不同牧草混播對退化高寒草甸土壤養分及生物量的影響

張 騫， 張中華， 馬 麗， 楊曉淵， 郭 婧， 徐文華， 周秉榮，邵新慶， 王 芳， 賈永忠， 賀有龍， 金 欣， 周華坤*

(1. 中國科學院西北高原生物研究所青海省寒區恢復生態學重點實驗室， 青海 西寧 810001； 2. 青海省氣象科學研究所，青海 西寧 810001； 3. 中國農業大學動物科技學院， 北京 100193； 4. 循化縣積石鎮政府農村經濟綜合服務中心，青海 海東 810600； 5. 青海省果洛州草原站， 青海 大武 814000； 6. 青海省氣象災害防御技術中心， 青海 西寧 810001)

三江源區位于青藏高原腹地，是長江、黃河、瀾滄江的源頭，其面積的70%以上為高寒草甸，具有重要的生態固持功能，是不可替代的生態屏障[1-3]。但是，由于自身生態環境較為敏感、脆弱，加之近年來氣候變化、過度放牧等的影響，該區高寒草甸發生了極為嚴重的退化現象[4]。高寒草甸生態系統是在寒冷而濕潤的氣候條件下，由耐寒的多年生中生草本植物為建群種而形成的一種生態系統類型，廣泛分布于青藏高原，是高原畜牧業生產的物質基礎[5]。高寒草甸寶貴的牧草資源不僅對當地畜牧業的發展、民族經濟發展具有不可代替的作用，也對高寒地區風沙、水蝕、鹽堿、內澇、地下水位變化、土壤侵蝕、土地資源的流失等自然災害的發生具有一定的屏障作用[6]。同時，牧草作為畜牧業發展的基礎，對于草甸最大載畜率及生態承載力具有決定性的作用[7]。而高寒草甸退化導致牧草覆蓋度及品質的下降，使得三江源區的畜牧業和民族經濟發展受到巨大阻礙[8]。土壤在高寒草甸涵養水源、養分供給等功能中發揮著重要作用，高寒草甸的退化導致土壤生態功能下降，影響草甸生態系統的可持續發展[9-11]。因此，退化高寒草甸生態系統的恢復對于改善當前現狀具有重大意義。

目前，對于三江源區高寒草甸的退化，學者們提出了一系列的恢復措施，如人工草地建植[12]、施肥[13]、圍欄封育等，其中人工草地建植是恢復措施中效果最直觀明顯的[14]。但在人工草地建植過程中也存在許多的問題，如草種的選擇、搭配。同時，建植后人工草地的土壤以及生物量狀況缺乏研究。因此，為重度退化高寒草甸恢復提供適宜的牧草組合，以及明晰重建后草甸的土壤及生物量狀況是十分必要的。垂穗披堿草(Elymusnutans)、早熟禾(Poapratensis)為青藏高原的本土禾本科植物，而且具有耐寒、利用價值高等優點，常被廣泛作為建植種用于退化高寒草甸的恢復中[15-16]。苜蓿作為一種豆科植物，對于禾本科植物種子萌發生長具有促進作用[17]。有研究表明合理的豆禾比例與種類搭配能顯著改善土壤養分的供給[18]。故本研究采用人工草地建植的方式，選取垂穗披堿草、草地早熟禾、呼倫貝爾苜蓿(Medicagofalcata)作為研究草種，通過分析不同牧草混播對退化高寒草甸土壤養分及生物量的影響，篩選對于土壤改良以及提高生物量有優勢的牧草組合，以期為重度退化高寒草甸人工草地建植提供技術支撐。同時，也為退化高寒草甸治理模式的構建及高寒區生態恢復[19]提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 樣地基本概況

原位試驗在三江源高寒草地研究觀測站軍牧場試驗點(青海省果洛州瑪沁縣軍牧場，經緯度34°22′～34°20′ N，100°30′～100°29′ E，海拔4 100 m)進行。該區為典型高寒草甸，土壤類型為高山草甸土。2010-2018年平均年降水量為514.9 mm，生長期(5-8月)降水量上升12.0%。年平均氣溫為0.7℃，1月為2.1℃，7月為19.8℃，年日照小時為2 493.6 h。屬高原大陸性氣候，雨熱同季。

1.2 試驗設計

本試驗于2016年1月-2018年12月在一片相對平坦的重度退化的高寒草甸進行。試驗草甸通過圍欄進行保護，以排除放牧干擾，同時，協調當地牧民進行鼠害防治，盡可能的避免鼠兔等嚙齒動物的干擾。采用隨機區組試驗設計，選擇由青海省牧草良種繁殖場提供的高禾草垂穗披堿草、矮禾草草地早熟禾、豆科牧草呼倫貝爾苜蓿進行配置，共8個組合(表1)，3次重復，每個處理小區為3 m×3 m，各小區以及重復之間距離均為1 m。2016年5月中旬進行播種，牧草播種前對試驗樣地進行翻耕處理，翻耕方式為農具翻耕，深度為20～22 cm。選取優質草種均勻混合進行撒播，當年苗期進行2次除雜，之后每年返青后進行一次除雜，除雜方式為人工除雜，剔除試驗草種以外的雜草。對照組不作任何處理。播種量以青海建植人工草地的地方標準執行(垂穗披堿草播種量為3 g·m-2。草地早熟禾播種量為0.75 g·m-2。呼倫貝爾苜蓿播種量為1.5 g·m-2)。

表1 牧草混播處理及播種量Table 1 Pasture mixed treatments and seeded rates

注：對照組的處理方式為維持原始的植被及土壤狀態，未做任何處理

Note:The control group was treated to maintain the original vegetation and soil status without any treatment

1.3 樣品采集

2018年9月中旬進行樣品采集。試驗樣地處理組牧草長勢良好，呼倫貝爾苜蓿存在少數死亡情況，但整體存活率較高。在每個處理小區選取能夠代表小區牧草整體長勢水平的0.5 m×0.5 m樣方，刈割樣方內地上部分牧草，裝入大信封中，帶回實驗室測定地上生物量。在每個處理小區對角線上均勻選取2個點作為土壤取樣點，使用內徑5 cm的土鉆分別取0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm的土壤樣品，并將每個處理的2個取樣點同層樣品混合，裝入土樣袋中，帶回實驗室測定土壤養分指標及地下生物量。

1.4 土壤養分指標及生物量測定

土壤養分指標：土壤全氮、全磷、銨態氮、硝態氮、速效磷采用全自動間斷化學分析儀(CleverChem 380)，土壤速效氮采用堿解擴散法，土壤有機碳采用油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法。土壤養分指標分別測定0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm。本文使用三層土壤養分指標數據的加權平均值。

生物量：將采集的地上部分牧草，105℃殺青30 min，在65℃烘干48 h至恒重后稱干重，作為地上生物量。將采集的土壤樣品過篩后殘留根系，105℃殺青30 min，在65℃烘干48 h至恒重后稱干重，作為地下生物量。

1.5 數據處理

采用2013 Excel對數據進行前期處理、隸屬函數值的計算，SPSS 20對數據進行因子分析、相關性分析、顯著性分析，Origin 2017進行作圖。隸屬函數值的計算方法：

式中：Zij表示土壤養分狀況隸屬函數平均值，Xij表示i處理j指標的測定值，Xjmin表示所有處理中j指標的最小值，Xjmax表示所有處理中j指標的最大值。

2 結果和分析

2.1 不同牧草混播條件下退化高寒草甸土壤養分指標的相關性及主因子分析

由表2可知，通過不同牧草混播，退化高寒草甸土壤有機碳含量與全氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與速效氮和硝態氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。土壤全氮含量與速效氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與硝態氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。土壤硝態氮含量與速效磷含量呈極顯著正相關(P<0.01)。反映了氮含量顯著影響著氮轉換，土壤有機碳及速效磷含量與氮循環密切相關。

從表3主因子分析可以看出，3個主因子代表了7個土壤養分指標的94.150%的主要信息。故可選用這3個主因子來作為試驗處理結果的分析基礎。從表4主因子分析結果可以看出，主因子1的AP，NO 2個指標代表了總指標60.927%的信息。主因子 2的NH 1個指標代表了總指標18.199%的信息。主因子3的TP 1個指標代表了總指標15.024%的信息。因此，將AP，NO，NH，TP這4個土壤指標作為試驗處理對土壤養分影響的主要分析指標。

表2 土壤養分指標相關性分析Table 2 Correlation analysis of soil nutrient indicators

注：**在 0.01 水平(雙側)上顯著相關，*在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。表中字母SOC代表“有機碳”，TN代表“全氮”，TP代表“全磷”，AN代表“速效氮”，AP代表“速效磷”，NO代表“硝態氮”，NH代表“銨態氮”，下同

Note:**Significantly correlated at the 0.01 level (both sides),*significant correlation at the 0.05 level (both sides). The letters SOC in the table represent “Soil organic carbon”,TN stands for “Total nitrogen”,TP stands for “Total phosphorus”,AN stands for “Available nitrogen”,AP stands for “Available phosphorus”,NO stands for “Nitrate nitrogen”,and NH stands for “Ammonium nitrogen”,the same as below

表3 土壤養分指標主因子分析Table 3 Main factor analysis of soil nutrient indicators

注：類別中的編號代表主因子分析所提取的公因子，下同

Note:The number in the category represents the common factor extracted by the principal factor analysis,the same as below

表4 主因子分析結果Table 4 Main factor analysis results

2.2 不同牧草混播對退化高寒草甸土壤養分的影響

不同牧草混播對退化高寒草甸土壤養分的影響顯著。由圖1A可知，EM，EP，PM處理組的土壤速效磷含量均高于CK(P<0.05)，其中EM處理的土壤速效磷含量最高，且均高于其他各處理(P<0.05)。EPM，E，P，M處理組的土壤速效磷含量均高于CK(P<0.05)，但處理間差異不顯著。由圖1B可知，各處理的土壤銨態氮含量波動較大，但均高于CK。其中M處理的土壤銨態氮含量最高，與CK相比提高了約1.2倍(P<0.05)。EPM，EM，P處理組間的土壤銨態氮含量無顯著差異(P<0.05)，但EPM處理的土壤銨態氮含量高于EM，P處理組。

由圖1C可知，EP，EM，PM處理組的土壤硝態氮含量均高于CK，其中EP，EM處理組顯著高于其他各處理(P<0.05)。EPM，E，P，M處理組的土壤硝態氮含量均低于CK(P<0.05)，其中P處理的土壤硝態氮含量最低，與各處理差異顯著(P<0.05)。由圖1D可知，E處理的土壤全磷含量最高，且顯著高于CK(P<0.05)，其余各處理與CK相比均未產生顯著差異。

綜合圖1來看，E處理的土壤全磷含量高于CK，但土壤速效磷含量低于CK(P<0.05)。M處理的土壤銨態氮含量高于CK，但土壤硝態氮含量低于CK(P<0.05)。

圖1 各處理下土壤速效磷含量(A)、銨態氮含量(B)、硝態氮含量(C)、全磷含量(D)Fig.1 Soil available phosphorus content (A) and ammonium nitrogen content (B) and nitrate nitrogen content (C) and totalphosphorus content (D) under each treatment注：圖中值為平均值+標準誤，不同字母表示同一測定指標在P<0.05水平上差異顯著。圖中字母EPM代表“垂穗披堿草+草地早熟禾+呼倫貝爾苜蓿”，EP代表“垂穗披堿草+草地早熟禾”，EM代表“垂穗披堿草+呼倫貝爾苜蓿”，PM代表“草地早熟禾+呼倫貝爾苜蓿”，CK代表“對照組”，E代表“垂穗披堿草”，P代表“草地早熟禾”，M代表“呼倫貝爾苜蓿”，下同Note:The values in the figure are the mean + standard error,and the different letters indicate that the same measurement index is significantly different at the 0.05 level.The letter EPM stands for "Elymus nutans+Poa pratensis+Medicago falcata",EP stands for "Elymus nutans+Poa pratensis",EM stands for "Elymus nutans+Medicago falcata",PM stands for "Poa pratensis+Medicago falcata",CK stands for "control group",E stands for "Elymus nutans",P stands for "Poa pratensis",and M stands for "Medicago falcata",the same as below

2.3 不同牧草混播條件下退化高寒草甸土壤養分狀況的評價

選取不同牧草混播條件下退化高寒草甸土壤的AP，NO，NH，TP 4個主因子養分指標，利用隸屬函數法對各指標的相對值進行計算，為不同牧草組合播種處理后土壤養分狀況做出綜合評價(表5)，得到經不同牧草混播處理后土壤養分狀況的排序為EM>EP>PM>E>CK>EPM>M>P。

表5 各處理下主效指標的綜合評價值及排序Table 5 Comprehensive evaluation value and ranking of main effect indicators under each treatment

2.4 不同牧草混播對退化高寒草甸地上、地下生物量的影響

通過不同牧草混播處理，重度退化草甸的生物量發生了顯著的變化。由圖2A可知，各處理組的地上生物量均顯著高于CK(P<0.05)。其中EM處理的地上生物量最高，較CK提高了約2.3倍。M處理的地上生物量最低，較CK提高了約1.5倍。如圖2B可知，各處理組的地下生物量均高于CK(P<0.05)，其中EM處理的地下生物量最高，較CK提高了約2.7倍。M處理的地下生物量最低，較CK提高了約1.2倍。由此可見，地上生物量與地下生物量的各處理組具有同步性，EM處理的效果最為顯著。

圖2 各處理下地上生物量(A)、地下生物量(B)Fig.2 Aboveground biomass (A) and Underground biomass (B) under each treatment

3 討論

3.1 不同牧草混播對退化高寒草甸土壤養分的影響

土壤養分狀況的改善是退化草甸恢復的目標之一，它決定著草甸利用是否可持續[20]。養分條件的改變，將影響與之相關的土壤生態功能穩定性[21]。本研究中，不同牧草混播條件下退化高寒草甸土壤有機碳含量與全氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與硝態氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。這是由于土壤氮素和有機碳之間的耦合效應，一方面土壤氮素含量的變化改變了土壤對CO2的吸收能力，影響著土壤碳的固定，另一方面土壤有機碳含量又對氮素的礦化、固氮及反硝化有重要作用[22-23]。不同牧草混播條件下退化高寒草甸土壤全氮含量與速效氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與硝態氮含量呈顯著正相關(P<0.05)。這是由于土壤全氮含量處于動態變化之中，它在土壤微生物的作用下影響著土壤凈氮礦化速率及氮素有效性[24]。

從單個養分指標分析結果來看，土壤速效磷含量在EM，EP，PM處理下均高于CK，其中EM處理的土壤速效磷含量最高。這可能是由于混播導致凋落物量增加，而凋落物是形成腐殖質的重要原料，它會在鐵、鋁氧化物等膠體表面形成保護膜，減少對磷酸根的吸附，增加了土壤中速效磷的含量[25-26]。土壤全磷含量只有在E處理下高于CK(P<0.05)，而其他各個處理均與CK無顯著差異。這可能是由于垂穗披堿草的凋落物積累、根系分泌物使得土壤全磷產生了一定程度的富集，而其他各牧草混播的富集效果不明顯[27]。土壤銨態氮和硝態氮主要來源于土壤有機氮的氨化和硝化，是植物能直接吸收利用的生物有效態氮[28]。本研究通過分析得出，土壤銨態氮含量在各牧草混播條件下的波動較大，但均高于CK。其中M處理的土壤銨態氮含量最高(P<0.05)。這可能是由于植物生長期間產生的可礦化氮，促進了氮素的轉換過程。同時，由于果洛試驗區的土壤大多受氮素轉換的限制，而豆科植物的固氮作用可使土壤銨態氮含量提升，故呼倫貝爾苜蓿處理下的銨態氮含量最高[29-30]。土壤硝態氮含量在各牧草混播條件下既有升高又有減低，其中2種牧草混播條件下的土壤硝態氮含量均高于CK，而1種牧草和3種牧草混播條件下的土壤硝態氮含量均低于CK。這說明混播可以促進氮素的硝化作用，但適宜的牧草混播數為2種，其中豆禾混播效果更佳[31]。

從總體土壤養分狀況的評價結果來看，2種牧草混播下的土壤養分狀況均高于CK，而1種牧草和3種牧草混播條件下的土壤養分狀況均低于CK。其中，EM處理下的土壤養分狀況最佳。這可能是豆禾牧草混播下，不同種類牧草的生態位互補效應，能更有效地利用有限的資源，同時又有利于調節土壤環境條件，從而提高土壤養分狀況[18,32]。而M處理的土壤養分狀況最差，這是由于豆科單播對于土壤養分的利用較單一，不利于退化高寒草甸土壤養分狀況的改善[33]。在豆禾牧草混播體系中豆科牧草將土壤中氮素固定后絕大部分儲藏在自身體內，部分轉移給禾本科植物，這增強了共生效應和相容性，有利于土壤穩定性及養分狀況的提升[29,34]。

3.2 不同牧草混播對退化高寒草甸地上、地下生物量的影響

生物量的增加是恢復直觀的判斷標準，它決定著草地的承載力[35-36]。高寒地區的適宜牧草混播對草地生物量的積累和分配有較大的影響，這將有助于理解未來植被恢復和植物間的相互作用[37]。合理的牧草配置能夠充分利用各種資源，促進種間有益作用，提高單位面積牧草產量有利于改善牧草品質[38]。本研究得出，不同牧草混播后，地上、地下生物量均高于CK，且多種牧草混播的地上、地下生物量普遍高于1種牧草的播種，其中EM處理的地上、地下生物量均最高。導致這一結果的原因可能為重度退化草甸自身的生產力低下，選取的恢復草種對高寒環境有較好的適應能力，其中垂穗披堿草為本土植物，其適應性在三江源大多區域都極強，呼倫貝爾苜蓿其自身的抗寒性及高寒地區適應性在青海省牧草良種繁殖場培育過程中得到了證明，本研究中其生物量高于對照組也說明了其適應于高寒地區的生長，這2種牧草的應用為重度退化高寒草甸的生態修復提供了優質的種子源[39]，從而使得各牧草混播條件下的生物量均高于CK。EPM，EP，PM處理的地上、地下生物量均高于對照組，這可能是由于多種牧草的混播會使群落穩定性增加，初級生產力得到提升[40]。而1種牧草的播種雖然也高于對照組，但這可能是由于其自身的適應性導致。此外，豆禾牧草的混播由于其資源利用的分化，使得在退化草甸恢復過程中占有很大的優勢[41]，因而EM處理對于提升退化草甸生物量的效果最佳。

4 結論

從本研究的研究結果來看，采用人工草地建植方式對三江源區重度退化高寒草甸進行恢復時，建議選擇EM(垂穗披堿草+呼倫貝爾苜蓿)進行混播，這樣不僅可以保證退化高寒草甸的土壤養分狀況得到改善，同時也可為當地畜牧業提供優質的牧草資源。在保證草地資源的可持續利用的前提下，維持草地生態系統的穩定性。