有機肥對高寒退化草甸群落特征及其品質的影響

收稿日期：2024-01-11；修回日期：2024-04-10

基金項目：甘肅省林草局草原生態修復治理科技支撐項目（GSLC-2020-3，LCJ20210021），甘肅省科技計劃項目（20JR10RA564）資助

作者簡介：張才忠（1999-），男，漢族，甘肅景泰人，碩士研究生，主要從事生態修復研究，E-mail：2681421367@qq.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：baixm@gsau.edu.cn

摘要：通過探討有機肥對高寒退化草甸群落特征及牧草品質的影響，篩選最佳施肥量，為高寒退化草甸修復提供理論依據。本文以天祝高寒退化草甸為對象，于2022年采用了兩種不同有機肥（羊糞和牛糞）及不同施肥量（1，2，3和4 kg·m^-2）和不同施肥方式（單施羊糞、單施牛糞和牛羊糞混施），分析不同有機肥處理對草地群落特征和牧草品質的影響，并運用主成分分析和模糊隸屬函數法綜合評價肥效，篩選該區域施用有機肥最佳方案。結果表明：在高寒退化草甸施肥時，三種肥料均在2～3 kg·m^-2施量時，可以提高群落生物量、蓋度、牧草粗蛋白和粗脂肪含量，維持草地物種多樣性，綜合評分排名較高，牛羊糞混施3 kg·m^-2的施量提高了草地生產力，改善了牧草品質，對高寒退化草甸恢復有積極作用，可作為修復高寒退化草甸的參考。

關鍵詞：有機肥；不同梯度；高寒退化草甸；群落特征；牧草品質

中圖分類號：S141 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0435（2024）10-3272-08

Effects of Organic Fertilizers on Community Characteristics and Forage Quality of Alpine Degraded Meadow

ZHANG Cai-zhong， BAI Xiao-ming^*， YAN Yu-bang， ZHU Ya-nan， LI Juan-xia， RAN Fu，

HE Lin-lin， Wu Ting-da， ZHU Qi-meng

（College of Pratacultural Science， Gansu Agricultural University; Key Laboratory of Grassland Ecosystem， Ministry of Education;

Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province;Sino-U.S.Center for Grassland Ecosystem Sustainability， Lanzhou，

Gansu Province 730070， China）

Abstract：By exploring the effects of organic fertilizers on the community characteristics and forage quality of alpine degraded meadow，the optimal fertilization amount was selected to provide theoretical basis for the restoration of alpine degraded meadow. In this study，we took Tianzhu alpine degraded meadow as the object，and adopted two different organic fertilizers （sheep manure and cow dung） with different fertilization amounts （1，2，3 and 4 kg·m^-2） and different fertilization methods （sheep manure alone，cow dung alone and mixed application of sheep manure and cow dung） in 2022. The effects of different organic fertilizer treatments on grassland community characteristics and forage quality were analyzed，and the fertilizer efficiency was comprehensively evaluated by principal component analysis and fuzzy membership function method，and the optimal plan for applying organic fertilizer in this region was screened. The results showed that：In the application of 2-3 kg·m^-2 in alpine degraded meadow，the three kinds of fertilizers could improve community biomass，coverage，crude protein and crude fat content of forage，maintain grassland species diversity，and had a high comprehensive score ranking. The application of 3 kg·m^-2 combined with cattle and sheep manure can improve grassland productivity and improve forage quality. It has a positive effect on the restoration of alpine degraded meadow and can be used as a reference for the restoration of alpine degraded meadow.

Key words：Organic fertilizer;Different gradients;Alpine degraded meadow;Community characteristics;Forage quality

青藏高原是世界上最著名的放牧生態系統，大約有1.3億hm²的牧場和7000萬頭的家畜^［1］，分布海拔高度達3200～5500 m，高寒草甸占青藏高原草原面積的49%^［2］，其不僅具有水土保持、防風固沙和維持生物多樣性等生態功能，還是我國傳統牧業的重要畜牧基地，在生態系統中有著重要的地位，也是高原牧民放牧的重要場所^［3］。但近幾年，人類過度開發及利用草原，超出了草原的負載能力，導致我國90%的天然草原都出現了退化現象^［4-5］；且由原來的輕度退化逐漸演變為中度或重度退化，草原沙化日趨嚴重，草原涵養水源功能下降，生物多樣性和物種豐富度減少，土壤質地變差，土壤養分流失^［6-7］，增加了全球變暖的可能性^［8-9］；且草原多為河流的發源地，草原的退化嚴重影響了中下游水土流失，造成了嚴重的生態系統破壞；究其根本原因是草地營養元素的輸出和輸入不平衡^［10-11］。

施肥是高寒退化草甸改良的有效途徑^［12-15］。草地施肥通過外施肥料的方法，提高土壤肥力，增加草地優勢種的競爭，改善草地群落結構及提高牧草品質^［16］，對退化草地有顯著影響。目前，我國草地施肥多選用化肥，化肥的養分較為單一，大量施用短期內會促進牧草生長，但過多施用會造成土壤板結酸化、鹽漬化^［17］；而有機肥作為一種養分較為全面的肥料，雖然見效慢，但所含營養物質較多，施肥后提高了土壤的氮礦化率，增加了土壤有機質，加快了植物生長，提高了草地生產力、群落高度和蓋度等，進而導致生物群落發生變化^［18］；還能通過提高牧草粗蛋白、粗脂肪等含量及降低粗纖維含量提高牧草品質及其抗性^［19］；且有機肥具有對高寒生態環境破壞較小、來源較廣、數量大和價錢便宜等優點，可作為高寒退化草甸修復的良好經濟肥料。

目前，高寒退化草甸修復所用肥料多集中于無機肥的施用^［6，13］，有機肥在農業生產中的應用較為普遍且有著重要位置，但在高寒退化草甸的改良中應用較少。因此，本試驗旨在通過探究有機肥及其不同施量對高寒草甸的群落結構和牧草品質的影響，明確其對天祝高寒退化草甸的影響，找到較為適合的施肥方式，從而為恢復高寒退化草甸做出指導意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究在甘肅農業大學天祝草原站進行，其位于祁連山東端，屬青藏高原地區，地理位置為（102°17′～103°40′ E，36°30′～37°35′ N），海拔2960 m，氣候寒冷，年均氣溫0.0℃，年日照2553 h，年降水量400 mm，年蒸發量1398 mm，僅7—8月份的日平均氣溫>10℃；無霜期30 d，但野生牧草仍有130 d的生長期。

研究區為高寒草甸，試驗前為多年放牧草地，草地輕度退化，植被覆蓋度減少，土壤貧瘠，植物種類相對單一，以禾本科植物為主，主要植物有矮生嵩草（Carex alatauensis S. R. Zhang）、針茅（Stipa capillata L.）、賴草［Leymus secalinus（Georgi）Tzvelev］、黃花棘豆（Oxytropis ochrocephala Bunge）、扁蓿豆［Medicago ruthenica（L.） Trautv.］和翻白草（Potentilla discolor Bunge）等植物。

1.2 試驗設計

采用隨機區組試驗設計，于2022年5月在草地返青前一次性集中施肥，處理后不干擾草地，直到測定數據。試驗前調查樣區植被群落特征、地勢和土壤狀況，選擇地勢較為平坦且有圍欄的區域，清理區域內的牲畜糞便。試驗所用腐熟有機肥均為顆粒和粉末混合狀，粒徑<1 cm，含氮量13.80～13.89 g·kg^-1，試驗設單施羊糞、單施牛糞和羊糞+牛糞混施3種施肥方式；參照前人研究^［20-21］，以無有機肥施入草地為對照（CK），每種方式設置4個處理梯度，分別為1，2，3和4.00 kg·m^-2，共13個處理，如表1所示。每個處理3次重復，共39個小區，小區面積為3 m×5 m，小區之間相鄰設置1 m的隔離帶，隔離帶不施肥。

1.3 植被調查樣品采集

植被調查和樣品采集于植被生長季結束（9月）進行，在每個處理的每個小區內隨機選擇生長均勻的區域進行植被調查和取樣，樣方大小為0.5 m×0.5 m，植被調查包括群落高度、蓋度和物種數，隨后，將樣方內所有植物的地上部分齊地面刈割，裝進信封袋，帶回實驗室在105℃下殺青30 min，在80℃下烘干至恒重，并稱其質量，獲得植被地上生物量。將烘干樣品粉碎，用于牧草品質的測定。

1.4 測定指標與方法

植物種數：采用目測法；

植物高度：采用直尺測定；

群落蓋度：采用針刺法;

地上生物量：采用稱重法；

粗蛋白（CP）：凱式定氮法^［22］；

粗脂肪（EE）：索氏抽提法^［22］；

粗灰分（CA）：高溫灼燒法^［22］；

中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）：范氏（Van Soest）洗滌纖維分析法測定^［22］。

1.5 數據處理及評價方法

物種多樣性^［16］：物種豐富度（R）：物種豐富度以每個樣方內出現的所有物種數計算；

Shannon-wiener多樣性指數（H）：

H=-∑PilnPi；

Pielou均勻度指數（E）：E=H/lnS；

式中：P為物種重要值，S為植物物種數，重要值=（相對高度+相對蓋度+相對生物量）/3。

相對飼喂價值（RFV）：RFV=DDM×DMI/1.29;

式中：DDM（干物質消化率）=88.9-0.779×ADF；DMI（干物質采食量）=120/NDF。

主成分綜合模型計算公式為F=∑nk=1Fλ，主成分分析中各主成分F=∑nk=1AZ；

式中：i=1，2，3，…，n；A為特征向量，Z為各指標標準化值；λ為第i個主成分的方差貢獻率占總提取方差貢獻率的比重；F值越大，綜合影響越好。

隸屬函數值（D）：為各處理指標隸屬函數值的平均值；

指標與牧草品質呈正相關隸屬函數公式為：μ（Xj）=（Xj-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）;

呈負相關公式為：μ（Xj）=1-（Xj-Xjmin）/（Xjmax-Xjmin）;

式中：Xj表示第j個指標值，Xjmin表示第j個指標的最小值，Xjmax表示第j個指標的最大值，D值越大，綜合影響越好。

綜合評價：主成分分析排序和隸屬函數分析排序結果的綜合排名代表施肥處理對高寒退化草甸的影響，排名越靠前越好。

采用Excle 2007整理數據，應用SPSS 21.0對所有數據進行進行單因素方差分析，數據用平均值±標準誤表示，運用主成分分析及隸屬函數進行綜合評價，圖表采用Excel 2007軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 施肥對天祝高寒草甸群落特征的影響

2.1.1 群落地上生物量 由圖1可知，不同有機肥處理的地上生物量隨施肥梯度的增加均呈現先增長后降低的趨勢，且均與CK差異顯著（P<0.05）。其中，YF和NF處理的地上生物量在SL3梯度下最大，較CK增加了90.31%和79.55%；HH處理的生物量在SL2梯度下最大，較CK增加了115.43%。YF和NF處理地上生物量在SL1梯度下增幅最小，較CK增加了34.68%和32.37%；HH處理生物量在SL4梯度下增幅最小，較CK增加了55.97%。

2.1.2 施肥對天祝高寒草甸群落總蓋度的影響 從圖2可知，不同處理的群落蓋度隨施肥梯度的增加整體呈現逐漸減小的趨勢。YF處理在SL2梯度總蓋度最大，為95.67%，較CK總蓋度增加了0.70%；NF和HH處理均在SL1梯度總蓋度最大，分別為97.50%和97.00%，較CK總蓋度增長了2.63%和2.10%。不同處理的SL4梯度群落蓋度較CK均減少，分別減少了3.68%，2.81%和2.63%。

2.1.3 施肥處理對天祝高寒草甸群落物種多樣性的影響 由表2可知，YF處理的SL1梯度物種豐富度最大且與CK差異顯著（P<0.05），較CK增加了36.21%；NF處理不同施肥梯度的物種豐富度均高于CK，在SL1梯度物種豐富度最大，較CK增加了14.90%；HH處理的SL3梯度物種豐富度最大，較CK增加了6.40%。不同施肥處理的Shannon-wiener多樣性指數均與群落均勻度變化不大，YF和HH處理在SL1梯度Shannon-wiener多樣性指數均最高，分別為1.56和1.63；NF處理在SL2梯度最高，為1.63；YF和NF處理物種均勻度均在SL4梯度最高，較CK分別增加了5.00%和3.75%；HH處理物種均勻度在SL1梯度最高，較CK增加了5.00%。

2.2 不同施肥處理對天祝高寒草甸牧草品質的影響

2.2.1 牧草粗蛋白含量 如圖3所示，YF、NF和HH處理的不同梯度的粗蛋白含量較CK均有所增加，增幅在1.71% ～ 16.16%之間；粗蛋白含量隨施肥梯度的增加均呈現先增后減的趨勢，且不同處理的粗蛋白含量均在SL3梯度最大，且與CK差異顯著（P<0.05），較CK分別增加了16.16%，14.07%和13.69%。

2.2.2 牧草粗脂肪含量 如圖4所示，不同處理的牧草粗脂肪含量較CK均有所提高；整體上粗脂肪含量隨施量的增加呈現先增后減的趨勢，增幅在3.54%～17.07%之間。YF處理粗脂肪含量SL2梯度最大，較CK增加了17.07%；NF和HH處理粗脂肪含量在SL3梯度最大，較CK增加了9.83%和9.43%。

2.2.3 牧草粗灰分含量 如圖5所示，不同施肥處理的粗灰分含量均增加。YF處理粗灰分含量隨著施肥梯度的增加呈現先增后減的趨勢，在SL3梯度粗灰分含量最大，較CK增加了13.76%；NF處理的粗灰分含量隨施肥梯度的增加呈現遞增的趨勢，在SL4梯度下最大，且與CK差異顯著（P<0.05），較CK增加了10.49%；HH處理的粗灰分含量隨著施肥梯度的增加呈現先增后減的趨勢，在SL3梯度下最大，且與CK差異顯著（P<0.05），較CK增加了12.26%。

2.2.4 牧草粗纖維含量及相對飼喂價值 由表3可知，YF處理的牧草中性洗滌纖維在SL1梯度下最小，為54.49%；NF處理的牧草中性洗滌纖維在SL2梯度下最低，為56.68%；HH處理的牧草中性洗滌纖維在SL4梯度最低，為57.54%。YF處理的牧草酸性洗滌纖維在SL4梯度最小，為19.85%，較CK減少了10.50%；NF處理SL1梯度酸性洗滌纖維最小，為19.70%，較CK減少了11.18%；HH處理在SL1梯度酸性洗滌纖維最小，為23.48%，較CK增加了5.86%。不同處理的牧草相對飼喂價值均有所減少；YF和HH處理的相對飼喂價值均在SL4梯度最大，為122.26%和111.69%；NF處理的相對飼喂價值在SL1梯度最大，為116.06%。

2.3 不同施肥處理對天祝高寒退化草甸影響的綜合評價

應用主成分分析法和模糊隸屬函數分析法，以群落特征和牧草品質為指標，對高寒退化草甸進行綜合評價。如表4所示，采用主成分降維的方式，以“特征值>1”為標準，提取了4個主成分；F1、F2、F3和F4為各主成分的得分；F為各處理主成分綜合得分情況；F值越大代表處理對高寒草甸的恢復效果越好；排序1為主成分分析綜合得分由大到小排序。不同肥料均在SL2和SL3梯度的綜合排序較前；其中，HH處理的SL3梯度在不同處理中排序最大。D為各處理指標平均隸屬函數得分情況；D值越大代表處理對高寒草甸的恢復效果越好；排序2為隸屬函數分析綜合得分由大到小排序；不同肥料均在SL2和SL3梯度的綜合排序靠前；其中，HH處理在SL1梯度的排序最大。

對兩種分析方法排序結果進行總排名，排名越靠前對高寒草甸影響越大，不同處理均在SL2和SL3梯度的得分較高，HH處理的SL3梯度綜合得分排名第一，綜合評價最好。

3 討論

近幾年，人類過度放牧及其他因素導致天祝高寒草甸植被結構被破壞，使其出現了不同程度的退化。施肥是恢復高寒草甸較好的有效途徑^［23］。植物地上生物量和蓋度是反映生態環境質量、草地生長狀況和生長潛力的一個重要指標，還可以反應退化草地恢復效果。本研究表明，不同施肥處理均顯著提高了高寒草甸的群落地上生物量，這與前人的研究結果具有一致性^［24-26］。其中，有機肥在1.00～3.00 kg·m^-2的施量下，群落地上生物量隨施量的增加呈遞增的趨勢，說明一定量的施肥對提高草地生產力有積極的影響，這與都耀庭等^［27-28］的研究結果相似。4.00 kg·m^-2的施量降低了群落地上生物量，可能是隨施肥量增加，肥料覆蓋土壤表層過厚，在垂直空間結構上，阻礙了低矮植物的生長，或隨著施量的增加，小區肥料施撒不均，出現堆積現象，在水平空間結構，堆積點植物生長受到了影響^［29］；也有可能由于短期施肥，土壤吸收的肥料養分到達了閾值，植物根部吸收達到了飽和，進而反饋給植物的地上部分也到達了閾值。三種有機肥一定的施肥量均增加了群落蓋度，這與張玉芳等^［30］研究結果相似。物種多樣性可以反映草地生態系統的持續性和穩定性，與組成物種本身的特性有關^［31］。隨著施肥量的增加，草地群落物種Shannon-wiener指數、豐富度和均勻度指數均表現為降低趨勢^［32-34］。但本研究發現，草地群落物種Shannon-wiener指數、豐富度和均勻度指數均與CK差異不顯著，施用有機肥短期內不會改變群落物結構，其原因可能是由于試驗區物種基數低，種間競爭和群落物種競爭引起的負效應遠低于施肥引起的正向驅動^［35］，這與Czobel等^［36-37］研究結果相似，說明施肥可以維持當年高寒草甸物種多樣性。

施肥通過增加表層土壤的養分，恢復草地生產力，進而提高牧草品質。粗蛋白、粗脂肪和粗灰分是評價牧草品質的重要指標^［38］。本研究中，不同處理均提高了牧草粗蛋白、粗脂肪和粗灰分的含量，這與前人的研究結果基本一致^［39-40］。在2.00～3.00 kg·m^-2的施肥量下牧草養分含量較高，說明一定量的有機肥可以提高牧草養分含量，這與王辛有等研究結果相似^［41］；在4 kg·m^-2的施量下，其含量較其余梯度有所降低，說明過高的有機肥盡管可以提高牧草養分含量，但出現了肥料浪費。牧草的粗蛋白含量越高、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量越低，牧草品質越高^［42］；本試驗不同處理提高了牧草中性和酸性洗滌纖維含量，這與符佩斌等^［43］的研究結果相似，可能是施肥當年有利于粗纖維含量較高的禾本科牧草的生長，在一定程度上加快了禾本科牧草酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的積累，使群落整體纖維含量較高^［44-45］。本研究中，群落相對飼喂價值在不同處理均降低，與已有研究結果不同^［46］。草地恢復是個漫長的過程，牧草的品質與取樣時期及群落物種組成等有關，短期內一個指標的變化不能全面的評價草地恢復效果，還需要多個指標綜合及連續多年從施肥對高寒草地的宏觀和微觀調控方面來探究^［47］。

主成分分析是通過線性降維技術將多個原始變量數據進行處理，把多個相關變量轉換成幾個綜合變量來反映整個數據集的評價方法，可以有效避免人為主觀因素評判和原始數據量綱不同的影響^［48-49］；模糊綜合評價方法是利用模糊線性變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其做出合理的綜合評價^［50-51］。本文以群落特征和牧草品質為指標，通過主成分分析和隸屬函數分析，對不同肥料及其施量進行評價排序，結果表明，HH處理的3.00 kg·m^-2的施量在主成分分析綜合排序第一，在隸屬函數分析綜合排序第二，綜合排名第一，對草地產生了較好的影響，可以作為高寒草甸修復的參考。不同的評價方法因分析方法不同，產生的結果不同，但通過繁瑣的計算均對此研究課題研究提供了理論支持^［52］。

草地施肥的肥料還應根據當地環境選擇。天祝縣牲畜飼養量較大且種類較多；一年可飼養牛22.23萬頭、羊150.26萬頭^［53］，羊群數量較大，所產羊糞較多，因此，草地施肥應選較好施量的羊糞，牛羊糞的混合有機肥料增加了人力輸出，可在有條件的情況下選用。本研究中，未將肥料和人工成本與修復效果相結合，未來我們應該加入肥料的成本、人力的輸出及環境影響等綜合因素來分析草地修復的效果^［54-55］。

4 結論

本研究通過在高寒草甸施用有機肥施發現，羊糞、牛糞及牛羊糞混施均可以提高草地生產力，改善牧草品質，短期內維持草地群落多樣性，且三種肥料在2.00～3.00 kg·m^-2的施量時，提高了群落生物量、蓋度、牧草粗蛋白和粗脂肪含量，其中，混施肥料處理3.00 kg·m^-2的施量對高寒退化草甸群落特征及牧草品質的綜合得分最高，可作為修復天祝高寒退化草甸的參考。

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（責任編輯 彭露茜）