其他试验区(P<0.05)。土壤微生物量碳、氮垂直方向有明显的下降趋势,与010cm土层比较,10cm20cm土层微生物量碳在G0.00下降了11.9%,G0.23下降了22.19%,G0.46下降了45.78%,G0.92下降了51.96%;微生物量氮在G0.00下降了11.83%,G0.23下降了14.89%,G0.46下降了30.8%,G0.92下降了46.66%。

2.3土壤酶活性土壤过氧化氢酶表征土壤腐殖化强度和有机质积累程度[14],脲酶和蛋白酶直接参与土壤含N有机化合物的转化,其活性强度常用来表征土壤氮素供应强度[15];转化酶促进糖类的水解,加速土壤碳素循环[16];各放牧区土壤酶活性如图2,在010cm土层,过氧化氢酶G0.00最低,显著低于各放牧区(P<0.05),放牧区之间无显著差异;转化酶在010cm土层,G0.34最高,显著高于G0.00;在10cm20cm土层,过氧化氢酶和转化酶各试验区均无显著差异。蛋白酶在010cm和10cm20cm土层,各放牧区均显著高于对照区(P<0.05),脲酶在各土层各试验区均无显著差异。2.4土壤微生物数量、微生物量及酶活性的相互关系2.4.1土壤微生物数量与微生物量的相关性:短期不同放牧强度下土壤微生物数量、微生物量相关性分析如表3所示:细菌和真菌数量与微生物量碳极显著相关(P<0.01),与微生物量氮显著相关(P<0.05);放线菌数量与微生物量碳、氮均显著相关(P<0.05)。微生物数量与微生物量碳、氮密切相关,说明土壤微生物量能在一定程度上反映参与调控土壤中能量和养分以及有机物转化所对应的微生物数量,是土壤微生物生物活性的一种表现。

2.4.2土壤微生物数量、微生物量与酶活性的相关性:微生物数量、微生物量及酶活性相关分析结果如表3所示:细菌数量与过氧化氢酶、转化酶极显著相关(P<0.01),与蛋白酶显著相关(P<0.05);真菌数量与蛋白酶极显著相关(P<0.01);放线菌数量与过氧化氢酶、转化酶极显著相关(P<0.05);微生物量碳与蛋白酶极显著相关(P<0.01),与过氧化氢酶、转化酶显著相关(P<0.05);微生物量氮与蛋白酶极显著相关(P<0.01)。土壤酶活性之间,过氧化氢酶与转化酶极显著相关(P<0.05),与蛋白酶显著相关,转化酶、蛋白酶和脲酶之间相关性不显著。土壤酶活性在一定程度上反映土壤微生物活动的强度。

3讨论

3.1放牧对土壤微生物组成、数量和生物量的影响在草地生态系统中,家畜通过采食、践踏及排泄物直接影响土壤,或通过这三者对植被和微生物的作用间接影响土壤[14]。但土壤表现出的是三者综合作用的结果[17]。本研究中,各放牧区微生物数量、微生物量碳、氮均高于对照区。因为放牧活动使植物根系分泌物量增加,光合作用能量增加,加之放牧牲畜排泄物的影响,均使土壤养分增加,故有利于微生物的生长繁殖。放牧对不同土层微生物的影响并不一致,微生物数量及微生物量碳、氮在土壤表层(010cm)以G0.92居高;而在较深层(10cm20cm),则随放牧强度的增加呈先升高后降低的趋势。原因为:土壤表层随放牧强度的增加,牲畜的排泄物增加,土壤养分增加,微生物生长、繁殖迅速。而较深层排泄物的渗透作用降低,加之高强度的放牧,结果是排泄物对微生物的正面影响小于放牧践踏和啃食对其的负面影响,所以在G0.23和G0.34居高。由于放牧对土壤微生物的影响是双向的,其负作用滞后于放牧行为。即短期高强度放牧对土壤表层微生物数量、微生物量的促进作用会随着放牧时间延长而逐渐降低[18],所以这种促进作用可能是暂时的。

3.2放牧对土壤酶活性的影响研究结果表明,土壤酶活性在010cm土层,各放牧区均高于G0.00,原因是放牧区动物的活动会加快植物体的凋落和分解,促进了碳和养分的循环[19],从而影响土壤酶活性。土壤酶活性均随土层的加深而递减,主要原因在于土壤表层累积了较多的枯枝落叶和腐殖质,有机质含量高;同时,土壤表层水分、温度及通气等条件较好,有利于微生物生长,进而积聚了较高的土壤酶活性[1]。脲酶在各实验区没有显著差异,可能是因为脲酶将尿素水解为CO和NH3,NH3反过来对脲酶的活性又有抑制作用[23],因而短期放牧还未使底物尿素含量有明显的变化。

3.3土壤微生物数量、微生物量及酶活性的相关性本研究结果表明,土壤微生物数量、微生物量和土壤酶活性之间呈显著或极显著相关,这是土壤肥力、土壤微生物与土壤酶协同发展的结果。土壤营养物质的循环在很大程度上依赖于微生物的活动、以及土壤酶对底物的转化和生成作用,而高有机质含量、高肥力水平的健康土壤可促进微生物的大量生长,土壤酶活性增加。在草地生态系统中,土壤的稳定性是维持其结构和功能稳定的重要因素[20],而土壤本身又是一个复杂的动态平衡系统[17]。本研究中土壤微生物数量、微生物量及酶活性之间有着密切关系,体现出土壤生态系统的复杂性和相关性。因此,应加强草地生态系统中分解者(微生物)亚系统的动态规律研究,为草地生态系统的恢复和重建提供土壤微生物学方面的理论基础和实践依据。