生物有機(jī)肥對(duì)川西北退化草地群落結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)性能的影響

宋君祥，雷 雄*，葉明清，張?bào)@樂，楊 穎，蔡?hào)|陽，扎德

(1. 四川省治理荒漠化基金會(huì)，四川 成都 611130； 2. 四川省太源生物有機(jī)肥有限責(zé)任公司，四川 廣元 628000；3. 若爾蓋縣科學(xué)技術(shù)和農(nóng)業(yè)畜牧局，四川 若爾蓋 624500)

川西北高原位于四川省西北部，是全球最大的高原泥炭沼澤濕地，有著豐富的草地資源和自然資源，是我國生態(tài)環(huán)境安全的重要屏障[1-3]。近年來，隨著農(nóng)牧業(yè)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)牧民種草養(yǎng)畜意識(shí)的逐步提高，草地的化肥使用量逐年遞增[4-7]?；实拇罅渴褂媚茉诙虝r(shí)間內(nèi)快速的促進(jìn)牧草的生長，但長期施用會(huì)降低土壤有機(jī)質(zhì)含量，引起土壤理化性狀惡化，土壤酸化、土壤板結(jié)程度加重，禾本科優(yōu)勢(shì)草種類型減少、鼠蟲害發(fā)生概率增大，這會(huì)對(duì)土壤乃至整個(gè)川西北草原生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[3,6,8-11]。為此，許多學(xué)者呼吁施用高效生物有機(jī)肥來逐步替代化肥，通過活性微生物菌群改善植物根系土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，推進(jìn)化肥減量增效，這對(duì)于防止草地板結(jié)退化，提高牧草產(chǎn)量與品質(zhì)有著重要意義。

有機(jī)肥是由生物物質(zhì)、動(dòng)植物廢棄物、植物殘?bào)w經(jīng)生物發(fā)酵而來。在有機(jī)肥制作過程中，通過活性微生物菌群消除了或分解了原料中的有毒有害物質(zhì)，使其發(fā)酵后的產(chǎn)品富含多種有機(jī)酸、肽類以及包括氮、磷、鉀在內(nèi)的豐富的營養(yǎng)元素[12-13]。有機(jī)肥發(fā)酵不僅能實(shí)現(xiàn)定向腐熟、除臭等目的，還可以為農(nóng)作物提供全面營養(yǎng)，而且肥效長，增加和更新土壤有機(jī)質(zhì)，促進(jìn)微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性，提高并改善牧草產(chǎn)量與品質(zhì)[14-15]。因此，增加土壤生物有機(jī)肥料投入，可以有效提高草地土壤肥力和有益微生物活力，進(jìn)而改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地，增強(qiáng)植物對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率。

本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，以2種不同退化程度的天然草地為研究對(duì)象，采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過測(cè)定天然退化草地植物群落物種數(shù)、植株高度、蓋度和頻度以及地上生物量和牧草品質(zhì)，分析、探討生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地植物群落及其生產(chǎn)性能的影響，以期為生物有機(jī)肥在川西北草原退化草地生態(tài)修復(fù)方面的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地1(W)位于四川省阿壩州紅原縣瓦切鎮(zhèn)唐日合作社，距縣城42 km。該區(qū)域平均海拔3 500 m，屬于大陸性高原寒溫帶季風(fēng)氣候，年平均溫度為1.1℃，≥10℃年積溫僅865℃，極端溫度范圍為—33.8～23.5℃，無絕對(duì)無霜期。全年平均降雨量738 mm，相對(duì)濕度71%，土壤PH 6.6，為高山草甸土。因長期放牧或機(jī)械化操作造成該草地輕度退化，具體表現(xiàn)為：植被低矮(平均高度<50 cm)，可食用牧草較少，毒雜草較多。

試驗(yàn)地2(R)位于若爾蓋縣阿西鄉(xiāng)阿西村，地處若爾蓋縣北部，距縣城37 km，平均海拔3 515 m，年平均氣溫—3℃，無絕對(duì)無霜期。該地域?qū)俑咴疁貛駶櫦撅L(fēng)氣候，常年無夏。因當(dāng)?shù)貧夂虻茸匀灰蛩睾统d過牧等人為因素，造成該地區(qū)草地退化嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為：植物蓋度降低、群落數(shù)量減少、土壤沙化嚴(yán)重，屬于重度退化草地(表1)。

表1 天然退化草地基本情況

1.2 供試材料

供試材料為“春果”生物有機(jī)肥，由四川省太源生物有機(jī)肥有限責(zé)任公司提供，總養(yǎng)分14.5%、有效活菌數(shù)0.39 億·g-1、植酸15%、有機(jī)質(zhì)55%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

2018年在四川省阿壩州紅原縣瓦切鎮(zhèn)唐日合作社(W)和若爾蓋縣阿西鄉(xiāng)阿西村(R)同時(shí)進(jìn)行。在前期研究的基礎(chǔ)上，待牧草分蘗-拔節(jié)期以3 000 kg·hm-2的用量均勻撒施有機(jī)肥于試驗(yàn)地，分別以W1和R1表示；施肥后，除施行封育外，不做任何處理。同時(shí)在兩個(gè)試驗(yàn)地附近選擇分別以W1和R1相同利用方式和退化等級(jí)的草地作對(duì)照(進(jìn)行圍欄封育但不施有機(jī)肥)，分別用W0和R0表示。

1.4 觀測(cè)項(xiàng)目及測(cè)定方法

草地群落調(diào)查：采用樣方法進(jìn)行，采樣時(shí)間為2018年8月。在W和R試驗(yàn)地中，分別隨機(jī)選擇2處30 m × 30 m天然草地群落為研究樣地，并分別命名為W1(施肥)和W0(不施肥)以及R1(施肥)和R0(不施肥)，并分別在4個(gè)樣地中隨機(jī)選擇3個(gè)0.5 m ×0.5 m調(diào)查樣方，測(cè)定植物種類、株高、密度、蓋度、頻度。

草地生產(chǎn)性能測(cè)定：在草地群落調(diào)查后，將樣方內(nèi)所有植物齊地刈割，測(cè)定地上生物量(鮮草產(chǎn)量)，測(cè)定鮮草產(chǎn)量后，將植物剪成3 cm～4 cm，置于烘箱中，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重。稱重測(cè)定干鮮比，再計(jì)算干草產(chǎn)量，保留2位小數(shù)。

營養(yǎng)成分測(cè)定：在測(cè)定干鮮比后，將牧草用粉碎機(jī)研磨成草粉，混勻后采用四分法取樣測(cè)定各營養(yǎng)成分。粗蛋白(crude protein，CP)按照GB/T6432-1994測(cè)定；粗脂肪(crude fat,CF)按照GB6433-2006測(cè)定，總磷(total phosphorus,TP)按照GB/T 6437-2002測(cè)定,鈣含量(calcium content,CC)按照GB/T 13885-2017測(cè)定;酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)按照GB/T20806-2006測(cè)定;中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)采用NY/T1459-2007測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)計(jì)算

1.5.1重要值(Pi) 物種重要值：Pi = (RH + RC + RF+RD)/4。

式中，RH為相對(duì)高度(relative height)，RC為相對(duì)蓋度(relative coverage)，RF為相對(duì)頻度(relative frequency)，RD為相對(duì)密度(relative density)，Pi為物種重要值(importance value)。

1.5.2物種多樣性的測(cè)定 物種豐富度：N表示選用1m2樣方內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)；

Berger-Parker指數(shù):d=(nmax/N)-1，nmax表示個(gè)體數(shù)量最多物種的個(gè)體數(shù)量；

Margalef指數(shù)：dma=(S-1)/InN；

Simpson指數(shù)λ：

Shannon指數(shù)(以e為底)H'e:

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Microsoft Office Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和均值計(jì)算，采用SPSS 18.0軟件對(duì)各樣地群落的高度、密度、蓋度、生物多樣性指數(shù)、地上生物量以及營養(yǎng)成分等指標(biāo)進(jìn)行方差分析(ANOVA)，采用LSD對(duì)天然退化草地生物量和營養(yǎng)成分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地群落物種組成的影響

在輕度退化草地中，各樣方中的植物種類均為14種，施生物有機(jī)肥雖然沒有出現(xiàn)新的植種類(圖1 A)，但顯著改變了現(xiàn)有物種的組成比例(P<0.05)。其中牛羊喜食性牧草諸如垂穗披堿草(Elymusnutans Griseb)、老芒麥(Elymus sibiricus)等分別占群落物種數(shù)量的16%和27%，與不施肥(對(duì)照)退化草地相比差異顯著(P<0.05)；而毛茛(Ranunculustanguticus(Maxim.) Ovcz.)、蒿(kobresiaPygmaea)等牛羊不喜食植物比例所有下降。而在重度退化草地中(圖1B)，施有機(jī)肥使植物種類增加到15種，分屬禾本科、菊科、豆科等，而對(duì)照中只有9種，差異顯著(P<0.05)；施生物有機(jī)肥也改變了現(xiàn)有物種的組成比例，垂穗披堿草、仲彬草(GrenusKengyilia)等組成比例分別上升至15%和20%，與對(duì)照差異顯著，而狼毒(StellerachamaejasmeLinn.)、馬先蒿(PedicularisLinn.)、香青(AnaphalissinicaHance)等牧草比例較對(duì)照組顯著減少(P<0.05)，說明施有機(jī)肥在一定程度上限制了部分物種的生長。而在重度退化草地中，施生物有機(jī)肥在一定程度影響了高寒草地植物物種組成。

圖1 天然退化草地物種組成

2.2 生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地群落物種重要值的影響

由圖2可知，在輕度退化草地中(圖2-A)，施肥處理樣地中的垂穗披堿草、珠芽蓼(PolygonumviviparumL)和老芒麥的重要值均大于0.1且與對(duì)照差異顯著(P<0.05)，說明這三種植物在養(yǎng)分充足的前提下具有較高的種間競(jìng)爭(zhēng)力；剪股穎(AgrostismatsumuraeHack. ex Honda)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)的重要值較對(duì)照有所增加，但差異不顯著。而對(duì)照組的發(fā)草(DeschamPsiacaespitosa(Linn.) Beauv)和委陵菜(PotentillachinensisSer.)的重要值均大于0.1且顯著高于施肥處理，這說明在不施肥的條件下，發(fā)草和委陵菜更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。物種豐富度的研究表明，施生物有機(jī)肥對(duì)輕度退化草地的物種豐富度無顯著影響。

在重度退化草地中(圖2B)：施肥處理使仲彬草(Grenus Kengyilia)(Pi=0.145)和賴草(Leymussecalinus(Georgi) Tzvel)(Pi=0.145)體現(xiàn)出較高的群落優(yōu)勢(shì)，其次是垂穗披堿草(Pi=0.127)、早熟禾(Pi=0.130)，狼毒、問津等植物群落則處于相對(duì)劣勢(shì)地位。未施肥處理則以馬先蒿(Pi=0.196)和賴草(Pi=0.177)為主要優(yōu)勢(shì)種群，其次是沙生苔草、仲冰草以及狼毒。這說明施生物有機(jī)肥對(duì)重度退化草地的物種豐富有顯著影響(P<0.05)。

圖2 天然退化草地物種重要值(Pi)

2.3 生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地植物群落特征的影響

在植物群落調(diào)查中，物種的株高、頻度、蓋度等指標(biāo)是顯示群落特征的重要指標(biāo)。如圖3所示，在輕度退化草地中：草地W1披堿草的株高、頻度和蓋度分別為113.33 cm，100%和71.33%顯著(P<0.05)高于其他物種。施生物有機(jī)肥能顯著提高群落的平均高度并且促進(jìn)了可食性牧草的生長；而對(duì)照組W0不僅在物種株高、頻度和蓋度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于W1，而且還促進(jìn)了諸如發(fā)草、溚草、乳白香青、水楊梅等營養(yǎng)價(jià)值低的牧草的生長。

在重度退化草地中，施肥不但促進(jìn)可食性牧草如披堿草、早熟禾(Poa.annuaL.)、仲彬草等牧草種類顯著增多(P<0.05),而且還增加了其它物種的建植。其所有物種平均蓋度之和高達(dá)127%，平均頻度之和705%，分別比對(duì)照組(不施肥)增加118.97%和41%，差異顯著(P<0.05)，在群體株高方面略有提高但差異不顯著。

2.4 生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地生物多樣性指數(shù)的影響

為了避免單一指數(shù)帶來的偏差，本研究選擇4個(gè)多樣性指數(shù)來全面反映撒施生物有機(jī)肥對(duì)川西北不同程度天然退化草地群落的α多樣性的影響，結(jié)果表明施天然有機(jī)肥對(duì)不同程度退化草地植物群落多樣性的影響不同(表2)。Margalef豐富度指數(shù)(dMa)反映群落內(nèi)植物種類的數(shù)量，在輕度退化草地中施肥(W1)與不施肥(W0)之間群落豐富度指數(shù)差異不顯著，在重度退化草地中施肥(R1)的群落豐富度指數(shù)顯著大于不施肥(R0)的(P<0.05)，表明施生物有機(jī)肥能大大增加重度退化草地群落內(nèi)植物種類的數(shù)量。

表2 不同施肥處理對(duì)植物群落物種多樣性的影響

注：不同字母表示差異顯著(P<0.05)

Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(λ)反映群落種類數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)度的分化程度，R1(重度退化草地且施有機(jī)肥)的Simpson指數(shù)最低(0.11)，且顯著低于其他處理(P<0.05)。說明施有機(jī)肥降低了重度退化草地群落的Simpson指數(shù)，這樣使得種群之間的等級(jí)差異相近，群落結(jié)構(gòu)關(guān)系較其他處理復(fù)雜和穩(wěn)定。

Shannon多樣性指數(shù)表明由生物群落等級(jí)特征引起的多樣性程度，能夠反應(yīng)群落物種豐富度和均勻度的總體狀況。在輕度退化草地群落中，施肥(W1)的Shannon指數(shù)顯著低于不施肥(W0)的(P<0.05)；在重度退化草地群落則恰好相反，施肥(R1)顯著高于不施肥(R0)的(P<0.05)。Pieluo均勻度指數(shù)是指群落中物種分布均勻程度大小，在本研究中，處理W1的Pieluo指數(shù)最低，顯著低于其它處理(P<0.05)。

2.5 生物有機(jī)肥對(duì)天然退化草地地上生物量的影響

牧草產(chǎn)量是評(píng)價(jià)草地質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。由圖4可知，在輕度退化草地施生物有機(jī)肥能夠極顯著的增加草地的鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量(P<0.01)。在瓦切試驗(yàn)點(diǎn)(W1)，施生物有機(jī)肥能使草地鮮草產(chǎn)量和干草產(chǎn)量分別高達(dá)39 846.58 kg·hm-2和11 384.74 kg·hm-2，其干草產(chǎn)量是對(duì)照組(W0)的2.05倍(P<0.01)；在若爾蓋的阿西鄉(xiāng)沙化地(R1)，施生物有機(jī)肥組的干草產(chǎn)量較對(duì)照組(R0)增加了66.93%(P<0.01)。

圖3 草地植物群落特征

圖4 地上生物量的變化

2.6 牧草營養(yǎng)品質(zhì)

由圖5可知，生物有機(jī)肥能夠有效提高牧草營養(yǎng)品質(zhì)。在輕度退化草地，處理組的粗蛋白含量(14.57 g·100g-1)和總磷含量(2.1g·kg-1)比對(duì)照組提高了58.33%和71.27%，差異顯著(P<0.05)；而粗脂肪含量比對(duì)照組也有相應(yīng)的提高，為5.82%，但差異不顯著。

在重度退化草地，生物有機(jī)肥有效的提高了牧草的粗蛋白含量(15.9 g·100g-1)和粗脂肪含量(27 g·100g-1)，與對(duì)照相比，分別提高了62.24%和22.73%；也有效地降低了中性洗滌纖維(48.7%)和酸性洗滌纖維(35.2%)的含量，分別比對(duì)照降低了23.64%和19.96%，提高了牧草品質(zhì)。

圖5 牧草品質(zhì)的變化

3 討論

3.1 群落特征與重要值對(duì)天然有機(jī)肥的響應(yīng)

生物有機(jī)肥能夠有效的改善土壤肥力，也是有益微生物培養(yǎng)的基質(zhì)，而有益微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分[16-17]。施肥不但可以促進(jìn)退化草地禾本科類植物的生長，提高該類植物重要值(Pi)，還能顯著降低弱勢(shì)種群植物重要值甚至使其在植物群落中消失[18-19]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在輕度退化草地施生物有機(jī)肥雖然沒有改變草地生物群落的種類，但改變了各群落所占的比例，使得家畜愛喜食的物種(垂穗披堿草、仲彬草等)所占比例有所提高；在重度退化草地施生物有機(jī)肥不僅僅使其生物種類有原來的9種增加到了15中，也使其中家畜喜食性牧草(垂穗披堿草、仲彬草等)組成比例上升，這與前人研究一致[18-20]。

3.2 物種多樣性對(duì)生物有機(jī)肥的響應(yīng)

物種多樣性是對(duì)一個(gè)群落內(nèi)物種均勻分布程度與數(shù)量的評(píng)估指標(biāo)，是草原群落重要的特征，表示各物種對(duì)資源的利用能力和對(duì)生境的適應(yīng)能力[21-22]。對(duì)于施肥對(duì)植物群落組成的影響，大多數(shù)的研究認(rèn)為施肥會(huì)導(dǎo)致群落植物多樣性下降[23-24]，但也有一些研究認(rèn)為施肥增加了植物物種多樣性，或者施肥與植物物種多樣性無顯著的相關(guān)性[25-26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明：輕度退化草地施天然有機(jī)肥的Shannon指數(shù)和Pieluo均勻度指數(shù)是顯著低于不施肥，而Margalef豐富度指數(shù)和SimPson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)之間差異不顯著，這與第二、三種說法相一致。重度退化草地施有機(jī)肥的Margalef豐富度指數(shù)和Shannon指數(shù)顯著高于不施肥，這一結(jié)果與第一種說法一致。

3.3 生物量與營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)生物有機(jī)肥的響應(yīng)

生物有機(jī)肥通過改善土壤中微生物種類以及提高其生命活動(dòng)，增加植物營養(yǎng)元素的供應(yīng)量，改善植物營養(yǎng)狀況，從而增加作物的產(chǎn)量[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明：在撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有機(jī)肥處理下，兩種退化類型的草地植被群落的地上生物量、牧草品質(zhì)、物種數(shù)量以及植物類型得到顯著提高(P<0.05)。Ditommaso等[28]研究認(rèn)為養(yǎng)分的添加促進(jìn)了植物的生長、提高了植物群落生產(chǎn)力，與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。

本試驗(yàn)結(jié)果表明生物機(jī)肥對(duì)施肥當(dāng)年植物群落多樣性和地上生物量及品質(zhì)具有積極作用。然而，生物有機(jī)肥對(duì)退化草地的影響是一個(gè)系統(tǒng)的、長期的過程，對(duì)地下生物量和土壤微生物也會(huì)有深遠(yuǎn)的影響。

4 結(jié)論

多功能生物有機(jī)肥可以有效提高植株高度、蓋度，增加草地植物群落中物種數(shù)量，尤其是可食性牧草數(shù)量的增多，提高草地植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性和穩(wěn)定性，從而減緩、阻止甚至逆轉(zhuǎn)草地植物群落的退化。

多功能生物有機(jī)肥顯著提高了退化草地的牧草產(chǎn)量和牧草品質(zhì)，顯著降低了NDF和ADF的含量(P<0.05)。其中，輕度退化草地牧草產(chǎn)量提高2.05倍(P<0.01)、粗蛋含量與總磷含量分別增加46.32 %和69.89%；重度退化草地(沙化地)牧草產(chǎn)量提高1.83倍(P<0.01)，其粗蛋白含量和粗脂肪含量分別比對(duì)照高了63.23%和22.73%。試驗(yàn)表明：撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有機(jī)肥，可以有效改善天然退化草地植物群落和生產(chǎn)性能。