種植方式對青海湖流域人工草地植被和土壤養分特征的影響

李彩弟, 張春平, 俞 旸, 楊曉霞, 楊增增, 馮 斌, 張小芳, 劉玉禎, 魏琳娜, 孫彩彩, 董全民*

(1. 青海大學畜牧獸醫科學院/青海省畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016； 2. 青海省高寒草地適應性管理重點實驗室， 青海 西寧 810016； 3. 青海大學農牧學院， 青海 西寧 810016)

中圖分類號：S543.9文獻標識碼：A

文章編號：1007-0435(2023)02-0471-08

Effects of Planting Patterns on Vegetation and Soil Characteristics of Artificial Pasture in the Qinghai Lake Basin

LI Cai-di1,2, ZHANG Chun-ping1,2, YU Yang1,2, YANG Xiao-xia1,2, YANG Zeng-zeng1,2, FENG Bin1,2, ZHANG Xiao-fang1,2, LIU Yu-zhen1,2, WEI Lin-na2,3, SUN Cai-cai1,2, DONG Quan-min1,2*

(1. Academy of Animal Science and Veterinary Medicine, Qinghai University / Qinghai Academy of Animal and Veterinary Science, Xining, Qinghai Province 810016, China;2. Qinghai Provincial Key Laboratory of Adaptive Management on Alpine Grassland, Xining, Qinghai Province 810016, China;3. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining, Qinghai Province 810016, China)

Abstract:To explore the adaptability and stability of the sown grassland established by perennial grass species in Qinghai Lake Basin,this study measured the differences in productivity and soil nutrients of artificial pastures ofPoapratensis.Qinghai,Festucasinensis. Qinghai,andP.pratensis. Qinghai+F.sinensis. Qinghai in the Bakatai farm of Qinghai Province. It was found that the biomass and coverage ofP.pratensis.monocropping treatment andP.pratensis. Qinhai+F.sinensisQinghai. mixed cropping treatment were higher than in theF.sinensis. monocropping treatment and the highest biomass of 586.2 g·m-2was found inP.pratensis.Qinghai+F.sinensisQinghai. mixed cropping treatment in August. The differences in soil organic matter,total nitrogen,total phosphorus,ammonia nitrogen,nitrate nitrogen,and soil moisture content among the three treatments were not significant at the same soil depth. And there were significant correlations among soil nitrogen,phosphorus,and organic matter. In summary,the artificial pasture ofP.pratensis. Qinghai+F.sinensisQinghai. mixed cropping in the Qinghai Lake Basin can achieve higher yield,but the relationship between soil nitrogen and phosphorus needs to be well coordinated during planting and management.

Keywords:Artificial pasture;Planting patterns;Productivity;Soil nutrients;Qinghai Lake Basin

青藏高原是全球海拔最高的獨特自然地理單元，是我國主要的草地畜牧業生產基地，也是我國乃至亞洲重要的生態安全屏障，在水源涵養、氣候穩定、碳平衡、生物多樣性保護和牧區經濟發展等方面發揮著重要作用[1-4]。全區總面積約2.6×106km2，其中草地面積1.5×106km2，約占全國草地面積的1/3[5-6]。過去幾十年，隨著人類活動和全球氣候變化影響的加劇，青藏高原部分地區草地退化嚴重[7]，全區退化草地比例達80%以上[2,8]，加劇了該區草畜矛盾，威脅著區域生態系統的穩定和生態安全屏障功能的發揮[9-11]。多年研究表明，建植人工草地是恢復重度退化草地的一種重要手段[12-13]，也是減輕天然草地放牧壓力和提高草地生產力的重要措施，既可以為家畜提供優質飼草[14]，也有助于保護和恢復已退化草地[15-16]，實現天然草地生態系統功能屬性轉移，保障生態安全與草地畜牧業的穩定可持續發展[17]。

目前，針對青藏高原高寒牧區人工草地牧草品種篩選、種植技術與模式等方面已有大量研究。垂穗披堿草(Elymusnutans)、中華羊茅(Festucasinensisi)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、草地早熟禾(Poapratensis)等禾本科牧草被廣泛應用于人工草地建植[18-19]，建植方式主要有單播和混播兩種方式[20]。馬玉壽等[21]研究認為，基于生態和放牧兼用型多功能黑土灘治理采用的最優組合為垂穗披堿草+青海中華羊茅+早熟禾。景美玲等[22]通過引種16種多年生禾草，發現青海草地早熟禾和青海中華羊茅是適宜青海祁連山區推廣種植的優良牧草。侯憲寬等[23]對青海草地早熟禾的人工草地追蹤研究表明，6齡人工草地仍然具有較高的生產力和穩定性，且沒有發生明顯的退化。人工草地的適應性和穩定性受建植物種配置、建植方式、建植年限及氣溫、降水、土壤養分等影響[24]，以上研究主要集中在“黑土灘”分布較廣的三江源區和祁連山區，而針對青海湖流域人工草地適應性及穩定性方面的基礎研究較為薄弱。

青海湖流域植被類型主要以高寒草原、高寒草甸和溫性草原為主[25]，依靠天然草地放牧的草地畜牧業是該區域的主導產業。近年來該區域草地退化和土地沙化嚴重[5]，因此，基于青海湖流域高寒草地生態系統的區域環境現狀及草地畜牧業發展需求建植適宜的人工草地至關重要。青海草地早熟禾(Poapratensis. Qinghai)和青海中華羊茅(Festucasinensis. Qinghai)具有較高的飼用價值和較強的適應性[26-27]。本試驗以2019年建植的青海草地早熟禾單播、青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播人工草地為研究對象，于2020年的生長季分析以上人工草地生產力及土壤養分的變化，探討各多年生人工草地在青海湖流域內的適應性，從而為該區域發展優質人工草地提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗點位于青海巴卡臺農牧場(36°15′N，100°55′E，海拔3 300 m)。該區域為大陸性高原寒溫帶季風氣候，四季交替不明顯，無絕對無霜期，以冷暖季劃分，植物生長的暖季溫潤短暫，植物枯黃的冷季寒冷漫長。年日照時數達2 670.4～3 036 h，年均溫為-5℃～5℃，年平均降水338 mm左右，暖季降水占全年降水的75%以上。原生植被優勢種為紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、雪白委陵菜(Potentillanivea)。試驗地土壤類型為栗鈣土。

1.2 試驗設計

2019年5月初，在試驗區設置3個處理，分別為青海草地早熟禾單播、青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播，每個處理3個重復，采取完全隨機區組試驗設計，共9個試驗小區。青海草地早熟禾和青海中華羊茅種子由青海省畜牧獸醫科學院提供。種植時參考董全民[7]及馬玉壽等[28]的方法，使用播種機以條播的方式進行播種。青海草地早熟禾和青海中華羊茅單播及混播的播種量及混播比例見表1。

表1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

1.3 樣品采集和指標測定

于2020年6—8月進行野外觀測與樣品采集。每個小區隨機設置4個50 cm×50 cm樣方用于測定植株高度、蓋度及地上生物量，每個處理12個樣方，共計36個樣方。用目測法估測蓋度；在每個樣方中隨機選取24株植株用鋼卷尺測定其自然高度，隨后將樣方中的牧草齊地面刈割。將刈割的樣品帶回實驗室，先在105℃下殺青30 min，隨后在70℃下烘干至恒重，測定其生物量。在8月刈割后的樣方中，采用三點取樣法，用直徑3.5 cm的土鉆采集土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm層土樣，將不同土層的土壤樣品分別混合均勻為1個樣品，每個小區12個土樣，共計108個土樣。土樣采集完成后分為2份，一份鮮樣用于測定銨態氮(Ammonium nitrogen，AN)、硝態氮(Nitrate nitrogen，NN)，另一份陰干、碾碎、過篩后用于測定土壤有機質(Soil organic matter，SOM)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)、速效磷(Available phosphorus，AP)。測定方法參照《土壤農化分析》[29]。

1.4 數據處理

利用Excel 2019對數據進行整理，采用IBM SPSS Statistics 20進行了單因素方差分析(One-way ANOVA)，結果以平均值±標準誤的形式表示；運用Duncan進行處理間的多重比較，并采用皮爾森相關系數法進行了相關性分析。用Origin 2021進行相關圖形的繪制。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式對人工草地植被的影響

由圖1可知，在整個生長季，青海中華羊茅單播處理生物量顯著低于青海草地早熟禾單播處理(P<0.05)，青海地早熟禾單播處理與青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播處理間生物量無顯著差異，且青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播處理生物量隨著生長季的推移而增加，在8月份時達到最高。在6，7月份，各多年生人工草地生物量大小排序為青海草地早熟禾單播>青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播>青海中華羊茅單播。8月份時，青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播處理生物量最高，為586.2 g·m-2，青海中華羊茅單播處理生物量最低，為342.3 g·m-2。各處理牧草高度在6，8月份無顯著差異，7月份時，青海中華羊茅單播處理牧草高度顯著低于青海草地早熟禾單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播處理(P<0.05)。各處理植被蓋度在整個生長季大小排序為青海草地早熟禾單播>青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播>青海中華羊茅單播，其中青海中華羊茅單播處理與青海草地早熟禾單播處理間差異顯著(P<0.05)。

圖1 不同種植方式人工草地生物量、高度和蓋度Fig.1 Changes in biomass,height,and coverage of artificial pasture of different planting patterns注：同一月份不同的小寫字母代表不同處理之間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters within the same month indicate significant differences among different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同種植方式對人工草地土壤養分的影響

種植方式對多年生人工草地土壤養分無顯著影響(表2)。青海草地早熟禾單播、青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播人工草地0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm層土壤有機質、全氮、全磷、硝態氮、銨態氮、速效磷含量雖存在一定差異，但在相同土壤深度下，除速效磷外(20～30 cm)，其他各養分含量在不同處理間差異并不顯著(圖2)。在20～30 cm土壤深度下，青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播人工草地速效磷含量顯著高于青海草地早熟禾單播草地(P<0.05)。土壤深度對土壤銨態氮和土壤有機質有顯著影響，對土壤全氮、全磷、硝態氮、速效磷影響較弱，土壤銨態氮和土壤有機質還受土壤深度與種植方式交互效應的顯著影響(表2)。3種人工草地土壤含水量沒有顯著差異(圖3)。

圖2 不同種植方式人工草地0～30 cm層土壤養分Fig.2 Changes in soil nutrients in 0～30 cm layer of artificial pasture under different planting patterns

圖3 不同種植方式人工草地土壤含水量Fig.3 Changes in soil moisture content of artificial grassland under different planting patterns

2.3 多年生人工草地植被特征與土壤養分間的相關性

相關性分析結果表明(圖4)，多年生人工草地植被蓋度和生物量間存在顯著正相關關系(P<0.05)，土壤硝態氮、全氮、速效磷和全磷之間存在極顯著正相關關系(P<0.01)，土壤硝態氮和全氮、速效磷之間存在極顯著正相關關系(P<0.01)，土壤銨態氮和有機質之間存在極顯著負相關關系(P<0.01)，和速效磷之間存在顯著正相關關系(P<0.05)，土壤全氮和有機質之間存在顯著負相關關系(P<0.05)，和速效磷之間存在極顯著的正相關關系(P<0.01)，土壤有機質和速效磷之間存在顯著負相關關系(P<0.05)。

表2 土壤養分對土壤深度和種植方式的響應Table 2 The differences in soil nutrients among soil depth and planting patterns

圖4 多年生人工草地土壤養分與植被特征的關系Fig.4 Relationship between soil nutrient and vegetation characteristics of perennial artificial pasture注：*，**表示在0.05和0.01水平下相關性顯著。BM，生物量；VH，高度；CV，蓋度；TP，全磷；NN，硝態氮；AN，銨態氮；TN，全氮；OM，有機質；AP，速效磷；SW，土壤含水量Note：*,** indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 levels,respectively. BM,Biomass;VH,Vegetation height;CV,Coverage;TP,Total phosphorus;NN,Nitrate nitrogen;AN,Ammonia nitrogen;TN,Total nitrogen;OM,Organic matter;AP,Available phosphorus;SW,Soil moisture content

3 討論

建植人工草地的目的一方面是為家畜提供優質飼草，發揮生產功能，另一方面是恢復退化草地，發揮生態功能[16]。選擇適宜的草種及其種植方式是科學配置人工草地生產與生態功能、保證草地生態系統多功能性的前提。一年生植物覆蓋地表時間較短且每年需進行土壤翻耕，土壤翻耕后長達6—8月的地表裸露期容易引起土壤風蝕沙化。自上世紀80年代以來，研究人員對適用于恢復退化草地的多年生植物種質資源開展了大量探索工作，并發現莎草科和豆科植物因區域自然條件限制、生境的不適宜性及種質資源難獲得等原因很難應用于退化草地恢復[12]，而多年生禾本科植物是退化草地改建人工草地的理想植物[30-31]，且在種植時采取的多年生禾草草種組合在種間或種內關系良好的情況下，人工草地具有更高的產量與恢復效果[32]。

青海草地早熟禾和青海中華羊茅是青藏高原地區優良的多年生禾本科鄉土草種，在退化草地治理和引種栽培等方面被證實具有良好的生態和生產效益[21,23]。本研究中，在青海湖流域，相比青海中華羊茅單播，青海草地早熟禾單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播具有更高的生物量和蓋度，而植株高度在各處理間并無顯著差異。這主要與兩種植物的生物學特性有關，青海草地早熟禾為根莖疏叢型牧草[33]，其相較于疏叢型的青海中華羊茅葉量更為豐富和發達，繁殖更為迅速。光照是植物生長的重要環境因子，植物形態學構建和光合產物的形成都離不開光照[34-35]。本研究中，各處理在光資源競爭方面具備相同的優勢，表明青海草地早熟禾和青海中華羊茅在單播或混播時均有良好的種間關系和種內關系。大量研究表明，混播草地具有超產效應[36-37]。本研究中，青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播草地在8月的草產量高于青海草地早熟禾單播草地，顯著高于青海中華羊茅單播草地，表明混播草地在8月時物種生態位互補優勢更加明顯，青海草地早熟禾屬下繁草，青海中華羊茅為半上繁草，兩者分區獲取資源，增加了有機物的積累，提高了飼草產量。

土壤作為草地生態系統營養物質循環的載體，對草地生態系統功能的形成和生態系統服務的發揮起著非常重要的作用[38-39]；其養分特征是影響牧草產量與品質的主要因素，也是評價退化生態系統功能恢復的重要指標。通常情況下，相比一年生牧草，利用多年生牧草建植人工草地更有利于土壤養分的恢復與積累[40]。而不同多年生牧草品種在土壤養分利用方面存在相似性或差異性，因此在不同種植方式下土壤養分存在一定異同點[41]。目前，大多數研究主要針對禾豆混播體系土壤養分的變化，且研究結果普遍表明禾豆混播更有利于土壤養分積累[42-43]，但豆科優良牧草在高寒地區受水熱條件等因素限制不能很好的生長繁殖，不適合用于高寒地區人工草地建植。本研究中，不同種植方式下多年生禾本科人工草地土壤養分差異不大。在相同土壤深度下，青海草地早熟禾單播、青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播草地土壤有機質、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮和土壤含水量并無顯著差異，即種植方式對土壤養分沒有顯著影響。這與侯憲寬對高寒地區單播及混播人工草地土壤特征的研究結果一致[44]。因此，相似的土壤養分狀況能為不同類型的草地提供同樣的營養元素供給。

植被和土壤一體兩面，既相對獨立又相互聯系[45-46]，土壤可以為植物的生長提供物質基礎，反之植被對土壤也可產生作用[47]。在本研究中，多年生人工草地蓋度與生物量，硝態氮、全氮、速效磷與全磷，全氮、速效磷與銨態氮之間存在顯著的正相關關系，全氮、銨態氮、速效磷與有機質之間存在顯著負相關關系，表明在土壤滿足植被生長的基本需求的前提下，建植兩年的青海草地早熟禾單播、青海中華羊茅單播和青海草地早熟禾青海中華羊茅混播草地生產力并不受土壤礦質元素的限制，而各類型的氮素和磷素及土壤有機質間存在顯著的關聯性和協調性，氮磷的平衡對于維持該草地土壤肥力水平具有重要作用，有機質的含量也可以顯著的影響到土壤氮素和磷素的存在狀態及含量。

4 結論

本研究發現，種植方式顯著影響了青海湖流域多年生人工草地的植被特征，而對土壤養分含量沒有顯著影響。在牧草生長旺季，相比青海草地早熟禾單播和青海中華羊茅單播，青海草地早熟禾+青海中華羊茅混播有更高的生物量。種植方式并不會對3種多年生人工草地建植第2年的土壤有機質、全氮、全磷、銨態氮、硝態氮、速效磷和土壤含水量有顯著影響，但要注意協調各氮磷要素間的均衡關系，以利于高寒人工草地產量的穩定性和高產性。