混播比例對三江源人工草地植被和土壤養分特征的影響

李文 ，魏廷虎 ，永措巴占 ，才仁塔次 ，周玉海 ，張雁平 ，李文浩 ，郭衛興

（1. 青海省畜牧獸醫科學院，青海大學畜牧獸醫科學院，青海西寧810016；2. 青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室，青海西寧810016；3. 青海省玉樹市畜牧獸醫工作站，青海玉樹815000）

三江源區（又稱江河源區）位于青藏高原腹地，是長江、黃河和瀾滄江的發源地，素有“江河之源”“中華水塔”的美譽，是國家級生態功能保護重點區域。作為三江源區的原生植被，高寒草甸具有重要的水源涵養、碳固存、氣候調節、生物多樣性保護等生態系統服務功能，也是當地牧民傳統放牧和文化傳承基地［1］。三江源區氣候嚴酷、環境惡劣、生態系統極其脆弱，對全球氣候變化十分敏感［2］。在全球氣候變化、過度放牧和鼠害等因素的作用下，三江源區高寒草甸退化嚴重，甚至出現了大面積次生裸地—黑土灘，導致水土流失加劇、碳匯減少、多樣性嚴重喪失、畜牧業生產力降低，危及長江、黃河、瀾滄江中下游地區的生態環境以及社會經濟的可持續發展，甚至威脅東南亞地區的生態安全［3］。盡管我國一直高度重視三江源區生態恢復與治理，并成立了三江源國家公園，但仍沒有遏制黑土灘的擴張態勢［4］。三江源區黑土灘仍以每年0.5%的速度繼續擴張［5］。黑土灘的恢復與治理仍是擺在科技、管理、政府面前的巨大挑戰［4-6］。因此，加強三江源區黑土灘退化草地研究，提出恢復重建的有效措施，對退化草地資源的恢復與管理、維護我國及周邊國家生態安全具有重要意義［7］。

黑土灘是全球草地生態系統退化行為在三江源區的特殊表現形式，已完全失去自我恢復能力，需人工輔助來恢復［5］。建植人工草地是恢復黑土灘最有效的方法，已廣泛應用，并產生了“黑土灘人工草地”，作為一種人工植被出現在三江源區［4］。目前，關于三江源區黑土灘人工草地的研究，主要集中在黑土灘的分類分級［8］、形成過程與機制［9-10］、發生發展［11-12］、恢復模型［13］、植被演替過程［7，14］、土壤養分循環［14］、鼠害及毒雜草［15］、草種及混播組合篩選［16-17］等方面。前人研究表明，禾本科上繁草和下繁草的合理搭配可有效地優化群落結構，能有效遏制單一草種人工草地快速退化問題，是黑土灘退化草地人工恢復的關鍵技術［17］。此外，由多個種群構成的群落不但比單一種群群落能更加有效地利用環境資源，而且還能長期維持較高的生產力和穩定性。建植黑土灘人工草地應用最廣泛、使用時間最長的植物是垂穗披堿草（Elymus nutans），而最具代表性的新種質資源是青海草地早熟禾（Poa pratensiscv. Qinghai），中華羊茅（Festuca sinensis）抗寒性最好，也適宜于黑土灘人工恢復［4］。馬玉壽等［18］研究表明，三江源區生態和放牧兼用型多功能黑土灘人工草地的最優組合為垂穗披堿草+中華羊茅+早熟禾。然而，對于上述多年生人工草地混播組合，缺少各組分混播比例方面的研究，制約該區退化草地的快速、穩定恢復。

因此，本研究以不同混播比例垂穗披堿草+中華羊茅+青海草地早熟禾人工草地為對象，分析植被群落組成和結構以及土壤特征的變化，從而篩選適宜于三江源區建植黑土灘人工草地的最佳混播比例，以期為三江源區退化草地的生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青藏高原腹地的青海省玉樹藏族自治州玉樹市結古鎮藏霸喇種畜場牛溝（33°03′28″N，96°42′04″E），海拔4432 m，年均氣溫-3.8 ℃，年降水量513 mm。草地類型為高寒草甸，土壤類型為高山黑鈣土。原生植被優勢種為高山嵩草（Kobresia pygmaea）、矮生嵩草（K. humilis）和垂穗披堿草。近年來，受全球氣候變化、超載過牧、鼠害等因素的影響，研究區草地植被的優勢種退化為鐵棒錘（Aconitum pendulum）、黃帚橐吾（Ligularia virgaurea）和臭蒿（Artemisia hedinii）等毒雜草，可食牧草比例低于5%；此外，退化草地禿斑面積約占草地總面積的50%以上，根據馬玉壽等［16］對三江源區退化草地等級的劃分標準，研究區屬于典型黑土灘退化草地。

1.2 試驗設置

2018 年5 月初，在試驗區地勢較為平坦（坡度＜5°）的黑土灘退化草地上設置7 個不同比例的垂穗披堿草+中華羊茅+青海草地早熟禾混播處理（表1），并以各組分單播為對照。各處理3 個重復。采用隨機區組試驗設計，小區面積10 m×10 m，間距50 cm。垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾種子均由青海省畜牧獸醫科學院提供，垂穗披堿草的純凈度和發芽率分別為96%和93%；中華羊茅分別為93%和91%；青海草地早熟禾分別為95%和92%。于2018 年5 月13 日，參照馬玉壽等［16，18］的方法，采用機械翻耕-耙磨-撒播-鎮壓等工序進行播種，垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾的單播播種量分別為30、20 和10 kg·hm-2，混播播種量為各組分所占百分比乘小區面積乘單播播種量的和。以（NH4）2HPO4為底肥，施肥量為150 kg·hm-2。試驗地播種后用鐵絲網進行全年圍封，試驗期間不施肥、不灌溉。

表1 垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾混播比例Table 1 The mixed ratio of E. nutans×F. sinensis×P. pratensis cv.Qinghai（kg·hm-2）

1.3 野外觀測及取樣

于2020 年9 月初，當植物生物量達最大時進行野外觀測及取樣工作。在各小區隨機設置5 個0.5 m×0.5 m的樣方用于植被群落結構與組成的調查。各處理15 個樣方，共計150 個樣方。首先記錄樣方內的物種名稱及數量，然后測定各物種的高度、蓋度和生物量。用鋼卷尺測各物種的自然高度，采用針刺法測定蓋度，然后齊地面刈割測定各物種的生物量。在上述刈割后的樣方內用內徑3.5 cm 的土鉆采集0～10 cm 層土樣，各樣方內取2 鉆，混合為1 個土樣，各小區5 個土樣，各處理15 個土樣。將上述土樣平均分為兩份，一份裝入尼龍網袋，用清水沖洗，測定根系生物量；另一份帶回實驗室，在陰涼處自然陰干后，碾碎并過篩，用于土壤有機質（soil organic matter，SOM）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、全鉀（total potassium，TK）、速效氮（available nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）和速效鉀（available potassium，AK）含量的測定。上述化學指標的具體測定方法均參照鮑士旦［19］的《土壤農化分析》。將植物地上、地下樣品帶回實驗室后先在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒重，稱取重量。

1.4 統計分析

1.4.1 多樣性計算 物種的重要值、群落的Shannon-Wiener 多樣性指數、Pielou 指數和豐富度指數的計算均參照馬克平等［20］的多樣性計算方法。

1.4.2 超產、超產效應和多樣性效應計算 超產（overyielding，OY）為混播群落生物量與各組分植物單播生物量平均值的差值。OY=Bmc-Bs，式中：Bmc為混播群落生物量；Bs為混播群落各組分植物單播生物量平均值；若OY＞0，表明存在超產。

超產效應1（transgressive overyielding effect 1，OY1）為混播群落生物量超過該群落中生物量最高物種的單播生物量，解釋混播物種成分的差異與超產效應之間的關系。OY1=（Bmc-maxBimno）/maxBimno，式中：maxBimno為混播群落組分物種中最高產物種的單播生物量，OY1＞0，表明存在超產效應。

超產效應2（transgressive overyielding effect 2，OY2）為混播群落生物量超過該群落內各組分物種的平均單播產量，解釋混播群落生物量與混播組分單播生物量間的關系。OY2=（Bmc-Bmno）/Bmno，式中：Bmno為混播群落中各組分種的平均單播生物量，OY2＞0，表明存在超產效應。

參照Loreau 等［21］的方法，將混播群落生物量的增加量（多樣性凈效應，ΔY）分解為選擇效應（selection effect，SE）和互補效應（complementary effect，CE）。

1.4.3 數據分析 采用 Microsoft Excel 2019 整理數據，用 SPSS 19.0（SPSS for Windows，Version 19.0，Chicago，USA）單因素方差分析（One-way ANOVA）中的多重比較（LSD）對各處理植被特征和土壤化學性質在95%的置信區間上進行顯著性分析，數據以均值±標準誤的形式表示。采用R 4.0.2（R Development Core Team）plyr 數據包多準則決策模型-TOPSIS（technique for order preference by similarity to an ideal solution），綜合評價各處理植被和土壤養分特征，從而篩選出最優混播比例。采用Origin 8.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 不同混播比例對人工草地物種組成的影響

共統計到5 科，9 屬，10 種植物（表2）。S1～S3單播處理中，垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾的重要值最大；S1～S3單播處理中雜類草均有3 種，主要有鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）、多裂委陵菜（P. multifida）和細葉亞菊（Ajania tenuifolia）。而M4～M10混播處理中，垂穗披堿草的重要值最大（除M10），雜類草均為2 種，主要有獨一味（Lamiophlomis rotata）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）和小大黃（Rheum pumilum）。總物種數在混播處理中最多，在單播處理中最少。

表2 不同混播比例人工草地物種重要值Table 2 Changes in species important values of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.2 不同混播比例對人工草地植物生物量的影響

M4～M10處理地上生物量較S2和S3單播處理顯著提高，較S1處理顯著降低（圖1）。禾本科生物量在S1單播處理中顯著高于其他處理，各混播處理均顯著高于S2和S3處理。混播處理中，M8處理禾本科生物量顯著高于其他處理，M8較 M4、M5、M6、M7、M9和 M10分別提高了 13.6%、9.6%、22.0%、22.4%、7.8% 和 13.4%。混播相較于單播雜類草生物量顯著降低。混播處理中，M9處理雜類草生物量最高，較 M4、M5、M6、M7、M8和 M10分別提高了138.1%、35.9%、38.8%、22.1%、60.5%和23.9%。各混播處理地下生物量無顯著差異，均顯著低于S1單播處理，而顯著高于S3單播處理。

圖1 不同混播比例人工草地地上生物量和地下生物量Fig.1 Changes in aboveground biomass and belowground biomass of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.3 不同混播比例對人工草地超產及多樣性效應的影響

與單播處理相比，M5、M8、M9和 M10混播處理存在超產，且 M5、M8和 M9顯著高于其他混播處理，達 40.43～71.12 g·m-（2表3）。M5、M8和M9混播處理的OY1顯著高于其他處理，但均小于0，因此均不存在超產效應1。M5、M8、M9和 M10混播處理的 OY2大于 0，因此 M5、M8、M9和 M10存在超產效應 2。M4～M6混播處理的多樣性凈效應均小于0，說明群落中物種競爭導致群落減產。而M7～M10混播處理的多樣性凈效應均大于0，說明物種生態位的互補使得群落高產。選擇效應在M9處理最高，在M4和M5處理較低（圖2）。M8和M9的選擇效應顯著高于其他混播處理，而在M6、M7和M10處理間無顯著差異。除M6外，其余混播處理的互補效應均大于0，且在M10中最大。綜合多樣性凈效應、選擇效應和互補效應分析可知，選擇效應和互補效應共同主導了M8和M9混播處理的超產效應，而M5和M10處理主要由互補作用主導超產效應。將OY1與多樣性凈效應、選擇效應和互補效應進行擬合，均呈極顯著（P＜0.01）正相關關系（圖3）。

圖2 不同混播比例人工草地多樣性凈效應、選擇效應和互補效應Fig. 2 Changes in net effect of biodiversity，selection effect and complementarity effect of artificial grassland under different mixed-planting ratios

圖3 超產效應1 與多樣性凈效應、選擇效應和互補效應的關系Fig. 3 The relationship between transgressive overyielding effect 1 and net effect of biodiversity，selection effect and complementary effect

表3 不同混播比例人工草地超產和超產效應Table 3 Changes in over yielding and transgressive overyielding effect of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.4 不同混播比例對人工草地植物群落多樣性的影響

不同混播比例對人工草地物種多樣性具有顯著影響（表4）。各混播處理Shannon-Wiener 多樣性指數顯著（P＜0.05）高于單播處理，混播M4～M7處理顯著高于 M8～M10處理。M4～M10處理 Pielou 均勻度指數顯著高于S1～S3單播處理，但各混播處理間無顯著差異（P＞0.05）。M4～M7混播處理豐富度指數較高。

表4 不同混播比例人工草地物種多樣性Table 4 Changes in species diversity of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.5 不同混播比例對人工草地土壤養分的影響

M4～M10混播處理較單播處理顯著提高了表層土壤有機質含量（圖 4）。混播處理中，M6、M7和 M10有機質含量較高，顯著高于其他混播處理；M6較M4、M5、M8和M9分別提高了8.1%、24.4%、12.1% 和14.2%；M7較 M4、M5、M8和 M9分 別 提 高 了 10.3%、26.9%、14.3% 和 16.5%；M10較 M4、M5、M8和 M9分別提高了7.9%、24.1%、11.9%和14.0%。混播處理中，M6和M10全氮含量較高，顯著高于其他混播處理；M6較M4、M5、M7、M8和 M9分別提高了 13.8%、29.4%、14.3%、17.9% 和 19.5%；M10較 M4、M5、M7、M8和 M9分別提高了 12.9%、28.4%、13.4%、17.0%、18.6%。M6、M7和M10混播處理土壤全磷含量顯著高于其他處理。土壤全鉀含量在各單播和混播處理間無顯著差異。土壤速效氮含量在S3單播處理中最高，顯著高于其他處理，混播處理中，M4、M6、M7和M10顯著高于其他混播處理。M10速效磷和速效鉀含量顯著高于其他處理，M10速效磷含量較M4～M9分別提高了6.2%、16.2%、1.4%、4.7%、10.4%和9.4%。M10速效鉀含量較M4～M9分別提高了6.2%、16.2%、1.4%、4.7%、10.4%和9.6%。

圖4 不同混播比例人工草地0~10 cm 層土壤養分Fig.4 Changes in soil nutrient in 0-10 cm layer of artificial grassland under different mixed-planting ratios

2.6 多準則決策模型-TOPSIS 評價

TOPSIS 綜合評價模型分析表明，不同處理貼合度大小順序為：M10＞M7＞M6＞M8＞M9＞M4＞M5＞S1＞S3＞S2。混播處理的貼合度均超過0.62，其中M10混播處理貼合度最高，為0.83；S2單播處理貼合度最低，僅為0.22（圖5）。因此，垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾按1∶2∶2 混播是三江源區黑土灘人工草地的理想選擇。

圖5 不同混播比例人工草地綜合評價Fig. 5 Comprehensive evaluation of artificial grassland with different mixed-planting ratios

3 討論

本研究中，不同混播處理生物量顯著高于中華羊茅和青海草地早熟禾單播，但顯著低于垂穗披堿草單播，這主要是因為垂穗披堿草是上繁草，植株高大，而中華羊茅和青海草地早熟禾個體較小，長勢較弱，在混播處理中，垂穗披堿草競爭能力較強，迅速生長并占領較高的生態位，在整個混播群落中處于優勢地位，因而地上生物量較大。此外，本研究發現混播處理雜類草生物量顯著降低，這主要是因為單播群落內植物個體高度差異較小，生態位存在空缺，更易遭受雜類草的入侵；而混播群落由于生態位發生分化，能夠有效抑制雜類草的入侵［22-23］。混播系統通過增加物種多樣性使植物在形態和資源利用方面存在相互補充而非競爭的關系［24］，從而實現對有限資源在不同時空條件下的最大化利用［25-26］。前人研究表明，在混播系統中存在超產效應［27-29］。本研究發現，M4、M6和 M7混播處理不存在超產效應，僅 M5、M8、M9和 M10混播處理存在超產效應，超產可達40.43～71.12 g·m-2。這主要是因為在M5、M8、M9和M10混播處理中，垂穗披堿草所占的比例較大，草群結構在空間分布上存在較大空缺，這種比例搭配可最大化實現對空間、光照和土壤養分資源的互補利用，使群落生產力達最高。揭示物種多樣性與生產力之間的作用機理是多樣性-生產力關系研究中的核心問題。在混播群落中，當選擇效應占主導地位時，群落中競爭能力較強的物種對系統的影響較大，而當互補效應占主導地位時，群落中不同物種相互促進對資源的利用，從而對系統產生較大的影響。本研究發現，M7、M8、M9和M10混播處理的多樣性凈效應大于0，表明混播處理的群落高產受物種生態位互補作用影響。而M4、M5和M6混播處理的多樣性凈效應小于0，表明群落中多物種競爭導致群落減產。此外，超產效應與多樣性凈效應、選擇效應和互補效應均呈極顯著正相關關系（圖3），表明選擇效應和互補效應共同主導了混播草地的超產效應。黎松松等［28］在新疆伊犁昭蘇馬場研究發現，豆禾混播草地在建植初期互補效應和選擇效應共同主導了混播草地的超產效應。

土壤養分是衡量退化生態系統功能恢復的重要指標［30］。在混播系統中，混播植物根系的分布在空間和時間上都可能存在生態位的分離，同時，各混播物種在養分的吸收利用上也可能存在差異，從而導致生態位的分離，這些生態位的分離均能有效降低混播植物群落對土壤養分的競爭［31］。目前，大多數研究主要關注豆禾牧草混播后土壤養分的變化，并普遍認為豆禾牧草混播有利于改善土壤養分的供應［32-33］。本研究中，混播處理較單播處理普遍提高了表層土壤的有機質、全氮、全磷含量，在M6、M7和M10混播處理中較高。此外，M6、M7和M10混播處理植物根系生物量較其他混播處理高，較高的根系生物量通過返還有機物的形式來提高土壤養分含量。TOPSIS 模型綜合評價表明，垂穗披堿草、中華羊茅和青海草地早熟禾按1∶2∶2 混播不但可保持較高的生產力，還可顯著提高表層土壤的養分含量，是三江源區黑土灘人工草地建植的最佳混播比例。然而，多年生混播人工草地群落和土壤特征受氣候因素、管理措施和自身演替等影響較大，應綜合多年數據進行評價。而本研究采用一年的觀測數據，展示了人工草地建植初期植物群落和土壤養分特征，在后續研究中，應加強多年持續觀測，以綜合評判人工草地演替過程中的植被和土壤特征。

4 結論

混播處理中，M5、M8、M9和 M10處理地上生物量較高，而地下生物量無顯著差異；混播處理中，僅 M5、M8、M9和M10處理超產，達40.43～71.12 g·m-2，其中，M5和M10混播處理由于物種間的互補作用主導超產效應，而M8和M9混播處理由互補效應和選擇效應共同主導超產效應；M4～M7混播處理Shannon-Wiener 多樣性指數顯著高于其他處理，而Pielou 均勻度指數和豐富度指數在各混播處理間無顯著差異；表層土壤有機質、全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量在M6、M7和M10混播處理中較高；TOPSIS 模型綜合評價表明，M10混播處理不但可保持較高的生產力，還可顯著提高表層土壤的養分含量，是三江源區黑土灘人工草地建植的最佳混播比例。