不同管理措施对高寒草甸土壤微生物量季节性变化的影响

蒋永梅，姚 拓，田永亮，杨会会，张建贵，高亚敏，魏长华，曾小霞，燕彩霞，张 标

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)



不同管理措施对高寒草甸土壤微生物量季节性变化的影响

蒋永梅，姚 拓，田永亮，杨会会，张建贵，高亚敏，魏长华，曾小霞，燕彩霞，张 标

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

采用氯仿熏蒸浸提法测定了4种不同管理措施(不围栏、围栏、围栏+施肥、围栏+补播)土壤微生物量碳、氮和磷季节变化，结果表明：(1)相同月份，相同土层，不同管理措施，土壤微生物量表现为：围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏；(2)相同月份，不同土层，相同管理措施，土壤微生物量表现为：0～20 cm>20～40 cm，且前者为后者的1.16～3.13倍；(3)不同月份，相同土层，相同管理措施，土壤微生物量的季节变化均呈先增后降的趋势，7月出现最大值，各月间呈不同的显著性差异；(4)不同月份，不同土层，相同管理措施，0～20 cm土层土壤微生物量季节变化幅度高于20～40 cm。土壤微生物量季节变化与气温变化呈极显著正相关(P<0.01)，与降水量呈正相关。运用综合指数法计算不同管理措施下土壤质量综合指数，其排序为：围栏+补播(0.193)>围栏+施肥(0.096)>围栏(-0.059)>不围栏(-0.231)。围栏+补播对土壤的改善效果最佳，是玛曲高寒草甸生态恢复的重要途径。

高寒草甸；管理措施；土壤微生物量；季节变化

土壤微生物是陆地生态系统的调节者和分解者，参与有机质的分解、腐殖质的形成，调控土壤中能量和养分循环等各个生化过程[1-3]，是十分重要的土壤养分供应源和贮存库[4]，也是维护陆地生态系统可持续发展的重要组成部分[5]。土壤微生物量的多少及其变化是衡量土壤肥力高低及其变化的重要依据之一[6]，土壤微生物量是土壤中活性较高的有机质部分，对土壤环境因子的变化极为敏感[7]，其可在短时间内发生大幅度变化，并反映土壤的综合质量状况，是公认的土壤生态系统变化的预警及敏感指标，也可较早指示生态系统功能的变化[8]。目前，对土壤微生物量的季节变化研究已经取得了不少成果，Roger等[9]研究发现土壤微生物量不随季节而变化，而Patel等[10]则发现季节变化对微生物的影响是肯定的，区别在于不同学者对季节生物量的分布规律结论不一致。因此，研究高寒草甸土壤微生物量的季节变化具有重要意义。

甘肃省玛曲县地处青藏高原东部边缘，甘肃省西南部，甘、青、川三省交界处，是黄河径流重要的汇集区和黄河上游至源头的重要水源涵养区[11]。近年来，由于受全球性气候变化的影响和人为不合理的经营利用，使得草原植被恢复和更新长期得不到保障，导致天然草原植被日趋恶化[12]。草地产量和质量的下降使草-畜之间矛盾更加突出，过度放牧进一步加剧了草地的退化。因此，采取一切可能的手段和技术措施加快恢复退化草地植物生产力，是当前退化草地治理与生态重建的主要任务[13]。研究表明，围栏封育可提高草地生产力，缓解放牧压力，使草地自然恢复，是一种低投入的广泛应用的恢复和重建退化草地的管理措施[14]；施肥对高寒草地生产力有影响，肥料的施用对草地恢复、提高草地生态系统稳定性具有积极作用[15]；补播可增加草群中优良牧草成分和草地的覆盖度，提高产草量，增加优质牧草比例[16]，其3种管理措施均是较好的恢复重建退化草地的有效措施。通过比较分析4种管理措施下土壤微生物量季节性变化，旨在为恢复玛曲高寒草甸找到最佳的管理措施，为制定科学的土地利用规划和进行生态系统的有效管理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

试验样地选在玛曲县大水种畜厂，东南与四川省若尔盖县相连，地理坐标位于E 102°16′、N 34°00′，平均海拔3 471.4 m。主要草地类型为高寒草甸，拥有可利用天然草地6 000 hm2，气候为寒冷湿润气候，无霜期只有20 d，全年无绝对无霜期，年均温为1.2℃，平均风速为2.5 m/s，最大风速36 m/s，年均大风日数77.1 d，年平均降水量615.5 mm，年蒸发量1 353.4 mm，日照差大，年均日照2 583.9 h[17]。

1.2 样地设置及土样的采集

试验样地设在玛曲县大水种畜厂周边，选择平坦开阔且退化程度一致的草地(植被盖度约80%，平均高度20 cm，冬季地表有少量枯落物)，样地中主要植物有垂穗披碱草(Elymusnutans)、黄花蒿(Artemisiaannua)、草地早熟禾(Poapratensis)、香青(Anaphalissinica)、蒲公英(Taraxacummongolocum)、唐松草(Thalictrumaquigifolium)、龙胆(Gentianascabra)、狼毒(Stellerachamaejasme)、委陵菜(Potentillaaiscolor)等。2010年5月在研究区设置了4个面积为5 hm2样地(每个内设3个重复)，并采取不围栏(自由放牧)、围栏、围栏+施肥和围栏+补播4种不同的管理措施。自由放牧家畜为绵羊，放牧强度为14只/hm2。施肥选用复合肥磷酸二铵(NH4)2HPO4进行撒施，施肥量为10 kg/hm2。补播植物选取当地常用的垂穗披碱草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapratensis)和中华羊茅(Festucasinensis)，补播比例为6∶2∶2，总播量为10.2 kg/hm2。

采样时间为2014年5月(返青期)、7月(生长旺盛期)、9月(枯黄期)、11月(休眠期)，分别在各样地内采用5点法，用土钻分别采集0～20和20～40 cm土样，每个样地5次重复，剔除植株根系和石头等杂物，把相同层次样品混合均匀后，再利用四分法的方式取适量土样，封装好带回实验室，并过孔径2 mm土壤筛，用于土壤微生物量的测定与分析。

1.3 测定方法

(1)土壤微生物量碳(SMBC)的测定[18]

SMBC(mg/kg)=(Ec- Ec0)/0.38

式中：Ec、Ec0分别表示熏蒸和未熏蒸土壤浸提液中有机碳量；0.38为校正系数。

(2)土壤微生物量氮(SMBN)的测定[19]

SMBN(mg/kg)=(En- En0)/0.54

式中：En、En0分别表示熏蒸和未熏蒸浸提液中全氮含量，0.54为校正系数。

(3)土壤微生物量磷(SMBP)的测定[20]

SMBP(mg/kg)=(Ep- Ep0)/0.4

式中：Ep为熏蒸土壤浸提液中磷量；Ep0为不熏蒸土壤浸提液中磷量；0.4为校正系数。

1.4 数据分析与处理方法

采用 Excel 2010制图和 SPSS 19.0软件进行主成分分析和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同管理措施土壤微生物量碳的季节变化特征

(1)相同月份，相同土层，不同管理措施，除11月(20～40 cm土层)外，SMBC均表现为：围栏+补播>围栏+施肥 >围栏>不围栏；(2)相同月份，不同土层，相同管理措施，SMBC总体表现为：0～20 cm>20～40 cm，一般前者为后者的2.25～3.13倍；(3)不同月份，相同土层，相同的管理措施，SMBC的季节变化均呈先增后降的趋势，7月出现最大值。除0～20 cm围栏外，5月至7月显著上升(P<0.05)，7月至11月逐渐下降，且各月间呈不同的显著性差异；(4)不同月份，不同土层，相同管理措施，0～20 cm土层SMBC季节变化趋势比20～40 cm明显，且变化幅度大(图1)。

2.2 不同管理措施土壤微生物量氮的季节变化特征

(1)相同月份，相同土层，不同管理措施，除5月的20～40 cm，SMBN总体表现与SMBC含量一致，即围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏；(2)相同月份，不同空间层次，相同管理措施，SMBN与SMBC含量表现一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者为后者的1.16～1.52倍；(3)不同月份，相同土层，相同管理措施，SMBN的季节变化趋势与SMBC季节变化趋势一致，即均呈先增后降的趋势，7月出现最大值，各月间呈现不同程度的显著性；(4)不同月份，不同土层，相同管理措施，SMBN含量与SMBC表现一致，即0～20 cm变化幅度高于20～40 cm(图2)。

图1 不同管理措施下土壤微生物量碳Fig.1 Seasonal dynamics of SMBC under different managements注：不同小写字母表示相同土层相同管理措施不同月份差异显著(P<0.05)，下同

图2 不同管理措施下土壤微生物量氮Fig.2 Seasonal dynamics of SMBN under different managements

2.3 不同管理措施土壤微生物量磷的季节变化特征

(1)相同月份，相同土层，不同管理措施，SMBP与SMBC、SMBN表现一致，即围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏；(2)相同月份，不同空间层次，相同管理措施，SMBP，SMBC和SMBN表现一致，即0～20 cm>20～40 cm，一般前者为后者的1.59～1.98倍；(3)不同月份，相同土层，相同管理措施，SMBP的季节变化趋势与SMBC、SMBN季节变化趋势一致，即均呈先增后降的趋势，7月出现最大值，各月间变化程度不明显；(4)不同月份，不同土层，相同管理措施，SMBP含量与SMBC、SMBN表现一致，即0～20 cm变化幅度高于20～40 cm(图3)。

图3 不同管理措施下土壤微生物量磷Fig.3 Seasonal dynamics of SMBP under different managements

2.4 不同月份气温和降水量变化

从中国气象科学数据共享服务网获取2014年玛曲县5、7、9、11月的气温和降水量数据(图4)，2014年玛曲县气温7月最高，11月最低，呈先增后降的变化趋势。降水量9月最多，11月最少。

图4 2014年玛曲气温和降水量变化Fig.4 The change of temperature and precipitation in 2014

2.5 土壤微生物量与气温和降水量之间的相关性

不同管理措施土壤微生物量碳、氮、磷与气温和降水量之间呈正相关关系(表1)，与气温呈极显著正相关(P<0.01)。这可能是因为气温和降水量均可影响微生物的生长，但影响程度各异。

表1 不同管理措施土壤微生物量与气温和 降水量的相关性Table 1 Correlation of soil microbial biomass with temperature and precipitation in different managements mg/kg

注：**表示在0.01水平上显著相关；*表示在0.05水平上显著相关

2.6 土壤质量评价

通过主成分分析对不同管理措施下土壤质量进行综合评价(表2)，第1主成分的方差贡献率为62.36%，第1和第2主成分的方差贡献率为90.28%，前3个主成分累计贡献率达98.63%，符合主成分分析的要求。第1主成分主要反映的是土壤微生物量，说明土壤微生物量是评价土壤质量最重要的因子；第2主成分和第3主成分主要反映的是气温和降水量，说明气温和降水量在土壤质量评价中的作用相对较小(表2)。

由特征向量与标准化后的数据相乘得出主成分表达式：

表2 主成分的因子负荷量、特征根与贡献率Table 2 Loading factor,eigenvalue and contribution ratio of principal component

F1=0.540X1+0.333X2+0.930X3+0.976X4+0.948X5

F2=0.714X1-0.836X2-0.294X3-0.114X4-0.295X5

F3=-0.442X1+0.435X2+0.141X3-0.098X4+0.061X5

根据以上表达式利用公式：F=0.624×F1+0.279×F2+0.083×F3，计算土壤综合得分F值(土壤质量综合评价指数)，并进行排序。不同管理措施下土壤综合指数排序为：围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏。总体而言，处理围栏+补播土壤质量最优，其次为围栏+施肥(表3)。

表3 土壤综合得分及排序Table 3 General scores and ranking under different managements

3 讨论

大量研究表明[21-22]，不同的草地利用方式影响草地的地上植被类型、地下根系、土壤微生物数量，导致即使处于相同气候带，土壤微生物量也有所差异。通过研究玛曲高寒草甸土壤微生物量季节变化，结果表明：(1)相同月份，相同土层，围栏+施肥和围栏+补播下均能显著提高土壤微生物量，但其增加程度不同，究其原因可能是施肥(本试验复合肥为磷酸二铵)使土壤中可溶性速效养分(N、P素)增加[23]，植被生长速度加快，根系生物量和分泌物逐渐增加；补播后植物群落多样性和盖度及植物量增加[24]，腐殖质含量增加，同时围栏使草地免受扰动，两种管理措施均能促进土壤微生物的生长，从而提高土壤微生物量。不围栏下草地受到家畜、人为的干扰很大，使草地退化更加剧烈，土壤微生物生长受到抑制，土壤微生物量逐渐降低。(2)相同月份，不同土层，相同管理措施，土壤微生物量表现为0～20 cm>20～40 cm。可能是因为草地表层土壤有机质丰富，为微生物生长和繁殖提供适宜的环境，促进了微生物的生物活性，从而增加土壤微生物量，这与郭明英等[21]的研究结果一致。(3)不同月份，相同土层，相同管理措施，土壤微生物量的季节变化均呈先增后降的趋势，可能是由每月气温和降水量不同引起的，相关性分析表明气温和降水量是影响土壤微生物量的重要环境因子，其中气温是影响土壤微生物量月季变化的主要因子。(4)不同月份，不同土层，相同管理措施，0～20 cm土层土壤微生物量含量季节变化幅度高于20～40 cm。这可能是由于表层聚积大量枯枝落叶，土壤中含有丰富的有机质和大量植物根系，且外界条件(气温和降水量)的扰动对表层土壤影响较大，因此有利于微生物生长和繁殖[21]。

试验中所采用主成分分析对玛曲高寒草甸土壤微生物量、气温、降水量进行综合评价，土壤综合指数排序为：围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏，与不围栏相比，管理措施围栏+补播、围栏+施肥和围栏土壤质量综合评价指数分别提高了183.55%，141.56%和74.46%。

4 结论

(1)相同月份，相同土层，不同管理措施，土壤微生物量表现为：围栏+施肥>围栏+补播>围栏>不围栏，围栏+施肥和围栏+补播下均能显著提高土壤微生物量(P<0.05)；相同月份，相同管理措施，不同土层，土壤微生物量表现为：0～20 cm>20～40 cm；不同月份，相同土层，相同管理措施，土壤微生物量季节变化与气温变化趋势一致，即呈先增后降的趋势，且7月出现最大值，相关性结果也进一步印证了这一结论；不同月份，不同土层，相同管理措施，0～20 cm土层土壤微生物量含量季节变化幅度高于20～40 cm土层。

(2)采用主成分分析对玛曲高寒草甸土壤微生物量、气温及降水量进行综合评价，运用综合指数法计算出不同管理措施下土壤质量综合指数，其值排序为：围栏+补播>围栏+施肥>围栏>不围栏。总体分析，4种不同管理措施不同程度的改变了土壤状况，其中，围栏+补播恢复效果最好，能够改善土壤质量，在玛曲高寒草甸生态恢复和管理过程中可作为最佳的管理措施进行推广。

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Effect of different management patterns on seasonal dynamics of soil microbial biomass in the alpine meadow

JIANG Yong-mei,YAO Tuo,TIAN Yong-liang,YANG Hui-hui,ZHANG Jian-gui,GAO Ya-min,WEI Chang-hua,ZENG Xiao-xia,YAN Cai-xia,ZHANG Biao

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Seasonal dynamics of soil microbial biomass carbon(SMBC),soil microbial biomass nitrogen(SMBN) and soil microbial biomass phosphorus(SMBP) were tested and analyzed with the chloroform fumigation extraction method in alpine meadow in Maqu under different management measures.The main results obtained as follows:1) in the same month and soil depth,soil microbial biomass shown a decreasing tendency(enclosure + reseeding > enclosure + fertilization > enclosure > no-fence);2) in same month and management measures,soil microbial biomass with different soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm),they were much greater(1.16 to 3.13 times) in 0 to 20 cm soil depth than that in 20 to 40 cm;3) in same management measures and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm),the seasonal trend of soil microbial biomass reached the peak in July and then declined,the differences among months were significant;4) in same management measures,the seasonal dynamics of soil microbial biomass with the different month and soil depth(0 to 20 cm or 20 to 40 cm) shown a decreasing tendency(0 to 20 cm > 20 to 40 cm).Soil microbial biomass was significantly related with temperature(P<0.010),and positively correlated with precipitation.The synthetic index method was used to calculate a soil quality index under different management patterns,the tendency of the values of the soil quality indices was as follows:enclosure + reseeding(0.193) > enclosure + fertilization(0.096) > enclosure(-0.059) > no-fence(-0.231).It could be concluded that the enclosure + reseeding was the best for the ecological restoration of alpine meadow.

alpine meadow;management pattern;soil microbial biomass;seasonal dynamics

2016-05-10；

2016-05-30

国家自然基金(31360584)资助

蒋永梅(1990-)，女，甘肃榆中人，在读硕士。

E-mail：JYMjiangyongmei@yeah.net

154.3

A

1009-5500(2016)05-0105-06

姚拓为通讯作者。