補播對退化高寒草甸牧草養(yǎng)分及土壤理化性質(zhì)的影響

張 冉，楊 蔚，王 文，任 健，田健帆，劉 莉，馬向麗

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 云南 昆明 650201；2. 紅云紅河集團昆明卷煙廠, 云南 昆明 650202；3. 云南省種羊繁育推廣中心, 云南 尋甸 655200）

中甸草原面積廣闊，高寒牧區(qū)草甸覆蓋度多在75%左右[1]。高寒牧區(qū)是迪慶地區(qū)畜牧業(yè)最為重要的生產(chǎn)基地，當?shù)啬撩褚苑拍恋蠎c黃牛、中甸牦牛和中甸犏牛等特有畜種為主[2]。近年來，在全球變暖與過度放牧的影響下，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出明顯的退化趨勢，群落物種構(gòu)成發(fā)生改變，優(yōu)良牧草相對豐度下降，毒雜草種類和分布快速增長[3]。諸如舟葉橐吾(Ligularia cymbulifera)、大狼毒(Euphorbia jolkinii)等毒雜草叢生，使得地上總生物量、總蓋度變化不大的情況下，總密度下降[4]。雖無水土流失、地表裸露等常見土地退化特征，但優(yōu)質(zhì)牧草比例急速下降[5]，造成畜產(chǎn)量下滑，極大影響了高原地區(qū)牧民的生產(chǎn)積極性，同時阻礙了生態(tài)安全的可持續(xù)發(fā)展。因此，解決草畜矛盾迫在眉睫，通過封育、施肥、補播的方式提高優(yōu)良牧草的比例，輔以短期禁牧、長期輪牧的方式，方可減小供需矛盾。

彭中山[6]認為采用圍欄封育、施肥和補播小嵩草(Kobresia humilis)等措施可有效提高青海省湟中縣高寒草甸地區(qū)各類地上草的生長速率、生物量、株高與覆蓋率。王玲等[7]研究表明，施肥、灌溉、補播是環(huán)青海湖高寒草原退化草地恢復(fù)與重建的重要措施，改良效果施肥 ＞ 灌溉 ＞ 補播。以上研究表明，封育、施肥和補播是退化草原植被修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)，而補播物種的選擇是其中最重要的一環(huán)。同時，康愛民等[8]研究表明，蛋白、脂肪、纖維、礦物質(zhì)等含量直接反映了飼草料營養(yǎng)價值的高低，長期施肥條件下土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分動態(tài)與平衡方面也備受學(xué)者關(guān)注[9]。宋海燕等[10]認為土壤酶與養(yǎng)分、pH、微生物有較強的相關(guān)性。鑒于此，本研究將采用封育 + 施肥 + 補播的方式改善退化高寒草甸的植被覆蓋度及土壤肥力，并分析評價牧草營養(yǎng)成分、土壤理化性質(zhì)，進而提出有效的恢復(fù)建議。

張瑞等[11]通過研究種植灌木薪炭林、綠肥對沙地養(yǎng)分的恢復(fù)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)種植沙打旺(Astragalus adsurgens)、 草木樨(Melilotus suaveolens)和苜蓿(Medicago sativa)均可提高沙化土地肥力，以沙打旺效果最好，草木樨次之，苜蓿最差。楊曉暉等[12]在烏蘭布和沙漠東北緣對3 種豆科綠肥植物生物量和養(yǎng)分含量及其對土壤肥力的研究顯示，土壤全氮和全磷含量的變化趨勢為沙打旺 ＞ 紫花苜蓿 ＞ 草木樨，而全鉀含量則為紫花苜蓿 ＞ 草木樨 ＞ 沙打旺。彭爽和王鳳芝[13]在沙化草原補播沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等表明，沙打旺和草木樨對沙化治理效果的優(yōu)勢突顯，植被覆蓋度均能達到 100%。馬和等[14]研究結(jié)果表明，以在當?shù)乇憩F(xiàn)較好的垂穗披堿草(Elymus nutans) + 紫羊茅(Festuca rubra) + 草地早熟禾(Poa pratensis) + 小冠花(Poa pratensis)組合補播方式，再通過淺翻耕、松土，可有效提高土壤肥力、增加優(yōu)良牧草的比例。雖然以上研究結(jié)果均可為天然退化草地的植被恢復(fù)和水肥保持提供參考，但關(guān)于不同草種補播對中甸高寒草甸地上部分及土壤的綜合影響[15-17]研究報道較少。

因此，本研究以8 種牧草為材料，采用2～3 種禾本科牧草與1 種豆科牧草組合補播的方式，制定3 種播種方案。評價了生長旺盛期不同方案下草地地上部分總蓋度、牧草營養(yǎng)價值、土壤養(yǎng)分及土壤酶活性變化，以明確該地區(qū)高寒草甸最佳補播方案，為該地天然草地改良和建立規(guī)模化優(yōu)質(zhì)栽培草地提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗點設(shè)在格咱屬都湖尼嘎牧場(99°56′04″ E,27°57′50″ N)，海拔3 658 m。牧場地形較為平整，屬于亞高山草甸，無前茬作物，適宜進行退化草地修復(fù)試驗。試驗點土壤為高山草甸土。試驗區(qū)干濕季分明，6 月 ? 10 月降水量較多，占全年降水量的80%，形成濕季；11 月 ? 12 月、1 月 ? 5 月降水量較小，只有全年降水量的20%，形成干季[18]。平均氣溫5.5℃，夏季最高溫25.6 ℃，而冬季最低溫?20 ℃，全年日照時數(shù)約2 180.3 h，全年降水量為618.4 mm[19]。2019 年4 月下旬，調(diào)查到當?shù)爻Ｒ娭参锶郝錇榇ǖ嵛瓴?Potentilla fallens)、西南委陵菜(Potentilla lineata)、 尼泊爾蓼(Polygonum nepalense)、 車前(Plantago asiatica)、草地早熟禾、發(fā)草(Deschampsia caespitosa)、 舟葉橐吾、 中華鵝觀草(Roegneria sinica)、垂穗披堿草，如今天然草地退化嚴重，舟葉橐吾及尼泊爾蓼成為優(yōu)勢群落，草地生產(chǎn)力下降[20]。

1.2 試驗材料

2018 年5 月在格咱屬都湖尼嘎牧場采用圍欄封育的方式，建立高寒山區(qū)天然草地封育區(qū)，并進行品比試驗，篩選出在該地區(qū)適應(yīng)性較好的牧草品種，結(jié)合當?shù)爻Ｒ娔敛萜贩N及甘肅等高寒牧區(qū)的補播試驗確定補播方案[14,21]。2019 年5 月在封育草地內(nèi)選擇地形、植被比較一致的草地，分為補播區(qū)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和對照區(qū)(CK)，各小區(qū)面積100 m2(10 m ×10 m)，各小區(qū)設(shè)置3 個重復(fù)。該地區(qū)地表裸露，植被覆蓋度低，且無灌溉條件。試驗開始前測得該地區(qū)土壤pH 為5.75，全氮含量為3.07 g·kg?1，速效氮含量為230.09 mg·kg?1，全磷含量為0.49 g·kg?1，速效磷含量為64.81 mg·kg?1，全鉀含量為9.08 g·kg?1，速效鉀含量為267.08 mg·kg?1。補播區(qū)和對照區(qū)播種前，均采用旋耕機翻耕，晾曬1 d；播種時，施底肥為復(fù)合肥(N 15%, P 15%, K 15%)，每小區(qū)3.3 kg，苗期追施復(fù)合肥，每小區(qū)2.5 kg。牧草種子均由云南綠盛美地科技實業(yè)有限公司提供，補播方案及播量如表1 所列。

表1 格咱屬都湖尼嘎牧場高寒草甸補播方案Table 1 Alpine meadow reseeding schemes at Niga pasture, Lake Gzandu g·m?2

1.3 測定指標及方法

1.3.1 總蓋度的測定

于2019 年8 月下旬，用1 m × 1 m 的樣方框于各小區(qū)內(nèi)隨機框選3 塊樣方，采用目測法測定植被總蓋度[22]。

1.3.2 地上部分營養(yǎng)成分含量的測定

刈割上述樣方框內(nèi)鮮草，留茬1 cm，分別混勻后于烘箱中105 ℃殺青20 min，然后以85 ℃烘至恒重后打粉。

采用凱式法測定粗蛋白(crude protein, CP)含量；采用索式提取器法測定粗脂肪(ether extract，EE)含量；采用Van Soest 法測定酸性洗滌纖維(acid detergent fiber, ADF)及中性洗滌纖維(neutral detergent fibre,NDF)含量；采用EDTA 法測定鈣(calcium, Ca)含量；采用分光光度法測定磷(phosphrous, P)含量；采用灼燒重量法測定粗灰分(ash)含量[23]，各處理重復(fù)3 次。

1.3.3 土壤養(yǎng)分含量的測定

于牧草生長旺盛期，用直徑5 cm 的土鉆按三點法采集土樣，土壤取樣深度為0 ? 30 cm，分別混合均勻后裝袋并編號，然后裝入冰盒內(nèi)帶回實驗室于?80 ℃冰箱保存待用。

將土樣于室內(nèi)風(fēng)干，去除細根和雜質(zhì)，研磨后過1.00 和0.25 mm 土壤篩，混勻后取樣。用精密pH計(Starter 3100)測定土壤pH；采用凱氏法測定全氮(total nitrogen, TN)含量；采用堿解擴散法測定速效氮(available nitrogen, AN)含量；采用硫酸?高氯酸消煮?鉬銻抗比色法測定全磷(total phosphorus, TP)含量；采用碳酸氫鈉浸提?鉬銻抗比色法測定速效磷(available phosphorus, AP)含量；采用酸溶?火焰光度計法測定全鉀(total potassium, TK)含量；采用醋酸銨浸提?火焰光度計法測定速效鉀(available potassium, AK)含量[24-25]，各處理重復(fù)3 次。

1.3.4 土壤酶活性含量的測定

取存放于?80 ℃冰箱中的土樣。采用苯酚鈉?次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶(urease)活性；采用磷酸苯二鈉比色法測定土壤酸性磷酸酶(acid phosphatase)活性；采用3, 5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶(invertase)及土壤纖維素酶(cellulase)活性；采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶(catalase)活性；采用茚三酮比色法測定土壤蛋白酶(protease)活性[24,26]，各處理重復(fù)3 次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 軟件進行單因素(ANOVA)方差分析，采用Duncan 法進行多重比較，顯著性水平設(shè)定為0.05，數(shù)據(jù)結(jié)果用平均值 ± 標準差表示；采用Excel 2016 進行圖表的制作。

1.5 隸屬函數(shù)值計算

采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)值的方法進行綜合評定。隸屬函數(shù)值的計算公式如下：

式中：R(Xij)表示i處理j指標的隸屬函數(shù)值，Xij表示i處理j指標的測定值，Xjmax和Xjmin分別表示各指標的最大和最小的測定值，R(Xi)表示n個R(Xij)的平均值，Xi為i處理的隸屬函數(shù)值的平均值，n為指標數(shù)。當指標與地上部分營養(yǎng)成分、土壤養(yǎng)分及酶活性呈正相關(guān)關(guān)系時，用式(1)；呈負相關(guān)關(guān)系時，用式(2)。除ADF 與NDF 外，均使用式(1)。按函數(shù)隸屬均值的大小進行排序[27-29]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同補播方案地上部分總蓋度

補播可有效提高植被的覆蓋度，補播處理總蓋度均較CK 提高了38%以上(圖1)，差異顯著(P＜0.05)。但不同補播方案間總蓋度差異不顯著(P＞ 0.05)。

圖1 不同補播方案下高寒草甸牧草地上部分總蓋度Figure 1 Changes in total vegetation cover of above-ground parts of alpine meadow forage under different reseeding schemes

2.2 不同補播方案牧草營養(yǎng)成分

補播區(qū)的牧草CP、EE 和粗灰分含量均顯著高于對照區(qū)(P＜ 0.05)，其中，以補播方案Ⅱ、Ⅲ的CP 含量較高，補播方案Ⅲ的粗灰分含量最高(P＜0.05)，但3 種補播方案間EE 含量差異不顯著(P＞0.05)。同時，補播方案Ⅰ、Ⅲ的ADF 含量顯著低于CK (P＜ 0.05)，補播方案Ⅲ的NDF 含量比CK 低16.75% (P＜ 0.05)。補播處理Ca、P 均顯著高于CK(P＜ 0.05)，其中以補播方案Ⅲ的P 含量最高(表2)?？梢?，補播區(qū)的地上部分營養(yǎng)均優(yōu)于CK，補播可有效提高地上植被的養(yǎng)分。

表2 不同補播方案下高寒草甸牧草營養(yǎng)成分含量Table 2 Changes in nutrient components of alpine meadow forages under different reseeding schemes%

2.3 不同補播方案土壤養(yǎng)分特征

對照區(qū)的土壤pH 顯著低于補播區(qū)(P＜ 0.05)(表3)。TN 及AN 含量均以CK 最低(P＜ 0.05)，其中，補播方案Ⅰ的AN 含量顯著高于補播方案Ⅱ、Ⅲ(P＜ 0.05)，且為CK 的2.81 倍。TP 含量以補播方案Ⅰ為最高(P＜ 0.05)，CK 僅為其17.86%，但CK 的AP 含量為132.04 mg·kg?1，顯著高于補播區(qū)(P＜0.05)。補播方案Ⅱ的TK 含量最高(P＜ 0.05)，為CK的2.89 倍，但補播方案Ⅰ、Ⅲ的TK 含量無顯著差異(P＞ 0.05)，另外，各處理間AK 含量差異顯著(P＜0.05)。除AP 外，CK 的pH 及土壤養(yǎng)分含量均顯著低于補播區(qū)(P＜ 0.05)，說明補播可有效緩解土壤的酸度并提高土壤養(yǎng)分含量。

表3 不同補播方案下高寒草甸土壤養(yǎng)分特征Table 3 Changes in nutrient characteristics of alpine meadow soil under different reseeding schemes

2.4 不同補播方案土壤酶活性變化

補播方案Ⅱ土壤脲酶活性最高，為0.64 mg·(g·d)?1，是CK 的1.6 倍，且各處理差異顯著(P＜ 0.05)。CK 的酸性磷酸酶活性最低，僅為補播方案Ⅲ的59.40%，兩者差異顯著(P＜ 0.05)。不同處理蔗糖酶活性差異顯著(P＜ 0.05)。纖維素酶活性以補播方案Ⅰ最高(P＜0.05)，比CK 高出0.38 mg·(g·d)?1。補播區(qū)過氧化氫酶活性均高出CK 數(shù)倍，補播方案Ⅲ甚至高出6.18 倍。補播區(qū)的蛋白酶活性差異顯著高于對照區(qū)(P＜ 0.05)，CK 僅為補播方案Ⅰ的 44.70% (表4)?？梢?，補播可有效提高土壤酶活性。

表4 不同補播方案下高寒草甸土壤酶活性Table 4 Changes in enzyme activity of alpine meadow soil under different reseeding schemes mg·(g·d)?1

2.5 綜合評價

不同補播方案的地上部分營養(yǎng)成分、土壤養(yǎng)分及土壤酶活性的評判結(jié)果(表5)顯示，綜合評價的排序結(jié)果為補播方案Ⅲ ＞ 補播方案Ⅰ ＞ 補播方案Ⅱ ＞CK，因此認為補播方案Ⅲ (鴨茅 + 早熟禾 + 百脈根)為最優(yōu)，補播方案Ⅰ(鴨茅 + 葦狀羊茅 + 多年生黑麥草 + 苜蓿)、補播方案Ⅱ(無芒雀麥 + 多年生黑麥草 + 白三葉)為較好。

表5 不同補播方案下高寒草甸牧草及土壤各指標綜合評價Table 5 Comprehensive evaluation of alpine meadow forage and soil indicators under different reseeding schemes

3 討論

3.1 補播可有效提高草地生產(chǎn)性能

本研究中，補播區(qū)的地上部分總蓋度較對照區(qū)提高了38%以上，表明補播可大幅度提高植被的覆蓋程度。其中以補播方案Ⅲ為最優(yōu)，這與劉卓[30]在寧夏南部山區(qū)的禾草補播試驗結(jié)果相近。

飼草的營養(yǎng)成分通常由CP、EE、ADF、NDF、Ca、P、A等組成，決定著草地營養(yǎng)物質(zhì)輸出的能力[31]。植物地上部分組織中較高的氮儲備會增進新葉的生長，進而推遲木質(zhì)化進程[32]，使CP、EE含量上升，ADF、NDF含量下降。而補播方案Ⅰ地上部分CP含量相對另外兩個補播區(qū)較低，可能是由于補播方案Ⅰ豆科牧草的比例相對較低，且研究區(qū)2019年8月降水天數(shù)高達21 d，苜蓿生長延緩[33]。補播區(qū)EE的含量顯著高于對照區(qū)(P＜ 0.05)，但本研究中均使用多年生牧草且土地貧瘠，所以各補播區(qū)差異不顯著(P＞ 0.05)。

高寒草甸入秋后氣溫降低但仍然多雨，較低的氣溫和濕潤的空氣使得植物的生理活動變慢，干物質(zhì)的累積減緩，粗灰分的含量下降，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性碳水化合物(ADF、NDF)的含量減少[34]，但均以補播方案Ⅲ為最優(yōu)，表明較高的鴨茅比例能有效改善退化草地地上部分營養(yǎng)品質(zhì)[30]。Ca作為植物的必需元素，調(diào)節(jié)著諸如胞內(nèi)蛋白結(jié)合等代謝過程，同時，較高的Ca含量可促進妊娠動物的產(chǎn)奶等[35]，不過本研究中各補播區(qū)Ca含量差異不顯著(P＞0.05)，這與侯鈺榮等[36]的補播改良區(qū)鈣含量比對照區(qū)增加了0.11%結(jié)果類似。牧草磷含量的變化與土壤的速效磷含量相關(guān)[37]，補播區(qū)土壤速效磷含量低于試驗開始前的測定值，而對照區(qū)則高出約2倍，說明補播促進了牧草對P的吸收。

3.2 補播可有效增加土壤肥力

植被能分解土壤中難以處理的有機物質(zhì)，改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分，增加土壤肥力[38-39]。本研究中補播區(qū)TN、AN、TP、TK、AK含量均顯著高于對照區(qū)(P＜ 0.05)，這與多數(shù)研究結(jié)果一致[17,25,40]?？烧f明本研究采用的補播方案可有效培肥迪慶地區(qū)高寒草甸土地。表層土壤的養(yǎng)分主要受凋落物以及施入的肥料影響，補播可以通過增加0 ? 30 cm土層的全效養(yǎng)分，經(jīng)根系吸收分解利用后以有效肥料的形式循環(huán)入表土層，以達到保肥效果[41]。

TN、AN以補播方案Ⅰ最高，表明苜蓿根系發(fā)育有利酸性土壤中根瘤菌定殖，從而加速土壤氮素的累積[42]。TK、AK以補播方案Ⅱ最高，表明無芒雀麥 +多年生黑麥草 + 白三葉的補播方案在施肥條件下有利于土壤鉀素的累積，這與從懷軍等[43]的研究結(jié)果相近。至于AP含量出現(xiàn)對照區(qū)顯著高于補播區(qū)的現(xiàn)象(P＜ 0.05)，分析認為改良措施明顯加速了高寒草甸土壤速效磷的分解利用[17]。另外，補播區(qū)pH顯著高于對照區(qū)，說明補播能夠有效降低土壤酸度，減少過酸土壤對植物根系的損傷和對土壤酶活性的抑制[44]。

3.3 補播可有效提高土壤酶活性

土壤酶活性是評價土壤肥力的重要指標，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纖維素酶、過氧化氫酶、蛋白酶等催化著土壤中微生物的各種代謝活動[45]。酶活性變化能夠很直觀地反映土壤經(jīng)過改良措施后的變化。本研究結(jié)果顯示，經(jīng)過補播措施，土壤的酶活性都有所提高，分析認為可能是促進土壤養(yǎng)分含量和地上部分營養(yǎng)價值上升的原因。其中，補播方案Ⅱ的脲酶活性最高，補播方案Ⅰ的蛋白酶活性最高，脲酶及蛋白酶與土壤中氮素的利用密切相關(guān)，兩補播方案均具有較高TN、AN 含量，表明苜蓿及白三葉相對百脈根而言有較高的固氮能力。補播方案Ⅲ的過氧化氫酶活性最高，過氧化氫酶的存在有利于防止H2O2對植物的毒害作用，有利于地上營養(yǎng)物質(zhì)的累積，可能與早熟禾細胞有較強清除活性氧的能力有關(guān)[46]。

4 結(jié)論

根據(jù)1 年的試驗數(shù)據(jù)，利用隸屬函數(shù)分析法對3 種補播方案進行綜合評價，鴨茅 + 早熟禾 + 百脈根補播組合的地上部分營養(yǎng)成分、土壤養(yǎng)分以及土壤酶活性均表現(xiàn)為最優(yōu)，此補播方案可以在當?shù)鼗驓夂蝾愃茀^(qū)推廣。鴨茅 + 葦狀羊茅 + 多年生黑麥草 + 苜蓿、無芒雀麥 + 多年生黑麥草 + 白三葉的補播組合也具有較好的應(yīng)用價值。但補播是否能持續(xù)改變當?shù)貎?yōu)勢種群落，還需進一步的研究。