段成偉，李希來，馬盼盼，徐文印，柴 瑜，蘇樂樂，楊鑫光

(1.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016；2.青海民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境與資源學(xué)院，西寧 810007)

草地作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)維持陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與平衡，人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。作為青藏高原獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)對(duì)草地畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展和牧民生活水平的提高具有重要作用[2-3]，其牧草生物量不僅決定草地載畜量和草地發(fā)展?jié)摿?，也反映草地的退化程度。高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)具有防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源等多種生態(tài)服務(wù)功能，是中國的重要生態(tài)安全屏障[4]。近年來，由于氣候變化和人為破壞等一系列因素，高寒草甸植被生產(chǎn)力下降、草地地上生物量減少、物種多樣性降低[5-6]、土壤養(yǎng)分流失[7-8]、草地植物生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重干擾和破壞，高寒草甸已呈現(xiàn)出不同程度的退化趨勢(shì)[9-10]。因此，退化高寒草地急需快速有效治理。

草地退化的根本原因是土壤退化，土壤環(huán)境是動(dòng)植物和微生物共同生活的載體，其理化性質(zhì)在空間和時(shí)間異質(zhì)性上共同決定著草地植被分布格局[11]。作為草地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量流動(dòng)的重要樞紐，草地土壤通過物理、化學(xué)、生物等過程耦合形成土壤養(yǎng)分，為植物的生長提供營養(yǎng)元素，并有效地調(diào)節(jié)植物的功能屬性[12]，土壤是植物生長的基質(zhì)，土壤養(yǎng)分直接與土壤肥力相關(guān)[13]。土壤有機(jī)物經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化成C、N、P等供植物可利用形態(tài)，而土壤C、N、P可反映出關(guān)鍵養(yǎng)分的限制。土壤 pH雖然不能直接表明土壤中的養(yǎng)分含量，但其大小可對(duì)土壤中微生物區(qū)系進(jìn)行控制，從而影響土壤中營養(yǎng)元素的形態(tài)、轉(zhuǎn)化方向和轉(zhuǎn)化過程。土壤酶作為土壤物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要組成部分，其活性可反映土壤中多種生物化學(xué)過程的相對(duì)強(qiáng)度，相比土壤特性其活性大小既反映土壤營養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)量，也體現(xiàn)土壤中生物化學(xué)反應(yīng)的方向和強(qiáng)度[14]。

國內(nèi)生態(tài)學(xué)者實(shí)施重度退化翻耕建植人工草地，中度退化免耕補(bǔ)播施肥，輕度退化圍欄封育、休牧、嚙齒動(dòng)物防控等措施致力于三江源區(qū)不同退化程度草地的恢復(fù)[15-19]。通過對(duì)退化草地施肥補(bǔ)給養(yǎng)分，大量研究驗(yàn)證對(duì)植被恢復(fù)和毒草防控的影響[20-22]。退化草地有機(jī)肥添加是改善并維持草地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)物質(zhì)平衡的治理措施，有機(jī)肥輸入不僅會(huì)促進(jìn)植物生長、提高草地生產(chǎn)力[23]，有助于退化草地的恢復(fù)。免耕補(bǔ)播是成本低廉、投資少、技術(shù)易控、見效快的草地恢復(fù)措施，能快速增加草地豐富度、草地覆蓋度以及草層的產(chǎn)量及品質(zhì)[24]。目前草地恢復(fù)相關(guān)研究主要集中在各種人工修復(fù)措施對(duì)植被動(dòng)態(tài)以及產(chǎn)量的影響，而對(duì)土壤養(yǎng)分和土壤酶方面的研究較少[25]，并且以往的研究治理大多局限于小范圍設(shè)置樣方，對(duì)大面積樣地退化草地的恢復(fù)治理研究較少，其研究沒有代表性和整體性，達(dá)不到快速恢復(fù)的效果。本研究以青藏高原退化高寒草甸為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，選擇發(fā)生重度退化的高寒草甸，在滅鼠的基礎(chǔ)上采用免耕補(bǔ)播、施肥和圍欄封育等技術(shù)措施開展退化草地土壤修復(fù)治理工作，探討不同人工修復(fù)措施的適宜性。通過研究人工修復(fù)措施對(duì)土壤養(yǎng)分及養(yǎng)分相關(guān)酶活性特征的影響及其相互關(guān)系，為退化草地土壤改良和草地恢復(fù)等快速修復(fù)技術(shù)制定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為河南縣生態(tài)大牧場(chǎng)草地的合理利用與科學(xué)管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于青海省東南部河南蒙古族自治縣多松鄉(xiāng)黃河二級(jí)流域永曲河流域附近(N:34°18′43.30″～34°19′59.54″，E:101°22′24.98″～101°28′19.26″)，海拔3 418～3 567 m，樣地坡向南偏東15～18 °，坡度3～5 °為緩坡，地勢(shì)呈東高西低。草地類型為高寒草甸，土壤類型為山地草甸土。整個(gè)區(qū)域?qū)俑咴箨懶詺夂?，全年四季變化不明顯，常年多為大風(fēng)天氣。年均溫為0.5 ℃，最冷月均溫為-10.0 ℃，最熱月均溫為9.4 ℃。年降水量597.0～615.5 mm，年均蒸發(fā)量1 350 mm。年日照時(shí)數(shù)2 551～2 577 h，日照率60%。研究區(qū)高寒草甸已發(fā)生重度退化，高原鼠兔活動(dòng)頻繁，植被蓋度降低，裸露禿斑面積增加，屬于黑土灘退化草地。研究區(qū)域內(nèi)物種組成以禾草和雜草為主，優(yōu)勢(shì)種主要為鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)和矮嵩草(Kobresiahumilis)等。

1.2 樣地設(shè)置

結(jié)合實(shí)地調(diào)查結(jié)果，在研究區(qū)選擇10 hm2發(fā)生重度退化的高寒草甸，且退化程度相對(duì)一致、質(zhì)地均一、地勢(shì)較為平坦的陽坡緩坡坡底。在滅鼠的基礎(chǔ)上采用免耕補(bǔ)播(牧草免耕播種機(jī)GB/T 25421)、施肥(人工撒施)和圍欄封育的技術(shù)措施開展退化草地修復(fù)治理工作(表1和圖1)。為防止放牧家畜以及其他大型草食動(dòng)物的干擾，試驗(yàn)區(qū)自2020年起進(jìn)行圍欄封育，圍欄采用刺絲封育。2020年6月初在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇4個(gè) 33 331.8 m2(182.57×182.57 m)樣地，分別對(duì)草地進(jìn)行施肥(F)、免耕補(bǔ)播(S)及施肥+免耕補(bǔ)播(F+S)等修復(fù)措施。同時(shí)選取面積相同且不經(jīng)過任何處理的草地作為對(duì)照(CK)。

圖1 樣地設(shè)置

表1 試驗(yàn)地基本概況

施肥種類為有機(jī)肥(有機(jī)質(zhì)≥45%，水份≤30%，總養(yǎng)分(N+P2O5+K2O)≥5.0%，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：NY525-2012)900 kg·hm-2；免耕補(bǔ)播處理為草地牧草混播，草種為垂穗披堿草(Elymusnutans)、中華羊茅(Festucasinensis)及冷地早熟禾(Poacrymophila)3種當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)草種，垂穗披堿草15 kg·hm-2，中華羊茅7.5 kg·hm-2，冷地早熟禾7.5 kg·hm-2，混播比例為2∶1∶1；施肥+免耕補(bǔ)播處理為雙因素控制。種子均由當(dāng)?shù)夭葑逊敝硤?chǎng)生產(chǎn)，有機(jī)肥購于睿澤科技有限 公司。

1.3 樣品采集

于2020年8月中旬植物生長旺盛期取樣。在每個(gè)樣地內(nèi)間隔10 m設(shè)置4條長50 m的樣線，分別在每條樣線的0 m、10 m、20 m、30 m、 40 m處設(shè)置50 cm×50 cm的樣方，進(jìn)行植被調(diào)查并采集植物和土壤樣品。植被調(diào)查時(shí)，記錄各物種和總蓋度，并齊地面分種剪取植物地上部分，測(cè)定植物地上生物量，然后在每個(gè)樣方內(nèi)用直徑 10 cm 的根鉆取0～20 cm根樣，用直徑5 cm的土鉆采集0～20 cm土壤樣品，并將每個(gè)樣方內(nèi)的土樣混合，剔除動(dòng)植物殘?bào)w和小石塊，制備成1個(gè)混合土樣帶回實(shí)驗(yàn)室，部分于4 ℃保溫箱保存，用于分析土壤酶活性；部分置于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，用于分析土壤化學(xué)性質(zhì)。

1.4 樣品分析

土壤pH：電位法(土水體積比1∶2.5)；土壤有機(jī)碳：重鉻酸鉀—H2SO4氧化外加熱法；土壤硝態(tài)氮：雙波長紫外分光光度法；土壤氨態(tài)氮：KCl浸提—靛酚藍(lán)比色法；土壤速效磷：NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法；土壤酶：土壤水解酶類活性的測(cè)定—對(duì)硝基酚底物比色法[26-27]。土壤酶測(cè)定方法：(1)土壤懸濁液的制備。土壤過2 mm篩，稱取5 g鮮土于100 mL小白瓶中，加入100 mL pH 7.5緩沖液，在恒溫?fù)u床180 r·min-1室溫震蕩40 min，制成均勻的土壤懸濁液。(2)土壤樣品測(cè)定。吸取2 mL土壤懸濁液和2 mL待測(cè)酶對(duì)應(yīng)的底物溶液置于10 mL離心管中，在旋渦振蕩器上充分混勻。每份土樣做4個(gè)重復(fù)。將10 mL離心管置于恒溫?fù)u床170 r·min-1、25 ℃振蕩培養(yǎng)。培養(yǎng)完畢后，將離心管放入低速冷凍離心機(jī)，在4 ℃下2 000 r·min-1離心5 min。吸取2 mL上清液置于裝有0.2 mL 1 mol·L-1NaOH溶液的15 mL離心管中(在測(cè)定亮氨酸氨基肽酶時(shí)，不需要加NaOH，直接吸取上清液即可)，加8 mL去離子水，并在旋渦振蕩器上充分混勻。用去離子水調(diào)節(jié)分光光度計(jì)零點(diǎn)，在410 nm處測(cè)定吸光值。表2為所測(cè)定酶的種類、底物及具體功能。

表2 不同酶對(duì)應(yīng)的底物及具體功能

1.5 數(shù)據(jù)分析

利用 SigmaPlot 10.0(Systat 軟件公司，伊利諾伊州，芝加哥)和 OriginPro 2021(OriginLab，北安普頓，馬薩諸塞州，美國)進(jìn)行繪圖。采用 SPSS 26.0(IBM 公司，紐約州，美國)進(jìn)行單因素方差分析(ANOV A)，再進(jìn)行Duncan’s差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。采用 Canoco 5統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)土壤性質(zhì)進(jìn)行 PCA(Principal component analysis)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤pH的變化

與對(duì)照相比，施肥和免耕補(bǔ)播對(duì)土壤pH沒有顯著影響(P>0.05)，施肥+免耕補(bǔ)播顯著降低土壤pH (P<0.05)，土壤更趨于中性，說明施肥+免耕補(bǔ)播能夠有效改善人工草地土壤的酸堿問題(圖2)。

不同字母表示差異顯著 (P<0.05);下同

2.2 土壤養(yǎng)分分布特征

與對(duì)照相比，施肥顯著促進(jìn)土壤有機(jī)碳和銨態(tài)氮含量增加(P<0.05)，且其含量高于免耕補(bǔ)播和施肥+免耕補(bǔ)播。而施肥、免耕補(bǔ)播和施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)硝態(tài)氮均呈抑制作用，其中免耕補(bǔ)播處理下硝態(tài)氮含量顯著低于對(duì)照和施肥+免耕補(bǔ)播處理(P<0.05)，說明施肥可以通過促進(jìn)硝化反應(yīng)固定二氧化碳，從而進(jìn)一步增加土壤有機(jī)碳含量。施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)速效磷含量有顯著促進(jìn)作用(P<0.05)，說明施肥+免耕補(bǔ)播明顯加速高寒草甸土壤速效磷的合成積累 (圖3)。

圖3 不同人工修復(fù)措施處理后土壤養(yǎng)分分布特征

2.3 土壤酶分布特征

與對(duì)照相比，短期施肥和施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶活性均無顯著影響(P>0.05)。免耕補(bǔ)播顯著降低N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性(P<0.05)，對(duì)β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶活性雖呈抑制作用，但與其他處理相比差異不顯著(P>0.05)，說明免耕補(bǔ)播措施下牧草氮素需求增加，土壤中氮素減少，進(jìn)一步抑制N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性。3種修復(fù)措施中，施肥+免耕補(bǔ)播處理下4種酶活性均為最高(圖4)。

圖4 不同人工修復(fù)措施處理后土壤酶分布特征

2.4 土壤養(yǎng)分和酶活性的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(表3)，有機(jī)碳含量與亮氨酸氨基肽酶活性、硝態(tài)氮含量與β-葡萄糖苷酶活性和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性、β-葡萄糖苷酶活性與N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性和堿性磷酸酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.947、0.963、0.973、0.966、 0.961。pH與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 (P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.945。有機(jī)碳含量、氨態(tài)氮含量、速效磷含量、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶活性等彼此間均呈正相關(guān)關(guān)系。pH與有機(jī)碳、硝態(tài)氮、氨態(tài)氮含量和β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、堿性磷酸酶活性均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 不同處理后土壤性質(zhì) Pearson 相關(guān)分析

運(yùn)用主成分分析(PCA)評(píng)價(jià)人工修復(fù)措施過程中土壤養(yǎng)分和土壤酶活性間的關(guān)系(圖5)，前兩個(gè)軸(PC1，PC2)共同解釋95.07%的變異，施肥+免耕補(bǔ)播處理在PC1軸上得分較高，施肥處理則在 PC2 軸得分較高，說明施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶酶活性及速效磷含量的維持貢獻(xiàn)較大，而單施肥對(duì)有機(jī)碳和氨態(tài)氮含量貢獻(xiàn)較大。

圖5 不同人工修復(fù)措施處理后土壤性質(zhì)主成分分析

3 討 論

3.1 不同人工修復(fù)措施對(duì)退化草地土壤養(yǎng)分組成的影響

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，土壤碳氮含量主要受氣候變化、植被類型、土壤特性及人類活動(dòng)的綜合影響[28-29]，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)碳氮累積、分解和淋溶輸出程度的不同[30]。天然草原土壤中的磷主要來源于礦物，在土壤中主要以與鈣、鎂、鐵、鋁及黏粒結(jié)合的無機(jī)態(tài)的形式存在[31]，其含量主要受土壤母質(zhì)和成土作用的影響[32]。另外，研究表明，海拔、土地利用方式及坡度等因素也可以通過影響氣象因素或土壤侵蝕程度而間接影響土壤磷含量[33]。

有機(jī)質(zhì)作為土壤中重要的組成成分，其本身含各種營養(yǎng)元素，還對(duì)土壤中各種肥力因素起著重要的調(diào)節(jié)作用[34]。本研究發(fā)現(xiàn)，施肥+免耕補(bǔ)播顯著降低土壤pH，這可能是由于施肥和免耕補(bǔ)播緩解了高寒草甸的退化，降低了土壤水分的蒸發(fā)量，鹽分不會(huì)聚表，導(dǎo)致土壤 pH和電導(dǎo)率逐漸降低。研究表明，土壤中施加有機(jī)物可以給微生物供給足夠的底物，從而加速土壤原有有機(jī)碳的礦化，釋放更多的活性碳組分促進(jìn)土壤碳循環(huán)[35]。本試驗(yàn)中，施加有機(jī)肥短期內(nèi)顯著增加土壤有機(jī)碳含量，表明退化草地施加有機(jī)肥有利于提高有機(jī)碳含量，促使植物生長，這也證實(shí)了前人的研究結(jié)論[36]。姬萬忠等[37]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)播3 a后土壤有機(jī)碳含量顯著提高，這與本研究結(jié)果相反，免耕補(bǔ)播與施肥+免耕補(bǔ)播有機(jī)碳含量差異不顯著的主要原因可能是試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，這還需要長時(shí)間的試驗(yàn)來探究。

土壤氮素和磷素是衡量土壤肥力和植被生產(chǎn)力的重要指標(biāo)。銨態(tài)氮是有機(jī)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化過程中的中間產(chǎn)物，是土壤供氮能力的重要衡量指標(biāo)[38]，施入氮肥可以增加土壤銨態(tài)氮的供給，本研究結(jié)果表明，施肥能顯著增加土壤氨態(tài)氮含量。土壤對(duì)硝態(tài)氮的吸附能力弱，易于淋失[38]，土壤硝態(tài)氮主要集中在0～20 cm土層內(nèi)。本試驗(yàn)結(jié)果表明免耕補(bǔ)播能顯著降低土壤硝態(tài)氮含量，這與相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果相反[37, 39]，可能是由于免耕補(bǔ)播年限較短。施肥+免耕補(bǔ)播顯著增加土壤速效磷含量，這與王偉等[40]研究結(jié)果一致，說明施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)改良高寒草甸土壤速效磷含量具有明顯的作用。

3.2 不同人工修復(fù)措施對(duì)退化草地土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)行生化反應(yīng)的催化劑，參與土壤一系列復(fù)雜的生化過程，包括合成和分解腐殖質(zhì)、分解動(dòng)植物殘?bào)w、固定和釋放土壤養(yǎng)分及各種氧化還原反應(yīng)等[41]。土壤酶不僅對(duì)土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)有催化作用，而且對(duì)土壤中的多種有機(jī)物質(zhì)及殘?bào)w產(chǎn)生各種生命化學(xué)轉(zhuǎn)化，并與土壤有機(jī)碳分解速率和有機(jī)碳庫的周轉(zhuǎn)模式密切相關(guān)，使土壤生態(tài)系統(tǒng)各組分在功能上有一定的聯(lián)系，最終保持土壤的生物化學(xué)穩(wěn)衡狀態(tài)[41]。

本研究測(cè)定與土壤有機(jī)碳、氮和磷循環(huán)密切相關(guān)的4種土壤水解酶活性。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，施肥對(duì)土壤酶活性的影響因土壤條件和肥料類型與用量不同而差異明顯，Wang 等[42]研究發(fā)現(xiàn)在半干旱草原土壤，化肥氮投入增加對(duì)土壤團(tuán)聚體 N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性有促進(jìn)作用，但是抑制β-葡萄糖苷酶活性。而本研究發(fā)現(xiàn)，施肥、免耕補(bǔ)播及施肥+免耕補(bǔ)播均降低β-葡萄糖苷酶和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性，并且在免耕補(bǔ)播時(shí)活性最低，可能是由于施肥種類不同，免耕補(bǔ)播等處理試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，短期內(nèi)效果不明顯。朱敏等[43]認(rèn)為長期施用有機(jī)肥對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)無明顯作用，表面施用有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性無顯著差異。本研究結(jié)果表明，β-葡萄糖苷酶和亮氨酸氨基肽酶活性在不同人工修復(fù)措施間差異均不顯著，而堿性磷酸酶活性在免耕補(bǔ)播與施肥+免耕補(bǔ)播差異顯著。

3.3 土壤理化性質(zhì)和酶活性的相關(guān)性

通過主成分分析得出土壤理化性質(zhì)與酶活性間緊密聯(lián)系，并存在一定的相關(guān)性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量與亮氨酸氨基肽酶、硝態(tài)氮含量與β-葡萄糖苷酶活性和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性有顯著正相關(guān)關(guān)系，表明有機(jī)碳對(duì)亮氨酸氨基肽酶活性、硝態(tài)氮對(duì)β-葡萄糖苷酶活性和N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶活性的影響最大，說明酶對(duì)土壤碳、氮養(yǎng)分變化敏感，可作為衡量土壤肥力的生物學(xué)指標(biāo)[44]。pH與速效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明當(dāng)pH升高時(shí)，微生物會(huì)調(diào)整自身的生長策略，相對(duì)更偏向于選擇聚集更多的磷用于自身生長，因此，改善當(dāng)?shù)赝寥缐A化的趨勢(shì)可能對(duì)于緩解磷限制有一定作用。本研究中，酶主要受有機(jī)碳和硝態(tài)氮含量的影響，說明土壤碳、氮養(yǎng)分是影響生態(tài)酶的重要因素。

4 結(jié) 論

施肥顯著增加土壤有機(jī)碳和氨態(tài)氮含量，免耕補(bǔ)播顯著降低土壤硝態(tài)氮含量，施肥+免耕補(bǔ)播對(duì)速效磷含量有顯著促進(jìn)作用。施肥通過增加土壤碳、氮養(yǎng)分來影響土壤酶活性，施肥+免耕補(bǔ)播處理效果最好，酶活性達(dá)到最大。