生物炭基肥和补播对荒漠草原植物群落和土壤养分的影响

范 博,王占义*,刘鹏博,赵向玲,李海菁,4,王成杰

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特 010010; 2. 内蒙古农业大学草原资源教育部重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018; 3.呼伦贝尔市阿荣旗林业和草原局,内蒙古 呼伦贝尔 021000; 4.中共内蒙古自治区苏尼特左旗委员会组织部,内蒙古 锡林郭勒盟 026000)

草地是陆地生态系统主要的组成部分,是重要的绿色生态保障,在防风固沙、涵养水源、固碳释氧和调节气候方面具有重要作用[1-2]。人类不合理的利用,导致草地发生大面积的退化现象,我国90%以上的草地存在不同程度的退化[2-3],如何恢复和保护草地是学者们研究的重要问题。

补播和合理施肥是恢复退化草地的主要措施。补播能够在短时间内提高草原植被的高度、盖度、密度和地上生物量等参数[4],长期补播会使得草原植被Shannon-winner指数、均匀度指数和Simpson指数有所提高[5],进一步提高草原的地上生产力[6]。也有研究表明,植被多样性指数受到补播时间影响,不同补播处理对多样性指数没有影响[7]。地上生物量的增加会使得更多的地表枯落物分解并参与到土壤碳循环中,从而逐渐改善土壤养分[8]。有研究表明,荒漠草原补播两年后土壤表层含水量、持水性和有机质含量等均呈增加趋势,但对土壤全氮含量的影响较小[9]。也有研究表明这种改良效果受到补播草种的影响,并非所有补播都会改良土壤环境[10]。施肥能够快速补充退化土壤速效养分,提高土壤肥力,改善土壤对植物的营养供给情况,解除土壤对植物生长的营养限制,改善草地植物的营养品质[11]。补充土壤所需的养分,可以改变植物生长状态从而改变群落结构和物种多样性水平[12]。施肥能够提高禾草类和豆科类植物的重要值,进而提高草地植被的地上生产力和改变植被组成[13]。生物炭吸附能力强且理化性质稳定,磷作为植物生长发育必需的矿质营养元素,能量传递的介质,以多种方式参与植物各种生化过程,对促进植物生长发育以及新陈代谢起着重要作用[14-16]。生物炭基肥对作物生长也具有积极影响。研究表明,生物炭基肥可以改善烟草等经济作物的产量和质量[17]。施加生物炭基肥能提高叶菜类作物的产量,降低菜叶的硝酸盐含量,同时提高Vc含量[18-21]。在相同施肥条件下,施用生物质炭作为底肥,能显著增加水稻对氮、磷、钾元素的利用率[22-23]。

荒漠草原是草原向荒漠过渡的草地类型,是中国北疆重要的生态屏障[24]。草地生产是农牧民生活重要的经济来源,随着荒漠草原不断退化,草地生产力逐渐降低,威胁到了广大农牧民收入和我国北疆的生态安全[25]。荒漠草原的土壤养分的特点是缺氮少磷。大多数的研究表明豆科和禾本科种子混播可以提高草地的生产力[5],且生物炭基磷肥能够提高磷的使用效率,避免磷肥的浪费和污染环境。因此,本研究通过对退化草地进行混播和施生物炭基磷肥处理,探究退化草地植被与土壤特征的变化,为今后退化草原修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古四子王旗格根塔拉图雅牧场(41°47′40″ N,111°48′56 ″E,海拔1 461 m),属于典型的温带大陆性气候,降雨期集中在7-9月,降水量约占全年的70%;多年平均气温3.4℃。试验地为淡栗钙土,植被建群种为短花针茅(Stipabreviflora)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)等,主要伴生种为栉叶蒿(Neopallasiapectinata)和银灰旋花(Convolvulusammanni),多为草本植物,有少量的小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)。试验区作为以旱生植物为主的荒漠草原,长期放牧导致植被覆盖度较低,物种丰富度较低,草地土壤缺磷少氮。

1.2 试验设计

1.2.1试验种子处理 此次试验所用的种子为‘草原3号’苜蓿和蒙古冰草(Agropyronmongolicum),种子来自内蒙古农业大学草原与资源环境学院重点实验室选育。播种前对苜蓿种子物理变温处理去硬实化,将种子放入烘箱内75℃烘40分钟再在88℃～98℃烘箱内烘10分钟,有利于提高种子出苗率。蒙古冰草播种前需要去芒,双氧水消毒,然后晾干播种或催芽播种。

1.2.2生物炭基磷肥的制备 生物炭购买于大庆市金土地生物质材料有限公司,生物炭是由玉米秸秆在500℃条件下裂解而来。生物炭基肥制备采用的是冷富集法,生物炭和磷酸二铵按照1∶1富集,桶中充分加入适量去离子水充分搅拌后,在60℃下烘干,然后置于密闭容器内备用[14]。

1.3 试验设计

试验地于2020年在天然草地放牧地围封区进行。试验共设4个处理对照(CK)、补播(CP)、施生物炭基磷肥(CB)和施生物炭基磷肥+补播(CPB),每小区面积为5 m×3 m,小区间隔带宽1 m(图1)。

图1 试验样地设计图Fig.1 Experimental plot design注:CK表示对照区,CB表示添加生物炭基磷肥区,CP表示补播区,CPB表示施肥加补播区Note:CK is the control area,CB is the addition of biochar-based phosphate fertilizer area,CP is the reseeding area and CPB is the fertilization addition plus reseeding area

生物炭基磷肥处理采用开沟施肥,在2021年6月用开沟器开沟,开沟深度为15 cm左右,开沟施肥后将土原位回填,各个开沟的距离为25 cm左右,均匀施入生物炭基肥后用翻出的土壤原样覆盖。生物炭基磷肥施肥量为225 kg·ha-1,撒到沟里。在每年6月初傍晚进行雨后施肥。

补播时间在2021年和2022年6月初进行,待施生物炭基磷肥处理稳定后,在早晨和傍晚的时候选择空斑区进行补播,蒙古冰草播种量为18 kg·ha-1,‘草原3号’苜蓿播种量为15 kg·ha-1,二者按照1∶1的比例进行混播。补播深度为2 cm左右,均匀撒入种子后覆土。

1.4 样品采集与分析

在2021年和2022年植物生长旺盛期的8月中旬测量植物,调查植被恢复情况。在每个处理小区中,随机选择一块1 m×1 m的样方,记录样方内每种植物的高度、盖度和密度,将样方内植物分种齐地面剪下后带回实验室,经过30 min的杀青处理后,烘箱温度调至65℃,待温度达到65℃时记录时间并定时48 h烘干至恒重,使用天平称重后得到地上生物量。并用土钻在样方旁采集0～30 cm土样,共计样方数为12个。

土壤取样在2021-2022年进行,测量指标有pH值、含水量、有机碳、速效磷和全氮含量,测量方法参考《土壤农化分析》[26]。pH值采用电位法测定,土壤含水量采用重量法测定,采集的土样,经风干、过筛后备用。土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定,全氮含量采用凯氏定氮法测定,有效磷采用钼锑抗比色法测定。

植被多样性测度如下[27]:

(1) 物种丰富度(S):S=样地或样方内出现的植物种数

(2) Shannon-Wiener多样性指数(H):

(4) Pielou均匀度指数(J):J=H/lnS

Ni为调查样方中第i种物种的重要值;N表示调查样方内所有植物种的重要值之和;Pi表示第i个植物种的相对重要值,Pi=Ni/N。

1.5 数据分析

采用Excel 2019记录原始数据,首先使用SAS 9.2对不同处理下的植被基本数量特征和土壤养分进行单因素方差分析,利用Duncan多重检验比较平均值的差异,并通过Sigmaplot 14.0对方差分析图和箱线图进行绘制。其次使用Origin 2021对不同处理下的植物群落多样性指数、土壤养分进行Pearson相关性分析并绘制图表,并采用Canoco 5.0软件进行冗余分析。

2 结果与分析

2.1 不同恢复措施对退化草地植被特征的影响

不同处理下退化草地上植被特征变化如下。2021年植物群落总密度没有差异;2022年CP和CB处理显著高于CK(P<0.05,图2)。综合来看,两年间植物群落总密度均在CB处理下的值最高,CK处理下的值最低。与第一年相比,CK,CB和CP处理的植物群落总密度在处理第二年有所增长,CPB处理的植物群落总密度在处理第二年有所下降。

图2 施肥和补播对植被群落总密度的影响Fig.2 Effects of fertilization application and reseeding on density of plant community注:不同大写字母表示处理间具有显著性差异(P<0.05)。下同Note:Different uppercase letters indicated significant differences between different treatments (P<0.05).The same as below

施加生物炭基肥后提高了植物群落平均高度(图3)。在2021年,植物群落平均高度在CB显著大于CPB处理(P<0.05),其他处理之间无显著差异性。在2022年,植被群落平均高度在CB处理下显著高于处理CK(P<0.05),其它处理之间没有显著性差异。

图3 施肥和补播对植被群落平均高度的影响Fig.3 Effects of fertilization addition and reseeding on height of plant community

研究区域内植物群落总盖度在不同处理下呈现显著的差异性。2021年,植物群落总盖度在CB显著高于CPB处理下(P<0.05,图4),其它各处理之间没有差异。2022年,植物群落总盖度在CP处理下的值达到最大且显著高于CK处理(P<0.05),其它处理之间没有差异。相比较第一年,处理第二年下不同处理的群落盖度均有所提高,其中CP和CPB处理下提高较多,分别相较于第一年提高了37%和51%。

图4 施肥和补播对植被群落总盖度的影响Fig.4 Effects of fertilization addition and reseeding on total coverage of plant community

施肥和补播对植被群落地上总生物量的影响如图5所示。2021年,CP处理下的值最高,显著高于CK,CB和CPB处理(P<0.05)。2022年,CP和CB处理的荒漠草原总生物量差异显著(P<0.05)。综合来看,两年处理下植物群落地上总生物量均表现为一致的变化规律,即CP处理显著高于CK,CB处理。与处理第一年相比,处理第二年下不同处理的群落盖度均有所提高,其中CP和CPB处理下提高较多,分别相较于第一年提高了37%和51%。

图5 施肥和补播对植被群落地上总生物量的影响Fig.5 Effects of fertilization addition and reseeding on aboveground biomass of plant community

2021和2022年草地优势种变化情况如下。处理第一年和第二年的优势种密度比例均在CB和CPB处理下较大,2021年CB和CPB处理下的优势种比例分别为80%和81%,2022年CB和CPB处理下的优势种比例分别为82.4%和83.1%,且均显著高于CK和CP处理(P<0.05,图6)。

图6 施肥和补播对植被群落优势种比例的影响Fig.6 Effects of fertilization addition and reseeding on the proportion of dominant species in plant community

综合来看,第一年处理下,CB处理的植物群落总密度、平均高度、总盖度和优势种的比例的值均最高,CP处理下的地上总生物量值最高;第二年处理下,CB处理的植物群落总密度和平均高度最高,CP处理下的植物群落总盖度、地上总生物量值和优势种的比例的值均最高(P<0.05)。相比较于CK处理,经过一年植被恢复后,与CK相比,不同施肥和补播处理均提高了植物群落特征值。

2.2 不同处理对土壤养分的影响

2021和2022年不同处理下土壤养分变化(表1)。有机碳含量在两年处理下各个处理之间没有显著变化。土壤速效磷和全磷含量在CB处理下最高,与CK和CP处理之间有显著差异(P<0.05),CPB处理下速效磷含量显著地大于CK和CP(P<0.05)。其余指标在各个处理之间没差异。综合来看施肥显著增加了土壤速效磷的含量。

表1 不同处理对土壤养分的影响Table 1 Effects of different treatments on the content of soil nutrients

2.3 不同处理对植物群落多样性指数的影响

2021和2022年不同处理下植物群落多样性指数变化(表2),Simpson指数在CK处理下显著高于CB和CPB处理(P<0.05),CP处理的Simpson指数显著大于CB和CPB处理(P<0.05)。Pielou均匀度指数在CP处理下最高,该指数在各处理之间没有显著性差异。Shannon-Wiener指数在CK处理下最高,与CB处理之间有显著性差异(P<0.05)。物种丰富度在CK处理下最大,且在CK处理与CP和CPB处理之间有显著差异(P<0.05),其它处理之间没有显著差异。总体来看,不同处理下物种多样性指数中,CK处理下的Simpson优势度指数、Shannon-Wiener指数和物种丰富度的值较高,CP处理下的Pielou均匀度指数的值较高。

表2 不同处理下物种多样性的变化情况Table 2 Change of species diversity in different treatments

2.4 不同处理下植物群落多样性指数与土壤养分的相关性

不同处理下,土壤养分与植物多样性指标相关关系如图7所示。土壤速效磷与pH值和群落物种丰富度呈显著负相关关系(P<0.05),相关系数值分别为0.61和0.58。土壤有机碳与群落Shannon-Wiener指数和物种丰富度呈显著负相关关系(P<0.05),相关系数值分别为0.58和0.66。群落Simpson优势度指数与群落Shannon-Wiener指数和物种丰富度之间呈极显著正相关关系(P<0.01),相关系数值分别为0.8和0.81。群落Shannon-Wiener指数与物种丰富度之间呈极显著正相关关系(P<0.01),相关系数值为0.86。

图7 植物群落多样性指数与土壤养分的皮尔逊相关系数图Fig.7 Pearson correlation coefficient diagram of diversity index in plant community and soil nutrients注:AP表示速效磷;SOC表示有机碳;TN表示全氮;VEC表示土壤含水量;pH表示土壤酸度;PE表示物种丰富度;SW表示Shannon-Wiener指数;SD表示Simpson优势度指数;SR表示Pielou均匀度指数。下同Note:AP indicates available phosphorus;SOC indicates organic carbon;TN indicates total nitrogen content;pH indicates soil; VEC indicates water content of soil; pH;PE indicates species richness;SW indicates Shannon-Wiener index;SD indicates Simpson index;SR indicates Pielou index. The same as below

为了探究不同处理下的植物群落多样性指数与土壤养分的交互关系,以多样性指数为响应变量,土壤养分为解释变量进行RDA分析。从分析结果看,2个排序轴分别解释了66.35%和14.63%的变异,前两个排序轴累计影响因子超过80%,这说明这些土壤养分因子对植被多样性分布产生了尤为突出的制约效应(图8)。在CB和CPB处理下,土壤养分指标速效磷含量、有机碳含量、碳氮比和土壤含水量之间的相关性更强;在CK和CP处理下,多样性指数、Shannon-Wiener指数、Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数之间的相关性较大。土壤养分指标全氮含量、速效磷含量和有机碳含量与物种丰富度之间正相关,且相关性依次递减(夹角依次变大)。总体而言,土壤养分指标之间呈正相关关系,物种多样性指数之间呈正相关关系,施肥处理对土壤养分指标速效磷含量、有机碳含量和碳氮比之间的影响较大,补播处理对多样性指数之间的影响较大。

图8 不同处理下植物群落多样性与土壤养分的冗余分析(RDA)排序图Fig.8 Redundancy analysis (RDA) ranking diagram of plant community diversity and soil nutrient in different treatments注:带红色箭头和线段表示土壤理化因子,带蓝色箭头和线段表示物种多样性指数,不同图标表示不同处理,线段与排序轴的夹角表示该因子与排序轴的相关程度,线段间的夹角表示不同因子之间的相关性,线端长短表示该因子的显著程度。C/N表示碳氮比;C/P表示碳磷比;N/P表示氮磷比Note:Red arrows and lines represent the soil physical and chemical factors,blue arrows and lines the species diversity index,icons the treatments. The angle between the line segment and the sorting axis indicates a correlation between the factor and the sorting axis,the angle between two adjacent line segments the correlation between two factors;and the length of a line segment denotes the significance of the factor. C/N indicates carbon-nitrogen ratio;C/P indicates carbon-phosphorus ratio;N/P indicates nitrogen-phosphorus ratio

3 讨论

3.1 不同处理对植物群落特征的影响

人为管理在一定程度上影响了草地的退化速度[28]。植物群落特征是对草地生态系统动态变化的直接反映,是评估草地恢复成效的重要指标[29-30]。在本研究中,与CK处理相比,施肥和补播处理下的植物群落特征均提高,CB和CP处理下的效果尤为明显。2021年,CB处理的植物群落总密度、平均高度、总盖度和优势种的比例的值均最高,CP处理下的地上总生物量值最高;2022年,CB处理的植物群落总密度和平均高度最高,CP处理下的植物群落总盖度、地上总生物量和优势种的比例的值均最高。增施磷肥对植物群落特征的影响在处理第一年较为明显,这说明磷是限制荒漠草原草场品质的主要养分,同时,施肥能够促进优势物种的适应性和竞争力,使其占有更有利的位置,这一点与郭建波等人[11]在高寒草原上的研究结论相吻合。

已有研究表明,补播能够显著增加草地上的生物量[31-32],本试验地所处荒漠草原,补播在短时间内不能改变草地植物群落特征,但在补播第二年,草地植物群落却表现出了明显的竞争优势[33-34],使得CP处理下植物群落优势种比例达到最高。草地中优势种所占的比重可以体现出贡献率和优势种在草地群落中的波动情况[35]。另外,施肥和补播处理还会影响到植物对环境的抗逆性,改变群落结构和植物种间竞争关系[36]。

物种丰富度是反映生物多样性的重要参数,可以体现草地生态系统结构的变化情况[37]。本研究中CP处理下的物种均匀度较大。施肥改善了土壤营养状况,促进了草原地上部优势种的生长,部分弱势种群在竞争中处于劣势。由于优势种的高度和盖度得到增加,占据了生态位的顶端,使低矮植物种群光照不足[38-39],因此弱势种群生物量逐渐减小,物种丰富度和多样性亦随之减小。因补播所需的时间较长,植物生长会受到生境环境、自身生理生化特性的影响,所以其对植物特性的影响并不明显。

3.2 不同处理对土壤养分的影响

大量研究表明,随着草地退化加剧,土壤养分含量通常会逐渐下降,土壤逐渐贫瘠化[40]。在本研究中单一施肥可以提高土壤有机碳的含量,而且施肥显著增加了土壤速效磷的含量。这是由于生物炭中含有丰富的碳源,该结构具有较强的芳香性和较高的稳定性,可在土壤中长期储存,显著提高土壤有机碳含量[41]。生物炭是一种重要的土壤改良材料,能够显著改善土壤中的营养元素,尤其是磷素的可利用性[42-43]。大量研究表明补播牧草后,植物生长旺盛,提高了根系生物量和地表枯落物层的现存量,为微生物活动提供了足够的底物,会提高土壤养分的有效性[44-45]。但本文中补播对土壤养分的影响不显著不大可能是由于补播时间较短导致的。

3.3 不同处理下物种多样性指数与土壤养分之间的相关关系

在本研究中,土壤速效磷含量和有机碳与物种丰富度之间呈显著负相关关系(P<0.05),这与萨仁其力莫格等[46]的研究结果类似,原因可能是植物生长需要更多的磷元素和碳元素,使植物从土壤中吸收所需要的营养元素[47],从而影响土壤微生物的生存能力,导致营养元素的分解速率发生改变,进而使得植物和土壤元素的分配发生改变[48]。同时,海旭莹等在黄土高原退耕还草地上研究发现,土壤磷含量与Simpson指数呈显著正相关关系,Pielou均匀度指数与土壤氮含量呈显著正相关关系[49]。张智才等在研究中还发现,土壤总磷含量与植物群落多样性指数有显著的正相关关系,并认为磷添加有利于植被进一步改善土壤养分状态[50]。

利用退化草地植物群落多样性和土壤因子数据矩阵进行冗余分析能够较好反映草地植物与土壤因子的关系。在本研究中,土壤全氮含量和氮磷比与植物群落多样性指数之间均存在正相关关系,物种丰富度和全氮、速效磷、有机碳含量均存在正相关关系。这与赵景学、罗亚勇等人的研究结果一致[51-52]。

植物与土壤之间循环过程较为复杂,并且植物的生理生化特性对调节自身养分含量和土壤养分含量起着至关重要的作用[53-54]。植物群落多样性与土壤养分之间有着密切的互馈作用,但在荒漠草原草地退化过程中,不同处理条件下,二者的耦合关系有待进一步深入研究。

4 结论

经过两年的试验发现,施生物碳基磷肥处理对荒漠草原的植被群落总密度、平均高度、总盖度和地上总生物量的影响效果较明显,能够在短期内改善荒漠草原退化草地的植被覆盖情况,增加群落优势种比例。同时施肥处理对土壤养分有较大影响,补播处理对多样性指数有较大影响。