朱晓亚 李子豪 赵小蓉 林启美 李贵桐

(中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193)

内蒙古典型草原是欧亚大陆草原生态系统的重要组成部分，也是我国重要的绿色生态屏障。放牧是内蒙古草原的主要利用方式之一，适度放牧不但能提高草原净初级生产力，还能维护植物多样性和草原生态系统的稳定，防止草原生态系统退化[1]。不合理的放牧活动会对草原生态系统产生诸多的负面影响，导致草原生产力下降，最终会导致草原退化，甚至沙化，影响草原生态系统的可持续利用及其生态功能的发挥[2-3]。因此，探寻放牧条件下最大限度优化草原的措施具有重要意义[4-6]。

微生物是草原生态系统的重要组成，也是土壤最活跃的成分。常用土壤微生物量碳氮磷度量,既反映土壤微生物数量,也体现土壤养分库与源的状况[7]，可作为土壤扰动及健康质量的重要指标[8]。放牧对土壤微生物产生诸多影响，牲畜的踩踏作用尤其是过度放牧，可能导致土壤紧实，从而降低土壤微生物量及其活性[9-10]，甚至改变微生物群落，出现更多的厌氧微生物[11]；牲畜的排泄物含有大量的可利用养分，可作为微生物基质，提高微生物量[12-13]；牲畜选择性采食，将影响植被，进而影响输入土壤的有机物质种类和数量，间接地影响土壤微生物[14]。关于放牧对草原土壤微生物量的影响还没有一致的结论，如：孙海燕等[15]和宋俊峰等[16]研究均表明，随着放牧强度的增加，土壤环境恶化，不利于微生物生长繁殖，从而降低土壤微生物量；杨青等[17]研究却发现适度放牧能增加根系的渗出物，提高微生物活性，从而增加土壤微生物量；赵吉等[18]研究表明自由轻牧区(4 只羊/hm2,120 d/y)的土壤微生物量在9 年后仍无明显减少。同时，土壤微生物量碳氮磷含量对放牧的响应可能不同步。邬嘉华等[19]对温带典型草原土壤微生物量的研究表明，放牧对土壤微生物量碳、磷含量的影响显著，但对土壤微生物量氮含量无显著影响。因此，由于草原生态系统本身十分复杂，放牧导致的土壤微生物量的变化，不仅与土壤理化性质的变化有关，还受外界环境因素如气候因子的影响[20]。除放牧强度外，放牧年限也是影响土壤微生物量的重要因素之一。已有研究表明，长期过度放牧会造成土壤微生物量降低，那么长期放牧的时间是如何界定的？短期放牧和长期放牧对土壤微生物量产生的影响是否一致？放牧对土壤微生物量的影响如何随时间发生变化？目前对于这些问题还没有清晰和确切的答案，关于放牧对草原土壤微生物量的年际动态变化的研究还比较少。因此，本研究拟以内蒙古锡林浩特盟典型草原为研究对象，设置不同放牧强度试验, 采用双因素分析方法，探究放牧对土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响及其年际动态变化特征，以期了解不同放牧强度下土壤微生物量碳、氮、磷含量及其比值的差异，合理评价放牧年限和放牧强度对内蒙古典型草原土壤微生物量碳、氮、磷含量的影响，并提出适宜的放牧强度建议。

1 材料与方法

1.1 放牧试验及土样采集

放牧梯度试验样地位于锡林郭勒盟锡林浩特市东北40 km处的毛登牧场，地理坐标44°15′24″ N～44°15′41″ N，116°32′08″ E～116°32′28″ E，海拔1 111～1 121 m，样地属于温带半干旱典型草原栗钙土地带，砂质壤土。

试验设置5 个放牧强度梯度：放牧羊数分别为0、4、8、12、16 只/1.33 hm2，记为G0、G4、G8、G12、G16，分别代表对照、轻度放牧、中度放牧、重度放牧和极重度放牧。每个放牧强度设置3 个重复，随机区组排列。试验于2014 年开始，放牧时间为每年6—10月。2014—2017年，每年8月初牧草最大生物量时期，用土钻随机多点采集0～20 cm土层土壤，每个小区至少取15土钻，混合均匀后，取1 kg装于自封袋中，置4 ℃冰箱低温保存。每份土样分为2 部分：一部分新鲜土样过2 mm筛后供测定土壤微生物量；一部分自然风干后过筛用于测定土壤理化指标。

1.2 测定项目及方法

土壤含水量采用恒温箱烘干法[21]，土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热容量法[22]，土壤全磷用HClO4—H2SO4消煮，钼锑抗比色法测定[23]，土壤速效磷含量用 NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定[23]，土壤全氮含量的测定采用半微量开氏法[23]。土壤微生物量碳氮含量采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法,微生物量碳氮含量分别为熏蒸浸提液与未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值然后除以转换系数0.45,浸提液中的碳氮含量用微量有机碳氮分析仪(multi N/C®3100, Jena, Germany)测定；土壤微生物量磷含量同土壤微生物量碳氮含量的方法进行熏蒸，去除氯仿后加入0.5 mol/L pH 8.5 NaHCO3溶液振荡过滤，同时另称取等质量土壤，加入 KH2PO4溶液(25 mg/kg)，然后加入NaHCO3溶液振荡过滤。微生物量磷含量的计算公式如下：

微生物量磷/(μg/g)=ρ×V/(0.40×R×M)

式中：ρ为熏蒸与未熏蒸土壤浸提液中磷浓度的差值，μg/mL；V为浸提液体积，mL；R为所加入无机磷的回收率；M为称取的土壤质量，g。所有滤液中的磷浓度均用钼锑抗比色法测定[24-25]。

1.3 统计分析

所有结果用烘干土壤质量表示，为3次重复平均值。土壤微生物量碳、氮、磷含量均为质量含量，土壤微生物量碳氮含量比、碳磷含量比均为质量比。采用双因素方差分析不同放牧强度和放牧年限土壤基础理化性质和微生物量碳氮磷含量的差异，用最小显著性差异(LSD0.05)表示不同处理之间95%置信度的差异。采用Pearson相关性分析土壤微生物量与土壤养分之间的关系。

2 结果与分析

2.1 土壤基础理化性质

连续4 年放牧前后，土壤理化性质的变化如表1 所示。2014 年试验伊始，不同放牧强度下，土壤有机质、全氮和全磷含量无显著差异(P>0.05),而速效磷含量表现为中度放牧(G8)处理显著高于其他处理(P<0.05)(表1)。连续4 年放牧后，各放牧强度土壤有机质、全氮、全磷和速效磷含量变化不显著，平均分别仅提高了4.08%、0.78%、0.79%、12.25%。

表1 2014和2017年不同放牧强度下试验土壤基础理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of soil in different intensity of grazing plots in 2014 and 2017

与2014 年相比，连续4 年放牧后，放牧效应明显，除全氮外，放牧均增大了土壤有机质、全磷和速效磷含量在不同放牧强度处理之间的差异，尤其是中度放牧(G8)处理变化最大，分别提高了6.93%、3.05%和21.23%，说明中度放牧(G8)有利于提高土壤养分含量。

2.2 土壤微生物量磷

放牧对土壤微生物量磷含量的影响如图1所示。不同放牧强度下，土壤微生物量磷含量差异很大，且因年际而异。第一年，不同放牧强度土壤微生物量磷含量差异最大，均是对照的2～3倍，尤其是G8处理最高达56.35 μg/g，而G0只有20.90 μg/g；第二年以后，不同放牧强度土壤微生物量磷含量大幅度降低，相较于第一年平均分别降低了74.21%、50.38%、79.97%，这可能是由于土壤环境骤变，造成土壤微生物量磷快速周转所导致的。但2014—2017年试验期间，土壤微生物量磷含量均在中度放牧强度(G8)下含量最高，且均高于不放牧(G0)处理，说明中度放牧有利于提高土壤微生物量磷含量，长期中度放牧可减缓土壤微生物量磷的损失。

同一年份不同字母表示不同放牧强度下差异显著(P<0.05)。下同。 Different letters indicate significant differences among different grazing intensities in the same year (P<0.05). The same below.图1 2014—2017年不同放牧强度对土壤微生物量磷含量的影响Fig.1 Effects of grazing intensity on microbial biomass P content from 2014 to 2017

2.3 土壤微生物量碳

土壤微生物量碳含量对放牧强度的响应及其年际动态变化特征如图2所示。2014—2017年试验期间，土壤微生物量碳含量为290.55～325.75 μg/g，平均306.00 μg/g。试验前3 年，不同放牧强度对土壤微生物量碳含量没有显著影响(P>0.05)，但在放牧第四年，放牧效应开始显现，土壤微生物量碳含量表现为放牧处理均高于对照不放牧处理(G0)，尤其是中度放牧(G8)处理，比G0显著提高25.15%(P<0.05)。

图2 2014—2017年不同放牧强度对土壤微生物量碳含量的影响Fig.2 Effects of grazing intensity on microbial biomass C content from 2014 to 2017

2.4 土壤微生物量氮

图3展示了土壤微生物量氮含量对放牧强度的响应及其年际动态变化特征。2014—2017年试验期间，土壤微生物量氮含量为30.12～76.72 μg/g，平均55.98 μg/g。不同放牧强度之间土壤微生物量氮含量也没有显著性差异(P>0.05)，但与不放牧(G0)处理相比，放牧样地的土壤微生物量氮含量均有所提高。连续4 年放牧中，土壤微生物量氮含量整体呈现先增加后降低的趋势，与微生物量碳含量变化一致。

图3 2014—2017年不同放牧强度对微生物量氮含量的影响Fig.3 Effects of grazing intensity on microbial biomass N content from 2014 to 2017

2.5 土壤微生物量碳磷含量比和碳氮含量比

土壤微生物量碳磷含量比值对放牧强度的响应及其年际动态变化特征如图4所示。结果发现：不同放牧强度土壤微生物量碳磷含量比值有显著性差异(P<0.05)，比值为6.36～49.62, 这主要是由土壤微生物量磷含量的变化引起的。从第二年开始，不同放牧强度土壤微生物量碳磷含量比值均显著高于对照(P<0.05)，说明放牧可能会加剧土壤磷养分限制的风险，且中度放牧强度(G8)下土壤微生物量碳磷含量比值与不放牧处理(G0)最接近，说明长期中度放牧可维持合理的微生物量碳磷含量比。不同放牧强度土壤微生物量碳氮含量比相对稳定，为5.06～7.06，平均为6.11(图5)。

2.6 土壤微生物量与土壤养分之间的关系

由表2可知，土壤微生物量碳、氮含量仅与土壤有机质有显著正相关性，相关性系数分别为0.78和0.81(P<0.05)。土壤微生物量磷含量与全磷、速效磷均有显著正相关关系(r分别为0.82和0.83，P<0.05)，而与土壤氮磷含量比有显著负相关关系(r=-0.90，P<0.05)，说明微生物量磷含量对放牧引起的土壤全磷和速效磷含量的变化有正响应。土壤微生物量磷含量还与土壤含水量有显著负相关关系(r=-0.79，P<0.05)，说明含水量也是影响土壤微生物量磷含量的重要因素之一。

图4 2014—2017年不同放牧强度下土壤微生物量碳磷量比值的变化Fig.4 Content change of soil microbial biomass C and P ratio in different grazing intensity from 2014 to 2017

图5 2014—2017年不同放牧强度下土壤微生物量碳氮含量比值变化Fig.5 Content change of soil microbial biomass C and N ratio in different grazing intensity from 2014 to 2017

表2 土壤微生物量与土壤养分之间的关系Table 2 The relationship between the microbial biomass and soil nutrients

3 讨 论

3.1 放牧年限对土壤微生物量的影响

国内外大量研究表明放牧由于牲畜的踩踏、采食及其排泄物等会对土壤养分和微生物量含量产生显著影响[26-30]。总体上，当考虑时间尺度时，高强度放牧对土壤肥力有负面的影响，短期内由于加速了养分的循环效率，产生有利的影响，但长期无管理的超载放牧必然造成系统物质资源输入和输出的不平衡，最终导致草原生态系统退化，特别是在相对脆弱的干旱和半干旱生态区。由于已有研究是建立在长期放牧基础之上，而且草地生态系统对外界干扰具有滞后性和弹性[12]，对放牧的时间效应还不是很清楚。本研究探究放牧时间效应的结果显示：连续4 年放牧期间，各放牧处理土壤微生物量碳、氮含量的年际变化不显著(表3)，说明短期放牧不足以影响该地区生态系统土壤微生物量碳、氮含量，可能需要更长时间尺度来进一步探索土壤微生物量碳、氮含量对放牧的响应；然而，与土壤微生物量碳、氮不同，土壤微生物量磷含量年际变化极显著，且在放牧的第二年各放牧处理均出现骤降(图1)。造成这种差异的原因可能有：1)土壤微生物量同时受营养基质的物理化学组成和土壤理化性质的影响[31]，所以造成土壤微生物量碳、氮、磷含量的年际变化趋势不同；2)土壤理化指标的变化不仅与放牧等人为因素有关，还受降雨等气候因素的影响。通过对样地土壤含水量的4 年监测(表4)，本研究发现，2015 年土壤含水量显著高于其他3年。水分条件好，牧草生物量高，对磷的需求增加，牧草吸磷量增加，土壤有效磷含量降低，微生物量磷含量降低，这可能是造成土壤微生物量磷含量在第二年骤降的主要原因[20]；3)相比于土壤微生物量碳、氮，土壤微生物量磷周转速度更快，对环境变化更敏感[32]。

表3 土壤微生物量碳、氮、磷含量对放牧强度和放牧时间的响应Table 3 Response of soil microbial biomass C, N and P content to grazing intensity and grazing age

表4 2014—2017年不同放牧强度下土壤含水量变化

3.2 放牧强度对土壤微生物量的影响

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，土壤的结构和微生物量的特征则是三者综合作用的结果[33]。一般来说，放牧会降低土壤微生物量，马秀枝等[34]研究发现内蒙古羊草草原土壤和大针茅草原土壤中的微生物量都因放牧而有不同程度下降；王启兰等[35]对青藏高原海北高寒蒿草草甸的研究结果表明土壤微生物量随着放牧强度增加而降低。然而，本研究结果与上述研究并不一致。本研究发现连续放牧4 年，仅在中度放牧(G8)的第四年土壤微生物量碳含量显著高于对照不放牧(G0)处理(图2)，其他放牧强度并不影响微生物量碳含量。这一方面是因为牲畜通过踩踏活动促使有机质进入土壤的量增加；另一方面是因为牲畜的排泄物向土壤中输入活性物质，形成有利于微生物生长的环境，从而促进微生物量碳含量增加。不同放牧强度下，土壤微生物量氮含量无显著差异(图3)，这与邬嘉华等[19]对温带典型草原的研究是一致的,但土壤微生物量氮含量的变化趋势与微生物量碳是一致的。这也从侧面反应了本研究设置的放牧强度尚未对土壤微生物量具有显著的实质性的影响。目前关于放牧强度的标准不统一，也难以定量，最终导致放牧对土壤影响的研究结果不尽相同。土壤微生物量磷含量在放牧前3 年均随放牧强度的增加先增加后降低，在中度放牧强度(G8)下达到最高值(图1)，说明影响土壤微生物量磷含量和微生物量碳、氮含量的因素并不一致。土壤微生物量同时受营养基质的物理化学组成和土壤理化性质的影响，土壤微生物量碳、氮含量更易受土壤有机质含量和组成影响，土壤微生物量磷含量更易受环境条件变化、土壤养分尤其是磷素含量的影响。本研究证实了不同放牧强度下土壤微生物量磷含量的变化趋势与速效磷含量变化趋势一致，均是先随放牧强度的增加先增加，在G8处理达到最大值，而后降低。在适度放牧下，牲畜的频繁采食使磷从系统中的输出增加，引起土壤中全磷的各组分向速效磷成分转移量增大，磷对有随着放牧强度继续加强，造成土壤磷素养分的输出量持续增加，而地上部分归还量降低，加速了土壤磷素的失调，导致土壤微生物量磷含量降低。虽然土壤微生物量碳、氮、磷含量随放牧强度变化不一致，但均在中度放牧强度(G8)下达到最大值，研究结果符合“中度干扰假说”[12]，即适度放牧有利于土壤微生物量的增加。适度放牧增加了物种丰富度，加快了物质和能量流动，使微生物繁殖加快，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；而过度放牧对植被和微生物都产生了胁迫，导致微生物死亡，微生物量下降。

本研究中，土壤微生物量碳、氮、磷含量比值(25/4/1)低于全球均值(46/6/1)[36]，暗示该区域可能受氮磷养分的限制。已有研究结果表明土壤微生物量碳、氮和磷之间的化学计量比是一个相对稳定的值[36-37]。本研究结果显示土壤微生物量碳氮含量比值保持相对稳定(图5)，但土壤微生物量碳磷含量比值随放牧波动较大(6.36～49.62)，且土壤微生物量碳磷含量比值在不同放牧强度下均显著高于对照值，说明放牧可能会加剧该地区土壤磷养分限制的风险。不放牧处理中的植物残体会自然返还到原系统中，但放牧处理中，随着动物的不断摄取，地上部植物生物量被移出了土壤系统，长期下来，必须造成相对多的磷损失，从而加剧了放牧样地土壤磷缺失的风险。土壤微生物量碳磷含量比值在中度放牧强度(G8)下与对照保持一致，表明适度放牧可维持合理的微生物量碳磷含量比值。本研究中，4 年连续放牧(每年只在6月—10月份放牧)还不足以对土壤微生物量造成显著影响，随着时间延长，影响可能会逐渐显著，有待于进行深入的研究。

4 结 论

内蒙古典型草原土壤微生物量碳、氮、磷含量对放牧年限和放牧强度的响应存在差异。4年短期放牧对土壤微生物量碳、氮含量没有显著影响(P>0.05)，而对土壤微生物量磷含量则有显著影响，随放牧年限延长，土壤微生物量磷含量降低。年际之间气候变化，尤其是降雨量对土壤微生物量磷含量的影响不可忽视。连续4年放牧，不同放牧强度下，土壤微生物量碳、氮、磷含量均在中度放牧(G8)处理下达到最大值，且均高于对照不放牧处理(G0)；同时，土壤微生物量碳氮含量比值一直保持相对稳定，微生物量碳磷含量比值在中度放牧强度(G8)下与对照保持一致，说明中度放牧强度(G8)可能最适宜微生物生存，可提高土壤微生物量，维持合理的微生物量碳氮磷含量比值。但4 年连续放牧还不足以对土壤微生物量造成显著影响，随着时间延长，影响可能会逐渐显现，有待深入研究。