不同管理措施對(duì)高寒草甸土壤微生物氮素生理群數(shù)量影響研究

張建貴，蔣永梅，姚拓*，高亞敏，李海云，蘭曉君，田永亮，李建宏，張英

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

不同管理措施對(duì)高寒草甸土壤微生物氮素生理群數(shù)量影響研究

張建貴1，蔣永梅1，姚拓1*，高亞敏1，李海云1，蘭曉君1，田永亮1，李建宏1，張英2

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016)

從微觀視野認(rèn)識(shí)土壤氮素形成機(jī)理，為高寒草甸微生物生長(zhǎng)和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究采用平板表面涂抹法和稀釋法對(duì)瑪曲高寒草甸4種不同管理措施(不圍欄、圍欄、圍欄+施肥、圍欄+補(bǔ)播)土壤微生物氮素生理群數(shù)量進(jìn)行了測(cè)定分析，結(jié)果表明，1)同一管理措施下，不同空間層次土壤微生物氮素生理群數(shù)量變化較大，具有明顯的垂直分布規(guī)律，0～10 cm和10～20 cm土層的數(shù)量均顯著高于20～30 cm土層(P<0.05)，一般前者是后者的1.23～4.03倍和1.11～2.25倍；且不同土壤微生物氮素生理群之間數(shù)量差異顯著，氨化細(xì)菌>反硝化細(xì)菌>硝化細(xì)菌>好氣性固氮菌>嫌氣性固氮菌。2)同一空間層次，不同管理措施土壤微生物氮素生理群間數(shù)量差異較大。土壤微生物氮素生理群數(shù)量以圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播草地最高，圍欄草地次之，不圍欄草地最少。3)不同管理措施，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量隨著土層深度增加逐漸減少，但圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播處理均顯著高于其他處理(P<0.05)。可見(jiàn)，圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播措施對(duì)瑪曲高寒草甸土壤微生物氮素生理群數(shù)量和不同形態(tài)氮素含量有提高效果。

高寒草甸；土壤微生物；氮素生理群；管理措施

高寒草甸具有獨(dú)特的服務(wù)價(jià)值，特別是涵養(yǎng)水源、水土保持功能對(duì)整個(gè)黃河流域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展起著重要作用[1]?，斍菰仁乔嗖馗咴鷳B(tài)系統(tǒng)重要構(gòu)成成分之一，又是黃河上游地區(qū)主要水源涵養(yǎng)地，享有“中華水塔”美譽(yù)[2]。高寒生態(tài)區(qū)草地具有氣候寒冷，水熱不同期和生態(tài)脆弱等獨(dú)特特性，破壞后難以恢復(fù)。近些年，瑪曲地區(qū)由于人口因素、經(jīng)濟(jì)因素、制度因素和文化因素等制約，致使該地區(qū)不同程度地出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境日益惡化，天然濕地草場(chǎng)大面積退化、沙化和鹽堿化[3-4]。放牧是草原畜牧業(yè)的主要經(jīng)營(yíng)方式之一，對(duì)于自然環(huán)境較為惡劣的高寒草甸而言，早牧、過(guò)牧常常導(dǎo)致草地植被的嚴(yán)重退化[5]。草畜極端不平衡，如何在提高草地生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上遏制草地退化，是目前亟待解決的問(wèn)題。

草地土壤微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)分解者亞系統(tǒng)的重要組成部分，是植物養(yǎng)料轉(zhuǎn)化、有機(jī)碳代謝及污染物降解的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要意義。草地土壤微生物的存在，能夠影響草地植被生長(zhǎng)發(fā)育及改良土壤狀況[6]。土壤微生物氮素生理群可作為土壤質(zhì)量變化、草地發(fā)育與演替的重要指標(biāo)之一[7]。土壤微生物氮素生理群指具有同種功能的相同或不同形態(tài)的一類微生物，能將生物殘?bào)w水解為氨基酸和氨，將氨氧化為硝酸，還原一切硝酸鹽以及固定大氣中氣態(tài)氮素[6]。因此，土壤微生物氮素生理群具有為植物根際生境提供氮素、調(diào)節(jié)氮素平衡及氮素循環(huán)的作用，定量分析土壤微生物在草地生態(tài)系統(tǒng)中的分布與活動(dòng)規(guī)律，可以揭示草地生態(tài)系統(tǒng)地下生理生態(tài)學(xué)的格局和過(guò)程，及形成草地管理實(shí)踐理論體系[8]。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者從不同角度出發(fā)，對(duì)高寒草甸保護(hù)、退化機(jī)理及退化后治理措施進(jìn)行大量研究。劉若萱等[9]提出雖然大氣中氮含量很多，但很多植物不能直接轉(zhuǎn)化利用，然而某些固氮微生物具有固定大氣中氮素的能力。Mekuria等[10]研究表明，圍欄有利于植被恢復(fù)，也可改善土壤營(yíng)養(yǎng)狀況；李文等[11]和魚(yú)小軍等[12]研究表明，經(jīng)封育、灌溉及補(bǔ)播幾種方式改良荒漠草原后，補(bǔ)播改良草地效果顯著。盡管許多學(xué)者對(duì)高寒草甸的退化恢復(fù)進(jìn)行了大量的研究，但有關(guān)草地土壤微生物氮素生理群數(shù)量分布的研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)4種不同管理措施對(duì)瑪曲高寒草甸土壤氮素生理群數(shù)量及土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量進(jìn)行比較分析，旨在為探尋不同管理措施研究土壤微生物活動(dòng)布局和植物作用機(jī)制及其改良、復(fù)壯和科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地自然概況

本研究選擇瑪曲縣大水種畜廠(E 100°45′45″-102°29′00″，N 33°06′30″-34°30′15″)作為研究區(qū)域，境內(nèi)海拔在3200～3500 m之間，地處青藏高原東部邊緣，位于甘肅省甘南藏族自治州西南部。瑪曲縣氣候?qū)倜黠@的高原大陸性高寒濕潤(rùn)區(qū)。受海拔影響，高寒多風(fēng)雨(雪)，無(wú)四季之分，僅有冷暖之別。冷季長(zhǎng)達(dá)314 d，漫長(zhǎng)而寒冷；暖季51 d，短暫而溫和。雨水集中，日照充足，輻射強(qiáng)烈，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。年平均氣溫1.2 ℃，平均風(fēng)速2.5 m/s，牧草生長(zhǎng)期190 d。年平均日照2583.9 h，日照率為61%?，斍吆莸橥寥罏閬喐呱讲莸橥粒莸仡愋鸵陨菘漆圆輰?Kobresia)和禾本科針茅屬(Stipa)、羊茅屬(Festuca)、早熟禾屬(Poa)的一些種及菊科風(fēng)毛菊屬(Saussurea)、槖吾屬(Ligularia)和瑞香科狼毒屬(Stellera)等屬的植物為主，并伴有高山唐松草(Thalictrumalpinum)、莓葉委陵菜(Potentillafragarioides)、鈍裂銀蓮花(Anemoneobtusiloba)、細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)、火絨草(Leontopodiumnanum)和花苜蓿(Medicagoruthenica)等[13]。

1.2 樣地設(shè)置及土壤樣品采集

2010年5月在研究區(qū)設(shè)置了4個(gè)等面積共為20 hm2樣地 (每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)重復(fù))，采取了不圍欄(自由放牧)、圍欄、圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播4種管理措施。自由放牧家畜為綿羊，放牧強(qiáng)度約為14只/hm2。施肥選用復(fù)合肥磷酸二銨撒施，施肥量為10 kg/hm2。選取當(dāng)?shù)爻Ｓ玫拇顾肱麎A草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapratensis)和中華羊茅(Festucasinensis)，補(bǔ)播比例為6∶2∶2，總播量為10.2 kg/hm2。采樣時(shí)間為2010年8月，分別在各樣地內(nèi)采用5點(diǎn)法，用土鉆分別采集0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm的土樣，每個(gè)樣地5次重復(fù)，剔除植株根系和石頭等雜物，并將各點(diǎn)土樣分層混合，按四分法取1 kg左右新鮮土樣裝入滅菌信封袋或無(wú)菌聚乙烯袋并密封，土壤帶回實(shí)驗(yàn)室后立即進(jìn)行各類微生物分離(4 ℃保存不超過(guò)24 h)、計(jì)數(shù)及土壤氮素測(cè)定。

1.3 研究方法

將10 g新鮮土樣用無(wú)菌水配成不同濃度梯度懸浮液：接種于盛有滅菌固體的培養(yǎng)皿中，用無(wú)菌刮刀涂抹均勻，每個(gè)濃度3個(gè)重復(fù)，恒溫(28 ℃)培養(yǎng)3 d，選取每皿菌落數(shù)為15～150的1個(gè)稀釋度統(tǒng)計(jì)菌落數(shù)，采用平板表面涂抹法計(jì)數(shù)；將各梯度土壤懸浮液1 mL分別接入已滅菌含15 mL液體培養(yǎng)基的試管中，每個(gè)稀釋度設(shè)置3次重復(fù)。另取3支試管接種1 mL無(wú)菌水作為對(duì)照，于28～30 ℃人工氣候箱中培養(yǎng)14 d，檢查是否有菌生長(zhǎng)，如有細(xì)菌生長(zhǎng)，一般有氣泡出現(xiàn)，培養(yǎng)液渾濁，采用稀釋培養(yǎng)法測(cè)定并計(jì)算每g干土中的菌數(shù)[14-15]。

1.3.1 微生物氮素生理群數(shù)量測(cè)定 氨化細(xì)菌數(shù)量測(cè)定采用蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基，好氣性固氮菌數(shù)量測(cè)定采用阿須貝(Ashby)培養(yǎng)基，均以平板表面涂抹法計(jì)數(shù)。計(jì)算公式[6]：N=M×鮮土重/干土重，其中：M=a×u/v，N為每g干土的菌數(shù)；M為每g鮮土的菌數(shù)；v為每個(gè)培養(yǎng)皿中加懸浮液體積(本研究為50 μL)；a為培養(yǎng)皿中平均菌落數(shù)；u為稀釋倍數(shù)。

硝化細(xì)菌數(shù)量測(cè)定采用改良的斯蒂芬遜(Stephenson)培養(yǎng)基，反硝化細(xì)菌數(shù)量測(cè)定采用組合培養(yǎng)基[14]，嫌氣性固氮菌數(shù)量測(cè)定采用玉米面培養(yǎng)基，采用稀釋法測(cè)定。每g干土中的菌數(shù)計(jì)算公式[6]：菌數(shù)=近似菌落數(shù)×稀釋倍數(shù)/干土(%)，其中，干土(%)=(干土重/鮮土重)×100。

1.3.2 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮測(cè)定 用四分法取出一部分新鮮土樣并過(guò)2 mm篩，帶回實(shí)驗(yàn)室立即測(cè)定NH4+-N和NO3--N含量，NH4+-N采用氯化鉀浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[16]；NO3--N采用酚二磺酸比色法測(cè)定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010整理、計(jì)算數(shù)據(jù)以及制作柱形圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析(One-way ANOVA)、相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物氮素生理群數(shù)量分布特征

2.1.1 氨化細(xì)菌數(shù)量分布特征 1)同一管理措施，不同空間層次土壤氨化細(xì)菌數(shù)量不同。上層(0～10 cm)均顯著高于下層(20～30 cm)(P<0.05)，0～10 cm氨化細(xì)菌數(shù)量是20～30 cm的2.01～2.65倍；10～20 cm氨化細(xì)菌數(shù)量是20～30 cm的1.43～1.98倍。2)不同管理措施，相同空間層次土壤氨化細(xì)菌數(shù)量不同。如0～10 cm圍欄+施肥顯著高于不圍欄、圍欄和圍欄+補(bǔ)播(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤氨化細(xì)菌總數(shù)量：圍欄+施肥>圍欄+補(bǔ)播>圍欄>不圍欄(圖1)。

圖1 不同管理措施下氨化細(xì)菌數(shù)量的空間動(dòng)態(tài)Fig.1 Space dynamic of ammonifiers amount under different management measures NF: 不圍欄No-fenced; E: 圍欄Enclosed; EF: 圍欄+施肥Enclosed with fertilization; ES: 圍欄+補(bǔ)播Enclosed with sowing; 不同小寫字母表示同一土層不同管理措施差異顯著(P<0.05)。下同。Different small letters indicate significant differences at the 0.05 level among different management measures in the same depth of soil. The same below.

2.1.2 硝化細(xì)菌數(shù)量分布特征 1)同一管理措施，不同空間層次土壤硝化細(xì)菌數(shù)量不同。上層(0～10 cm)均顯著高于下層(20～30 cm)(P<0.05)，0～10 cm硝化細(xì)菌數(shù)量是20～30 cm的1.66～3.18倍；10～20 cm數(shù)量是20～30 cm的1.32～2.11倍。2)不同管理措施，相同空間層次土壤硝化細(xì)菌數(shù)量不同。如0～10 cm圍欄+施肥、圍欄+補(bǔ)播均顯著高于不圍欄和圍欄(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤硝化細(xì)菌總數(shù)量：圍欄+施肥>圍欄+補(bǔ)播>圍欄>不圍欄(圖2)。

2.1.3 反硝化細(xì)菌數(shù)量分布特征 1)同一管理措施，不同空間層次土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量不同。上層(0～10 cm)均顯著高于下層(20～30 cm)(P<0.05)，0～10 cm反硝化細(xì)菌數(shù)量是20～30 cm的1.58～2.33倍；10～20 cm反硝化細(xì)菌數(shù)量是20～30 cm的1.43～1.83倍。2)不同管理措施，相同空間層次土壤反硝化細(xì)菌數(shù)量不同。如10～20 cm圍欄+施肥、圍欄+補(bǔ)播均顯著高于不圍欄和圍欄(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤反硝化細(xì)菌總數(shù)量：圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄(圖3)。

圖2 不同管理措施下硝化細(xì)菌數(shù)量的空間動(dòng)態(tài)Fig.2 Space dynamic of nitrifiers amount under different management measures

圖3 不同管理措施下反硝化細(xì)菌數(shù)量的空間動(dòng)態(tài)Fig.3 Space dynamic of denitrifying bacteria amount under different management measures

2.1.4 好氣性固氮菌數(shù)量分布特征 1)同一管理措施，不同的空間層次土壤好氣性固氮菌的數(shù)量不同。上層(0～10 cm)均顯著高于下層(20～30 cm)(P<0.05)，0～10 cm好氣性固氮菌的數(shù)量是20～30 cm的1.23～4.03倍；10～20 cm好氣性固氮菌的數(shù)量是20～30 cm的1.11～2.55倍。2)不同管理措施，相同空間層次土壤好氣性固氮菌數(shù)量不同。20～30 cm圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播均顯著高于圍欄、不圍欄(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤好氣性固氮菌總數(shù)量：圍欄+補(bǔ)播>圍欄+施肥>圍欄>不圍欄(圖4)。

2.1.5 嫌氣性固氮菌數(shù)量分布特征 1)同一管理措施，不同的空間層次土壤嫌氣性固氮菌的數(shù)量不同。上層(0～10 cm)均顯著高于下層(20～30 cm)(P<0.05)，0～10 cm嫌氣性固氮菌數(shù)量是20～30 cm的1.56～3.70倍；10～20 cm嫌氣性固氮菌數(shù)量是20～30 cm的1.18～1.65倍。2)不同管理措施，相同空間層次土壤嫌氣性固氮菌數(shù)量不同。20～30 cm圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播均顯著高于圍欄、不圍欄(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤嫌氣性固氮菌總數(shù)量：圍欄+施肥>圍欄+補(bǔ)播>圍欄>不圍欄(圖5)。

圖4 不同管理措施下好氣性固氮菌數(shù)量的空間動(dòng)態(tài)Fig.4 Space dynamic of aerobic NFB amount under different management measures

圖5 不同管理措施下嫌氣性固氮菌數(shù)量的空間動(dòng)態(tài)Fig.5 Space dynamic of anaerobic NFB amount under different management measures

2.2 不同管理措施對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響

1)同一管理措施，不同的空間層次土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量不同。0～10 cm和10～20 cm銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均顯著高于20～30 cm。0～10 cm銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別是20～30 cm的1.48～1.72倍和2.48～3.21倍；10～20 cm銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別是20～30 cm的1.14～1.42倍和1.53～1.87倍。2)不同管理措施，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮在0～10 cm圍欄+施肥均顯著高于圍欄+補(bǔ)播、圍欄和不圍欄(P<0.05)。3)不同管理措施下，土壤銨態(tài)氮(除20～30 cm外)和硝態(tài)氮總含量：圍欄+施肥>圍欄+補(bǔ)播>圍欄>不圍欄(表1)。

表1 不同管理措施對(duì) NH4+-N和NO3--N含量的影響

NF: No-fenced; E: Enclosed; EF: Enclosed with fertilization; ES: Enclosed with sowing; 表中數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著。Data in the Table are the average of three replicates±standard deviation; Different small letters mean significant differences atP<0.05 level.

2.3 土壤不同形態(tài)的氮素量與微生物氮素生理群數(shù)量的相關(guān)性

銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與土壤氮素生理群數(shù)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。不同管理措施，銨態(tài)氮含量與氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌和嫌氣性固氮菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)R值依次為0.786、0.873、0.781、0.808和0.820(圖6)；硝態(tài)氮含量與氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌和嫌氣性固氮菌數(shù)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)R值依次為0.841、0.725、0.708、0.780和0.747(圖7)。

3 討論與結(jié)論

草地群落植被的差異會(huì)引起土壤微生物氮素生理群數(shù)量的變化，土壤微生物氮素生理群具有固定大氣中氮素的能力，能將氣態(tài)氮素轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锢玫男螒B(tài)，對(duì)土壤氮素補(bǔ)充和平衡、存在與調(diào)節(jié)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)、肥力以及草地植物“四度一量”的恢復(fù)具有重要意義[16]。

圖6 銨態(tài)氮含量與微生物氮素生理群數(shù)量的相關(guān)性Fig.6 Correlation analysis between ammonium nitrogen content (ANC) and the number of nitrogen physiological microorganisms group

圖7 硝態(tài)氮含量與微生物氮素生理群數(shù)量的相關(guān)性Fig.7 Correlation analysis between nitrate nitrogen content (NNC) and the number of nitrogen physiological microorganisms group

不同空間層次高寒草甸土壤微生物氮素生理群數(shù)量具有明顯的垂直分布規(guī)律。這與何芳蘭等[17]、熊淑萍等[18]研究結(jié)果一致，這是因?yàn)椴荼局参锔刀喾植荚诒韺油寥溃腋凳侵参镂諣I(yíng)養(yǎng)的主要器官，也是微生物最活躍的活動(dòng)場(chǎng)所。同時(shí)，根際各類群微生物趨向性聚居在植物根系并通過(guò)各自的代謝活動(dòng)，分解轉(zhuǎn)化根系分泌物和脫落物，從而為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了汲取豐富有效養(yǎng)分的環(huán)境[19]。此外，還與土壤氮素生理群自身的特性有關(guān)，表層土壤中聚積有大量的凋零物，有充分的營(yíng)養(yǎng)源，加之水分、熱量、酸堿度和通氣狀況較好[20]，利于各類微生物的生長(zhǎng)和繁殖。

不同管理措施土壤微生物氮素生理群數(shù)量差異很大。圍欄+施肥增加了該草地群落蓋度和草產(chǎn)量[13]，蘇潔瓊等[21]研究結(jié)果表明，施用復(fù)合肥磷酸二胺對(duì)高寒草甸植物群落的恢復(fù)具有明顯的效果。可能是因?yàn)槭┓适共莸赝寥烙袡C(jī)質(zhì)含量升高，水熱條件和通氣狀況較好，有充分的營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)氮素生理群的生長(zhǎng)，從而施肥對(duì)氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌和嫌氣性固氮菌的數(shù)量比其他管理措施顯著增多。圍欄+補(bǔ)播增加草地的覆蓋度、草群密度、高度和地上生物量，使土壤的養(yǎng)分狀況得到改善，使反硝化細(xì)菌和好氣性固氮菌快速生長(zhǎng)，代謝旺盛，繁殖速度加快[22]。圍欄減少了家畜的踐踏和肆虐啃食以及人為活動(dòng)的干擾，防止土壤退化和結(jié)塊，從而提高水分利用率，促進(jìn)草地植被恢復(fù)，為氮素生理群的生長(zhǎng)繁殖提供了適宜的水分、氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[23]。不圍欄由于家畜過(guò)度采食和踐踏，優(yōu)良牧草品質(zhì)和數(shù)量降低，然而雜草大量出現(xiàn)，破壞草地；同時(shí)土壤較緊實(shí)，通氣狀況差，偏酸性(pH 6.78)[13]，故氮素生理群數(shù)量少。

不同管理措施對(duì)土壤氮素形態(tài)含量影響不同。不同形態(tài)氮素量的高低主要受土壤環(huán)境條件、微生物種類、放牧、施肥和補(bǔ)播等因素的影響[24-26]。在高寒草甸地區(qū)，由人類生產(chǎn)活動(dòng)干擾，一定程度破壞草地生長(zhǎng)，加劇養(yǎng)分流失[27]。載畜量超過(guò)一定承受能力，使生物群落結(jié)構(gòu)破壞，適口性差，富含高氮量的植物減少，富含低氮量的植物增多，進(jìn)而抑制氮素循環(huán)。通過(guò)不同管理措施對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的研究，草地圍欄后草產(chǎn)量增加，一方面，聚集了大量的凋落物，土壤表面枯落物和根系分泌物的輸入，提高土壤全氮含量[16]；另一方面，提高土壤微生物活性，增強(qiáng)土壤氮素轉(zhuǎn)化利用，提高氮素利用率。此外，植物枯體在微生物分解過(guò)程中產(chǎn)生的酸類物質(zhì)，可以使土壤中那些難溶性物質(zhì)向有效性方向轉(zhuǎn)化，從而促進(jìn)有效氮的增加[28-29]。

土壤微生物數(shù)量與土壤氮素形態(tài)有相關(guān)性。土壤微生物數(shù)量與銨態(tài)氮含量相關(guān)性最大、最小的細(xì)菌數(shù)量分別是硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌，與硝態(tài)氮含量相關(guān)性最大、最小的細(xì)菌數(shù)量分別是氨化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌。這一結(jié)果顯示，大量的氨化細(xì)菌使該草地死亡的生物體含氮物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸和氨的過(guò)程相對(duì)較為容易[30-31]，可能是一些好氣性固氮菌、嫌氣性固氮菌將氣態(tài)氮轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮補(bǔ)充了銨態(tài)氮的含量，也有可能氨化作用所產(chǎn)生的銨鹽本身已適于作為綠色植物的養(yǎng)料，但綠色植物更適合的養(yǎng)料是硝酸鹽[32]。

綜上可見(jiàn)，4種不同管理措施不同程度改變土壤微生物數(shù)量及不同形態(tài)氮素量，其中，土壤圍欄+施肥和圍欄+補(bǔ)播恢復(fù)效果最好，能夠大幅度提高土壤微生物數(shù)量，在瑪曲高寒草甸土壤恢復(fù)和管理過(guò)程中可作為最佳的管理措施進(jìn)行推廣。然而，本研究只考慮了氮元素相關(guān)的土壤微生物數(shù)量因素，在今后的研究中需要增加土壤微生物量和微生物固氮量指標(biāo),進(jìn)一步完善。

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Effects of different management strategies on the number of soil nitrogen microorganism groups in an alpine meadow

ZHANG Jian-Gui1, JIANG Yong-Mei1, YAO Tuo1*, GAO Ya-Min1, LI Hai-Yun1, LAN Xiao-Jun1,TIAN Yong-Liang1, LI Jian-Hong1, ZHANG Ying2

1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinisteryofEducation,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China； 2.AgricultureandAnimalHusbandryCollegeofQinghaiUniversity,Xining810016,China

Understanding the micro-mechanisms of soil nitrogen formation can provide useful information about the growth and recovery of microorganisms in an alpine meadow. In this study, soil samples were collected from the alpine meadow in Maqu from sites under four types of management; unfenced, enclosed, enclosed with fertilization, and enclosed with sowing. The number of soil nitrogen microorganism groups was determined by the plate colony count and MPN (most probable number) methods. The number of nitrogen bacterial groups decreased with increasing soil depth at all sites. The number of nitrogen bacterial groups was significantly higher in the 0-10 cm and the 10-20 cm soil layers (P<0.05) than in the 20-30 cm soil layer (1.23-4.03 times and 1.11-2.25 times that in the 20-30 cm soil layer, respectively). There were also significant differences in abundance among the microorganism groups. The groups were ranked, from most abundant to least abundant, as follows: ammonifiers>denitrifying bacteria>nitrifiers>aerobic nitrogen-fixing bacteria (aerobic NFB)>anaerobic nitrogen-fixing bacteria (anaerobic NFB). In the same soil layer, there were significant differences in the abundance of bacterial groups among the different management strategies. The nitrogen bacterial groups were most abundant in the enclosed fertilized grassland and enclosed sown grassland, less abundant in enclosed grassland, and least abundant in the unfenced grassland. The amounts of ammonium nitrogen and nitrate nitrogen decreased with increasing soil depth in all treatments, and were significantly higher in enclosed fertilized grassland and enclosed sown grassland (P<0.05) than in enclosed grassland and unfenced grassland. These results show that, in the alpine meadow, the number and types of soil microorganisms and the contents of different forms of nitrogen can be increased by enclosure with sowing and enclosure with fertilization.

alpine meadow; soil microorganism; the physiological bacteria group of nitrogen; management measures

10.11686/cyxb2016433

http://cyxb.lzu.edu.cn

2016-11-15；改回日期：2017-02-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31360584)和國(guó)家科技支撐技術(shù)(2009BAC53B06)資助。

張建貴(1991-)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，在讀碩士。E-mail: zhangjgyx@yeah.net*通信作者Corresponding author. E-mail: yaotuo@gsau.edu.cn

張建貴, 蔣永梅, 姚拓, 高亞敏, 李海云, 蘭曉君, 田永亮, 李建宏, 張英. 不同管理措施對(duì)高寒草甸土壤微生物氮素生理群數(shù)量影響研究. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(8): 65-73.

ZHANG Jian-Gui, JIANG Yong-Mei, YAO Tuo, GAO Ya-Min, LI Hai-Yun, LAN Xiao-Jun, TIAN Yong-Liang, LI Jian-Hong, ZHANG Ying. Effects of different management strategies on the number of soil nitrogen microorganism groups in an alpine meadow. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 65-73.