种植方式对青海湖流域人工草地植被和土壤养分特征的影响

李彩弟, 张春平, 俞 旸, 杨晓霞, 杨增增, 冯 斌, 张小芳, 刘玉祯, 魏琳娜, 孙彩彩, 董全民*

(1. 青海大学畜牧兽医科学院/青海省畜牧兽医科学院， 青海 西宁 810016； 2. 青海省高寒草地适应性管理重点实验室， 青海 西宁 810016； 3. 青海大学农牧学院， 青海 西宁 810016)

中图分类号：S543.9文献标识码：A

文章编号：1007-0435(2023)02-0471-08

Effects of Planting Patterns on Vegetation and Soil Characteristics of Artificial Pasture in the Qinghai Lake Basin

LI Cai-di1,2, ZHANG Chun-ping1,2, YU Yang1,2, YANG Xiao-xia1,2, YANG Zeng-zeng1,2, FENG Bin1,2, ZHANG Xiao-fang1,2, LIU Yu-zhen1,2, WEI Lin-na2,3, SUN Cai-cai1,2, DONG Quan-min1,2*

(1. Academy of Animal Science and Veterinary Medicine, Qinghai University / Qinghai Academy of Animal and Veterinary Science, Xining, Qinghai Province 810016, China;2. Qinghai Provincial Key Laboratory of Adaptive Management on Alpine Grassland, Xining, Qinghai Province 810016, China;3. College of Agriculture and Animal Husbandry, Qinghai University, Xining, Qinghai Province 810016, China)

Abstract:To explore the adaptability and stability of the sown grassland established by perennial grass species in Qinghai Lake Basin,this study measured the differences in productivity and soil nutrients of artificial pastures ofPoapratensis.Qinghai,Festucasinensis. Qinghai,andP.pratensis. Qinghai+F.sinensis. Qinghai in the Bakatai farm of Qinghai Province. It was found that the biomass and coverage ofP.pratensis.monocropping treatment andP.pratensis. Qinhai+F.sinensisQinghai. mixed cropping treatment were higher than in theF.sinensis. monocropping treatment and the highest biomass of 586.2 g·m-2was found inP.pratensis.Qinghai+F.sinensisQinghai. mixed cropping treatment in August. The differences in soil organic matter,total nitrogen,total phosphorus,ammonia nitrogen,nitrate nitrogen,and soil moisture content among the three treatments were not significant at the same soil depth. And there were significant correlations among soil nitrogen,phosphorus,and organic matter. In summary,the artificial pasture ofP.pratensis. Qinghai+F.sinensisQinghai. mixed cropping in the Qinghai Lake Basin can achieve higher yield,but the relationship between soil nitrogen and phosphorus needs to be well coordinated during planting and management.

Keywords:Artificial pasture;Planting patterns;Productivity;Soil nutrients;Qinghai Lake Basin

青藏高原是全球海拔最高的独特自然地理单元，是我国主要的草地畜牧业生产基地，也是我国乃至亚洲重要的生态安全屏障，在水源涵养、气候稳定、碳平衡、生物多样性保护和牧区经济发展等方面发挥着重要作用[1-4]。全区总面积约2.6×106km2，其中草地面积1.5×106km2，约占全国草地面积的1/3[5-6]。过去几十年，随着人类活动和全球气候变化影响的加剧，青藏高原部分地区草地退化严重[7]，全区退化草地比例达80%以上[2,8]，加剧了该区草畜矛盾，威胁着区域生态系统的稳定和生态安全屏障功能的发挥[9-11]。多年研究表明，建植人工草地是恢复重度退化草地的一种重要手段[12-13]，也是减轻天然草地放牧压力和提高草地生产力的重要措施，既可以为家畜提供优质饲草[14]，也有助于保护和恢复已退化草地[15-16]，实现天然草地生态系统功能属性转移，保障生态安全与草地畜牧业的稳定可持续发展[17]。

目前，针对青藏高原高寒牧区人工草地牧草品种筛选、种植技术与模式等方面已有大量研究。垂穗披碱草(Elymusnutans)、中华羊茅(Festucasinensisi)、冷地早熟禾(Poacrymophila)、草地早熟禾(Poapratensis)等禾本科牧草被广泛应用于人工草地建植[18-19]，建植方式主要有单播和混播两种方式[20]。马玉寿等[21]研究认为，基于生态和放牧兼用型多功能黑土滩治理采用的最优组合为垂穗披碱草+青海中华羊茅+早熟禾。景美玲等[22]通过引种16种多年生禾草，发现青海草地早熟禾和青海中华羊茅是适宜青海祁连山区推广种植的优良牧草。侯宪宽等[23]对青海草地早熟禾的人工草地追踪研究表明，6龄人工草地仍然具有较高的生产力和稳定性，且没有发生明显的退化。人工草地的适应性和稳定性受建植物种配置、建植方式、建植年限及气温、降水、土壤养分等影响[24]，以上研究主要集中在“黑土滩”分布较广的三江源区和祁连山区，而针对青海湖流域人工草地适应性及稳定性方面的基础研究较为薄弱。

青海湖流域植被类型主要以高寒草原、高寒草甸和温性草原为主[25]，依靠天然草地放牧的草地畜牧业是该区域的主导产业。近年来该区域草地退化和土地沙化严重[5]，因此，基于青海湖流域高寒草地生态系统的区域环境现状及草地畜牧业发展需求建植适宜的人工草地至关重要。青海草地早熟禾(Poapratensis. Qinghai)和青海中华羊茅(Festucasinensis. Qinghai)具有较高的饲用价值和较强的适应性[26-27]。本试验以2019年建植的青海草地早熟禾单播、青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播人工草地为研究对象，于2020年的生长季分析以上人工草地生产力及土壤养分的变化，探讨各多年生人工草地在青海湖流域内的适应性，从而为该区域发展优质人工草地提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点位于青海巴卡台农牧场(36°15′N，100°55′E，海拔3 300 m)。该区域为大陆性高原寒温带季风气候，四季交替不明显，无绝对无霜期，以冷暖季划分，植物生长的暖季温润短暂，植物枯黄的冷季寒冷漫长。年日照时数达2 670.4～3 036 h，年均温为-5℃～5℃，年平均降水338 mm左右，暖季降水占全年降水的75%以上。原生植被优势种为紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)、雪白委陵菜(Potentillanivea)。试验地土壤类型为栗钙土。

1.2 试验设计

2019年5月初，在试验区设置3个处理，分别为青海草地早熟禾单播、青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播，每个处理3个重复，采取完全随机区组试验设计，共9个试验小区。青海草地早熟禾和青海中华羊茅种子由青海省畜牧兽医科学院提供。种植时参考董全民[7]及马玉寿等[28]的方法，使用播种机以条播的方式进行播种。青海草地早熟禾和青海中华羊茅单播及混播的播种量及混播比例见表1。

表1 试验处理Table 1 Experimental treatments

1.3 样品采集和指标测定

于2020年6—8月进行野外观测与样品采集。每个小区随机设置4个50 cm×50 cm样方用于测定植株高度、盖度及地上生物量，每个处理12个样方，共计36个样方。用目测法估测盖度；在每个样方中随机选取24株植株用钢卷尺测定其自然高度，随后将样方中的牧草齐地面刈割。将刈割的样品带回实验室，先在105℃下杀青30 min，随后在70℃下烘干至恒重，测定其生物量。在8月刈割后的样方中，采用三点取样法，用直径3.5 cm的土钻采集土壤0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm层土样，将不同土层的土壤样品分别混合均匀为1个样品，每个小区12个土样，共计108个土样。土样采集完成后分为2份，一份鲜样用于测定铵态氮(Ammonium nitrogen，AN)、硝态氮(Nitrate nitrogen，NN)，另一份阴干、碾碎、过筛后用于测定土壤有机质(Soil organic matter，SOM)、全氮(Total nitrogen，TN)、全磷(Total phosphorus，TP)、速效磷(Available phosphorus，AP)。测定方法参照《土壤农化分析》[29]。

1.4 数据处理

利用Excel 2019对数据进行整理，采用IBM SPSS Statistics 20进行了单因素方差分析(One-way ANOVA)，结果以平均值±标准误的形式表示；运用Duncan进行处理间的多重比较，并采用皮尔森相关系数法进行了相关性分析。用Origin 2021进行相关图形的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式对人工草地植被的影响

由图1可知，在整个生长季，青海中华羊茅单播处理生物量显著低于青海草地早熟禾单播处理(P<0.05)，青海地早熟禾单播处理与青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播处理间生物量无显著差异，且青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播处理生物量随着生长季的推移而增加，在8月份时达到最高。在6，7月份，各多年生人工草地生物量大小排序为青海草地早熟禾单播>青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播>青海中华羊茅单播。8月份时，青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播处理生物量最高，为586.2 g·m-2，青海中华羊茅单播处理生物量最低，为342.3 g·m-2。各处理牧草高度在6，8月份无显著差异，7月份时，青海中华羊茅单播处理牧草高度显著低于青海草地早熟禾单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播处理(P<0.05)。各处理植被盖度在整个生长季大小排序为青海草地早熟禾单播>青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播>青海中华羊茅单播，其中青海中华羊茅单播处理与青海草地早熟禾单播处理间差异显著(P<0.05)。

图1 不同种植方式人工草地生物量、高度和盖度Fig.1 Changes in biomass,height,and coverage of artificial pasture of different planting patterns注：同一月份不同的小写字母代表不同处理之间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters within the same month indicate significant differences among different treatments at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同种植方式对人工草地土壤养分的影响

种植方式对多年生人工草地土壤养分无显著影响(表2)。青海草地早熟禾单播、青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播人工草地0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm层土壤有机质、全氮、全磷、硝态氮、铵态氮、速效磷含量虽存在一定差异，但在相同土壤深度下，除速效磷外(20～30 cm)，其他各养分含量在不同处理间差异并不显著(图2)。在20～30 cm土壤深度下，青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播人工草地速效磷含量显著高于青海草地早熟禾单播草地(P<0.05)。土壤深度对土壤铵态氮和土壤有机质有显著影响，对土壤全氮、全磷、硝态氮、速效磷影响较弱，土壤铵态氮和土壤有机质还受土壤深度与种植方式交互效应的显著影响(表2)。3种人工草地土壤含水量没有显著差异(图3)。

图2 不同种植方式人工草地0～30 cm层土壤养分Fig.2 Changes in soil nutrients in 0～30 cm layer of artificial pasture under different planting patterns

图3 不同种植方式人工草地土壤含水量Fig.3 Changes in soil moisture content of artificial grassland under different planting patterns

2.3 多年生人工草地植被特征与土壤养分间的相关性

相关性分析结果表明(图4)，多年生人工草地植被盖度和生物量间存在显著正相关关系(P<0.05)，土壤硝态氮、全氮、速效磷和全磷之间存在极显著正相关关系(P<0.01)，土壤硝态氮和全氮、速效磷之间存在极显著正相关关系(P<0.01)，土壤铵态氮和有机质之间存在极显著负相关关系(P<0.01)，和速效磷之间存在显著正相关关系(P<0.05)，土壤全氮和有机质之间存在显著负相关关系(P<0.05)，和速效磷之间存在极显著的正相关关系(P<0.01)，土壤有机质和速效磷之间存在显著负相关关系(P<0.05)。

表2 土壤养分对土壤深度和种植方式的响应Table 2 The differences in soil nutrients among soil depth and planting patterns

图4 多年生人工草地土壤养分与植被特征的关系Fig.4 Relationship between soil nutrient and vegetation characteristics of perennial artificial pasture注：*，**表示在0.05和0.01水平下相关性显著。BM，生物量；VH，高度；CV，盖度；TP，全磷；NN，硝态氮；AN，铵态氮；TN，全氮；OM，有机质；AP，速效磷；SW，土壤含水量Note：*,** indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 levels,respectively. BM,Biomass;VH,Vegetation height;CV,Coverage;TP,Total phosphorus;NN,Nitrate nitrogen;AN,Ammonia nitrogen;TN,Total nitrogen;OM,Organic matter;AP,Available phosphorus;SW,Soil moisture content

3 讨论

建植人工草地的目的一方面是为家畜提供优质饲草，发挥生产功能，另一方面是恢复退化草地，发挥生态功能[16]。选择适宜的草种及其种植方式是科学配置人工草地生产与生态功能、保证草地生态系统多功能性的前提。一年生植物覆盖地表时间较短且每年需进行土壤翻耕，土壤翻耕后长达6—8月的地表裸露期容易引起土壤风蚀沙化。自上世纪80年代以来，研究人员对适用于恢复退化草地的多年生植物种质资源开展了大量探索工作，并发现莎草科和豆科植物因区域自然条件限制、生境的不适宜性及种质资源难获得等原因很难应用于退化草地恢复[12]，而多年生禾本科植物是退化草地改建人工草地的理想植物[30-31]，且在种植时采取的多年生禾草草种组合在种间或种内关系良好的情况下，人工草地具有更高的产量与恢复效果[32]。

青海草地早熟禾和青海中华羊茅是青藏高原地区优良的多年生禾本科乡土草种，在退化草地治理和引种栽培等方面被证实具有良好的生态和生产效益[21,23]。本研究中，在青海湖流域，相比青海中华羊茅单播，青海草地早熟禾单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播具有更高的生物量和盖度，而植株高度在各处理间并无显著差异。这主要与两种植物的生物学特性有关，青海草地早熟禾为根茎疏丛型牧草[33]，其相较于疏丛型的青海中华羊茅叶量更为丰富和发达，繁殖更为迅速。光照是植物生长的重要环境因子，植物形态学构建和光合产物的形成都离不开光照[34-35]。本研究中，各处理在光资源竞争方面具备相同的优势，表明青海草地早熟禾和青海中华羊茅在单播或混播时均有良好的种间关系和种内关系。大量研究表明，混播草地具有超产效应[36-37]。本研究中，青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播草地在8月的草产量高于青海草地早熟禾单播草地，显著高于青海中华羊茅单播草地，表明混播草地在8月时物种生态位互补优势更加明显，青海草地早熟禾属下繁草，青海中华羊茅为半上繁草，两者分区获取资源，增加了有机物的积累，提高了饲草产量。

土壤作为草地生态系统营养物质循环的载体，对草地生态系统功能的形成和生态系统服务的发挥起着非常重要的作用[38-39]；其养分特征是影响牧草产量与品质的主要因素，也是评价退化生态系统功能恢复的重要指标。通常情况下，相比一年生牧草，利用多年生牧草建植人工草地更有利于土壤养分的恢复与积累[40]。而不同多年生牧草品种在土壤养分利用方面存在相似性或差异性，因此在不同种植方式下土壤养分存在一定异同点[41]。目前，大多数研究主要针对禾豆混播体系土壤养分的变化，且研究结果普遍表明禾豆混播更有利于土壤养分积累[42-43]，但豆科优良牧草在高寒地区受水热条件等因素限制不能很好的生长繁殖，不适合用于高寒地区人工草地建植。本研究中，不同种植方式下多年生禾本科人工草地土壤养分差异不大。在相同土壤深度下，青海草地早熟禾单播、青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播草地土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和土壤含水量并无显著差异，即种植方式对土壤养分没有显著影响。这与侯宪宽对高寒地区单播及混播人工草地土壤特征的研究结果一致[44]。因此，相似的土壤养分状况能为不同类型的草地提供同样的营养元素供给。

植被和土壤一体两面，既相对独立又相互联系[45-46]，土壤可以为植物的生长提供物质基础，反之植被对土壤也可产生作用[47]。在本研究中，多年生人工草地盖度与生物量，硝态氮、全氮、速效磷与全磷，全氮、速效磷与铵态氮之间存在显著的正相关关系，全氮、铵态氮、速效磷与有机质之间存在显著负相关关系，表明在土壤满足植被生长的基本需求的前提下，建植两年的青海草地早熟禾单播、青海中华羊茅单播和青海草地早熟禾青海中华羊茅混播草地生产力并不受土壤矿质元素的限制，而各类型的氮素和磷素及土壤有机质间存在显著的关联性和协调性，氮磷的平衡对于维持该草地土壤肥力水平具有重要作用，有机质的含量也可以显著的影响到土壤氮素和磷素的存在状态及含量。

4 结论

本研究发现，种植方式显著影响了青海湖流域多年生人工草地的植被特征，而对土壤养分含量没有显著影响。在牧草生长旺季，相比青海草地早熟禾单播和青海中华羊茅单播，青海草地早熟禾+青海中华羊茅混播有更高的生物量。种植方式并不会对3种多年生人工草地建植第2年的土壤有机质、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、速效磷和土壤含水量有显著影响，但要注意协调各氮磷要素间的均衡关系，以利于高寒人工草地产量的稳定性和高产性。