放牧率对短花针茅根际和非根际土壤氮素的影响

杜宇凡，古 琛，王亚婷，赵天启，陈万杰，乌力吉，安海波，李志国，王成海，赵萌莉

(1.内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019;2.内蒙古乌兰察布市察右后旗农牧业局，内蒙古 乌兰察布 012400)



放牧率对短花针茅根际和非根际土壤氮素的影响

杜宇凡1，古 琛1，王亚婷1，赵天启1，陈万杰1，乌力吉1，安海波1，李志国1，王成海2，赵萌莉1

(1.内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019;2.内蒙古乌兰察布市察右后旗农牧业局，内蒙古 乌兰察布 012400)

摘要：以短花针茅(Stipa breviflora)荒漠草原为研究对象，研究不同放牧强度下，短花针茅根际与非根际土壤氮素的变化。结果表明，不同处理间短花针茅根际的土壤氮素含量均高于非根际的。在相同放牧率下，随着土层深度增加根际与非根际土壤全氮、铵态氮、硝态氮含量都表现出降低的趋势；不同放牧率，0-10、20-30cm土层，根际土壤全氮含量总体变化趋势与非根际变化趋势相同；相同土层深度，轻度放牧区短花针茅根际土壤氨态氮与硝态氮含量明显升高，证明适度放牧对土壤氮素积累有积极作用。垂直方向上，不同放牧率下，0-10 cm土层的全氮含量高于20-30 cm土层的。

关键词：根际与非根际；短花针茅；铵态氮；硝态氮；全氮

放牧是内蒙古草地利用的主要方式[1]。不同放牧率意味着每单位可食牧草面积上家畜的数量不同[2]。家畜在采食过程中不仅通过践踏影响草地土壤的物理结构，而且会对营养物质的转化产生影响从而影响草地营养物质的循环，最终改变草地土壤的化学成分[3-5]。草地土壤的化学和物理性质存在着密不可分的关系，过高的放牧率会加剧家畜对草地的影响，引起草地退化[6]。

土壤氮素是植物生长发育中的必需元素，也是限制草地初级生产力水平的主要因子之一[7-8]。土壤中的无机氮是植物可以直接吸收利用的氮素形式，土壤中的有机氮必须经过矿化作用转变成无机氮才能被植物吸收利用[9]。研究发现，放牧对土壤中的氮素有一定影响，放牧对土壤氨态氮含量影响较小，适度放牧可以促进氮素的循环及利用效率[10]。Frank等[7]认为重度放牧(0.9 steer·hm-2)使得铵态氮含量降低，在我国典型草原，适度放牧有利于土壤养分的累积，过度放牧则会导致土壤养分流失[11]；在荒漠草原中，轮牧使草地土壤硝态氮、铵态氮含量高于自由放牧[12]。以上都是基于草原群落对土壤氮素的研究，并认为适度放牧使氮素含量有所增加。但是对于荒漠草原具体植物的根际土壤氮素的相关研究鲜见报道。本研究以内蒙古四子王旗荒漠草原为试验地，采用野外调查和室内分析结合的方法，从根系土壤的角度出发，通过对不同放牧强度下荒漠草原主要的建群物种短花针茅(Stipabreviflora)根际与非根际土壤氮素的分析，试图阐释放牧对短花针茅根际与非根际土壤氮素的影响。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验地位于内蒙古乌兰察布市四子王旗格根塔拉草原(41°47′17″ N ，111°53′46″ E ，平均海拔为1 450 m)。该地区春季少雨，夏季炎热，平均温度最高月为7 月份，达到21～23 ℃，年均降水量为280 mm ，无霜期90～120 d ，属于典型中温带大陆性气候。试验区为荒漠草原地带性植被类型，草地类型为短花针茅+冷蒿(Artemisiafrigida)+无芒隐子草(Cleistogenessongorica)，主要伴生种有银灰旋花(Convolvulusammannii)、细叶葱(Alliumtenuissimum)、羊草(Leymuschinensis)等。植被总体表现为高度、盖度较低，且分布稀疏，物种较少。试验地区土壤类型为棕钙土或淡栗土，土壤中微生物有好气性细菌、霉菌等。

1.2试验设计

试验样地于2004年设置为随机区组试验，且每年均按照试验设计严格进行。本试验于2014年8月进行。试验地共分为3个区组，每个区组4个处理，分别为4个不同放牧率小区，即：轻度放牧(LG，0.93 sheep·hm-2)、中度放牧(MG，1.82 sheep·hm-2)、重度放牧(HG，2.71 sheep·hm-2)和对照小区(CK，0 sheep·hm-2)。每个区组内各小区随机排列，每种放牧处理小区面积均约为4.4 hm2。放牧期为每年5-11月。各小区的放牧管理措施一致，试验用羊为当地成年蒙古羯羊，每天06：00点将羊赶入不同小区让其自由釆食，18：00点赶回畜圈休息。试验用羊每3 年更换一批，以保证其正常的采食和消化能力。图1中从左到右为自西向东各小区排列位置。

1.3研究方法

根际土壤取样：在上述各个试验小区，各随机选取株丛径相近、中等大小的短花针茅30株，小心挖取根系，每10 cm一层，分3层，0-10、10-20、20-30 cm。取出后置于一块60 cm×60 cm的尼龙薄膜上，用手工除去容易抖落下来的土壤，然后将土根移至另一薄膜上抖动多次，将松散附着于根表面土壤抖落，剩余的仍然粘附于根表的即为根际土，距根0～2 mm ，小心剔除根系，每10 株混合为一个样品，共3 个重复样品。

非根际土取样：在小区内按对角线布点，在无植物生长的裸地，采用壕沟法，每10 cm一层，分3层，0-10、10-20、20-30 cm，小心剔除各种根系。每5个采样点混合为1个样，每小区取3 个样品。

将每个土壤样品充分混匀过2 mm筛，称取过筛后土壤10 g，加入100 mL 0.01 mol·L-1的CaCl2，振荡30 min后过滤，浸提液用流动分析仪(TRAACS2000)测定土壤中铵态氮和硝态氮含量；称取过筛后土壤 0.05 g，用元素分析仪测定(Elementar vario MACRO)土壤中全氮含量。

图1　试验小区和区组位置

注：CK、LG、MG、HG分别表示对照、轻度放牧(0.93 sheep·hm-2)、中度放牧(1.82 sheep·hm-2)和重度放牧(2.71 sheep·hm-2)。表1、表2同。

Note: CK, LG, MG and HG means control, light grazing intensity (0.93 sheep·hm-2), moderate grazing intensity (1.82 sheep·hm-2), and heavy grazing intensity (2.71 sheep·hm-2), respectively. The same in Table 1 and Table 2.

1.4数据分析

所有数据采用Excel和统计软件SPSS 19.0进行分析。处理间方差分析采用单因素分析法，差异显著性分析采用LSD多重比较法，根际和非根际间比较采用T检验法。

2结果与分析

2.1不同放牧率对短花针茅根际和非根际土壤全氮的影响

短花针茅根际土壤的全氮含量在相同采样深度和放牧率中高于非根际的，仅在HG区的20-30 cm土层中存在显著差异(P<0.05)(表1)。随着放牧率增加，放牧地的0-10 cm根际土壤全氮含量与CK区相比分别显著降低13.71%、13.14%和16.57%，非根际土壤全氮含量无显著降低趋势(P>0.05)；10-20 cm根际土壤全氮含量无显著降低趋势，非根际土壤全氮与CK区相比，分别显著降低14.84%、12.90%和19.35%(P<0.05)；20-30 cm根际和非根际土壤全氮含量，均无显著变化(P>0.05)。较CK区，放牧地根际土壤全氮含量在0-10 cm表现显著降低趋势，非根际土壤全氮在10-20 cm表现显著将低趋势，且均在HG区降低最多。随着采样深度增加，短花针茅根际和非根际土壤全氮呈减小趋势。CK区根际10-20、20-30 cm土层全氮含量分别比0-10 cm显著降低11.43%和31.43%(P<0.05)；CK区非根际只有20-30 cm土层比前两层分别显著降低27.22%、25.81%。不同土层间全氮含量在各个放牧率下，除根际MG区各土层无显著差异外，其余均表现为20-30 cm土层较0-10 cm土层显著降低，其中CK区根际土壤最为明显。10-20 cm土层比0-10 cm土层显著降低的只有CK、LG区根际土，分别降低11.43%和9.27%；20-30 cm土层比10-20 cm土层显著降低的有CK区根际和非根际以及MG、HG非根际，其中CK区非根际最为明显，显著降低25.81%(表1)。

2.2不同放牧率对短花针茅根际与非根际土壤铵态氮与硝态氮的影响

在同一放牧率处理下，同一土层深度短花针茅根际土壤的铵态氮含量高于非根际，但无显著差异(P>0.05)。随着放牧率增加，根际各个土层土壤铵态氮含量无明显变化；非根际土壤铵态氮含量只在20-30 cm土层HG区比LG区显著减少45.98%。不同土层间根际土壤铵态氮含量在各放牧率下，只在MG区20-30 cm层比0-10 cm土层显著降低15.63%(P<0.05)(表2)。

短花针茅根际土壤硝态氮含量在相同采样深度和放牧率下表现出高于非根际的，但无显著差异(P>0.05)。随着放牧率增加，根际和非根际硝态氮含量总体表现出较CK区增加的趋势。其中，根际土壤硝态氮含量在0-10 cm土层LG区比CK区显著增加89.70%，其余各个土层根际和非根际土壤硝态氮含量在不同放牧率下无显著增加。在同一放牧率处理下，不同采样深度，根际土壤硝态氮含量在CK区无显著差异，在LG、MG、HG区均表现为20-30 cm土层土壤硝态氮含量显著低于0-10和10-20 cm土层的(P<0.05)，以LG区最明显，分别降低61.80%和59.01%。非根际只在HG区20-30 cm土壤硝态氮含量显著低于0-10 cm土层的，其余各个放牧率下，各个土层间无显著差异(P>0.05)。

表1　不同放牧率对短花针茅根际土与非根际土壤全氮(g·kg-1)的影响

注：*表示根际和非根际间差异显著(P<0.05)。同列不同大写字母表示根际(或非根际)相同采样深度不同放牧强度间差异显著(P<0.05)；同行不同小写字母表示根际土(或非根际)相同放牧强度不同采样深度间差异显著(P<0.05)。下同。

Note：*mean significant difference between rhizosphere and non-rhizosphere soil at 0.05 level. Different capital letters within the same column mean significant difference among different stocking rates within the same sampling depth at 0.05 level. Different lower case letters within the same row mean significant difference among different sampling depths within the same stocking rate at 0.05 level. The same blow.

表2　放牧率对短花针茅根际土与非根际土铵态氮和硝态氮含量(mg·kg-1)的影响

3讨论与结论

土壤中氮素含量取决于氮累积和消耗的强弱[13]。多数研究表明，土壤理化性质的变化是综合了环境、气候、植物组成、放牧等多种因素的结果[14]。对草地进行放牧利用，使草地的生物量、盖度等有所下降，加上家畜的采食量的增加，导致土壤中氮素的积累下降，全氮含量降低[15-16]。本研究中，相同放牧率处理下，随着土层深度增加土壤根际与非根际全氮、铵态氮、硝态氮含量都表现出降低的趋势。相同土层深度，不同放牧率下根际与非根际土壤全氮总体表现出MG、HG区比CK区降低的趋势，随着放牧率的增加根际0-10、20-30 cm土层土壤全氮含量变化趋势同非根际土壤全氮含量变化趋势相同。0-10、10-20 cm土层随着放牧率增加根际土壤铵态氮与硝态氮含量大部分呈增加趋势，其中LG区根际明显增加，HG区非根际明显增加；LG区根际土壤硝态氮与铵态氮含量在表层土壤的明显增加，证明适度放牧有利于植物氮素累积，这是因为在中等放牧强度下，植物根系能较好地截留土壤中氮素，一方面累积自身氮素，另一方面累积土壤氮素；HG区非根际土壤硝态氮与铵态氮含量在表层土壤的明显增加，是因为放牧会增加土壤紧实度，对于非根际，这一现象更加明显。这也可能就是HG区非根际土壤硝态氮与铵态氮含量在表层土壤增加的原因，由于紧实度增加，这些氮素在一段时间内累积到土壤表层，却很少能被植物利用，加上长期强度较高的放牧，最终反而造成氮素损失，不利于氮素累积。结合10-20 cm土层发现，放牧率对这一层的影响没有0-10 cm土层明显，而LG区根际硝态氮含量还明显增加可能是因为LG区牧压较轻，土壤质地相对较为疏松，一方面铵态氮在通气性较好的条件下容易转化为硝态氮，另一方面硝态氮具有较强的移动性，从而使得根际土壤硝态氮含量在10-20 cm土层含量明显增加。20-30 cm土层受放牧率影响进一步减小，主要受土壤中微生物因素等的影响。安慧和李国旗[17]研究得出，土壤中的铵态氮含量会随着放牧强度的增加呈先增加后降低趋势，轻度放牧土壤铵态氮显著高于重度、中度放牧和围封禁牧。汪卫卫[18]分析得到0-10 cm土层土壤全氮含量在轻度放牧下显著高于重度放牧下的。以上这些结论支持了本研究中土壤表层根际铵态氮与硝态氮含量在LG区最高的结论。研究得出在垂直方向上，表层土(0-10 cm)的全氮含量较高，而20-30 cm土层不同放牧条件下土壤全氮含量较低。有研究认为，表层土壤氮素含量较高，可能与土壤中有机物碳氮比较低、矿化率快而植物吸收量相对较少有关[19]。也有分析认为，这主要与短花针茅荒漠草原植被根系的垂直分布有关，在土壤表层，植被根系数量较大，且根系与土壤颗粒间相互影响存在较强烈的物质交换[13]。在短花针茅荒漠草原上，植被根系大都集中在土壤的表层，而30 cm以下土层存在钙积层，大部分草地植被根系难以穿入，所以在各种利用强度下差异都不显著。而在内蒙古阿拉善荒漠草原的研究与本研究略有不同，不同放牧强度下表土层土壤含氮量差异不显著，在20-40 cm土层土壤硝态氮水平较低，轻度放牧和重度放牧草地差异较大[20]。也有研究表明，土壤中硝态氮增加的原因是家畜粪便的排泄[21-22]。经过对根际全氮、铵态氮、硝态氮与非根际全氮、铵态氮、硝态氮分析对比后发现，虽然不同放牧率下不同土层深度短花针茅的氮素含量各不相同，但是总体均表现出先增加后减少的趋势，这也说明适度放牧可以增加土壤氮素含量，但随着放牧强度的进一步加重，土壤中氮素含量还是会减少。而短花针茅根际土壤铵态氮含量、硝态氮含量均大于非根际，是因为植物对土壤养分的累积有积极的作用。秦岭火地塘林区主要树种与赤峰市克什克腾旗典型草原同样表现出相似的现象[23-24]。

综上所述，通过对不同放牧率荒漠草原优势植物短花针茅根际与非根际氮素的研究发现，短花针茅根际与非根际氮素含量虽然没有显著差异，但不同放牧强度下，氮素分布有明显差异；随着放牧强度的增加，氮素含量有减少的趋势，LG区根际与非根际氮素含量较其它放牧区高，这说明适度放牧对土壤氮素的积累有一定的积极影响。然而，而土壤结构复杂，影响土壤的因素也较多，本研究只分析了短花针茅根际与非根际氮素分布，对于整个群落的根际与非根际土壤的影响因素还有待进一步研究。总之，适当的放牧对草地土壤没有负面的影响，反而有一定的积极的影响，在那些相对比较脆弱的生态系统中，长期超载放牧，会给生态系统带来危害。因此，必须从关注草原的经济功能向生态功能、社会功能等方面扩展，优化草地的利用方式，使草地生态系维持在相对平衡水平，以达到资源的可持续利用。

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(责任编辑张瑾)

Effects of grazing on nitrogen contents in rhizosphere and non-rhizosphere soil ofStipabreviflora

Du Yu-fan1, Gu Chen1, Wang Ya-ting1, Zhao Tian-qi1, Chen Wan-jie1,Wuliji1, An Hai-bo1, Li Zhi-guo1, Wang Cheng-hai2, Zhao Meng-li1

(1.Inner Mongolia Agricultural University College of Ecological Environment, Hohhot 010019, China;2.Bureau of Agricultural&Animal Husbandry Science of Chayouhouqi, Wulanchabu 012400, China)

Abstract:The present study focused on the difference between rhizosphere and non-rhizosphere soil nitrogen in the Stipa breviflora desert steppe in Inner Mongolia. The results showed that soil nitrogen contents in rhizosphere were always higher than those in non-rhizosphere in S. breviflora under every treatment. With the increase of soil depth, the contents of total nitrogen, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in both rhizosphere and non-rhizosphere soil decreased. For 0-10 and 20-30 cm soil depth under different grazing rates, total nitrogen contents in rhizosphere soil and non-rhizosphere soil had similar change. The ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents increased in rhizosphere soil of same depth with light grazing rate which suggested that optimal grazing was positive for nitrogen accumulation. In vertical direction under different grazing rate, the total nitrogen contents in soil 0-10 cm was higher than those in 20-30 cm soil.

Key words:rhizosphere and non-rhizosphere; Stipa breviflora; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; total nitrogen

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0434

*收稿日期：2015-08-06接受日期：2016-03-01

基金项目：国家自然科学基金(31460110、31170446)；内蒙古农业大学教育部草业与草地资源重点实验室

通信作者：赵萌莉(1963-)，女，陕西华阴人，教授，博士，主要从事草地生态与管理研究。E-mail:nmgmlzh@126.com

中图分类号：S812.8

文献标志码：A

文章编号：1001-0629(2016)6-1021-07*

Corresponding author:Zhao Meng-liE-mail:nmgmlzh@126.com

杜宇凡，古琛，王亚婷，赵天启，陈万杰，乌力吉，安海波，李志国，王成海，赵萌莉.放牧率对短花针茅根际和非根际土壤氮素的影响.草业科学,2016,33(6)：1021-1027.

Du Y F,Gu C,Wang Y T,Zhao T Q,Chen W J,Wuliji,An H B,Li Z G,Wang C H,Zhao M L.Effects of grazing on nitrogen contents in rhizosphere and non-rhizosphere soil ofStipabreviflora.Pratacultural Science，2016,33(6)：1021-1027.

前植物

生产层

第一作者：杜宇凡(1992-)，男，内蒙古巴彦淖尔人，在读硕士生，主要从事天然草地研究。E-mail:du_yu_fan@163.com