混播比例对三江源人工草地植被和土壤养分特征的影响

李文 ，魏廷虎 ，永措巴占 ，才仁塔次 ，周玉海 ，张雁平 ，李文浩 ，郭卫兴

（1. 青海省畜牧兽医科学院，青海大学畜牧兽医科学院，青海西宁810016；2. 青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海西宁810016；3. 青海省玉树市畜牧兽医工作站，青海玉树815000）

三江源区（又称江河源区）位于青藏高原腹地，是长江、黄河和澜沧江的发源地，素有“江河之源”“中华水塔”的美誉，是国家级生态功能保护重点区域。作为三江源区的原生植被，高寒草甸具有重要的水源涵养、碳固存、气候调节、生物多样性保护等生态系统服务功能，也是当地牧民传统放牧和文化传承基地［1］。三江源区气候严酷、环境恶劣、生态系统极其脆弱，对全球气候变化十分敏感［2］。在全球气候变化、过度放牧和鼠害等因素的作用下，三江源区高寒草甸退化严重，甚至出现了大面积次生裸地—黑土滩，导致水土流失加剧、碳汇减少、多样性严重丧失、畜牧业生产力降低，危及长江、黄河、澜沧江中下游地区的生态环境以及社会经济的可持续发展，甚至威胁东南亚地区的生态安全［3］。尽管我国一直高度重视三江源区生态恢复与治理，并成立了三江源国家公园，但仍没有遏制黑土滩的扩张态势［4］。三江源区黑土滩仍以每年0.5%的速度继续扩张［5］。黑土滩的恢复与治理仍是摆在科技、管理、政府面前的巨大挑战［4-6］。因此，加强三江源区黑土滩退化草地研究，提出恢复重建的有效措施，对退化草地资源的恢复与管理、维护我国及周边国家生态安全具有重要意义［7］。

黑土滩是全球草地生态系统退化行为在三江源区的特殊表现形式，已完全失去自我恢复能力，需人工辅助来恢复［5］。建植人工草地是恢复黑土滩最有效的方法，已广泛应用，并产生了“黑土滩人工草地”，作为一种人工植被出现在三江源区［4］。目前，关于三江源区黑土滩人工草地的研究，主要集中在黑土滩的分类分级［8］、形成过程与机制［9-10］、发生发展［11-12］、恢复模型［13］、植被演替过程［7，14］、土壤养分循环［14］、鼠害及毒杂草［15］、草种及混播组合筛选［16-17］等方面。前人研究表明，禾本科上繁草和下繁草的合理搭配可有效地优化群落结构，能有效遏制单一草种人工草地快速退化问题，是黑土滩退化草地人工恢复的关键技术［17］。此外，由多个种群构成的群落不但比单一种群群落能更加有效地利用环境资源，而且还能长期维持较高的生产力和稳定性。建植黑土滩人工草地应用最广泛、使用时间最长的植物是垂穗披碱草（Elymus nutans），而最具代表性的新种质资源是青海草地早熟禾（Poa pratensiscv. Qinghai），中华羊茅（Festuca sinensis）抗寒性最好，也适宜于黑土滩人工恢复［4］。马玉寿等［18］研究表明，三江源区生态和放牧兼用型多功能黑土滩人工草地的最优组合为垂穗披碱草+中华羊茅+早熟禾。然而，对于上述多年生人工草地混播组合，缺少各组分混播比例方面的研究，制约该区退化草地的快速、稳定恢复。

因此，本研究以不同混播比例垂穗披碱草+中华羊茅+青海草地早熟禾人工草地为对象，分析植被群落组成和结构以及土壤特征的变化，从而筛选适宜于三江源区建植黑土滩人工草地的最佳混播比例，以期为三江源区退化草地的生态恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青藏高原腹地的青海省玉树藏族自治州玉树市结古镇藏霸喇种畜场牛沟（33°03′28″N，96°42′04″E），海拔4432 m，年均气温-3.8 ℃，年降水量513 mm。草地类型为高寒草甸，土壤类型为高山黑钙土。原生植被优势种为高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（K. humilis）和垂穗披碱草。近年来，受全球气候变化、超载过牧、鼠害等因素的影响，研究区草地植被的优势种退化为铁棒锤（Aconitum pendulum）、黄帚橐吾（Ligularia virgaurea）和臭蒿（Artemisia hedinii）等毒杂草，可食牧草比例低于5%；此外，退化草地秃斑面积约占草地总面积的50%以上，根据马玉寿等［16］对三江源区退化草地等级的划分标准，研究区属于典型黑土滩退化草地。

1.2 试验设置

2018 年5 月初，在试验区地势较为平坦（坡度＜5°）的黑土滩退化草地上设置7 个不同比例的垂穗披碱草+中华羊茅+青海草地早熟禾混播处理（表1），并以各组分单播为对照。各处理3 个重复。采用随机区组试验设计，小区面积10 m×10 m，间距50 cm。垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾种子均由青海省畜牧兽医科学院提供，垂穗披碱草的纯净度和发芽率分别为96%和93%；中华羊茅分别为93%和91%；青海草地早熟禾分别为95%和92%。于2018 年5 月13 日，参照马玉寿等［16，18］的方法，采用机械翻耕-耙磨-撒播-镇压等工序进行播种，垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾的单播播种量分别为30、20 和10 kg·hm-2，混播播种量为各组分所占百分比乘小区面积乘单播播种量的和。以（NH4）2HPO4为底肥，施肥量为150 kg·hm-2。试验地播种后用铁丝网进行全年围封，试验期间不施肥、不灌溉。

表1 垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾混播比例Table 1 The mixed ratio of E. nutans×F. sinensis×P. pratensis cv.Qinghai（kg·hm-2）

1.3 野外观测及取样

于2020 年9 月初，当植物生物量达最大时进行野外观测及取样工作。在各小区随机设置5 个0.5 m×0.5 m的样方用于植被群落结构与组成的调查。各处理15 个样方，共计150 个样方。首先记录样方内的物种名称及数量，然后测定各物种的高度、盖度和生物量。用钢卷尺测各物种的自然高度，采用针刺法测定盖度，然后齐地面刈割测定各物种的生物量。在上述刈割后的样方内用内径3.5 cm 的土钻采集0～10 cm 层土样，各样方内取2 钻，混合为1 个土样，各小区5 个土样，各处理15 个土样。将上述土样平均分为两份，一份装入尼龙网袋，用清水冲洗，测定根系生物量；另一份带回实验室，在阴凉处自然阴干后，碾碎并过筛，用于土壤有机质（soil organic matter，SOM）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、全钾（total potassium，TK）、速效氮（available nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）和速效钾（available potassium，AK）含量的测定。上述化学指标的具体测定方法均参照鲍士旦［19］的《土壤农化分析》。将植物地上、地下样品带回实验室后先在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，称取重量。

1.4 统计分析

1.4.1 多样性计算 物种的重要值、群落的Shannon-Wiener 多样性指数、Pielou 指数和丰富度指数的计算均参照马克平等［20］的多样性计算方法。

1.4.2 超产、超产效应和多样性效应计算 超产（overyielding，OY）为混播群落生物量与各组分植物单播生物量平均值的差值。OY=Bmc-Bs，式中：Bmc为混播群落生物量；Bs为混播群落各组分植物单播生物量平均值；若OY＞0，表明存在超产。

超产效应1（transgressive overyielding effect 1，OY1）为混播群落生物量超过该群落中生物量最高物种的单播生物量，解释混播物种成分的差异与超产效应之间的关系。OY1=（Bmc-maxBimno）/maxBimno，式中：maxBimno为混播群落组分物种中最高产物种的单播生物量，OY1＞0，表明存在超产效应。

超产效应2（transgressive overyielding effect 2，OY2）为混播群落生物量超过该群落内各组分物种的平均单播产量，解释混播群落生物量与混播组分单播生物量间的关系。OY2=（Bmc-Bmno）/Bmno，式中：Bmno为混播群落中各组分种的平均单播生物量，OY2＞0，表明存在超产效应。

参照Loreau 等［21］的方法，将混播群落生物量的增加量（多样性净效应，ΔY）分解为选择效应（selection effect，SE）和互补效应（complementary effect，CE）。

1.4.3 数据分析 采用 Microsoft Excel 2019 整理数据，用 SPSS 19.0（SPSS for Windows，Version 19.0，Chicago，USA）单因素方差分析（One-way ANOVA）中的多重比较（LSD）对各处理植被特征和土壤化学性质在95%的置信区间上进行显著性分析，数据以均值±标准误的形式表示。采用R 4.0.2（R Development Core Team）plyr 数据包多准则决策模型-TOPSIS（technique for order preference by similarity to an ideal solution），综合评价各处理植被和土壤养分特征，从而筛选出最优混播比例。采用Origin 8.0 作图。

2 结果与分析

2.1 不同混播比例对人工草地物种组成的影响

共统计到5 科，9 属，10 种植物（表2）。S1～S3单播处理中，垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾的重要值最大；S1～S3单播处理中杂类草均有3 种，主要有鹅绒委陵菜（Potentilla anserina）、多裂委陵菜（P. multifida）和细叶亚菊（Ajania tenuifolia）。而M4～M10混播处理中，垂穗披碱草的重要值最大（除M10），杂类草均为2 种，主要有独一味（Lamiophlomis rotata）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）和小大黄（Rheum pumilum）。总物种数在混播处理中最多，在单播处理中最少。

表2 不同混播比例人工草地物种重要值Table 2 Changes in species important values of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.2 不同混播比例对人工草地植物生物量的影响

M4～M10处理地上生物量较S2和S3单播处理显著提高，较S1处理显著降低（图1）。禾本科生物量在S1单播处理中显著高于其他处理，各混播处理均显著高于S2和S3处理。混播处理中，M8处理禾本科生物量显著高于其他处理，M8较 M4、M5、M6、M7、M9和 M10分别提高了 13.6%、9.6%、22.0%、22.4%、7.8% 和 13.4%。混播相较于单播杂类草生物量显著降低。混播处理中，M9处理杂类草生物量最高，较 M4、M5、M6、M7、M8和 M10分别提高了138.1%、35.9%、38.8%、22.1%、60.5%和23.9%。各混播处理地下生物量无显著差异，均显著低于S1单播处理，而显著高于S3单播处理。

图1 不同混播比例人工草地地上生物量和地下生物量Fig.1 Changes in aboveground biomass and belowground biomass of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.3 不同混播比例对人工草地超产及多样性效应的影响

与单播处理相比，M5、M8、M9和 M10混播处理存在超产，且 M5、M8和 M9显著高于其他混播处理，达 40.43～71.12 g·m-（2表3）。M5、M8和M9混播处理的OY1显著高于其他处理，但均小于0，因此均不存在超产效应1。M5、M8、M9和 M10混播处理的 OY2大于 0，因此 M5、M8、M9和 M10存在超产效应 2。M4～M6混播处理的多样性净效应均小于0，说明群落中物种竞争导致群落减产。而M7～M10混播处理的多样性净效应均大于0，说明物种生态位的互补使得群落高产。选择效应在M9处理最高，在M4和M5处理较低（图2）。M8和M9的选择效应显著高于其他混播处理，而在M6、M7和M10处理间无显著差异。除M6外，其余混播处理的互补效应均大于0，且在M10中最大。综合多样性净效应、选择效应和互补效应分析可知，选择效应和互补效应共同主导了M8和M9混播处理的超产效应，而M5和M10处理主要由互补作用主导超产效应。将OY1与多样性净效应、选择效应和互补效应进行拟合，均呈极显著（P＜0.01）正相关关系（图3）。

图2 不同混播比例人工草地多样性净效应、选择效应和互补效应Fig. 2 Changes in net effect of biodiversity，selection effect and complementarity effect of artificial grassland under different mixed-planting ratios

图3 超产效应1 与多样性净效应、选择效应和互补效应的关系Fig. 3 The relationship between transgressive overyielding effect 1 and net effect of biodiversity，selection effect and complementary effect

表3 不同混播比例人工草地超产和超产效应Table 3 Changes in over yielding and transgressive overyielding effect of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.4 不同混播比例对人工草地植物群落多样性的影响

不同混播比例对人工草地物种多样性具有显著影响（表4）。各混播处理Shannon-Wiener 多样性指数显著（P＜0.05）高于单播处理，混播M4～M7处理显著高于 M8～M10处理。M4～M10处理 Pielou 均匀度指数显著高于S1～S3单播处理，但各混播处理间无显著差异（P＞0.05）。M4～M7混播处理丰富度指数较高。

表4 不同混播比例人工草地物种多样性Table 4 Changes in species diversity of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.5 不同混播比例对人工草地土壤养分的影响

M4～M10混播处理较单播处理显著提高了表层土壤有机质含量（图 4）。混播处理中，M6、M7和 M10有机质含量较高，显著高于其他混播处理；M6较M4、M5、M8和M9分别提高了8.1%、24.4%、12.1% 和14.2%；M7较 M4、M5、M8和 M9分 别 提 高 了 10.3%、26.9%、14.3% 和 16.5%；M10较 M4、M5、M8和 M9分别提高了7.9%、24.1%、11.9%和14.0%。混播处理中，M6和M10全氮含量较高，显著高于其他混播处理；M6较M4、M5、M7、M8和 M9分别提高了 13.8%、29.4%、14.3%、17.9% 和 19.5%；M10较 M4、M5、M7、M8和 M9分别提高了 12.9%、28.4%、13.4%、17.0%、18.6%。M6、M7和M10混播处理土壤全磷含量显著高于其他处理。土壤全钾含量在各单播和混播处理间无显著差异。土壤速效氮含量在S3单播处理中最高，显著高于其他处理，混播处理中，M4、M6、M7和M10显著高于其他混播处理。M10速效磷和速效钾含量显著高于其他处理，M10速效磷含量较M4～M9分别提高了6.2%、16.2%、1.4%、4.7%、10.4%和9.4%。M10速效钾含量较M4～M9分别提高了6.2%、16.2%、1.4%、4.7%、10.4%和9.6%。

图4 不同混播比例人工草地0~10 cm 层土壤养分Fig.4 Changes in soil nutrient in 0-10 cm layer of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.6 多准则决策模型-TOPSIS 评价

TOPSIS 综合评价模型分析表明，不同处理贴合度大小顺序为：M10＞M7＞M6＞M8＞M9＞M4＞M5＞S1＞S3＞S2。混播处理的贴合度均超过0.62，其中M10混播处理贴合度最高，为0.83；S2单播处理贴合度最低，仅为0.22（图5）。因此，垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾按1∶2∶2 混播是三江源区黑土滩人工草地的理想选择。

图5 不同混播比例人工草地综合评价Fig. 5 Comprehensive evaluation of artificial grassland with different mixed-planting ratios

3 讨论

本研究中，不同混播处理生物量显著高于中华羊茅和青海草地早熟禾单播，但显著低于垂穗披碱草单播，这主要是因为垂穗披碱草是上繁草，植株高大，而中华羊茅和青海草地早熟禾个体较小，长势较弱，在混播处理中，垂穗披碱草竞争能力较强，迅速生长并占领较高的生态位，在整个混播群落中处于优势地位，因而地上生物量较大。此外，本研究发现混播处理杂类草生物量显著降低，这主要是因为单播群落内植物个体高度差异较小，生态位存在空缺，更易遭受杂类草的入侵；而混播群落由于生态位发生分化，能够有效抑制杂类草的入侵［22-23］。混播系统通过增加物种多样性使植物在形态和资源利用方面存在相互补充而非竞争的关系［24］，从而实现对有限资源在不同时空条件下的最大化利用［25-26］。前人研究表明，在混播系统中存在超产效应［27-29］。本研究发现，M4、M6和 M7混播处理不存在超产效应，仅 M5、M8、M9和 M10混播处理存在超产效应，超产可达40.43～71.12 g·m-2。这主要是因为在M5、M8、M9和M10混播处理中，垂穗披碱草所占的比例较大，草群结构在空间分布上存在较大空缺，这种比例搭配可最大化实现对空间、光照和土壤养分资源的互补利用，使群落生产力达最高。揭示物种多样性与生产力之间的作用机理是多样性-生产力关系研究中的核心问题。在混播群落中，当选择效应占主导地位时，群落中竞争能力较强的物种对系统的影响较大，而当互补效应占主导地位时，群落中不同物种相互促进对资源的利用，从而对系统产生较大的影响。本研究发现，M7、M8、M9和M10混播处理的多样性净效应大于0，表明混播处理的群落高产受物种生态位互补作用影响。而M4、M5和M6混播处理的多样性净效应小于0，表明群落中多物种竞争导致群落减产。此外，超产效应与多样性净效应、选择效应和互补效应均呈极显著正相关关系（图3），表明选择效应和互补效应共同主导了混播草地的超产效应。黎松松等［28］在新疆伊犁昭苏马场研究发现，豆禾混播草地在建植初期互补效应和选择效应共同主导了混播草地的超产效应。

土壤养分是衡量退化生态系统功能恢复的重要指标［30］。在混播系统中，混播植物根系的分布在空间和时间上都可能存在生态位的分离，同时，各混播物种在养分的吸收利用上也可能存在差异，从而导致生态位的分离，这些生态位的分离均能有效降低混播植物群落对土壤养分的竞争［31］。目前，大多数研究主要关注豆禾牧草混播后土壤养分的变化，并普遍认为豆禾牧草混播有利于改善土壤养分的供应［32-33］。本研究中，混播处理较单播处理普遍提高了表层土壤的有机质、全氮、全磷含量，在M6、M7和M10混播处理中较高。此外，M6、M7和M10混播处理植物根系生物量较其他混播处理高，较高的根系生物量通过返还有机物的形式来提高土壤养分含量。TOPSIS 模型综合评价表明，垂穗披碱草、中华羊茅和青海草地早熟禾按1∶2∶2 混播不但可保持较高的生产力，还可显著提高表层土壤的养分含量，是三江源区黑土滩人工草地建植的最佳混播比例。然而，多年生混播人工草地群落和土壤特征受气候因素、管理措施和自身演替等影响较大，应综合多年数据进行评价。而本研究采用一年的观测数据，展示了人工草地建植初期植物群落和土壤养分特征，在后续研究中，应加强多年持续观测，以综合评判人工草地演替过程中的植被和土壤特征。

4 结论

混播处理中，M5、M8、M9和 M10处理地上生物量较高，而地下生物量无显著差异；混播处理中，仅 M5、M8、M9和M10处理超产，达40.43～71.12 g·m-2，其中，M5和M10混播处理由于物种间的互补作用主导超产效应，而M8和M9混播处理由互补效应和选择效应共同主导超产效应；M4～M7混播处理Shannon-Wiener 多样性指数显著高于其他处理，而Pielou 均匀度指数和丰富度指数在各混播处理间无显著差异；表层土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾含量在M6、M7和M10混播处理中较高；TOPSIS 模型综合评价表明，M10混播处理不但可保持较高的生产力，还可显著提高表层土壤的养分含量，是三江源区黑土滩人工草地建植的最佳混播比例。