微生物肥对羊草植被特征和化学计量学的影响

温 超，单玉梅，贾伟星，高丽娟，杨晓松，斯日古楞，张 军，刘永志

(1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031； 2.中国科学院内蒙古草业研究中心，内蒙古 呼和浩特 010031；3.内蒙古通辽市畜牧兽医科学研究所，内蒙古 通辽 028000； 4.内蒙古自治区农牧业厅，内蒙古 呼和浩特 010010)

复合微生物肥料，是由特定微生物或其他经过鉴定的两种以上互不拮抗的微生物与营养物质复合而成，是能提供、保持或改善植物营养，提高农产品产量或改善农产品品质的活体微生物制品。它既能为作物生长提供必需的营养成分，又可改土、抗病、促生和改善生态环境，对于生产优质农产品，减少环境污染有良好的作用[1]。微生物肥料已广泛应用在禾谷类、油料类和纤维类作物，且多数增产效果明显。据统计，各种微生物肥料的增产幅度在10%左右，而复合微生物肥料增产可在20%以上，效果明显[2]。微生物肥料对燕麦(Avenasativa)[3]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[4]、高羊茅(Festucaarundinacea)[5]等牧草增产的效果明显。合理施肥可以提高牧草产量和品质[6-7]，它已成为维持草地生态系统养分平衡、恢复退化草地、保护草地资源的重要措施[8]，但是关于微生物肥料在改良天然草地方面的报道较少。复合微生物肥料的施入，可以增加草原土壤微生物量碳氮含量和土壤酶活性[9-10]，改善草原土壤生物化学肥力状况，进而改变羊草(Leymuschinensis)的生态化学计量学特征，引起其植被特征和品质变化。生态化学计量学(ecological stoichiometry)是研究生物系统能量和化学元素平衡的科学[11]，特别是C、N、P的含量及其比率关系，有助于了解植物的生长发育过程、群落的结构和功能等[7,12]。Aerts和Chapin[13]研究认为叶片对N、P养分缺乏的适应可体现在叶片N∶P化学计量比的变化上。因此，N∶P化学计量比可作为当前限制性养分判断的指标之一。目前，草地化学计量研究主要集中在内蒙古高原和青藏高原，探究植物体化学元素的时空格局，以及化学计量特征对气候因子和干扰的响应等生态问题[14-15]，而微生物肥料对植物生态化学计量学的影响研究甚少。

科尔沁沙化草原区是半干旱天然草地的重要分布区，是内蒙古重要的草地资源之一，具有不可忽视的生态作用，其生态十分脆弱，水资源短缺，且沙漠化严重，不合理的利用方式极易导致草原退化。羊草是禾本科多年生根茎型牧草，叶量多、营养丰富、适口性好，具有较高的饲用价值和经济价值。目前关于羊草施肥的研究大多集中在天然草地施用化肥[16-18]，而微生物肥料在改良天然草原植被方面的应用较少。为此，通过对科尔沁沙地羊草草原施加不同的复合微生物肥料，进而系统地分析羊草在植被特征、品质以及C、N、P生态化学计量特征方面的变化，从理论上分析理解其退化机理，以期为微生物肥料在天然草地的改良、恢复和管理利用中提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗珠日河牧场白音查干分场，地理坐标为44°24′56″ N，121°52′34″ E，气候属内陆半干旱草原气候类型，受东亚季风控制，大陆性气候特征十分明显，冬季寒冷，夏季炎热，气温变幅大，降水少而集中，春季多大风。全年平均气温5.6 ℃，极端最高气温40.9 ℃，极端最低气温-32.9 ℃；多年平均无霜期143 d；日照时数3 101 h；≥10 ℃以上年积温3 114.4 ℃·d；年平均降水量354.3 mm；一年降水量的70%以上集中在6至8月份。地势平坦，土壤类型属于砂壤土，0-10 cm土壤有机质含量为8.72 g·kg-1，全氮0.47 g·kg-1，全钾28.23 g·kg-1，全磷0.23 g·kg-1，C∶N为18.82。试验区植被主要为羊草+杂类草群落，羊草为建群种，伴有糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、芦苇(Phragmitesaustralis)、胡枝子(Lespedezadavurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等[18-19]。

1.2 试验设计

样地选取长期割草利用的羊草草甸草原固定割草地，每年8月中旬至9月初刈割一次。2014年5月初，选择地势平坦、群落特征较为一致的地段作为样地。试验采取单因素随机区组设计，5个处理，3个区组，共计15个小区，每个小区面积为3 m×5 m，中间设置1 m的缓冲带。设置对照(无添加)、腐植酸复合微生物肥料、糖蜜发酵复合微生物肥料、海藻酸复合微生物肥料以及混合微生物肥料(以下简称混合微肥，即腐植酸+糖蜜发酵+海藻酸3种混合处理)5个处理。5月22日进行肥料添加处理，其中腐植酸和海藻酸为固体肥料，直接撒播，糖蜜发酵为液体肥料，溶于水后均匀喷施到小区内。施入微生物肥料的种类及施肥标准如表1所列。

1.3 试验方法

在2014年草地生产力高峰期(8月中旬)取样，每个重复小区内按蛇行法随机设置3个0.5 m×0.5 m的样方。用卷尺测量每个样方内羊草的高度，用计数法记录植株密度。用剪刀将样方内羊草齐地面剪取，存放于信封袋中，带回实验室105 ℃下杀青30 min，在65 ℃烘箱中烘干至恒重，称其干重。将上述烘干羊草样品粉粹后测定其粗蛋白质(CP)、酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)含量。粗蛋白含量采用全自动凯氏定氮仪进行测定，酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维采用Ankom A220i型纤维分析系统进行测定[20]。全C、全N和全P含量分别采用重铬酸钾氧化外加热法、凯氏定氮法和钼锑抗比色法测定。3次重复，测定结果以单位质量的元素含量(mg·g-1)表示。

表1 试验设计Table 1 Experiment design

1.4 数据分析

所有试验数据均采用Excel 2010进行整理和初步计算，采用SAS 9.0软件进行统计分析。采用单因素分析法(One-way ANOVA)比较不同处理间的差异显著性，采用Pearson相关分析法对羊草品质和生态化学计量学特征进行相关性分析，显著性水平设为P<0.05，极显著水平设为P<0.01。利用Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 羊草植被特征对复合微生物肥料的响应

不同种类的复合微生物肥料对群落中羊草地上生物量、高度和密度都有不同程度的促进作用(表2)。与对照比较，糖蜜发酵、海藻酸和混合微肥处理显著提高了羊草地上生物量(P<0.05)，增幅分别为258.91%、177.97%和111.73%，而腐植酸处理下增幅最小，为48.57%，与对照无显著差异(P>0.05)；糖蜜发酵处理下地上生物量最大，可达90.59 g·m-2。复合微生物肥料对群落中羊草高度具有增加的作用。与对照相较，糖蜜发酵显著增加了羊草高度(P<0.05)，增幅为18.16%，而其余肥料处理增加不显著(P>0.05)。施肥使羊草密度显著增加(P<0.05)，糖蜜发酵处理下羊草密度最大，可达191.33株·m-2，较对照增加了258.77%，腐植酸、海藻酸和混合微肥处理也使密度显著增加，增幅分别为61.26%、152.52%和180.01%。综合比较，在几种复合微生物肥料组合中，糖蜜发酵微生物肥料对于羊草地上生物量、高度和密度都有显著增加的效果。

2.2 复合微生物肥料对羊草品质的影响

对不同复合微生物肥料处理下羊草的CP、NDF和ADF含量进行测定(表3)，结果表明，与对照相较，糖蜜发酵处理显著提高了CP含量(P<0.05)，增幅为22.01%，其余处理间均无显著差异(P>0.05)。按照我国农业部标准“NY/T 728-2003禾本科牧草干草质量分级”[21]和内蒙古自治区地方标准“DB 15/T 868-2015天然青干草质量检验与分级”[22]进行比较分析，糖蜜发酵处理下羊草品质提高了一个等级，属于一级，其余都属于二级。对于CP的分级，采用两个标准分级相同，但是农业部标准只有CP一项，故本研究对于CP、NDF、ADF均参照内蒙古地方标准进行分级。与对照相较，施肥处理显著降低了羊草NDF含量(P<0.05)，腐植酸处理下降幅最大，属于二级，降低了20.55%，其余处理也都有10%以上的降幅，属于三级。与对照相较，羊草ADF含量均显著降低(P<0.05)，腐植酸处理最低，为34.68%，较对照降低了19.31%，比对照提高了两个等级，属于一级，糖蜜发酵、海藻酸和混合微肥都提高了一个等级，属于二级。综合分析，糖蜜发酵微生物肥料使得羊草CP含量显著增加，NDF和ADF含量显著降低，对于羊草品质的提升较为有利。

表2 不同施肥处理下羊草地上生物量、高度、密度的变化Table 2 Changes of aboveground biomass, height, density of Leymus chinensis under different fertilization treatments

同列不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)，下同。

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following tables and figures.

表3 施肥对羊草品质的影响Table 3 Fertilization effect on the quality of Leymus chinensis %

2.3 羊草C、N、P含量及其C∶N、C∶P、N∶P生态化学计量特征

复合微生物肥料增加了羊草C含量。与对照相比，腐植酸、糖蜜发酵、海藻酸和混合微肥处理使C含量分别增加了4.64%、3.43%、5.37%和8.59%，但各处理之间差异均不显著(P>0.05)，这说明羊草C含量稳定性较强，施肥对其影响有限。糖蜜发酵处理可以显著增加羊草N、P含量(P<0.05)，与对照相比，增幅分别为21.97%和13.73%。腐植酸、海藻酸和混合微肥处理下N、P含量略有降低，与对照差异不显著(P>0.05)。其中，N含量分别下降了7.08%、5.04%和5.45%，P含量分别下降了10.78%、13.73%和13.73%(表4)。

施肥后羊草的C∶N、C∶P、N∶P 大多呈升高的趋势，只有糖蜜发酵处理对C∶N和C∶P 有降低作用(图1)。与对照相较，腐植酸、海藻酸和混合微肥处理下C∶N分别提高了11.88%、10.17%和14.24%，混合微肥处理差异显著(P<0.05)，其他两种处理差异不显著(P>0.05)，糖蜜发酵则下降了14.82%，且显著低于对照(P<0.05)；与对照相较，糖蜜发酵处理下C∶P降低了9.60%，且差异不显著(P>0.05)，腐植酸、海藻酸和混合微肥处理下C∶P均显著增大(P<0.05)，增幅在16.50%～24.82%。5个处理下N∶P的值在12.22～13.32，与对照相较，腐植酸、糖蜜发酵、海藻酸和混合微肥处理下N∶P含量分别增加了3.27%、5.56%、9.00%和8.51%，但各处理间差异不显著(P>0.05)。

表4 不同施肥处理下羊草的碳、氮和磷含量Table 4 C, N and P contents of Leymus chinensis under different fertilization treatments mg·g-1

3 讨论与结论

3.1 复合微生物肥料对羊草植被特征的影响

地上生物量可以反映群落在一定时间范围内生成有机物质的能力[23]。各类复合微生物肥料的增产效果约为21.2%[2]。施用微生物肥料可使垂穗披碱草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapretensis)、直穗鹅观草(Roegneriaturczaninovii)混播禾草草地牧草增产16.75%[24]，使紫花苜蓿产量增加17.3%[4]，燕麦(Avwnasativa)产草量增加24.3%[25]。另外，对草地施肥可显著增加禾本科牧草生物量[26-28]，增加群落高度[29-30]，显著提高羊草株高、密度、叶片数和叶面积等，促进羊草营养生长，增加牧草产量[31]。已有研究表明，施加复合微生物肥料可以改善草原土壤的物理和养分状况[9-10,32]，对羊草地上生物量增产效果较好[33]。本研究也得到了相同的结论，在科尔沁羊草割草地，复合微生物肥料对羊草地上生物量、高度、密度均有增加效应，其中糖蜜发酵增加效果较为显著，使得地上生物量和密度较对照区分别增加了258.91%和258.77%，株高增加了18.16%。因此，糖蜜发酵微生物肥料可作为天然羊草草原改良中的最佳推荐肥料。本研究中的3种复合微生物肥料混合处理下羊草各项植被特征都不是最高的，并没有产生叠加效应，原因可能是复合微生物肥料成分较为复杂，3种不同的微生物菌群混合后产生了拮抗作用，其综合原因还需要进一步验证。另外，本研究只分析了施肥当年的效果，对于利用微生物肥料改良草原效果的可持续性和长期响应机制不明确，仍有待继续深入研究。

3.2 复合微生物肥料对羊草品质的影响

合理施肥是恢复草地生产力，提升高牧草品质的重要手段。改善牧草品质，提高其营养价值的重要内容是提高粗蛋白含量和降低纤维素含量[34]。已有的研究表明，适量的施用氮肥可改善禾本科牧草的品质，增加蛋白质含量，降低粗纤维含量，从而提高牧草的适口性和可消化率[35-37]。酸性洗涤纤维含量与动物消化率呈负相关关系，其值越低饲料的消化率越高，饲用价值也越大[38]。因此，在干草的评定标准中，较高的CP与较低的NDF和ADF含量是评价牧草优良与否的重要指标。本研究中，复合微生物肥料提升了羊草品质，增加了其饲用价值。其中，糖蜜发酵微生物肥料理显著增加了羊草粗蛋白质含量，属于一级，其余施肥处均属于二级。腐植酸降低了羊草中性洗涤纤维含量，属于二级，其余施肥处理属于三级，从酸性洗涤纤维含量来看，属于一级，其余都属于二级。

图1 羊草C、N、P生态化学计量比Fig. 1 Stoichiometric rations of C, N, P of Leymus chinensis ecological stoichiometry

F、T、H、A腐植酸、糖蜜发酵、海藻酸、混合微肥。

F，T，H，A indicate Humic acid, Molasses fermentation, Alginic acid, Mixed compound bio-fertilizer.

3.3 复合微生物肥料对羊草C、N、P含量及其计量比的影响

植物体内的物质由结构性物质、功能性物质和贮藏性物质3类组成，一般情况下，C是结构性物质，是植物各种生理生化过程的底物和能量来源，N和P是功能性物质，作为各种蛋白质和遗传物质的重要组成元素[39]。对于同一物种来说，通常功能性和贮藏性物质的含量容易受到环境影响变化，而结构性物质含量相对较稳定，不易受环境影响[11]。本研究中C含量是结构性物质，施加不同的肥料后增加不显著，这与上述规律相同。N和P是植物中限制植物生长和初级生产力的基础营养，因此，植物组织中生态化学计量学组成可影响植物功能，最终影响系统的稳定性[7,11]。植物的N∶P是反映N和P元素的相对关系，用于探讨元素限制对植物生长发育的影响[7,40]。通常情况下，C的含量相对稳定，变异较小，C∶N和 C∶P的变化主要由N、P的变化决定[41]。有研究表明，当植物群落的N∶P小于14时，植物生产力受N的限制较多；当N∶P大于16时，则受P的限制较大；介于两者之间时，则受N、P的共同限制[42-43]。从本研究结果来看，羊草的N∶P都小于14，说明N可能是当地限制羊草生长的一个主要因素，P处于相对平衡的状态，这与李玉霖等[44]对科尔沁沙地的大部分植物叶片N∶P<14的研究结果一致。施肥后羊草的N∶P都有不同程度的上升，说明微生物肥料在一定程度上缓解了N的限制，可供植物吸收利用的N增加，羊草品质提高。因此可以通过调节施肥过程中肥料的种类和配比，进而调控羊草体内的生态化学计量比，提高其产量和改善品质。

综上所述，复合微生物肥料可以增加天然草地群落中羊草的地上生物量、高度和密度，其中以糖蜜发酵微生物肥料效果较为显著，同时它也提升了羊草的品质，使得粗蛋白含量显著增加，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著降低。研究区羊草的N∶P都小于14，说明羊草生长主要受到N素限制。因此，在科尔沁地区天然草地恢复和改良中，可以在施用糖蜜发酵复合微生物肥料的同时适量添加N肥，使羊草呈现适中的化学计量比。