复合微生物肥料对科尔沁羊草割草场植物群落多样性和生产力的影响

温 超， 单玉梅， 李良臣， 高丽娟 ，杨晓松， 斯日古楞， 张 军， 刘永志

(1．中国科学院内蒙古草业研究中心， 内蒙古 呼和浩特 010031； 2．内蒙古自治区农牧业科学院， 内蒙古 呼和浩特 010031； 3．内蒙古通辽市畜牧兽医科学研究所， 内蒙古 通辽 028000； 4．内蒙古自治区农牧业厅， 内蒙古 呼和浩特 010010)

现代农业生产中，长期大量施用化肥导致土壤理化性质变劣[1]，有机质含量降低[2]，土壤逐渐酸化致使有害重金属活性提高以及营养物质溶解造成养分流失[3]，农产品品质下降，作物减产，生态环境污染等问题[4]。复合微生物肥料，是由特定微生物或其他经过鉴定的2种以上互不拮抗的微生物与营养物质复合而成，是能提供、保持或改善植物营养，提高农产品产量或改善农产品品质的活体微生物制品[5]。它既保证了作物生长不可缺少的营养成分，又能够改土、促生、抗病、改善生态环境，对生产优质农产品，减轻环境污染有很大作用[6-8]。微生物肥料已广泛应用在禾谷类、油料类和纤维类作物，且多数增产效果明显。王素英等[9]的统计结果表明，各类微生物肥料的增产幅度在10%左右，其中以复合微生物肥料增产效果最明显，达到20%以上。微生物肥料对燕麦(Avenasativa)[10-12]、老芒麦(Elymussibiricus)[11]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[13]等牧草增产的效果明显，但是对于复合微生物肥料在改良天然草原植被方面的文献报道还较少。

科尔沁沙化草原区是半干旱天然打草场的重要分布区，是内蒙古重要的草地资源之一，具有不可忽视的生态作用。科尔沁沙化草原脆弱而敏感，不合理的利用方式极易导致草原退化。因此，在科尔沁沙地羊草草原施入不同的复合微生物肥料，通过分析草地生产力和地上植物群落多样性的变化，为未来微生物肥料在天然草地的合理利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗珠日河牧场白音查干分场，地理坐标为N 44°24′56″，E 121°52′34″，气候属内陆半干旱草原气候类型，受东亚季风控制，大陆性气候特征十分明显，具有冬季寒冷，夏季炎热，气温变幅大，降水少而集中，春季多大风等特点。全年平均气温5.6℃，极端最高气温40.9℃，极端最低气温-32.9℃；多年平均无霜期143 d；日照时数3 101 h；≥10℃以上年积温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。地势平坦，土壤类型属于沙壤土，0～10 cm土壤有机质含量为8.72 g·kg-1，全氮0.47 g·kg-1，全钾28.23 g·kg-1，全磷0.23 g·kg-1，C/N为18.82。每年8月中旬至9月初打草一次，冬季放牧。试验区植被主要为羊草+杂类草群落，羊草(Leymuschinensis)为建群种，伴有糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、芦苇(Phragmitesaustralis)、胡枝子(Lespedezadavurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)等。

1.2 试验设计

样地选取长期割草利用的羊草草甸草原固定草场，刈割频率为每年一次。试验采取单因素随机区组设计，5个处理，3个区组，共计15个实验小区。每个小区面积为3 m×5 m，中间设置1 m的缓冲带。设置对照、腐殖酸复合微生物肥料、糖蜜发酵复合微生物肥料、海藻酸复合微生物肥料以及腐殖酸+糖蜜发酵+海藻酸3种复合微生物肥料5个处理，分别用CK，F，T，H和A表示。5月22日进行肥料添加处理，施入后对施肥小区进行浇水，灌溉量为5 mm。其中F和H为固体肥料，直接撒播，T为液体肥料，溶于水后灌溉即可。施入微生物肥料的种类及施肥标准如表1所示。

1.3 试验方法

于2014年草地生产力高峰期(8月中旬)取样，在每个重复小区内随机设置4个0.5 m×0.5 m的样方。记录群落总盖度，每个样方内的物种种类、高度、盖度和密度[14]。用剪刀将样方内植物地上活体部分齐地面剪取，分种存放于信封袋中。将样品带回实验室105℃下杀青30 min，然后在65℃烘箱中烘干至恒重，称其重量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据分析，采用SAS 9.0软件进行方差分析，作图软件为SigmaPlot 12.0。物种种群的重要值和群落α多样性指数采用如下公式计算：

(1)重要值=(相对高度+相对盖度+相对密度+相对生物量)/4

(2)Margalef丰富度指数(C)

C=(S-1)/lnN

(3)Shannon-Wiener指数(H)

H=-∑PilnPi

(4)Pielou均匀度指数(J)

J=H/ ln S

(5)Simpson优势度指数(D)

D=1-∑(Pi)2

式中，Pi代表第i个物种的重要值；S代表物种的总数；N代表物种的总体个数。

2 结果与分析

2.1 复合微生物肥料对群落地上生物量的影响

群落地上生物量是群落结构和功能的重要指标。由图1可以看出，复合微生物肥料对群落地上生物量的增加有促进作用，其中T处理较CK增加显著(P<0.05)，地上生物量可达136.53 g·m-2，增加了27.18%，F、H和A处理区较CK分别增加了10.89%，20.46%，19.97%，但是各处理间无显著差异(图1)。

图1 不同施肥处理对草地地上生物量的影响Fig.1 Effect of different fertilizer treatments on aboveground biomass of grassland注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同Note: Different letters indicate significant difference at the 0.05 level, the same as below

2.2 对群落高度、群落盖度和群落密度的影响

植被高度是草地结构的重要参数，复合微生物肥料可增加群落高度(图2)，F、T、H和A群落高度较CK分别增加了9.09%，18.18%，13.64%，5.45%，其中T处理高度增加了6.67 cm，增幅较CK差异显著(P<0.05)，其余处理间差异不显著。CK、F、T、H和A处理区群落盖度分别为43.33%，53.33%，63.33%，60.00%和63.33%(图3)，施肥处理使得群落盖度显著增加，都有10%到20%左右增幅。CK、F、T、H和A处理区群落平均密度分别为204.33，196.00，293.33，266.33和284.00株·m-2，T、H和A处理群落密度与CK相比都有不同程度的增加，但各处理间无显著差异(图4)。综合比较，施加糖蜜发酵复合微生物肥料(T)效果较明显，其群落高度、盖度和密度在所有处理中都最高。

图2 不同施肥处理下群落高度变化Fig.2 Community height under different fertilizer treatments

图3 不同施肥处理下群落盖度变化Fig.3 Community coverage under different fertilizer treatments

2.3 主要物种重要值

植物种群的重要值可以反映其在群落中的优势地位及优势程度，故可作为表征优势种的指标。试验区植物群落属羊草+杂类草群落，羊草的重要值在25%以上，占据优势地位，各处理中主要植物组成及重要值存在明显差异。除F处理羊草重要值略有降低外，其余处理均导致羊草的重要值增加，T

处理下羊草重要值最高，达到了50.85%，且与CK有显著性差异(P<0.05)，H、A处理区羊草的重要值较CK分别增加了12.19%和6.33%；F处理下糙隐子草的重要值增加，其余处理与CK相比有所降低，但差异不显著；复合微生物肥料对豆科牧草胡枝子和沙打旺重要值没有显著影响，F、H处理下胡枝子重要值略有升高，T、A处理则降低，各处理下沙打旺的重要值都有升高，F处理增加最大(表2)。

图4 不同施肥处理下群落密度变化Fig.4 Community density under different fertilizer treatments

表2 主要植物种在不同施肥处理下的重要值Table 2 Important value of plant species under different fertilizer treatments

植物种Plant species重要值Important value/%CKFTHA羊草Leymus chinensis30.39b27.96b50.85a42.58ab36.72ab糙隐子草Cleistogenes squarrosa17.50ab25.09a6.63b11.43ab10.30ab芦苇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马唐Digitaria ciliaris14.98a14.20a8.97a11.70a18.22a狗尾草Setaria viridis2.92a4.38a6.93a7.23a7.94a披针叶黄华Thermopsis lanceolata6.58a———6.37a黄蒿A.scoparia 3.87c5.04b2.46c3.54c7.99a砂引草Tournefortia sibirica3.57b2.00b6.68a5.03ab2.16b苦马豆Sophora alopecuroides 10.58a—4.48b2.86b4.42b

2.4 植物群落多样性

为了避免单一指数带来的偏差，本研究选择4个指数来全面反映群落α多样性。研究结果显示，各处理中群落的多样性指数均无显著差异。Margalef丰富度指数反映了群落内植物种类的多少，其中，T处理区群落物种丰富度指数为1.82，在5个处理中最高，说明T处理使得物种种类增加，F、H和A处理使得物种种类减少。Shannon-wiener多样性指数表征由生物群落等级特征引起的多样性程度，能够反映群落物种丰富度和均匀度的总体状况。本研究表明，施肥使得群落的Shannon-wiener指数降低，但是各处理间无显著差异，CK处理区Shannon-wiener指数最大，为1.92。Pielou均匀度指数是指群落中物种(个体数)分布均匀程度的大小，各处理排序为CK>F>A>H>T，其中，CK处理区群落均匀度指数在5种处理中最高，为0.85，但各处理间均无显著差异。Simpson优势度指数反映群落种类数量优势的分化程度，本研究中各处理的Simpson指数之间均不存在显著性差异(表3)。

表3 不同施肥处理对植物多样性指数的影响Table 3 Effects of different fertilizer treatments on plant diversity

3 讨论与结论

3.1 复合微生物肥料对地上生物量和植物群落特征的影响

地上生物量可以反映群落在一定时间范围内生成有机物质的能力[15]。各类微生物肥料的平均增产效果不同，范围在12.2%～22.3%之间，其中复合微生物肥料的增产效果约为21.2%[9]。微生物肥料在我国已广泛应用于30多种作物上：糖料作物的增产效果最好[16]，其次为茶叶[17-18]，蔬果增产25.4%[19-20]，牧草类增产26.1%[13]，纤维、薯类、油料的增产效果分别为17.1%[21]、17.8%和15.0%。另外，施用微生物肥料可使垂穗披碱草、草地早熟禾、直穗鹅观草混播禾草草地牧草增产16.75%[22]，使紫花苜蓿产量增加17.3%[13]，燕麦草产量增加24.3%[23]。对草地施肥后其群落高度、盖度往往显著高于施肥前[24-25]。本研究也得到了相同的结论，复合微生物肥料对地上生物量和群落高度、盖度、密度都有增加的效应。其中糖蜜发酵处理对地上生物量增加效果最为显著，较对照区增加了27.18%，同时它也使得群落高度和盖度显著增加了13.64%和46.15%，但是3种复合微生物肥料混合处理下地上生物量和群落数量特征并不是最高的，原因可能是复合微生物肥料成分较为复杂，3种混合后不同的微生物菌群间产生了拮抗作用，因此，其影响的综合原因还需要进一步的试验验证。

3.2 复合微生物肥料对物种重要值及群落多样性的影响

重要值能较充分地显示不同植物种群在群落中的地位和作用[26]。施肥通过恢复和提高土壤肥力，增加土壤可利用资源，改变植物不同片层中的相互竞争强度，从而改变植物群落的结构，进而影响到草地生态系统，直接体现就是主要优势物种的重要值改变[27]。由本研究结果可以看出，羊草占绝对优势，各处理中羊草的重要值在27.96%～50.85%之间，糖蜜发酵复合微生物肥料处理的羊草重要值显著增加(P<0.05)，比对照区增加了20%以上。说明复合微生物肥料对羊草在群落中的优势地位有一定的提升作用。单玉梅等[37]研究表明，施加复合微生物肥料可以改善土壤的物理和养分状况，使土壤有机质含量显著增加，土壤的全氮、全磷和全钾含量都呈现增加的趋势。因此，羊草作为该区域的优势物种，可以更好的利用养分条件，促进生长发育，提升优势地位。

复合微生物肥料可以增加土壤有机质[36]，改变植物地上、地下的竞争强度，进而引起植物群落多样性格局的变化[28]。已有许多施化肥对群落多样性的研究表明，施肥会导致物种多样性指数增加[24,29-31]或减少[28,32-36]。郑华平等[38]研究表明氮、磷肥和有机肥配施可显著增加沙化草地Simpson指数、Shannon-Wiener指数，而氮磷肥混施会显著提高Pielou均匀度指数。陈亚明等[39]研究则认为，施肥使高寒草甸物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数均显著降低。高本强等[40]也认为施肥处理对均匀度指数、辛普森指数和物种丰富度3个物种多样性指标影响变化一致，具有显著降低作用。本研究得出，施加复合微生物肥料使得群落的Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数、Simpson优势度指数均出现降低的趋势，但无显著差异，此结果的原因可能是该实验区位于半干旱地带，年降雨量较少，虽然在施加复合微生物肥料后进行了5 mm补充灌溉，但是连续高温少雨，没有有效的降雨过程，另外，沙质土壤保水保肥能力差，土壤养分易流失，夏季阳光直射，这些因素都不利于微生物繁殖，导致微生物肥料还未来得及发挥很大的促进作用即失效。

综上所述，本研究所选的几种复合微生物肥料以糖蜜发酵效果最佳。复合微生物肥料中菌群的生存和繁殖受到多种因素的影响，如温度、水分、酸碱度等，干旱半干旱天然草原区气候干旱少雨，温度变化剧烈，土壤贫瘠，诸多的不利因素并不适宜菌群的生存繁殖，不能发挥良好的作用，因此利用微生物肥料改良天然草场还需进一步深入研究。