復(fù)合微生物肥料對科爾沁羊草割草場植物群落多樣性和生產(chǎn)力的影響

溫 超， 單玉梅， 李良臣， 高麗娟 ，楊曉松， 斯日古楞， 張 軍， 劉永志

(1．中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草業(yè)研究中心， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031； 2．內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031； 3．內(nèi)蒙古通遼市畜牧獸醫(yī)科學(xué)研究所， 內(nèi)蒙古 通遼 028000； 4．內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)廳， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，長期大量施用化肥導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變劣[1]，有機質(zhì)含量降低[2]，土壤逐漸酸化致使有害重金屬活性提高以及營養(yǎng)物質(zhì)溶解造成養(yǎng)分流失[3]，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降，作物減產(chǎn)，生態(tài)環(huán)境污染等問題[4]。復(fù)合微生物肥料，是由特定微生物或其他經(jīng)過鑒定的2種以上互不拮抗的微生物與營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)合而成，是能提供、保持或改善植物營養(yǎng)，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量或改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的活體微生物制品[5]。它既保證了作物生長不可缺少的營養(yǎng)成分，又能夠改土、促生、抗病、改善生態(tài)環(huán)境，對生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，減輕環(huán)境污染有很大作用[6-8]。微生物肥料已廣泛應(yīng)用在禾谷類、油料類和纖維類作物，且多數(shù)增產(chǎn)效果明顯。王素英等[9]的統(tǒng)計結(jié)果表明，各類微生物肥料的增產(chǎn)幅度在10%左右，其中以復(fù)合微生物肥料增產(chǎn)效果最明顯，達到20%以上。微生物肥料對燕麥(Avenasativa)[10-12]、老芒麥(Elymussibiricus)[11]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[13]等牧草增產(chǎn)的效果明顯，但是對于復(fù)合微生物肥料在改良天然草原植被方面的文獻報道還較少。

科爾沁沙化草原區(qū)是半干旱天然打草場的重要分布區(qū)，是內(nèi)蒙古重要的草地資源之一，具有不可忽視的生態(tài)作用。科爾沁沙化草原脆弱而敏感，不合理的利用方式極易導(dǎo)致草原退化。因此，在科爾沁沙地羊草草原施入不同的復(fù)合微生物肥料，通過分析草地生產(chǎn)力和地上植物群落多樣性的變化，為未來微生物肥料在天然草地的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于內(nèi)蒙古通遼市科爾沁左翼中旗珠日河牧場白音查干分場，地理坐標(biāo)為N 44°24′56″，E 121°52′34″，氣候?qū)賰?nèi)陸半干旱草原氣候類型，受東亞季風(fēng)控制，大陸性氣候特征十分明顯，具有冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫變幅大，降水少而集中，春季多大風(fēng)等特點。全年平均氣溫5.6℃，極端最高氣溫40.9℃，極端最低氣溫-32.9℃；多年平均無霜期143 d；日照時數(shù)3 101 h；≥10℃以上年積溫3 114.4℃；年平均降雨量354.3 mm；一年降雨量的70%以上集中在6—8月份。地勢平坦，土壤類型屬于沙壤土，0～10 cm土壤有機質(zhì)含量為8.72 g·kg-1，全氮0.47 g·kg-1，全鉀28.23 g·kg-1，全磷0.23 g·kg-1，C/N為18.82。每年8月中旬至9月初打草一次，冬季放牧。試驗區(qū)植被主要為羊草+雜類草群落，羊草(Leymuschinensis)為建群種，伴有糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、胡枝子(Lespedezadavurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等。

1.2 試驗設(shè)計

樣地選取長期割草利用的羊草草甸草原固定草場，刈割頻率為每年一次。試驗采取單因素隨機區(qū)組設(shè)計，5個處理，3個區(qū)組，共計15個實驗小區(qū)。每個小區(qū)面積為3 m×5 m，中間設(shè)置1 m的緩沖帶。設(shè)置對照、腐殖酸復(fù)合微生物肥料、糖蜜發(fā)酵復(fù)合微生物肥料、海藻酸復(fù)合微生物肥料以及腐殖酸+糖蜜發(fā)酵+海藻酸3種復(fù)合微生物肥料5個處理，分別用CK，F(xiàn)，T，H和A表示。5月22日進行肥料添加處理，施入后對施肥小區(qū)進行澆水，灌溉量為5 mm。其中F和H為固體肥料，直接撒播，T為液體肥料，溶于水后灌溉即可。施入微生物肥料的種類及施肥標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

1.3 試驗方法

于2014年草地生產(chǎn)力高峰期(8月中旬)取樣，在每個重復(fù)小區(qū)內(nèi)隨機設(shè)置4個0.5 m×0.5 m的樣方。記錄群落總蓋度，每個樣方內(nèi)的物種種類、高度、蓋度和密度[14]。用剪刀將樣方內(nèi)植物地上活體部分齊地面剪取，分種存放于信封袋中。將樣品帶回實驗室105℃下殺青30 min，然后在65℃烘箱中烘干至恒重，稱其重量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析，采用SAS 9.0軟件進行方差分析，作圖軟件為SigmaPlot 12.0。物種種群的重要值和群落α多樣性指數(shù)采用如下公式計算：

(1)重要值=(相對高度+相對蓋度+相對密度+相對生物量)/4

(2)Margalef豐富度指數(shù)(C)

C=(S-1)/lnN

(3)Shannon-Wiener指數(shù)(H)

H=-∑PilnPi

(4)Pielou均勻度指數(shù)(J)

J=H/ ln S

(5)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)

D=1-∑(Pi)2

式中，Pi代表第i個物種的重要值；S代表物種的總數(shù)；N代表物種的總體個數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合微生物肥料對群落地上生物量的影響

群落地上生物量是群落結(jié)構(gòu)和功能的重要指標(biāo)。由圖1可以看出，復(fù)合微生物肥料對群落地上生物量的增加有促進作用，其中T處理較CK增加顯著(P<0.05)，地上生物量可達136.53 g·m-2，增加了27.18%，F(xiàn)、H和A處理區(qū)較CK分別增加了10.89%，20.46%，19.97%，但是各處理間無顯著差異(圖1)。

圖1 不同施肥處理對草地地上生物量的影響Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on aboveground biomass of grassland注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different letters indicate significant difference at the 0.05 level, the same as below

2.2 對群落高度、群落蓋度和群落密度的影響

植被高度是草地結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，復(fù)合微生物肥料可增加群落高度(圖2)，F(xiàn)、T、H和A群落高度較CK分別增加了9.09%，18.18%，13.64%，5.45%，其中T處理高度增加了6.67 cm，增幅較CK差異顯著(P<0.05)，其余處理間差異不顯著。CK、F、T、H和A處理區(qū)群落蓋度分別為43.33%，53.33%，63.33%，60.00%和63.33%(圖3)，施肥處理使得群落蓋度顯著增加，都有10%到20%左右增幅。CK、F、T、H和A處理區(qū)群落平均密度分別為204.33，196.00，293.33，266.33和284.00株·m-2，T、H和A處理群落密度與CK相比都有不同程度的增加，但各處理間無顯著差異(圖4)。綜合比較，施加糖蜜發(fā)酵復(fù)合微生物肥料(T)效果較明顯，其群落高度、蓋度和密度在所有處理中都最高。

圖2 不同施肥處理下群落高度變化Fig.2 Community height under different fertilizer treatments

圖3 不同施肥處理下群落蓋度變化Fig.3 Community coverage under different fertilizer treatments

2.3 主要物種重要值

植物種群的重要值可以反映其在群落中的優(yōu)勢地位及優(yōu)勢程度，故可作為表征優(yōu)勢種的指標(biāo)。試驗區(qū)植物群落屬羊草+雜類草群落，羊草的重要值在25%以上，占據(jù)優(yōu)勢地位，各處理中主要植物組成及重要值存在明顯差異。除F處理羊草重要值略有降低外，其余處理均導(dǎo)致羊草的重要值增加，T

處理下羊草重要值最高，達到了50.85%，且與CK有顯著性差異(P<0.05)，H、A處理區(qū)羊草的重要值較CK分別增加了12.19%和6.33%；F處理下糙隱子草的重要值增加，其余處理與CK相比有所降低，但差異不顯著；復(fù)合微生物肥料對豆科牧草胡枝子和沙打旺重要值沒有顯著影響，F(xiàn)、H處理下胡枝子重要值略有升高，T、A處理則降低，各處理下沙打旺的重要值都有升高，F(xiàn)處理增加最大(表2)。

圖4 不同施肥處理下群落密度變化Fig.4 Community density under different fertilizer treatments

表2 主要植物種在不同施肥處理下的重要值Table 2 Important value of plant species under different fertilizer treatments

植物種Plant species重要值Important value/%CKFTHA羊草Leymus chinensis30.39b27.96b50.85a42.58ab36.72ab糙隱子草Cleistogenes squarrosa17.50ab25.09a6.63b11.43ab10.30ab蘆葦Phragmites australis3.39a4.01a3.05a3.32a3.91a胡枝子Lespedeza davurica12.02a15.32a6.10a13.83a10.18a沙打旺Astragalus adsurgens3.90a11.17a4.87a4.21a7.49a馬唐Digitaria ciliaris14.98a14.20a8.97a11.70a18.22a狗尾草Setaria viridis2.92a4.38a6.93a7.23a7.94a披針葉黃華Thermopsis lanceolata6.58a———6.37a黃蒿A.scoparia 3.87c5.04b2.46c3.54c7.99a砂引草Tournefortia sibirica3.57b2.00b6.68a5.03ab2.16b苦馬豆Sophora alopecuroides 10.58a—4.48b2.86b4.42b

2.4 植物群落多樣性

為了避免單一指數(shù)帶來的偏差，本研究選擇4個指數(shù)來全面反映群落α多樣性。研究結(jié)果顯示，各處理中群落的多樣性指數(shù)均無顯著差異。Margalef豐富度指數(shù)反映了群落內(nèi)植物種類的多少，其中，T處理區(qū)群落物種豐富度指數(shù)為1.82，在5個處理中最高，說明T處理使得物種種類增加，F(xiàn)、H和A處理使得物種種類減少。Shannon-wiener多樣性指數(shù)表征由生物群落等級特征引起的多樣性程度，能夠反映群落物種豐富度和均勻度的總體狀況。本研究表明，施肥使得群落的Shannon-wiener指數(shù)降低，但是各處理間無顯著差異，CK處理區(qū)Shannon-wiener指數(shù)最大，為1.92。Pielou均勻度指數(shù)是指群落中物種(個體數(shù))分布均勻程度的大小，各處理排序為CK>F>A>H>T，其中，CK處理區(qū)群落均勻度指數(shù)在5種處理中最高，為0.85，但各處理間均無顯著差異。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)反映群落種類數(shù)量優(yōu)勢的分化程度，本研究中各處理的Simpson指數(shù)之間均不存在顯著性差異(表3)。

表3 不同施肥處理對植物多樣性指數(shù)的影響Table 3 Effects of different fertilizer treatments on plant diversity

3 討論與結(jié)論

3.1 復(fù)合微生物肥料對地上生物量和植物群落特征的影響

地上生物量可以反映群落在一定時間范圍內(nèi)生成有機物質(zhì)的能力[15]。各類微生物肥料的平均增產(chǎn)效果不同，范圍在12.2%～22.3%之間，其中復(fù)合微生物肥料的增產(chǎn)效果約為21.2%[9]。微生物肥料在我國已廣泛應(yīng)用于30多種作物上：糖料作物的增產(chǎn)效果最好[16]，其次為茶葉[17-18]，蔬果增產(chǎn)25.4%[19-20]，牧草類增產(chǎn)26.1%[13]，纖維、薯類、油料的增產(chǎn)效果分別為17.1%[21]、17.8%和15.0%。另外，施用微生物肥料可使垂穗披堿草、草地早熟禾、直穗鵝觀草混播禾草草地牧草增產(chǎn)16.75%[22]，使紫花苜蓿產(chǎn)量增加17.3%[13]，燕麥草產(chǎn)量增加24.3%[23]。對草地施肥后其群落高度、蓋度往往顯著高于施肥前[24-25]。本研究也得到了相同的結(jié)論，復(fù)合微生物肥料對地上生物量和群落高度、蓋度、密度都有增加的效應(yīng)。其中糖蜜發(fā)酵處理對地上生物量增加效果最為顯著，較對照區(qū)增加了27.18%，同時它也使得群落高度和蓋度顯著增加了13.64%和46.15%，但是3種復(fù)合微生物肥料混合處理下地上生物量和群落數(shù)量特征并不是最高的，原因可能是復(fù)合微生物肥料成分較為復(fù)雜，3種混合后不同的微生物菌群間產(chǎn)生了拮抗作用，因此，其影響的綜合原因還需要進一步的試驗驗證。

3.2 復(fù)合微生物肥料對物種重要值及群落多樣性的影響

重要值能較充分地顯示不同植物種群在群落中的地位和作用[26]。施肥通過恢復(fù)和提高土壤肥力，增加土壤可利用資源，改變植物不同片層中的相互競爭強度，從而改變植物群落的結(jié)構(gòu)，進而影響到草地生態(tài)系統(tǒng)，直接體現(xiàn)就是主要優(yōu)勢物種的重要值改變[27]。由本研究結(jié)果可以看出，羊草占絕對優(yōu)勢，各處理中羊草的重要值在27.96%～50.85%之間，糖蜜發(fā)酵復(fù)合微生物肥料處理的羊草重要值顯著增加(P<0.05)，比對照區(qū)增加了20%以上。說明復(fù)合微生物肥料對羊草在群落中的優(yōu)勢地位有一定的提升作用。單玉梅等[37]研究表明，施加復(fù)合微生物肥料可以改善土壤的物理和養(yǎng)分狀況，使土壤有機質(zhì)含量顯著增加，土壤的全氮、全磷和全鉀含量都呈現(xiàn)增加的趨勢。因此，羊草作為該區(qū)域的優(yōu)勢物種，可以更好的利用養(yǎng)分條件，促進生長發(fā)育，提升優(yōu)勢地位。

復(fù)合微生物肥料可以增加土壤有機質(zhì)[36]，改變植物地上、地下的競爭強度，進而引起植物群落多樣性格局的變化[28]。已有許多施化肥對群落多樣性的研究表明，施肥會導(dǎo)致物種多樣性指數(shù)增加[24,29-31]或減少[28,32-36]。鄭華平等[38]研究表明氮、磷肥和有機肥配施可顯著增加沙化草地Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)，而氮磷肥混施會顯著提高Pielou均勻度指數(shù)。陳亞明等[39]研究則認(rèn)為，施肥使高寒草甸物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均顯著降低。高本強等[40]也認(rèn)為施肥處理對均勻度指數(shù)、辛普森指數(shù)和物種豐富度3個物種多樣性指標(biāo)影響變化一致，具有顯著降低作用。本研究得出，施加復(fù)合微生物肥料使得群落的Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)均出現(xiàn)降低的趨勢，但無顯著差異，此結(jié)果的原因可能是該實驗區(qū)位于半干旱地帶，年降雨量較少，雖然在施加復(fù)合微生物肥料后進行了5 mm補充灌溉，但是連續(xù)高溫少雨，沒有有效的降雨過程，另外，沙質(zhì)土壤保水保肥能力差，土壤養(yǎng)分易流失，夏季陽光直射，這些因素都不利于微生物繁殖，導(dǎo)致微生物肥料還未來得及發(fā)揮很大的促進作用即失效。

綜上所述，本研究所選的幾種復(fù)合微生物肥料以糖蜜發(fā)酵效果最佳。復(fù)合微生物肥料中菌群的生存和繁殖受到多種因素的影響，如溫度、水分、酸堿度等，干旱半干旱天然草原區(qū)氣候干旱少雨，溫度變化劇烈，土壤貧瘠，諸多的不利因素并不適宜菌群的生存繁殖，不能發(fā)揮良好的作用，因此利用微生物肥料改良天然草場還需進一步深入研究。