高寒區施肥和混播對燕麥人工草地生物碳儲量影響的研究

劉文輝， 劉 勇， 馬 祥， 魏小星

(青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室，青海大學畜牧獸醫科學院， 青海 西寧810016)

植被生物量是地表碳循環的重要組成部分，是土壤碳庫的主要輸入源[1]，準確評估植物生物碳庫及其動態變化，將有助于預測全球氣候變化與草地生態系統之間的反饋關系，同時對合理利用草地和生態環境治理具有重要意義[2-3]。目前植被碳儲量的估算方法主要有實地調查資料—環境因子(溫度、降水等)回歸模型法[4]、遙感資料回歸模型法[5]和實測統計資料計算方法[6]。環境因子回歸模型法是利用環境因子與陸地植被生產力間的關系建立模型，推算陸地植被生物量和碳儲量變化[7]，目前已經建立了過程模型[8]、生態系統機理性模型[9]和改進的光能利用率模型[10]等多種模型。遙感資料回歸模型法利用高時空遙感影像估算植被生物量和凈初級生產力，分析土地利用對碳儲量的影響[5,11-12]。實測統計資料計算方法是將植被生物量通過一定的轉換系數換算成C儲量。大尺度上植被碳儲量利用相關植被統計數據及估算參數計算[11,13]；小尺度的植被碳儲量估算采用含碳率進行直接換算。目前國內已對水稻(Oryzasativa)[13]、小麥(Triticumaestivum)[13]、玉米(Zeamays)[13]、蠶豆(Viciafaba)[13]、馬鈴薯(Solanumtuberosum)[13]、油菜(Brassicachinensis)[13]、木薯(Manihotesculenta)[14]、蔬菜[14]、花卉[14]和其他作物[13]進行了研究，提出了不同作物的平均含碳率。我國栽培草地選用的牧草品種較多，其中種植面積較大的有苜蓿(Medicagosativa)、老芒麥(Elymussibiricus)、黑麥草(Loliumperenne)和燕麥(A.sativa)等。目前我國在C儲量方面研究較多的栽培草地主要是苜蓿草地[15]，而在其它牧草方面的研究較少。

燕麥作為青藏高原人工草地建植的主要優良牧草之一，在解決青藏高原高寒地區草畜季節性供求矛盾、保護生態環境和促進草地畜牧業可持續發展等方面發揮著重要的作用。在燕麥人工草地研究方面，國內外科研人員從燕麥單播[16]、燕麥與箭筈豌豆混播的品種選擇[17]、混播組合[18]、施肥水平[19-20]、光能轉化效率[21]、生產性能[22-23]以及營養組成[19]等方面進行的深入而細致的理論研究和生產實踐，有效推動了青藏高原燕麥產業的發展。隨著國家“糧改飼”和“草牧業”試點工作的開展，燕麥在青藏高原生態環境治理和草牧業發展中發揮著更重要的作用，以往有關燕麥方面的研究主要集中在提高產量和品質方面，而對生物固碳方面的關注較少，青藏高原地區燕麥的種植在碳固定方面的研究缺乏系統的研究，尤其是不同耕作措施下對碳固定方面的研究較少。燕麥人工草地的建植不僅要考慮經濟效益，更重要的還需考慮生態效益。燕麥單播、燕麥與箭筈豌豆混播和施肥調控是青藏高原燕麥人工草地建植過程中常用的耕作方式。因此，本研究選用的4個燕麥品種為研究對象，采用不同的施肥措施和箭筈豌豆混播比例，建立燕麥與箭筈豌豆混播人工草地，系統評價不同措施對燕麥人工草地各器官碳儲量的影響及其動態變化，以期為燕麥人工草地生態評價提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料燕麥品種為青燕1號(A.sativaL. ‘Qingyan No. 1’)、青海444(A.sativaL. ‘Qinghai 444’)、青海甜燕麥(AsativaL. ‘Qinghai’)和林納(AsativaL. ‘Lena’)；箭筈豌豆品種為西牧324(ViciasativaL. ‘Ximu 324’)；均為上年收獲種子。選用肥料為尿素(含N 46%)，磷酸二銨(含N 16%，P2O546%)，有機肥(有機質>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌數0.2億·g-1)。

1.2 試驗地概況

試驗地位于青海省海北州西海鎮，屬環青海湖區域，是青藏高原重要的燕麥飼草生產基地。地理坐標為36°59.36′ N，100°52.848′ E，海拔3 156 m，氣候寒冷潮濕，無絕對無霜期，年均氣溫0.5℃，年降水量369.1 mm，且集中在7、8、9月，年蒸發量為1 400 mm，全年日照時數為2 980 h，無霜期為93 d左右。土壤為栗鈣土，pH值8.43，全氮(N)1.56 g·kg-1，全磷(P2O5)1.39 g·kg-1，全鉀(K2O)22.06 g·kg-1，堿解氮88.77 mg·kg-1，速效磷2.2 mg·kg-1，速效鉀168.2 mg·kg-1，有機質32.48 g·kg-1。

1.3 試驗設計

本試驗為燕麥品種、施肥和箭筈豌豆混播三因素四水平正交試驗設計[L16(45)]，共16個處理，3次重復，隨機區組排列。燕麥品種為A1(青燕1號，Qingyan No.1)、A2(林納，Lena)、A3(青海444，Qinghai 444)和A4(青海甜燕麥，Qinghai)；施肥水平為B1(CK0，不施任何肥料)、B2(Inorganic manure,IM，尿素75 kg·hm-2+磷酸二銨150 kg·hm-2)、B3(Organic manure,OM，有機肥1 500 kg·hm-2)和B4(Inorganic manure and organic manure,IM+OM，尿素37.5 kg·hm-2+磷酸二銨75 kg·hm-2+有機肥750 kg·hm-2)；箭筈豌豆混播水平為C1(0 kg·hm-2)、C2(45 kg·hm-2)、C3(60 kg·hm-2)和C4(75 kg·hm-2)。試驗中所選用的燕麥品種分別為早熟、中熟、中晚熟和晚熟品種，施肥梯度和混播水平根據青藏高原燕麥人工草地建植中常用的農藝措施進行布局。小區面積為4 m×5 m，小區間隔0.5 m，燕麥播種量按600萬株·hm-2保苗數計算，根據千粒重、發芽率、純凈度計算得各品種的實際播量為：青燕1號、林納、青海444和青海甜燕麥播量分別為154.3 kg·hm-2，150.0 kg·hm-2，183.0 kg·hm-2和216.0 kg·hm-2。人工撒播后用小型旋耕機旋耕，播深控制在3～4 cm。2014年5月14日播種，肥料作為底肥在播種前一次性施入。出苗后，人工除雜1次，田間管理和取樣工作在同一天完成。

1.4 測定指標與方法

植物樣品采集：分別于燕麥拔節期(6月15日，jointing stage，JS)、抽穗期(7月15日，heading stage，HS)、開花期(8月15日，flowering stage，FS)和乳熟期(9月15日，milk stage，MS)在各試驗小區選取1 m×1 m的樣方，3次重復，連同地下部分挖出，按燕麥和箭筈豌豆根、莖、葉、穗(燕麥)分開，帶回實驗室。植物地下根系沖洗干凈后，將植株各器官樣品置于65℃烘箱，烘干至恒重。分別測定得到燕麥和箭筈豌豆各器官生物量，同時采用ELAB-TOC總有機碳分析儀測定各器官碳含量，植物各器官和組分生物碳儲量根據以下公式計算：植物器官生物碳儲量=器官碳含量×器官生物量。

1.5 數據分析

所得數據采用Excel 2003進行初步整理，用SPSS for Windows 11.5進行方差分析和相關分析，用Sigmaplot 12.5進行繪圖。采用Duncan法在0.05水平上進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 地上生物碳儲量

2.1.1地上總生物碳儲量 不同時期3個因素對地上總生物碳儲量影響的差異性分析結果如表1所示，3個因素對其的影響效應在拔節期表現為施肥>品種>混播，其余時期表現為品種>施肥>混播。隨著生育期的推進，各處理地上總生物碳儲量均呈顯著增加的變化(P<0.05)，乳熟期達到最大(圖1)。地上總生物碳儲量在抽穗期—開花期、開花期—乳熟期增加迅速，平均日積累量達到22.74 kg·hm-2·d-1和22.21 kg·hm-2·d-1。各處理下乳熟期分別以品種A4、施肥B4和混播C4下最大，分別達2 204.7 kg·hm-2，2 136.4 kg·hm-2和2 008.0 kg·hm-2，較最低的A2、B1和C1高46.90%，37.35%和33.67%。

表1 不同措施對地上總生物碳儲量影響的方差分析(F值)Table 1 The variance analysis of aboveground biomass carbon stocks under the different treatments (F value)

注：**、*和ns分別表示因素對地上總生物碳儲量的影響達到極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)和無顯著差異，下同

Note：** and * indicate significant influence of aboveground biomass carbon stocks under the different treatments at the 0.01 and 0.05 level,respectively;ns indicates no significant influence. The same below

圖1 不同措施下地上總生物碳儲量季節變化Fig.1 The seasonal change of the aboveground carbon stocks under the different treatments注：A1：青燕1號；A2：林納；A3：青海444；A4：青海甜燕麥；B1：CK；B2：尿素+磷酸二銨；B3：有機肥；B4：尿素+磷酸二銨+有機肥；C1：0 kg·hm-2；C2：45 kg·hm-2；C3：60 kg·hm-2；C4：75 kg·hm-2；不同小寫字母表示因素間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示不同時期間差異顯著(P<0.05),下同Note：A1：Qingyan No.1；A2：Lena；A3：Qinghai 444；A4：Qinghai；B1：CK；B2：IM；B3：OM；B4：IM+OM；Different lowercase letters and different capital letters show significant difference at the 0.05 level under different factors and growth periods,respectively. The same as below

2.1.2燕麥地上生物碳儲量 對3個因素對燕麥地上生物總生物和各器官生物碳儲量影響的差異性分析結果見表2。3個因素對其的影響效應在拔節期以施肥最大，抽穗—乳熟期以品種最大；各時期3個因素對莖和穗生物碳儲量的影響大小為品種>施肥>混播，對葉生物碳儲量表現為施肥>品種>混播。燕麥地上總生物、莖、葉和穗生物碳儲量在3個因素影響下均隨著生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，乳熟期達到最大(圖2)。從日積累量來看，燕麥地上總生物和莖生物碳儲量在抽穗期—開花期積累速率最快，平均分別達到21.04 kg·hm-2·d-1和11.14 kg·hm-2·d-1；燕麥葉生物碳儲量在拔節期—抽穗期積累最快(2.92 kg·hm-2·d-1)，燕麥穗生物碳儲量從開花期—乳熟期呈持續顯著增加(P<0.05)，平均日積累量為5.58 kg·hm-2·d-1。

表2 不同措施對燕麥地上各器官生物碳儲量影響的方差分析(F值)Table 2 The variance analysis of the oat aboveground organ carbon stocks under the different treatments (F value)

乳熟期燕麥地上總生物碳儲量以品種A4(1 826.0 kg·hm-2)、施肥B4(1 602.8 kg·hm-2)和混播C4(1 550.4 kg·hm-2)下最高，分別較最低處理高58.98%，53.85%和4.18%。燕麥莖、葉和穗生物碳儲量不同品種間乳熟期以A4最高(904.9 kg·hm-2，355.5 kg·hm-2，566.4 kg·hm-2)，較最低處理高48.76%，48.00%，88.49%；在施肥處理下乳熟期以B4處理最高(914.9 kg·hm-2，364.5 kg·hm-2，542.2 kg·hm-2)，較最低處理高48.45%，33.03%，58.63%。各混播處理下燕麥莖、葉、穗生物碳儲量間均無顯著差異。

圖2 不同措施下燕麥各器官生物碳儲量季節變化Fig.2 The seasonal change of the biomass carbon stocks of different oat organs under different treatments

2.1.3箭筈豌豆地上生物碳儲量 各時期3個因素對箭筈豌豆地上各器官生物碳儲量影響的差異分析見表3。3個因素對地上總生物、莖和葉生物碳儲量影響的效應表現為：拔節期和乳熟期為混播>品種>施肥，抽穗期和開花期為混播>施肥>品種。箭筈豌豆地上各器官生物碳儲量均隨著生育期的推進的均呈顯著增加趨勢(P<0.05)，乳熟期達到最大(圖3)。其中箭筈豌豆地上總生物、莖和葉生物碳儲量均在開花期—乳熟期日積累量最大，分別為7.82 kg·hm-2·d-1、3.45 kg·hm-2·d-1和4.37 kg·hm-2·d-1。

圖3顯示，乳熟期箭筈豌豆地上總生物、莖和葉生物碳儲量不同品種間均以A4最高(503.8 kg·hm-2，226.4 kg·hm-2和277.4 kg·hm-2)，較碳儲量最低的A1高58.18%，85.57%和41.17%；不同施肥處理間以B1最高(495.0 kg·hm-2，228.9 kg·hm-2和266.2 kg·hm-2)，較碳儲量最低的B4高17.94%，23.73%和13.42%；不同混播間以C4處理下最高(519.8 kg·hm-2，222.3 kg·hm-2和297.6 kg·hm-2)，較碳儲量最低的C2處理高39.66%，23.16%和55.32%。

表3 不同措施對箭筈豌豆地上各器官生物碳儲量影響的方差分析(F值)Table 3 The variance analysis of the vetch aboveground organs biomass carbon stocks under different treatments (F value)

圖3 不同措施下箭筈豌豆地上器官生物碳儲量季節變化Fig.3 The seasonal change of the vetch aboveground organs biomass carbon stocks under different treatments

2.2 地下生物碳儲量

2.2.1地下總生物碳儲量 由3個因素對地下總生物碳儲量效應的差異性分析結果可知(表4)，各時期其影響效應大小表現為：拔節期和乳熟期為品種>混播>施肥；抽穗期為品種>施肥>混播；開花期為混播>施肥>品種。地下根系總生物碳儲量均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，乳熟期達到最大(圖4)。整個生育期碳儲量日積累量平均為1.43 kg·hm-2·d-1。各因素影響下，乳熟期地下總生物碳儲量分別以品種A4(265.4 kg·hm-2)、施肥B4(247.4 kg·hm-2)和混播C3(250.3 kg·hm-2)處理下最高，分別較碳儲量最低的A2、B1和C1高22.64%，15.28%和21.80%。

表4 不同措施對地下生物碳儲量影響的方差分析(F值)Table 4 The variance analysis of the vetch belowground organs biomass carbon stocks under the different treatments(F value)

圖4 不同措施下地下生物碳儲量季節變化Fig.4 The seasonal change of the belowground biomass carbon stocks under the different treatments

2.2.2燕麥根生物碳儲量 表4顯示，拔節、抽穗和乳熟期3個因素對燕麥根生物碳儲量的影響效應大小為品種>施肥>混播，而開花期表現為施肥>品種>混播。燕麥根系生物碳儲量均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，乳熟期達到最大(圖4)。整個生育期碳儲量日積累平均為1.20 kg·hm-2·d-1。各因素影響下，乳熟期燕麥根系生物碳儲量分別以A4(227.0 kg·hm-2)、B4(218.1 kg·hm-2)和C3(207.2 kg·hm-2)處理下最高，分別較碳儲量最低的A1、B1和C4高23.91%，21.57%和5.18%。

2.2.3箭筈豌豆根生物碳儲量 表4顯示，拔節期3個因素對箭筈豌豆根系生物碳儲量的影響效應大小為混播>施肥>品種；抽穗期和開花期為施肥>品種>混播；乳熟期為品種>混播>施肥。箭筈豌豆根系生物碳儲量均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，乳熟期達最大(圖4)。整個生育期碳儲量日積累平均0.23 kg·hm-2·d-1。各因素影響下，乳熟期箭筈豌豆根生物碳儲量分別以A4(51.2 kg·hm-2)、B1(47.0 kg·hm-2)和C4(43.3 kg·hm-2)處理下最高，分別較碳儲量最低的A1、B4和C2高48.84%，20.20%和13.05%。

3 討論

3.1 影響植物各器官生物碳儲量主要因素的確定

影響植物生物碳儲量的因素很多，本研究發現，品種主要影響燕麥莖、穗和根生物碳儲量，影響群落地上和地下總生物碳儲量；施肥主要影響燕麥葉和箭筈豌豆根生物碳儲量；混播主要影響箭筈豌豆莖、葉和地上總生物碳儲量。對燕麥混播人工草地群落而言，品種是影響燕麥人工草地生殖生長期地上總生物碳儲量的關鍵因子，施肥是影響燕麥人工草地營養生長時期地上總生物碳儲量的關鍵因子。

品種是影響飼草產量和品質的重要因素，優質高產的飼草一般兼具產量高、葉量豐富和莖葉比低的特點。高產是牧草生產的主要目標，但其在品種間存在較大差異[24-25]。李有涵等[26]研究象草構建生物大小及結構因品種而異；徐春明等[27]發現不同秋眠級數苜蓿品種生物量積累潛力不同；張健[28]研究提出3種禾本科和3個紫花苜蓿品種間碳儲量均存在顯著差異；林瑞余等[29]也研究提出不同水稻品種間碳素含量存在顯著差異。本研究也得出了一致的結論。不同燕麥品種與箭筈豌豆混播，其各器官生物碳儲量也存在差異，其中利用青海甜燕麥建植的混播人工草地，群落地上、地下總生物碳儲量均最高。青海甜燕麥在青藏高原高寒地區燕麥單播和混播人工草地建設中具備良好的固碳效果。

施肥是提高作物產量的關鍵措施之一[30]。但化學肥料的施用引起土壤微生物活性降低、養分失調、酸化加劇等一系列環境污染問題。研究表明，有機無機肥混施不僅能顯著提高飼草產量，而且在促進無機肥的吸收和改善土壤品質方面具有重要的作用[31]。潘大偉等[32]和胡瑋等[31]對小麥施肥的研究發現，有機肥與化肥配施均顯著提高了小麥產量和土壤肥力，且較單施化肥效果更好。本研究發現，尿素、磷酸二銨和有機肥配施時，燕麥地上、地下總生物碳儲量和群落地上、地下總生物碳儲量均最高。有機肥和無機肥配施顯著提高了混播人工草地的群落總生物碳儲量和燕麥地上生物碳儲量，混播群落中燕麥的競爭優勢明顯增強，抑制了箭筈豌豆的生長。

混播草地豆科、禾本科牧草種子所占比例直接影響種群的生長、產量和品質[33]。種植密度對混播群落內光合有效輻射、CO2、風速、溫度、濕度等小氣候因子的分布有顯著影響，這種影響反饋到群體結構組成，最終反映在群體的有效貯積能量和產量上[34]。本研究發現，以混播75 kg·hm-2和60 kg·hm-2水平下群落地上、地下生物碳儲量最高。與單播相比，混播抑制了另一種作物的生長，但有效提高了群體的總生物量積累。較高的箭筈豌豆混播(75 kg·hm-2)有效提高了群落和箭筈豌豆各器官碳儲量，但抑制了燕麥的生長，適度的混播(60 kg·hm-2)有利于燕麥各器官的碳儲量。

3.2 植被生物碳儲量季節動態和潛力評估

不同燕麥品種在施肥和混播影響下，燕麥人工草地地上、地下以及各器官生物碳儲量均隨季節表現出明顯的波動。燕麥和箭筈豌豆各器官碳儲量以及群落地上、地下總生物碳儲量均隨生育期的推進顯著增加，在乳熟期達到最大。燕麥和箭筈豌豆地上總生物碳儲量分別在抽穗期—開花期和開花期—乳熟期增長迅速。燕麥莖生物碳儲量隨著生育期推進，在整個生育期表現為急劇增加，而葉、穗和根生物碳儲量的增加較平緩；箭筈豌豆莖和葉生物碳儲量在混播草地生長前期(燕麥開花期前)增長比較平緩，而開花—乳熟期增長迅速。這與陳功等[21]、周川姣等[35]、紀亞君等[36]的研究結果一致。

楊元合通過生物量收獲法得到青藏高原高寒草地和高寒草甸生物碳儲量分別為240 kg·hm-2和500 kg·hm-2[37]，本研究發現，在最佳農藝措施下建植燕麥與箭筈豌豆混播人工草地，其生物碳儲量達到2383.8 kg·hm-2，是高寒草原的9.9倍，是高寒草甸的4.8倍。表明建植燕麥人工草地不僅可增加干物質積累，而且在固碳方面也明顯優于高寒草地和高寒草甸。

4 結論

品種、施肥和混播均顯著影響了燕麥人工草地各器官生物碳儲量。品種主要影響燕麥莖、穗和根以及地上、地下總生物碳儲量；施肥主要影響燕麥葉和箭筈豌豆根生物碳儲量；混播主要影響箭筈豌豆莖、葉和地上總生物碳儲量。選用青海甜燕麥，配施尿素、磷酸二銨和有機肥，并混播75 kg·hm-2和60 kg·hm-2箭筈豌豆時，混播燕麥人工草地地上、地下總生物碳儲量均表現較高，地上分別達2 204.7 kg·hm-2，2 136.4 kg·hm-2和2 008.0 kg·hm-2，地下分別達265.4 kg·hm-2，247.4 kg·hm-2和250.3 kg·hm-2。混播燕麥人工草地各器官和群落地上、地下總生物碳儲量均隨生育期的推進顯著增加，乳熟期達到最大。