放牧對內蒙古不同類型草原植物和土壤總氮與穩定氮同位素的影響

呂廣一，徐學寶，高翠萍，于志慧，王新雅，王成杰

（草地資源教育部重點實驗室，內蒙古農業大學草原與資源環境學院，內蒙古呼和浩特010019）

氮（N）素大多數以氣體形式存在于空氣中，也有部分以離子形式分布在植物與土壤中，并在生物地球化學循環中有著重要作用，也是草地生態系統的主要組成元素之一，很大程度上限制著草地生態系統的初級生產力［1］。穩定氮同位素比值（δ15N）可以作為草原生態系統在一定時間和空間上綜合反映N 循環特征的一個重要指標［2-3］，指示N 的輸入、轉化以及輸出過程中因物理、化學和生物反應所產生的分餾效應［4］，為理解生態系統N 循環提供關鍵的理論依據［5］。從全球范圍來看，影響δ15N 格局的因素主要有氣候、時間、地形和土地利用等［6-8］；而在草原生態系統中，放牧是主要土地利用方式之一［9］，放牧時長、載畜率大小都與草地生態系統N 循環，甚至生態系統平衡緊密相關。內蒙古自治區作為我國五大自治區之一，擁有天然草地面積8666.7 萬hm2，其中6818.0 萬hm2為可利用草地面積［10］。近年來，內蒙古自治區草原退化趨勢嚴重，過度放牧打破了草原生態系統物質循環，是草地退化的主要原因之一［11］。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

研究選取了內蒙古自治區3 種主要草原類型，分別為位于呼倫貝爾市鄂溫克旗的羊草（Leymus chinensis）和貝加爾針茅（Stipa baicalensis）植物群落的草甸草原，優勢種為羊草和貝加爾針茅等；錫林浩特毛登牧場的羊草和大針茅（Stipa grandis）植物群落的典型草原，優勢種為羊草、大針茅、冷蒿（Artemisia frigida）、木地膚（Kochia prostrata）等；烏蘭察布市四子王旗的短花針茅（Stipa breviflora）植物群落的荒漠草原，優勢種為短花針茅和冷蒿等，研究區基本信息見表1。

表1 研究區信息表Table 1 Information of study area

1.2 樣品采集及預處理

試驗樣品采集于2014 年8 月中旬，在每個草原分別選取圍封近25 年的無牧區（no grazing，NG）和重度放牧區（heavy grazing，HG）各3 個。植物樣品采取分類采樣法［12］，在每個樣區中選取地勢平坦、植株分布均勻的3 個點，在每個點齊地剪取1 m × 1 m 的植物樣方，作為植物地上生物量測定的一個重復；分類挑出樣方中的優勢種用作植株全氮（total nitrogen，TN）與δ15N 的測定；土壤樣品是在植物樣方采集完畢后，在每個樣方內用直徑8 cm 土鉆取土3 次，每次取土分 3 層（0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm），每個樣方的3 次同層土壤混合后作為土壤TN 與 δ15N測定的一個重復，挑出每層土壤里的所有植物根系，混合后用作植物地下生物量與根系TN、δ15N 的測定。

1.3 穩定氮同位素測定

樣品經過預處理后，使用德國Elementar 公司生產的isoprime100 穩定同位素質譜儀連接元素分析儀（Vario Isotope Select）測定，分析得到植物、土壤的全氮含量（TN）和穩定氮同位素值（δ15N）。δ15N 是一個相對比值，用公式解釋為：

式中：R樣品、R標準分別表示樣品和標準物（空氣）15N/14N 的值。

1.4 數據處理

使用SPSS 19.0 版本進行數據統計分析，采用單因素分析法分析放牧對不同草地類型生物量以及植物葉片、根系和土壤的δ15N 和TN 的影響；采用相關分析法分析植物群落葉片、根系和土壤中δ15N 與TN 的相關關系；最后使用 Sigmapiot 14 和 Origin 2018 作圖。

2 結果與分析

2.1 放牧前后不同草原類型植物生物量的變化

3 種草原類型植物群落生物量自東向西依次遞減，其地上和地下生物量變化范圍為81.29～141.20 g·m-2和430.87～554.61 g·m-2。在重度放牧對條件下，3 種草原類型植物群落生物量均顯著降低，地上和地下生物量變化范圍分別為46.12～57.03 g·m-2和270.65～328.99 g·m-2；其中放牧對草甸草原植物群落生物量影響最為顯著（P＜0.05），植物群落地上、地下生物量平均減少了84.17 和225.62 g·m-2（圖1）。

圖1 放牧對不同草原類型地上、地下生物量的影響Fig.1 Impact of grazing on above-ground and under-ground biomass of different steppes

2.2 放牧前后不同草原類型植物TN 和δ15N 的變化

3 種草原植物葉片TN 在1.60%～3.78%（圖2），重度放牧導致植物群落葉片TN 值普遍下降，其中典型草原（P＜0.05）和草甸草原（P＜0.05）的植物群落葉片TN 下降趨勢顯著。另外，3 種草原葉片δ15N 在-2.10‰～8.25‰（圖2），無論是從植物群落的角度，還是從植被物種的角度來看，放牧同樣使得3 種草原植物葉片δ15N 值下降。其中放牧對典型草原（P＜0.05）和草甸草原（P＜0.05）的植物群落葉片δ15N 降低效果較為顯著。

圖2 放牧對荒漠草原植物群落葉片TN、δ15N 的影響Fig.2 Effects of grazing on TN and δ15N in leaves of plant communities in three steppes

與植物葉片相比，放牧對內蒙古3 種主要草原類型植物根系TN 的影響較小，但也降低了3 種草原類型植物根系的TN（表2），其中草甸草原（P＜0.05）植物根系TN 值降低趨勢最為顯著。放牧同樣降低了3 種草原植物根系δ15N 值（表2），其中草甸草原植物根系δ15N 值降低趨勢最為顯著（P＜0.05）。

表2 放牧對3 種草原植物根系TN 和δ15N 的影響Table 2 Effects of grazing on TN and δ15N in plant roots of three steppes

2.3 放牧前后不同草原類型土壤TN、δ15N 的變化

3 種草原土壤TN 和δ15N 自東向西依次遞減，土壤TN 變化范圍在0.13%～0.31%（表3），重度放牧均降低了3 種草原土壤TN 值，其中對草甸草原（無牧區與重度放牧區0～15 cm 土壤TN 均值分別為0.31%和0.13%）土壤TN 影響最為顯著。與土壤TN 相比，土壤δ15N 變化范圍較大，3 種草原類型土壤δ15N 變化范圍在3.23‰～4.38‰（表3），重度放牧均降低了3 個草原土壤δ15N 值，其中對典型草原和草甸草原δ15N 影響較為顯著（P＜0.05）。

表3 放牧對3 種主要草原類型土壤TN、δ15N 的影響Table 3 Effects of grazing on soil TN and δ15N in three main steppes

對土壤分層分析發現，隨著土壤深度增加，土壤TN 值逐漸減小，最大值出現在草甸草原的0～5 cm 土層；土壤δ15N 值逐漸增大，最大值出現在典型草原的10～15 cm 土層（圖3）；并且，從草甸草原到荒漠草原，土壤的TN 和δ15N 出現了逐漸降低的趨勢。

2.4 植物葉片、根系以及土壤中的TN 與δ15N 相關分析

3 種主要草原類型植物群落葉片、根系以及土壤中的TN 與δ15N 進行相關性分析，結果表明：植物葉片（圖4A）、根系（圖 4B）中 TN 與 δ15N 都呈現極顯著正相關關系（葉片：R2=0.73，P＜0.001；根系：R2=0.86，P＜0.001），而土壤中的TN 與δ15N 有正相關趨勢（圖4C），但并不顯著（P＞0.01）。

3 討論

3.1 放牧對植被生物量的影響

3 種草原植物群落地上和地下生物量由東向西逐漸減小，這與以往研究結果一致，植物地上和地下生物量均與環境因子有關，主要表現為降水量的大小［13］；陳效逑等［14］的研究還證實了：植物地上和地下生物量與經緯度呈現顯著正相關關系。本研究無牧區植物群落地上和地下生物量均顯著高于重度放牧區，主要是由于家畜過度采食和踐踏破壞草地生態系統物質循環，導致植物群落生物量急劇下降［15-16］。

3.2 放牧對植物TN 和δ15N 的影響

3 種草原類型植物葉片、根系的TN 和δ15N 值自東向西依次遞減，這與一些研究結果相似，劉賢趙等［17］在北京東靈山研究表明，草本植物δ15N 值與年均溫度符合二次曲線關系。而本研究區植物δ15N 值隨溫度升高而下降的原因在于，研究區擁有“雨熱同期”的氣候特點，植物δ15N 受溫度和降水雙重影響。放牧使植物的 TN 與 δ15N 顯著降低（P＜0.05），是由于放牧導致土壤 TN 與 δ15N 值貧化（表 3），N 礦化速率降低，所以植物可吸收利用的TN 與δ15N 減少；并且過度放牧導致植物群落地下生物量顯著減少（圖1），根系淺層化［18］，迫使植物吸收利用淺層土壤較貧化的TN 與δ15N。植物根系TN 與δ15N 的變化趨勢和植物葉片的變化大致相同（表2），并且植物葉片、根系的TN 與δ15N 具有顯著正相關（圖 4），Kitayama 等［19］的研究也證實了這一結論，植物葉片、根系的TN 與δ15N 呈正相關是N 素通過叢枝菌根進入植株體過程中同位素分餾效應所引起的。

3.3 放牧對土壤TN 和δ15N 的影響

3 種草原類型土壤TN 和δ15N 值由東向西逐漸下降。對此，Bowman［20］研究表明，高海拔地區土壤礦化速率低于低海拔地區，導致土壤TN 和δ15N 較低。放牧降低土壤TN 和δ15N 值（表3），原因是放牧降低了土壤微生物活性，使土壤微生物的生物量減少［21］，導致土壤礦化速率降低，并且放牧也降低參與土壤礦化反應酶的活性，使土壤理化反應變慢［22］。另外，隨著土層深度的增加，δ15N 逐漸富集（圖3），由于植物凋落物中貧化的δ15N 輸入，導致土壤表層δ15N 值偏低；隨著土壤深度增加，較輕的14N 會優先從土壤中流失，土壤δ15N 值逐漸富集；而土壤TN 則表現出相反的趨勢，即隨著土壤深度的增加，土壤 TN 含量逐漸減小［23］。

圖4 植物葉片（A）、根系（B）以及土壤（C）中全氮和穩定氮同位素的相關分析Fig. 4 Correlation analysis of TN and δ15N in plant leaves（A），roots（B）and soil（C）

4 結論

放牧對不同草原植物和土壤中TN 與δ15N 值均有不同程度的影響，其中對草甸草原植物和土壤的TN 與δ15N影響較大，表明不同的草原對放牧有不同的響應機制。不同的草原擁有不同的氣候因素、地理因素，導致植物群落生物量和物種組成、土壤的各項指標有所差異，我們應采取多樣化的管理方法保護不同類型的草原，維持草原生態平衡以及可持續發展。