補(bǔ)播對(duì)天祝高寒退化草地植被和土壤理化性質(zhì)的影響

姬萬(wàn)忠，王慶華

(甘肅省天?？h草原工作站，甘肅 天祝 733200)

補(bǔ)播對(duì)天祝高寒退化草地植被和土壤理化性質(zhì)的影響

姬萬(wàn)忠，王慶華

(甘肅省天祝縣草原工作站，甘肅 天祝 733200)

摘要：為了探究補(bǔ)播對(duì)高寒退化草地植被組成以及土壤理化性質(zhì)的影響，于2007―2009年在甘肅省天祝縣開(kāi)展了退化草地補(bǔ)播垂穗披堿草(Elymus nutans)+無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)+中華羊茅(Festuca sinensis)改良治理退化草地的研究。結(jié)果表明，補(bǔ)播有效增加了禾草類和莎草類植被，提高了退化草地地上和地下生物量。補(bǔ)播后第3年，土壤表層物理性狀、養(yǎng)分以及微生物生物量與不補(bǔ)播相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。土壤表層0-40 cm，土壤容重降低、孔隙度變大、含水量提高，土壤養(yǎng)分和微生物生物量C、N含量升高，退化草地得到了有效治理。

關(guān)鍵詞：退化草地；補(bǔ)播；土壤理化性質(zhì)；微生物生物量

天祝藏族自治縣是甘肅省九大牧業(yè)縣之一[1]，位于甘肅省中部，祁連山東端，地處青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原三大高原交匯地帶，屬青藏高原區(qū)[2]。全縣草原面積41.412 6萬(wàn)hm2，可利用草地面積39.14萬(wàn)hm2，擁有溫性草原8.403 4萬(wàn)hm2，溫性荒漠化草原5.858 5 萬(wàn)hm2，高寒草甸9.796 4萬(wàn)hm2，高寒灌叢草甸11.605 1萬(wàn)hm2，低平地草甸5.748 9萬(wàn)hm2[3]。近年來(lái)由于受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，全縣近60%的草原出現(xiàn)了退化，而且草原退化面積仍以每年3.48%的速度逐年擴(kuò)大[4]。草地群落多樣性減少，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，生產(chǎn)力不斷下降，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)生活和畜牧業(yè)的發(fā)展。因此，退化草地急需有效治理。

大量有關(guān)退化草地改良治理的研究證明，對(duì)退化草地進(jìn)行補(bǔ)播處理是簡(jiǎn)單易行、投資少、見(jiàn)效快的改良途徑，在增加草層的植被種類成分、草地的覆蓋度和提高草層的產(chǎn)量和品質(zhì)方面效果明顯[5-9]，但關(guān)于補(bǔ)播對(duì)草地土壤理化性狀的影響研究報(bào)道較少[10-11]。退化草地補(bǔ)播后，草地的植被變化、草地土壤養(yǎng)分、微生物的變化，以及彼此間的相關(guān)性，尚不明確。為此，本研究以天?？h抓喜秀龍鄉(xiāng)的高寒退化草地為研究對(duì)象，分析了補(bǔ)播后連續(xù)3年的草地植被特征，以及第3年的土壤養(yǎng)分和微生物的變化，以期為研究退化草地的恢復(fù)機(jī)理提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省天祝縣抓喜秀龍鄉(xiāng)的退化草原，地理位置37°11′ N，102°48′ E，海拔約2 871 m，屬大陸性冷溫半干旱氣候，年平均氣溫-0.1 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-11.8 ℃，最熱月(7月)平均氣溫23.6 ℃，極端低溫-29.1 ℃，≥0 ℃年積溫1 380 ℃·d左右，年日照時(shí)數(shù)2 663 h，降水量370 mm，年蒸發(fā)量1 592 mm，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。亞高山草甸土壤類型，以禾本科的針茅屬(Stipa)、披堿草屬(Elymus) 和早熟禾屬(Poa)的一些種，莎草科的嵩草屬(Kobresia)、棘豆(Oxytropis)、狼毒(Stellerachamaejasme)及醉馬草(Achnatheruminebrians)等毒雜草為主的植被類型，并伴有其它雜類草[12]。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2007年對(duì)退化草地進(jìn)行圍欄封育，5月10日進(jìn)行補(bǔ)播，補(bǔ)播草種組合為垂穗披堿草(Elymusnutans)+無(wú)芒雀麥(Bromusinermis)+中華羊茅(Festucasinensis)[12]，草種比例2∶1∶2，播量為5.0 g·m-2，對(duì)照為不補(bǔ)播。

1.3試驗(yàn)調(diào)查內(nèi)容及方法

2007―2009年的每年8月中旬，于補(bǔ)播樣地按蛇形法隨機(jī)取樣，取樣面積0.5 m×0.5 m，重復(fù)9次，將樣方內(nèi)的各類草齊地剪下后，按莎草類、禾草類和雜草類進(jìn)行分離，分別裝袋，帶回實(shí)驗(yàn)室烘箱殺青，然后烘干至恒重后稱干重，測(cè)定地上生物量[12]。刈割后，每個(gè)樣方用根鉆(直徑為6 cm)隨機(jī)取0-40 cm土層土樣3鉆、混合，過(guò)1 mm篩后，將篩上殘留的根系和土壤混合物用水洗法將根分離出，烘干至恒重并稱重，作為地下生物量。同時(shí)，在刈割后的樣地，用根鉆隨機(jī)分別取0-40 cm土層土樣6鉆，以20 cm為一層，分兩層(10-20和20-40 cm)，同一土層土樣混合后一部分風(fēng)干過(guò)篩，用于測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，另一部分放入便攜式冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室放入4 ℃冰箱保存，用于測(cè)定土壤微生物生物量C和N。

1.4測(cè)定內(nèi)容及方法

采用烘干法測(cè)定土壤水分；采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重、孔隙度；土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)、全氮(Total N)、全磷(Total P)、速效氮(Available N)、速效磷(Available P)和速效鉀(Available K)測(cè)定方法參照鮑士旦[13]。土壤微生物生物量C和生物量N采用氯仿熏蒸提取法[14]。

1.5數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理，用DPS軟件進(jìn)行方差分析。

2結(jié)果與分析

2.1補(bǔ)播對(duì)草地植被特征的影響

補(bǔ)播可以明顯改善退化草地地上和地下生物量(圖1)。就地上和地下生物量而言，補(bǔ)播各處理隨著年限增加均呈遞增趨勢(shì)。補(bǔ)播第3年較第1年，地上生物量增加了144.79%，地下生物量增加了165.98%。就各植物類群而言，各處理隨著年限增加，禾草類、莎草類植被明顯增加。

補(bǔ)播處理與對(duì)照相比，補(bǔ)播當(dāng)年，除莎草類生物量差異不顯著(P>0.05)，其余各植物類群地上生物量和地下總生物量差異顯著(P<0.05)。補(bǔ)播第2年，禾草類、莎草類和地下生物量補(bǔ)播處理與對(duì)照間均差異顯著，但雜草類兩者生物量?jī)烧卟町惒伙@著；補(bǔ)播第3年，禾草類和地下生物量補(bǔ)播處理與對(duì)照間均差異顯著，但雜草類和莎草類生物量?jī)烧唛g不顯著。

2.2補(bǔ)播對(duì)草地土壤理化性狀的影響

補(bǔ)播后第3年，0-20 cm和20-40 cm的土層內(nèi)，補(bǔ)播處理的土壤水分和孔隙度均顯著大于對(duì)照(P<0.05)(表1)，退化草地經(jīng)過(guò)補(bǔ)播改良后，土壤的保水性能得到明顯改善，土壤由緊實(shí)變得疏松。補(bǔ)播改良第3年，在0-20 cm土層，補(bǔ)播處理土壤含水量可達(dá)17.86%，較對(duì)照提高了39.75%；土壤容重為1.61 g·cm-3，較對(duì)照降低了11.05%；土壤孔隙度為39.40%，較對(duì)照提高了13.22%。在20-40 cm土層, 補(bǔ)播處理土壤含水量可達(dá)20.67%，較對(duì)照提高了42.65%；土壤容重為1.76 g·cm-3，較對(duì)照降低了7.85%；土壤孔隙度為36.5%，較對(duì)照提高了10.27%。

圖1　不同年份補(bǔ)播草地地上與地下生物量

注：不同小寫(xiě)字母表示同一年同一類植物生物量補(bǔ)播與對(duì)照間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters for the same type plant within the same year mean significant difference between over-seeding and CK at 0.05 level.

表1　補(bǔ)播對(duì)退化草地土壤理化性狀的影響

注：同行不同小寫(xiě)字母表示補(bǔ)播和對(duì)照間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Note：Different lower case letters within the same row mean significant difference between over-seeding and CK at 0.05 level.The same below.

2.3補(bǔ)播對(duì)草地土壤養(yǎng)分的影響

補(bǔ)播后第3年測(cè)得的0-20和20-40 cm土層的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效N、速效P、速效K，除20-40 cm土層有機(jī)質(zhì)與對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05)外，其它指標(biāo)補(bǔ)播均顯著高于對(duì)照。0-20 cm土層，補(bǔ)播處理與對(duì)照相比，有機(jī)質(zhì)增加了45.21%，全氮增加了185.00%，全磷增加了26.32%，速效氮、磷、鉀分別增加了82.99%、192.96%和16.80%。20-40 cm土層，補(bǔ)播處理與對(duì)照相比，有機(jī)質(zhì)增加了1.03%，全氮增加了115.38%，全磷增加了160.00%，速效氮、磷、鉀分別增加了12.86%、134.38%和46.09%。由此表明，退化草地經(jīng)過(guò)補(bǔ)播禾草后，可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀全量和速效養(yǎng)分的積累，提高草地生產(chǎn)力。

表2　補(bǔ)播對(duì)退化草地土壤養(yǎng)分的影響

2.4補(bǔ)播對(duì)草地土壤微生物生物量C、N的影響

退化草地經(jīng)過(guò)補(bǔ)播改良3年后，土壤微生物生物量C和生物量N顯著高于對(duì)照(P<0.05)，特別是微生物生物量N更加顯著(表3)。0-20、20-40 cm土層，補(bǔ)播處理的微生物生物量C分別達(dá)到448.51和255.62 mg·kg-1，較對(duì)照分別增加23.50%和15.69%；微生物生物量N分別達(dá)到28.86和16.55 mg·kg-1，較對(duì)照分別增加50.78%和96.32%。

表3　補(bǔ)播對(duì)退化草地土壤微生物生物量C、N含量的影響

3討論

草地地上和地下生物量以及植被組成，一定程度上反映了該草地群落的穩(wěn)定情況[14]。本研究表明，在退化草地上補(bǔ)播垂穗披堿草+無(wú)芒雀麥+中華羊茅可明顯提高草地植被禾草類和莎草類比例，可顯著提高地上和地下生物量，可有效的恢復(fù)退化草地。

土壤含水量是植被恢復(fù)的主要限制因子，主要受降水量、土壤性狀和植被類型的影響[15]。本研究表明，退化草地通過(guò)補(bǔ)播，增加了植被蓋度，減少了裸露地表面積，降低了蒸發(fā)量，土壤表層含水量較不補(bǔ)播明顯增加。由于植被的增加，相應(yīng)的根系量增多，土壤容重下降，孔隙度增加，補(bǔ)播有效改善了土壤的保水性和通透性。這與蔣德明等[11]利用翻耙補(bǔ)播對(duì)科爾沁堿化草地土壤理化性質(zhì)和生物活性的影響研究結(jié)果相一致。

土壤總有機(jī)質(zhì)和全氮被認(rèn)為是表征土壤肥力和生產(chǎn)力的重要指標(biāo)之一。本研究表明補(bǔ)播可顯著提高退化草地的土壤養(yǎng)分，這與董文斌等[16]研究結(jié)果相一致。

土壤微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分[17]，其活動(dòng)能力的強(qiáng)弱與草地植被類型以及土壤營(yíng)養(yǎng)元素有一定相關(guān)性[18-19]，可以加速C、N等元素的循環(huán)，對(duì)有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化也起主導(dǎo)作用[11]。本研究表明，退化草地通過(guò)補(bǔ)播處理，明顯提高了土壤微生物生物量C和生物量N，這主要?dú)w因于土壤中有機(jī)質(zhì)和根系量的增加以及分解速度加快，這也標(biāo)志著土壤微生物的活性得到了一定程度的改善，退化草地得到了一定的恢復(fù)。

4結(jié)論

補(bǔ)播可以明顯改善天?？h高寒退化草地地上和地下生物量，有效增加禾草類和莎草類植被。補(bǔ)播后第3年，土壤表層物理性狀、養(yǎng)分以及土壤微生物含量與不補(bǔ)播相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)。其中，0-20 cm土層，補(bǔ)播與不補(bǔ)播相比，土壤含水量提高了39.75%，容重降低了11.05%，孔隙度提高了13.22%，有機(jī)質(zhì)增加了45.21%，全氮增加了185.00%，全磷增加了26.32%，速效氮、磷、鉀分別增加了82.99%、192.96%和16.80%，微生物量C和生物量N分別增加了23.50%和50.78%。20-40 cm土層， 補(bǔ)播處理與不補(bǔ)播相比，土壤含水量提高了42.65%，容重降低了7.85%，孔隙度提高了10.27%，有機(jī)質(zhì)增加了1.03%，全氮增加了115.38%，全磷增加了160.00%，速效氮、磷、鉀分別增加了12.86%、134.38%和46.09%，土壤微生物生物量C、N分別增加了15.69%和96.52%。

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(責(zé)任編輯王芳)

Effects of over-seeding on plant community and soil physical and chemical properties of degraded grassland in Tianzhu County

Ji Wan-zhong， Wang Qing-hua

(Tianzhu County Grassland Work Station in Gansu Province, Tianzhu 733200, China)

Abstract:In order to understand the effects of over-seeding on vegetation composition, soil physical and chemical properties, a field experiment was conducted to determine the effect of over-seeding Elymusnutans, Bromusinermis, Festuca sinensis seeds on degraded grassland during the period of 2007 to 2009 in Tianzhu county. The results of this study showed that over-seeding increased the aboveground and belowground biomass and increased the percentage of sedge and gramineain plant community composition. After three years of over-seeding, the soil physical, chemical properties and microbial biomass contenthadbeen obviously improved when compared to control, indicating that soil bulk density at 0―20 cm became low, and that porosity, moisture content, nutrient content and microbial biomass content C & N became higher. These implied that the degraded grassland had been improved by over-seeding.

Key words:degraded grassland; over-seeding; soil physical and chemical properties; microorganism

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0372

*收稿日期：2015-07-03

基金項(xiàng)目：全球環(huán)境基金(GEF)項(xiàng)目“社區(qū)發(fā)展與草原保護(hù)的關(guān)系研究”(052456、CHA-GS-Y-5)

通信作者：王慶華(1968-)，女，陜西長(zhǎng)安人，畜牧師，主要從事草原畜牧業(yè)管理與技術(shù)推廣工作。E-mail：13884582381@163.com

中圖分類號(hào)：S812.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-0629(2016)5-0886-05*1

Corresponding author:Wang Qing-huaE-mail：13884582381@163.com

姬萬(wàn)忠，王慶華.補(bǔ)播對(duì)天祝高寒退化草地植被和土壤理化性質(zhì)的影響.草業(yè)科學(xué),2016,33(5)：886-890.

Ji W Z,Wang Q H.Effects of over-seeding on plant community and soil physical and chemical properties of degraded grassland in Tianzhu County.Pratacultural Science，2016,33(5)：886-890.

接受日期：2016-01-19

第一作者：姬萬(wàn)忠(1968-)，男(藏族)，甘肅天祝人，高級(jí)畜牧師，本科，主要從事草原生態(tài)保護(hù)工作。E-mail：jiwanzhong@126.com