切根与施有机肥对羊草草甸草原打草场地上生物量与土壤养分的影响

张 楚， 王 淼， 张 宇， 王 旭， 陈金强， 李瑞强， 代景忠， 白玉婷，辛晓平， 卫智军， 程 利， 赵曼， 闫瑞瑞*

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/内蒙古呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站/国家土壤质量呼伦贝尔观测实验站， 北京 100081；2.内蒙古自治区环境在线监控中心, 内蒙古 呼和浩特 010055； 3.铜仁学院农林工程与规划学院， 贵州 铜仁 554300； 4.滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室， 山东 滨州 256603； 5.内蒙古农业大学生态环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010019； 6.呼伦贝尔市林业和草原科学研究所， 内蒙古 海拉尔 021008；7.呼伦贝尔农垦谢尔塔拉农牧场有限公司， 内蒙古 呼伦贝尔 021012)

草地资源是我国重要的农业资源之一，我国天然草地面积约4.00×108hm2，占国土面积的41.70%[1]。呼伦贝尔草原是我国面积最大且保存完好的草原，以物种种类繁多、牧草质量优良闻名，是我国最著名、最优良的草原之一[2]，区域面积约8.33×106hm2，其中天然草场面积7.07×106hm2，占土地总面积的 84.60%。呼伦贝尔草原不仅是我国重要的畜牧业生产、加工基地，也是我国北方重要的绿色生态屏障[3]。割草利用是半干旱牧区天然草原传统的利用方式之一，与放牧利用相辅相成，是我国草地畜牧业稳定和可持续发展坚实的物质基础[4]。天然割草地调制的干草储备以及季节的调配，提高了家畜越冬干草的产量和质量，对解决草畜季节不平衡、确保家畜安全越冬起着关键作用[5]。近年来，由于长期连年割草，天然割草地普遍存在严重的退化现象，加上人口的增加以及外来人员不合理利用，家畜头数不断增加，使呼伦贝尔草地退化加剧[6-7]。草原退化问题亟待解决，通过不同改良措施恢复退化天然割草地的生态系统使得畜牧业快速发展成为草地研究的重要课题。大量的改良方法(如围封、灭鼠、补播、松土、火烧、施肥、灌溉等)应用到草地的研究之中[8-11]。

在众多的草地恢复措施之中，切根和施肥是草原常用的管理措施[12-13]。切根属于划破草地的一种改良方式，主要是利用盘齿类切刀强制切破土壤板结层，将植物根茎切断，除地表局部土壤疏松外，不会造成地表起垄、扬沙扬尘等现象并且能够改变群落物种组成、影响土壤质地状况和土壤碳氮循环[14-16]。切根能够在草地亚表层形成虚实结合的疏松土壤环境，从而影响土壤的物理特征，并且对土壤养分、微生物活性等产生间接影响[17]。破土切根使原来板结的土壤逐步疏松，由于有一条条的窄缝，减少了地表径流，土壤空隙度变大，透气性变好，使土壤向植物有利的生长环境转变。对松嫩退化羊草草地切根研究发现，切根显著降低了土壤容重[18]。对退化羊草草原进行的切根试验表明，切根对土壤pH、电导率等物理特征影响较少，但是显著减少了土壤全氮含量，同时切根处理的草地土壤酶活性提高，对草地养分的转化产生潜在的促进作用[19]。

草地施肥一直被认为是增加草地土壤肥力的主要方式之一，是草地改良研究的热点[20]。长期以来，关于施肥对草地地上生物量以及土壤养分等的影响有许多研究，李本银、邱波、程积民等的研究结果表明，施肥可以大幅增加群落整体的地上生物量[21-23]。辛小娟、崔永琴、Hagedorn等的研究结果表明，长期施用有机肥的土壤，其有机质含量显著高于长期施用化肥区域，而连续施用化肥(磷、氮、钾)的土壤的有机质含量也明显高于未施肥的地区[24-26]。但是长期施有机肥对天然打草场地上生物量与土壤养分的影响有待探索。本研究针对呼伦贝尔天然打草场退化和不合理利用问题，以草甸草原天然打草场为研究对象，通过探讨切根和施有机肥对天然打草场地上生物量与土壤养分含量的作用，研究长期施有机肥对呼伦贝尔草甸草原打草场地上生物量与土壤碳氮含量的作用，揭示切根与施肥对草原植被地上生物量与土壤相关特性的影响，为退化草地的恢复和改良提供参考和理论依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验地位于内蒙古自治区呼伦贝尔市海拉尔行政区境内的谢尔塔拉镇，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站附近(49°23′13″ N，120°02′47″ E)，平均海拔631 m，地势平缓。如图1所示，该地区属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温—2.4℃左右，最高、最低气温分别为36.17℃，—48.5℃，年积温在1 600℃～1 800℃之间，无霜期约80～110 d；年平均降水量350 mm，多集中在7—9月，且变化较大。试验区属于地带性草甸草原羊草群落，植物群落以羊草(Leymuschinensis)为建群种，优势种有山野豌豆(Viciaamoena)、展枝唐松草(Thalictrumsquarrosum)、细叶白头翁(Pulsatillaturczaninovii)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)，常见种有寸草苔(Carexduriuscula)、双齿葱(Alliumbidentatum)、裂叶蒿(Artemisiatanacetifolia)等。试验样地土壤属于暗栗钙土。

图1 2020年研究区域月降水量及气温变化Fig.1 Monthly precipitation and temperature in 2020 of the experiment plot

1.2 研究方法

1.2.1试验设计 试验地为长期连年刈割的中度退化半干旱天然羊草割草地，每年8月中旬进行一次刈割，刈割年限已经超过20年。2013年8月，选择生境条件一致(地势平坦均匀，草地密度均匀，避开群落边缘)的地块划定试验小区，并用网围栏进行围封保护。2014年5月初，利用9QP-830型草地破土切根机沿土壤肥力“等高线”方向对小区进行切根预处理，切根深度为15 cm，切根长度和宽度均为30 cm，呈网格状。

试验采用随机区组设计，共设置五个处理，每个处理3个重复，共计15个小区。每个小区面积为6 m×10 m，小区之间设置2 m的缓冲带，其中切根只在2014年进行1次，2014—2020年，每年6月初进行施肥。本文重点研究长期使用有机肥对羊草草甸草原打草场地上生物量与土壤的影响，五种处理为：对照处理(CK),切根处理(Q),切根+低水平有机肥处理(QO1),切根+中水平有机肥处理(QO2)和切根+高水平有机肥处理(QO3)。根据当地农田平均有机肥施用量和前人研究以及土壤基础调查结果，并以氮元素作为标准，试验设置了零、低、中、高 4个施肥水平，施肥为颗粒有机肥N+P2O5+K2O(干基)≥7%，有机质≥45%。施肥方法为地表撒施将肥料施入土壤，切根时间以及肥料种类与施肥量见表1。

表1 试验地施肥方案Table 1 The fertilization design of experiment site

1.2.2取样方法 于2020年8月末进行样品采集。在每个处理设定3个1 m×1 m的随机样方，齐地面刈割，分种收取地上部分，带回实验室后在65℃的烘箱内烘48 h备用；在刈割后的样方内采集土壤样品，每个样方设置3个随机取样点，用直径为7 cm的土钻收集地下土壤，土层厚度为20 cm，将3个取样点土壤混匀后带回实验室风干并经研钵研磨后过筛备用。

1.2.3样品测定方法 地上生物量的测定方法是将收集的地上株(丛)带回实验室，在65℃的温度下持续烘48 h至恒重，分别称取每一物种干重，单位：g·m-2。土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮含量采用凯氏法测定；土壤全磷和速效磷含量采用钼锑钪比色法测定；土壤碱解氮含量采用NaOH碱解-扩散吸收法测定[27]；土壤全钾和速效钾含量采用NaOH熔融-火焰光度吸收法测定[28]。

2020年撒施到试验样地每块小区的肥料的总费用为总投入；试验样地每块小区的地上生物量按照2020年8月呼伦贝尔市草捆售价所售出获得的利润记为总收入；投入产出比，简称投产比，本研究中的投产比为总投入与总收入的比值。

1.3 数据处理

用Excel 2019进行数据的初步整理，通过IBS SPSS Statistics 22软件进行单因素分析(One way ANOVA)方差分析，显著性水平设为P<0.05，利用Origin 2017软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 切根与施有机肥处理下羊草草甸草原植物群落及优势物种地上生物量变化

群落地上生物量和优势物种羊草地上生物量在不同处理下的变化如图2所示。有机肥的施用对植物群落和优势物种羊草地上生物量有显著性影响(P<0.05)，其中QO1，QO2和QO3的群落生物量分别较CK增加69.99%，122.24%和132.79%(P<0.05)(图2A)，优势物种羊草生物量分别较对照增加294.08%，514.65%和543.64%(P<0.05)(图2B)，优势种羊草地上生物量占群落总生物量比例较对照增加127.87%，175.13%和175.48%(P<0.05)(图2C)。本试验结果说明，连年施用有机肥提高了群落地上生物量、优势种羊草地上生物量和优势物种所占比例，切根+中高水平有机肥处理的群落以及羊草地上生物量显著高于其他处理。

图2 羊草草甸草原群落及主要物种地上生物量变化Fig.2 Aboveground biomass changes of Leymus chinensis meadow grassland community and main species注：不同字母表示显著差异(P<0.05)。下图同Note:Different letters indicate significant differences at the 0.05 level. The same as below

2.2 不同施肥水平投入与草地增产情况

通过分析不同施肥处理群落地上生物量以及羊草地上生物量的变化情况(表2)发现，与切根处理(Q)对比，地上生物量的单位增加量和总收入随着施肥水平的增加而增加。

表2 2020年不同施肥水平投入与草地增产情况Table 2 Different fertilization inputs and grassland yield increase in 2020

2.3 切根与施有机肥对土壤养分含量的影响

2.3.1切根与施有机肥对土壤有机碳含量以及pH值的影响 有机肥的施用对羊草草甸草原土壤有机碳含量的变化产生了一定的影响，QO2处理下土壤有机碳含量(38.50 g·kg-1)最高(图3A)，与CK相比增加了15.23%(P<0.05)。此外，施用不同水平有机肥对羊草草甸草原土壤pH值有显著影响(P<0.05)，低、中、高三个水平下的土壤pH值均显著低于对照处理(6.51)(P<0.05)，切根+中水平有机肥处理下的土壤pH值降低幅度最大，与对照处理相比降低了9.60%(P<0.05)(图3B)。

图3 土壤有机碳以及pH值变化Fig.3 The changes of soil organic carbon and pH

2.3.2切根与施有机肥对土壤全效养分的影响 羊草草甸草原土壤全效养分含量在不同处理下的变化如图4所示，其中QO2处理的土壤全氮含量较CK增加了14.24%(P<0.05)；土壤全磷、全钾含量在不同处理无显著差异，全磷含量在切根+中水平有机肥处理下最高，全钾随着施肥水平的提高呈递增趋势。

图4 土壤全效养分含量变化Fig.4 Changes in soil total nutrient content

2.3.3切根与施有机肥对土壤速效养分的影响 羊草草甸草原土壤速效养分含量在不同处理下的变化如图5所示，QO2，QO3处理土壤速效磷含量显著高于CK处理(P<0.05)，QO2和QO3处理土壤速效磷含量分别是对照的2.95倍和2.72倍；土壤碱解氮、速效钾含量在QO2处理下最高，不同处理之间无显著差异。

图5 土壤速效养分含量变化Fig.5 Changes in soil available nutrient content

2.4 群落与羊草地上生物量以及土壤养分的相关性分析

由表3可知，羊草地上生物量与群落地上生物量、土壤有机碳含量以及土壤速效磷含量呈现极显著正相关性关系(P<0.01)，与土壤全氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)；群落地上生物量与土壤有机碳含量、土壤速效磷含量呈极显著正相关性关系(P<0.01)，与土壤全氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)；土壤有机碳含量与土壤全氮含量、土壤速效钾含量呈极显著正相关性关系(P<0.01)，与土壤速效磷含量呈显著正相关关系(P<0.05)；土壤全氮含量与土壤速效钾含量呈极显著正相关性关系(P<0.01)，与土壤碱解氮含量呈显著正相关关系(P<0.05)；土壤碱解氮含量与土壤速效钾含量呈显著正相关关系(P<0.05)。

表3 地上生物量与土壤养分的关系Table 3 Relationship between aboveground biomass and soil nutrients

进一步拟合方程发现(图6)，土壤全氮含量与群落地上生物量呈显著正相关关系(P<0.05，R2=0.335)；土壤有机碳含量与群落地上生物量呈极显著正相关关系(P<0.01，R2=0.456)；土壤速效磷含量与群落地上生物量呈极显著正相关关系(P<0.01，R2=0.798)。

图6 群落地上生物量与TOC，STN，SAP的相关关系Fig.6 The correlation between the community aboveground biomass and TOC,STN,SAP

3 讨论

3.1 不同处理对草地产量的影响

3.1.1不同处理对植物群落及羊草地上生物量的影响 地上生物量是反映草地生态环境的指标，其大小可判断草地状况和生产潜力[29]。有研究表明切根措施对改善羊草草原退化具有良好的效果，但是本研究结果显示羊草草甸草原群落地上生物量以及羊草地上生物量在切根与对照之间无显著性差异，1次切根处理所表现的作用效果甚微，这与何丹等[8]在改良措施对天然草原植被及土壤影响的研究结果不同，并且曹杰在对中度退化羊草草原切根的研究显示，羊草密度在切根当年就有所增加，尤其是在切根深度为 5 cm时影响显著[30]。这可能有两种原因：1)本研究仅在2014年进行一次切根处理，并且2020年呼伦贝尔地区较为干旱，而切根处理一方面通过增进分蘖加速生长，另一方面也会加大土壤水分的蒸散，从而抑制植物的生长[31]，当降水量充足时切根的正效益大于负效益，当降水不足且无人为灌溉时正效益则无法显著表现，甚至小于负效益；2)在切根宽度均为30 cm的情况下，本试验中的切根深度为15 cm，而曹杰的试验中切根深度为5 cm，较浅的切根效果可能要优于深切效果，浅层切根对羊草根茎的伤害程度较小，更利于羊草净光合速率和水分利用效率的增加，正反馈作用大于其负反馈作用，进而影响群落以及羊草地上生物量。

大量研究表明有机肥不同施用量对植物地上生物量有大的影响。何玉惠等[32]研究表明，氮素增加在短期内即可以提高黄土高原荒漠草原草本植物群落生产力，促进优势种群的生长。李文娇等[33]研究表明，氮素和水分的添加显著增加了禾草类和中旱生植物功能群的地上生物量。本试验中，切根+施不同水平有机肥的三个处理的植物群落地上生物量以及优势种地上生物量显著增加，这与以上研究结果相似。王生明等[34]研究表明，随着有机肥施用量的增加，作物产量相应增加，有机肥施用量为15 000 kg·hm-2时，作物产量最高，当施肥量达到11 250 kg·hm-2以上时，增加有机肥施用量，作物增产效果不显著。本试验结果显示，随着施肥水平的提高，群落地上生物量、优势种羊草地上生物量以及羊草地上生物量占比呈现上升趋势，其中切根+中水平有机肥处理与切根+高水平有机肥处理之间无显著性差异，说明地上生物量并不是一直随着施肥水平的提高而显著提高的，中高水平施肥均可显著提高羊草产量，但是中水平施肥时生产效益最大。

3.1.2不同施肥水平经济效益 草地施肥打破了土壤养分的平衡，使限制性营养元素发生转移，有利于植物干物质的形成和积累，并提高了群落生物量[32]，对比本研究低、中、高三种施肥水平投入与草地增产关系可以得出，低水平施有机肥处理的经济效果最好。这可能是不同地区气候、土壤以及施肥阈值的差异造成的。2020年试验地的降水量在生长季分布不均匀，导致有机肥中的养分不能充分输送到植物体中，所以不同年份生长季降水量的波动影响了群落地上生物量的变化趋势和肥料阈值。

3.2 不同处理对土壤养分含量的影响

3.2.1不同处理对土壤有机碳含量以及pH值的影响 土壤碳的主要是来源是动植物残体、根系分泌物以及微生物固碳[35]。相关研究表明，施肥对土壤有机质含量并无显著的影响，只是在一定程度上提高了有机质的含量[36-38]。本试验中土壤有机碳含量在切根+中水平有机肥处理显著高于其他处理，这与其他学者研究结果不同，原因可能是施肥可以显著地提高草地地上生物产量，增加土壤固碳能力，土壤碳的分解能力在有机肥的作用下加强，从而产生比较显著的影响。土壤作为一个多相体系，土壤的许多属性之间紧密联系[39]。本试验中切根+中水平有机肥处理显著降低了土壤pH，与宋娟丽等[40]的研究结果相似，原因可能是施用有机肥后微生物、动物与植物根系的生存环境发生变化，使其分泌物及生物残体发生改变，进而促进了土壤有机酸的富集与积累，使pH值下降。

3.2.2不同处理对土壤全效养分含量的影响 施肥是补充土壤元素和维持地上生产力的主要措施[41-42]。有研究认为，短期施肥不足以使土壤全量养分发生改变[43-44]，也有研究结果显示，土壤全量养分在施肥当年就发生了显著的变化[45-46]。本试验结果显示切根+中水平有机肥处理显著提高了土壤全氮含量，全磷全钾含量无显著差异，可能是因为施肥后影响生物的生长速率，而生物固氮是土壤氮素的重要来源之一，施有机肥提高了生物固氮的效率，使氮素更多的留在土壤中，使土层全氮含量的增加趋势明显，这与刘文亭等[47]的研究结果相似。切根+中水平有机肥处理下的全磷含量最大，但各处理之间无显著性差异，并且土壤全磷含量并未随着施肥水平的升高而上升，说明施肥量的增大并不能使磷肥充分利用，施肥量的增加会使得土壤磷素大量积累，反而造成肥料资源的浪费，这与李新乐等[48]的研究结果相似。北方土壤富含钾[49-50]，研究发现施用钾肥几年乃至十年对土壤钾含量的影响也不显著，本文土壤研究结果与之相同，随着施肥水平的提高土壤全钾含量持续提高，但不同处理之间均无显著性差异，且施肥水平从中到高处理的全钾含量几乎没有变化，也说明了施肥量的增大并不能使钾肥充分利用。

3.2.3不同处理对土壤速效养分含量的影响 土壤速效养分含量是反映土壤肥力评价土壤供肥能力的主要指标[51]。作为植物吸收利用最多的元素，氮含量变化从土壤速效养分含量中得以体现[52]，但在本研究中，无论切根处理还是切根+不同水平的有机肥处理，土壤碱解氮含量均无显著变化。由于本研究的切根处理只在2014年进行1次，所以切根这一处理对土壤碱解氮的影响不显著。有研究表明施有机肥可以提高土壤速效氮含量[53-55]，本研究中施有机肥处理的土壤碱解氮变化不明显可能是由于2020年较为干旱且降水集中在7，8月份，虽然氮肥在补充土壤养分的同时，还会提高土壤微生物的活性，加快土壤有机氮的分解速率，但是雨水大部分以地表径流的方式流走，渗入土层20 cm处的雨水以及随之进入土壤中的有机肥含量较少，导致其分解过程受氮素添加浓度的影响较小，所以变化不显著。

本试验中速效磷含量在切根+中高水平有机肥处理下含量显著高于不施肥处理，切根+低水平有机肥处理没有显著变化。有研究表明，施肥后0～20 cm速效磷含量明显增加[24]，其结果与本试验结果略有不同，可能是由于施加低水平有机肥对土壤环境的影响很微弱，当施肥量达到了一定水平后群落植物吸收能力受到了影响，此时磷肥的加入会增加土壤对磷的吸附强度和吸附量，更多的磷元素会以无机态留在土壤中，速效磷含量显著增加。

已有研究表明，草地施肥后，0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm土壤有机质、全氮、速效氮、速效钾、速效磷均较不施肥处理有明显提高[56]，但本研究结果与其不同，各种处理对土壤速效钾含量的影响均不显著，可能是由于土壤中的钾大部分是矿化钾，很难被植物利用，施肥虽然改变植物的生长过程但是对钾的量没有显著影响。

3.3 地上生物量与土壤养分含量的关系

本研究中对地上生物量与土壤养分含量进行综合评价以及相关性分析表明，土壤有机碳含量、土壤速效磷含量与群落地上生物量为极显著正相关关系，土壤全氮含量与群落地上生物量为显著正相关关系，这与陈芙蓉等[57]的研究结果相似，其原因是进入土壤的植物残体是土壤有机碳的主要来源，植物残余量主要由地上部分的生物量决定，而地上部分的生物量又决定了土壤有机碳的含量。本研究中地上生物量与土壤碱解氮含量之间没有显著的相关性，这与焦婷、王洁[58-59]的研究结果相同，但李海云[60]的研究结果表明土壤碱解氮含量与地上生物量呈极显著正相关关系(P<0.01)，与本研究结果不同，这可能与草地在不同时期生长的降水量、降水强度以及草地生长状况等因子有关，并且由于群落类型、优势种的不同，土壤特性和土壤肥力呈现不同的特征。

4 结论

随着施肥水平的增加，群落地上生物量、优势种羊草地上生物量以及羊草地上生物量占比呈现上升趋势；群落以及羊草地上生物量的单位增加量和总收入随着施肥水平的增加而增加，切根+低水平有机肥处理下的经济效果最好。切根+中水平有机肥处理对土壤有机碳含量、pH、全氮含量、速效磷含量的影响最显著。土壤有机碳含量、土壤速效磷含量与群落地上生物量极显著正相关，土壤全氮含量与群落地上生物量显著正相关。