放牧对内蒙古不同类型草原植物和土壤总氮与稳定氮同位素的影响

吕广一，徐学宝，高翠萍，于志慧，王新雅，王成杰

（草地资源教育部重点实验室，内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古呼和浩特010019）

氮（N）素大多数以气体形式存在于空气中，也有部分以离子形式分布在植物与土壤中，并在生物地球化学循环中有着重要作用，也是草地生态系统的主要组成元素之一，很大程度上限制着草地生态系统的初级生产力［1］。稳定氮同位素比值（δ15N）可以作为草原生态系统在一定时间和空间上综合反映N 循环特征的一个重要指标［2-3］，指示N 的输入、转化以及输出过程中因物理、化学和生物反应所产生的分馏效应［4］，为理解生态系统N 循环提供关键的理论依据［5］。从全球范围来看，影响δ15N 格局的因素主要有气候、时间、地形和土地利用等［6-8］；而在草原生态系统中，放牧是主要土地利用方式之一［9］，放牧时长、载畜率大小都与草地生态系统N 循环，甚至生态系统平衡紧密相关。内蒙古自治区作为我国五大自治区之一，拥有天然草地面积8666.7 万hm2，其中6818.0 万hm2为可利用草地面积［10］。近年来，内蒙古自治区草原退化趋势严重，过度放牧打破了草原生态系统物质循环，是草地退化的主要原因之一［11］。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

研究选取了内蒙古自治区3 种主要草原类型，分别为位于呼伦贝尔市鄂温克旗的羊草（Leymus chinensis）和贝加尔针茅（Stipa baicalensis）植物群落的草甸草原，优势种为羊草和贝加尔针茅等；锡林浩特毛登牧场的羊草和大针茅（Stipa grandis）植物群落的典型草原，优势种为羊草、大针茅、冷蒿（Artemisia frigida）、木地肤（Kochia prostrata）等；乌兰察布市四子王旗的短花针茅（Stipa breviflora）植物群落的荒漠草原，优势种为短花针茅和冷蒿等，研究区基本信息见表1。

表1 研究区信息表Table 1 Information of study area

1.2 样品采集及预处理

试验样品采集于2014 年8 月中旬，在每个草原分别选取围封近25 年的无牧区（no grazing，NG）和重度放牧区（heavy grazing，HG）各3 个。植物样品采取分类采样法［12］，在每个样区中选取地势平坦、植株分布均匀的3 个点，在每个点齐地剪取1 m × 1 m 的植物样方，作为植物地上生物量测定的一个重复；分类挑出样方中的优势种用作植株全氮（total nitrogen，TN）与δ15N 的测定；土壤样品是在植物样方采集完毕后，在每个样方内用直径8 cm 土钻取土3 次，每次取土分 3 层（0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm），每个样方的3 次同层土壤混合后作为土壤TN 与 δ15N测定的一个重复，挑出每层土壤里的所有植物根系，混合后用作植物地下生物量与根系TN、δ15N 的测定。

1.3 稳定氮同位素测定

样品经过预处理后，使用德国Elementar 公司生产的isoprime100 稳定同位素质谱仪连接元素分析仪（Vario Isotope Select）测定，分析得到植物、土壤的全氮含量（TN）和稳定氮同位素值（δ15N）。δ15N 是一个相对比值，用公式解释为：

式中：R样品、R标准分别表示样品和标准物（空气）15N/14N 的值。

1.4 数据处理

使用SPSS 19.0 版本进行数据统计分析，采用单因素分析法分析放牧对不同草地类型生物量以及植物叶片、根系和土壤的δ15N 和TN 的影响；采用相关分析法分析植物群落叶片、根系和土壤中δ15N 与TN 的相关关系；最后使用 Sigmapiot 14 和 Origin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 放牧前后不同草原类型植物生物量的变化

3 种草原类型植物群落生物量自东向西依次递减，其地上和地下生物量变化范围为81.29～141.20 g·m-2和430.87～554.61 g·m-2。在重度放牧对条件下，3 种草原类型植物群落生物量均显著降低，地上和地下生物量变化范围分别为46.12～57.03 g·m-2和270.65～328.99 g·m-2；其中放牧对草甸草原植物群落生物量影响最为显著（P＜0.05），植物群落地上、地下生物量平均减少了84.17 和225.62 g·m-2（图1）。

图1 放牧对不同草原类型地上、地下生物量的影响Fig.1 Impact of grazing on above-ground and under-ground biomass of different steppes

2.2 放牧前后不同草原类型植物TN 和δ15N 的变化

3 种草原植物叶片TN 在1.60%～3.78%（图2），重度放牧导致植物群落叶片TN 值普遍下降，其中典型草原（P＜0.05）和草甸草原（P＜0.05）的植物群落叶片TN 下降趋势显著。另外，3 种草原叶片δ15N 在-2.10‰～8.25‰（图2），无论是从植物群落的角度，还是从植被物种的角度来看，放牧同样使得3 种草原植物叶片δ15N 值下降。其中放牧对典型草原（P＜0.05）和草甸草原（P＜0.05）的植物群落叶片δ15N 降低效果较为显著。

图2 放牧对荒漠草原植物群落叶片TN、δ15N 的影响Fig.2 Effects of grazing on TN and δ15N in leaves of plant communities in three steppes

与植物叶片相比，放牧对内蒙古3 种主要草原类型植物根系TN 的影响较小，但也降低了3 种草原类型植物根系的TN（表2），其中草甸草原（P＜0.05）植物根系TN 值降低趋势最为显著。放牧同样降低了3 种草原植物根系δ15N 值（表2），其中草甸草原植物根系δ15N 值降低趋势最为显著（P＜0.05）。

表2 放牧对3 种草原植物根系TN 和δ15N 的影响Table 2 Effects of grazing on TN and δ15N in plant roots of three steppes

2.3 放牧前后不同草原类型土壤TN、δ15N 的变化

3 种草原土壤TN 和δ15N 自东向西依次递减，土壤TN 变化范围在0.13%～0.31%（表3），重度放牧均降低了3 种草原土壤TN 值，其中对草甸草原（无牧区与重度放牧区0～15 cm 土壤TN 均值分别为0.31%和0.13%）土壤TN 影响最为显著。与土壤TN 相比，土壤δ15N 变化范围较大，3 种草原类型土壤δ15N 变化范围在3.23‰～4.38‰（表3），重度放牧均降低了3 个草原土壤δ15N 值，其中对典型草原和草甸草原δ15N 影响较为显著（P＜0.05）。

表3 放牧对3 种主要草原类型土壤TN、δ15N 的影响Table 3 Effects of grazing on soil TN and δ15N in three main steppes

对土壤分层分析发现，随着土壤深度增加，土壤TN 值逐渐减小，最大值出现在草甸草原的0～5 cm 土层；土壤δ15N 值逐渐增大，最大值出现在典型草原的10～15 cm 土层（图3）；并且，从草甸草原到荒漠草原，土壤的TN 和δ15N 出现了逐渐降低的趋势。

2.4 植物叶片、根系以及土壤中的TN 与δ15N 相关分析

3 种主要草原类型植物群落叶片、根系以及土壤中的TN 与δ15N 进行相关性分析，结果表明：植物叶片（图4A）、根系（图 4B）中 TN 与 δ15N 都呈现极显著正相关关系（叶片：R2=0.73，P＜0.001；根系：R2=0.86，P＜0.001），而土壤中的TN 与δ15N 有正相关趋势（图4C），但并不显著（P＞0.01）。

3 讨论

3.1 放牧对植被生物量的影响

3 种草原植物群落地上和地下生物量由东向西逐渐减小，这与以往研究结果一致，植物地上和地下生物量均与环境因子有关，主要表现为降水量的大小［13］；陈效逑等［14］的研究还证实了：植物地上和地下生物量与经纬度呈现显著正相关关系。本研究无牧区植物群落地上和地下生物量均显著高于重度放牧区，主要是由于家畜过度采食和践踏破坏草地生态系统物质循环，导致植物群落生物量急剧下降［15-16］。

3.2 放牧对植物TN 和δ15N 的影响

3 种草原类型植物叶片、根系的TN 和δ15N 值自东向西依次递减，这与一些研究结果相似，刘贤赵等［17］在北京东灵山研究表明，草本植物δ15N 值与年均温度符合二次曲线关系。而本研究区植物δ15N 值随温度升高而下降的原因在于，研究区拥有“雨热同期”的气候特点，植物δ15N 受温度和降水双重影响。放牧使植物的 TN 与 δ15N 显著降低（P＜0.05），是由于放牧导致土壤 TN 与 δ15N 值贫化（表 3），N 矿化速率降低，所以植物可吸收利用的TN 与δ15N 减少；并且过度放牧导致植物群落地下生物量显著减少（图1），根系浅层化［18］，迫使植物吸收利用浅层土壤较贫化的TN 与δ15N。植物根系TN 与δ15N 的变化趋势和植物叶片的变化大致相同（表2），并且植物叶片、根系的TN 与δ15N 具有显著正相关（图 4），Kitayama 等［19］的研究也证实了这一结论，植物叶片、根系的TN 与δ15N 呈正相关是N 素通过丛枝菌根进入植株体过程中同位素分馏效应所引起的。

3.3 放牧对土壤TN 和δ15N 的影响

3 种草原类型土壤TN 和δ15N 值由东向西逐渐下降。对此，Bowman［20］研究表明，高海拔地区土壤矿化速率低于低海拔地区，导致土壤TN 和δ15N 较低。放牧降低土壤TN 和δ15N 值（表3），原因是放牧降低了土壤微生物活性，使土壤微生物的生物量减少［21］，导致土壤矿化速率降低，并且放牧也降低参与土壤矿化反应酶的活性，使土壤理化反应变慢［22］。另外，随着土层深度的增加，δ15N 逐渐富集（图3），由于植物凋落物中贫化的δ15N 输入，导致土壤表层δ15N 值偏低；随着土壤深度增加，较轻的14N 会优先从土壤中流失，土壤δ15N 值逐渐富集；而土壤TN 则表现出相反的趋势，即随着土壤深度的增加，土壤 TN 含量逐渐减小［23］。

图4 植物叶片（A）、根系（B）以及土壤（C）中全氮和稳定氮同位素的相关分析Fig. 4 Correlation analysis of TN and δ15N in plant leaves（A），roots（B）and soil（C）

4 结论

放牧对不同草原植物和土壤中TN 与δ15N 值均有不同程度的影响，其中对草甸草原植物和土壤的TN 与δ15N影响较大，表明不同的草原对放牧有不同的响应机制。不同的草原拥有不同的气候因素、地理因素，导致植物群落生物量和物种组成、土壤的各项指标有所差异，我们应采取多样化的管理方法保护不同类型的草原，维持草原生态平衡以及可持续发展。