补播对退化高寒草甸牧草养分及土壤理化性质的影响

张 冉，杨 蔚，王 文，任 健，田健帆，刘 莉，马向丽

（1. 云南农业大学动物科学技术学院, 云南 昆明 650201；2. 红云红河集团昆明卷烟厂, 云南 昆明 650202；3. 云南省种羊繁育推广中心, 云南 寻甸 655200）

中甸草原面积广阔，高寒牧区草甸覆盖度多在75%左右[1]。高寒牧区是迪庆地区畜牧业最为重要的生产基地，当地牧民以放牧迪庆黄牛、中甸牦牛和中甸犏牛等特有畜种为主[2]。近年来，在全球变暖与过度放牧的影响下，高寒草甸生态系统呈现出明显的退化趋势，群落物种构成发生改变，优良牧草相对丰度下降，毒杂草种类和分布快速增长[3]。诸如舟叶橐吾(Ligularia cymbulifera)、大狼毒(Euphorbia jolkinii)等毒杂草丛生，使得地上总生物量、总盖度变化不大的情况下，总密度下降[4]。虽无水土流失、地表裸露等常见土地退化特征，但优质牧草比例急速下降[5]，造成畜产量下滑，极大影响了高原地区牧民的生产积极性，同时阻碍了生态安全的可持续发展。因此，解决草畜矛盾迫在眉睫，通过封育、施肥、补播的方式提高优良牧草的比例，辅以短期禁牧、长期轮牧的方式，方可减小供需矛盾。

彭中山[6]认为采用围栏封育、施肥和补播小嵩草(Kobresia humilis)等措施可有效提高青海省湟中县高寒草甸地区各类地上草的生长速率、生物量、株高与覆盖率。王玲等[7]研究表明，施肥、灌溉、补播是环青海湖高寒草原退化草地恢复与重建的重要措施，改良效果施肥 ＞ 灌溉 ＞ 补播。以上研究表明，封育、施肥和补播是退化草原植被修复的关键技术，而补播物种的选择是其中最重要的一环。同时，康爱民等[8]研究表明，蛋白、脂肪、纤维、矿物质等含量直接反映了饲草料营养价值的高低，长期施肥条件下土壤氮、磷、钾养分动态与平衡方面也备受学者关注[9]。宋海燕等[10]认为土壤酶与养分、pH、微生物有较强的相关性。鉴于此，本研究将采用封育 + 施肥 + 补播的方式改善退化高寒草甸的植被覆盖度及土壤肥力，并分析评价牧草营养成分、土壤理化性质，进而提出有效的恢复建议。

张瑞等[11]通过研究种植灌木薪炭林、绿肥对沙地养分的恢复效应，发现种植沙打旺(Astragalus adsurgens)、 草木樨(Melilotus suaveolens)和苜蓿(Medicago sativa)均可提高沙化土地肥力，以沙打旺效果最好，草木樨次之，苜蓿最差。杨晓晖等[12]在乌兰布和沙漠东北缘对3 种豆科绿肥植物生物量和养分含量及其对土壤肥力的研究显示，土壤全氮和全磷含量的变化趋势为沙打旺 ＞ 紫花苜蓿 ＞ 草木樨，而全钾含量则为紫花苜蓿 ＞ 草木樨 ＞ 沙打旺。彭爽和王凤芝[13]在沙化草原补播沙打旺、紫花苜蓿、草木樨等表明，沙打旺和草木樨对沙化治理效果的优势突显，植被覆盖度均能达到 100%。马和等[14]研究结果表明，以在当地表现较好的垂穗披碱草(Elymus nutans) + 紫羊茅(Festuca rubra) + 草地早熟禾(Poa pratensis) + 小冠花(Poa pratensis)组合补播方式，再通过浅翻耕、松土，可有效提高土壤肥力、增加优良牧草的比例。虽然以上研究结果均可为天然退化草地的植被恢复和水肥保持提供参考，但关于不同草种补播对中甸高寒草甸地上部分及土壤的综合影响[15-17]研究报道较少。

因此，本研究以8 种牧草为材料，采用2～3 种禾本科牧草与1 种豆科牧草组合补播的方式，制定3 种播种方案。评价了生长旺盛期不同方案下草地地上部分总盖度、牧草营养价值、土壤养分及土壤酶活性变化，以明确该地区高寒草甸最佳补播方案，为该地天然草地改良和建立规模化优质栽培草地提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点设在格咱属都湖尼嘎牧场(99°56′04″ E,27°57′50″ N)，海拔3 658 m。牧场地形较为平整，属于亚高山草甸，无前茬作物，适宜进行退化草地修复试验。试验点土壤为高山草甸土。试验区干湿季分明，6 月 − 10 月降水量较多，占全年降水量的80%，形成湿季；11 月 − 12 月、1 月 − 5 月降水量较小，只有全年降水量的20%，形成干季[18]。平均气温5.5℃，夏季最高温25.6 ℃，而冬季最低温−20 ℃，全年日照时数约2 180.3 h，全年降水量为618.4 mm[19]。2019 年4 月下旬，调查到当地常见植物群落为川滇委陵菜(Potentilla fallens)、西南委陵菜(Potentilla lineata)、 尼泊尔蓼(Polygonum nepalense)、 车前(Plantago asiatica)、草地早熟禾、发草(Deschampsia caespitosa)、 舟叶橐吾、 中华鹅观草(Roegneria sinica)、垂穗披碱草，如今天然草地退化严重，舟叶橐吾及尼泊尔蓼成为优势群落，草地生产力下降[20]。

1.2 试验材料

2018 年5 月在格咱属都湖尼嘎牧场采用围栏封育的方式，建立高寒山区天然草地封育区，并进行品比试验，筛选出在该地区适应性较好的牧草品种，结合当地常见牧草品种及甘肃等高寒牧区的补播试验确定补播方案[14,21]。2019 年5 月在封育草地内选择地形、植被比较一致的草地，分为补播区(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和对照区(CK)，各小区面积100 m2(10 m ×10 m)，各小区设置3 个重复。该地区地表裸露，植被覆盖度低，且无灌溉条件。试验开始前测得该地区土壤pH 为5.75，全氮含量为3.07 g·kg−1，速效氮含量为230.09 mg·kg−1，全磷含量为0.49 g·kg−1，速效磷含量为64.81 mg·kg−1，全钾含量为9.08 g·kg−1，速效钾含量为267.08 mg·kg−1。补播区和对照区播种前，均采用旋耕机翻耕，晾晒1 d；播种时，施底肥为复合肥(N 15%, P 15%, K 15%)，每小区3.3 kg，苗期追施复合肥，每小区2.5 kg。牧草种子均由云南绿盛美地科技实业有限公司提供，补播方案及播量如表1 所列。

表1 格咱属都湖尼嘎牧场高寒草甸补播方案Table 1 Alpine meadow reseeding schemes at Niga pasture, Lake Gzandu g·m−2

1.3 测定指标及方法

1.3.1 总盖度的测定

于2019 年8 月下旬，用1 m × 1 m 的样方框于各小区内随机框选3 块样方，采用目测法测定植被总盖度[22]。

1.3.2 地上部分营养成分含量的测定

刈割上述样方框内鲜草，留茬1 cm，分别混匀后于烘箱中105 ℃杀青20 min，然后以85 ℃烘至恒重后打粉。

采用凯式法测定粗蛋白(crude protein, CP)含量；采用索式提取器法测定粗脂肪(ether extract，EE)含量；采用Van Soest 法测定酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)及中性洗涤纤维(neutral detergent fibre,NDF)含量；采用EDTA 法测定钙(calcium, Ca)含量；采用分光光度法测定磷(phosphrous, P)含量；采用灼烧重量法测定粗灰分(ash)含量[23]，各处理重复3 次。

1.3.3 土壤养分含量的测定

于牧草生长旺盛期，用直径5 cm 的土钻按三点法采集土样，土壤取样深度为0 − 30 cm，分别混合均匀后装袋并编号，然后装入冰盒内带回实验室于−80 ℃冰箱保存待用。

将土样于室内风干，去除细根和杂质，研磨后过1.00 和0.25 mm 土壤筛，混匀后取样。用精密pH计(Starter 3100)测定土壤pH；采用凯氏法测定全氮(total nitrogen, TN)含量；采用碱解扩散法测定速效氮(available nitrogen, AN)含量；采用硫酸−高氯酸消煮−钼锑抗比色法测定全磷(total phosphorus, TP)含量；采用碳酸氢钠浸提−钼锑抗比色法测定速效磷(available phosphorus, AP)含量；采用酸溶−火焰光度计法测定全钾(total potassium, TK)含量；采用醋酸铵浸提−火焰光度计法测定速效钾(available potassium, AK)含量[24-25]，各处理重复3 次。

1.3.4 土壤酶活性含量的测定

取存放于−80 ℃冰箱中的土样。采用苯酚钠−次氯酸钠比色法测定土壤脲酶(urease)活性；采用磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶(acid phosphatase)活性；采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶(invertase)及土壤纤维素酶(cellulase)活性；采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶(catalase)活性；采用茚三酮比色法测定土壤蛋白酶(protease)活性[24,26]，各处理重复3 次。

1.4 数据分析

采用SPSS 22.0 软件进行单因素(ANOVA)方差分析，采用Duncan 法进行多重比较，显著性水平设定为0.05，数据结果用平均值 ± 标准差表示；采用Excel 2016 进行图表的制作。

1.5 隶属函数值计算

采用模糊数学中隶属函数值的方法进行综合评定。隶属函数值的计算公式如下：

式中：R(Xij)表示i处理j指标的隶属函数值，Xij表示i处理j指标的测定值，Xjmax和Xjmin分别表示各指标的最大和最小的测定值，R(Xi)表示n个R(Xij)的平均值，Xi为i处理的隶属函数值的平均值，n为指标数。当指标与地上部分营养成分、土壤养分及酶活性呈正相关关系时，用式(1)；呈负相关关系时，用式(2)。除ADF 与NDF 外，均使用式(1)。按函数隶属均值的大小进行排序[27-29]。

2 结果与分析

2.1 不同补播方案地上部分总盖度

补播可有效提高植被的覆盖度，补播处理总盖度均较CK 提高了38%以上(图1)，差异显著(P＜0.05)。但不同补播方案间总盖度差异不显著(P＞ 0.05)。

图1 不同补播方案下高寒草甸牧草地上部分总盖度Figure 1 Changes in total vegetation cover of above-ground parts of alpine meadow forage under different reseeding schemes

2.2 不同补播方案牧草营养成分

补播区的牧草CP、EE 和粗灰分含量均显著高于对照区(P＜ 0.05)，其中，以补播方案Ⅱ、Ⅲ的CP 含量较高，补播方案Ⅲ的粗灰分含量最高(P＜0.05)，但3 种补播方案间EE 含量差异不显著(P＞0.05)。同时，补播方案Ⅰ、Ⅲ的ADF 含量显著低于CK (P＜ 0.05)，补播方案Ⅲ的NDF 含量比CK 低16.75% (P＜ 0.05)。补播处理Ca、P 均显著高于CK(P＜ 0.05)，其中以补播方案Ⅲ的P 含量最高(表2)。可见，补播区的地上部分营养均优于CK，补播可有效提高地上植被的养分。

表2 不同补播方案下高寒草甸牧草营养成分含量Table 2 Changes in nutrient components of alpine meadow forages under different reseeding schemes%

2.3 不同补播方案土壤养分特征

对照区的土壤pH 显著低于补播区(P＜ 0.05)(表3)。TN 及AN 含量均以CK 最低(P＜ 0.05)，其中，补播方案Ⅰ的AN 含量显著高于补播方案Ⅱ、Ⅲ(P＜ 0.05)，且为CK 的2.81 倍。TP 含量以补播方案Ⅰ为最高(P＜ 0.05)，CK 仅为其17.86%，但CK 的AP 含量为132.04 mg·kg−1，显著高于补播区(P＜0.05)。补播方案Ⅱ的TK 含量最高(P＜ 0.05)，为CK的2.89 倍，但补播方案Ⅰ、Ⅲ的TK 含量无显著差异(P＞ 0.05)，另外，各处理间AK 含量差异显著(P＜0.05)。除AP 外，CK 的pH 及土壤养分含量均显著低于补播区(P＜ 0.05)，说明补播可有效缓解土壤的酸度并提高土壤养分含量。

表3 不同补播方案下高寒草甸土壤养分特征Table 3 Changes in nutrient characteristics of alpine meadow soil under different reseeding schemes

2.4 不同补播方案土壤酶活性变化

补播方案Ⅱ土壤脲酶活性最高，为0.64 mg·(g·d)−1，是CK 的1.6 倍，且各处理差异显著(P＜ 0.05)。CK 的酸性磷酸酶活性最低，仅为补播方案Ⅲ的59.40%，两者差异显著(P＜ 0.05)。不同处理蔗糖酶活性差异显著(P＜ 0.05)。纤维素酶活性以补播方案Ⅰ最高(P＜0.05)，比CK 高出0.38 mg·(g·d)−1。补播区过氧化氢酶活性均高出CK 数倍，补播方案Ⅲ甚至高出6.18 倍。补播区的蛋白酶活性差异显著高于对照区(P＜ 0.05)，CK 仅为补播方案Ⅰ的 44.70% (表4)。可见，补播可有效提高土壤酶活性。

表4 不同补播方案下高寒草甸土壤酶活性Table 4 Changes in enzyme activity of alpine meadow soil under different reseeding schemes mg·(g·d)−1

2.5 综合评价

不同补播方案的地上部分营养成分、土壤养分及土壤酶活性的评判结果(表5)显示，综合评价的排序结果为补播方案Ⅲ ＞ 补播方案Ⅰ ＞ 补播方案Ⅱ ＞CK，因此认为补播方案Ⅲ (鸭茅 + 早熟禾 + 百脉根)为最优，补播方案Ⅰ(鸭茅 + 苇状羊茅 + 多年生黑麦草 + 苜蓿)、补播方案Ⅱ(无芒雀麦 + 多年生黑麦草 + 白三叶)为较好。

表5 不同补播方案下高寒草甸牧草及土壤各指标综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of alpine meadow forage and soil indicators under different reseeding schemes

3 讨论

3.1 补播可有效提高草地生产性能

本研究中，补播区的地上部分总盖度较对照区提高了38%以上，表明补播可大幅度提高植被的覆盖程度。其中以补播方案Ⅲ为最优，这与刘卓[30]在宁夏南部山区的禾草补播试验结果相近。

饲草的营养成分通常由CP、EE、ADF、NDF、Ca、P、A等组成，决定着草地营养物质输出的能力[31]。植物地上部分组织中较高的氮储备会增进新叶的生长，进而推迟木质化进程[32]，使CP、EE含量上升，ADF、NDF含量下降。而补播方案Ⅰ地上部分CP含量相对另外两个补播区较低，可能是由于补播方案Ⅰ豆科牧草的比例相对较低，且研究区2019年8月降水天数高达21 d，苜蓿生长延缓[33]。补播区EE的含量显著高于对照区(P＜ 0.05)，但本研究中均使用多年生牧草且土地贫瘠，所以各补播区差异不显著(P＞ 0.05)。

高寒草甸入秋后气温降低但仍然多雨，较低的气温和湿润的空气使得植物的生理活动变慢，干物质的累积减缓，粗灰分的含量下降，进而导致结构性碳水化合物(ADF、NDF)的含量减少[34]，但均以补播方案Ⅲ为最优，表明较高的鸭茅比例能有效改善退化草地地上部分营养品质[30]。Ca作为植物的必需元素，调节着诸如胞内蛋白结合等代谢过程，同时，较高的Ca含量可促进妊娠动物的产奶等[35]，不过本研究中各补播区Ca含量差异不显著(P＞0.05)，这与侯钰荣等[36]的补播改良区钙含量比对照区增加了0.11%结果类似。牧草磷含量的变化与土壤的速效磷含量相关[37]，补播区土壤速效磷含量低于试验开始前的测定值，而对照区则高出约2倍，说明补播促进了牧草对P的吸收。

3.2 补播可有效增加土壤肥力

植被能分解土壤中难以处理的有机物质，改善土壤的理化性质，提高土壤养分，增加土壤肥力[38-39]。本研究中补播区TN、AN、TP、TK、AK含量均显著高于对照区(P＜ 0.05)，这与多数研究结果一致[17,25,40]。可说明本研究采用的补播方案可有效培肥迪庆地区高寒草甸土地。表层土壤的养分主要受凋落物以及施入的肥料影响，补播可以通过增加0 − 30 cm土层的全效养分，经根系吸收分解利用后以有效肥料的形式循环入表土层，以达到保肥效果[41]。

TN、AN以补播方案Ⅰ最高，表明苜蓿根系发育有利酸性土壤中根瘤菌定殖，从而加速土壤氮素的累积[42]。TK、AK以补播方案Ⅱ最高，表明无芒雀麦 +多年生黑麦草 + 白三叶的补播方案在施肥条件下有利于土壤钾素的累积，这与从怀军等[43]的研究结果相近。至于AP含量出现对照区显著高于补播区的现象(P＜ 0.05)，分析认为改良措施明显加速了高寒草甸土壤速效磷的分解利用[17]。另外，补播区pH显著高于对照区，说明补播能够有效降低土壤酸度，减少过酸土壤对植物根系的损伤和对土壤酶活性的抑制[44]。

3.3 补播可有效提高土壤酶活性

土壤酶活性是评价土壤肥力的重要指标，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、纤维素酶、过氧化氢酶、蛋白酶等催化着土壤中微生物的各种代谢活动[45]。酶活性变化能够很直观地反映土壤经过改良措施后的变化。本研究结果显示，经过补播措施，土壤的酶活性都有所提高，分析认为可能是促进土壤养分含量和地上部分营养价值上升的原因。其中，补播方案Ⅱ的脲酶活性最高，补播方案Ⅰ的蛋白酶活性最高，脲酶及蛋白酶与土壤中氮素的利用密切相关，两补播方案均具有较高TN、AN 含量，表明苜蓿及白三叶相对百脉根而言有较高的固氮能力。补播方案Ⅲ的过氧化氢酶活性最高，过氧化氢酶的存在有利于防止H2O2对植物的毒害作用，有利于地上营养物质的累积，可能与早熟禾细胞有较强清除活性氧的能力有关[46]。

4 结论

根据1 年的试验数据，利用隶属函数分析法对3 种补播方案进行综合评价，鸭茅 + 早熟禾 + 百脉根补播组合的地上部分营养成分、土壤养分以及土壤酶活性均表现为最优，此补播方案可以在当地或气候类似区推广。鸭茅 + 苇状羊茅 + 多年生黑麦草 + 苜蓿、无芒雀麦 + 多年生黑麦草 + 白三叶的补播组合也具有较好的应用价值。但补播是否能持续改变当地优势种群落，还需进一步的研究。