高寒区施肥和混播对燕麦人工草地生物碳储量影响的研究

刘文辉， 刘 勇， 马 祥， 魏小星

(青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海大学畜牧兽医科学院， 青海 西宁810016)

植被生物量是地表碳循环的重要组成部分，是土壤碳库的主要输入源[1]，准确评估植物生物碳库及其动态变化，将有助于预测全球气候变化与草地生态系统之间的反馈关系，同时对合理利用草地和生态环境治理具有重要意义[2-3]。目前植被碳储量的估算方法主要有实地调查资料—环境因子(温度、降水等)回归模型法[4]、遥感资料回归模型法[5]和实测统计资料计算方法[6]。环境因子回归模型法是利用环境因子与陆地植被生产力间的关系建立模型，推算陆地植被生物量和碳储量变化[7]，目前已经建立了过程模型[8]、生态系统机理性模型[9]和改进的光能利用率模型[10]等多种模型。遥感资料回归模型法利用高时空遥感影像估算植被生物量和净初级生产力，分析土地利用对碳储量的影响[5,11-12]。实测统计资料计算方法是将植被生物量通过一定的转换系数换算成C储量。大尺度上植被碳储量利用相关植被统计数据及估算参数计算[11,13]；小尺度的植被碳储量估算采用含碳率进行直接换算。目前国内已对水稻(Oryzasativa)[13]、小麦(Triticumaestivum)[13]、玉米(Zeamays)[13]、蚕豆(Viciafaba)[13]、马铃薯(Solanumtuberosum)[13]、油菜(Brassicachinensis)[13]、木薯(Manihotesculenta)[14]、蔬菜[14]、花卉[14]和其他作物[13]进行了研究，提出了不同作物的平均含碳率。我国栽培草地选用的牧草品种较多，其中种植面积较大的有苜蓿(Medicagosativa)、老芒麦(Elymussibiricus)、黑麦草(Loliumperenne)和燕麦(A.sativa)等。目前我国在C储量方面研究较多的栽培草地主要是苜蓿草地[15]，而在其它牧草方面的研究较少。

燕麦作为青藏高原人工草地建植的主要优良牧草之一，在解决青藏高原高寒地区草畜季节性供求矛盾、保护生态环境和促进草地畜牧业可持续发展等方面发挥着重要的作用。在燕麦人工草地研究方面，国内外科研人员从燕麦单播[16]、燕麦与箭筈豌豆混播的品种选择[17]、混播组合[18]、施肥水平[19-20]、光能转化效率[21]、生产性能[22-23]以及营养组成[19]等方面进行的深入而细致的理论研究和生产实践，有效推动了青藏高原燕麦产业的发展。随着国家“粮改饲”和“草牧业”试点工作的开展，燕麦在青藏高原生态环境治理和草牧业发展中发挥着更重要的作用，以往有关燕麦方面的研究主要集中在提高产量和品质方面，而对生物固碳方面的关注较少，青藏高原地区燕麦的种植在碳固定方面的研究缺乏系统的研究，尤其是不同耕作措施下对碳固定方面的研究较少。燕麦人工草地的建植不仅要考虑经济效益，更重要的还需考虑生态效益。燕麦单播、燕麦与箭筈豌豆混播和施肥调控是青藏高原燕麦人工草地建植过程中常用的耕作方式。因此，本研究选用的4个燕麦品种为研究对象，采用不同的施肥措施和箭筈豌豆混播比例，建立燕麦与箭筈豌豆混播人工草地，系统评价不同措施对燕麦人工草地各器官碳储量的影响及其动态变化，以期为燕麦人工草地生态评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料燕麦品种为青燕1号(A.sativaL. ‘Qingyan No. 1’)、青海444(A.sativaL. ‘Qinghai 444’)、青海甜燕麦(AsativaL. ‘Qinghai’)和林纳(AsativaL. ‘Lena’)；箭筈豌豆品种为西牧324(ViciasativaL. ‘Ximu 324’)；均为上年收获种子。选用肥料为尿素(含N 46%)，磷酸二铵(含N 16%，P2O546%)，有机肥(有机质>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌数0.2亿·g-1)。

1.2 试验地概况

试验地位于青海省海北州西海镇，属环青海湖区域，是青藏高原重要的燕麦饲草生产基地。地理坐标为36°59.36′ N，100°52.848′ E，海拔3 156 m，气候寒冷潮湿，无绝对无霜期，年均气温0.5℃，年降水量369.1 mm，且集中在7、8、9月，年蒸发量为1 400 mm，全年日照时数为2 980 h，无霜期为93 d左右。土壤为栗钙土，pH值8.43，全氮(N)1.56 g·kg-1，全磷(P2O5)1.39 g·kg-1，全钾(K2O)22.06 g·kg-1，碱解氮88.77 mg·kg-1，速效磷2.2 mg·kg-1，速效钾168.2 mg·kg-1，有机质32.48 g·kg-1。

1.3 试验设计

本试验为燕麦品种、施肥和箭筈豌豆混播三因素四水平正交试验设计[L16(45)]，共16个处理，3次重复，随机区组排列。燕麦品种为A1(青燕1号，Qingyan No.1)、A2(林纳，Lena)、A3(青海444，Qinghai 444)和A4(青海甜燕麦，Qinghai)；施肥水平为B1(CK0，不施任何肥料)、B2(Inorganic manure,IM，尿素75 kg·hm-2+磷酸二铵150 kg·hm-2)、B3(Organic manure,OM，有机肥1 500 kg·hm-2)和B4(Inorganic manure and organic manure,IM+OM，尿素37.5 kg·hm-2+磷酸二铵75 kg·hm-2+有机肥750 kg·hm-2)；箭筈豌豆混播水平为C1(0 kg·hm-2)、C2(45 kg·hm-2)、C3(60 kg·hm-2)和C4(75 kg·hm-2)。试验中所选用的燕麦品种分别为早熟、中熟、中晚熟和晚熟品种，施肥梯度和混播水平根据青藏高原燕麦人工草地建植中常用的农艺措施进行布局。小区面积为4 m×5 m，小区间隔0.5 m，燕麦播种量按600万株·hm-2保苗数计算，根据千粒重、发芽率、纯净度计算得各品种的实际播量为：青燕1号、林纳、青海444和青海甜燕麦播量分别为154.3 kg·hm-2，150.0 kg·hm-2，183.0 kg·hm-2和216.0 kg·hm-2。人工撒播后用小型旋耕机旋耕，播深控制在3～4 cm。2014年5月14日播种，肥料作为底肥在播种前一次性施入。出苗后，人工除杂1次，田间管理和取样工作在同一天完成。

1.4 测定指标与方法

植物样品采集：分别于燕麦拔节期(6月15日，jointing stage，JS)、抽穗期(7月15日，heading stage，HS)、开花期(8月15日，flowering stage，FS)和乳熟期(9月15日，milk stage，MS)在各试验小区选取1 m×1 m的样方，3次重复，连同地下部分挖出，按燕麦和箭筈豌豆根、茎、叶、穗(燕麦)分开，带回实验室。植物地下根系冲洗干净后，将植株各器官样品置于65℃烘箱，烘干至恒重。分别测定得到燕麦和箭筈豌豆各器官生物量，同时采用ELAB-TOC总有机碳分析仪测定各器官碳含量，植物各器官和组分生物碳储量根据以下公式计算：植物器官生物碳储量=器官碳含量×器官生物量。

1.5 数据分析

所得数据采用Excel 2003进行初步整理，用SPSS for Windows 11.5进行方差分析和相关分析，用Sigmaplot 12.5进行绘图。采用Duncan法在0.05水平上进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 地上生物碳储量

2.1.1地上总生物碳储量 不同时期3个因素对地上总生物碳储量影响的差异性分析结果如表1所示，3个因素对其的影响效应在拔节期表现为施肥>品种>混播，其余时期表现为品种>施肥>混播。随着生育期的推进，各处理地上总生物碳储量均呈显著增加的变化(P<0.05)，乳熟期达到最大(图1)。地上总生物碳储量在抽穗期—开花期、开花期—乳熟期增加迅速，平均日积累量达到22.74 kg·hm-2·d-1和22.21 kg·hm-2·d-1。各处理下乳熟期分别以品种A4、施肥B4和混播C4下最大，分别达2 204.7 kg·hm-2，2 136.4 kg·hm-2和2 008.0 kg·hm-2，较最低的A2、B1和C1高46.90%，37.35%和33.67%。

表1 不同措施对地上总生物碳储量影响的方差分析(F值)Table 1 The variance analysis of aboveground biomass carbon stocks under the different treatments (F value)

注：**、*和ns分别表示因素对地上总生物碳储量的影响达到极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)和无显著差异，下同

Note：** and * indicate significant influence of aboveground biomass carbon stocks under the different treatments at the 0.01 and 0.05 level,respectively;ns indicates no significant influence. The same below

图1 不同措施下地上总生物碳储量季节变化Fig.1 The seasonal change of the aboveground carbon stocks under the different treatments注：A1：青燕1号；A2：林纳；A3：青海444；A4：青海甜燕麦；B1：CK；B2：尿素+磷酸二铵；B3：有机肥；B4：尿素+磷酸二铵+有机肥；C1：0 kg·hm-2；C2：45 kg·hm-2；C3：60 kg·hm-2；C4：75 kg·hm-2；不同小写字母表示因素间差异显著(P<0.05)；大写字母表示不同时期间差异显著(P<0.05),下同Note：A1：Qingyan No.1；A2：Lena；A3：Qinghai 444；A4：Qinghai；B1：CK；B2：IM；B3：OM；B4：IM+OM；Different lowercase letters and different capital letters show significant difference at the 0.05 level under different factors and growth periods,respectively. The same as below

2.1.2燕麦地上生物碳储量 对3个因素对燕麦地上生物总生物和各器官生物碳储量影响的差异性分析结果见表2。3个因素对其的影响效应在拔节期以施肥最大，抽穗—乳熟期以品种最大；各时期3个因素对茎和穗生物碳储量的影响大小为品种>施肥>混播，对叶生物碳储量表现为施肥>品种>混播。燕麦地上总生物、茎、叶和穗生物碳储量在3个因素影响下均随着生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，乳熟期达到最大(图2)。从日积累量来看，燕麦地上总生物和茎生物碳储量在抽穗期—开花期积累速率最快，平均分别达到21.04 kg·hm-2·d-1和11.14 kg·hm-2·d-1；燕麦叶生物碳储量在拔节期—抽穗期积累最快(2.92 kg·hm-2·d-1)，燕麦穗生物碳储量从开花期—乳熟期呈持续显著增加(P<0.05)，平均日积累量为5.58 kg·hm-2·d-1。

表2 不同措施对燕麦地上各器官生物碳储量影响的方差分析(F值)Table 2 The variance analysis of the oat aboveground organ carbon stocks under the different treatments (F value)

乳熟期燕麦地上总生物碳储量以品种A4(1 826.0 kg·hm-2)、施肥B4(1 602.8 kg·hm-2)和混播C4(1 550.4 kg·hm-2)下最高，分别较最低处理高58.98%，53.85%和4.18%。燕麦茎、叶和穗生物碳储量不同品种间乳熟期以A4最高(904.9 kg·hm-2，355.5 kg·hm-2，566.4 kg·hm-2)，较最低处理高48.76%，48.00%，88.49%；在施肥处理下乳熟期以B4处理最高(914.9 kg·hm-2，364.5 kg·hm-2，542.2 kg·hm-2)，较最低处理高48.45%，33.03%，58.63%。各混播处理下燕麦茎、叶、穗生物碳储量间均无显著差异。

图2 不同措施下燕麦各器官生物碳储量季节变化Fig.2 The seasonal change of the biomass carbon stocks of different oat organs under different treatments

2.1.3箭筈豌豆地上生物碳储量 各时期3个因素对箭筈豌豆地上各器官生物碳储量影响的差异分析见表3。3个因素对地上总生物、茎和叶生物碳储量影响的效应表现为：拔节期和乳熟期为混播>品种>施肥，抽穗期和开花期为混播>施肥>品种。箭筈豌豆地上各器官生物碳储量均随着生育期的推进的均呈显著增加趋势(P<0.05)，乳熟期达到最大(图3)。其中箭筈豌豆地上总生物、茎和叶生物碳储量均在开花期—乳熟期日积累量最大，分别为7.82 kg·hm-2·d-1、3.45 kg·hm-2·d-1和4.37 kg·hm-2·d-1。

图3显示，乳熟期箭筈豌豆地上总生物、茎和叶生物碳储量不同品种间均以A4最高(503.8 kg·hm-2，226.4 kg·hm-2和277.4 kg·hm-2)，较碳储量最低的A1高58.18%，85.57%和41.17%；不同施肥处理间以B1最高(495.0 kg·hm-2，228.9 kg·hm-2和266.2 kg·hm-2)，较碳储量最低的B4高17.94%，23.73%和13.42%；不同混播间以C4处理下最高(519.8 kg·hm-2，222.3 kg·hm-2和297.6 kg·hm-2)，较碳储量最低的C2处理高39.66%，23.16%和55.32%。

表3 不同措施对箭筈豌豆地上各器官生物碳储量影响的方差分析(F值)Table 3 The variance analysis of the vetch aboveground organs biomass carbon stocks under different treatments (F value)

图3 不同措施下箭筈豌豆地上器官生物碳储量季节变化Fig.3 The seasonal change of the vetch aboveground organs biomass carbon stocks under different treatments

2.2 地下生物碳储量

2.2.1地下总生物碳储量 由3个因素对地下总生物碳储量效应的差异性分析结果可知(表4)，各时期其影响效应大小表现为：拔节期和乳熟期为品种>混播>施肥；抽穗期为品种>施肥>混播；开花期为混播>施肥>品种。地下根系总生物碳储量均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，乳熟期达到最大(图4)。整个生育期碳储量日积累量平均为1.43 kg·hm-2·d-1。各因素影响下，乳熟期地下总生物碳储量分别以品种A4(265.4 kg·hm-2)、施肥B4(247.4 kg·hm-2)和混播C3(250.3 kg·hm-2)处理下最高，分别较碳储量最低的A2、B1和C1高22.64%，15.28%和21.80%。

表4 不同措施对地下生物碳储量影响的方差分析(F值)Table 4 The variance analysis of the vetch belowground organs biomass carbon stocks under the different treatments(F value)

图4 不同措施下地下生物碳储量季节变化Fig.4 The seasonal change of the belowground biomass carbon stocks under the different treatments

2.2.2燕麦根生物碳储量 表4显示，拔节、抽穗和乳熟期3个因素对燕麦根生物碳储量的影响效应大小为品种>施肥>混播，而开花期表现为施肥>品种>混播。燕麦根系生物碳储量均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，乳熟期达到最大(图4)。整个生育期碳储量日积累平均为1.20 kg·hm-2·d-1。各因素影响下，乳熟期燕麦根系生物碳储量分别以A4(227.0 kg·hm-2)、B4(218.1 kg·hm-2)和C3(207.2 kg·hm-2)处理下最高，分别较碳储量最低的A1、B1和C4高23.91%，21.57%和5.18%。

2.2.3箭筈豌豆根生物碳储量 表4显示，拔节期3个因素对箭筈豌豆根系生物碳储量的影响效应大小为混播>施肥>品种；抽穗期和开花期为施肥>品种>混播；乳熟期为品种>混播>施肥。箭筈豌豆根系生物碳储量均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，乳熟期达最大(图4)。整个生育期碳储量日积累平均0.23 kg·hm-2·d-1。各因素影响下，乳熟期箭筈豌豆根生物碳储量分别以A4(51.2 kg·hm-2)、B1(47.0 kg·hm-2)和C4(43.3 kg·hm-2)处理下最高，分别较碳储量最低的A1、B4和C2高48.84%，20.20%和13.05%。

3 讨论

3.1 影响植物各器官生物碳储量主要因素的确定

影响植物生物碳储量的因素很多，本研究发现，品种主要影响燕麦茎、穗和根生物碳储量，影响群落地上和地下总生物碳储量；施肥主要影响燕麦叶和箭筈豌豆根生物碳储量；混播主要影响箭筈豌豆茎、叶和地上总生物碳储量。对燕麦混播人工草地群落而言，品种是影响燕麦人工草地生殖生长期地上总生物碳储量的关键因子，施肥是影响燕麦人工草地营养生长时期地上总生物碳储量的关键因子。

品种是影响饲草产量和品质的重要因素，优质高产的饲草一般兼具产量高、叶量丰富和茎叶比低的特点。高产是牧草生产的主要目标，但其在品种间存在较大差异[24-25]。李有涵等[26]研究象草构建生物大小及结构因品种而异；徐春明等[27]发现不同秋眠级数苜蓿品种生物量积累潜力不同；张健[28]研究提出3种禾本科和3个紫花苜蓿品种间碳储量均存在显著差异；林瑞余等[29]也研究提出不同水稻品种间碳素含量存在显著差异。本研究也得出了一致的结论。不同燕麦品种与箭筈豌豆混播，其各器官生物碳储量也存在差异，其中利用青海甜燕麦建植的混播人工草地，群落地上、地下总生物碳储量均最高。青海甜燕麦在青藏高原高寒地区燕麦单播和混播人工草地建设中具备良好的固碳效果。

施肥是提高作物产量的关键措施之一[30]。但化学肥料的施用引起土壤微生物活性降低、养分失调、酸化加剧等一系列环境污染问题。研究表明，有机无机肥混施不仅能显著提高饲草产量，而且在促进无机肥的吸收和改善土壤品质方面具有重要的作用[31]。潘大伟等[32]和胡玮等[31]对小麦施肥的研究发现，有机肥与化肥配施均显著提高了小麦产量和土壤肥力，且较单施化肥效果更好。本研究发现，尿素、磷酸二铵和有机肥配施时，燕麦地上、地下总生物碳储量和群落地上、地下总生物碳储量均最高。有机肥和无机肥配施显著提高了混播人工草地的群落总生物碳储量和燕麦地上生物碳储量，混播群落中燕麦的竞争优势明显增强，抑制了箭筈豌豆的生长。

混播草地豆科、禾本科牧草种子所占比例直接影响种群的生长、产量和品质[33]。种植密度对混播群落内光合有效辐射、CO2、风速、温度、湿度等小气候因子的分布有显著影响，这种影响反馈到群体结构组成，最终反映在群体的有效贮积能量和产量上[34]。本研究发现，以混播75 kg·hm-2和60 kg·hm-2水平下群落地上、地下生物碳储量最高。与单播相比，混播抑制了另一种作物的生长，但有效提高了群体的总生物量积累。较高的箭筈豌豆混播(75 kg·hm-2)有效提高了群落和箭筈豌豆各器官碳储量，但抑制了燕麦的生长，适度的混播(60 kg·hm-2)有利于燕麦各器官的碳储量。

3.2 植被生物碳储量季节动态和潜力评估

不同燕麦品种在施肥和混播影响下，燕麦人工草地地上、地下以及各器官生物碳储量均随季节表现出明显的波动。燕麦和箭筈豌豆各器官碳储量以及群落地上、地下总生物碳储量均随生育期的推进显著增加，在乳熟期达到最大。燕麦和箭筈豌豆地上总生物碳储量分别在抽穗期—开花期和开花期—乳熟期增长迅速。燕麦茎生物碳储量随着生育期推进，在整个生育期表现为急剧增加，而叶、穗和根生物碳储量的增加较平缓；箭筈豌豆茎和叶生物碳储量在混播草地生长前期(燕麦开花期前)增长比较平缓，而开花—乳熟期增长迅速。这与陈功等[21]、周川姣等[35]、纪亚君等[36]的研究结果一致。

杨元合通过生物量收获法得到青藏高原高寒草地和高寒草甸生物碳储量分别为240 kg·hm-2和500 kg·hm-2[37]，本研究发现，在最佳农艺措施下建植燕麦与箭筈豌豆混播人工草地，其生物碳储量达到2383.8 kg·hm-2，是高寒草原的9.9倍，是高寒草甸的4.8倍。表明建植燕麦人工草地不仅可增加干物质积累，而且在固碳方面也明显优于高寒草地和高寒草甸。

4 结论

品种、施肥和混播均显著影响了燕麦人工草地各器官生物碳储量。品种主要影响燕麦茎、穗和根以及地上、地下总生物碳储量；施肥主要影响燕麦叶和箭筈豌豆根生物碳储量；混播主要影响箭筈豌豆茎、叶和地上总生物碳储量。选用青海甜燕麦，配施尿素、磷酸二铵和有机肥，并混播75 kg·hm-2和60 kg·hm-2箭筈豌豆时，混播燕麦人工草地地上、地下总生物碳储量均表现较高，地上分别达2 204.7 kg·hm-2，2 136.4 kg·hm-2和2 008.0 kg·hm-2，地下分别达265.4 kg·hm-2，247.4 kg·hm-2和250.3 kg·hm-2。混播燕麦人工草地各器官和群落地上、地下总生物碳储量均随生育期的推进显著增加，乳熟期达到最大。