短期放牧對高寒草甸土壤水穩(wěn)性團聚體構成及穩(wěn)定性的影響

薛 冉，郭雅婧，苗福泓，李世卿，郭正剛，沈禹穎

（蘭州大學 草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州730020）

青藏高原草地植物較短的生長周期決定了夏季牧場放牧時間只有3—4個月［1］，因此其決定著草地群落和初級生產力，并且影響土壤理化性質。水穩(wěn)性團聚體是土壤肥力的基礎性指標和重要組成部分，其空間排列特點不僅影響著土壤通氣性、透水性、持水量、土壤容重、孔隙度、入滲性和抗蝕性等基本性狀，還影響著土壤微生物總量和分布、酶的種類及活性，進而影響著土壤給予植物養(yǎng)分的能力，因此土壤水穩(wěn)性團聚體組分及其穩(wěn)定性是決定草地生態(tài)系統(tǒng)土壤供給能力的物理性狀之一。目前水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的研究方法主要有2種途徑，一種是分形維數，眾多研究表明分形維數越小表示土壤團聚體穩(wěn)定性越好［2－3］，另外一種途徑是測定土壤團聚體有機碳含量，有機碳含量越高土壤團聚體穩(wěn)定性越高［4］。土壤有機質是影響土壤水穩(wěn)性團粒含量的主導因子之一［5－7］，這是因為土壤團聚體是有機質陽離子和黏粒共同作用形成的［8］，大粒徑團聚體含量越高，土壤性質越穩(wěn)定，抗侵蝕能力也越強。

雖然土壤團聚體詳細的形成機理尚不清晰，但目前已經證實大粒徑土壤團聚體是小粒徑土壤團聚體在植物根系和菌絲共同纏繞作用下形成的［9－11］，特別是植物細根能夠提高大粒徑團聚體的含量和土壤團聚體的總量，這不僅與根系的穿插、擠壓和纏繞等機械作用有關，而且與根系分泌物能夠加速黏結土壤顆粒有關，因此根系總量和分泌物增加均可通過提高團聚體總量而提升土壤穩(wěn)定性［12－14］。土壤微生物的菌絲和其分泌物能夠纏繞和黏結土壤顆粒，促進團聚體的形成，Martin等［15］的研究表明土壤真菌形成的團聚體中，50%是菌絲直接纏繞作用形成的，因此土壤微生物含量是衡量水穩(wěn)定性團聚體的重要指標之一。

本研究通過分析不同放牧梯度下草地土壤水穩(wěn)性團聚體含量和有機碳、根系生物量，以及微生物數量，揭示了放牧對青藏高原東北邊緣高寒草地土壤水穩(wěn)性團聚體的影響，以期全面闡明放牧對青藏高原草地的作用機制。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于甘肅省武威市天祝縣抓喜秀龍鄉(xiāng)南泥溝村，地理坐標為：102°29′—102°33′E，37°11′—37°12′N，地處青藏高原東北緣，海拔在2 878～3 425m，晝夜溫差大，氣候變化無常，屬高寒濕潤氣候，無霜期76d，年均氣溫－2℃，年降水量400mm，主要集中在7—9月。土壤為沖積母質上發(fā)育的高山草甸土，以栗鈣土為主。草地植被類型以亞高山嵩草草甸類為主，主要物種有嵩草（Kobresia capillifolia）、苔草（Carex tristachya）、珠 芽 蓼 （Polygonum viviparum）、披堿草（Elymus dahuricus）、早熟禾（Poaannua）等，并伴有陰山扁蓄豆（Melissitus ruthenica），鳳毛菊（Saussurea superba）、冷蒿（Artemisia frigida）及黃花棘豆 （Oxytropis ochrocephala）、秦艽（Gentiana macrophylla）和狼毒（Stellera chamaejasme）等有毒植物。

1.2 試驗設計

放牧自2010年6月開始至10月1日結束，2011年5月15日開始至9月30日結束，根據當地的草產量以及當地牧民的放牧習慣，設定3個放牧梯度：輕牧（LG，0.75個牦牛單位／hm2）、中牧（MG，1個牦牛單位／hm2）和重牧（HG，1.25個牦牛單位／hm2），每個放牧小區(qū)面積4hm2，3個重復，共9個放牧小區(qū)，樣地內設置6個1m×1m籠扣，作為未放牧處理（CK）。

1.3 取樣與樣品分析

1.3.1 土壤水穩(wěn)性團聚體測定 2011年9月30日在每個放牧小區(qū)內，隨機選取3個樣點，按0—10，10—20，20—30cm的層次取原狀土樣。在實驗室風干后，手工撿出土樣中的草根等，用橡皮榔頭輕輕敲打塊狀土樣，采用干篩法篩取粒徑在5～2mm的土壤40g，每個土樣設置3個重復，用濕篩法（沙維諾夫法）［16］分別收集5～2，2～1，1～0.5和0.5～0.25mm的各級水穩(wěn)性團聚體顆粒，80℃烘干后稱重，計算各級水穩(wěn)性團聚體的比重。

土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的測定：分別將粒徑＞1和＜1mm的土壤團聚體碾碎，并混合均勻，采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測定其有機碳含量，每個土樣重復3次。

1.3.2 植物根系測定 同樣用40mm土鉆按0—10，10—20，20—30cm的層次取原狀土樣。用洗根法收集植物根系，采用孔徑0.5mm以上的土篩分別獲取3個土層的根系，洗凈后置于65℃烘箱內烘干至恒重。

1.3.3 土壤微生物的培養(yǎng)計數 在每一樣地內采用蛇形取樣法選取3個點，在0—20cm土層取根際土壤，混合后將樣品帶回實驗室。首先用冷凍干燥法測定土樣中水分，用平板稀釋培養(yǎng)法進行土壤真菌和放線菌計數測定，真菌培養(yǎng)采用馬丁氏培養(yǎng)基，放線菌培養(yǎng)采用改良的高氏Ⅰ號培養(yǎng)基。

1.4 數據分析

通過SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用單因子方差分析（ANOVA）對3個放牧梯度下土壤團聚體含量、地下生物量和微生物數量做顯著性分析和方差齊次性檢驗，Duncan法做多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同放牧強度對土壤水穩(wěn)性團聚體含量及分布的影響

放牧2a后，在0—10cm土層，中牧下水穩(wěn)性大團聚體（粒徑5～0.25mm）的含量高于對照、輕牧和重牧處理，特別是0.5～0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量比輕牧和重牧條件顯著提高35.8%和43.1%，微團聚體（粒徑＜0.25mm）含量則顯著低于對照和其他2個放牧處理（p＜0.05）（圖1a）；在10—20cm土層，中牧下粒徑5～2mm的土壤團聚體含量低于對照組和其他放牧處理，但未達到顯著水平，而粒徑1～0.5mm土壤團聚體比例比對照、輕牧和重牧處理分別高出147%，221%和142%。輕牧和重牧處理下，各粒徑土壤團聚體的含量與對照相比無明顯差異（圖1b）；20—30cm土層中，各放牧處理下不同粒徑土壤團聚體含量與對照相比無顯著差異（圖1c）。結果表明，中牧有助于表層土壤中水穩(wěn)性大團聚體的形成，也進而說明了短期的中牧條件有利于高寒草甸土壤結構穩(wěn)定性的提高。

圖1 短期放牧對高寒草甸0－30cm土層不同粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響注：同一土層不同字母表示差異顯著（p＜0.05）。下同。

綜合分析3個土層，可以發(fā)現與0—10cm土層相比，10—20cm土層水穩(wěn)性大團聚體的含量升高，微團聚體的含量降低；與10—20cm土層相比，20—30cm土層中粒徑5～2mm水穩(wěn)性團聚體含量降低，粒徑2～0.5mm水穩(wěn)性團聚體含量有升高的趨勢。說明短期放牧會影響水穩(wěn)性團聚體在不同深度土層的含量。

2.2 不同放牧強度對水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響

短期放牧后，在不同放牧梯度下，各個土層不同粒徑的團聚體有機碳含量的差異不明顯：各土層中呈現粒徑＞1mm土壤團聚體有機碳含量高于粒徑＜1mm團聚體的規(guī)律。中牧處理下粒徑＞1mm的土壤團聚體有機碳含量在0—10cm土層顯著低于對照、輕牧和重牧處理（p＜0.05）（圖2a）；中牧下，粒徑＜1mm團聚體有機質含量在10—20cm土層大于對照及其他放牧處理（圖2b），而在其他粒徑和土層下均小于對照及其他放牧處理。結果表明，不同的放牧強度會影響高寒草甸不同土層中水穩(wěn)性團聚體有機碳含量。

圖2 短期放牧對高寒草甸不同粒徑土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量的影響

2.3 不同放牧強度對植物根系生物量及分布的影響

短期放牧后，高寒草甸根系主要集中在0—10cm土層，占地下生物總量的77.6%～87%，且隨著放牧梯度的增大而增加。重牧下根系生物量比輕牧和中牧分別高86.0%和20.4%，中牧下地下生物量與對照處理相近。在10—20和20—30cm土層，各放牧梯度下的根系生物量之間差異不大，且與對照處理無顯著性差異（p＞0.05，表1）。表明不同的放牧強度會對植物根系的空間分布產生很大影響，這是由于放牧強度的增加會導致高寒草甸地上生物量的降低，植物會應激的增加地下生物量來保證營養(yǎng)物質的充足。

表1 短期放牧對高寒草甸根系空間分布的影響 g／m2

2.4 不同放牧強度對土壤微生物總數的影響

經過2a的短期放牧，青藏高原高寒草甸土壤微生物中的真菌和放線菌數量上呈現不同的變化，其中，重牧處理下土壤真菌數明顯小于輕牧和中牧（圖3a），而3個不同放牧梯度下，放線菌的數量呈現隨放牧強度的增大而增加的趨勢，但與對照相相比，均不存在顯著性差異（圖3b）。表明短期放牧會影響高寒草甸土壤中微生物的數量，其中，對真菌的影響較顯著。

圖3 短期放牧對高寒草甸土壤微生物數量的影響

3 討論

3.1 根系對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

土壤水穩(wěn)性團聚體的含量是表征土壤穩(wěn)定性的重要指標。李勇等［12］在黃土高原通過對植物根系以及土壤抗沖性的研究提出了有效根密度的概念，即土壤剖面100m2截面對土壤抗沖性有增強效應的≤1mm徑級須根的數目。在四川盆地和長江中下游林地的相關研究證明≤1mm細根通過活細胞分泌物和死細胞提供有機質作為黏合劑，能夠顯著提高團聚體和大粒徑團聚體的總量［17－18］?？梢姼凳峭寥浪€(wěn)性團聚體形成和保持穩(wěn)定的重要條件，有效根密度也能作為判定根系影響水穩(wěn)性團聚體形成的重要指標之一。青藏高原高寒草甸群落主要以須根系植物為主，不同種類植物根系錯綜復雜的纏繞在一起，尤其是在0—10cm土層，不同形態(tài)的根系將土壤“包裹”起來，極難分離，維持了土壤穩(wěn)定性，但這也影響了該地區(qū)有效根密度相關研究的進行。

本研究結果表明中牧能夠提高0—10cm土層土壤中水穩(wěn)性大團聚體的含量，原因可能是植物根系主要集中于表層土壤，表層土壤是高寒草甸地下生物和非生物物質反應的主要場所，其理化特性能夠反應短期放牧對土壤造成的即時影響，而中牧是高寒草甸的最適放牧強度，家畜的排泄物及對植物適當的采食有利于微生物和植物根系的生長發(fā)育，從而促進水穩(wěn)性團聚的的形成。另一方面，雖然青藏高原高寒草甸根系生物量主要集中在0—10cm土層，但是在此層的水穩(wěn)性大團聚體的含量卻小于10—30cm土層，導致表層土壤中水穩(wěn)性團聚體形成受阻的原因可能是由于在高海拔高寒的環(huán)境條件下，表層土壤的溫度和濕度等條件不夠穩(wěn)定以及家畜對表層土壤的踐踏作用。而10—20cm土層環(huán)境相對穩(wěn)定，根系生物量又明顯高于20—30cm土層，所以水穩(wěn)性大團聚體的含量最高。

3.2 根系對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

水穩(wěn)性團聚體中有機碳含量越高，其抗蝕性越強，穩(wěn)定性越好。有機碳能減小土壤顆粒間其他不穩(wěn)定粘合力，并通過相互吸附作用使土壤顆粒黏結到一起，從而促進團聚體的生成［15］。Puget等［19］認為穩(wěn)定的土壤團聚體是由新生有機碳膠結粒徑較小的團聚體而形成的。彭新華等［4］的研究也表明提高土壤中有機碳的含量能顯著提高濕潤破碎團聚體的穩(wěn)定性，說明有機碳含量對水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性有至關重要的影響，團聚體有機碳含量越高，團聚體越穩(wěn)定。

本研究通過對土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳的測定來衡量其穩(wěn)定性，得到在相同的放牧梯度下，隨著土層深度的加深，水穩(wěn)性團聚體中有機碳減少的結果，這是由于高寒草甸植物根系生物量也是隨著土層的加深而減少的，說明根系對于青藏高原東北邊緣高寒草甸土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性有重要的影響。龐大的植物根系生長死亡更新產生的死根能夠為水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性提供必要的活性有機碳，根系與其他土壤生物之間存在一系列的共生、互助關系也有利于土壤中有機碳的增加，為水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定提供了必須的要素，這與前人［18，20］在黃土高原地區(qū)和長江中下游林地實驗得到的結論類似。但是本研究中發(fā)現，雖然中牧條件下水穩(wěn)性大團聚體的含量大于對照及其他放牧處理，其有機碳含量卻較少，這可能是由于中牧條件下，植物根系比較發(fā)達，有機碳的流動轉化也較多所致，或者是中牧對水穩(wěn)性團聚體有機碳的一個短期效應。

3.3 微生物對土壤水穩(wěn)性團聚體含量的影響

微生物在團聚體形成過程中的作用與根系相似，除了通過纏繞作用和分泌物的膠結作用，微生物的腐殖化作用也會促進團聚體的形成。馮固等［21］的研究表明，接種叢植菌根真菌能夠增加玉米根系分泌物，真菌菌根是形成粒徑5～2mm水穩(wěn)性團聚體的必要條件。程麗娟等［22］也發(fā)現接種大豆根瘤菌、園褐固氮菌、腔質芽孢桿菌、根霉和5406放線菌等均有助于土壤團聚體的形成，說明微生物對土壤水穩(wěn)性團聚體的形成具有不可忽視的影響，尤其是菌絲的存在將直接影響到水穩(wěn)性團聚體的含量。

本研究通過對真菌和放線菌的培養(yǎng)計數來表征土壤中菌絲的密度，發(fā)現土壤真菌總數和水穩(wěn)性大團聚體都呈現出：中牧＞輕牧＞重牧的規(guī)律，因為家畜的排泄物以及對植物的采食會直接影響到微生物的生存環(huán)境，表層土壤中的微生物會對短期放牧產生即時響應，中牧條件給真菌的生長發(fā)育提供了的條件，其活性和數量達到了最大，對水穩(wěn)性團聚體的形成起到了促進作用。說明在青藏高原高寒草甸，放牧強度影響真菌總數或菌絲密度，進而影響到水穩(wěn)性團聚體的形成。

3.4 微生物對土壤水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性的影響

微生物菌絲所分泌的大分子多糖類物質可以增加土壤水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。MacCalla［23］在不同種類微生物提高土壤顆粒抗水沖擊的研究中指出，真菌對提高土壤團聚體穩(wěn)定性最為有效，其次是放線菌、細菌和酵母菌。Tisdall等［11］發(fā)現對于微生物菌絲來說，其分泌物黏結所形成的團聚體穩(wěn)定性遠高于菌絲纏繞所形成的團聚體。Jastrow［24］的研究證明凋落物通過真菌菌絲和其他微生物分泌的大分子多糖的分解，能將土壤顆粒粘結在一起。但是，由于收集困難等原因，目前對菌絲及其分泌物對土壤團聚體穩(wěn)定性影響的研究還存在一定困難［21］，需進一步的實驗加以論證。

然而在本研究中，中牧條件下真菌的數量最大，但水穩(wěn)性團聚體有機碳含量卻最低，放線菌的數量與水穩(wěn)性團聚體有機碳含量也沒有顯著的相關關系，這與前人的研究結果不同，有待于進一步的深入研究。

4 結論

青藏高原東北邊緣高寒草甸經2a短期放牧后，對土壤水穩(wěn)性團聚體的研究分析發(fā)現：中牧條件下，各粒級水穩(wěn)性團聚體的含量、分布和穩(wěn)定性變化比較大；短期放牧主要影響表層土壤中根系生物量以及微生物的空間分布；根系和微生物群落對水穩(wěn)性團聚體的含量及其穩(wěn)定性有重要影響。

［1］ 李世卿，王先之，郭正剛，等.短期放牧對青藏高原東北邊緣高寒草甸土壤及微生物碳氮含量的影響［J］.中國草地學報，2013，35（1）：55－60.

［2］ 儲小院，王玉杰，劉紹娟，等.縉云山典型林地土壤團粒特征［J］.林業(yè)建設，2011（2）：23－29.

［3］ 付剛，劉增文，崔芳芳.黃土殘塬溝壑區(qū)不同人工林土壤團粒分形維數與基本特性的關系［J］.西北農林科技大學學報：自然科學版，2008，36（9）：101－107.

［4］ 彭新華，張斌，趙其國.紅壤侵蝕裸地植被恢復及土壤有機碳對團聚體穩(wěn)定性的影響［J］.生態(tài)學報，2003，23（10）：2176－2183.

［5］ 文倩，關欣.土壤團聚體形成的研究進展［J］.干旱區(qū)研究，2004，21（4）：434－438.

［6］ 劉夢云，常慶瑞，齊雁冰.不同土地利用方式的土壤團粒及微團粒的分形特征［J］.中國水土保持科學，2006，4（4）：47－51.

［7］ Oades J M，Waters A G.Aggregate hierarchy in soils［J］.Australian Journal of Soil Research，1991，29（6）：815－828.

［8］ Edwards A P，Bremner J M.Microaggregates in soils［J］.Journal of Soil Science，1967，18（1）：64－73.

［9］ 章明奎，何振立，陳國潮，等.利用方式對土壤水穩(wěn)性團聚體形成的影響［J］.土壤學報，1997，34（4）：359－366.

［10］ 楊彭年.石灰性土壤有機質礦質復合體及其團聚性的研究［J］.土壤學報，1984，21（2）：144－152.

［11］ Tisdall J M，Oades J M.The effect of crop rotation on aggregation in a red－brown earth［J］.Australian Journal of Soil Research，1980，18（4）：423－433.

［12］ 李勇，朱顯謨，田積瑩.黃土高原植物根系提高土壤抗沖性的有效性［J］.科學通報，1991，36（12）：935－938.

［13］ 劉定輝，李勇.植物根系提高土壤抗侵蝕性機理研究［J］.水土保持學報，2003，17（3）：34－37.

［14］ 宋日，劉利，馬麗艷，等.作物根系分泌物對土壤團聚體大小及其穩(wěn)定性的影響［J］.南京農業(yè)大學學報，2009，32（3）：93－97.

［15］ Martin J P，Martin W P，Page J B，et al.Soil aggregation［J］.Advances in Agronomy，1955，7：1－37.

［16］ 中國科學院南京土壤研究所物理研究室.土壤物理性質測定方法［M］.北京：科學出版社，1978：83－88.

［17］ 董慧霞，李賢偉，張健，等.退耕地三倍體毛白楊林地細根生物量及其與土壤水穩(wěn)性團聚體的關系［J］.林業(yè)科學，2007，43（5）：24－29.

［18］ 吳彥，劉世全，付秀琴，等.植物根系提高土壤水穩(wěn)性團粒含量的研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1997，3（1）：45－49.

［19］ Puget P，Chenu C，Balesdent J.Dynamics of soil organic matter associated with particle－size fractions of water－stable aggregates［J］.European Journal of Soil Science，2000，51（4）：595－605.

［20］ 李勇，武淑霞，夏侯國風.紫色土區(qū)刺槐林根系對土壤結構的穩(wěn)定作用［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1998，4（2）：1－7.

［21］ 馮固，張玉鳳，李曉林.叢枝菌根真菌的外生菌絲對土壤水穩(wěn)性團聚體形成的影響［J］.水土保持學報，2001，15（4）：99－102.

［22］ 程麗娟，來航線，李素儉，等.微生物對土壤團聚體形成的影響［J］.西北農業(yè)大學學報，1994，22（4）：93－97.

［23］ MacCalla T M.Influence of some microbial groups on stabilizing soil structure against falling water drops［J］.Soil Science Society of America Proceedings，1946，11（C）：260－263.

［24］ Jastrow J D.Soil aggregate formation and the accrual of particulate and mineral－associated organic matter［J］.Soil Biology ＆ Biochemistry，1996，28（4）：665－676.