放牧對冷蒿根際土壤微生物群落結構多樣性的影響

臧曉琳， 張洪芹， 王鑫朝， 馬元丹， 寶音陶格濤， 張汝民， 高 巖*

(1. 浙江農林大學亞熱帶森林培育國家重點實驗室， 浙江 臨安 311300； 2. 內蒙古大學生命科學學院， 內蒙古 呼和浩特 010021)

近年來，由于全球氣候變暖和人為因素的干擾，內蒙古草原出現(xiàn)大面積的退化，生物多樣性和初級生產(chǎn)力大大下降，引起生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、服務功能衰退[1-3]。草場退化嚴重阻礙了內蒙古草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，控制放牧量已成為當前退化草場恢復與重建的主要措施[4-5]。冷蒿(Artemisiafrigida)是退化草場的主要優(yōu)勢種，具有強烈的耐牧性，這與其自身的生物學特性[6]和根系代謝產(chǎn)物對根際微環(huán)境的調控有關[7]。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在土壤有機質的分解、養(yǎng)分循環(huán)與轉化、土壤肥力演替等方面具有重要作用[8]。根際是植物根系、土壤、微生物形成的動態(tài)微域，根際微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的構成因子之一，對植物的生長發(fā)育和環(huán)境適應產(chǎn)生重要的影響[9]。研究表明，冷蒿根際土壤微生物數(shù)量和酶活性普遍高于非根際土壤[10]；草原典型植物根際土壤微生物群落多樣性明顯高于非根際[11]，放牧是影響土壤微生物群落結構的重要因素[12]。牛磊等[13]采用磷脂脂肪酸分析法(phospholipid fatty acids，PLFAs)研究了我國西藏那曲地區(qū)不同放牧方式下高寒草甸土壤微生物群落結構的差異，認為休牧和輕度放牧均有利于高寒草甸健康穩(wěn)定;Linda等[14]研究了不同擾動對土壤微生物的影響，發(fā)現(xiàn)土壤中細菌和真菌的PLFAs含量在局部擾動后顯著下降主要是由土壤有機質含量減少引起的。研究放牧干擾下冷蒿根際土壤微生物特性差異對于提高土壤肥力、削弱荒漠化，合理和可持續(xù)地開發(fā)利用草地資源具有重要意義。

本研究擬采用PLFAs法，對錫林格勒草原不同放牧強度下冷蒿根際土壤理化性質、土壤微生物群落結構多樣性進行研究，探討放牧對冷蒿根際土壤微生物生物量、群落結構、具體微生物類群和應力比的影響，明確冷蒿根際土壤微生物群落結構多樣性對放牧干擾的響應規(guī)律，為進一步探討冷蒿耐牧性與土壤微生物多樣性之間的關系奠定基礎。研究結果不僅可為揭示冷蒿耐牧性提供土壤生態(tài)學方面的理論依據(jù)，還可為退化草原恢復、草原生物多樣性保護提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

本試驗依托內蒙古錫林浩特市毛登牧場(內蒙古大學草地生態(tài)學研究基地)進行，其地理位置為44°10′02.4″ N，116°28′56.8″ E，海拔1 160 m，屬半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季在一定程度上受海洋季風氣候影響。全年平均氣溫為-0.4°C，最冷月(1月)平均溫度-22.3°C，最熱月(7月)平均氣溫18.8°C，≥0°C年積溫為2 410°C，≥10°C積溫為1597.9°C，無霜期91 d，草場植物生長期為150 d左右。全年平均降水量為365.6 mm，集中于6-9月，占年降水量的80%左右，但年度間的變幅較大，多雨和少雨的年份降水量相差一倍以上。該地雨熱同期，有利于植物的生長，土壤為栗鈣土。本研究區(qū)域主要草原植物為羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、克氏針茅(S.krylovii)、大針茅(S.grandis)、防風(Saposhnikoviadivaricata)、冷蒿(A.frigida)、瓣蕊唐松草(Thalictrumpetaloideum)、阿爾泰狗哇花(Heteropappusaltaicus)等。

1.2 樣地設置及土樣采集

1.2.1試驗設計 試驗于2012年5月—2014年7月連續(xù)2年對草場進行不同放牧強度處理，每年放牧時間為5—9月。試驗按照放牧強度設置不放牧為對照(CK)，5月和7月每月21日放牧1 d為輕度放牧(Light grazing，LG)，5—9月每月21日放牧1 d為重度放牧(Heavy grazing， HG)，3個處理；受天氣因素的影響，每次放牧時間延后。每個處理分別設置3個重復，每個小區(qū)面積為33.3 m×33.3 m。試驗用羊為當年生烏珠穆沁羊Caprahircus‘Ujimqin’，各個放牧季節(jié)羊放牧率為6只·小區(qū)-1。

1.2.2土壤樣品的采集與保存 土壤樣品采集于2014年7月冷蒿生長高峰期，在每個小區(qū)采用5點取樣法，隨機選取4～5叢冷蒿，用鐵鏟以冷蒿株叢為中心，將冷蒿純植株叢完整挖起(0～10 cm)，輕輕抖動根系并去除粘附在根系上的較大顆粒土，作為冷蒿非根際土壤，采集粘附在根系表面的土壤作為冷蒿根際土壤。每個小區(qū)采集的土壤混合均勻作為該小區(qū)的土樣。將土壤裝入無菌封口塑料袋，帶回實驗室。將土樣分成2份，一份放入-40°C保存，用于微生物磷脂脂肪酸分析，另一份風干過2 mm篩，用于測定土壤理化性質。

1.3 測定方法

1.3.1磷脂脂肪酸的分離與氣相色譜檢測 采用PLFAs生物標記法進行土壤微生物群落結構分析。PLFA的提取過程和分析參考吳則焰等[15]方法。具體操作步驟為：稱量4 g新鮮土樣，將其與20 mL的0.2 mol·L-1的KOH甲醇溶液加到50 mL離心管中，混合均勻，37°C下溫育1 h(磷脂脂肪酸釋放并甲酯化)，樣品每10 min渦旋一次；加入4 mL 1.0 mol·L-1的醋酸溶液中和pH值，充分搖勻，加入10 mL正己烷，震蕩3～5 min，使PLFAs轉到有機相中；2 000 r·min-1離心10 min后，將上層正己烷轉到干凈試管中，在N2氣流下?lián)]發(fā)掉溶劑，得到土壤微生物PLFA樣本。

將PLFA充分溶解在0.5 mL內含十九烷酸甲酯(19:0)(作為內標，濃度為30 μg·mL-1)的正己烷溶液中，取1.0 μL進樣，進行GC-MC分析。儀器及參數(shù)設置條件：GC(7890A，Agilent，Wilmington，USA)條件：色譜柱HP-5MS(30 m×250 μm×0.25 μm)；進樣量為1.0 μL，不分流進樣，進樣口溫度為280°C；載氣氣體為氦氣，流速0.8 mL·min-1；柱箱程序為70°C起始，保持2 min，以15°C·min-1升溫至190℃，保持5 min，再以10°C·min-1升溫至240°C，保持5 min。MS(5975C型，Aligent，Wilmington，USA)條件：電離方式EI；電子能量70eV；離子源溫度230°C；四級桿溫度150℃；傳輸線溫度250°C；掃描質量范圍28～450。采用NIST 2008譜圖庫兼顧色譜保留時間定性。

1.3.2磷脂脂肪酸的定性與定量 定性分析是采用GC-MS的方法測定甲基化后的磷脂脂肪酸甲酯，利用氣質聯(lián)用儀計算的NIST 2008譜庫，結合計算機檢索和手工檢索，根據(jù)氣相色譜(GC)的保留時間和質譜(MS)譜圖，以樣品中脂肪酸與外標中脂肪酸標樣的氣相色譜保留時間和質譜譜圖的標準譜庫相比較，對磷脂脂肪酸甲酯進行定性分析。定量分析是通過內標法，根據(jù)樣品氣相色譜的各脂肪酸甲酯峰面積換算每種脂肪酸得到其含量，含量用μg.g-1表示。

1.3.3土壤微生物的各類群及標記 不同菌群的PLFAs特征譜圖不同，在高度專一性基礎上具有多樣性，從土壤中直接提取磷脂類化合物可以準確指示微生物群落結構及生物量[16]。在本研究中，將PLFAs分成6個功能組，用于描述土壤微生物群落的不同組成部分，包括細菌、革蘭氏陽性菌(G+)、革蘭氏陰性菌(G-)、放線菌(Act)、腐生真菌(fungi)和叢枝菌根真菌(AMF)(表1)[17]。PLFA的命名采用X:YωZ(c/t)，其中X為主鏈碳原子總數(shù)；Y為不飽和烯鍵個數(shù)；ω代表甲基末端；Z為烯鍵或環(huán)丙基的位序；前綴i(iso)和a(anteiso)分別表示反異丙基和異丙基；cy和Me分別代表環(huán)丙基和甲基分支脂肪酸，后綴c和t分別表示雙鍵為順式和反式構型[16]。

表1 微生物生物量的脂肪酸的估算Table 1 PLFA calculating for soil microbial biomass

微生物總PLFAs用所有C14～C20的加和表示，土壤微生物群落結構隨放牧強度的變化通過計算PLFAs的比率，包括陽性菌/陰性菌(G+/ G-)，真菌/細菌(F/B)，另外cy/pre比值(CYC)—(cy17:0+cy19:0)/(16:1ω7c+18:1ω7c)用來表示潛在的細菌壓力[18]。

1.3.4土壤理化性質測定 測定參照魯如坤的土壤農化分析方法[19]進行。有機質(Organic matter，OM)采用重鉻酸鉀容量法；全氮(Total nitrogen，TN)采用半微量凱氏定氮法；堿解氮(Hydrolysis nitrogen，HN)采用堿解擴散法；全磷(Total phosphorus，TP)采用NaOH堿溶一鉬銻抗比色法；速效磷(Available phosphorus，AP)采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法；全鉀(Total potassium，TK)采用NaOH堿溶-火焰光度法；速效鉀(Available potassium，AK)采用乙酸氨浸提-火焰光度法；pH值采用酸度計法，土壤懸液為水土比為m(水)∶m(土)=5∶1。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

將所有數(shù)據(jù)均分為兩組進行統(tǒng)計分析：組1為冷蒿根際土壤，組2為非根際土壤。每一組的數(shù)據(jù)利用Origin 8軟件(美國Origin Lab公司)進行統(tǒng)計分析和作圖。統(tǒng)計方法采用One-Way ANOVA進行檢驗，并進行Fisher LSD多重比較(P<0.05)。各變量數(shù)值表示為平均值±標準誤差。采用獨立樣本t檢驗進行冷蒿根際土壤和非根際土壤與對照組之間的差異分析，采用Two-Way ANOVA進行評估土壤類型×放牧處理相互作用的影響。采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件的Pearson′s相關分析，*表示在α=0.05水平上差異達到顯著，**表示在α=0.01水平上差異達到極顯著，并用SPSS 19.0進行主成分分析[20]。

2 結果與分析

2.1 放牧對冷蒿根際土壤化學性質的影響

冷蒿根際土壤和非根際土壤中全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH具有極顯著差異，有機質差異顯著，全磷和全鉀差異不顯著(表2)；放牧對兩種土壤中的有機質、全磷、堿解氮、速效鉀和pH影響具有極顯著差異，全氮和全鉀影響具有顯著差異，對速效磷的影響不顯著。輕度放牧，冷蒿根際土壤與對照相比，速效磷和速效鉀無顯著變化，有機質、全氮、全磷、全鉀和堿解氮均顯著增加，pH顯著下降；重度放牧，除全鉀外，有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀均顯著升高，與對照相比分別增加20.0%，29.1%，17.7%，13.0%，3.4% 和6.7%。非根際土壤放牧處理后，速效磷和速效鉀顯著增加，pH顯著下降，但仍高于冷蒿根際土壤；相同放牧處理下冷蒿根際土壤中有機質、全氮、堿解氮、速效磷和速效鉀的養(yǎng)分含量均顯著高于非根際土壤。說明冷蒿能夠顯著降低土壤的pH，增加土壤中速效磷、速效鉀、堿解氮、有機質和全氮等組分，有效地改善土壤養(yǎng)分狀況，調節(jié)放牧對土壤的干擾。

表2 不同放牧強度下土壤化學性質Table 2 The soil chemical properties under different grazing intensities

注:每個值均為平均值±標準誤(n=5)。根據(jù)LSD測驗(P<0.05)，不同大寫字母表示冷蒿根際土壤差異顯著，不同小寫字母表示冷蒿非根際土壤差異顯著。Fs：土壤類型的影響；Fg：放牧的影響；Fs ×Fg：土壤類型與放牧的交互作用；*：P<0.05；**：P<0.01；***：P<0.001； ns：不顯著；LG：輕度放牧；HG：重度放牧；ARS：冷蒿根際土壤；NRS，非根際土壤

Note: Each value is the mean ± standard error (n=5). Different uppercase letters denote statistically significant differences of rhizosphere soil ofArtemisiafrigida, and different lowercase letters denote statistically significant differences of non-rhizosphere soil ofA.frigidaaccording to LSD test (P<0.05).Fs: soil types effects;Fg: grazing effects;Fs ×Fg: the interactive effect of soil types and grazing treatment; *:P<0.05; **:P<0.01; ns: non-significant; LG: Light grazing; HG: Heavy grazing; ARS: rhizosphere soil ofA.frigida; NRS: non-rhizosphere soil ofA.frigida

2.2 不同放牧強度下冷蒿根際土壤微生物的PLFA分析

2.2.1土壤微生物的PLFA種類及含量 對6種土壤樣地中檢測到的磷脂脂肪酸種類和含量進行統(tǒng)計，共得到24種PLFA生物標記(表3)。從表中可以看出，冷蒿根際土壤和非根際土壤的磷脂脂肪酸種類及含量差異較大，有些PLFA生物標記只在冷蒿根際土壤中有分布，為不完全分布，如i19:1ω7c，20:1ω9c，20:4ω6；有些PLFA生物標記在冷蒿根際和非根際土壤中均有分布，屬于完全分布，如i16:0，18:18t等。

表3 不同放牧強度下土壤微生物主要磷脂脂肪酸構成特征(平均值±標準誤)Table 3 Characteristics of main PLFAs of soil microorganisms under different grazing intensities (Mean ±SE)

注: i，a，cy 和 Me 分別表示異丙基、反異丙基、環(huán)丙基和甲基分支脂肪酸，ω 后的數(shù)字表示出現(xiàn)雙鍵的碳原子位序，c 和 t 分別表示該雙鍵為順式構型和反式構型

Note: i，a，cy，and Me denote an isopropyl group，anti-isopropyl，cyclopropyl and methyl-branched fatty acids，respectively，and the number behind ω indicate an occurrence sequence of carbon atoms of double bond， c and t denote a cis configuration and a trans configuration for a double bond

結合圖1可知，冷蒿根際土壤PLFA生物標記種類和總量顯著高于非根際土壤，LG-ARS最高，PLFA生物標記共23種，總量為(599.38±93.34) μg·g-1，CK-ARS和HG-ARS土壤PLFA標記種類分別為23種和22種，總量分別為(471.09±42.26) μg·g-1和(575.92±83.87) μg·g-1，放牧對冷蒿根際土壤微生物總量影響不明顯；而CK-NRS土壤PLFA標記種類和總量最低，僅14種，總生物量為(178.21±25.15) μg·g-1，放牧后非根際土壤PLFA生物標記總量顯著增加，輕度放牧后最高，PLFA生物標記種類為20種，總量為(424.03±30.09) μg·g-1?？梢娎漭锬軌蝻@著增加土壤微生物種類和生物量，并在一定程度上削弱了放牧干擾。

圖1 不同放牧強度下土壤微生物總生物量Fig.1 Total biomass of different grazing degree

2.2.2土壤優(yōu)勢微生物類群PLFA分布 6種樣地土壤中含量均較高的PLFA生物標記是i16:0，18:18t，18:1ω7c和10Me17:0，表明其在不同處理的土壤中起主要作用，且在冷蒿根際土壤分布量明顯高于非根際土壤。從PLFA生物標記的變化看，CK-ARS土壤中20:1ω9c，18:18t，i16:0和10Me17:0這4種PLFA占總脂肪酸含量的60.67%；LG-ARS土壤中，含量位于前4位的分別是i16:0，20:1ω9c，18:18t和18:1ω7c，占總脂肪酸含量的56.41%；以i16:0，20:4ω6，18:1ω7c和18:18t為主體的4種脂肪酸含量在HG-ARS土壤中占59.51%；CK-NRS土壤中含量較高的為i16:0，i15:0，18:18t和18:1ω7c，占總量的60.04%；LG-NRS土壤中i19:0，i16:0，10Me17:0和18:1ω7c占脂肪酸總量的51.19%；i17:0，20:0，i16:0和10Me17:0為HG-NRS土壤中排名前4位的脂肪酸，占總量的54.47%。總之，不同處理的土壤類型中，含量較高的PLFA生物標記種類基本相同，以i16:0，18:18t，18:1ω7c和10Me17:0為主。

2.3 不同放牧強度下冷蒿根際土壤特征微生物類群的PLFA分布

PLFA生物標記名i16:0，18:2ω6,9和10Me17:0分別是細菌、真菌和放線菌PLFA的主要生物標記之一。由表3可知，3種特征微生物相對生物量在6類處理樣地土壤中分布不同，細菌分布量最大，其次是真菌，放線菌分布量最小。分別計算細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和菌根真菌的PLFAs含量如圖2所示。在此6類特征微生物中，細菌PLFA含量最高，冷蒿根際土壤中細菌PLFAs含量在249.44～389.36 μg·g-1之間變化，顯著高于非根際土壤，放牧處理后兩類土壤的細菌含量均增加，LG-ARS土壤最高(389.36 μg·g-1)，CK-NRS土壤最低(119.59 μg·g-1)，相當于LG-ARS的30.71%；放線菌含量大小為LG-ARS>HG-ARS>CK-ARS>LG-NRS>HG-NRS>CK-NRS；真菌含量大小排序為HG-ARS >LG-ARS> CK-ARS>LG-NRS> CK-NRS> HG-NRS；不同放牧處理下，革蘭氏陽性菌的PLFA含量變化趨勢與細菌相似，含量最高的是LG-ARS(204.59μg·g-1)，CK-NRS土壤最低(69.58 μg·g-1)，相當于LG-ARS的34.01%；革蘭氏陰性菌含量最高的是HG-ARS(80.67 μg·g-1)，冷蒿根際土壤中陰性菌含量隨放牧強度增加而增加，CK-NRS含量最低(24.01 μg·g-1)，放牧后非根際土壤中陰性菌含量先增加后減少，輕度放牧后雖最高但仍低于冷蒿根際土壤；兩類土壤中菌根真菌的PLFA含量在放牧干擾下變化均不顯著，但冷蒿根際土壤顯著高于非根際土壤，其中LG-ARS土壤含量最高(15.88 μg·g-1)，LG-NRS含量最低(3.93 μg·g-1)，并且非根際土壤中菌根真菌含量呈下降趨勢。

2.4 不同放牧強度下冷蒿根際土壤主要微生物類群的比率

由圖3所示，冷蒿土壤的G+/G-值在1.83～3.32之間，LG-ARS最高，LG-NRS最低，方差分析顯示，在不同土壤類型以及不同放牧強度處理之間差異均顯著。F/B值很小，冷蒿根際土壤在0.05～0.07間變化，非根際土壤變化范圍為0.02～0.05，統(tǒng)計分析表明，重度放牧后冷蒿根際土壤顯著升高，而非根際土壤顯著下降，且根際土壤的F/B值顯著高于非根際土壤。CYC值同樣很小，統(tǒng)計分析顯示，隨放牧程度加強，冷蒿根際土壤CYC值顯著下降，變化范圍在0.09～0.26間，非根際土壤CYC值顯著升高，在0.28～0.78之間變化，重度放牧后冷蒿根際土壤CYC值低于非根際土壤87.83%，差異達顯著水平。

圖2 不同放牧強度下細菌、真菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和菌根真菌含量Fig.2 The amounts of PLFA for bacteria, fungi, Gram-negative(G+)、Gram-positive(G-)and Arbuscular mycorrhizae fungi (AMF) in soil under different grazing intensities

圖3 磷脂脂肪酸(PLFA)生物量比值Fig.3 Ratios of phospholipid fatty acid (PLFA) concentration

2.5 不同放牧強度下冷蒿根際土壤微生物群落主成分分析

由不同放牧強度下土壤微生物群落主成分分析(圖4)表明，與土壤微生物PLFA群落多樣性相關的兩個主成分累計貢獻率達到66.03%，其中，第1主成分(PC1)和第2主成分(PC2)分別解釋變量方差的46.91%和19.12%，對第1主成分起主要作用的磷脂脂肪酸為16:1w5c，18:2ω6,9，10Me16:0，i18:0，cy19:0，16:1w7c，18:18t，而對第2主成分起主要作用的脂肪酸為cy17:0，20:0w15:00，CK-ARS，LG-ARS，HG-ARS和CK-NRS土壤位于主成分1的正端，數(shù)值均大于0.6，且分布集中，而LG-NRS和HG-NRS位于主成分1的0值附近，冷蒿根際土壤樣點與非冷蒿根際土壤樣點在坐標軸上明顯區(qū)分開，第1主成分反映了冷蒿和非根際土壤類型微生物群落的差異情況；CK-NRS，LG-NRS，HG-NRS和HG-ARS土壤均位于主成分2的正端，放牧處理組與未放牧對照組在坐標軸上明顯區(qū)分開，而CK-ARS和LG-ARS位于其負端，區(qū)分不明顯，第2主成分反映了不同放牧強度特別是重度放牧土壤微生物群落的差異情況。

圖4 不同放牧強度下土壤微生物群落主成分分析Fig.4 Principal components analysis of different microbial group’s PLFA in soil under different grazing intensities

2.6 土壤微生物主要類群PLFAs與土壤養(yǎng)分的相關性

通過對各菌群PLFAs含量與土壤養(yǎng)分相關性分析表明(表3)，不同微生物類群受到的環(huán)境影響因子不同，不同土壤類型中相同微生物類群受到的環(huán)境影響因子也不同。其中真菌、放線菌和菌根真菌與土壤pH值呈現(xiàn)負相關關系，革蘭氏陰性菌與土壤pH值顯著正相關；有機質、全氮、全磷、全鉀等土壤養(yǎng)分與土壤微生物總量、細菌、真菌和放線菌的生物量均呈正相關，但冷蒿根際土壤中相關性不顯著，而非根際土壤中相關性顯著甚至極顯著，表明有機質、全氮、全磷和全鉀是影響土壤微生物的重要環(huán)境因子，但在冷蒿根際土壤中這些養(yǎng)分不作為微生物生長的限制因子。

表4 微生物量與土壤養(yǎng)分間的Pearson′s相關性分析Table 4 Pearson′s correlation analysis between the quantity of soil microbial biomass and soil nutrients

注：*表示差異顯著P<0.05，**表示差異極顯著P<0.01

Note: *indicate significant difference at the 0.05 level , **indicate significant difference at the 0.01 level

3 討論

3.1 放牧和冷蒿對根際土壤養(yǎng)分的影響

放牧是草地利用方式之一，其強度大小可以影響到土壤養(yǎng)分的含量。作為土壤質量的重要指標，土壤有機質含量和質量顯著影響土壤理化性質。放牧后冷蒿根際土壤和非根際土壤中有機質含量均增加，說明放牧增加了土壤中有機質的輸入。放牧過程中家畜踐踏可增強凋落物的破碎性進而加快分解，增加碳和養(yǎng)分向地下轉化，Reeder[21]、安慧[22]等也有類似發(fā)現(xiàn)。本試驗表明冷蒿根際土壤有機質含量顯著高于非根際土壤，說明冷蒿根際土壤肥力高于非根際。放牧中隨牧壓的增大，冷蒿的生物量、蓋度及根莖比增加[23]，其形成的盤狀根系不斷擴大[23-24]，同時分泌大量有機酸等物質[25]，使根際土壤中有機質含量顯著高于非根際土壤。

土壤養(yǎng)分中氮、磷、鉀元素是初級生產(chǎn)力的首要限制資源，氮是組成蛋白質、遺傳物質以及葉綠素等的重要元素；磷參與植物體部分化合物的組成及調節(jié)光合、呼吸等生理作用；鉀可促進植物中某些酶的活化并能夠增強光合作用，促進糖代謝等，是植物生長發(fā)育的必需元素。本研究表明，放牧后冷蒿根際土壤和非根際土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量均升高，說明放牧有助于土壤養(yǎng)分含量的提高；冷蒿根際土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著高于非根際土壤，說明冷蒿根際土壤可被利用養(yǎng)分的生物有效性高，供應狀況優(yōu)良；冷蒿根際土壤的pH顯著低于非根際土壤，根際土壤的弱堿性更利于活化土壤中K+、Ga2+、Mg2+、Fe2+等，提高了土壤養(yǎng)分有效性。楊陽等[26]發(fā)現(xiàn)荒漠草原植物可以通過降低根際土壤pH值提高根際土壤養(yǎng)分含量，Colla等[27]研究發(fā)現(xiàn)西瓜根系分泌物中的有機酸促進了植物體對P、Fe、Mn等元素的吸收。冷蒿能夠通過根系分泌酸性磷酸酶酸化根際[7],降低土壤pH，促進堿解氮、速效磷速效鉀等物質形成[7]，提高土壤各養(yǎng)分含量。羅世瓊等[28]對野生黃花蒿根際和非根際土壤養(yǎng)分的研究也表明，黃花蒿根際土壤的有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量等都顯著高于非根際土壤，而pH顯著低于非根際土壤，認為根際土壤環(huán)境及養(yǎng)分優(yōu)良，利于植物生長。

3.2 冷蒿和放牧強度對土壤微生物群落組成的影響

微生物細胞膜的PLFAs組成因微生物種類不同而存在差異，因此PLFAs組成可以指示其種群變化。本研究的PLFAs標記顯示，放牧后根際土壤和非根際土壤中各類磷脂脂肪酸含量(總PLFAs、細菌PLFAs、真菌PLFAs、放線菌PLFAs、G+PLFAs、G-PLFAs和菌根真菌PLFAs)均升高，說明放牧改變了土壤微生物組成[29]；冷蒿根際土壤的各類PLFAs含量均高于非根際土壤(圖2-F)，說明冷蒿根際土壤微生物種類豐富、數(shù)量較高、群落結構穩(wěn)定。微生物群落受土壤微環(huán)境的影響，與土壤特性間具有很強的相關性[30-31]，其中土壤有機碳、氮是微生物生物量和多樣性的主要影響因子[32]。相關分析表明，土壤有機質、全氮和全磷與土壤微生物磷脂脂肪酸總量及細菌、真菌、放線菌三大微生物類群脂肪酸含量均呈正相關，說明冷蒿根際豐富的營養(yǎng)物質資源可為微生物生長提供大量的碳源、礦物質和能源，促進其生長、繁殖，提高其生物有效性。關于羊草、大針茅和冷蒿等內蒙古草原典型植被對根際土壤微生物影響的研究表明，根際土壤中細菌及真菌在數(shù)量和群落結構上顯著優(yōu)于非根際土壤，且植物種類對根際微生物數(shù)量有顯著影響[11]；邱權等[33]等對4種人工灌木叢根際和非根際土壤特性的綜合比較指出，土壤微生物數(shù)量總體呈現(xiàn)出根際高于非根際的規(guī)律；羅世瓊等[28]發(fā)現(xiàn)野生黃花蒿根際土壤微生物PLFAs總量、細菌、真菌和放線菌等PLFAs含量總體上顯著高于非根際土壤，本研究結果與前人結果一致。通過主成分分析表明，土壤微生物群落結構的差異主要由冷蒿引起，放牧影響相對較小。說明冷蒿能夠削弱放牧干擾，提高土壤養(yǎng)分含量、豐富微生物組成，在一定程度上維持土壤生態(tài)平衡。

3.3 放牧對冷蒿根際土壤主要微生物菌群分布的影響

對不同放牧強度下冷蒿根際土壤和非根際土壤的革蘭氏陽性菌/陰性菌(G+/G-)、真菌/細菌(F/B)和CYC值進行分析后發(fā)現(xiàn)，放牧處理后，冷蒿顯著影響土壤中G+和G-的組成(圖3-a)，特別是重度放牧后冷蒿根際土壤中G-的生物量最高(圖2-E)。因為陰性菌傾向于利用根際來源的碳，大量的陰性菌標志著土壤從貧營養(yǎng)到富營養(yǎng)的轉變，推測放牧處理刺激了冷蒿根系生長，根系分泌大量酸性物質有利于土壤營養(yǎng)物質的轉化；重度放牧后冷蒿根際土壤真菌數(shù)量及F/B值均顯著高于非根際(圖3-b)，F(xiàn)/B越大則土壤生態(tài)系統(tǒng)的效率越高、可持續(xù)性越強[34]，說明冷蒿根際土壤生態(tài)環(huán)境優(yōu)于非根際，Sara等[35]對草場恢復中土壤微生物群落的研究發(fā)現(xiàn)草場恢復后F/B值增加，土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強；隨放牧強度增加，冷蒿根際土壤中CYC值顯著下降，重度放牧后冷蒿根際土壤的CYC值極顯著低于非根際土壤(圖3-c)，有研究認為CYC值越大說明土壤養(yǎng)分資源越匱乏、土壤環(huán)境越惡劣[36]，表明冷蒿能夠削弱放牧對土壤微生態(tài)環(huán)境的破壞。張莉等[37]研究連續(xù)圍封對高寒草甸土壤微生物群落結構的影響時發(fā)現(xiàn)，與圍封處理相比,放牧后的CYC值較低，認為連續(xù)圍封不利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，并推測是由地上植被種類改變所致?？傊?，放牧破壞了土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，而冷蒿根際的土壤環(huán)境明顯優(yōu)于非根際土壤，推測以“純植株叢”形式生長的冷蒿，形成盤狀根系，在這個特殊的根系微域中，一方面營造出較穩(wěn)定的土壤微生態(tài)環(huán)境，更加適合微生物的生長、繁殖，同時豐富的微生物又可以增加根際土壤養(yǎng)料轉化，保障冷蒿生長發(fā)育，使得冷蒿在牧壓增大的情況下仍能具有相對良好的生產(chǎn)力，具有較強耐牧性。

4 結論

放牧能夠豐富土壤中有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀等養(yǎng)分含量，且各養(yǎng)分含量均表現(xiàn)為冷蒿根際土壤高于非根際；放牧后土壤的各類磷脂脂肪酸含量(總PLFAs、細菌PLFAs、真菌PLFAs、放線菌PLFAs、G+PLFAs、G-PLFAs和菌根真菌PLFAs)均升高，且冷蒿根際土壤各PLFAs含量均顯著高于非根際。表明根際土壤豐富的營養(yǎng)物質資源及較高的微生物群落結構多樣性能夠促進冷蒿生長，冷蒿是引起土壤微生物群落結構差異的主要因子，放牧影響相對較??；并且冷蒿的存在，在一定程度上削減了放牧的影響，成為草場退化的阻擊者。