放牧对土壤的长期影响塑造了温带草原当前生态系统的多重功能特性

《Journal of Environmental Management》：Soil legacy of grazing shapes current ecosystem multifunctionality in a temperate grassland

历史放牧强度对温带草地30年土壤遗留效应及生态系统多功能性的影响研究。实验表明适度放牧遗留效应最显著，土壤pH降低，总碳氮含量升高，细菌和真菌多样性分别提升3-8%和9-20%，使生态系统多功能性比极重、重和轻放牧分别高91%、26%和75%。该发现揭示长期土壤遗留效应对生态系统的持续调控机制，为草原恢复和可持续放牧管理提供理论依据。

　　在本研究中，我们探讨了放牧对草地生态系统长期影响的机制，特别是放牧历史如何塑造土壤的非生物特性与生物特性，并进一步影响当前的生态系统多功能性（EMF）。草地生态系统覆盖了地球陆地表面的大约40%，它们在全球生态系统服务中扮演着重要角色，包括碳封存、维持地上和地下的生物多样性。放牧活动，尤其是食草动物的放牧，通过改变土壤的非生物和生物特性，对草地生态系统支持多重功能的能力产生关键影响。这种改变被称为土壤遗留效应，它可以在放牧停止后仍然存在，对草地的生态功能和生物多样性造成持续影响。

我们选择了一个在放牧被排除后约30年的温带草地进行实验，评估不同强度的放牧历史对当前EMF的影响。研究结果表明，放牧的历史效应具有持久性，即使在放牧完全停止的情况下，这些效应依然对草地生态系统的功能产生影响。特别是，适度的放牧历史在土壤非生物特性、微生物多样性和EMF方面表现出最优状态，其EMF比极端重放牧、重放牧和轻放牧分别高出91%、26%和75%。同时，细菌和真菌的多样性也分别提高了3-8%和9-20%。这一现象表明，适度的放牧创造了中间程度的土壤扰动和资源条件，从而有利于微生物的多样性与EMF，可能留下最强的生态遗留效应。

研究还指出，土壤的非生物特性，如pH值、总碳含量、总 nitrogen 含量和容重，对EMF有直接影响。这些非生物特性通过调控关键过程如养分循环、分解和植物生长来影响EMF。此外，土壤微生物群落的形成也受到非生物条件的显著影响，极端的pH值和容重可能影响微生物的生长和活动，并选择特定的微生物群落。因此，土壤的非生物特性可能通过影响微生物群落动态，进而调控放牧遗留效应对EMF的影响。

我们通过收集这些草地地块的土壤样本，并在每种土壤类型中种植典型的植物群落，测量了多个代表土壤和植物过程的生态系统功能，以评估EMF。研究发现，不同强度的放牧历史对当前的土壤非生物特性产生了显著影响，而土壤微生物多样性则在适度放牧的地块中达到最高水平。这表明，即使在放牧被排除多年后，土壤仍然保留着放牧的历史效应，这些效应对土壤和微生物的多样性具有重要影响。

本研究是首个直接量化放牧历史效应与EMF之间长期联系的研究之一。我们假设，不同强度的放牧历史会导致土壤特性与EMF的差异，其中适度的放牧历史将表现出更高的微生物多样性和EMF，这表明即使在长期放牧排除的情况下，放牧遗留效应仍然存在。研究结果不仅揭示了放牧对草地生态系统多功能性的影响机制，也为草地恢复和可持续放牧系统的制定提供了科学依据。

此外，本研究强调了在草地恢复规划和管理中纳入放牧历史评估的重要性。通过了解放牧历史对土壤特性的影响，我们可以更好地预测草地生态系统的长期功能，并采取相应的措施来改善其功能和恢复能力。研究还指出，土壤微生物多样性是维持草地生态系统多功能性的关键因素，其减少可能对多种生态系统功能和服务产生负面影响。因此，保护和恢复土壤微生物多样性对于提升草地生态系统的稳定性至关重要。

总体而言，本研究为理解放牧对草地生态系统长期影响提供了新的视角，强调了土壤遗留效应在塑造生态系统功能中的作用。研究结果不仅有助于指导草地恢复实践，也为制定可持续的放牧管理策略提供了科学支持。通过进一步研究不同强度放牧对土壤和微生物特性的影响，我们可以更全面地认识草地生态系统的动态变化，并为全球范围内的草地管理提供更有效的解决方案。