施肥和刈割5年对呼伦贝尔草甸草原土壤微生物特征的影响

doi:10.11686/cyxb2023407

摘要/Abstract

摘要：

土壤微生物在维持草原生态系统功能方面发挥重要的作用，合理的利用和管理有助于维持草原资源可持续利用。为探究草甸草原土壤微生物对于不同施肥和留茬高度处理的适应性，在呼伦贝尔草甸草原进行了为期5年的野外控制试验，包括2个施肥水平：施肥（F）、不施肥（NF），6个刈割留茬高度：3、6、9、12、15 cm和不刈割（CK），两因子交互共12个处理，测定土壤磷脂脂肪酸（phospholipid fatty acid， PLFA）含量及理化性质。结果表明：不施肥处理下，随着刈割留茬高度的增加，土壤微生物生物量在9 cm时最高，然后趋于平稳；施肥处理下，微生物生物量在不同留茬高度间无明显差异。留茬高度不高于9 cm时，施肥能够提高微生物生物量，补偿低留茬刈割引起的微生物生物量下降，留茬高度高于9 cm时，施肥抑制刈割引起的微生物生物量升高；施肥显著提升了微生物群落中放线菌的相对丰度与群落相异度指数；硝态氮是影响土壤微生物群落组成的主要环境因子。本研究表明呼伦贝尔草甸草原土壤微生物对于刈割留茬高度9 cm的适应性最好，更低的留茬高度则需要通过施肥来补充供给微生物所需的土壤养分，缓解生物量的下降。这些发现为草原资源的可持续利用和生态保护提供了参考依据。

关键词: 施肥, 刈割, 留茬高度, 土壤微生物, PLFA

Abstract:

Soil microorganisms play an important role in sustaining the functionality of grassland ecosystems， and their rational utilization and management contributes to the sustainable exploitation of grassland resources. The aim of this study was to investigate the adaptability of soil microorganisms to different fertilization and mowing stubble height treatments in a meadow steppe， and a five-year， controlled field experiment was conducted in Hulunbuir， China. This experiment included fertilization （F） and no fertilization （NF） treatments， along with six mowing treatments： stubble heights of 3， 6， 9， 12， 15 cm， and no mowing （CK）. These two factors were combined factorially to form a total of 12 treatments， and soil phospholipid fatty acids （PLFA） and soil physicochemical properties were determined. It was found that， compared to the NF treatments， with increase in stubble height， soil microbial biomass peaked at 9 cm and then stabilized. Under the F treatment， microbial biomass showed no significant differences among stubble heights. Up to a stubble height of 9 cm， fertilization enhanced microbial biomass， compensating for the reduction caused by low stubble height. However， for stubble heights exceeding 9 cm， fertilization suppressed the microbial biomass increase associated with mowing. Fertilization significantly increased the relative abundance of Actinomycetes in the microbial community and the index of community dissimilarity. Nitrate-nitrogen emerged as the primary environmental factor influencing the composition of the soil microbial community. This study indicated that soil microorganisms exhibit optimal adaptability at a mowing stubble height of 9 cm in Hulunbuir meadow steppe. For stubble heights lower than 9 cm， fertilization was needed to supplement soil nutrients for microorganisms and mitigate biomass decline. These findings provide scientific data to facilitate the design of management systems for the sustainable utilization and ecological protection of grassland resources.

Key words: fertilization, mowing, stubble height, soil microorganisms, phospholipid fatty acids

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图/表 8

表1 土壤微生物的磷脂脂肪酸标志物

Table 1 Phospholipid fatty acid （PLFA） markers for soil microorganisms

微生物类群 Microbial group	磷脂脂肪酸标志物 Phospholipid fatty acid markers
细菌Bacteria	14：0， 15：0， 16：0， 17：0， 18：0， 20：0， 13：0 anteiso， 13：0 iso， 14：0 anteiso， 14：0 iso， 14：1 ω5c， 15：0 anteiso， 15：0 iso， 16：0 anteiso， 16：0 iso， 16：1 ω7c， 16：1 ω9c， 17：0 anteiso， 17：0 iso， 17：0 cyclo ω7c， 17：1 ω8c， 18：0 iso， 18：1 ω5c， 18：1 ω7c， 19：0 cyclo ω7c
革兰氏阳性菌Gram-positive bacteria	13：0 anteiso， 13：0 iso， 14：0 anteiso， 14：0 iso， 15：0 anteiso， 15：0 iso， 16：0 anteiso， 16：0 iso， 17：0 anteiso， 17：0 iso， 18：0 iso
革兰氏阴性菌Gram-negative bacteria	14：1 ω5c， 16：1 ω7c， 16：1 ω9c， 17：0 cyclo ω7c， 17：1 ω8c， 18：1 ω5c， 18：1 ω7c， 19：0 cyclo ω7c
真菌Fungi	18：1 ω9c， 18：2 ω6c， 18：3 ω6c
丛枝菌根真菌Arbuscular mycorrhizal fungi	16：1 ω5c
放线菌Actinomycetes	16：0 10-methyl， 17：0 10-methyl， 18：0 10-methyl

图1 土壤磷脂脂肪酸（PLFAs）图谱F：施肥Fertilization； NF：不施肥No fertilization. 3：留茬3 cm Stubble height 3 cm； 6：留茬6 cm Stubble height 6 cm； 9：留茬9 cm Stubble height 9 cm； 12：留茬12 cm Stubble height 12 cm； 15：留茬15 cm Stubble height 15 cm； CK：不刈割No mowing. 下同The same below. 脂肪酸命名采用ω编号命名系统：X：Y ωZc，其中X是指碳原子数量；Y为双键个数；Z为第一个不饱和键或环丙基的位置，后缀c代表顺式异构；iso和anteiso分别表示支链的异构和反异构；methyl表示甲基支链，cyclo表示环丙基支链。The nomenclature of fatty acids follows the ω numbering system， represented as X：Y ωZc， where X indicates the number of carbon atoms， Y indicates the number of double bonds， Z indicates the position of the first unsaturated bond or cyclopropane moiety， and the suffix ‘c’ represents cis isomerism. ‘iso’ and ‘anteiso’ are used to characterize the isomerization of fatty acids. Methyl represents a methyl side chain， while ‘cyclo’ represents a cyclopropane side chain.

Fig.1 Mapping of soil phospholipid fatty acids （PLFAs）

表2 土壤微生物生物量、群落组成和多样性指数的双因素方差分析（F值）

Table 2 Two-factor ANOVA analysis of soil microbial biomass， community composition and diversity indices （F value）

指标 Indicators	施肥 Fertilization	刈割留茬高度 Mowing stubble heights	施肥×刈割留茬高度 Fertilization×mowing stubble heights
总微生物生物量Total microbial biomass	0.005	0.905	1.237
细菌Bacteria	3.446	1.389	0.313
革兰氏阳性菌Gram-positive bacteria	0.005	0.183	0.941
革兰氏阴性菌Gram-negative bacteria	1.017	1.560	1.583
真菌Fungi	1.011	0.635	0.408
丛枝菌根真菌Arbuscular mycorrhizal fungi	1.265	1.712	0.668
放线菌Actinomycetes	4.065*	1.257	0.563
辛普森指数Simpson index	1.859	1.965	0.675
相异度指数Dissimilarity index	5.680*	0.120	3.584

图2 施肥和刈割对总微生物生物量的影响

Fig.2 Effects of fertilization and mowing on total microbial biomass

图3 施肥和刈割对微生物相对丰度的影响箱体内横线为中位数，白色菱形点为平均值。The horizontal line in the box is the median and the white diamond point is the mean.

Fig.3 Effect of fertilization and mowing on relative abundance of microorganisms

图4 施肥和刈割对微生物群落多样性的影响

Fig.4 Effects of fertilization and mowing on microbial community diversity

表3 土壤微生物生物量和多样性与群落组成的皮尔逊相关系数

Table 3 Correlation coefficients of soil microbial biomass and diversity with community composition

项目

Item

细菌

Bacteria

革兰氏阳性菌

Gram-positive

bacteria

革兰氏阴性菌

Gram-negative

bacteria

真菌

Fungi

丛枝菌根真菌

Arbuscular mycorrhizal fungi

放线菌

Actinomycetes

总微生物生物量Total microbial biomass

图5 微生物群落组成与土壤理化性质的冗余分析B：细菌Bacteria； GP：革兰氏阳性菌Gram-positive bacteria； GN：革兰氏阴性菌Gram-negative bacteria； F：真菌Fungi； AMF：丛枝菌根真菌Arbuscular mycorrhizal fungi； AC：放线菌Actinomycetes. NO3--N：硝态氮Nitrate nitrogen； AP：有效磷Available phosphorus； TN：总氮Total nitrogen； TP：总磷Total phosphorus； SOC：有机碳Soil organic carbon； NH4+-N：铵态氮Ammonium nitrogen.

Fig.5 Redundancy analysis of microbial community composition and soil physicochemical properties

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