切根與施有機肥對羊草草甸草原打草場地上生物量與土壤養分的影響

張 楚， 王 淼， 張 宇， 王 旭， 陳金強， 李瑞強， 代景忠， 白玉婷，辛曉平， 衛智軍， 程 利， 趙曼， 閆瑞瑞*

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/內蒙古呼倫貝爾草原生態系統國家野外科學觀測研究站/國家土壤質量呼倫貝爾觀測實驗站， 北京 100081；2.內蒙古自治區環境在線監控中心, 內蒙古 呼和浩特 010055； 3.銅仁學院農林工程與規劃學院， 貴州 銅仁 554300； 4.濱州學院山東省黃河三角洲生態環境重點實驗室， 山東 濱州 256603； 5.內蒙古農業大學生態環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010019； 6.呼倫貝爾市林業和草原科學研究所， 內蒙古 海拉爾 021008；7.呼倫貝爾農墾謝爾塔拉農牧場有限公司， 內蒙古 呼倫貝爾 021012)

草地資源是我國重要的農業資源之一，我國天然草地面積約4.00×108hm2，占國土面積的41.70%[1]。呼倫貝爾草原是我國面積最大且保存完好的草原，以物種種類繁多、牧草質量優良聞名，是我國最著名、最優良的草原之一[2]，區域面積約8.33×106hm2，其中天然草場面積7.07×106hm2，占土地總面積的 84.60%。呼倫貝爾草原不僅是我國重要的畜牧業生產、加工基地，也是我國北方重要的綠色生態屏障[3]。割草利用是半干旱牧區天然草原傳統的利用方式之一，與放牧利用相輔相成，是我國草地畜牧業穩定和可持續發展堅實的物質基礎[4]。天然割草地調制的干草儲備以及季節的調配，提高了家畜越冬干草的產量和質量，對解決草畜季節不平衡、確保家畜安全越冬起著關鍵作用[5]。近年來，由于長期連年割草，天然割草地普遍存在嚴重的退化現象，加上人口的增加以及外來人員不合理利用，家畜頭數不斷增加，使呼倫貝爾草地退化加劇[6-7]。草原退化問題亟待解決，通過不同改良措施恢復退化天然割草地的生態系統使得畜牧業快速發展成為草地研究的重要課題。大量的改良方法(如圍封、滅鼠、補播、松土、火燒、施肥、灌溉等)應用到草地的研究之中[8-11]。

在眾多的草地恢復措施之中，切根和施肥是草原常用的管理措施[12-13]。切根屬于劃破草地的一種改良方式，主要是利用盤齒類切刀強制切破土壤板結層，將植物根莖切斷，除地表局部土壤疏松外，不會造成地表起壟、揚沙揚塵等現象并且能夠改變群落物種組成、影響土壤質地狀況和土壤碳氮循環[14-16]。切根能夠在草地亞表層形成虛實結合的疏松土壤環境，從而影響土壤的物理特征，并且對土壤養分、微生物活性等產生間接影響[17]。破土切根使原來板結的土壤逐步疏松，由于有一條條的窄縫，減少了地表徑流，土壤空隙度變大，透氣性變好，使土壤向植物有利的生長環境轉變。對松嫩退化羊草草地切根研究發現，切根顯著降低了土壤容重[18]。對退化羊草草原進行的切根試驗表明，切根對土壤pH、電導率等物理特征影響較少，但是顯著減少了土壤全氮含量，同時切根處理的草地土壤酶活性提高，對草地養分的轉化產生潛在的促進作用[19]。

草地施肥一直被認為是增加草地土壤肥力的主要方式之一，是草地改良研究的熱點[20]。長期以來，關于施肥對草地地上生物量以及土壤養分等的影響有許多研究，李本銀、邱波、程積民等的研究結果表明，施肥可以大幅增加群落整體的地上生物量[21-23]。辛小娟、崔永琴、Hagedorn等的研究結果表明，長期施用有機肥的土壤，其有機質含量顯著高于長期施用化肥區域，而連續施用化肥(磷、氮、鉀)的土壤的有機質含量也明顯高于未施肥的地區[24-26]。但是長期施有機肥對天然打草場地上生物量與土壤養分的影響有待探索。本研究針對呼倫貝爾天然打草場退化和不合理利用問題，以草甸草原天然打草場為研究對象，通過探討切根和施有機肥對天然打草場地上生物量與土壤養分含量的作用，研究長期施有機肥對呼倫貝爾草甸草原打草場地上生物量與土壤碳氮含量的作用，揭示切根與施肥對草原植被地上生物量與土壤相關特性的影響，為退化草地的恢復和改良提供參考和理論依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

試驗地位于內蒙古自治區呼倫貝爾市海拉爾行政區境內的謝爾塔拉鎮，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所呼倫貝爾草原生態系統國家野外科學觀測研究站附近(49°23′13″ N，120°02′47″ E)，平均海拔631 m，地勢平緩。如圖1所示，該地區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫—2.4℃左右，最高、最低氣溫分別為36.17℃，—48.5℃，年積溫在1 600℃～1 800℃之間，無霜期約80～110 d；年平均降水量350 mm，多集中在7—9月，且變化較大。試驗區屬于地帶性草甸草原羊草群落，植物群落以羊草(Leymuschinensis)為建群種，優勢種有山野豌豆(Viciaamoena)、展枝唐松草(Thalictrumsquarrosum)、細葉白頭翁(Pulsatillaturczaninovii)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)，常見種有寸草苔(Carexduriuscula)、雙齒蔥(Alliumbidentatum)、裂葉蒿(Artemisiatanacetifolia)等。試驗樣地土壤屬于暗栗鈣土。

圖1 2020年研究區域月降水量及氣溫變化Fig.1 Monthly precipitation and temperature in 2020 of the experiment plot

1.2 研究方法

1.2.1試驗設計 試驗地為長期連年刈割的中度退化半干旱天然羊草割草地，每年8月中旬進行一次刈割，刈割年限已經超過20年。2013年8月，選擇生境條件一致(地勢平坦均勻，草地密度均勻，避開群落邊緣)的地塊劃定試驗小區，并用網圍欄進行圍封保護。2014年5月初，利用9QP-830型草地破土切根機沿土壤肥力“等高線”方向對小區進行切根預處理，切根深度為15 cm，切根長度和寬度均為30 cm，呈網格狀。

試驗采用隨機區組設計，共設置五個處理，每個處理3個重復，共計15個小區。每個小區面積為6 m×10 m，小區之間設置2 m的緩沖帶，其中切根只在2014年進行1次，2014—2020年，每年6月初進行施肥。本文重點研究長期使用有機肥對羊草草甸草原打草場地上生物量與土壤的影響，五種處理為：對照處理(CK),切根處理(Q),切根+低水平有機肥處理(QO1),切根+中水平有機肥處理(QO2)和切根+高水平有機肥處理(QO3)。根據當地農田平均有機肥施用量和前人研究以及土壤基礎調查結果，并以氮元素作為標準，試驗設置了零、低、中、高 4個施肥水平，施肥為顆粒有機肥N+P2O5+K2O(干基)≥7%，有機質≥45%。施肥方法為地表撒施將肥料施入土壤，切根時間以及肥料種類與施肥量見表1。

表1 試驗地施肥方案Table 1 The fertilization design of experiment site

1.2.2取樣方法 于2020年8月末進行樣品采集。在每個處理設定3個1 m×1 m的隨機樣方，齊地面刈割，分種收取地上部分，帶回實驗室后在65℃的烘箱內烘48 h備用；在刈割后的樣方內采集土壤樣品，每個樣方設置3個隨機取樣點，用直徑為7 cm的土鉆收集地下土壤，土層厚度為20 cm，將3個取樣點土壤混勻后帶回實驗室風干并經研缽研磨后過篩備用。

1.2.3樣品測定方法 地上生物量的測定方法是將收集的地上株(叢)帶回實驗室，在65℃的溫度下持續烘48 h至恒重，分別稱取每一物種干重，單位：g·m-2。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤全氮含量采用凱氏法測定；土壤全磷和速效磷含量采用鉬銻鈧比色法測定；土壤堿解氮含量采用NaOH堿解-擴散吸收法測定[27]；土壤全鉀和速效鉀含量采用NaOH熔融-火焰光度吸收法測定[28]。

2020年撒施到試驗樣地每塊小區的肥料的總費用為總投入；試驗樣地每塊小區的地上生物量按照2020年8月呼倫貝爾市草捆售價所售出獲得的利潤記為總收入；投入產出比，簡稱投產比，本研究中的投產比為總投入與總收入的比值。

1.3 數據處理

用Excel 2019進行數據的初步整理，通過IBS SPSS Statistics 22軟件進行單因素分析(One way ANOVA)方差分析，顯著性水平設為P<0.05，利用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 切根與施有機肥處理下羊草草甸草原植物群落及優勢物種地上生物量變化

群落地上生物量和優勢物種羊草地上生物量在不同處理下的變化如圖2所示。有機肥的施用對植物群落和優勢物種羊草地上生物量有顯著性影響(P<0.05)，其中QO1，QO2和QO3的群落生物量分別較CK增加69.99%，122.24%和132.79%(P<0.05)(圖2A)，優勢物種羊草生物量分別較對照增加294.08%，514.65%和543.64%(P<0.05)(圖2B)，優勢種羊草地上生物量占群落總生物量比例較對照增加127.87%，175.13%和175.48%(P<0.05)(圖2C)。本試驗結果說明，連年施用有機肥提高了群落地上生物量、優勢種羊草地上生物量和優勢物種所占比例，切根+中高水平有機肥處理的群落以及羊草地上生物量顯著高于其他處理。

圖2 羊草草甸草原群落及主要物種地上生物量變化Fig.2 Aboveground biomass changes of Leymus chinensis meadow grassland community and main species注：不同字母表示顯著差異(P<0.05)。下圖同Note:Different letters indicate significant differences at the 0.05 level. The same as below

2.2 不同施肥水平投入與草地增產情況

通過分析不同施肥處理群落地上生物量以及羊草地上生物量的變化情況(表2)發現，與切根處理(Q)對比，地上生物量的單位增加量和總收入隨著施肥水平的增加而增加。

表2 2020年不同施肥水平投入與草地增產情況Table 2 Different fertilization inputs and grassland yield increase in 2020

2.3 切根與施有機肥對土壤養分含量的影響

2.3.1切根與施有機肥對土壤有機碳含量以及pH值的影響 有機肥的施用對羊草草甸草原土壤有機碳含量的變化產生了一定的影響，QO2處理下土壤有機碳含量(38.50 g·kg-1)最高(圖3A)，與CK相比增加了15.23%(P<0.05)。此外，施用不同水平有機肥對羊草草甸草原土壤pH值有顯著影響(P<0.05)，低、中、高三個水平下的土壤pH值均顯著低于對照處理(6.51)(P<0.05)，切根+中水平有機肥處理下的土壤pH值降低幅度最大，與對照處理相比降低了9.60%(P<0.05)(圖3B)。

圖3 土壤有機碳以及pH值變化Fig.3 The changes of soil organic carbon and pH

2.3.2切根與施有機肥對土壤全效養分的影響 羊草草甸草原土壤全效養分含量在不同處理下的變化如圖4所示，其中QO2處理的土壤全氮含量較CK增加了14.24%(P<0.05)；土壤全磷、全鉀含量在不同處理無顯著差異，全磷含量在切根+中水平有機肥處理下最高，全鉀隨著施肥水平的提高呈遞增趨勢。

圖4 土壤全效養分含量變化Fig.4 Changes in soil total nutrient content

2.3.3切根與施有機肥對土壤速效養分的影響 羊草草甸草原土壤速效養分含量在不同處理下的變化如圖5所示，QO2，QO3處理土壤速效磷含量顯著高于CK處理(P<0.05)，QO2和QO3處理土壤速效磷含量分別是對照的2.95倍和2.72倍；土壤堿解氮、速效鉀含量在QO2處理下最高，不同處理之間無顯著差異。

圖5 土壤速效養分含量變化Fig.5 Changes in soil available nutrient content

2.4 群落與羊草地上生物量以及土壤養分的相關性分析

由表3可知，羊草地上生物量與群落地上生物量、土壤有機碳含量以及土壤速效磷含量呈現極顯著正相關性關系(P<0.01)，與土壤全氮含量呈顯著正相關關系(P<0.05)；群落地上生物量與土壤有機碳含量、土壤速效磷含量呈極顯著正相關性關系(P<0.01)，與土壤全氮含量呈顯著正相關關系(P<0.05)；土壤有機碳含量與土壤全氮含量、土壤速效鉀含量呈極顯著正相關性關系(P<0.01)，與土壤速效磷含量呈顯著正相關關系(P<0.05)；土壤全氮含量與土壤速效鉀含量呈極顯著正相關性關系(P<0.01)，與土壤堿解氮含量呈顯著正相關關系(P<0.05)；土壤堿解氮含量與土壤速效鉀含量呈顯著正相關關系(P<0.05)。

表3 地上生物量與土壤養分的關系Table 3 Relationship between aboveground biomass and soil nutrients

進一步擬合方程發現(圖6)，土壤全氮含量與群落地上生物量呈顯著正相關關系(P<0.05，R2=0.335)；土壤有機碳含量與群落地上生物量呈極顯著正相關關系(P<0.01，R2=0.456)；土壤速效磷含量與群落地上生物量呈極顯著正相關關系(P<0.01，R2=0.798)。

圖6 群落地上生物量與TOC，STN，SAP的相關關系Fig.6 The correlation between the community aboveground biomass and TOC,STN,SAP

3 討論

3.1 不同處理對草地產量的影響

3.1.1不同處理對植物群落及羊草地上生物量的影響 地上生物量是反映草地生態環境的指標，其大小可判斷草地狀況和生產潛力[29]。有研究表明切根措施對改善羊草草原退化具有良好的效果，但是本研究結果顯示羊草草甸草原群落地上生物量以及羊草地上生物量在切根與對照之間無顯著性差異，1次切根處理所表現的作用效果甚微，這與何丹等[8]在改良措施對天然草原植被及土壤影響的研究結果不同，并且曹杰在對中度退化羊草草原切根的研究顯示，羊草密度在切根當年就有所增加，尤其是在切根深度為 5 cm時影響顯著[30]。這可能有兩種原因：1)本研究僅在2014年進行一次切根處理，并且2020年呼倫貝爾地區較為干旱，而切根處理一方面通過增進分蘗加速生長，另一方面也會加大土壤水分的蒸散，從而抑制植物的生長[31]，當降水量充足時切根的正效益大于負效益，當降水不足且無人為灌溉時正效益則無法顯著表現，甚至小于負效益；2)在切根寬度均為30 cm的情況下，本試驗中的切根深度為15 cm，而曹杰的試驗中切根深度為5 cm，較淺的切根效果可能要優于深切效果，淺層切根對羊草根莖的傷害程度較小，更利于羊草凈光合速率和水分利用效率的增加，正反饋作用大于其負反饋作用，進而影響群落以及羊草地上生物量。

大量研究表明有機肥不同施用量對植物地上生物量有大的影響。何玉惠等[32]研究表明，氮素增加在短期內即可以提高黃土高原荒漠草原草本植物群落生產力，促進優勢種群的生長。李文嬌等[33]研究表明，氮素和水分的添加顯著增加了禾草類和中旱生植物功能群的地上生物量。本試驗中，切根+施不同水平有機肥的三個處理的植物群落地上生物量以及優勢種地上生物量顯著增加，這與以上研究結果相似。王生明等[34]研究表明，隨著有機肥施用量的增加，作物產量相應增加，有機肥施用量為15 000 kg·hm-2時，作物產量最高，當施肥量達到11 250 kg·hm-2以上時，增加有機肥施用量，作物增產效果不顯著。本試驗結果顯示，隨著施肥水平的提高，群落地上生物量、優勢種羊草地上生物量以及羊草地上生物量占比呈現上升趨勢，其中切根+中水平有機肥處理與切根+高水平有機肥處理之間無顯著性差異，說明地上生物量并不是一直隨著施肥水平的提高而顯著提高的，中高水平施肥均可顯著提高羊草產量，但是中水平施肥時生產效益最大。

3.1.2不同施肥水平經濟效益 草地施肥打破了土壤養分的平衡，使限制性營養元素發生轉移，有利于植物干物質的形成和積累，并提高了群落生物量[32]，對比本研究低、中、高三種施肥水平投入與草地增產關系可以得出，低水平施有機肥處理的經濟效果最好。這可能是不同地區氣候、土壤以及施肥閾值的差異造成的。2020年試驗地的降水量在生長季分布不均勻，導致有機肥中的養分不能充分輸送到植物體中，所以不同年份生長季降水量的波動影響了群落地上生物量的變化趨勢和肥料閾值。

3.2 不同處理對土壤養分含量的影響

3.2.1不同處理對土壤有機碳含量以及pH值的影響 土壤碳的主要是來源是動植物殘體、根系分泌物以及微生物固碳[35]。相關研究表明，施肥對土壤有機質含量并無顯著的影響，只是在一定程度上提高了有機質的含量[36-38]。本試驗中土壤有機碳含量在切根+中水平有機肥處理顯著高于其他處理，這與其他學者研究結果不同，原因可能是施肥可以顯著地提高草地地上生物產量，增加土壤固碳能力，土壤碳的分解能力在有機肥的作用下加強，從而產生比較顯著的影響。土壤作為一個多相體系，土壤的許多屬性之間緊密聯系[39]。本試驗中切根+中水平有機肥處理顯著降低了土壤pH，與宋娟麗等[40]的研究結果相似，原因可能是施用有機肥后微生物、動物與植物根系的生存環境發生變化，使其分泌物及生物殘體發生改變，進而促進了土壤有機酸的富集與積累，使pH值下降。

3.2.2不同處理對土壤全效養分含量的影響 施肥是補充土壤元素和維持地上生產力的主要措施[41-42]。有研究認為，短期施肥不足以使土壤全量養分發生改變[43-44]，也有研究結果顯示，土壤全量養分在施肥當年就發生了顯著的變化[45-46]。本試驗結果顯示切根+中水平有機肥處理顯著提高了土壤全氮含量，全磷全鉀含量無顯著差異，可能是因為施肥后影響生物的生長速率，而生物固氮是土壤氮素的重要來源之一，施有機肥提高了生物固氮的效率，使氮素更多的留在土壤中，使土層全氮含量的增加趨勢明顯，這與劉文亭等[47]的研究結果相似。切根+中水平有機肥處理下的全磷含量最大，但各處理之間無顯著性差異，并且土壤全磷含量并未隨著施肥水平的升高而上升，說明施肥量的增大并不能使磷肥充分利用，施肥量的增加會使得土壤磷素大量積累，反而造成肥料資源的浪費，這與李新樂等[48]的研究結果相似。北方土壤富含鉀[49-50]，研究發現施用鉀肥幾年乃至十年對土壤鉀含量的影響也不顯著，本文土壤研究結果與之相同，隨著施肥水平的提高土壤全鉀含量持續提高，但不同處理之間均無顯著性差異，且施肥水平從中到高處理的全鉀含量幾乎沒有變化，也說明了施肥量的增大并不能使鉀肥充分利用。

3.2.3不同處理對土壤速效養分含量的影響 土壤速效養分含量是反映土壤肥力評價土壤供肥能力的主要指標[51]。作為植物吸收利用最多的元素，氮含量變化從土壤速效養分含量中得以體現[52]，但在本研究中，無論切根處理還是切根+不同水平的有機肥處理，土壤堿解氮含量均無顯著變化。由于本研究的切根處理只在2014年進行1次，所以切根這一處理對土壤堿解氮的影響不顯著。有研究表明施有機肥可以提高土壤速效氮含量[53-55]，本研究中施有機肥處理的土壤堿解氮變化不明顯可能是由于2020年較為干旱且降水集中在7，8月份，雖然氮肥在補充土壤養分的同時，還會提高土壤微生物的活性，加快土壤有機氮的分解速率，但是雨水大部分以地表徑流的方式流走，滲入土層20 cm處的雨水以及隨之進入土壤中的有機肥含量較少，導致其分解過程受氮素添加濃度的影響較小，所以變化不顯著。

本試驗中速效磷含量在切根+中高水平有機肥處理下含量顯著高于不施肥處理，切根+低水平有機肥處理沒有顯著變化。有研究表明，施肥后0～20 cm速效磷含量明顯增加[24]，其結果與本試驗結果略有不同，可能是由于施加低水平有機肥對土壤環境的影響很微弱，當施肥量達到了一定水平后群落植物吸收能力受到了影響，此時磷肥的加入會增加土壤對磷的吸附強度和吸附量，更多的磷元素會以無機態留在土壤中，速效磷含量顯著增加。

已有研究表明，草地施肥后，0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土壤有機質、全氮、速效氮、速效鉀、速效磷均較不施肥處理有明顯提高[56]，但本研究結果與其不同，各種處理對土壤速效鉀含量的影響均不顯著，可能是由于土壤中的鉀大部分是礦化鉀，很難被植物利用，施肥雖然改變植物的生長過程但是對鉀的量沒有顯著影響。

3.3 地上生物量與土壤養分含量的關系

本研究中對地上生物量與土壤養分含量進行綜合評價以及相關性分析表明，土壤有機碳含量、土壤速效磷含量與群落地上生物量為極顯著正相關關系，土壤全氮含量與群落地上生物量為顯著正相關關系，這與陳芙蓉等[57]的研究結果相似，其原因是進入土壤的植物殘體是土壤有機碳的主要來源，植物殘余量主要由地上部分的生物量決定，而地上部分的生物量又決定了土壤有機碳的含量。本研究中地上生物量與土壤堿解氮含量之間沒有顯著的相關性，這與焦婷、王潔[58-59]的研究結果相同，但李海云[60]的研究結果表明土壤堿解氮含量與地上生物量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與本研究結果不同，這可能與草地在不同時期生長的降水量、降水強度以及草地生長狀況等因子有關，并且由于群落類型、優勢種的不同，土壤特性和土壤肥力呈現不同的特征。

4 結論

隨著施肥水平的增加，群落地上生物量、優勢種羊草地上生物量以及羊草地上生物量占比呈現上升趨勢；群落以及羊草地上生物量的單位增加量和總收入隨著施肥水平的增加而增加，切根+低水平有機肥處理下的經濟效果最好。切根+中水平有機肥處理對土壤有機碳含量、pH、全氮含量、速效磷含量的影響最顯著。土壤有機碳含量、土壤速效磷含量與群落地上生物量極顯著正相關，土壤全氮含量與群落地上生物量顯著正相關。