董 凱， 劉 歡*， 劉云飛， 王敬龍， 仁增旺堆， 王綺玉， 羅建民， 姚瑞瑞， 張 曉

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 2.西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院草業(yè)科學(xué)研究所，西藏 拉薩 850000)

青藏高原不僅是我國最大的高原，也是世界平均海拔最高的高原，有“世界屋脊”和“第三極”之稱[1]。由于人類干擾和全球氣候變化，使青藏高原草地嚴(yán)重退化，沙化面積不斷增加，使生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭受破壞，功能喪失，威脅著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2-3]。植被作為反映天然草地土壤狀況和生態(tài)功能的重要綜合指標(biāo)，其破壞直接影響天然草地的生態(tài)功能和價值。目前，人工植被修復(fù)措施是沙化草地修復(fù)治理中最常用的方法，但受氣候、環(huán)境等因素的影響，選擇適宜的補播草種是人工植被修復(fù)成功的關(guān)鍵[4]。

藏沙蒿(Artemisiawellbyi)屬于菊科(Compositae)蒿屬(Artemisia)半灌木狀或灌木狀草本植物，是西藏高寒草地的優(yōu)勢種之一，因其營養(yǎng)價值高，耐寒耐寒性強，繁殖快，能夠快速固沙，具有潛在的生態(tài)價值[5]。藏沙蒿在西藏沙化地區(qū)的治理和恢復(fù)中發(fā)揮著重要作用，在沙化土壤中能夠快速生長，連片分布，但也容易退化，適度增加一些生長周期長、不易退化的植物，以達(dá)到長期恢復(fù)生態(tài)的目的[6]。垂穗披堿草為青藏高原天然草地的主要禾本科多年生植物，其根系發(fā)達(dá)，分蘗多，抗逆性強，具有保持水土的作用[7]，可用于高寒退化草地的恢復(fù)，具有較高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值[8]。細(xì)莖冰草為多年生疏叢型植物，具有較強的分蘗能力和抗逆性，可以有效控制水土流失[9-10]。史長光[11]發(fā)現(xiàn)通過采用高原紅柳(Tamarixramosissima)、硬桿仲彬草(Kengyiliarigidula)和一年生黑麥草(Loliumperenne) 等灌草結(jié)合的模式補播草種可以有效防治若爾蓋草原沙漠化進(jìn)程。胡金嬌等[12]比較研究了青藏高原東緣沙地三種典型恢復(fù)模式，結(jié)果顯示灌草混播模式土壤養(yǎng)分顯著增加，pH顯著降低。楊滿元等[13]對5種生態(tài)恢復(fù)模式效果進(jìn)行比較，其中灌草模式在人工植被建植和土壤養(yǎng)分等方面恢復(fù)效果最好。

在沙化土壤生態(tài)修復(fù)過程中，土壤肥力作為土壤的本質(zhì)特性不斷地變化并影響著植物和土壤的相互作用[14]。國內(nèi)外以往研究主要以土壤理化性質(zhì)和養(yǎng)分作為土壤植被恢復(fù)或重建的評價標(biāo)準(zhǔn)，以生態(tài)修復(fù)對土壤養(yǎng)分和生產(chǎn)力的影響作為研究方向[15-17]，而在生態(tài)修復(fù)中對土壤生物學(xué)特性的研究相對較少[18-20]，近年來，隨著人們對土壤微生物和酶活性在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要作用的認(rèn)識，越來越多的研究以土壤生物學(xué)特性參數(shù)來評價土壤肥力、土壤生產(chǎn)力和土壤質(zhì)量的好壞[21-23]。李靜等[24]對黃土高原紙坊溝流域不同植物土壤微生物生物量和土壤酶活性研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量和酶活性受植被類型和土壤養(yǎng)分等因素影響，且人工灌木植被對土壤的恢復(fù)作用高于喬木和草本植物。閆瑞瑞等[25]對呼倫貝爾草甸草原土壤微生物及酶活性研究表明，土壤酶活性受土壤全碳、速效鉀、堿解氮和電導(dǎo)率的影響，土壤微生物量受土壤全磷和速效磷的影響。因此，本研究旨在研究藏沙蒿與多年生禾草不同比例混播修復(fù)模式下西藏高寒草地沙化土壤理化性質(zhì)與土壤生物學(xué)特性之間的關(guān)系，探討灌草不同比例混播修復(fù)模式對沙化土壤修復(fù)效益及生態(tài)效果，篩選出修復(fù)效果最好的混播比例，為高寒沙化草地灌草混播修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于西藏自治區(qū)拉薩市當(dāng)雄縣羊八井鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為90°33′ E、30°05′ N，海拔4 500 m，羊八井鎮(zhèn)屬高原溫帶季風(fēng)半濕潤氣候與高原亞寒帶季風(fēng)半干旱氣候的過渡帶，氣候濕潤，日照充足。年平均氣溫2.1℃，最高氣溫23.1℃，最低氣溫—27.9℃，年平均降水量617.5 mm，年均日照時數(shù)3 097.3 h，年平均無霜期290 d左右。試驗區(qū)為沙化的開墾撂荒地，草原類型為高寒草地，土壤類型為漠土。

1.2 研究區(qū)試驗設(shè)計

本試驗于2019年開始種植設(shè)計，以藏沙蒿、垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的不同比例混播為處理，分別為T1(4∶1∶2)，T2(4∶2∶1)，T3(5∶1∶1)。采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，試驗小區(qū)面積為15 m2，間距50 cm，各處理3次重復(fù)。根據(jù)三種植物的種子大小、發(fā)芽率以及長期試驗結(jié)果，三者的最佳單播播種量分別為0.90，2.25和2.25 g·m-2，播種量為各組分百分比乘單播播種量之和(表1)。同時以無植被覆蓋的未修復(fù)沙化草地為對照(CK)，并選取同一海拔下的天然草地(NG)作比較，天然草地的主要優(yōu)勢植被為紫花針茅和墊狀委陵菜。

表1 試驗處理及對照Table 1 Experimental treatments and control

1.3 樣品采集

在2021年3齡草地的枯黃期(10月)分別在每個處理中采集土壤。使用提前消毒處理好的土鉆進(jìn)行土壤樣品采集。按“S”型鉆取5鉆0～20 cm土壤樣品，均勻混合為1個土壤樣品，共采集土壤混合樣品15份。將混合后的土樣過2 mm篩以去除根系和枯落物。將過篩后的土樣分為兩份，一份帶回實驗室保存在4℃用于土壤微生物量和土壤酶活性的測定，另一份帶回實驗室放置于干燥陰涼處自然風(fēng)干用于測定土壤理化性質(zhì)。

1.4 測定指標(biāo)與方法

土壤理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》[26]，土壤含水量采用烘干法；pH采用電位法；有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；堿解氮采用堿解擴散法；有效磷采用NaHCO3浸提鉬銻抗比色法；速效鉀采用NH4OAc浸提火焰光度法；全氮采用消煮蒸餾法；全磷采用堿融-鉬銻抗比色法；全鉀采用堿融-火焰光度法。

土壤微生物生物量參照《土壤微生物生物量測定方法及其應(yīng)用》[27]，微生物生物量碳、氮、磷均采用氯仿熏蒸浸提法。以熏蒸與未熏蒸的土壤樣品中有機碳、氮和磷含量的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)，系數(shù)KC，KN和KP取值分別為0.38，0.54和0.40。

土壤酶活性參照《土壤酶及其研究法》[28]，土壤脲酶采用尿素殘留法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數(shù)(mg)表示土壤脲酶活性；蔗糖酶采用3,5—二硝基水楊酸比色法，以24 h后1 g土壤生成的葡萄糖的毫克數(shù)(mg)表示蔗糖酶活性；堿性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土壤中釋放出來的酚的毫克數(shù)(mg)表示堿性磷酸酶活性；過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法；以1 h后1 g土壤消耗0.1 mol·L-1高錳酸鉀體積數(shù)表示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析和回歸分析，對不同處理下的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性和微生物生物量采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差法(LSD)進(jìn)行分析，各因子間的相關(guān)關(guān)系采用Separman相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行評價，用Origin 2021繪制土壤酶活性與微生物生物量直方圖和相關(guān)分析圖，圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果和分析

2.1 灌草混播修復(fù)對土壤理化性質(zhì)的影響

表2可知，與對照相比，T1，T2和T3處理的土壤含水量、有機質(zhì)、堿解氮，有效磷、速效鉀、全氮和全磷的含量均顯著性增加；pH顯著降低(P<0.05)，全鉀的含量無顯著差異。混播處理中T3處理的土壤各指標(biāo)含量均最高，pH最低，尤其是土壤含水量、堿解氮和有效磷含量均顯著高于T1和T2(P<0.05)。與天然草地相比較，T1，T2和T3不同比例混播下的土壤含水量、堿解氮、有效磷和全氮的含量均呈顯著性增加(P<0.05)，全鉀的含量無顯著差異。天然草地的土壤pH、有機質(zhì)、速效鉀和全氮均高于不同比例混播處理。

表2 灌草不同比例混播修復(fù)對土壤理化性質(zhì)的影響Table 2 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil physicochemical properties

2.2 灌草不同比例混播修復(fù)對土壤酶活性的影響

圖1可知，與對照相比，T1，T2和T3處理的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性均顯著提高(P<0.05)，各處理之間均無顯著差異。3個混播處理下,4種土壤酶活性平均提高295.18%，172.73%，340%和94.12%。T1，T2和T3處理的4種土壤酶活性均顯著低于天然草地(P<0.05)。

圖1 灌草不同比例混播修復(fù)對土壤酶活性的影響Fig.1 Effects of different proportions of shrubs and grasses on soil enzyme activities

2.3 灌草不同比例混播修復(fù)對土壤微生物生物量的影響

圖2可知，所有處理下土壤微生物生物量碳的含量最高，微生物生物量氮次之，微生物生物量磷的含量最低。與對照相比，T1、T2和T3處理的土壤微生物中各微生物生物量均顯著提高(P<0.05)。其中T3處理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均顯著高于其他處理(P<0.05)，比對照分別高出313.01%,382.45%和374.09%。T1和T2處理的土壤微生物生物量碳和磷的含量均無顯著差異，T1的土壤微生物生物量氮的含量顯著高于T2。與天然草地相比較，T1和T3處理的土壤微生物生物量碳氮磷的含量均顯著高于天然草地(P<0.05)，T2處理的土壤微生物生物量氮和磷的含量均顯著高于天然草地(P<0.05)；土壤微生物生物量碳的含量無顯著差異。

圖2 灌草不同比例混播修復(fù)對土壤微生物生物量的影響Fig.2 Effects of mixed planting and remediation of different proportions of shrubs and grasses on soil microbial biomass

2.4 土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性和微生物生物量之間的關(guān)系

為探討不同處理下土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性和微生物生物量的關(guān)系，以土壤含水量(X1)、pH(X2)、有機質(zhì)(X3)、堿解氮(X4)、有效磷(X5)、速效鉀(X6)、全氮(X7)、全磷(X8)和全鉀(X9)為自變量，以脲酶(Y1)、蔗糖酶(Y2)、堿性磷酸酶(Y3)、過氧化氫酶(Y4)、微生物生物量碳(Y5)、微生物生物量氮(Y6)和微生物生物量磷(Y7)為因變量，采用雙重篩選逐步回歸法進(jìn)行分析，土壤脲酶活性與有機質(zhì)發(fā)現(xiàn)和堿解氮存在線性關(guān)系；蔗糖酶活性與有機質(zhì)、有效磷、速效鉀和全磷存在線性關(guān)系；堿性磷酸酶活性與有機質(zhì)和全氮存在線性關(guān)系；過氧化氫酶活性與有機質(zhì)存在線性關(guān)系；微生物生物量碳與有效磷存在線性關(guān)系；微生物生物量氮與堿解氮存在線性關(guān)系；微生物生物量磷與含水量存在線性關(guān)系(表3)。

表3 土壤酶活性和微生物生物量與土壤環(huán)境因子的回歸分析模型Table 3 Regression analysis model of soil enzyme activity,microbial biomass and soil environmental factors

對不同處理下的土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性與微生物生物量進(jìn)行斯皮爾曼(Separman)相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(圖3)：土壤脲酶與過氧化氫酶活性與土壤有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤蔗糖酶活性與土壤有機質(zhì)和速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤堿性磷酸酶活性與土壤有機質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與全氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤微生物量碳與土壤有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤微生物量氮與土壤堿解氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤微生物量磷與土壤含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

圖3 土壤理化因子與微生物量生物量和土壤酶活性之間的相關(guān)性Fig.3 Correlation between soil physicochemical factors and microbial biomass and soil enzyme activity注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上的差異顯著。SM，土壤含水量；OM，有機質(zhì)；AN，堿解氮；AP，有效磷；AK，速效鉀；TN，全氮；TP，全磷；TK，全鉀；URE，脲酶；SUC，蔗糖酶；ALP，堿性磷酸酶；CAT，過氧化氫酶；MBC，微生物生物量碳；MBN，微生物生物量氮；MBP，微生物生物量磷Note:* and ** indicate significant differences at the 0.05 and 0.01 levels respectively. SM,soil moisture;OM,organic matter;AN,alkalyzable nitrogen;AP,available phosphorus;AK,available otassium;TN,total nitrogen;TP,total phosphorus;TK,total potassium;URE,urease activity;SUC,sucrase activity;ALP,alkaline phosphatase activity;CAT,catalase activity;MBC,microbial biomass carbon;MBN,microbial biomass nitrogen;MBP,microbial biomass phosphorus

3 討論

土壤理化性質(zhì)可以有效表征土壤性質(zhì)和土壤肥力的狀況[29]。根據(jù)第二次全國土壤普查確定的分級標(biāo)準(zhǔn)[30]，本研究結(jié)果顯示，沙化草地通過灌草不同比例混播修復(fù)后，土壤有機質(zhì)從四級水平升至三級水平，堿解氮從五級水平升至四級水平，有效磷從六級水平升至四級水平，全氮和全磷從六級水平升至五級水平，不同比例混播修復(fù)后的土壤含水量、有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、全氮和全磷的含量均呈顯著增加，pH顯著降低。不同比例混播處理下土壤含水量、堿解氮、有效磷和全磷的含量均高于天然草地，表明藏沙蒿、垂穗披堿草和細(xì)莖冰草不同比例混播修復(fù)能顯著改善土壤理化性質(zhì)，其原因可能是灌草不同比例混播修復(fù)后植被增加，蓋度增大，植物根系數(shù)量增加，密度增大，使土壤含水量、有機質(zhì)和養(yǎng)分增加[31]。趙嘯龍等[32]研究也發(fā)現(xiàn)科爾沁沙質(zhì)草地植被恢復(fù)能夠提高土壤養(yǎng)分含量。但天然草地的土壤pH、有機質(zhì)、速效鉀和全氮高于不同比例混播處理。這是由于天然草地受到的人為干擾較少，植被類型多，群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，枯落物層較厚，積累了較多的有機質(zhì)、速效鉀和全氮[33]。Zhang等[34]從森林尺度植被、地形和土層深度角度對土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤肥力研究也發(fā)現(xiàn)，自然植被下土壤會積累更多的有機質(zhì)。不同比例混播處理中，藏沙蒿、垂穗披堿草和細(xì)莖冰草按5∶1∶1比例混播的土壤養(yǎng)分最高，可能是增加了灌木在混播中的占比，灌木對土壤養(yǎng)分具有富集作用，為周圍的土壤提供了營養(yǎng)和能量，可以有效提升土壤養(yǎng)分并保持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡[35-37]。另一方面，植物死亡后，不同植物根系對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)不同，灌木較禾本科植物根系發(fā)達(dá)，對土壤養(yǎng)分貢獻(xiàn)較大[38]。

土壤酶活性和微生物生物量是響應(yīng)土壤環(huán)境變化最敏感的兩個指標(biāo)，可以直接或間接的參與土壤生化過程，并在土壤的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量循環(huán)中起著關(guān)鍵作用，是維持土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以綜合反應(yīng)土壤肥力特性和生物活性[39-40]。本研究中，不同比例混播處理的土壤脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶的活性均低于天然草地。這是由于天然草地積累了較多的凋落物和腐殖質(zhì)，且含有較多的植物、動物和微生物及其動植物殘體等，使土壤動植物及微生物生理活性增加，釋放的酶增加[41-43]。與未修復(fù)的沙化草地相比，不同比例混播處理下的4種土壤酶活性及3種土壤微生物量均呈上升趨勢。其中按5∶1∶1比例混播修復(fù)的土壤微生物生物量最高?？赡苁遣煌壤觳バ迯?fù)后使土壤微環(huán)境產(chǎn)生差異，土壤酶和微生物的生長條件不同，土壤微生物的結(jié)構(gòu)和多樣性因為存在差異[44-45]。本研究中逐步回歸分析和相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)與土壤酶活性間的相關(guān)性主要由土壤有機質(zhì)、速效鉀和全氮與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性的相關(guān)性引起的，土壤理化性質(zhì)與土壤微生物生物量間的相關(guān)性主要由土壤有效磷、堿解氮和含水量與微生物生物量碳、氮和磷的相關(guān)性引起的，這與靳振江等[46]的研究結(jié)果基本一致。可見，土壤養(yǎng)分與土壤酶活性和微生物生物量密切相關(guān)，直接影響生成酶的土壤微生物和植物根系的活動。因此，藏沙蒿與多年生禾草不同比例混播促進(jìn)了土壤酶和微生物對土壤碳氮磷的分解，土壤養(yǎng)分能夠為土壤酶活性和微生物提供足夠的碳、氮、磷物質(zhì)和能量，從而加快了土壤碳氮磷的循環(huán)[47]。本研究中土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和微生物生物量變化是人工修復(fù)3年的結(jié)果，今后還需在更長的時間尺度上研究高寒沙化草地修復(fù)過程中土壤理化性質(zhì)和土壤生物學(xué)特性的變化過程及相關(guān)性分析，為高寒沙化草地修復(fù)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

藏沙蒿、垂穗披堿草和細(xì)莖冰草不同比例混播，可改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤酶活性和微生物生物量，其中，按5∶1∶1比例混播的修復(fù)效果最好。在生態(tài)修復(fù)過程中，適當(dāng)?shù)脑黾庸嗄驹诠嗖葜械恼急?，可顯著提高土壤酶活性和微生物活性，增加沙化土壤養(yǎng)分。