溫 超，單玉梅，賈偉星，高麗娟，楊曉松，斯日古楞，張 軍，劉永志

(1.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； 2.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；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)

復(fù)合微生物肥料，是由特定微生物或其他經(jīng)過鑒定的兩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。它既能為作物生長提供必需的營養(yǎng)成分，又可改土、抗病、促生和改善生態(tài)環(huán)境，對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品，減少環(huán)境污染有良好的作用[1]。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。據(jù)統(tǒng)計，各種微生物肥料的增產(chǎn)幅度在10%左右，而復(fù)合微生物肥料增產(chǎn)可在20%以上，效果明顯[2]。微生物肥料對燕麥(Avenasativa)[3]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[4]、高羊茅(Festucaarundinacea)[5]等牧草增產(chǎn)的效果明顯。合理施肥可以提高牧草產(chǎn)量和品質(zhì)[6-7]，它已成為維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡、恢復(fù)退化草地、保護草地資源的重要措施[8]，但是關(guān)于微生物肥料在改良天然草地方面的報道較少。復(fù)合微生物肥料的施入，可以增加草原土壤微生物量碳氮含量和土壤酶活性[9-10]，改善草原土壤生物化學(xué)肥力狀況，進而改變羊草(Leymuschinensis)的生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征，引起其植被特征和品質(zhì)變化。生態(tài)化學(xué)計量學(xué)(ecological stoichiometry)是研究生物系統(tǒng)能量和化學(xué)元素平衡的科學(xué)[11]，特別是C、N、P的含量及其比率關(guān)系，有助于了解植物的生長發(fā)育過程、群落的結(jié)構(gòu)和功能等[7,12]。Aerts和Chapin[13]研究認為葉片對N、P養(yǎng)分缺乏的適應(yīng)可體現(xiàn)在葉片N∶P化學(xué)計量比的變化上。因此，N∶P化學(xué)計量比可作為當前限制性養(yǎng)分判斷的指標之一。目前，草地化學(xué)計量研究主要集中在內(nèi)蒙古高原和青藏高原，探究植物體化學(xué)元素的時空格局，以及化學(xué)計量特征對氣候因子和干擾的響應(yīng)等生態(tài)問題[14-15]，而微生物肥料對植物生態(tài)化學(xué)計量學(xué)的影響研究甚少。

科爾沁沙化草原區(qū)是半干旱天然草地的重要分布區(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，其生態(tài)十分脆弱，水資源短缺，且沙漠化嚴重，不合理的利用方式極易導(dǎo)致草原退化。羊草是禾本科多年生根莖型牧草，葉量多、營養(yǎng)豐富、適口性好，具有較高的飼用價值和經(jīng)濟價值。目前關(guān)于羊草施肥的研究大多集中在天然草地施用化肥[16-18]，而微生物肥料在改良天然草原植被方面的應(yīng)用較少。為此，通過對科爾沁沙地羊草草原施加不同的復(fù)合微生物肥料，進而系統(tǒng)地分析羊草在植被特征、品質(zhì)以及C、N、P生態(tài)化學(xué)計量特征方面的變化，從理論上分析理解其退化機理，以期為微生物肥料在天然草地的改良、恢復(fù)和管理利用中提供一定的參考。

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，地理坐標為44°24′56″ N，121°52′34″ E，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，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)。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 ℃·d；年平均降水量354.3 mm；一年降水量的70%以上集中在6至8月份。地勢平坦，土壤類型屬于砂壤土，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。試驗區(qū)植被主要為羊草+雜類草群落，羊草為建群種，伴有糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、胡枝子(Lespedezadavurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等[18-19]。

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割草地，每年8月中旬至9月初刈割一次。2014年5月初，選擇地勢平坦、群落特征較為一致的地段作為樣地。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(無添加)、腐植酸復(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)合微生物肥料以及混合微生物肥料(以下簡稱混合微肥，即腐植酸+糖蜜發(fā)酵+海藻酸3種混合處理)5個處理。5月22日進行肥料添加處理，其中腐植酸和海藻酸為固體肥料，直接撒播，糖蜜發(fā)酵為液體肥料，溶于水后均勻噴施到小區(qū)內(nèi)。施入微生物肥料的種類及施肥標準如表1所列。

1.3 試驗方法

在2014年草地生產(chǎn)力高峰期(8月中旬)取樣，每個重復(fù)小區(qū)內(nèi)按蛇行法隨機設(shè)置3個0.5 m×0.5 m的樣方。用卷尺測量每個樣方內(nèi)羊草的高度，用計數(shù)法記錄植株密度。用剪刀將樣方內(nèi)羊草齊地面剪取，存放于信封袋中，帶回實驗室105 ℃下殺青30 min，在65 ℃烘箱中烘干至恒重，稱其干重。將上述烘干羊草樣品粉粹后測定其粗蛋白質(zhì)(CP)、酸性洗滌纖維(ADF)和中性洗滌纖維(NDF)含量。粗蛋白含量采用全自動凱氏定氮儀進行測定，酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維采用Ankom A220i型纖維分析系統(tǒng)進行測定[20]。全C、全N和全P含量分別采用重鉻酸鉀氧化外加熱法、凱氏定氮法和鉬銻抗比色法測定。3次重復(fù)，測定結(jié)果以單位質(zhì)量的元素含量(mg·g-1)表示。

表1 試驗設(shè)計Table 1 Experiment design

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel 2010進行整理和初步計算，采用SAS 9.0軟件進行統(tǒng)計分析。采用單因素分析法(One-way ANOVA)比較不同處理間的差異顯著性，采用Pearson相關(guān)分析法對羊草品質(zhì)和生態(tài)化學(xué)計量學(xué)特征進行相關(guān)性分析，顯著性水平設(shè)為P<0.05，極顯著水平設(shè)為P<0.01。利用Excel 2010軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 羊草植被特征對復(fù)合微生物肥料的響應(yīng)

不同種類的復(fù)合微生物肥料對群落中羊草地上生物量、高度和密度都有不同程度的促進作用(表2)。與對照比較，糖蜜發(fā)酵、海藻酸和混合微肥處理顯著提高了羊草地上生物量(P<0.05)，增幅分別為258.91%、177.97%和111.73%，而腐植酸處理下增幅最小，為48.57%，與對照無顯著差異(P>0.05)；糖蜜發(fā)酵處理下地上生物量最大，可達90.59 g·m-2。復(fù)合微生物肥料對群落中羊草高度具有增加的作用。與對照相較，糖蜜發(fā)酵顯著增加了羊草高度(P<0.05)，增幅為18.16%，而其余肥料處理增加不顯著(P>0.05)。施肥使羊草密度顯著增加(P<0.05)，糖蜜發(fā)酵處理下羊草密度最大，可達191.33株·m-2，較對照增加了258.77%，腐植酸、海藻酸和混合微肥處理也使密度顯著增加，增幅分別為61.26%、152.52%和180.01%。綜合比較，在幾種復(fù)合微生物肥料組合中，糖蜜發(fā)酵微生物肥料對于羊草地上生物量、高度和密度都有顯著增加的效果。

2.2 復(fù)合微生物肥料對羊草品質(zhì)的影響

對不同復(fù)合微生物肥料處理下羊草的CP、NDF和ADF含量進行測定(表3)，結(jié)果表明，與對照相較，糖蜜發(fā)酵處理顯著提高了CP含量(P<0.05)，增幅為22.01%，其余處理間均無顯著差異(P>0.05)。按照我國農(nóng)業(yè)部標準“NY/T 728-2003禾本科牧草干草質(zhì)量分級”[21]和內(nèi)蒙古自治區(qū)地方標準“DB 15/T 868-2015天然青干草質(zhì)量檢驗與分級”[22]進行比較分析，糖蜜發(fā)酵處理下羊草品質(zhì)提高了一個等級，屬于一級，其余都屬于二級。對于CP的分級，采用兩個標準分級相同，但是農(nóng)業(yè)部標準只有CP一項，故本研究對于CP、NDF、ADF均參照內(nèi)蒙古地方標準進行分級。與對照相較，施肥處理顯著降低了羊草NDF含量(P<0.05)，腐植酸處理下降幅最大，屬于二級，降低了20.55%，其余處理也都有10%以上的降幅，屬于三級。與對照相較，羊草ADF含量均顯著降低(P<0.05)，腐植酸處理最低，為34.68%，較對照降低了19.31%，比對照提高了兩個等級，屬于一級，糖蜜發(fā)酵、海藻酸和混合微肥都提高了一個等級，屬于二級。綜合分析，糖蜜發(fā)酵微生物肥料使得羊草CP含量顯著增加，NDF和ADF含量顯著降低，對于羊草品質(zhì)的提升較為有利。

表2 不同施肥處理下羊草地上生物量、高度、密度的變化Table 2 Changes of aboveground biomass, height, density of Leymus chinensis under different fertilization treatments

同列不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Different lowercase letters in the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level; similarly for the following tables and figures.

表3 施肥對羊草品質(zhì)的影響Table 3 Fertilization effect on the quality of Leymus chinensis %

2.3 羊草C、N、P含量及其C∶N、C∶P、N∶P生態(tài)化學(xué)計量特征

復(fù)合微生物肥料增加了羊草C含量。與對照相比，腐植酸、糖蜜發(fā)酵、海藻酸和混合微肥處理使C含量分別增加了4.64%、3.43%、5.37%和8.59%，但各處理之間差異均不顯著(P>0.05)，這說明羊草C含量穩(wěn)定性較強，施肥對其影響有限。糖蜜發(fā)酵處理可以顯著增加羊草N、P含量(P<0.05)，與對照相比，增幅分別為21.97%和13.73%。腐植酸、海藻酸和混合微肥處理下N、P含量略有降低，與對照差異不顯著(P>0.05)。其中，N含量分別下降了7.08%、5.04%和5.45%，P含量分別下降了10.78%、13.73%和13.73%(表4)。

施肥后羊草的C∶N、C∶P、N∶P 大多呈升高的趨勢，只有糖蜜發(fā)酵處理對C∶N和C∶P 有降低作用(圖1)。與對照相較，腐植酸、海藻酸和混合微肥處理下C∶N分別提高了11.88%、10.17%和14.24%，混合微肥處理差異顯著(P<0.05)，其他兩種處理差異不顯著(P>0.05)，糖蜜發(fā)酵則下降了14.82%，且顯著低于對照(P<0.05)；與對照相較，糖蜜發(fā)酵處理下C∶P降低了9.60%，且差異不顯著(P>0.05)，腐植酸、海藻酸和混合微肥處理下C∶P均顯著增大(P<0.05)，增幅在16.50%～24.82%。5個處理下N∶P的值在12.22～13.32，與對照相較，腐植酸、糖蜜發(fā)酵、海藻酸和混合微肥處理下N∶P含量分別增加了3.27%、5.56%、9.00%和8.51%，但各處理間差異不顯著(P>0.05)。

表4 不同施肥處理下羊草的碳、氮和磷含量Table 4 C, N and P contents of Leymus chinensis under different fertilization treatments mg·g-1

3 討論與結(jié)論

3.1 復(fù)合微生物肥料對羊草植被特征的影響

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[23]。各類復(fù)合微生物肥料的增產(chǎn)效果約為21.2%[2]。施用微生物肥料可使垂穗披堿草(Elymusnutans)、草地早熟禾(Poapretensis)、直穗鵝觀草(Roegneriaturczaninovii)混播禾草草地牧草增產(chǎn)16.75%[24]，使紫花苜蓿產(chǎn)量增加17.3%[4]，燕麥(Avwnasativa)產(chǎn)草量增加24.3%[25]。另外，對草地施肥可顯著增加禾本科牧草生物量[26-28]，增加群落高度[29-30]，顯著提高羊草株高、密度、葉片數(shù)和葉面積等，促進羊草營養(yǎng)生長，增加牧草產(chǎn)量[31]。已有研究表明，施加復(fù)合微生物肥料可以改善草原土壤的物理和養(yǎng)分狀況[9-10,32]，對羊草地上生物量增產(chǎn)效果較好[33]。本研究也得到了相同的結(jié)論，在科爾沁羊草割草地，復(fù)合微生物肥料對羊草地上生物量、高度、密度均有增加效應(yīng)，其中糖蜜發(fā)酵增加效果較為顯著，使得地上生物量和密度較對照區(qū)分別增加了258.91%和258.77%，株高增加了18.16%。因此，糖蜜發(fā)酵微生物肥料可作為天然羊草草原改良中的最佳推薦肥料。本研究中的3種復(fù)合微生物肥料混合處理下羊草各項植被特征都不是最高的，并沒有產(chǎn)生疊加效應(yīng)，原因可能是復(fù)合微生物肥料成分較為復(fù)雜，3種不同的微生物菌群混合后產(chǎn)生了拮抗作用，其綜合原因還需要進一步驗證。另外，本研究只分析了施肥當年的效果，對于利用微生物肥料改良草原效果的可持續(xù)性和長期響應(yīng)機制不明確，仍有待繼續(xù)深入研究。

3.2 復(fù)合微生物肥料對羊草品質(zhì)的影響

合理施肥是恢復(fù)草地生產(chǎn)力，提升高牧草品質(zhì)的重要手段。改善牧草品質(zhì)，提高其營養(yǎng)價值的重要內(nèi)容是提高粗蛋白含量和降低纖維素含量[34]。已有的研究表明，適量的施用氮肥可改善禾本科牧草的品質(zhì)，增加蛋白質(zhì)含量，降低粗纖維含量，從而提高牧草的適口性和可消化率[35-37]。酸性洗滌纖維含量與動物消化率呈負相關(guān)關(guān)系，其值越低飼料的消化率越高，飼用價值也越大[38]。因此，在干草的評定標準中，較高的CP與較低的NDF和ADF含量是評價牧草優(yōu)良與否的重要指標。本研究中，復(fù)合微生物肥料提升了羊草品質(zhì)，增加了其飼用價值。其中，糖蜜發(fā)酵微生物肥料理顯著增加了羊草粗蛋白質(zhì)含量，屬于一級，其余施肥處均屬于二級。腐植酸降低了羊草中性洗滌纖維含量，屬于二級，其余施肥處理屬于三級，從酸性洗滌纖維含量來看，屬于一級，其余都屬于二級。

圖1 羊草C、N、P生態(tài)化學(xué)計量比Fig. 1 Stoichiometric rations of C, N, P of Leymus chinensis ecological stoichiometry

F、T、H、A腐植酸、糖蜜發(fā)酵、海藻酸、混合微肥。

F，T，H，A indicate Humic acid, Molasses fermentation, Alginic acid, Mixed compound bio-fertilizer.

3.3 復(fù)合微生物肥料對羊草C、N、P含量及其計量比的影響

植物體內(nèi)的物質(zhì)由結(jié)構(gòu)性物質(zhì)、功能性物質(zhì)和貯藏性物質(zhì)3類組成，一般情況下，C是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，是植物各種生理生化過程的底物和能量來源，N和P是功能性物質(zhì)，作為各種蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)的重要組成元素[39]。對于同一物種來說，通常功能性和貯藏性物質(zhì)的含量容易受到環(huán)境影響變化，而結(jié)構(gòu)性物質(zhì)含量相對較穩(wěn)定，不易受環(huán)境影響[11]。本研究中C含量是結(jié)構(gòu)性物質(zhì)，施加不同的肥料后增加不顯著，這與上述規(guī)律相同。N和P是植物中限制植物生長和初級生產(chǎn)力的基礎(chǔ)營養(yǎng)，因此，植物組織中生態(tài)化學(xué)計量學(xué)組成可影響植物功能，最終影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7,11]。植物的N∶P是反映N和P元素的相對關(guān)系，用于探討元素限制對植物生長發(fā)育的影響[7,40]。通常情況下，C的含量相對穩(wěn)定，變異較小，C∶N和 C∶P的變化主要由N、P的變化決定[41]。有研究表明，當植物群落的N∶P小于14時，植物生產(chǎn)力受N的限制較多；當N∶P大于16時，則受P的限制較大；介于兩者之間時，則受N、P的共同限制[42-43]。從本研究結(jié)果來看，羊草的N∶P都小于14，說明N可能是當?shù)叵拗蒲虿萆L的一個主要因素，P處于相對平衡的狀態(tài)，這與李玉霖等[44]對科爾沁沙地的大部分植物葉片N∶P<14的研究結(jié)果一致。施肥后羊草的N∶P都有不同程度的上升，說明微生物肥料在一定程度上緩解了N的限制，可供植物吸收利用的N增加，羊草品質(zhì)提高。因此可以通過調(diào)節(jié)施肥過程中肥料的種類和配比，進而調(diào)控羊草體內(nèi)的生態(tài)化學(xué)計量比，提高其產(chǎn)量和改善品質(zhì)。

綜上所述，復(fù)合微生物肥料可以增加天然草地群落中羊草的地上生物量、高度和密度，其中以糖蜜發(fā)酵微生物肥料效果較為顯著，同時它也提升了羊草的品質(zhì)，使得粗蛋白含量顯著增加，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著降低。研究區(qū)羊草的N∶P都小于14，說明羊草生長主要受到N素限制。因此，在科爾沁地區(qū)天然草地恢復(fù)和改良中，可以在施用糖蜜發(fā)酵復(fù)合微生物肥料的同時適量添加N肥，使羊草呈現(xiàn)適中的化學(xué)計量比。