種植方式對青海湖流域人工草地植被和土壤養(yǎng)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(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院/青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016； 2. 青海省高寒草地適應(yīng)性管理重點實驗室， 青海 西寧 810016； 3. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)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(yè)生產(chǎn)基地，也是我國乃至亞洲重要的生態(tài)安全屏障，在水源涵養(yǎng)、氣候穩(wěn)定、碳平衡、生物多樣性保護和牧區(qū)經(jīng)濟發(fā)展等方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。全區(qū)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(qū)草地退化嚴重[7]，全區(qū)退化草地比例達80%以上[2,8]，加劇了該區(qū)草畜矛盾，威脅著區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和生態(tài)安全屏障功能的發(fā)揮[9-11]。多年研究表明，建植人工草地是恢復(fù)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(chǎn)力的重要措施，既可以為家畜提供優(yōu)質(zhì)飼草[14]，也有助于保護和恢復(fù)已退化草地[15-16]，實現(xiàn)天然草地生態(tài)系統(tǒng)功能屬性轉(zhuǎn)移，保障生態(tài)安全與草地畜牧業(yè)的穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展[17]。

目前，針對青藏高原高寒牧區(qū)人工草地牧草品種篩選、種植技術(shù)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(yīng)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(tài)和放牧兼用型多功能黑土灘治理采用的最優(yōu)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(fā)現(xiàn)青海草地早熟禾和青海中華羊茅是適宜青海祁連山區(qū)推廣種植的優(yōu)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(chǎn)力和穩(wěn)定性，且沒有發(fā)生明顯的退化。人工草地的適應(yīng)性和穩(wěn)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(yǎng)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(qū)和祁連山區(qū)，而針對青海湖流域人工草地適應(yīng)性及穩(wěn)定性方面的基礎(chǔ)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(yè)是該區(qū)域的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。近年來該區(qū)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(tài)系統(tǒng)的區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀及草地畜牧業(yè)發(fā)展需求建植適宜的人工草地至關(guān)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(yīng)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(chǎn)力及土壤養(yǎng)分的變化，探討各多年生人工草地在青海湖流域內(nèi)的適應(yīng)性，從而為該區(qū)域發(fā)展優(yōu)質(zhì)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(nóng)牧場(36°15′N，100°55′E，海拔3 300 m)。該區(qū)域為大陸性高原寒溫帶季風(fēng)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(shù)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(yōu)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(shè)計

2019年5月初，在試驗區(qū)設(shè)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(fù)，采取完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計，共9個試驗小區(qū)。青海草地早熟禾和青海中華羊茅種子由青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)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(qū)隨機設(shè)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(qū)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(tài)氮(Ammonium nitrogen，AN)、硝態(tài)氮(Nitrate nitrogen，NN)，另一份陰干、碾碎、過篩后用于測定土壤有機質(zhì)(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(nóng)化分析》[29]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2019對數(shù)據(jù)進行整理，采用IBM SPSS Statistics 20進行了單因素方差分析(One-way ANOVA)，結(jié)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(guān)系數(shù)法進行了相關(guān)性分析。用Origin 2021進行相關(guān)圖形的繪制。

2 結(jié)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(yǎng)分的影響

種植方式對多年生人工草地土壤養(yǎng)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(zhì)、全氮、全磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)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(yǎng)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(tài)氮和土壤有機質(zhì)有顯著影響，對土壤全氮、全磷、硝態(tài)氮、速效磷影響較弱，土壤銨態(tài)氮和土壤有機質(zhì)還受土壤深度與種植方式交互效應(yīng)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(yǎng)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(yǎng)分間的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)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(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤硝態(tài)氮、全氮、速效磷和全磷之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤硝態(tài)氮和全氮、速效磷之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤銨態(tài)氮和有機質(zhì)之間存在極顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，和速效磷之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，土壤全氮和有機質(zhì)之間存在顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，和速效磷之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，土壤有機質(zhì)和速效磷之間存在顯著負相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表2 土壤養(yǎng)分對土壤深度和種植方式的響應(yīng)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(yǎng)分與植被特征的關(guān)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(guān)性顯著。BM，生物量；VH，高度；CV，蓋度；TP，全磷；NN，硝態(tài)氮；AN，銨態(tài)氮；TN，全氮；OM，有機質(zhì)；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(yōu)質(zhì)飼草，發(fā)揮生產(chǎn)功能，另一方面是恢復(fù)退化草地，發(fā)揮生態(tài)功能[16]。選擇適宜的草種及其種植方式是科學(xué)配置人工草地生產(chǎn)與生態(tài)功能、保證草地生態(tài)系統(tǒng)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(fēng)蝕沙化。自上世紀80年代以來，研究人員對適用于恢復(fù)退化草地的多年生植物種質(zhì)資源開展了大量探索工作，并發(fā)現(xiàn)莎草科和豆科植物因區(qū)域自然條件限制、生境的不適宜性及種質(zhì)資源難獲得等原因很難應(yīng)用于退化草地恢復(fù)[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(nèi)關(guān)系良好的情況下，人工草地具有更高的產(chǎn)量與恢復(fù)效果[32]。

青海草地早熟禾和青海中華羊茅是青藏高原地區(qū)優(yōu)良的多年生禾本科鄉(xiāng)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(tài)和生產(chǎn)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(xué)特性有關(guān)，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(fā)達，繁殖更為迅速。光照是植物生長的重要環(huán)境因子，植物形態(tài)學(xué)構(gòu)建和光合產(chǎn)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(yōu)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(guān)系和種內(nèi)關(guān)系。大量研究表明，混播草地具有超產(chǎn)效應(yīng)[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(chǎn)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(tài)位互補優(yōu)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(qū)獲取資源，增加了有機物的積累，提高了飼草產(chǎn)量。

土壤作為草地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)的載體，對草地生態(tài)系統(tǒng)功能的形成和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)揮起著非常重要的作用[38-39]；其養(yǎng)分特征是影響牧草產(chǎn)量與品質(zhì)的主要因素，也是評價退化生態(tài)系統(tǒng)功能恢復(fù)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(yǎng)分的恢復(fù)與積累[40]。而不同多年生牧草品種在土壤養(yǎng)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(yǎng)分存在一定異同點[41]。目前，大多數(shù)研究主要針對禾豆混播體系土壤養(yǎng)分的變化，且研究結(jié)果普遍表明禾豆混播更有利于土壤養(yǎng)分積累[42-43]，但豆科優(yōu)良牧草在高寒地區(qū)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(qū)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(yǎng)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(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和土壤含水量并無顯著差異，即種植方式對土壤養(yǎng)分沒有顯著影響。這與侯憲寬對高寒地區(qū)單播及混播人工草地土壤特征的研究結(jié)果一致[44]。因此，相似的土壤養(yǎng)分狀況能為不同類型的草地提供同樣的營養(yǎng)元素供給。

植被和土壤一體兩面，既相對獨立又相互聯(lián)系[45-46]，土壤可以為植物的生長提供物質(zhì)基礎(chǔ)，反之植被對土壤也可產(chǎn)生作用[47]。在本研究中，多年生人工草地蓋度與生物量，硝態(tài)氮、全氮、速效磷與全磷，全氮、速效磷與銨態(tài)氮之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，全氮、銨態(tài)氮、速效磷與有機質(zhì)之間存在顯著負相關(guān)關(guān)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(chǎn)力并不受土壤礦質(zhì)元素的限制，而各類型的氮素和磷素及土壤有機質(zhì)間存在顯著的關(guān)聯(lián)性和協(xié)調(diào)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(zhì)的含量也可以顯著的影響到土壤氮素和磷素的存在狀態(tài)及含量。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)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(zhì)、全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、速效磷和土壤含水量有顯著影響，但要注意協(xié)調(diào)各氮磷要素間的均衡關(guān)系，以利于高寒人工草地產(chǎn)量的穩(wěn)定性和高產(chǎn)性。