生物有機肥對川西北退化草地群落結構和生產性能的影響

宋君祥，雷 雄*，葉明清，張驚樂，楊 穎，蔡東陽，扎德

(1. 四川省治理荒漠化基金會，四川 成都 611130； 2. 四川省太源生物有機肥有限責任公司，四川 廣元 628000；3. 若爾蓋縣科學技術和農業畜牧局，四川 若爾蓋 624500)

川西北高原位于四川省西北部，是全球最大的高原泥炭沼澤濕地，有著豐富的草地資源和自然資源，是我國生態環境安全的重要屏障[1-3]。近年來，隨著農牧業科學技術的不斷進步，農牧民種草養畜意識的逐步提高，草地的化肥使用量逐年遞增[4-7]。化肥的大量使用能在短時間內快速的促進牧草的生長，但長期施用會降低土壤有機質含量，引起土壤理化性狀惡化，土壤酸化、土壤板結程度加重，禾本科優勢草種類型減少、鼠蟲害發生概率增大，這會對土壤乃至整個川西北草原生態環境造成嚴重的破壞[3,6,8-11]。為此，許多學者呼吁施用高效生物有機肥來逐步替代化肥，通過活性微生物菌群改善植物根系土壤結構和理化性質，推進化肥減量增效，這對于防止草地板結退化，提高牧草產量與品質有著重要意義。

有機肥是由生物物質、動植物廢棄物、植物殘體經生物發酵而來。在有機肥制作過程中，通過活性微生物菌群消除了或分解了原料中的有毒有害物質，使其發酵后的產品富含多種有機酸、肽類以及包括氮、磷、鉀在內的豐富的營養元素[12-13]。有機肥發酵不僅能實現定向腐熟、除臭等目的，還可以為農作物提供全面營養，而且肥效長，增加和更新土壤有機質，促進微生物繁殖，改善土壤的理化性質和生物活性，提高并改善牧草產量與品質[14-15]。因此，增加土壤生物有機肥料投入，可以有效提高草地土壤肥力和有益微生物活力，進而改善土壤團粒結構和土壤質地，增強植物對土壤養分的利用率。

本試驗在前期研究的基礎上，以2種不同退化程度的天然草地為研究對象，采用完全隨機試驗設計，通過測定天然退化草地植物群落物種數、植株高度、蓋度和頻度以及地上生物量和牧草品質，分析、探討生物有機肥對天然退化草地植物群落及其生產性能的影響，以期為生物有機肥在川西北草原退化草地生態修復方面的應用提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地1(W)位于四川省阿壩州紅原縣瓦切鎮唐日合作社，距縣城42 km。該區域平均海拔3 500 m，屬于大陸性高原寒溫帶季風氣候，年平均溫度為1.1℃，≥10℃年積溫僅865℃，極端溫度范圍為—33.8～23.5℃，無絕對無霜期。全年平均降雨量738 mm，相對濕度71%，土壤PH 6.6，為高山草甸土。因長期放牧或機械化操作造成該草地輕度退化，具體表現為：植被低矮(平均高度<50 cm)，可食用牧草較少，毒雜草較多。

試驗地2(R)位于若爾蓋縣阿西鄉阿西村，地處若爾蓋縣北部，距縣城37 km，平均海拔3 515 m，年平均氣溫—3℃，無絕對無霜期。該地域屬高原寒溫帶濕潤季風氣候，常年無夏。因當地氣候等自然因素和超載過牧等人為因素，造成該地區草地退化嚴重，具體表現為：植物蓋度降低、群落數量減少、土壤沙化嚴重，屬于重度退化草地(表1)。

表1 天然退化草地基本情況

1.2 供試材料

供試材料為“春果”生物有機肥，由四川省太源生物有機肥有限責任公司提供，總養分14.5%、有效活菌數0.39 億·g-1、植酸15%、有機質55%。

1.3 實驗方法

2018年在四川省阿壩州紅原縣瓦切鎮唐日合作社(W)和若爾蓋縣阿西鄉阿西村(R)同時進行。在前期研究的基礎上，待牧草分蘗-拔節期以3 000 kg·hm-2的用量均勻撒施有機肥于試驗地，分別以W1和R1表示；施肥后，除施行封育外，不做任何處理。同時在兩個試驗地附近選擇分別以W1和R1相同利用方式和退化等級的草地作對照(進行圍欄封育但不施有機肥)，分別用W0和R0表示。

1.4 觀測項目及測定方法

草地群落調查：采用樣方法進行，采樣時間為2018年8月。在W和R試驗地中，分別隨機選擇2處30 m × 30 m天然草地群落為研究樣地，并分別命名為W1(施肥)和W0(不施肥)以及R1(施肥)和R0(不施肥)，并分別在4個樣地中隨機選擇3個0.5 m ×0.5 m調查樣方，測定植物種類、株高、密度、蓋度、頻度。

草地生產性能測定：在草地群落調查后，將樣方內所有植物齊地刈割，測定地上生物量(鮮草產量)，測定鮮草產量后，將植物剪成3 cm～4 cm，置于烘箱中，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重。稱重測定干鮮比，再計算干草產量，保留2位小數。

營養成分測定：在測定干鮮比后，將牧草用粉碎機研磨成草粉，混勻后采用四分法取樣測定各營養成分。粗蛋白(crude protein，CP)按照GB/T6432-1994測定；粗脂肪(crude fat,CF)按照GB6433-2006測定，總磷(total phosphorus,TP)按照GB/T 6437-2002測定,鈣含量(calcium content,CC)按照GB/T 13885-2017測定;酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)按照GB/T20806-2006測定;中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)采用NY/T1459-2007測定。

1.5 數據計算

1.5.1重要值(Pi) 物種重要值：Pi = (RH + RC + RF+RD)/4。

式中，RH為相對高度(relative height)，RC為相對蓋度(relative coverage)，RF為相對頻度(relative frequency)，RD為相對密度(relative density)，Pi為物種重要值(importance value)。

1.5.2物種多樣性的測定 物種豐富度：N表示選用1m2樣方內出現的物種數；

Berger-Parker指數:d=(nmax/N)-1，nmax表示個體數量最多物種的個體數量；

Margalef指數：dma=(S-1)/InN；

Simpson指數λ：

Shannon指數(以e為底)H'e:

1.6 數據處理與分析

利用Microsoft Office Excel 2010軟件對數據進行整理和均值計算，采用SPSS 18.0軟件對各樣地群落的高度、密度、蓋度、生物多樣性指數、地上生物量以及營養成分等指標進行方差分析(ANOVA)，采用LSD對天然退化草地生物量和營養成分進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥對天然退化草地群落物種組成的影響

在輕度退化草地中，各樣方中的植物種類均為14種，施生物有機肥雖然沒有出現新的植種類(圖1 A)，但顯著改變了現有物種的組成比例(P<0.05)。其中牛羊喜食性牧草諸如垂穗披堿草(Elymusnutans Griseb)、老芒麥(Elymus sibiricus)等分別占群落物種數量的16%和27%，與不施肥(對照)退化草地相比差異顯著(P<0.05)；而毛茛(Ranunculustanguticus(Maxim.) Ovcz.)、蒿(kobresiaPygmaea)等牛羊不喜食植物比例所有下降。而在重度退化草地中(圖1B)，施有機肥使植物種類增加到15種，分屬禾本科、菊科、豆科等，而對照中只有9種，差異顯著(P<0.05)；施生物有機肥也改變了現有物種的組成比例，垂穗披堿草、仲彬草(GrenusKengyilia)等組成比例分別上升至15%和20%，與對照差異顯著，而狼毒(StellerachamaejasmeLinn.)、馬先蒿(PedicularisLinn.)、香青(AnaphalissinicaHance)等牧草比例較對照組顯著減少(P<0.05)，說明施有機肥在一定程度上限制了部分物種的生長。而在重度退化草地中，施生物有機肥在一定程度影響了高寒草地植物物種組成。

圖1 天然退化草地物種組成

2.2 生物有機肥對天然退化草地群落物種重要值的影響

由圖2可知，在輕度退化草地中(圖2-A)，施肥處理樣地中的垂穗披堿草、珠芽蓼(PolygonumviviparumL)和老芒麥的重要值均大于0.1且與對照差異顯著(P<0.05)，說明這三種植物在養分充足的前提下具有較高的種間競爭力；剪股穎(AgrostismatsumuraeHack. ex Honda)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)的重要值較對照有所增加，但差異不顯著。而對照組的發草(DeschamPsiacaespitosa(Linn.) Beauv)和委陵菜(PotentillachinensisSer.)的重要值均大于0.1且顯著高于施肥處理，這說明在不施肥的條件下，發草和委陵菜更能適應惡劣的環境。物種豐富度的研究表明，施生物有機肥對輕度退化草地的物種豐富度無顯著影響。

在重度退化草地中(圖2B)：施肥處理使仲彬草(Grenus Kengyilia)(Pi=0.145)和賴草(Leymussecalinus(Georgi) Tzvel)(Pi=0.145)體現出較高的群落優勢，其次是垂穗披堿草(Pi=0.127)、早熟禾(Pi=0.130)，狼毒、問津等植物群落則處于相對劣勢地位。未施肥處理則以馬先蒿(Pi=0.196)和賴草(Pi=0.177)為主要優勢種群，其次是沙生苔草、仲冰草以及狼毒。這說明施生物有機肥對重度退化草地的物種豐富有顯著影響(P<0.05)。

圖2 天然退化草地物種重要值(Pi)

2.3 生物有機肥對天然退化草地植物群落特征的影響

在植物群落調查中，物種的株高、頻度、蓋度等指標是顯示群落特征的重要指標。如圖3所示，在輕度退化草地中：草地W1披堿草的株高、頻度和蓋度分別為113.33 cm，100%和71.33%顯著(P<0.05)高于其他物種。施生物有機肥能顯著提高群落的平均高度并且促進了可食性牧草的生長；而對照組W0不僅在物種株高、頻度和蓋度遠遠低于W1，而且還促進了諸如發草、溚草、乳白香青、水楊梅等營養價值低的牧草的生長。

在重度退化草地中，施肥不但促進可食性牧草如披堿草、早熟禾(Poa.annuaL.)、仲彬草等牧草種類顯著增多(P<0.05),而且還增加了其它物種的建植。其所有物種平均蓋度之和高達127%，平均頻度之和705%，分別比對照組(不施肥)增加118.97%和41%，差異顯著(P<0.05)，在群體株高方面略有提高但差異不顯著。

2.4 生物有機肥對天然退化草地生物多樣性指數的影響

為了避免單一指數帶來的偏差，本研究選擇4個多樣性指數來全面反映撒施生物有機肥對川西北不同程度天然退化草地群落的α多樣性的影響，結果表明施天然有機肥對不同程度退化草地植物群落多樣性的影響不同(表2)。Margalef豐富度指數(dMa)反映群落內植物種類的數量，在輕度退化草地中施肥(W1)與不施肥(W0)之間群落豐富度指數差異不顯著，在重度退化草地中施肥(R1)的群落豐富度指數顯著大于不施肥(R0)的(P<0.05)，表明施生物有機肥能大大增加重度退化草地群落內植物種類的數量。

表2 不同施肥處理對植物群落物種多樣性的影響

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

Simpson優勢度指數(λ)反映群落種類數量優勢度的分化程度，R1(重度退化草地且施有機肥)的Simpson指數最低(0.11)，且顯著低于其他處理(P<0.05)。說明施有機肥降低了重度退化草地群落的Simpson指數，這樣使得種群之間的等級差異相近，群落結構關系較其他處理復雜和穩定。

Shannon多樣性指數表明由生物群落等級特征引起的多樣性程度，能夠反應群落物種豐富度和均勻度的總體狀況。在輕度退化草地群落中，施肥(W1)的Shannon指數顯著低于不施肥(W0)的(P<0.05)；在重度退化草地群落則恰好相反，施肥(R1)顯著高于不施肥(R0)的(P<0.05)。Pieluo均勻度指數是指群落中物種分布均勻程度大小，在本研究中，處理W1的Pieluo指數最低，顯著低于其它處理(P<0.05)。

2.5 生物有機肥對天然退化草地地上生物量的影響

牧草產量是評價草地質量的重要指標之一。由圖4可知，在輕度退化草地施生物有機肥能夠極顯著的增加草地的鮮草產量和干草產量(P<0.01)。在瓦切試驗點(W1)，施生物有機肥能使草地鮮草產量和干草產量分別高達39 846.58 kg·hm-2和11 384.74 kg·hm-2，其干草產量是對照組(W0)的2.05倍(P<0.01)；在若爾蓋的阿西鄉沙化地(R1)，施生物有機肥組的干草產量較對照組(R0)增加了66.93%(P<0.01)。

圖3 草地植物群落特征

圖4 地上生物量的變化

2.6 牧草營養品質

由圖5可知，生物有機肥能夠有效提高牧草營養品質。在輕度退化草地，處理組的粗蛋白含量(14.57 g·100g-1)和總磷含量(2.1g·kg-1)比對照組提高了58.33%和71.27%，差異顯著(P<0.05)；而粗脂肪含量比對照組也有相應的提高，為5.82%，但差異不顯著。

在重度退化草地，生物有機肥有效的提高了牧草的粗蛋白含量(15.9 g·100g-1)和粗脂肪含量(27 g·100g-1)，與對照相比，分別提高了62.24%和22.73%；也有效地降低了中性洗滌纖維(48.7%)和酸性洗滌纖維(35.2%)的含量，分別比對照降低了23.64%和19.96%，提高了牧草品質。

圖5 牧草品質的變化

3 討論

3.1 群落特征與重要值對天然有機肥的響應

生物有機肥能夠有效的改善土壤肥力，也是有益微生物培養的基質，而有益微生物是草地生態系統中重要的組成部分[16-17]。施肥不但可以促進退化草地禾本科類植物的生長，提高該類植物重要值(Pi)，還能顯著降低弱勢種群植物重要值甚至使其在植物群落中消失[18-19]。本試驗研究結果表明：在輕度退化草地施生物有機肥雖然沒有改變草地生物群落的種類，但改變了各群落所占的比例，使得家畜愛喜食的物種(垂穗披堿草、仲彬草等)所占比例有所提高；在重度退化草地施生物有機肥不僅僅使其生物種類有原來的9種增加到了15中，也使其中家畜喜食性牧草(垂穗披堿草、仲彬草等)組成比例上升，這與前人研究一致[18-20]。

3.2 物種多樣性對生物有機肥的響應

物種多樣性是對一個群落內物種均勻分布程度與數量的評估指標，是草原群落重要的特征，表示各物種對資源的利用能力和對生境的適應能力[21-22]。對于施肥對植物群落組成的影響，大多數的研究認為施肥會導致群落植物多樣性下降[23-24]，但也有一些研究認為施肥增加了植物物種多樣性，或者施肥與植物物種多樣性無顯著的相關性[25-26]。本試驗結果表明：輕度退化草地施天然有機肥的Shannon指數和Pieluo均勻度指數是顯著低于不施肥，而Margalef豐富度指數和SimPson優勢度指數之間差異不顯著，這與第二、三種說法相一致。重度退化草地施有機肥的Margalef豐富度指數和Shannon指數顯著高于不施肥，這一結果與第一種說法一致。

3.3 生物量與營養品質對生物有機肥的響應

生物有機肥通過改善土壤中微生物種類以及提高其生命活動，增加植物營養元素的供應量，改善植物營養狀況，從而增加作物的產量[27]。本試驗結果表明：在撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有機肥處理下，兩種退化類型的草地植被群落的地上生物量、牧草品質、物種數量以及植物類型得到顯著提高(P<0.05)。Ditommaso等[28]研究認為養分的添加促進了植物的生長、提高了植物群落生產力，與本試驗的研究結果一致。

本試驗結果表明生物機肥對施肥當年植物群落多樣性和地上生物量及品質具有積極作用。然而，生物有機肥對退化草地的影響是一個系統的、長期的過程，對地下生物量和土壤微生物也會有深遠的影響。

4 結論

多功能生物有機肥可以有效提高植株高度、蓋度，增加草地植物群落中物種數量，尤其是可食性牧草數量的增多，提高草地植物群落結構的多樣性和穩定性，從而減緩、阻止甚至逆轉草地植物群落的退化。

多功能生物有機肥顯著提高了退化草地的牧草產量和牧草品質，顯著降低了NDF和ADF的含量(P<0.05)。其中，輕度退化草地牧草產量提高2.05倍(P<0.01)、粗蛋含量與總磷含量分別增加46.32 %和69.89%；重度退化草地(沙化地)牧草產量提高1.83倍(P<0.01)，其粗蛋白含量和粗脂肪含量分別比對照高了63.23%和22.73%。試驗表明：撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有機肥，可以有效改善天然退化草地植物群落和生產性能。