圍欄禁牧對高寒草原土壤微生物碳源利用的影響

敬潔, 張夢瑤, 高永恒,3 *

圍欄禁牧對高寒草原土壤微生物碳源利用的影響

敬潔1,2, 張夢瑤1, 高永恒1,3 *

1. 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所, 成都 610041 2. 中國科學院大學，北京 100049 3. 中國科學院成都生物研究所, 成都 610041

為解析圍欄禁牧與高寒草原土壤微生物碳源利用的關系, 以藏北高寒草原為對象, 對比研究了5年圍欄禁牧和連續(xù)自由放牧條件下高寒草原土壤碳氮和微生物碳源利用情況。結果表明: 1)圍欄禁牧后, 土壤溶解性有機碳、氮含量分別增加了26.60%和28.13%, 但有機碳和全氮無明顯變化; 2)圍欄禁牧提高了土壤微生物生物量、土壤酶活性和微生物群落的豐富度指數(shù), 但對微生物群落均勻度和優(yōu)勢度指數(shù)無明顯影響; 3)圍欄禁牧增加了土壤微生物對碳水化合物、氨基酸類、多聚物類和胺類碳源的利用。由此可見, 圍欄禁牧最初是通過改變土壤溶解性有機碳氮、微生物活性和群落結構來重塑土壤生態(tài)功能, 進而促進受損或退化高寒草原土壤生態(tài)系統(tǒng)的恢復。

高寒草原; 圍欄禁牧; 土壤碳氮; 土壤微生物; 碳源利用

0 前言

青藏高寒草原位于青藏高原腹心地帶, 是在地勢高峻、氣候寒冷條件下形成的一種耐寒的草地生態(tài)系統(tǒng), 具有極其重要的生態(tài)地位[1], 不僅因為它在我國草地類型中分布最廣、面積最大, 而且在世界高寒地區(qū)也是最為典型的自然生態(tài)系統(tǒng)之一[2]。然而隨著全球氣候變暖, 同時人類活動范圍的擴張, 如超載過牧和資源利用強度加劇等, 導致青藏高原高寒草原退化日趨嚴重[3]。高寒草原退化不僅給青藏高原腹地特色畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來威脅, 而且也讓青藏高原生態(tài)環(huán)境演變有越加惡劣的趨勢[4]。為了改善和恢復受損或退化草原生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能, 圍欄禁牧已被廣泛使用于青藏高原高寒草原上[5–6]。圍欄禁牧主要是通過解除放牧對植被和土壤產生的壓力, 從而改善植物和土壤微生物的生存環(huán)境, 進而達到促進草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復[7]。

土壤微生物群落組成極其復雜, 參與了土壤結構的形成和碳氮等元素的循環(huán)過程, 是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 對維持土壤功能方面有不可替代的重要性。然而圍欄禁牧與高寒草原土壤微生物活性的關系并不確定。圍欄禁牧可以改善退化高寒草原土壤的理化性質[8], 增加土壤中各類微生物種群數(shù)量和各類微生物生物量[9–10], 也可以提高土壤微生物的代謝活性[11], 但也有研究表明圍欄禁牧對退化高寒草原土壤微生物量碳氮和微生物活性無顯著性變化[12]。土壤微生物對圍欄禁牧存在不同的響應方式可能與土壤條件和圍欄年限等因素有關[14–15]。盡管如此, 目前有關圍欄禁牧與高寒草原土壤微生物碳源利用率的關系鮮有報道。本研究利用Biolog- ECO法探討了圍欄禁牧對高寒草原土壤微生物群落碳源利用的影響, 并分析了其與土壤理化性質的關系, 以期揭示放牧高寒草原禁牧后土壤微生物恢復的可能機制, 為青藏高原草原生態(tài)系統(tǒng)利用和管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)北部的那曲地區(qū)申扎縣境內(N 30°57′、E 88°42′), 海拔4675 m。該地為典型的高原大陸氣候, 日照時間較長, 晝夜溫差較大, 1月份的平均氣溫為-10.1 ℃, 7月份的平均氣溫為9.6 ℃。年降雨量為300 mm, 降水主要集中在5—9月, 年均太陽輻射為2915.5 h[14]。研究區(qū)植被類型以高寒草原為主, 植被蓋度約為40%, 試驗地土壤主要為寒性旱成土[15], 表層土壤包含91%的砂質土、7%的泥沙和2%的黏土, 試驗地的土壤呈堿性。其中優(yōu)勢種植被以紫花針茅()和青藏苔草()為主, 伴生種有矮火絨草()、棘豆()、狼毒()和昆侖蒿()等。

1.2 試驗設計與土壤樣品采集

1.2.1 樣地的選擇

研究樣地為地勢平坦的連續(xù)放牧草原及相鄰的圍欄禁牧草原。自由放牧草原是傳統(tǒng)的夏冬兩季牧場, 夏季放牧時間為每年的5月至10月, 其余幾個月為冬季牧場。放牧家畜為牦牛和藏綿羊, 載畜量約為2頭牦牛每公頃[14]。2012年5月在此連續(xù)放牧草原建立了16公頃圍欄樣地, 對放牧草原進行禁牧恢復。因此, 圍欄樣地的初始植被和土壤條件與放牧樣地基本一致。

1.2.2 土壤樣品的采集

2017年6月底, 在自由放牧和圍欄禁牧樣地內分別隨機設置3個10 m×10 m的大樣方, 在每個大樣方內隨機選取3個1 m×1 m的小樣方。清除土壤表面植被的凋落物層后, 用鐵鍬取出0—15 cm土壤并清除土壤中肉眼可見雜物, 把每個樣方里3個土樣混合均勻, 作為1個重復樣, 將土樣保存在4 ℃低溫便攜式冰箱里并盡快送回實驗室。在實驗室過2 mm土壤篩后, 取一部分土樣測定土壤含水量、溶解性碳氮和微生物活性; 另取一部分放至通風處自然風干, 測定pH、有機碳、全氮和全磷。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤理化性質測定

土壤pH值采用 pH 計測定(水土比 5:1); 土壤含水量(WHC)采用烘干法于65 ℃烘干。

土壤溶解有機碳(DOC)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮 (NO3--N)、總溶解性氮(TDN) 用0.5 mol·L–1的K2SO4溶液浸提后使用 AA3 型流動分析儀測定。其中, 溶解性有機氮(DON)含量為TDN減去NH4+-N 和NO3--N含量, 土壤有機碳(TOC)和全氮(TN)含量采用元素分析儀測定; 全磷(TP)含量采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法測定[16]。

1.3.2 土壤酶活性的測定

采用ELISA試劑盒測定培養(yǎng)的土壤磷酸酶()、脲酶()、蔗糖酶()和β—葡萄糖苷酶()活性。具體步驟如下: 稱取1 g土壤, 加入9 g的pH 7.2—7.4左右的強磷酸鹽緩沖溶液(PBS), 用手工將標本充分混勻, 2—8 ℃條件下2000—3000 r·min–1離心20 min后, 收集上清液。在96孔酶標板的樣本孔中加入待測樣本50 μL, 然后除空白孔外, 每孔加入辣根過氧化酶(HRP)標記的檢測抗100 μL, 用封板膜封住反應孔, 37 ℃恒溫箱溫育, 60 min后棄去液體, 用洗板機洗板, 然后每孔加入底物 A、B 各50 μL, 37 ℃避光孵育15 min后每孔再加入終止液50 μL, 15 min內在450 nm波長測定各孔的OD值; 通過計算獲得各個酶活性的大小(μ·mL–1)。

1.3.3 土壤微生物生物量碳氮測定

土壤微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸-重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[17]; 土壤微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-開氏-蒸餾法測定[17]。

1.3.4 Biolog-ECO微生物測定

采用BIOLOG微平板進行土壤微生物碳源利用測定, 每個ECO板內有96個小孔, 其中32孔為1個重復, 共計3個重復, 其中, 每個重復包含1個空白對照和31種碳源。在150 mL滅菌三角瓶中裝入90 mL 0.85%的無菌NaCl溶液, 放入10 g供試土壤, 后用封口膜封好。在轉速為250 r·min–1的振蕩儀振蕩30 min后靜置10 min[18]。之后, 取5 mL上清液加入45 mL無菌水溶液混合均勻, 重復以上過程, 稀釋土壤懸浮液的最終濃度至10–3稀釋度, 再用8通道移液槍向ECO板各孔加入150 μL土壤稀釋液后, 將微平板放入28 ℃的培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)7天[19]。整個培養(yǎng)期內, 每隔24 h通過酶標儀測定OD值后通過公式計算平均顏色變化率(Average Well Color Development, AWCD )的值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

微孔板的顏色變化用單孔顏色平均值()來表示, 小于0.06的值按0處理[20]。=(–)/, 式中,為微平板內每個有碳源孔的吸光度值,為對照孔的吸光度值,為ECO板上碳源的數(shù)目, 即=31。若-為負值即設置為0。表征微生物群落碳源利用功能多樣性的指數(shù)為: Shannon- Wiener豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和Simpson指數(shù)(常用其變型Gini指數(shù))用于評估優(yōu)勢度:

Shannon 豐富度指數(shù)()=–(×)

Shannon 均勻度指數(shù)()max=/ln

Gini 優(yōu)勢度指數(shù)():=1–2

式中,為孔相對吸光度與整板相對吸光度總和的比值;為顏色變化的孔數(shù)。計算多樣性指數(shù)時只考慮陽性孔。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本論文數(shù)據(jù)采用Excel進行匯總預處理, 采用SPSS 24.0對數(shù)據(jù)進行單變量方差分析和Pearson相關性分析; 運用SPSS 24.0對圍欄禁牧和自由放牧樣地間碳源利用類型進行主成分分析(Principal Component Analysis, PCA); 采用Canoco of Windows 5.0軟件進行冗余分析(Redundancy analy-sis, RDA), 用以解釋圍欄禁牧和自由放牧樣地土壤生化指標與土壤微生物利用碳源的關系; 圖形繪制使用Sigmaplot 12.5軟件實現(xiàn)。

2 結果與分析

2.1 土壤理化性質變化

由表1可知, 圍欄禁牧樣地和自由放牧樣地的土壤WHC、DOC和DON含量有顯著性差異(< 0.05)。圍欄地的WHC、DOC和DON比放牧地分別增加了31.24%、26.60%和28.13%。此外, 圍欄地的土壤C:N、TOC和TN含量略高于放牧地, 而圍欄地的TP、TDN、NO3--N和NH4+-N含量都是略低于放牧地, 但在放牧和圍欄間無明顯差異(>0.05) (表1)。

表1 放牧和圍欄下的土壤理化性質變化

注: 同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05), 數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2.2 土壤碳氮與酶活性變化

圍欄禁牧顯著提高了土壤MBC和MBN含量(<0.05), 圍欄地的MBC和MBN含量比放牧地分別增加了20.11%和21.82%(表2)。圍欄禁牧樣地的土壤脲酶、蔗糖酶和β—葡萄糖苷酶活性比自由放牧樣地分別增加了15.83%、26.74%和21.67% (<0.05), 而土壤磷酸酶活性在放牧和圍欄間無明顯差異(>0.05)。由表3可以看出, 土壤脲酶活性與TDN、DOC和DON呈極顯著負相關關系, 和NO3--N呈顯著負相關; 土壤蔗糖酶活性和TDN呈極顯著負相關關系, 和DOC、DON無顯著關系; 土壤磷酸酶活性和TDN、DON和NH4+-N呈極顯著負相關; β—葡萄糖苷酶活性和TDN、NO3--N和NH4+-N呈極顯著負相關關系。

2.3 土壤微生物平均吸光值變化

由圖1可以看出, 整個培養(yǎng)過程中的圍欄禁牧和自由放牧樣地的土壤微生物群落的AWCD值均呈增長趨勢。在培養(yǎng)初的24 h之內土壤AWCD值無明顯變化, 隨著培養(yǎng)時間延長, 圍欄地的AWCD值急劇升高, 進入指數(shù)期?？傮w上看, 圍欄禁牧明顯提高了土壤微生物群落的AWCD值。

表2 放牧和圍欄下土壤微生物生物量碳氮和酶活性的變化

注: 同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05), 數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

表3 土壤酶活性與土壤碳氮含量之間的Pearson相關分析

注: *表示在0.05水平上顯著相關, **表示在0.01水平上極顯著相關。

圖1 土壤微生物的平均吸光度

Figure 1 Average Well Color Development of soil microorganism

2.4 土壤微生物多樣性指數(shù)分析

由表4可以看出, 土壤微生物的Shannon豐富度指數(shù)在自由放牧地和圍欄禁牧地間有顯著性差異(<0.05), 圍欄相比放牧增加了17.21%, 而圍欄地的Shannon均勻度指數(shù)和Gini優(yōu)勢度指數(shù)指標略高于放牧地, 但無顯著差異(>0.05)。

2.5 土壤微生物碳源利用率

表5顯示, 在常見的31種碳源中, 自由放牧地的土壤微生物主要利用的碳源有D—半乳糖酸γ內酯(D-Galactonic Acid Lactone)、丙酮酸甲酯(Pyruvic Acid Methyl Ester)、D—蘋果酸(D-Malic Acid)和衣康酸(Itaconic Acid)等, 多為羧酸類, 這類碳源對PC1的影響較大, 而包含β—甲基—D—葡萄苷(β-Methyl-D-Glucoside)和α—D—葡萄糖—1—磷酸(α-D-Glucose-1-Phosphate)在內的碳水化合物對PC2的影響更大。圍欄禁牧地的土壤微生物利用的主要碳源為碳水化合物、氨基酸類、多聚物類和胺類等。其中包含N—乙酰—D—葡萄糖氨(N-acetyl-D- glucosamine)、α—D—乳糖(α-D-lactose)和D—半乳糖醛酸(D-galacturonic acid)等碳水化合物對PC1的影響較大, D—木糖(D-Xylose)、D—纖維二糖(D-cellobiose)和α—D—葡萄糖—1—磷酸(α-D- Glucose-1-Phosphate)等碳水化合物對PC2的影響更大; 包含L—天門冬酰胺(L-asparagine)、L—絲氨酸(L-serine)和L—蘇氨酸(L-threonine)等氨基酸類碳源對PC1的影響更大, 其余氨基酸類碳源對PC2的影響較大; 多聚物類的吐溫 40(Tween 40)和α—環(huán)式糊精(α-cyclodextrin)以及胺類的苯乙胺(Phenethyla-mine)和腐胺(putrescine)等碳源對PC1的影響更大。

表4 土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析

注: 同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05), 數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

表5 土壤微生物對 31 種碳源利用在主成分的載荷值

<0.20.2～0.40.4～0.6>0.6

2.6 土壤理化性質與微生物碳源利用間關系

通過RDA分析可見, 第1軸可以解釋77.42%的變量, 第2軸可以解釋22.58%的變量(圖2)。圍欄禁牧主要影響的是土壤DOC、DON、WHC、TP和pH, 而放牧對TDN、NO3--N、NH4+-N、TDN、TN和TOC產生正效應。在放牧下, 利用碳源種類較少, 土壤微生物對碳水化合物和氨基酸類能夠利用, 主要為D—半乳糖醛酸()、β—甲基—D—葡萄糖苷()、甘氨?！狶—谷氨酸()和L—蘇氨酸()等碳源的微生物; 圍欄下的土壤微生物對碳水化合物、氨基酸類、多聚物類和胺類都能利用, 主要為i—赤蘚糖醇()、丙酮酸甲酯()、吐溫80()、α—環(huán)式糊精(α- Cyclodextrin)和腐胺()等土壤微生物活躍。

注: A1, β—甲基—D—葡萄糖苷; A2, D—半乳糖酸—γ—內脂; A3, L—精氨酸; A4, 丙酮酸甲酯; B1, D—木糖; B2, D—半乳糖醛酸; B3, L—天門冬酰胺; B4, 吐溫40, C1. i—赤蘚糖醇; C2, 2—羥基苯甲酸; C3, L—苯基丙氨酸; C4, 吐溫80; D1, D—甘露醇; D2, 4—羥基苯甲酸; D3, L—絲氨酸; D4, α—環(huán)式糊精; E1, N—乙?！狣—葡萄糖胺; E2, γ—羥基丁酸; E3, L—蘇氨酸; E4, 肝糖; F1,D—葡萄糖胺酸; F2, 衣康酸; F3, 甘氨?！狶—谷氨酸; F4, D—纖維二糖; G1, α—D—葡萄糖—1—磷酸; G2, α—丁酮酸; G3, 苯乙胺; G4, α—D—乳糖; H1, D,L—α—磷酸甘油; H2, D—蘋果酸; H3, 腐胺; WJ, 圍欄禁牧; FM, 自由放牧。

Figure 2 RDA analysis of the 31 carbon sources used by soil microorganisms

3 討論

3.1 圍欄禁牧對高寒草原土壤理化性質的影響

對連續(xù)放牧的高寒草原樣地圍欄5年后, 顯著提高了土壤的WHC、DOC和DON含量, 但土壤的C:N、TN、TP、TOC、TDN、HN4+-N和NO3--N含量無明顯變化。研究結果與斯貴才等[9]在當雄高寒草原研究結果一致, 這說明高寒草原土壤的水分含量和可溶性碳氮對短期圍欄禁牧具有較高的響應敏感性。土壤可溶性養(yǎng)分的質量分數(shù)不僅與土壤含水量有關, 而且和土壤微生物活動聯(lián)系緊密, 反映了土壤現(xiàn)實供肥能力。與圍欄禁牧相比, 放牧家畜采食能夠降低草原地表植物覆蓋率、加快了土壤水分蒸發(fā), 出現(xiàn)了土壤水含量下降的現(xiàn)象。放牧家畜的采食也能降低枯落物歸還土壤的數(shù)量和速度, 從而減少了土壤中碳氮的來源和積累[10]。短期圍欄禁牧后, 高寒草原土壤有機碳、全氮和全磷沒有顯著的變化, 與草原土壤系統(tǒng)的變化具有滯后性和容量性(彈性)有關[11]。這些研究結果表明, 短期圍欄禁牧能積極改善高寒草原土壤養(yǎng)分有效性, 但對全氮和有機碳的影響有限。

3.2 圍欄禁牧對土壤微生物生物量和酶活性的影響

土壤微生物生物量是活的土壤有機質部分, 它承載著固定的土壤養(yǎng)分[13], 土壤微生物量碳氮的高低是衡量土壤生物活性的重要指標。本研究表明, 圍欄禁牧可以顯著提高土壤微生物生物量, 這與薛亞芳等[10]在青藏高原高寒草甸上的研究結果相似。圍欄禁牧提高了土壤養(yǎng)分有效性和保水能力, 從而促進微生物對碳氮的吸收, 顯著增加土壤微生物生物量碳氮含量; 相反, 放牧降低草地植被蓋度, 進入土壤的枯葉量降低, 土壤有效養(yǎng)分含量隨之降低, 微生物利用的有效養(yǎng)分減少, 進而導致微生物碳氮含量降低[14]。

圍欄禁牧可通過改善土壤水熱狀況、土壤質地、微生物活性以及植物根系而影響土壤酶活性[9]。本研究表明, 土壤脲酶活性在圍欄和放牧間處理差異顯著, 可能的原因是圍欄富集了土壤中的氮素, 從而促進微生物對氮的吸收, 用于植物和微生物的吸收利用, 增加了脲酶活性[10]。圍欄地的蔗糖酶和β—葡萄糖苷酶活性高于放牧地, 可能與植物根系分泌物有關, 因為圍欄可以促進植株根系分泌物, 對微生物活性有刺激作用, 增強了微生物的代謝活性[8–9]。在本研究中, 土壤磷酸酶在圍欄和放牧間無明顯差異, 反映出土壤磷酸酶對圍欄和放牧不敏感。高寒草原土壤酶活性和土壤DOC、TDN、DON、NH4+-N和NO3--N含量呈負相關關系, 可能是由于隨著土壤微生物活性增強, 提高了其對土壤有效養(yǎng)分利用而產生的現(xiàn)象[25]。

3.3 圍欄禁牧對土壤微生物群落結構的影響

土壤微生物多樣性指數(shù)可以揭示土壤微生物種類和功能的差異, 用以表征和衡量微生物群落多樣性和均一性程度[21]。在本研究中, 圍欄禁牧樣地的土壤微生物豐富度指數(shù)顯著高于放牧樣地, 表明圍欄改變了土壤微生物群落的結構。短期圍欄禁牧可以有效增加土壤水分和養(yǎng)分, 改善土壤理化性質, 有利于土壤微生物的聚集與增殖[24]。同時圍欄能提高植被覆蓋度和地上生物量, 植物的生長有助于植物根際分泌物的產生, 有助于提高微生物活性, 最終促進土壤微生物種群和數(shù)量的增加[13]。

3.4 圍欄禁牧對土壤微生物碳源利用多樣性的影響

AWCD值的大小代表了土壤微生物生命代謝的活躍程度[12]。本研究對土壤微生物群落的AWCD值隨時間變化曲線總體上表明, 圍欄禁牧樣地的土壤微生物群落代謝能力高于自由放牧樣地。在培養(yǎng)初期, 無論是自由放牧還是圍欄禁牧, 碳源基本未被利用; 而隨著培養(yǎng)時間延長, 碳源開始被大幅度利用, 土壤微生物群落代謝增加, 活性加強。本研究結果與張海芳等[26]對內蒙古貝加爾草原土壤微生物功能多樣性研究結果相一致, 這說明圍欄顯著增強了土壤微生物群落代謝活性。圍欄條件下可使植被生長加快, 增加了輸入土壤的凋落物質量, 從而加快系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)速度, 土壤微生物養(yǎng)分供應增加, 微生物群落代謝活性增強[24]。相反, 放牧家畜的采食使得土壤表面植被減少, 不利于土壤微生物的生長繁殖, 降低土壤微生物群落多樣性, 限制了土壤微生物碳代謝能力。另外, 圍欄可以促進植株根系分泌物的產生, 微生物可利用碳源增多可增強土壤微生物群落代謝活性[26]。

圍欄禁牧和自由放牧樣地間不同碳源類型利用率處理的結果存在顯著差異。圍欄禁牧樣地土壤微生物利用碳源豐富, 主要有D—木糖、甘氨酰—L—谷氨酸、N—乙?！狣—葡萄糖氨、L—天門冬酰胺、吐溫40和苯乙胺, 主要為碳水化合物、氨基酸類、多聚物類和胺類; 放牧地土壤微生物利用碳源主要有D—半乳糖酸γ內酯、D—蘋果酸和丙酮酸甲酯, 多為羧酸類和碳水化合物。圍欄禁牧樣地土壤微生物與全氮、全磷和有機碳密切相關, 放牧地和硝態(tài)氮有關。圍欄禁牧解除了放牧家畜對樣地植被的采食損傷, 可以較好的保持土壤結構、提高土壤含水量[10], 有利于樣地植被生物量的增加, 促使土壤微生物群落結構發(fā)生改變[11], 同時植被覆蓋度的增加會影響其根系生長, 促進根系分泌更多物質而提高土壤微生物群落碳代謝能力[9]; 土壤團聚體是微生物生長的重要微環(huán)境, 通常圍欄能提高土壤團聚體數(shù)量和直徑[27], 改變土壤結構進而也影響到土壤微生物群落特征, 這可能是造成圍欄禁牧與自由放牧條件下土壤微生物碳源利用特征不同的另一個重要原因。

4 結論

本文對比研究了連續(xù)放牧和圍欄禁牧5年后藏北高寒草原土壤碳氮和微生物碳源利用的變化, 發(fā)現(xiàn)圍欄禁牧顯著增加了土壤溶解性有機碳氮含量、酶活性、微生物生物量和多樣性指數(shù), 提高了土壤微生物對碳水化合物、氨基酸類、多聚物類和胺類碳源的利用率, 但土壤有機碳和全氮沒有顯著變化。由此可見, 短期圍欄禁牧僅對高寒草原土壤溶解性碳氮和土壤微生物活性產生顯著的影響, 這些指標可作為高寒草原恢復早期的指示性指標; 另外, 可通過提高土壤碳水化合物類和氨基酸類等物質含量來修復或重建土壤微生物系統(tǒng), 促進連續(xù)放牧后受損或退化高寒草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復。

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Effects of enclosure on soil microbial carbon utilization in an alpine steppe

JING Jie1,2, ZHANG Mengyao1, GAO Yongheng1,3,*

1. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Chengdu 610041, China 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 3. Chengdu Institute of Biology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China

In order to understand the effects of enclosure on the utilization of soil microbial carbon source in alpine steppe, the soils under 5-year enclosure and continuous free grazing were sampled to determine soil carbon and nitrogen, and soil microbial carbon source utilization in alpine steppe of the northern Tibet. The results showed that: 1) compared to free grazing, the contents of soil dissolved organic carbon and nitrogen increased by 26.60% and 28.13%, respectively, but there were no significant changes in organic carbon and total nitrogen between enclosure and grazing steppes; 2) enclosure increased soil microbial biomass, soil enzyme activity and microbial richness index, but had no significant impacts on evenness and dominance indexes; 3)enclosure significantly increased the utilization of carbohydrate, amino acid, polymer and amine carbon sources by soil microorganisms. It can be concluded that enclosure reconstructs soil ecological function by changing soil dissolved organic carbon and nitrogen, soil microbial activity, as well as soil microbial community structure firstly, and then promotes the recovery of the damaged or degraded alpine steppe soil ecosystem.

alpine steppe; enclosure; soil carbon and nitrogen; soil microorganism; carbon source utilization

敬潔, 張夢瑤, 高永恒. 圍欄禁牧對高寒草原土壤微生物碳源利用的影響[J]. 生態(tài)科學, 2021, 40(3): 25–32.

JING Jie, ZHANG Mengyao, GAO Yongheng. Effects of enclosure on soil microbial carbon utilization in an alpine steppe[J]. Ecological Science, 2021, 40(3): 25–32.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.03.004

Q935

A

1008-8873(2021)03-025-08

2019-12-27;

2020-01-17

四川省重點研發(fā)計劃(2018NZ0048); 青海省國際合作項目(2019-HZ-807)

敬潔(1994—), 女, 四川南充人, 碩士研究生, 主要從事草地土壤微生物學研究, E-mail:835605744@qq.com

高永恒(1977—), 男, 甘肅慶陽人, 研究員, 主要從事高寒生態(tài)系統(tǒng)與全球變化方面的研究, E-mail: gaoyh@cib.ac.cn