藏沙蒿與多年生禾草混播對西藏沙化草地土壤酶活性和微生物生物量的影響

董 凱， 劉 歡*， 劉云飛， 王敬龍， 仁增旺堆， 王綺玉， 羅建民， 姚瑞瑞， 張 曉

(1.甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 2.西藏自治區農牧科學院草業科學研究所，西藏 拉薩 850000)

青藏高原不僅是我國最大的高原，也是世界平均海拔最高的高原，有“世界屋脊”和“第三極”之稱[1]。由于人類干擾和全球氣候變化，使青藏高原草地嚴重退化，沙化面積不斷增加，使生態系統結構遭受破壞，功能喪失，威脅著當地生態安全和經濟發展[2-3]。植被作為反映天然草地土壤狀況和生態功能的重要綜合指標，其破壞直接影響天然草地的生態功能和價值。目前，人工植被修復措施是沙化草地修復治理中最常用的方法，但受氣候、環境等因素的影響，選擇適宜的補播草種是人工植被修復成功的關鍵[4]。

藏沙蒿(Artemisiawellbyi)屬于菊科(Compositae)蒿屬(Artemisia)半灌木狀或灌木狀草本植物，是西藏高寒草地的優勢種之一，因其營養價值高，耐寒耐寒性強，繁殖快，能夠快速固沙，具有潛在的生態價值[5]。藏沙蒿在西藏沙化地區的治理和恢復中發揮著重要作用，在沙化土壤中能夠快速生長，連片分布，但也容易退化，適度增加一些生長周期長、不易退化的植物，以達到長期恢復生態的目的[6]。垂穗披堿草為青藏高原天然草地的主要禾本科多年生植物，其根系發達，分蘗多，抗逆性強，具有保持水土的作用[7]，可用于高寒退化草地的恢復，具有較高的生態和經濟價值[8]。細莖冰草為多年生疏叢型植物，具有較強的分蘗能力和抗逆性，可以有效控制水土流失[9-10]。史長光[11]發現通過采用高原紅柳(Tamarixramosissima)、硬桿仲彬草(Kengyiliarigidula)和一年生黑麥草(Loliumperenne) 等灌草結合的模式補播草種可以有效防治若爾蓋草原沙漠化進程。胡金嬌等[12]比較研究了青藏高原東緣沙地三種典型恢復模式，結果顯示灌草混播模式土壤養分顯著增加，pH顯著降低。楊滿元等[13]對5種生態恢復模式效果進行比較，其中灌草模式在人工植被建植和土壤養分等方面恢復效果最好。

在沙化土壤生態修復過程中，土壤肥力作為土壤的本質特性不斷地變化并影響著植物和土壤的相互作用[14]。國內外以往研究主要以土壤理化性質和養分作為土壤植被恢復或重建的評價標準，以生態修復對土壤養分和生產力的影響作為研究方向[15-17]，而在生態修復中對土壤生物學特性的研究相對較少[18-20]，近年來，隨著人們對土壤微生物和酶活性在生態系統中具有重要作用的認識，越來越多的研究以土壤生物學特性參數來評價土壤肥力、土壤生產力和土壤質量的好壞[21-23]。李靜等[24]對黃土高原紙坊溝流域不同植物土壤微生物生物量和土壤酶活性研究發現，土壤微生物生物量和酶活性受植被類型和土壤養分等因素影響，且人工灌木植被對土壤的恢復作用高于喬木和草本植物。閆瑞瑞等[25]對呼倫貝爾草甸草原土壤微生物及酶活性研究表明，土壤酶活性受土壤全碳、速效鉀、堿解氮和電導率的影響，土壤微生物量受土壤全磷和速效磷的影響。因此，本研究旨在研究藏沙蒿與多年生禾草不同比例混播修復模式下西藏高寒草地沙化土壤理化性質與土壤生物學特性之間的關系，探討灌草不同比例混播修復模式對沙化土壤修復效益及生態效果，篩選出修復效果最好的混播比例，為高寒沙化草地灌草混播修復提供理論基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究區域位于西藏自治區拉薩市當雄縣羊八井鎮，地理坐標為90°33′ E、30°05′ N，海拔4 500 m，羊八井鎮屬高原溫帶季風半濕潤氣候與高原亞寒帶季風半干旱氣候的過渡帶，氣候濕潤，日照充足。年平均氣溫2.1℃，最高氣溫23.1℃，最低氣溫—27.9℃，年平均降水量617.5 mm，年均日照時數3 097.3 h，年平均無霜期290 d左右。試驗區為沙化的開墾撂荒地，草原類型為高寒草地，土壤類型為漠土。

1.2 研究區試驗設計

本試驗于2019年開始種植設計，以藏沙蒿、垂穗披堿草和細莖冰草的不同比例混播為處理，分別為T1(4∶1∶2)，T2(4∶2∶1)，T3(5∶1∶1)。采用隨機區組試驗設計，試驗小區面積為15 m2，間距50 cm，各處理3次重復。根據三種植物的種子大小、發芽率以及長期試驗結果，三者的最佳單播播種量分別為0.90，2.25和2.25 g·m-2，播種量為各組分百分比乘單播播種量之和(表1)。同時以無植被覆蓋的未修復沙化草地為對照(CK)，并選取同一海拔下的天然草地(NG)作比較，天然草地的主要優勢植被為紫花針茅和墊狀委陵菜。

表1 試驗處理及對照Table 1 Experimental treatments and control

1.3 樣品采集

在2021年3齡草地的枯黃期(10月)分別在每個處理中采集土壤。使用提前消毒處理好的土鉆進行土壤樣品采集。按“S”型鉆取5鉆0～20 cm土壤樣品，均勻混合為1個土壤樣品，共采集土壤混合樣品15份。將混合后的土樣過2 mm篩以去除根系和枯落物。將過篩后的土樣分為兩份，一份帶回實驗室保存在4℃用于土壤微生物量和土壤酶活性的測定，另一份帶回實驗室放置于干燥陰涼處自然風干用于測定土壤理化性質。

1.4 測定指標與方法

土壤理化性質參照《土壤農化分析》[26]，土壤含水量采用烘干法；pH采用電位法；有機質采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法；全氮采用消煮蒸餾法；全磷采用堿融-鉬銻抗比色法；全鉀采用堿融-火焰光度法。

土壤微生物生物量參照《土壤微生物生物量測定方法及其應用》[27]，微生物生物量碳、氮、磷均采用氯仿熏蒸浸提法。以熏蒸與未熏蒸的土壤樣品中有機碳、氮和磷含量的差值除以轉換系數，系數KC，KN和KP取值分別為0.38，0.54和0.40。

土壤酶活性參照《土壤酶及其研究法》[28]，土壤脲酶采用尿素殘留法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(mg)表示土壤脲酶活性；蔗糖酶采用3,5—二硝基水楊酸比色法，以24 h后1 g土壤生成的葡萄糖的毫克數(mg)表示蔗糖酶活性；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤中釋放出來的酚的毫克數(mg)表示堿性磷酸酶活性；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；以1 h后1 g土壤消耗0.1 mol·L-1高錳酸鉀體積數表示。

1.5 數據分析

采用Excel 2016對數據進行整理，利用SPSS 26.0統計軟件進行方差分析和回歸分析，對不同處理下的土壤理化性質、土壤酶活性和微生物生物量采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差法(LSD)進行分析，各因子間的相關關系采用Separman相關系數法進行評價，用Origin 2021繪制土壤酶活性與微生物生物量直方圖和相關分析圖，圖表中數據均為平均值±標準差。

2 結果和分析

2.1 灌草混播修復對土壤理化性質的影響

表2可知，與對照相比，T1，T2和T3處理的土壤含水量、有機質、堿解氮，有效磷、速效鉀、全氮和全磷的含量均顯著性增加；pH顯著降低(P<0.05)，全鉀的含量無顯著差異?；觳ヌ幚碇蠺3處理的土壤各指標含量均最高，pH最低，尤其是土壤含水量、堿解氮和有效磷含量均顯著高于T1和T2(P<0.05)。與天然草地相比較，T1，T2和T3不同比例混播下的土壤含水量、堿解氮、有效磷和全氮的含量均呈顯著性增加(P<0.05)，全鉀的含量無顯著差異。天然草地的土壤pH、有機質、速效鉀和全氮均高于不同比例混播處理。

表2 灌草不同比例混播修復對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil physicochemical properties

2.2 灌草不同比例混播修復對土壤酶活性的影響

圖1可知，與對照相比，T1，T2和T3處理的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性均顯著提高(P<0.05)，各處理之間均無顯著差異。3個混播處理下,4種土壤酶活性平均提高295.18%，172.73%，340%和94.12%。T1，T2和T3處理的4種土壤酶活性均顯著低于天然草地(P<0.05)。

圖1 灌草不同比例混播修復對土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil enzyme activities

2.3 灌草不同比例混播修復對土壤微生物生物量的影響

圖2可知，所有處理下土壤微生物生物量碳的含量最高，微生物生物量氮次之，微生物生物量磷的含量最低。與對照相比，T1、T2和T3處理的土壤微生物中各微生物生物量均顯著提高(P<0.05)。其中T3處理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均顯著高于其他處理(P<0.05)，比對照分別高出313.01%,382.45%和374.09%。T1和T2處理的土壤微生物生物量碳和磷的含量均無顯著差異，T1的土壤微生物生物量氮的含量顯著高于T2。與天然草地相比較，T1和T3處理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均顯著高于天然草地(P<0.05)，T2處理的土壤微生物生物量氮和磷的含量均顯著高于天然草地(P<0.05)；土壤微生物生物量碳的含量無顯著差異。

圖2 灌草不同比例混播修復對土壤微生物生物量的影響Fig.2 Effects of mixed planting and remediation of different proportions of shrubs and grasses on soil microbial biomass

2.4 土壤理化性質與土壤酶活性和微生物生物量之間的關系

為探討不同處理下土壤理化性質與土壤酶活性和微生物生物量的關系，以土壤含水量(X1)、pH(X2)、有機質(X3)、堿解氮(X4)、有效磷(X5)、速效鉀(X6)、全氮(X7)、全磷(X8)和全鉀(X9)為自變量，以脲酶(Y1)、蔗糖酶(Y2)、堿性磷酸酶(Y3)、過氧化氫酶(Y4)、微生物生物量碳(Y5)、微生物生物量氮(Y6)和微生物生物量磷(Y7)為因變量，采用雙重篩選逐步回歸法進行分析，土壤脲酶活性與有機質發現和堿解氮存在線性關系；蔗糖酶活性與有機質、有效磷、速效鉀和全磷存在線性關系；堿性磷酸酶活性與有機質和全氮存在線性關系；過氧化氫酶活性與有機質存在線性關系；微生物生物量碳與有效磷存在線性關系；微生物生物量氮與堿解氮存在線性關系；微生物生物量磷與含水量存在線性關系(表3)。

表3 土壤酶活性和微生物生物量與土壤環境因子的回歸分析模型Table 3 Regression analysis model of soil enzyme activity,microbial biomass and soil environmental factors

對不同處理下的土壤理化性質、土壤酶活性與微生物生物量進行斯皮爾曼(Separman)相關分析發現(圖3)：土壤脲酶與過氧化氫酶活性與土壤有機質呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤蔗糖酶活性與土壤有機質和速效鉀呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機質呈極顯著正相關(P<0.01)，與全氮呈顯著正相關(P<0.05)；土壤微生物量碳與土壤有效磷呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤微生物量氮與土壤堿解氮呈極顯著正相關(P<0.01)；土壤微生物量磷與土壤含水量呈極顯著正相關(P<0.01)。

圖3 土壤理化因子與微生物量生物量和土壤酶活性之間的相關性Fig.3 Correlation between soil physicochemical factors and microbial biomass and soil enzyme activity注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上的差異顯著。SM，土壤含水量；OM，有機質；AN，堿解氮；AP，有效磷；AK，速效鉀；TN，全氮；TP，全磷；TK，全鉀；URE，脲酶；SUC，蔗糖酶；ALP，堿性磷酸酶；CAT，過氧化氫酶；MBC，微生物生物量碳；MBN，微生物生物量氮；MBP，微生物生物量磷Note:* and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels respectively. SM,soil moisture;OM,organic matter;AN,alkalyzable nitrogen;AP,available phosphorus;AK,available otassium;TN,total nitrogen;TP,total phosphorus;TK,total potassium;URE,urease activity;SUC,sucrase activity;ALP,alkaline phosphatase activity;CAT,catalase activity;MBC,microbial biomass carbon;MBN,microbial biomass nitrogen;MBP,microbial biomass phosphorus

3 討論

土壤理化性質可以有效表征土壤性質和土壤肥力的狀況[29]。根據第二次全國土壤普查確定的分級標準[30]，本研究結果顯示，沙化草地通過灌草不同比例混播修復后，土壤有機質從四級水平升至三級水平，堿解氮從五級水平升至四級水平，有效磷從六級水平升至四級水平，全氮和全磷從六級水平升至五級水平，不同比例混播修復后的土壤含水量、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷的含量均呈顯著增加，pH顯著降低。不同比例混播處理下土壤含水量、堿解氮、有效磷和全磷的含量均高于天然草地，表明藏沙蒿、垂穗披堿草和細莖冰草不同比例混播修復能顯著改善土壤理化性質，其原因可能是灌草不同比例混播修復后植被增加，蓋度增大，植物根系數量增加，密度增大，使土壤含水量、有機質和養分增加[31]。趙嘯龍等[32]研究也發現科爾沁沙質草地植被恢復能夠提高土壤養分含量。但天然草地的土壤pH、有機質、速效鉀和全氮高于不同比例混播處理。這是由于天然草地受到的人為干擾較少，植被類型多，群落結構復雜，枯落物層較厚，積累了較多的有機質、速效鉀和全氮[33]。Zhang等[34]從森林尺度植被、地形和土層深度角度對土壤化學性質和土壤肥力研究也發現，自然植被下土壤會積累更多的有機質。不同比例混播處理中，藏沙蒿、垂穗披堿草和細莖冰草按5∶1∶1比例混播的土壤養分最高，可能是增加了灌木在混播中的占比，灌木對土壤養分具有富集作用，為周圍的土壤提供了營養和能量，可以有效提升土壤養分并保持土壤生態系統平衡[35-37]。另一方面，植物死亡后，不同植物根系對土壤養分的貢獻不同，灌木較禾本科植物根系發達，對土壤養分貢獻較大[38]。

土壤酶活性和微生物生物量是響應土壤環境變化最敏感的兩個指標，可以直接或間接的參與土壤生化過程，并在土壤的物質轉化和能量循環中起著關鍵作用，是維持土壤質量的重要指標，可以綜合反應土壤肥力特性和生物活性[39-40]。本研究中，不同比例混播處理的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性均低于天然草地。這是由于天然草地積累了較多的凋落物和腐殖質，且含有較多的植物、動物和微生物及其動植物殘體等，使土壤動植物及微生物生理活性增加，釋放的酶增加[41-43]。與未修復的沙化草地相比，不同比例混播處理下的4種土壤酶活性及3種土壤微生物量均呈上升趨勢。其中按5∶1∶1比例混播修復的土壤微生物生物量最高?？赡苁遣煌壤觳バ迯秃笫雇寥牢h境產生差異，土壤酶和微生物的生長條件不同，土壤微生物的結構和多樣性因為存在差異[44-45]。本研究中逐步回歸分析和相關性分析結果表明，土壤理化性質與土壤酶活性間的相關性主要由土壤有機質、速效鉀和全氮與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的相關性引起的，土壤理化性質與土壤微生物生物量間的相關性主要由土壤有效磷、堿解氮和含水量與微生物生物量碳、氮和磷的相關性引起的，這與靳振江等[46]的研究結果基本一致。可見，土壤養分與土壤酶活性和微生物生物量密切相關，直接影響生成酶的土壤微生物和植物根系的活動。因此，藏沙蒿與多年生禾草不同比例混播促進了土壤酶和微生物對土壤碳氮磷的分解，土壤養分能夠為土壤酶活性和微生物提供足夠的碳、氮、磷物質和能量，從而加快了土壤碳氮磷的循環[47]。本研究中土壤養分、土壤酶活性和微生物生物量變化是人工修復3年的結果，今后還需在更長的時間尺度上研究高寒沙化草地修復過程中土壤理化性質和土壤生物學特性的變化過程及相關性分析，為高寒沙化草地修復提供理論基礎和科學依據。

4 結論

藏沙蒿、垂穗披堿草和細莖冰草不同比例混播，可改善土壤理化性質、提高土壤酶活性和微生物生物量，其中，按5∶1∶1比例混播的修復效果最好。在生態修復過程中，適當的增加灌木在灌草中的占比，可顯著提高土壤酶活性和微生物活性，增加沙化土壤養分。