生物有机肥对川西北退化草地群落结构和生产性能的影响

宋君祥，雷 雄*，叶明清，张惊乐，杨 颖，蔡东阳，扎德

(1. 四川省治理荒漠化基金会，四川 成都 611130； 2. 四川省太源生物有机肥有限责任公司，四川 广元 628000；3. 若尔盖县科学技术和农业畜牧局，四川 若尔盖 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泽湿地，有着丰富的草地资源和自然资源，是我国生态环境安全的重要屏障[1-3]。近年来，随着农牧业科学技术的不断进步，农牧民种草养畜意识的逐步提高，草地的化肥使用量逐年递增[4-7]。化肥的大量使用能在短时间内快速的促进牧草的生长，但长期施用会降低土壤有机质含量，引起土壤理化性状恶化，土壤酸化、土壤板结程度加重，禾本科优势草种类型减少、鼠虫害发生概率增大，这会对土壤乃至整个川西北草原生态环境造成严重的破坏[3,6,8-11]。为此，许多学者呼吁施用高效生物有机肥来逐步替代化肥，通过活性微生物菌群改善植物根系土壤结构和理化性质，推进化肥减量增效，这对于防止草地板结退化，提高牧草产量与品质有着重要意义。

有机肥是由生物物质、动植物废弃物、植物残体经生物发酵而来。在有机肥制作过程中，通过活性微生物菌群消除了或分解了原料中的有毒有害物质，使其发酵后的产品富含多种有机酸、肽类以及包括氮、磷、钾在内的丰富的营养元素[12-13]。有机肥发酵不仅能实现定向腐熟、除臭等目的，还可以为农作物提供全面营养，而且肥效长，增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，提高并改善牧草产量与品质[14-15]。因此，增加土壤生物有机肥料投入，可以有效提高草地土壤肥力和有益微生物活力，进而改善土壤团粒结构和土壤质地，增强植物对土壤养分的利用率。

本试验在前期研究的基础上，以2种不同退化程度的天然草地为研究对象，采用完全随机试验设计，通过测定天然退化草地植物群落物种数、植株高度、盖度和频度以及地上生物量和牧草品质，分析、探讨生物有机肥对天然退化草地植物群落及其生产性能的影响，以期为生物有机肥在川西北草原退化草地生态修复方面的应用提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地1(W)位于四川省阿坝州红原县瓦切镇唐日合作社，距县城42 km。该区域平均海拔3 500 m，属于大陆性高原寒温带季风气候，年平均温度为1.1℃，≥10℃年积温仅865℃，极端温度范围为—33.8～23.5℃，无绝对无霜期。全年平均降雨量738 mm，相对湿度71%，土壤PH 6.6，为高山草甸土。因长期放牧或机械化操作造成该草地轻度退化，具体表现为：植被低矮(平均高度<50 cm)，可食用牧草较少，毒杂草较多。

试验地2(R)位于若尔盖县阿西乡阿西村，地处若尔盖县北部，距县城37 km，平均海拔3 515 m，年平均气温—3℃，无绝对无霜期。该地域属高原寒温带湿润季风气候，常年无夏。因当地气候等自然因素和超载过牧等人为因素，造成该地区草地退化严重，具体表现为：植物盖度降低、群落数量减少、土壤沙化严重，属于重度退化草地(表1)。

表1 天然退化草地基本情况

1.2 供试材料

供试材料为“春果”生物有机肥，由四川省太源生物有机肥有限责任公司提供，总养分14.5%、有效活菌数0.39 亿·g-1、植酸15%、有机质55%。

1.3 实验方法

2018年在四川省阿坝州红原县瓦切镇唐日合作社(W)和若尔盖县阿西乡阿西村(R)同时进行。在前期研究的基础上，待牧草分蘖-拔节期以3 000 kg·hm-2的用量均匀撒施有机肥于试验地，分别以W1和R1表示；施肥后，除施行封育外，不做任何处理。同时在两个试验地附近选择分别以W1和R1相同利用方式和退化等级的草地作对照(进行围栏封育但不施有机肥)，分别用W0和R0表示。

1.4 观测项目及测定方法

草地群落调查：采用样方法进行，采样时间为2018年8月。在W和R试验地中，分别随机选择2处30 m × 30 m天然草地群落为研究样地，并分别命名为W1(施肥)和W0(不施肥)以及R1(施肥)和R0(不施肥)，并分别在4个样地中随机选择3个0.5 m ×0.5 m调查样方，测定植物种类、株高、密度、盖度、频度。

草地生产性能测定：在草地群落调查后，将样方内所有植物齐地刈割，测定地上生物量(鲜草产量)，测定鲜草产量后，将植物剪成3 cm～4 cm，置于烘箱中，105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重。称重测定干鲜比，再计算干草产量，保留2位小数。

营养成分测定：在测定干鲜比后，将牧草用粉碎机研磨成草粉，混匀后采用四分法取样测定各营养成分。粗蛋白(crude protein，CP)按照GB/T6432-1994测定；粗脂肪(crude fat,CF)按照GB6433-2006测定，总磷(total phosphorus,TP)按照GB/T 6437-2002测定,钙含量(calcium content,CC)按照GB/T 13885-2017测定;酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)按照GB/T20806-2006测定;中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)采用NY/T1459-2007测定。

1.5 数据计算

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

式中，RH为相对高度(relative height)，RC为相对盖度(relative coverage)，RF为相对频度(relative frequency)，RD为相对密度(relative density)，Pi为物种重要值(importance value)。

1.5.2物种多样性的测定 物种丰富度：N表示选用1m2样方内出现的物种数；

Berger-Parker指数:d=(nmax/N)-1，nmax表示个体数量最多物种的个体数量；

Margalef指数：dma=(S-1)/InN；

Simpson指数λ：

Shannon指数(以e为底)H'e:

1.6 数据处理与分析

利用Microsoft Office Excel 2010软件对数据进行整理和均值计算，采用SPSS 18.0软件对各样地群落的高度、密度、盖度、生物多样性指数、地上生物量以及营养成分等指标进行方差分析(ANOVA)，采用LSD对天然退化草地生物量和营养成分进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对天然退化草地群落物种组成的影响

在轻度退化草地中，各样方中的植物种类均为14种，施生物有机肥虽然没有出现新的植种类(图1 A)，但显著改变了现有物种的组成比例(P<0.05)。其中牛羊喜食性牧草诸如垂穗披碱草(Elymusnutans Griseb)、老芒麦(Elymus sibiricus)等分别占群落物种数量的16%和27%，与不施肥(对照)退化草地相比差异显著(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(图1B)，施有机肥使植物种类增加到15种，分属禾本科、菊科、豆科等，而对照中只有9种，差异显著(P<0.05)；施生物有机肥也改变了现有物种的组成比例，垂穗披碱草、仲彬草(GrenusKengyilia)等组成比例分别上升至15%和20%，与对照差异显著，而狼毒(StellerachamaejasmeLinn.)、马先蒿(PedicularisLinn.)、香青(AnaphalissinicaHance)等牧草比例较对照组显著减少(P<0.05)，说明施有机肥在一定程度上限制了部分物种的生长。而在重度退化草地中，施生物有机肥在一定程度影响了高寒草地植物物种组成。

图1 天然退化草地物种组成

2.2 生物有机肥对天然退化草地群落物种重要值的影响

由图2可知，在轻度退化草地中(图2-A)，施肥处理样地中的垂穗披碱草、珠芽蓼(PolygonumviviparumL)和老芒麦的重要值均大于0.1且与对照差异显著(P<0.05)，说明这三种植物在养分充足的前提下具有较高的种间竞争力；剪股颖(AgrostismatsumuraeHack. ex Honda)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)的重要值较对照有所增加，但差异不显著。而对照组的发草(DeschamPsiacaespitosa(Linn.) Beauv)和委陵菜(PotentillachinensisSer.)的重要值均大于0.1且显著高于施肥处理，这说明在不施肥的条件下，发草和委陵菜更能适应恶劣的环境。物种丰富度的研究表明，施生物有机肥对轻度退化草地的物种丰富度无显著影响。

在重度退化草地中(图2B)：施肥处理使仲彬草(Grenus Kengyilia)(Pi=0.145)和赖草(Leymussecalinus(Georgi) Tzvel)(Pi=0.145)体现出较高的群落优势，其次是垂穗披碱草(Pi=0.127)、早熟禾(Pi=0.130)，狼毒、问津等植物群落则处于相对劣势地位。未施肥处理则以马先蒿(Pi=0.196)和赖草(Pi=0.177)为主要优势种群，其次是沙生苔草、仲冰草以及狼毒。这说明施生物有机肥对重度退化草地的物种丰富有显著影响(P<0.05)。

图2 天然退化草地物种重要值(Pi)

2.3 生物有机肥对天然退化草地植物群落特征的影响

在植物群落调查中，物种的株高、频度、盖度等指标是显示群落特征的重要指标。如图3所示，在轻度退化草地中：草地W1披碱草的株高、频度和盖度分别为113.33 cm，100%和71.33%显著(P<0.05)高于其他物种。施生物有机肥能显著提高群落的平均高度并且促进了可食性牧草的生长；而对照组W0不仅在物种株高、频度和盖度远远低于W1，而且还促进了诸如发草、溚草、乳白香青、水杨梅等营养价值低的牧草的生长。

在重度退化草地中，施肥不但促进可食性牧草如披碱草、早熟禾(Poa.annuaL.)、仲彬草等牧草种类显著增多(P<0.05),而且还增加了其它物种的建植。其所有物种平均盖度之和高达127%，平均频度之和705%，分别比对照组(不施肥)增加118.97%和41%，差异显著(P<0.05)，在群体株高方面略有提高但差异不显著。

2.4 生物有机肥对天然退化草地生物多样性指数的影响

为了避免单一指数带来的偏差，本研究选择4个多样性指数来全面反映撒施生物有机肥对川西北不同程度天然退化草地群落的α多样性的影响，结果表明施天然有机肥对不同程度退化草地植物群落多样性的影响不同(表2)。Margalef丰富度指数(dMa)反映群落内植物种类的数量，在轻度退化草地中施肥(W1)与不施肥(W0)之间群落丰富度指数差异不显著，在重度退化草地中施肥(R1)的群落丰富度指数显著大于不施肥(R0)的(P<0.05)，表明施生物有机肥能大大增加重度退化草地群落内植物种类的数量。

表2 不同施肥处理对植物群落物种多样性的影响

注：不同字母表示差异显著(P<0.05)

Note:Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

Simpson优势度指数(λ)反映群落种类数量优势度的分化程度，R1(重度退化草地且施有机肥)的Simpson指数最低(0.11)，且显著低于其他处理(P<0.05)。说明施有机肥降低了重度退化草地群落的Simpson指数，这样使得种群之间的等级差异相近，群落结构关系较其他处理复杂和稳定。

Shannon多样性指数表明由生物群落等级特征引起的多样性程度，能够反应群落物种丰富度和均匀度的总体状况。在轻度退化草地群落中，施肥(W1)的Shannon指数显著低于不施肥(W0)的(P<0.05)；在重度退化草地群落则恰好相反，施肥(R1)显著高于不施肥(R0)的(P<0.05)。Pieluo均匀度指数是指群落中物种分布均匀程度大小，在本研究中，处理W1的Pieluo指数最低，显著低于其它处理(P<0.05)。

2.5 生物有机肥对天然退化草地地上生物量的影响

牧草产量是评价草地质量的重要指标之一。由图4可知，在轻度退化草地施生物有机肥能够极显著的增加草地的鲜草产量和干草产量(P<0.01)。在瓦切试验点(W1)，施生物有机肥能使草地鲜草产量和干草产量分别高达39 846.58 kg·hm-2和11 384.74 kg·hm-2，其干草产量是对照组(W0)的2.05倍(P<0.01)；在若尔盖的阿西乡沙化地(R1)，施生物有机肥组的干草产量较对照组(R0)增加了66.93%(P<0.01)。

图3 草地植物群落特征

图4 地上生物量的变化

2.6 牧草营养品质

由图5可知，生物有机肥能够有效提高牧草营养品质。在轻度退化草地，处理组的粗蛋白含量(14.57 g·100g-1)和总磷含量(2.1g·kg-1)比对照组提高了58.33%和71.27%，差异显著(P<0.05)；而粗脂肪含量比对照组也有相应的提高，为5.82%，但差异不显著。

在重度退化草地，生物有机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)，与对照相比，分别提高了62.24%和22.73%；也有效地降低了中性洗涤纤维(48.7%)和酸性洗涤纤维(35.2%)的含量，分别比对照降低了23.64%和19.96%，提高了牧草品质。

图5 牧草品质的变化

3 讨论

3.1 群落特征与重要值对天然有机肥的响应

生物有机肥能够有效的改善土壤肥力，也是有益微生物培养的基质，而有益微生物是草地生态系统中重要的组成部分[16-17]。施肥不但可以促进退化草地禾本科类植物的生长，提高该类植物重要值(Pi)，还能显著降低弱势种群植物重要值甚至使其在植物群落中消失[18-19]。本试验研究结果表明：在轻度退化草地施生物有机肥虽然没有改变草地生物群落的种类，但改变了各群落所占的比例，使得家畜爱喜食的物种(垂穗披碱草、仲彬草等)所占比例有所提高；在重度退化草地施生物有机肥不仅仅使其生物种类有原来的9种增加到了15中，也使其中家畜喜食性牧草(垂穗披碱草、仲彬草等)组成比例上升，这与前人研究一致[18-20]。

3.2 物种多样性对生物有机肥的响应

物种多样性是对一个群落内物种均匀分布程度与数量的评估指标，是草原群落重要的特征，表示各物种对资源的利用能力和对生境的适应能力[21-22]。对于施肥对植物群落组成的影响，大多数的研究认为施肥会导致群落植物多样性下降[23-24]，但也有一些研究认为施肥增加了植物物种多样性，或者施肥与植物物种多样性无显著的相关性[25-26]。本试验结果表明：轻度退化草地施天然有机肥的Shannon指数和Pieluo均匀度指数是显著低于不施肥，而Margalef丰富度指数和SimPson优势度指数之间差异不显著，这与第二、三种说法相一致。重度退化草地施有机肥的Margalef丰富度指数和Shannon指数显著高于不施肥，这一结果与第一种说法一致。

3.3 生物量与营养品质对生物有机肥的响应

生物有机肥通过改善土壤中微生物种类以及提高其生命活动，增加植物营养元素的供应量，改善植物营养状况，从而增加作物的产量[27]。本试验结果表明：在撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有机肥处理下，两种退化类型的草地植被群落的地上生物量、牧草品质、物种数量以及植物类型得到显著提高(P<0.05)。Ditommaso等[28]研究认为养分的添加促进了植物的生长、提高了植物群落生产力，与本试验的研究结果一致。

本试验结果表明生物机肥对施肥当年植物群落多样性和地上生物量及品质具有积极作用。然而，生物有机肥对退化草地的影响是一个系统的、长期的过程，对地下生物量和土壤微生物也会有深远的影响。

4 结论

多功能生物有机肥可以有效提高植株高度、盖度，增加草地植物群落中物种数量，尤其是可食性牧草数量的增多，提高草地植物群落结构的多样性和稳定性，从而减缓、阻止甚至逆转草地植物群落的退化。

多功能生物有机肥显著提高了退化草地的牧草产量和牧草品质，显著降低了NDF和ADF的含量(P<0.05)。其中，轻度退化草地牧草产量提高2.05倍(P<0.01)、粗蛋含量与总磷含量分别增加46.32 %和69.89%；重度退化草地(沙化地)牧草产量提高1.83倍(P<0.01)，其粗蛋白含量和粗脂肪含量分别比对照高了63.23%和22.73%。试验表明：撒施3 000 kg·hm-2多功能生物有机肥，可以有效改善天然退化草地植物群落和生产性能。