商品有機肥對不同坡向退化高寒草甸土壤特性的影響

摘要：為研究有機肥施用量對黃河源區斑塊化退化高寒草甸土壤特征的影響，我們在青海省河南蒙古族自治縣多松鄉陽坡和陰坡樣地的斑塊化退化高寒草甸，分別設置0 g·m-2（CK），150 g·m-2（M1），450 g·m-2（M2），750 g·m-2（M3），1050 g·m-2（M4），1350 g·m-2（M5）6個商品有機肥施用量梯度，測定土壤養分、微生物生物量、酶活性以及微生物多樣性的變化特征。結果顯示：陽坡退化高寒草甸土壤呈弱堿性，有機肥不同處理下的土壤理化性質無顯著變化。陰坡退化高寒草甸土壤pH值呈中性，土壤有機碳、土壤全氮和土壤全磷含量M4處理較CK處理顯著提高。在試驗樣地中土壤微生物生物量碳、氮、磷含量在有機肥不同施用量下無顯著變化。陽坡樣地土壤β-1，4-葡萄糖苷酶在M5處理下達到最大值。通過灰色關聯度綜合分析得出在陽坡樣地最佳商品有機肥施用量為450 g·m-2，陰坡樣地有機肥最佳施用量為1050 g·m-2，該用量在恢復斑塊化退化高寒草甸土壤理化性質、酶活性和微生物多樣性方面具有明顯的效果。

關鍵詞：有機肥；高寒草甸；土壤理化性質；土壤微生物生物量；土壤酶活性；微生物多樣性；灰色關聯度

中圖分類號：S812.2""" 文獻標識碼：A"""" 文章編號：1007-0435（2024）08-2638-10

Effects of Commercial Organic Fertilizers on Soil Characteristics in Different

Slope Aspects of a Degraded Alpine Meadow

XU Wen-yin1，2， MA Yun-qiao1， CHAI Yu1， DUAN Cheng-wei1， BA Yi-chen1， ZHANG Jing1， LI Xi-lai1*

（1.College of Agriculture and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 810016， China;

2.Jiayugua Bureau of Forestry and Grassland， Jiayuguan， Gansu Province 735100， China）

Abstract：This study aims to assess how organic fertilizer dosage affects soil characteristics in two different slopes （sunny and shady） in restoring patchily degraded alpine meadows. Six commercial organic fertilization gradients of 0 g·m-2 （CK），150 g·m-2 （M1），450 g·m-2 （M2），750 g·m-2 （M3），1050 g·m-2 （M4），1350 g·m-2 （M5） were set up in a patchily degraded alpine meadow in Duosong Township，Henan Mongol Autonomous County，Qinghai Province，so as to clarify the optimal organic fertilizer dosage for effective restoration of a patchily degraded alpine meadow and its influencing mechanism on the soil characteristics in the source zone of the Yellow River. We determined the changes in soil nutrients，microbial biomass，enzyme activity and microbial diversity in relation to fertilizer dosage. The results showed that：（1） The degraded alpine meadow soils on the sunny slope were weakly alkaline，and there was no significant change in soil physicochemical properties under different treatments of organic fertilization. The soil pH value of the degraded alpine meadow in the shady sample plots was neutral and the soil organic carbon，soil total nitrogen and soil total phosphorus contents were significantly higher in the M4 treatment than the CK treatment. Soil microbial biomass carbon，microbial biomass nitrogen and microbial biomass phosphorus did not change significantly with the dosage of organic fertilizer. The activity of β-1，4-glucosidase in the soil of the sunny sample plots reached its maximum value in the M5 treatment. The grey correlation analysis showed that the optimal application rate of commercial organic fertilizer was 450 g·m-2 on the sunny slopes，and 1050 g·m-2 on the shady slopes，which was effective in restoring the physicochemical properties，enzyme activities and microbial diversity of patchy degraded alpine meadow soils.

Key words：Organic fertilizer;Alpine meadows;Soil physicochemical properties;Microbial biomass;Enzyme activity;Microbial diversity;Grey correlation

施肥是恢復退化草地最有效的人工修復措施之一，能有效增加草地生產力、改善土壤養分［1］。大量化學肥料的施用會造成土壤養分失調、質量下降、加劇土壤鹽堿化和貧瘠化等多種環境問題［2-4］，有機肥的施用卻不會產生這些問題。據報道單施有機肥能提高土壤有機質含量，豐富土壤有機肥養分，改善土壤理化性質，提供植物生長所需的養分，同時抑制植物害蟲的數量，提高作物的品質和產量［5］，以及提高土壤的酶活性和微生物量與活性［6-7］。目前，很多學者研究了恢復退化草地的有機肥施用量，周學麗等［9］對環青海湖地區退化草地研究發現，80 g·m-2的有機肥施用量有效促進了土壤有益微生物的恢復。馬祥等［10］對青海高寒牧區的研究發現，有機肥施用量為450 g·m-2時顯著提高了燕麥產量和改善土壤理化性質。土壤的理化性質和土壤有機質對養分的周轉起著至關重要的作用，而養分和肥料的平衡施用可以長期提高土壤的生產力。由于草地退化程度、草地類型以及氣候條件等因素的不同，有機肥施用標準也不盡相同。鑒于此，評估短期施用有機肥對退化草地土壤理化性質、酶活性和微生物多樣性的影響將具有重要意義。本研究針對退化高寒草甸恢復治理，進一步試驗探索恢復重度退化的斑塊化退化高寒草甸合理有效的商品有機肥施用量。

在空間尺度上，坡向是影響草地土壤地表蒸發和物質能量交換的重要生態因子［11］。同一地區相同氣候條件下，坡向不同會造成太陽輻射和降水差異，改變土壤水分和養分的空間分布，使水分、養分、溫度、光照等基本生境條件出現差異［12］。陰坡土壤含水量、有機質和有效氮含量等均高于陽坡，而土壤溫度和土壤全氮含量小于陽坡［13］。研究表明，陽坡土壤養分含量和物種豐富度均顯著低于陰坡，喬歡歡等［14］在祁連山山地草甸研究發現陰坡群落的生物多樣性和群落穩定性高于陽坡，張博文等［15］研究認為坡向差異直接影響植物對微域環境采取不同的生存適應策略。因此，研究不同坡向斑塊化退化高寒草甸有機肥施肥量下的土壤養分、微生物和酶活性變化規律，對退化高寒草甸恢復治理具有重要意義。本研究以青海省黃南藏族自治州河南蒙古自治縣多松鄉不同坡向斑塊化退化高寒草甸為研究對象，設置商品有機肥施用量梯度，通過分析不同坡向有機肥施用量下土壤理化性質、微生物量、酶活性等變化特征，以期篩選出適合該地區斑塊化退化高寒草甸有效恢復的最適施肥量，為該區域退化草地治理和青藏高原高寒草地生態系統恢復和持續利用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于青海省黃南藏族自治州河南蒙古自治縣多松鄉，該區域高寒草甸具有典型代表性［16］。按試驗區光照與水分條件選擇陰坡（101°27′35.52″ E，34°25′18.23″ N）與陽坡（101°24′49.00″ E，34°18′46.20″ N）兩個樣地（圖1）。樣地海拔3528～3559 m，氣候類型為典型大陸性高原高寒氣候，年均氣溫為9.2～14.6℃，年降水量597.1～615.5 mm，年平均蒸發量為1349.70 mm。土壤類型為高山草甸土，陽坡植被種類主要包括高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、紫菀（Aster tataricus）、委陵菜（Potentilla chinensis.）、細葉亞菊（Ajania tenuifolia）等；陰坡植被種類主要包括金露梅（Dasiphora fruticosa）矮生嵩草（Kobresia humilis）、委陵菜（Potentilla chinensis）、風毛菊（Saussurea japonica）等。

1.2 試驗設計

2020年5月在研究區陽坡和陰坡樣地選取地勢平坦（坡度均小于5°）的重度退化的斑塊化退化高寒草甸，進行圍封并分別設置0 g·m-2（CK），150 g·m-2（M1），450 g·m-2（M2），750 g·m-2（M3），1050 g·m-2（M4），1350 g·m-2（M5）6個商品有機肥施用量梯度，每個處理設置4個重復，采用隨機區組排列，共有48個面積為2 m×3 m小區，各小區之間設置1 m緩沖帶（圖2）。試驗所用商品顆粒有機肥有機質≥45%，水分≤30%，總養分（N+P2O5+K2O）≥50%，執行標準：NY525-2012。2020—2022年5月采用人工撒施的方式將商品有機肥均勻地施撒各小區內。

1.3 樣品采集與測定

2022年的8月，在試驗區域采用五點取樣法于每個樣方內收集土壤樣本。樣方內表面凋落物去除后，用直徑5 cm的土鉆鉆取0～20 cm深度的土樣，將其混合后裝袋作為試驗土樣。此外，用環刀采集0～20 cm的原狀土樣用于測定土壤容重。用酒精消過毒的取樣勺在各小區四角及中心位置分別取樣，所有的土壤樣品放進冷存管中，存儲在-80℃冰箱，送到檢測公司進行高通量測序。采集的土壤樣品采用四分法均分為兩份：一份為新鮮土樣，用來測定微生物量生物量、碳氮磷相關胞外酶活性以及土壤含水量（Soil moisture content，SWC）；另一份進行陰干處理，挑出礫石、植物殘根后磨碎過2 mm篩選，所獲土壤用不同方法測定土壤有機碳（Soil organic carbon，SOC），土壤全氮（Soil total nitrogen，STN），土壤全磷（Soil total phosphorus，STP）和pH值等土壤理化性質。

土壤容重（Bulk density，BD）用環刀法測定；SWC用烘干法測定；土壤pH值采用土水比1∶5，PHS-3C型pH計電位法測定；土壤化學性質的測定參考《土壤農化分析》［17］：SOC用重鉻酸鉀外加熱法測定；TN用濃硫酸消煮，AA3型連續流動分析儀測定；TP用H2SO4-HClO4消煮，AA3型連續流動分析儀測定；土壤微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）、氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）采用氯仿熏蒸浸提法，TOC儀測定；微生物生物量磷（Microbial biomass phosphorus，MBP）采用氯仿熏蒸浸提，鉬銻抗比色法測定［17］；使用對硝基苯酚底物分光光度法［18-19］測定土壤β-1，4-葡萄糖苷酶（β-1，4-glucosidase，BG）、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶（N-acetyl-β-D- aminoglucosidase，NAG）、亮氨酸氨基肽酶（Leucine aminopeptidase，LAP）和堿性磷酸酶（Alkaline phosphatase，AP）活性，土壤酶活性的單位為nmol·h-1·g-1 干土。

1.4 最優有機肥施用量綜合評價方法

基本原理：在解決客觀世界的若干現實問題時，因其系統內的機理尚未完全清晰，系統內各因素間無法定量描述，難以準確獲悉其內在特征，該類問題即屬于灰色系統的研究范疇。灰色系統將無規則的或隨機的變量看作一定范圍的灰色量，按一定的方法將數據進行處理，尋找各因素數據間或數據本身的數學關系［20］。據此，灰色關聯分析法被提出，該方法根據各變量間發展態勢的相關程度來分析各變量之間的關聯度，可以進一步區分各變量對系統影響的程度。

本研究利用灰色關聯度分析法綜合評價影響斑塊化退化高寒草甸恢復的6個商品有機肥施用量梯度的強弱、大小和次序。將商品有機肥施用后土壤pH，SOC，TN，TP，MBC，MBN，MBP，BG，NAG，LAP，AP，細菌豐富度指數，細菌Chao1指數，細菌香農指數，真菌豐富度指數，真菌Chao1指數和真菌香農指數這些指標作為一個灰色系統，每一指標為系統中的一個元素。評價方法共有四步：

第一步：確定“參考值”為（母序列）：

X0k=（X01，X02，…X0n）

其中：X0（k）為母序列；k為每個元素的特征量

第二步：對數據進行初值化及無量綱化處理。由于相關數據的綱量不盡相同，很難直接比較，為了便于比較，需要對它們進行無量綱化處理，本文選擇初值化。初值化處理公式為：

Xik=XikXi1，（k=0，1，2，···，m）

其中：Xi（k）為第i指標第k值；Xi（1）為第i指標第1值；m為指標個數。

第三步：計算關聯系數，關聯系數表示有機肥不同施用量與斑塊化退化高寒草甸恢復效果的相關程度；

ξi（k）=miniminkX0（k）－Xi（k）+ρmaximaxkX0（k）－Xi（k）X0（k）－Xi（k）+ρmaximaxkX0（k）-Xi（k）

其中：ρ為分辨系數，ρ數值越小，關聯系數間的差異越大，分辨能力越強；取值范圍＼[0，1＼]，常規取值0.5。兩級最小極差和兩級最大極差分別為：

miniminkX0k－Xik

maximaxkX0k－Xik

第四步：結合關聯系數值計算各指標的關聯度，指標關聯度越大說明對斑塊化退化高寒草甸恢復的影響越大，反之則越小。

ri=1n∑nk=1ζik

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2016進行數據錄入和處理；運用IBM SPSS Statistics 26.0軟件進行數據統計分析：采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對短期有機肥不同施用量下的土壤養分、土壤微生物量，碳、氮和磷含量和土壤胞外酶活性進行顯著性分析，Duncan’s法進行多重比較，顯著性水平為0.05。采用Origin 2022軟件繪制柱形圖。通過灰色關聯度分析法全面評價影響恢復不同坡向斑塊化退化高寒草甸的最佳有機肥施用量。

2 結果與分析

2.1 有機肥不同施用量下土壤理化性質

由表1可知，陽坡樣地退化高寒草甸有機肥不同處理下土壤均呈弱堿性，SWC隨著有機肥施用量的增加呈下降趨勢，土壤pH，BD，SOC和STN在各處理間無顯著差異。M5處理下的STP含量最大，達0.71 g·kg-1。

陰坡樣地退化高寒草甸SWC和BD在各處理間均無顯著差異。土壤pH呈中性，隨著有機肥施用量的增加表現為增加的趨勢，在M5處理下達到最大值。SOC、STN和STP含量在施肥處理后較CK有所提升，在M4處理下最高，分別為67.74，3.87和0.67 g·kg-1。

2.2 有機肥不同施用量下土壤微生物生物量的特征

由圖3所示，陽坡樣地土壤微生物生物量在有機肥不同施用量下僅MBC存在顯著差異（Plt;0.05）。M2和M5處理下MBC含量顯著高于M3處理。MBN和MBP含量在各處理間無顯著差異。陰坡樣地土壤微生物生物量在有機肥不同施用量間無顯著差異。

2.3 有機肥不同施用量下土壤酶活性的特征

由圖4可以看出，有機肥施用量對陽坡、陰坡退化草甸的土壤胞外酶活性影響不同。陽坡草地中，M5處理顯著增加了土壤BG酶活性（Plt;0.05），NAG酶活性在M2，M3處理間存在顯著差異（Plt;0.05），各處理間土壤LAP和AP酶活性無顯著差異。陰坡草地中，與CK相比M1處理顯著降低了土壤AP酶活性（Plt;0.05），各處理間土壤BG，NAG和LAP酶活性均無顯著差異。

2.4 有機肥不同施用量下土壤微生物α多樣性

土壤微生物α多樣性分析表明，退化高寒草甸土壤細菌和土壤真菌在陰陽兩塊樣地間均無顯著差異（圖5）。土壤細菌和真菌的豐富度指數（Observed Richness）、Chao1指數（Chao1 Index）、香農指數（Shannon Index）在各施肥量處理間差異均不顯著。

2.5 不同坡向斑塊化退化高寒草甸最佳有機肥施用量

結合關聯系數結果進行加權處理，最終得出關聯度值，使用關聯度值針對18個評價對象進行評價排序；關聯度值介于0～1之間，該值越大代表其與“參考值”（母序列）之間的相關性越強，也即意味著其評價越高。針對本次6個評價項分析對比，得出陽坡樣地M2處理的綜合評價最高（關聯度為：0.84），其次是M5處理（關聯度為：0.82）。陰坡樣地M4處理的綜合評價最高（關聯度為：0.89），其次是M5處理（關聯度為：0.83）。

3 討論

有機肥含有豐富的有機質，同時也可為植物提供氮、磷、鉀等無機養分［21］。土壤理化性質是評估土壤質量的一個重要指標。長期使用有機肥有利于整體改善土壤狀況，對土壤的理化性質產生影響，但短期內無法發揮顯著的效果［22-23］。不同劑量的有機肥對不同的土壤理化性質有不同的影響（表1）。已有研究表明，有機肥施用可以保持土壤pH穩定，減緩土壤的酸化進程［24-25］，這與本研究的結果相一致。孫建等［26］研究結果表明，施用有機肥后土壤容重降低，有利于改善土壤環境，促進植物生長，而本研究發現有機肥施用后土壤容重無顯著變化，這可能是本研究施肥年限較短，有機肥施用在短期內效益難以發揮，不能較快的影響土壤容重。受地形、氣候和環境因素的影響，連續施肥對土壤有機碳的影響在陰陽坡有明顯差異，高欣等［27］對連作花生田土壤的研究發現，合理有機培肥能夠提高土壤有機碳含量。也有研究指出，相較于陰坡，陽坡能夠獲得更多的太陽輻射，陽坡較高的溫度促進了蒸散發，降低了土壤水分有效性，進而會對養分分解產生抑制［28］。本研究結果與其相一致，在陽坡樣地退化高寒草甸CK處理下與短期施用有機肥各處理間的SOC，STN和STP含量變化規律相同，陰坡樣地退化高寒草甸短期施肥后土壤SOC隨著施肥量的增加總體呈上升趨勢，但各處理間差異不顯著。這主要是本研究開展在青藏高原，由于其氣候環境較為寒冷，有機質礦化分解速率慢，由于高寒地區水分對養分分解影響較大造成陰坡樣地養分變化較大［29］。

土壤微生物作為生態系統的主要分解者，直接參與多種生化反應，在養分循環過程中扮演至關重要角色［30］。土壤微生物量作為土壤生物活性和土壤肥力的標志［31］，其含量在一定程度上反映著土壤速效養分同化和有機養分礦化能力［32］。前人研究表明，施用有機肥可以顯著提高土壤微生物量［33-34］。本文研究表明，退化草甸陽坡樣地在施了有機肥后短期內增加了土壤MBC含量，這是因為有機肥添加不僅為微生物生長提供了能量和營養，也改善了土壤通氣性，從而提高土壤微生物的活性，使其能有效地利用和分解有機物［35］。在陰坡樣地，短期施肥后有機肥各處理與CK無顯著差異，這可能是由于陰坡溫度較低，養分分解速率慢，短期內微生物量變化未達到顯著水平。

土壤胞外酶活性與土壤功能密切相關，能反映土壤養分狀況，是表征土壤肥力和土壤質量的重要指標之一［36］。土壤胞外酶在有機質分解和養分循環過程中發揮著重要作用，根據微生物代謝理論［37］，土壤微生物會根據可利用養分狀況來調節酶的分泌，微生物在受到單一元素限制時會增加與該元素對應的胞外酶的合成，在養分充足時會降低對應胞外酶的分泌。在我們的研究中，短期施肥后隨著有機肥施用量的增加僅土壤BG酶活性顯著提高，其他酶活性在各處理間均無顯著差異。陰坡樣地短期施肥后土壤碳、氮、磷相關胞外酶活性各有機肥處理與CK相比，不存在顯著差異。這說明土壤酶活性作為一個敏感的生化指標，會隨著施肥種類［38-39］、施肥方式［40］、土壤水分和環境條件［41］等各方面條件的變化而變化，施肥量只是其中的影響因子之一，并且還受施肥年限影響。

土壤微生物多樣性對土壤基質變化極為敏感，代表了土壤中物質代謝程度，是衡量土壤肥力和養分的重要指標［42］，可作為判斷土壤健康和質量的可靠指標，在調節生態系統過程和功能方面起著關鍵作用［43］。研究表明有機肥添加引起土壤理化性質發生改變，進而影響土壤微生物量、酶活性和微生物多樣性［33］。在本研究中，由于施肥年限較短，有機肥作為緩效肥料，肥料中養分利用率低造成有機肥處理對土壤細菌和真菌群落的α多樣性無顯著影響。因此，商品有機肥的施用量對退化草地不同坡向土壤理化性質的長期影響還有待進一步研究。

4 結論

商品有機肥的施用可以穩定草地土壤pH，減緩土壤的酸化。施用有機肥在短期內對草地SOC，STN和STP無顯著影響。陽坡樣地施撒有機肥在短期內增加了土壤MBC含量，陰坡樣地草地微生物量與施肥量無顯著差異。商品有機肥施用量的增加可以顯著提高土壤BG酶活性，陰坡樣地短期施有機肥后土壤碳、氮、磷相關胞外酶活性與施肥量間不存在顯著差異。灰色關聯度分析結果表明，對于陽坡樣地最適有機肥施用量為450 g·m-2；對于陰坡樣地最適有機肥施用量為1050 g·m-2。

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（責任編輯 付 宸）