藏沙蒿与多年生禾草混播对西藏沙化草地土壤酶活性和微生物生物量的影响

2023-01-03刘云飞王敬龙仁增旺堆王绮玉罗建民姚瑞瑞

草地学报 2022年12期

董凯，刘欢*，刘云飞，王敬龙，仁增旺堆，王绮玉，罗建民，姚瑞瑞，张晓

(1.甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室，甘肃兰州 730070； 2.西藏自治区农牧科学院草业科学研究所，西藏拉萨 850000)

青藏高原不仅是我国最大的高原，也是世界平均海拔最高的高原，有“世界屋脊”和“第三极”之称[1]。由于人类干扰和全球气候变化，使青藏高原草地严重退化，沙化面积不断增加，使生态系统结构遭受破坏，功能丧失，威胁着当地生态安全和经济发展[2-3]。植被作为反映天然草地土壤状况和生态功能的重要综合指标，其破坏直接影响天然草地的生态功能和价值。目前，人工植被修复措施是沙化草地修复治理中最常用的方法，但受气候、环境等因素的影响，选择适宜的补播草种是人工植被修复成功的关键[4]。

藏沙蒿(Artemisiawellbyi)属于菊科(Compositae)蒿属(Artemisia)半灌木状或灌木状草本植物，是西藏高寒草地的优势种之一，因其营养价值高，耐寒耐寒性强，繁殖快，能够快速固沙，具有潜在的生态价值[5]。藏沙蒿在西藏沙化地区的治理和恢复中发挥着重要作用，在沙化土壤中能够快速生长，连片分布，但也容易退化，适度增加一些生长周期长、不易退化的植物，以达到长期恢复生态的目的[6]。垂穗披碱草为青藏高原天然草地的主要禾本科多年生植物，其根系发达，分蘖多，抗逆性强，具有保持水土的作用[7]，可用于高寒退化草地的恢复，具有较高的生态和经济价值[8]。细茎冰草为多年生疏丛型植物，具有较强的分蘖能力和抗逆性，可以有效控制水土流失[9-10]。史长光[11]发现通过采用高原红柳(Tamarixramosissima)、硬杆仲彬草(Kengyiliarigidula)和一年生黑麦草(Loliumperenne) 等灌草结合的模式补播草种可以有效防治若尔盖草原沙漠化进程。胡金娇等[12]比较研究了青藏高原东缘沙地三种典型恢复模式，结果显示灌草混播模式土壤养分显著增加，pH显著降低。杨满元等[13]对5种生态恢复模式效果进行比较，其中灌草模式在人工植被建植和土壤养分等方面恢复效果最好。

在沙化土壤生态修复过程中，土壤肥力作为土壤的本质特性不断地变化并影响着植物和土壤的相互作用[14]。国内外以往研究主要以土壤理化性质和养分作为土壤植被恢复或重建的评价标准，以生态修复对土壤养分和生产力的影响作为研究方向[15-17]，而在生态修复中对土壤生物学特性的研究相对较少[18-20]，近年来，随着人们对土壤微生物和酶活性在生态系统中具有重要作用的认识，越来越多的研究以土壤生物学特性参数来评价土壤肥力、土壤生产力和土壤质量的好坏[21-23]。李静等[24]对黄土高原纸坊沟流域不同植物土壤微生物生物量和土壤酶活性研究发现，土壤微生物生物量和酶活性受植被类型和土壤养分等因素影响，且人工灌木植被对土壤的恢复作用高于乔木和草本植物。闫瑞瑞等[25]对呼伦贝尔草甸草原土壤微生物及酶活性研究表明，土壤酶活性受土壤全碳、速效钾、碱解氮和电导率的影响，土壤微生物量受土壤全磷和速效磷的影响。因此，本研究旨在研究藏沙蒿与多年生禾草不同比例混播修复模式下西藏高寒草地沙化土壤理化性质与土壤生物学特性之间的关系，探讨灌草不同比例混播修复模式对沙化土壤修复效益及生态效果，筛选出修复效果最好的混播比例，为高寒沙化草地灌草混播修复提供理论基础。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

本研究区域位于西藏自治区拉萨市当雄县羊八井镇，地理坐标为90°33′ E、30°05′ N，海拔4 500 m，羊八井镇属高原温带季风半湿润气候与高原亚寒带季风半干旱气候的过渡带，气候湿润，日照充足。年平均气温2.1℃，最高气温23.1℃，最低气温—27.9℃，年平均降水量617.5 mm，年均日照时数3 097.3 h，年平均无霜期290 d左右。试验区为沙化的开垦撂荒地，草原类型为高寒草地，土壤类型为漠土。

1.2 研究区试验设计

本试验于2019年开始种植设计，以藏沙蒿、垂穗披碱草和细茎冰草的不同比例混播为处理，分别为T1(4∶1∶2)，T2(4∶2∶1)，T3(5∶1∶1)。采用随机区组试验设计，试验小区面积为15 m2，间距50 cm，各处理3次重复。根据三种植物的种子大小、发芽率以及长期试验结果，三者的最佳单播播种量分别为0.90，2.25和2.25 g·m-2，播种量为各组分百分比乘单播播种量之和(表1)。同时以无植被覆盖的未修复沙化草地为对照(CK)，并选取同一海拔下的天然草地(NG)作比较，天然草地的主要优势植被为紫花针茅和垫状委陵菜。

表1 试验处理及对照Table 1 Experimental treatments and control

1.3 样品采集

在2021年3龄草地的枯黄期(10月)分别在每个处理中采集土壤。使用提前消毒处理好的土钻进行土壤样品采集。按“S”型钻取5钻0～20 cm土壤样品，均匀混合为1个土壤样品，共采集土壤混合样品15份。将混合后的土样过2 mm筛以去除根系和枯落物。将过筛后的土样分为两份，一份带回实验室保存在4℃用于土壤微生物量和土壤酶活性的测定，另一份带回实验室放置于干燥阴凉处自然风干用于测定土壤理化性质。

1.4 测定指标与方法

土壤理化性质参照《土壤农化分析》[26]，土壤含水量采用烘干法；pH采用电位法；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法；碱解氮采用碱解扩散法；有效磷采用NaHCO3浸提钼锑抗比色法；速效钾采用NH4OAc浸提火焰光度法；全氮采用消煮蒸馏法；全磷采用碱融-钼锑抗比色法；全钾采用碱融-火焰光度法。

土壤微生物生物量参照《土壤微生物生物量测定方法及其应用》[27]，微生物生物量碳、氮、磷均采用氯仿熏蒸浸提法。以熏蒸与未熏蒸的土壤样品中有机碳、氮和磷含量的差值除以转换系数，系数KC，KN和KP取值分别为0.38，0.54和0.40。

土壤酶活性参照《土壤酶及其研究法》[28]，土壤脲酶采用尿素残留法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数(mg)表示土壤脲酶活性；蔗糖酶采用3,5—二硝基水杨酸比色法，以24 h后1 g土壤生成的葡萄糖的毫克数(mg)表示蔗糖酶活性；碱性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，以24 h后1 g土壤中释放出来的酚的毫克数(mg)表示碱性磷酸酶活性；过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法；以1 h后1 g土壤消耗0.1 mol·L-1高锰酸钾体积数表示。

1.5 数据分析

采用Excel 2016对数据进行整理，利用SPSS 26.0统计软件进行方差分析和回归分析，对不同处理下的土壤理化性质、土壤酶活性和微生物生物量采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)进行分析，各因子间的相关关系采用Separman相关系数法进行评价，用Origin 2021绘制土壤酶活性与微生物生物量直方图和相关分析图，图表中数据均为平均值±标准差。

2 结果和分析

2.1 灌草混播修复对土壤理化性质的影响

表2可知，与对照相比，T1，T2和T3处理的土壤含水量、有机质、碱解氮，有效磷、速效钾、全氮和全磷的含量均显著性增加；pH显著降低(P<0.05)，全钾的含量无显著差异。混播处理中T3处理的土壤各指标含量均最高，pH最低，尤其是土壤含水量、碱解氮和有效磷含量均显著高于T1和T2(P<0.05)。与天然草地相比较，T1，T2和T3不同比例混播下的土壤含水量、碱解氮、有效磷和全氮的含量均呈显著性增加(P<0.05)，全钾的含量无显著差异。天然草地的土壤pH、有机质、速效钾和全氮均高于不同比例混播处理。

表2 灌草不同比例混播修复对土壤理化性质的影响Table 2 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil physicochemical properties

2.2 灌草不同比例混播修复对土壤酶活性的影响

图1可知，与对照相比，T1，T2和T3处理的土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性均显著提高(P<0.05)，各处理之间均无显著差异。3个混播处理下,4种土壤酶活性平均提高295.18%，172.73%，340%和94.12%。T1，T2和T3处理的4种土壤酶活性均显著低于天然草地(P<0.05)。

图1 灌草不同比例混播修复对土壤酶活性的影响Fig.1 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil enzyme activities

2.3 灌草不同比例混播修复对土壤微生物生物量的影响

图2可知，所有处理下土壤微生物生物量碳的含量最高，微生物生物量氮次之，微生物生物量磷的含量最低。与对照相比，T1、T2和T3处理的土壤微生物中各微生物生物量均显著提高(P<0.05)。其中T3处理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均显著高于其他处理(P<0.05)，比对照分别高出313.01%,382.45%和374.09%。T1和T2处理的土壤微生物生物量碳和磷的含量均无显著差异，T1的土壤微生物生物量氮的含量显著高于T2。与天然草地相比较，T1和T3处理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均显著高于天然草地(P<0.05)，T2处理的土壤微生物生物量氮和磷的含量均显著高于天然草地(P<0.05)；土壤微生物生物量碳的含量无显著差异。

图2 灌草不同比例混播修复对土壤微生物生物量的影响Fig.2 Effects of mixed planting and remediation of different proportions of shrubs and grasses on soil microbial biomass

2.4 土壤理化性质与土壤酶活性和微生物生物量之间的关系

为探讨不同处理下土壤理化性质与土壤酶活性和微生物生物量的关系，以土壤含水量(X1)、pH(X2)、有机质(X3)、碱解氮(X4)、有效磷(X5)、速效钾(X6)、全氮(X7)、全磷(X8)和全钾(X9)为自变量，以脲酶(Y1)、蔗糖酶(Y2)、碱性磷酸酶(Y3)、过氧化氢酶(Y4)、微生物生物量碳(Y5)、微生物生物量氮(Y6)和微生物生物量磷(Y7)为因变量，采用双重筛选逐步回归法进行分析，土壤脲酶活性与有机质发现和碱解氮存在线性关系；蔗糖酶活性与有机质、有效磷、速效钾和全磷存在线性关系；碱性磷酸酶活性与有机质和全氮存在线性关系；过氧化氢酶活性与有机质存在线性关系；微生物生物量碳与有效磷存在线性关系；微生物生物量氮与碱解氮存在线性关系；微生物生物量磷与含水量存在线性关系(表3)。

表3 土壤酶活性和微生物生物量与土壤环境因子的回归分析模型Table 3 Regression analysis model of soil enzyme activity,microbial biomass and soil environmental factors

对不同处理下的土壤理化性质、土壤酶活性与微生物生物量进行斯皮尔曼(Separman)相关分析发现(图3)：土壤脲酶与过氧化氢酶活性与土壤有机质呈极显著正相关(P<0.01)；土壤蔗糖酶活性与土壤有机质和速效钾呈极显著正相关(P<0.01)；土壤碱性磷酸酶活性与土壤有机质呈极显著正相关(P<0.01)，与全氮呈显著正相关(P<0.05)；土壤微生物量碳与土壤有效磷呈极显著正相关(P<0.01)；土壤微生物量氮与土壤碱解氮呈极显著正相关(P<0.01)；土壤微生物量磷与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01)。

图3 土壤理化因子与微生物量生物量和土壤酶活性之间的相关性Fig.3 Correlation between soil physicochemical factors and microbial biomass and soil enzyme activity注：*和**分别表示在0.05和0.01水平上的差异显著。SM，土壤含水量；OM，有机质；AN，碱解氮；AP，有效磷；AK，速效钾；TN，全氮；TP，全磷；TK，全钾；URE，脲酶；SUC，蔗糖酶；ALP，碱性磷酸酶；CAT，过氧化氢酶；MBC，微生物生物量碳；MBN，微生物生物量氮；MBP，微生物生物量磷Note:* and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels respectively. SM,soil moisture;OM,organic matter;AN,alkalyzable nitrogen;AP,available phosphorus;AK,available otassium;TN,total nitrogen;TP,total phosphorus;TK,total potassium;URE,urease activity;SUC,sucrase activity;ALP,alkaline phosphatase activity;CAT,catalase activity;MBC,microbial biomass carbon;MBN,microbial biomass nitrogen;MBP,microbial biomass phosphorus

3 讨论

土壤理化性质可以有效表征土壤性质和土壤肥力的状况[29]。根据第二次全国土壤普查确定的分级标准[30]，本研究结果显示，沙化草地通过灌草不同比例混播修复后，土壤有机质从四级水平升至三级水平，碱解氮从五级水平升至四级水平，有效磷从六级水平升至四级水平，全氮和全磷从六级水平升至五级水平，不同比例混播修复后的土壤含水量、有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、全氮和全磷的含量均呈显著增加，pH显著降低。不同比例混播处理下土壤含水量、碱解氮、有效磷和全磷的含量均高于天然草地，表明藏沙蒿、垂穗披碱草和细茎冰草不同比例混播修复能显著改善土壤理化性质，其原因可能是灌草不同比例混播修复后植被增加，盖度增大，植物根系数量增加，密度增大，使土壤含水量、有机质和养分增加[31]。赵啸龙等[32]研究也发现科尔沁沙质草地植被恢复能够提高土壤养分含量。但天然草地的土壤pH、有机质、速效钾和全氮高于不同比例混播处理。这是由于天然草地受到的人为干扰较少，植被类型多，群落结构复杂，枯落物层较厚，积累了较多的有机质、速效钾和全氮[33]。Zhang等[34]从森林尺度植被、地形和土层深度角度对土壤化学性质和土壤肥力研究也发现，自然植被下土壤会积累更多的有机质。不同比例混播处理中，藏沙蒿、垂穗披碱草和细茎冰草按5∶1∶1比例混播的土壤养分最高，可能是增加了灌木在混播中的占比，灌木对土壤养分具有富集作用，为周围的土壤提供了营养和能量，可以有效提升土壤养分并保持土壤生态系统平衡[35-37]。另一方面，植物死亡后，不同植物根系对土壤养分的贡献不同，灌木较禾本科植物根系发达，对土壤养分贡献较大[38]。

土壤酶活性和微生物生物量是响应土壤环境变化最敏感的两个指标，可以直接或间接的参与土壤生化过程，并在土壤的物质转化和能量循环中起着关键作用，是维持土壤质量的重要指标，可以综合反应土壤肥力特性和生物活性[39-40]。本研究中，不同比例混播处理的土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶的活性均低于天然草地。这是由于天然草地积累了较多的凋落物和腐殖质，且含有较多的植物、动物和微生物及其动植物残体等，使土壤动植物及微生物生理活性增加，释放的酶增加[41-43]。与未修复的沙化草地相比，不同比例混播处理下的4种土壤酶活性及3种土壤微生物量均呈上升趋势。其中按5∶1∶1比例混播修复的土壤微生物生物量最高。可能是不同比例混播修复后使土壤微环境产生差异，土壤酶和微生物的生长条件不同，土壤微生物的结构和多样性因为存在差异[44-45]。本研究中逐步回归分析和相关性分析结果表明，土壤理化性质与土壤酶活性间的相关性主要由土壤有机质、速效钾和全氮与脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性的相关性引起的，土壤理化性质与土壤微生物生物量间的相关性主要由土壤有效磷、碱解氮和含水量与微生物生物量碳、氮和磷的相关性引起的，这与靳振江等[46]的研究结果基本一致。可见，土壤养分与土壤酶活性和微生物生物量密切相关，直接影响生成酶的土壤微生物和植物根系的活动。因此，藏沙蒿与多年生禾草不同比例混播促进了土壤酶和微生物对土壤碳氮磷的分解，土壤养分能够为土壤酶活性和微生物提供足够的碳、氮、磷物质和能量，从而加快了土壤碳氮磷的循环[47]。本研究中土壤养分、土壤酶活性和微生物生物量变化是人工修复3年的结果，今后还需在更长的时间尺度上研究高寒沙化草地修复过程中土壤理化性质和土壤生物学特性的变化过程及相关性分析，为高寒沙化草地修复提供理论基础和科学依据。