放牧率對(duì)短花針茅根際和非根際土壤氮素的影響

杜宇凡，古 琛，王亞婷，趙天啟，陳萬(wàn)杰，烏力吉，安海波，李志國(guó)，王成海，趙萌莉

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019;2.內(nèi)蒙古烏蘭察布市察右后旗農(nóng)牧業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012400)

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放牧率對(duì)短花針茅根際和非根際土壤氮素的影響

杜宇凡1，古 琛1，王亞婷1，趙天啟1，陳萬(wàn)杰1，烏力吉1，安海波1，李志國(guó)1，王成海2，趙萌莉1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019;2.內(nèi)蒙古烏蘭察布市察右后旗農(nóng)牧業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012400)

摘要：以短花針茅(Stipa breviflora)荒漠草原為研究對(duì)象，研究不同放牧強(qiáng)度下，短花針茅根際與非根際土壤氮素的變化。結(jié)果表明，不同處理間短花針茅根際的土壤氮素含量均高于非根際的。在相同放牧率下，隨著土層深度增加根際與非根際土壤全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量都表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)；不同放牧率，0-10、20-30cm土層，根際土壤全氮含量總體變化趨勢(shì)與非根際變化趨勢(shì)相同；相同土層深度，輕度放牧區(qū)短花針茅根際土壤氨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量明顯升高，證明適度放牧對(duì)土壤氮素積累有積極作用。垂直方向上，不同放牧率下，0-10 cm土層的全氮含量高于20-30 cm土層的。

關(guān)鍵詞：根際與非根際；短花針茅；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；全氮

放牧是內(nèi)蒙古草地利用的主要方式[1]。不同放牧率意味著每單位可食牧草面積上家畜的數(shù)量不同[2]。家畜在采食過(guò)程中不僅通過(guò)踐踏影響草地土壤的物理結(jié)構(gòu)，而且會(huì)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響從而影響草地營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，最終改變草地土壤的化學(xué)成分[3-5]。草地土壤的化學(xué)和物理性質(zhì)存在著密不可分的關(guān)系，過(guò)高的放牧率會(huì)加劇家畜對(duì)草地的影響，引起草地退化[6]。

土壤氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育中的必需元素，也是限制草地初級(jí)生產(chǎn)力水平的主要因子之一[7-8]。土壤中的無(wú)機(jī)氮是植物可以直接吸收利用的氮素形式，土壤中的有機(jī)氮必須經(jīng)過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)變成無(wú)機(jī)氮才能被植物吸收利用[9]。研究發(fā)現(xiàn)，放牧對(duì)土壤中的氮素有一定影響，放牧對(duì)土壤氨態(tài)氮含量影響較小，適度放牧可以促進(jìn)氮素的循環(huán)及利用效率[10]。Frank等[7]認(rèn)為重度放牧(0.9 steer·hm-2)使得銨態(tài)氮含量降低，在我國(guó)典型草原，適度放牧有利于土壤養(yǎng)分的累積，過(guò)度放牧則會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失[11]；在荒漠草原中，輪牧使草地土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量高于自由放牧[12]。以上都是基于草原群落對(duì)土壤氮素的研究，并認(rèn)為適度放牧使氮素含量有所增加。但是對(duì)于荒漠草原具體植物的根際土壤氮素的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以內(nèi)蒙古四子王旗荒漠草原為試驗(yàn)地，采用野外調(diào)查和室內(nèi)分析結(jié)合的方法，從根系土壤的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)不同放牧強(qiáng)度下荒漠草原主要的建群物種短花針茅(Stipabreviflora)根際與非根際土壤氮素的分析，試圖闡釋放牧對(duì)短花針茅根際與非根際土壤氮素的影響。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古烏蘭察布市四子王旗格根塔拉草原(41°47′17″ N ，111°53′46″ E ，平均海拔為1 450 m)。該地區(qū)春季少雨，夏季炎熱，平均溫度最高月為7 月份，達(dá)到21～23 ℃，年均降水量為280 mm ，無(wú)霜期90～120 d ，屬于典型中溫帶大陸性氣候。試驗(yàn)區(qū)為荒漠草原地帶性植被類型，草地類型為短花針茅+冷蒿(Artemisiafrigida)+無(wú)芒隱子草(Cleistogenessongorica)，主要伴生種有銀灰旋花(Convolvulusammannii)、細(xì)葉蔥(Alliumtenuissimum)、羊草(Leymuschinensis)等。植被總體表現(xiàn)為高度、蓋度較低，且分布稀疏，物種較少。試驗(yàn)地區(qū)土壤類型為棕鈣土或淡栗土，土壤中微生物有好氣性細(xì)菌、霉菌等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣地于2004年設(shè)置為隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)，且每年均按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)嚴(yán)格進(jìn)行。本試驗(yàn)于2014年8月進(jìn)行。試驗(yàn)地共分為3個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組4個(gè)處理，分別為4個(gè)不同放牧率小區(qū)，即：輕度放牧(LG，0.93 sheep·hm-2)、中度放牧(MG，1.82 sheep·hm-2)、重度放牧(HG，2.71 sheep·hm-2)和對(duì)照小區(qū)(CK，0 sheep·hm-2)。每個(gè)區(qū)組內(nèi)各小區(qū)隨機(jī)排列，每種放牧處理小區(qū)面積均約為4.4 hm2。放牧期為每年5-11月。各小區(qū)的放牧管理措施一致，試驗(yàn)用羊?yàn)楫?dāng)?shù)爻赡昝晒鹏裳?，每?6：00點(diǎn)將羊趕入不同小區(qū)讓其自由釆食，18：00點(diǎn)趕回畜圈休息。試驗(yàn)用羊每3 年更換一批，以保證其正常的采食和消化能力。圖1中從左到右為自西向東各小區(qū)排列位置。

1.3研究方法

根際土壤取樣：在上述各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，各隨機(jī)選取株叢徑相近、中等大小的短花針茅30株，小心挖取根系，每10 cm一層，分3層，0-10、10-20、20-30 cm。取出后置于一塊60 cm×60 cm的尼龍薄膜上，用手工除去容易抖落下來(lái)的土壤，然后將土根移至另一薄膜上抖動(dòng)多次，將松散附著于根表面土壤抖落，剩余的仍然粘附于根表的即為根際土，距根0～2 mm ，小心剔除根系，每10 株混合為一個(gè)樣品，共3 個(gè)重復(fù)樣品。

非根際土取樣：在小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線布點(diǎn)，在無(wú)植物生長(zhǎng)的裸地，采用壕溝法，每10 cm一層，分3層，0-10、10-20、20-30 cm，小心剔除各種根系。每5個(gè)采樣點(diǎn)混合為1個(gè)樣，每小區(qū)取3 個(gè)樣品。

將每個(gè)土壤樣品充分混勻過(guò)2 mm篩，稱取過(guò)篩后土壤10 g，加入100 mL 0.01 mol·L-1的CaCl2，振蕩30 min后過(guò)濾，浸提液用流動(dòng)分析儀(TRAACS2000)測(cè)定土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；稱取過(guò)篩后土壤 0.05 g，用元素分析儀測(cè)定(Elementar vario MACRO)土壤中全氮含量。

圖1　試驗(yàn)小區(qū)和區(qū)組位置

注：CK、LG、MG、HG分別表示對(duì)照、輕度放牧(0.93 sheep·hm-2)、中度放牧(1.82 sheep·hm-2)和重度放牧(2.71 sheep·hm-2)。表1、表2同。

Note: CK, LG, MG and HG means control, light grazing intensity (0.93 sheep·hm-2), moderate grazing intensity (1.82 sheep·hm-2), and heavy grazing intensity (2.71 sheep·hm-2), respectively. The same in Table 1 and Table 2.

1.4數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Excel和統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 19.0進(jìn)行分析。處理間方差分析采用單因素分析法，差異顯著性分析采用LSD多重比較法，根際和非根際間比較采用T檢驗(yàn)法。

2結(jié)果與分析

2.1不同放牧率對(duì)短花針茅根際和非根際土壤全氮的影響

短花針茅根際土壤的全氮含量在相同采樣深度和放牧率中高于非根際的，僅在HG區(qū)的20-30 cm土層中存在顯著差異(P<0.05)(表1)。隨著放牧率增加，放牧地的0-10 cm根際土壤全氮含量與CK區(qū)相比分別顯著降低13.71%、13.14%和16.57%，非根際土壤全氮含量無(wú)顯著降低趨勢(shì)(P>0.05)；10-20 cm根際土壤全氮含量無(wú)顯著降低趨勢(shì)，非根際土壤全氮與CK區(qū)相比，分別顯著降低14.84%、12.90%和19.35%(P<0.05)；20-30 cm根際和非根際土壤全氮含量，均無(wú)顯著變化(P>0.05)。較CK區(qū)，放牧地根際土壤全氮含量在0-10 cm表現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，非根際土壤全氮在10-20 cm表現(xiàn)顯著將低趨勢(shì)，且均在HG區(qū)降低最多。隨著采樣深度增加，短花針茅根際和非根際土壤全氮呈減小趨勢(shì)。CK區(qū)根際10-20、20-30 cm土層全氮含量分別比0-10 cm顯著降低11.43%和31.43%(P<0.05)；CK區(qū)非根際只有20-30 cm土層比前兩層分別顯著降低27.22%、25.81%。不同土層間全氮含量在各個(gè)放牧率下，除根際MG區(qū)各土層無(wú)顯著差異外，其余均表現(xiàn)為20-30 cm土層較0-10 cm土層顯著降低，其中CK區(qū)根際土壤最為明顯。10-20 cm土層比0-10 cm土層顯著降低的只有CK、LG區(qū)根際土，分別降低11.43%和9.27%；20-30 cm土層比10-20 cm土層顯著降低的有CK區(qū)根際和非根際以及MG、HG非根際，其中CK區(qū)非根際最為明顯，顯著降低25.81%(表1)。

2.2不同放牧率對(duì)短花針茅根際與非根際土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的影響

在同一放牧率處理下，同一土層深度短花針茅根際土壤的銨態(tài)氮含量高于非根際，但無(wú)顯著差異(P>0.05)。隨著放牧率增加，根際各個(gè)土層土壤銨態(tài)氮含量無(wú)明顯變化；非根際土壤銨態(tài)氮含量只在20-30 cm土層HG區(qū)比LG區(qū)顯著減少45.98%。不同土層間根際土壤銨態(tài)氮含量在各放牧率下，只在MG區(qū)20-30 cm層比0-10 cm土層顯著降低15.63%(P<0.05)(表2)。

短花針茅根際土壤硝態(tài)氮含量在相同采樣深度和放牧率下表現(xiàn)出高于非根際的，但無(wú)顯著差異(P>0.05)。隨著放牧率增加，根際和非根際硝態(tài)氮含量總體表現(xiàn)出較CK區(qū)增加的趨勢(shì)。其中，根際土壤硝態(tài)氮含量在0-10 cm土層LG區(qū)比CK區(qū)顯著增加89.70%，其余各個(gè)土層根際和非根際土壤硝態(tài)氮含量在不同放牧率下無(wú)顯著增加。在同一放牧率處理下，不同采樣深度，根際土壤硝態(tài)氮含量在CK區(qū)無(wú)顯著差異，在LG、MG、HG區(qū)均表現(xiàn)為20-30 cm土層土壤硝態(tài)氮含量顯著低于0-10和10-20 cm土層的(P<0.05)，以LG區(qū)最明顯，分別降低61.80%和59.01%。非根際只在HG區(qū)20-30 cm土壤硝態(tài)氮含量顯著低于0-10 cm土層的，其余各個(gè)放牧率下，各個(gè)土層間無(wú)顯著差異(P>0.05)。

表1　不同放牧率對(duì)短花針茅根際土與非根際土壤全氮(g·kg-1)的影響

注：*表示根際和非根際間差異顯著(P<0.05)。同列不同大寫字母表示根際(或非根際)相同采樣深度不同放牧強(qiáng)度間差異顯著(P<0.05)；同行不同小寫字母表示根際土(或非根際)相同放牧強(qiáng)度不同采樣深度間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note：*mean significant difference between rhizosphere and non-rhizosphere soil at 0.05 level. Different capital letters within the same column mean significant difference among different stocking rates within the same sampling depth at 0.05 level. Different lower case letters within the same row mean significant difference among different sampling depths within the same stocking rate at 0.05 level. The same blow.

表2　放牧率對(duì)短花針茅根際土與非根際土銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)的影響

3討論與結(jié)論

土壤中氮素含量取決于氮累積和消耗的強(qiáng)弱[13]。多數(shù)研究表明，土壤理化性質(zhì)的變化是綜合了環(huán)境、氣候、植物組成、放牧等多種因素的結(jié)果[14]。對(duì)草地進(jìn)行放牧利用，使草地的生物量、蓋度等有所下降，加上家畜的采食量的增加，導(dǎo)致土壤中氮素的積累下降，全氮含量降低[15-16]。本研究中，相同放牧率處理下，隨著土層深度增加土壤根際與非根際全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量都表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。相同土層深度，不同放牧率下根際與非根際土壤全氮總體表現(xiàn)出MG、HG區(qū)比CK區(qū)降低的趨勢(shì)，隨著放牧率的增加根際0-10、20-30 cm土層土壤全氮含量變化趨勢(shì)同非根際土壤全氮含量變化趨勢(shì)相同。0-10、10-20 cm土層隨著放牧率增加根際土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量大部分呈增加趨勢(shì)，其中LG區(qū)根際明顯增加，HG區(qū)非根際明顯增加；LG區(qū)根際土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量在表層土壤的明顯增加，證明適度放牧有利于植物氮素累積，這是因?yàn)樵谥械确拍翉?qiáng)度下，植物根系能較好地截留土壤中氮素，一方面累積自身氮素，另一方面累積土壤氮素；HG區(qū)非根際土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量在表層土壤的明顯增加，是因?yàn)榉拍習(xí)黾油寥谰o實(shí)度，對(duì)于非根際，這一現(xiàn)象更加明顯。這也可能就是HG區(qū)非根際土壤硝態(tài)氮與銨態(tài)氮含量在表層土壤增加的原因，由于緊實(shí)度增加，這些氮素在一段時(shí)間內(nèi)累積到土壤表層，卻很少能被植物利用，加上長(zhǎng)期強(qiáng)度較高的放牧，最終反而造成氮素?fù)p失，不利于氮素累積。結(jié)合10-20 cm土層發(fā)現(xiàn)，放牧率對(duì)這一層的影響沒(méi)有0-10 cm土層明顯，而LG區(qū)根際硝態(tài)氮含量還明顯增加可能是因?yàn)長(zhǎng)G區(qū)牧壓較輕，土壤質(zhì)地相對(duì)較為疏松，一方面銨態(tài)氮在通氣性較好的條件下容易轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，另一方面硝態(tài)氮具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，從而使得根際土壤硝態(tài)氮含量在10-20 cm土層含量明顯增加。20-30 cm土層受放牧率影響進(jìn)一步減小，主要受土壤中微生物因素等的影響。安慧和李國(guó)旗[17]研究得出，土壤中的銨態(tài)氮含量會(huì)隨著放牧強(qiáng)度的增加呈先增加后降低趨勢(shì)，輕度放牧土壤銨態(tài)氮顯著高于重度、中度放牧和圍封禁牧。汪衛(wèi)衛(wèi)[18]分析得到0-10 cm土層土壤全氮含量在輕度放牧下顯著高于重度放牧下的。以上這些結(jié)論支持了本研究中土壤表層根際銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量在LG區(qū)最高的結(jié)論。研究得出在垂直方向上，表層土(0-10 cm)的全氮含量較高，而20-30 cm土層不同放牧條件下土壤全氮含量較低。有研究認(rèn)為，表層土壤氮素含量較高，可能與土壤中有機(jī)物碳氮比較低、礦化率快而植物吸收量相對(duì)較少有關(guān)[19]。也有分析認(rèn)為，這主要與短花針茅荒漠草原植被根系的垂直分布有關(guān)，在土壤表層，植被根系數(shù)量較大，且根系與土壤顆粒間相互影響存在較強(qiáng)烈的物質(zhì)交換[13]。在短花針茅荒漠草原上，植被根系大都集中在土壤的表層，而30 cm以下土層存在鈣積層，大部分草地植被根系難以穿入，所以在各種利用強(qiáng)度下差異都不顯著。而在內(nèi)蒙古阿拉善荒漠草原的研究與本研究略有不同，不同放牧強(qiáng)度下表土層土壤含氮量差異不顯著，在20-40 cm土層土壤硝態(tài)氮水平較低，輕度放牧和重度放牧草地差異較大[20]。也有研究表明，土壤中硝態(tài)氮增加的原因是家畜糞便的排泄[21-22]。經(jīng)過(guò)對(duì)根際全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與非根際全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮分析對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，雖然不同放牧率下不同土層深度短花針茅的氮素含量各不相同，但是總體均表現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，這也說(shuō)明適度放牧可以增加土壤氮素含量，但隨著放牧強(qiáng)度的進(jìn)一步加重，土壤中氮素含量還是會(huì)減少。而短花針茅根際土壤銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量均大于非根際，是因?yàn)橹参飳?duì)土壤養(yǎng)分的累積有積極的作用。秦嶺火地塘林區(qū)主要樹(shù)種與赤峰市克什克騰旗典型草原同樣表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象[23-24]。

綜上所述，通過(guò)對(duì)不同放牧率荒漠草原優(yōu)勢(shì)植物短花針茅根際與非根際氮素的研究發(fā)現(xiàn)，短花針茅根際與非根際氮素含量雖然沒(méi)有顯著差異，但不同放牧強(qiáng)度下，氮素分布有明顯差異；隨著放牧強(qiáng)度的增加，氮素含量有減少的趨勢(shì)，LG區(qū)根際與非根際氮素含量較其它放牧區(qū)高，這說(shuō)明適度放牧對(duì)土壤氮素的積累有一定的積極影響。然而，而土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響土壤的因素也較多，本研究只分析了短花針茅根際與非根際氮素分布，對(duì)于整個(gè)群落的根際與非根際土壤的影響因素還有待進(jìn)一步研究。總之，適當(dāng)?shù)姆拍翆?duì)草地土壤沒(méi)有負(fù)面的影響，反而有一定的積極的影響，在那些相對(duì)比較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)中，長(zhǎng)期超載放牧，會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)危害。因此，必須從關(guān)注草原的經(jīng)濟(jì)功能向生態(tài)功能、社會(huì)功能等方面擴(kuò)展，優(yōu)化草地的利用方式，使草地生態(tài)系維持在相對(duì)平衡水平，以達(dá)到資源的可持續(xù)利用。

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(責(zé)任編輯張瑾)

Effects of grazing on nitrogen contents in rhizosphere and non-rhizosphere soil ofStipabreviflora

Du Yu-fan1, Gu Chen1, Wang Ya-ting1, Zhao Tian-qi1, Chen Wan-jie1,Wuliji1, An Hai-bo1, Li Zhi-guo1, Wang Cheng-hai2, Zhao Meng-li1

(1.Inner Mongolia Agricultural University College of Ecological Environment, Hohhot 010019, China;2.Bureau of Agricultural&Animal Husbandry Science of Chayouhouqi, Wulanchabu 012400, China)

Abstract:The present study focused on the difference between rhizosphere and non-rhizosphere soil nitrogen in the Stipa breviflora desert steppe in Inner Mongolia. The results showed that soil nitrogen contents in rhizosphere were always higher than those in non-rhizosphere in S. breviflora under every treatment. With the increase of soil depth, the contents of total nitrogen, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen in both rhizosphere and non-rhizosphere soil decreased. For 0-10 and 20-30 cm soil depth under different grazing rates, total nitrogen contents in rhizosphere soil and non-rhizosphere soil had similar change. The ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents increased in rhizosphere soil of same depth with light grazing rate which suggested that optimal grazing was positive for nitrogen accumulation. In vertical direction under different grazing rate, the total nitrogen contents in soil 0-10 cm was higher than those in 20-30 cm soil.

Key words:rhizosphere and non-rhizosphere; Stipa breviflora; ammonium nitrogen; nitrate nitrogen; total nitrogen

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0434

*收稿日期：2015-08-06接受日期：2016-03-01

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(31460110、31170446)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部草業(yè)與草地資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

通信作者：趙萌莉(1963-)，女，陜西華陰人，教授，博士，主要從事草地生態(tài)與管理研究。E-mail:nmgmlzh@126.com

中圖分類號(hào)：S812.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)6-1021-07*

Corresponding author:Zhao Meng-liE-mail:nmgmlzh@126.com

杜宇凡，古琛，王亞婷，趙天啟，陳萬(wàn)杰，烏力吉，安海波，李志國(guó)，王成海，趙萌莉.放牧率對(duì)短花針茅根際和非根際土壤氮素的影響.草業(yè)科學(xué),2016,33(6)：1021-1027.

Du Y F,Gu C,Wang Y T,Zhao T Q,Chen W J,Wuliji,An H B,Li Z G,Wang C H,Zhao M L.Effects of grazing on nitrogen contents in rhizosphere and non-rhizosphere soil ofStipabreviflora.Pratacultural Science，2016,33(6)：1021-1027.

前植物

生產(chǎn)層

第一作者：杜宇凡(1992-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾人，在讀碩士生，主要從事天然草地研究。E-mail:du_yu_fan@163.com