新疆三种草地类型下土壤微生物代谢限制和碳利用效率对长期禁牧的差异性响应

《Frontiers in Microbiology》：Differential responses of soil microbial metabolic limitation and carbon use efficiency to long-term grazing exclusion across three grassland types in Xinjiang

　　

摘要
引言：长期禁牧被广泛用于恢复退化草地，但其对土壤微生物代谢的影响——特别是养分限制和碳利用效率（carbon use efficiency, CUE）——是否因草地类型而异仍知之甚少。
方法：研究人员调查了中国新疆三种典型草地类型：温带荒漠（temperate desert, TD）、温带草原（temperate steppe, TS）和高寒草甸（mountain meadow, MM），在12年禁牧和自由放牧条件下。研究人员测定了土壤胞外酶活性，通过向量分析评估微生物养分限制，并计算了微生物CUE。
结果：禁牧对三种草地类型产生了不同影响。在TD中，三种酶活性均显著增加（P < 0.01）；在TS中，C和N获取酶活性降低（P < 0.05）；在MM中，仅C获取酶活性增加（P < 0.001），伴随着CUE显著降低（P < 0.01）。禁牧总体上加剧了微生物C限制（向量长度增加），同时缓解了N限制（向量角度向45°移动），尽管所有向量角度仍低于45°，表明持续存在N限制。偏最小二乘结构方程模型（partial least squares structural equation modeling, PLS-SEM）揭示了不同的调控路径：在TD中为一条间接的“土壤→溶解养分→微生物生物量”路径；在TS中为一条直接的“土壤→微生物生物量”路径；在MM中为一条较长的级联路径，该路径加剧了C限制但降低了CUE。
讨论：研究结果表明，禁牧对微生物代谢的影响强烈依赖于草地类型。禁牧在TD和TS中促进了有利的微生物功能响应，但在MM中加剧了C限制并降低了CUE。向量长度和角度可作为恢复过程中微生物养分限制的敏感指标。这些发现强调了在干旱和半干旱地区制定生态系统特异性恢复策略的必要性。

### 新疆三种草地类型土壤微生物代谢限制和碳利用效率对长期禁牧的差异性响应

草地是地球陆地表面最大的生态系统类型之一，约占陆地面积的25%，在碳固定和生物多样性维持等生态系统服务中发挥着重要作用。然而，过度放牧等人类活动已导致中国90%以上天然草地出现不同程度退化，植被盖度、生产力和土壤肥力下降。长期禁牧是广泛采用的退化草地恢复措施，但其对土壤微生物代谢——特别是养分限制和碳利用效率（carbon use efficiency, CUE）——的影响是否因草地类型而异，目前仍缺乏比较研究。为此，研究人员以新疆天山北坡东段三种典型草地类型——温带荒漠（temperate desert, TD）、温带草原（temperate steppe, TS）和高寒草甸（mountain meadow, MM）为对象，对比12年禁牧与自由放牧条件下土壤胞外酶活性、微生物养分限制（向量特征）和CUE的响应，并利用偏最小二乘结构方程模型（partial least squares structural equation modeling, PLS-SEM）解析其驱动路径。该研究发表在《Frontiers in Microbiology》上，旨在为不同退化草地类型的差异化恢复策略提供微生物学依据。

主要技术方法：研究样地位于新疆昌吉回族自治州阜康市（TD）、木垒县（TS）和奇台县（MM），每个草地类型分别设有禁牧和自由放牧处理，各处理设置5个重复样方（35 × 35 m），于2024年6月采集0–10 cm土层样品。测定了土壤pH、含水量、有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、溶解性有机碳/氮/磷（DOC/DON/DOP）和微生物生物量碳/氮/磷（MBC/MBN/MBP）；采用商品试剂盒测定β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）和碱性磷酸酶（AP）活性；基于生态酶化学计量计算向量长度和向量角度，并采用生物地球化学平衡模型估算CUE。统计方法包括双因素方差分析、Spearman相关、随机森林和PLS-SEM。

#### 3.1 禁牧对土壤溶解性有机养分和微生物生物量的影响

与自由放牧相比，禁牧显著提高了所有草地的DOC、DON、DOP、MBC、MBN和MBP含量，增幅为16.54%～191.25%（P < 0.05）。双因素方差分析显示，禁牧、草地类型及其交互作用对上述指标均影响显著（P < 0.05），表明禁牧效应因草地类型而异。

#### 3.2 禁牧对土壤C、N、P循环关键酶活性的影响

在TD中，禁牧使BG、LAP+NAG和AP活性均显著提高31.47%～123.85%（P < 0.01）；在TS中，BG和LAP+NAG活性分别显著降低5.01%和20.72%（P < 0.05）；在MM中，仅BG活性显著增加43.65%（P < 0.001），N和P获取酶无显著变化。生态酶系数（各酶活性占总活性的比例）也呈现相应变化，表明微生物资源分配策略发生调整。

#### 3.3 禁牧对土壤酶向量特征的影响

向量长度在禁牧后于TS和MM显著增加（分别+1.83%和+8.71%，P < 0.01），说明微生物C限制加剧；而所有处理向量角度均低于45°，且禁牧后TD、TS和MM分别显著增加55.74%、8.08%和11.37%（P < 0.01），说明N限制虽仍占主导但得到缓解。线性回归显示向量长度与向量角度正相关，反映碳限制增强伴随氮限制减弱。

#### 3.4 禁牧对土壤微生物碳利用效率的影响

CUE仅在MM中显著降低15.92%（P < 0.01），TD和TS无显著变化。回归分析显示，向量长度和向量角度与CUE总体呈负相关，其中在TD中向量长度与CUE相关性显著（P < 0.01），在MM中达P < 0.001，表明C限制加剧与CUE降低紧密相关。

#### 3.5 向量特征和CUE的相关性及关键预测因子

Spearman相关和随机森林分析识别出不同草地的关键预测因子：TD中，向量角度的关键预测因子为SWC、TP、DOC/DOP和MBP，CUE的关键预测因子为MBC/MBP；TS中，AGB、BGB、SWC、pH、SOC、DON和MBC是向量长度和角度的关键预测因子；MM中，多数植物、土壤和微生物变量与向量特征正相关、与CUE负相关，而DOC/DON和MBC/MBN则相反。

#### 3.6 禁牧下微生物C/N限制和CUE的PLS-SEM分析

PLS-SEM显示不同草地存在不同关联路径：TD中禁牧通过“土壤性质→溶解养分→微生物生物量”间接路径影响C限制和CUE，且与植物地下生物量负相关；TS中禁牧直接正向关联土壤性质，再经微生物生物量传递至C限制；MM中禁牧经“土壤性质→溶解养分→微生物生物量”的长级联路径，正向关联C限制（路径系数0.88，P < 0.001）并负向关联CUE（路径系数?0.83，P < 0.01）。

#### 讨论总结

本研究证实，禁牧对微生物代谢的影响强烈依赖草地类型。在TD中，尽管植物生物量下降，但土壤水分、养分和微生物生物量增加，酶活性全面升高，CUE稳定，表明禁牧改善了微生物功能；在TS中，植物和土壤资源同步改善，但C限制仍加剧，可能与微生物生物量增大导致C需求增加有关；在MM中，C限制显著加剧且CUE降低，可能是由于微生物生物量大幅增加而溶解性养分供给未完全匹配，微生物需将更多碳分配给维持和代谢而非生长。向量长度和向量角度能够敏感反映恢复过程中的微生物养分限制，可作为草地质量评价的生物学指标。作者同时指出，CUE估算基于生物地球化学平衡模型并采用统一参数，结果应视为相对指标而非绝对值；且每个草地类型仅代表单一地理区域，未来需跨环境梯度多站研究进一步验证。

#### 结论

本研究系统比较了新疆温带荒漠、温带草原和高寒草甸三种草地类型在12年禁牧与自由放牧下土壤胞外酶活性、微生物养分限制（向量特征）和CUE的差异。结果表明，禁牧对酶活性的影响具有草地类型特异性：TD中三种酶活性均升高，TS中C和N获取酶降低，MM中仅C获取酶升高。禁牧总体上加剧了微生物C限制（向量长度增加），同时缓解了N限制（向量角度接近45°），但所有向量角度仍低于45°，表明N限制持续存在。CUE仅在MM中显著降低，这与C限制加剧及N和P获取酶无响应密切相关。结构方程模型揭示了三种草地不同的调控路径：TD以间接的“土壤→溶解养分→微生物生物量”路径为主，TS以直接的“土壤→微生物生物量”路径为主，MM则以长级联路径为主，该路径正向影响C限制但负向影响CUE。研究结果表明，禁牧对草地微生物代谢的调控强烈依赖于草地类型：在TD和TS中禁牧与微生物代谢条件的改善相关，而MM中C限制加剧和CUE降低提示12年禁牧期可能存在代谢约束。然而，这些生态系统特异性响应基于单一采样时间点，不应被解释为确定的长期恢复轨迹。因此，禁牧管理应结合植被生产力、生物多样性、土壤健康和微生物代谢特征等多指标评估。长期监测（包括20年以上恢复期和时序研究）对于确定这些模式是否持续或变化是必要的。向量长度和向量角度可作为草地恢复过程中微生物养分限制的敏感生物指示因子。该研究为禁牧下土壤碳库增加但微生物C限制加剧这一悖论提供了潜在机制见解，并为制定针对不同草地类型的差异化恢复策略提供了基础。