商品有机肥和羊板粪对高寒矿区人工草地和土壤特性的影响

摘要：为提高木里矿区人工草地土壤肥力，促进矿区可持续修复，在青海木里矿区修复时进行了商品有机肥、羊板粪、商品有机肥+羊板粪3种施肥处理，以未施有机肥为对照，分析生长2年的植被、土壤肥力和土壤微生物群落结构。结果表明：施肥显著（Plt;0.05）提高了植被高度、盖度和生物量，并改善了土壤肥力，且以两种肥料混施效果最好。3种处理均显著提高了土壤细菌丰富度（Plt;0.05），但对土壤真菌多样性无影响。3种处理均提高了变形菌门（Proteobacteria）和子囊菌门（Ascomycota）相对丰度，降低了担子菌门（Basidiomycota）相对丰度。相关性分析表明，植被情况与土壤肥力、土壤微生物存在显著相关性，有机肥通过增加土壤肥力和改变土壤微生物群落结构促进植被生长。因此，高寒矿区生态修复时施有机肥有利于人工植被生长，改善土壤肥力和土壤微生物群落结构，且以商品有机肥+羊板粪混施效果更好。

关键词：高寒矿区；人工草地；商品有机肥；羊板粪；土壤微生物；土壤肥力

中图分类号：S154.1""" 文献标识码：A"""" 文章编号：1007-0435（2024）08-2659-11

The Effects of Commercial Organic Fertilizer and Semi Decomposed Sheep

Manure on Artificial Grassland and Soil Characteristics in Alpine Mining Area

QIAO Qian-luo1， WU Yan-ru1， LI Qing-yao1， ZHANG Yang-can1， KOU Wei-liang1，

HE Xin-ting2， LI Xi-lai3， KOU Jian-cun1， YANG Wen-quan2*

（1. College of Grassland Agriculture， Northwest Aamp;F University， Yangling， Shaanxi Province 712100， China;

2. College of Life Sciences， Northwest Aamp;F University， Yangling， Shaanxi Province 712100， China; 3. College of Agriculture

and Animal Husbandry， Qinghai University， Xining， Qinghai Province 810016， China）

Abstract：In order to improve the soil fertility of the artificial grassland and to promote the sustainable plant restoration in the alpine mining area，three fertilization treatments including commercial organic fertilizer，semi decomposed sheep manure，and mixture of commercial organic fertilizer and semi decomposed sheep manure were applied during the restoration and grass planting in the Muli mining area，Qinghai. The plots without organic fertilizer was taken as the control. The vegetation，the soil fertility，and the microbial community structure were determined after 2 years of growth. The results showed that the fertilizer application significantly （Plt;0.05） increased the height，the coverage，and the aboveground biomass，and improved the soil fertility. The best effect was achieved by the mixed application of the commercial organic fertilizer and the semi decomposed sheep manure. All three treatments significantly increased the richness of soil bacteria （Plt;0.05），but had no effect on soil fungal diversity. All three treatments could increase the relative abundance of Proteobacteria and Ascomycota，while reduced the relative abundance of Basidiomycota. Correlation analysis showed that the vegetation characteristics were significantly correlated with the fertility and microorganisms of the soil. The organic fertilizer can promote vegetation growth by increasing the soil fertility and changing the soil microbial community structure. Therefore，the application of the organic fertilizer was beneficial to the growth of vegetation and the improvement of the soil fertility and microbial community structure during the ecosystem restoration in alpine mining areas. And the mixed application of the commercial organic fertilizer and the semi decomposed sheep manure has better effect.

Key words：Alpine mining area;Artificial grassland;Commercial organic fertilizer;Semi decomposed sheep manure;Soil microorganisms;Soil fertility

青海省木里煤矿区位于祁连山南麓腹地，背靠祁连山国家公园，是黄河重要支流大通河的源头，同时，该地区也是我国西北重要的地理分界线和生态安全屏障的重要组成部分，其生态地位和水源涵养功能都十分重要［1-2］。多年来的煤矿开采活动使得木里矿区原有的高寒草地生态系统受到严重破坏［3］，引发了一系列的环境问题，如地形地貌破坏、水源涵养功能丧失、植物多样性减少等［4-5］，因此矿区生态急需进行修复。目前，国内外矿区修复常用的方法是表层覆盖“客土”后进行人工植被建植［6］，但木里矿区地处偏远，没有“客土”来源，只能将矿渣粉碎后作为基质种草［7］。由于矿渣养分有限，渣土上直接种草植物生长受限，加之该地区海拔为4 000 m左右的高寒地区，生态条件严酷，植物生长期短，因此建植的植被很容易退化，很难实现恢复的可持续性［8］。

施肥是矿区恢复时最常用的技术措施［9］，现有的研究表明，施肥不仅能提高人工植被的盖度、高度、生物量，还可以提高植物群落多样性［10-11］，激活土壤种子库［12］等，同时，施肥还能改善矿区土壤肥力［13］和土壤酶活性［14］，增加土壤微生物多样性、改变土壤微生物群落结构等［15］。与化学肥料相比，有机肥不仅营养全面，释放缓慢，而且对环境的污染相对较少，因此更适合在矿区修复时使用［16-17］。同时，木里矿区地处牧区，周边有大量的羊板粪（牧区羊圈中堆积的半腐熟的羊粪）资源，由于地理位置偏远，运输成本较高而不能被有效利用。如果羊板粪能部分或全部替代商品有机肥在矿区生态修复时作为有机肥使用，不仅可以节约修复的成本，而且可以使废弃物资源获得利用，一举两得，但这一方面的研究缺乏。因此，本研究拟在木里矿区生态修复种草时，通过在渣土中单施商品有机肥、羊板粪以及混施商品有机肥+羊板粪后，研究人工植被的生长情况、土壤肥力和土壤微生物群落结构的变化，为高寒矿区的植被及土壤恢复提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于青海省刚察县境内的木里煤田江仓矿区（38°02′～38°03′N，99°27′～99°35′ E）。该地区年最高气温19.8℃，最低气温-36℃，年平均气温-5.1℃～-4.2℃。年平均降水量500 mm，蒸发量1 418 mm，降水主要集中在7—9月，降雪集中在1～5月。矿区四季多风，夏季盛行东南风，冬季盛行西北风，年平均大风日数30 d。海拔3800～4000 m。周边主要为高寒沼泽湿地和高寒草甸，属于多年冻土区，优势种为藏嵩草（Koeleria tibetica）、青藏薹草（Carex moorcroftii）等［18］。长时间、大规模的煤矿开采严重破坏了高寒湿地和草甸，造成生态系统失衡、地下水污染等环境问题。

1.2 试验处理

试验地选择在木里煤田江仓矿区4号井排土场，对由煤矸石、冻土、岩石等废料堆积形成的渣山进行削坡卸载、机械整平、耙平表层，将大块岩石、砾石和煤矸石移出种植区以形成供试验的平台区。2021年6月初，在平台区设置试验，试验设置3个处理（表1），M为商品有机肥：青海祥禾农业技术有限公司生产的“锦土”牌颗粒有机肥，有机质≥45%，N+P2O5+K2O≥5%；F为羊板粪：来自周边牧区羊圈，N 2.1%，P2O5 0.4%，有机质15.8%；MF为商品有机肥+羊板粪。根据课题组前期研究结果［19］，选用适应高寒环境的当地草种：同德短芒披碱草（Elymus breviaristatus ‘Tongde’）、同德小花碱茅（Puccinellia tenuiflora ‘Tongde’）、青海中华羊茅（Festuca sinensis ‘Qinghai’）、青海冷地早熟禾（Poa crymophila ‘Qinghai’）、青海草地早熟禾（P. pratensis ‘Qinghai’）。牧草种子总播量为22.5 g·m-2，比例（重量比）为1∶1∶1∶1∶1，与牧草专用肥（NPK复合肥，总养分≥35%，N 18%，P2O5 12%，K2O 5%）混合后人工撒播，牧草专用肥用量25.5 g·m-2。轻耙耱平，使种子埋入表层土壤中。以30 cm渣土上仅施牧草专用肥种草的作为对照（CK）。覆盖无纺布进行保温促发芽。小区面积4 m×5 m，每个处理3个小区，共计12个。小区采用随机区组分布。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 植物样品 2022年8月中旬，测定植物群落的相关指标。在每个小区设3个1 m×1 m的样方，测定植物高度、盖度、生物量。植物高度为草层高度，用卷尺随机测定20株；盖度采用针刺法；生物量采用刈割法，齐地面剪取样方内的地上部分，带回实验室，65℃烘干称重。每个小区的平均值作为相应处理的1次重复值。

1.3.2 土壤样品 在上面测量植物样品的样方内，用土钻采集 0～15 cm 的土壤，随机取4钻土样混合作为一个重复，每个样方为一次重复。取少量混合的土壤放入冻存管中，立即转入低温储存箱中保存，用于微生物测定。其余土样带回实验室阴干后用于土壤肥力测定。有机质采用重铬酸钾-硫酸氧化法；全氮采用浓硫酸消煮-蒸馏法测定；全磷采用HClO4-H2SO4 消煮后，分光光度法测定；全钾采用HF-HClO4消煮后，火焰光度法测定；NH+4-N和NO-3-N采用1 mol·L-1 KCl 浸提、连续流动注射分析仪测定；速效磷采用NaHCO3 浸提后，分光光度法测定；速效钾采用NH4OAc 浸提后，火焰光度法测定［20］。

1.3.3 土壤微生物 土壤送上海派森诺生物科技有限公司进行测序分析。对细菌16S rRNA的V3-V4区进行扩增，引物序列为ACTCCTACGGGAGGCAGCA，GGACTACHVGGGTWTCTAAT；真菌ITS rDNA的V1区进行扩增，引物序列为GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG，GCTGCGT TCTTCATCGATGC。

对土壤细菌和真菌的OTUs（Observed species）、Chao1丰富度估计指数（The Chao1 estimator）和Shannon多样性指数（Shannon diversity index）和物种相对丰度的测定与分析。α多样性计算公式［21］：

C=1-n1/N

其中，C为OTUs，n1=只含有一条序列的OTU的数目，N=抽样中出现的总的序列数目。

SChao1=Sobs+n1（n1-1）/2（n2+1）

其中，SChao1为估计的OTU数，Sobs为观测到的OTU数，n1为只有1条序列的OTU数目，n2为只有2条序列的OTU数目。

H=-ΣPi×log2（Pi）

其中，H为Shannon指数，Σ为求和符号，Pi为每个物种的相对数量（即物种多样性指数）。log2（Pi）的作用是将物种数量从0到1进行映射，使得H的值在0到1之间。

1.4 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理；对植被特征、土壤理化性质、OTUs、Chao1丰富度估计指数和Shannon多样性指数用SPSS 22.0进行One-way ANOVA方差分析。用R语言对植被特征、土壤理化性质及微生物α多样性进行Mantel相关分析并作图。采用Pearson相关性法分析确定土壤理化因子、确定细菌门和真菌门的相对丰度。

2" 结果与分析

2.1 施用不同有机肥对人工植被的影响

人工植被生长两年后，CK的草层高度最低，为14.05 cm，而3种处理的草层高度均在40 cm以上，显著高于CK（Plt;0.05），但不同处理间差异不显著（图1a）。同时，CK的植被盖度仅为6.80%，而3种处理的植被盖度均大于50%，其中，MF盖度最高，达91.91%，各处理间植被盖度呈 MFgt;Fgt;M，且差异显著（Plt;0.05）（图1b）。此外，与CK相比，3种处理的植被地上生物量均显著升高（Plt;0.05），且MF的地上生物量显著高于M和F（Plt;0.05），达到284.48 g·m-2（图1c）。

2.2 施用不同有机肥对人工草地土壤养分的影响

3种处理土壤有机质、全氮、全磷、硝态氮、铵态氮及速效磷含量均显著（Plt;0.05）提高，其中，土壤有机质、全磷、速效磷表现为MFgt;Fgt;Mgt;CK，且各处理间及各处理与CK间均差异显著（Plt;0.05）（图2a，2c，2g）。而MF的全氮、硝态氮、铵态氮含量均在3种处理中最高，分别达到了5.28，28.01和3.66 mg·kg-1，均显著高于M和F（Plt;0.05），但M和F间差异不显著，但又均显著高于CK（图2b，2e，2f）。土壤速效钾含量呈MFgt;Fgt;M，CK，且各处理间差异显著（Plt;0.05），但CK与M间无显著差异（图2h）。土壤全钾含量除M达到19.34 g·kg-1，较CK显著升高（Plt;0.05）外，其余处理均与CK无显著差异（图2d）。

2.3 不同有机肥处理对人工草地土壤微生物多样性的影响

2.3.1 不同有机肥处理对土壤细菌丰富度及多样性的影响 与CK相比，3种有机肥处理均可显著提升（Plt;0.05）土壤细菌的OTUs，OTUs表现为MF，Fgt;Mgt;CK，其中MF最高，为4049.27（图3a）。3种有机肥处理均可显著（Plt;0.05）提升土壤细菌的Chao1指数，Chao1指数表现为MF，Fgt;Mgt;CK，其中MF最高，为4962.47（图3b）。F和MF均显著（Plt;0.05）提高了土壤细菌的Shannon指数，但CK与M，F和MF间差异不显著（图3c）。

2.3.2 不同有机肥处理对土壤真菌丰富度及多样性的影响 与CK相比，M的真菌OTUs指数最低，为256.83，显著低于F与MF（Plt;0.05），而F和MF间差异不显著（图4a）。3种处理对土壤真菌的Chao1指数无显著影响，但是在3种处理间，M的Chao1指数最低，为261.43，显著低于MF（Plt;0.05），而F和MF间差异不显著（图4b）。3种处理下土壤真菌的Shannon指数均无显著差异（图4c）。

2.4 不同有机肥处理对土壤细菌及真菌群落结构组成的影响

2.4.1 不同有机肥处理对土壤细菌门水平群落结构组成的影响 在不同有机肥处理下，土壤细菌群落相对丰度排名前5的门分别是放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和拟杆菌门（Bacteroidetes）（图5）。其中，F和MF土壤放线菌门的相对丰度较CK显著下降（Plt;0.05），分别下降了34.37%和37.19%，但M和CK之间无显著差异。3种处理下，土壤变形菌门的相对丰度较均CK显著升高（Plt;0.05），其中，M，F，MF土壤变形菌门的相对丰度分别是CK的1.41，1.31和1.37倍。施用有机肥后，土壤酸杆菌门的相对丰度均显著降低，表现为Fgt;MF，M（Plt;0.05）。土壤的绿弯菌门以M的相对丰度最低，显著低于CK（Plt;0.05），较CK下降了58.59%，而F相对丰度显著高于CK，MF与CK间无显著差异。拟杆菌门以M的相对丰度最高，显著高于F（Plt;0.05），但F和MF与CK之间均无显著差异（表2）。

2.4.2 不同有机肥处理对土壤真菌门水平群落结构组成的影响 在不同有机肥处理下，土壤真菌群落相对丰度排名前5的门分别是子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）、鞭毛菌门（Mortierellomycota）、壶菌门（Chytridiomycota）和油壶菌门（Olpidiomycota）（图6）。M和MF土壤的子囊菌门相对丰度较CK显著升高（Plt;0.05），分别升高了31.89%和38.58%。3种处理显著降低了土壤中担子菌门的相对丰度（Plt;0.05），但3种处理对土壤中鞭毛菌门、壶菌门和油壶菌门相对丰度均无显著影响（表3）。

2.5 植物群落特征和土壤因子的相关性分析

对植物群落特征和土壤肥力指标及微生物α多样性进行Mantel相关性分析（图7）。人工植被的草层高度与土壤细菌的OTUs、Chao1指数、土壤全磷、硝态氮呈极显著相关性（Plt;0.01），与土壤有机质、土壤速效磷、速效钾呈显著相关性（Plt;0.05）。植物群落的盖度与土壤细菌的OTUs，Chao1指数、土壤有机质、全磷、硝态氮呈极显著相关（Plt;0.01），与土壤铵态氮、速效磷、速效钾呈显著相关性（Plt;0.05）。植物群落的地上生物量与土壤细菌的OTUs，Chao1指数、土壤有机质、全磷、硝态氮、速效磷呈极显著相关（Plt;0.01），与土壤铵态氮、速效钾呈显著相关性（Plt;0.05）。

3 讨论

3.1 不同有机肥处理对矿区人工植被和土壤肥力的影响

影响植物生长的外界因素很多，如水分、温度、光照、土壤肥力、土壤酸碱度等，每一个因素如果太高或太低，都会导致植物无法正常生长发育［22］。由于木里矿区种草时只能以矿渣作为种草基质。但矿渣能被植物吸收的养分含量很低，所以土壤肥力是影响矿区植被生长最主要的因素［23］。化肥具有肥效快、易吸收等特点，对一些生育期较短的作物可能效果更好［24］。而矿区修复是一个持久的过程，需要土壤有持久的肥力供应能力，因此有机肥是较好的选择［25］。张玉芳等［26］在高寒矿区人工植被恢复研究中发现施有机肥能显著提高植被的高度、盖度、地上生物量；王佟等［27］在对高寒矿区渣土改良的研究中发现，添加羊板粪能有效改善植被的生长状况。本试验中，施商品有机肥和羊板粪均能显著提高人工植被的高度、盖度、地上生物量，综合来看，与施商品有机肥的处理相比，施羊板粪的处理对于植被的生长效果更好，尤其对植被盖度方面的提升更为显著。而有机肥+羊板粪的混合处理对于植被的盖度、地上生物量的恢复起着更加显著的作用，这可能是因为相较商品有机肥，羊板粪除可以为恢复植被提供全面的养分外，更重要的可能是还可以改善土壤的团粒结构，起到透气、保湿、保肥的作用［28］，从而更有益于人工植被的生长。与其他两种处理相比，有机肥+羊板粪混合处理添加的养分更多，能更好的满足人工植被的生长需求，因此效果最好。

有机肥施入土壤后，不仅其所含的氮、磷、钾元素在微生物和根系分泌物的作用下，逐渐释放到了土壤中，直接提高土壤的养分含量［29］，更重要的是有机肥释放的营养，使一些与肥力周转相关的微生物如溶磷菌、固氮菌等快速生长和繁殖［30］；同时，这些营养也是土壤酶合成的重要营养源，而土壤酶又能催化土壤的养分循环过程，包括土壤 C（如β-葡萄糖苷酶）、N（如脲酶）、P（如磷酸酶）等的循环，从而进一步提高了土壤的养分含量［31］。本试验研究也表明，施有机肥后，矿区土壤的有机质、全氮、全磷、硝态氮、铵态氮、速效磷、速效钾含量多数显著升高。但是，施有机肥对土壤全钾的含量影响不明显，这可能是因为大部分钾元素被植物根系所吸收，只有很小一部分钾元素被固定在土壤中，所以施有机肥对土壤全钾含量的影响不显著［32］。综合对土壤养分含量影响水平的判断，3种有机肥的恢复效果由高到低排序为MFgt;Fgt;M。对植物特征和土壤因子的相关性分析也表明，植物群落的生长特征与土壤全磷、硝态氮含量存在极显著相关关系，与土壤有机质、土壤铵态氮、速效磷、速效钾等呈显著相关性，这与Feng等［33］的研究结果一致，表明施肥对高寒矿区人工修复草地有着显著的作用。但是在低海拔地区，无论是矿区修复还是农田耕作时，商品有机肥和羊板粪只需使用一种，即可取得不错的肥力效果［34］，如果两种有机肥同时使用则会烧苗［35］。但在高寒地区，一方面因为土壤微生物少，另一方面温度低，微生物活动微弱，羊板粪的腐熟和商品有机肥的吸收都更加缓慢，不仅不烧苗，也为植物提供了持续而稳定的养分［36］。

3.2 不同有机肥处理对矿区土壤微生物的影响

土壤微生物具有固碳、维持土壤肥力和养分循环等作用［37-38］。在高寒矿区，由于土壤贫瘠、气温低、辐射强等原因，土壤微生物的数量和种类十分有限［26］。有机肥的使用可以改变土壤的营养状况，使一些对营养有偏好（要求）的微生物能迅速繁殖，从而可以改变土壤的微生物群落结构［39］，本试验的研究也表明，渣土中施有机肥可以改变土壤细菌的丰富度和多样性。但不同有机肥对土壤微生物的影响不同，单施羊板粪与两种有机肥混施的土壤细菌的丰富度及多样性多数显著高于单施商品有机肥及CK，而两种有机肥混施与单施羊板粪的土壤细菌丰富度与多样性之间没有显著差异，这可能是因为羊板粪不仅可以给土壤微生物提供营养，促进微生物的快速繁殖，而且具有更好的保水性能与透气性能，能改善土壤物理性质，为细菌提供更好的生存环境［18］。同时，羊板粪本身携带着大量的细菌［40-41］，从而可以改变土壤细菌的多样性和丰富度。但是，施用有机肥后，土壤的真菌多样性及丰富度并无显著变化，龙健等［42］在对我国南方红壤矿区复垦土壤微生物的研究中发现，真菌更易在低养分环境下存活，所以施有机肥后并没有明显引起土壤真菌丰富度及多样性的改变。

不同有机肥处理对土壤细菌及真菌群落结构组成影响不同。Deng等［43］在研究露天铁矿区恢复过程中微生物变化时发现，土壤变形菌门、拟杆菌门的相对丰度随着土壤养分和植被恢复而上升，放线菌门、酸杆菌门的相对丰度随着土壤养分和植被恢复而下降，这可能是因为变形菌门为富营养菌，其相对丰度常与土壤的养分呈正相关关系［44］，而酸杆菌门的细菌大多是寡营养菌，因此当土壤养分较好时，其相对丰度反而会下降［29］。本研究中，细菌变形菌门的相对丰度在各施肥处理下显著升高，酸杆菌门的相对丰度在各处理下显著降低，这与前人的研究结果一致［43］。但本试验中，施商品有机肥后土壤的放线菌门与CK的相对丰度差异不显著，施羊板粪后土壤放线菌门相对丰度较CK显著降低，这可能是因为相比商品有机肥，羊板粪能够提高土壤团聚性，而土壤团聚体粒径的增加则会导致放线菌门的相对丰度降低［45］。绿弯菌门的相对丰度在商品有机肥处理下显著降低，在羊板粪处理下显著升高，这可能因为绿弯菌门中大多数微生物为厌氧菌，商品有机肥已经经过完全腐熟，而羊板粪在腐熟过程中会消耗土壤中的大量氧气，从而使相对丰度降低［46］。子囊菌门和担子菌门是本研究中具有优势的两个真菌门，有研究表明，这两个门是分布最广和最丰富的真菌群［47］。本试验中，子囊菌门在商品有机肥处理下相对丰度显著提高，但在羊板粪处理下没有明显变化，这可能与子囊菌门喜欢利用腐烂有机底物有关［48］。因为土壤中的商品有机肥经过发酵处理，正好适合子囊菌门的生长，而羊板粪还未充分腐熟，不能为子囊菌门提供合适的养分。但担子菌门在各施肥处理下相对丰度均显著降低，这可能是因为担子菌门喜欢生活在透气性较好的土壤中［49］，而建植的人工植被第一年产生了大量的植物枯落物，覆盖在地面影响了土壤的透气性，从而影响了担子菌门的生长。本研究中，细菌OTUs，Chao1指数与恢复植被的草层高度、盖度、生物量呈极显著正相关，这说明施肥等措施不仅利于高寒矿区植被的恢复，也对土壤及土壤微生物的恢复起到了至关重要的作用，而土壤肥力及土壤微生物反过来又会影响植被的生长［50］。

4 结论

高寒矿区单施或混施商品有机肥和羊板粪均可提高人工植被的高度、盖度和地上生物量，改善土壤养分，且有机肥和羊板粪混施效果最好。同时，单施或混施商品有机肥和羊板粪可显著提高土壤细菌的丰富度，而施商品有机肥会使土壤真菌丰富度下降，施羊板粪可以显著影响土壤细菌的多样性，但无论哪种施肥处理对土壤真菌多样性均无影响。施用商品有机肥和羊板粪可显著提高土壤变形菌门、子囊菌门的相对丰度，降低酸杆菌门、担子菌门的相对丰度。施肥的效果表现为有机肥+羊板粪gt;羊板粪gt;有机肥。

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（责任编辑 彭露茜）