摘要
以贝加尔针茅 + 羊草 + 杂类草草甸草原为研究对象，揭示短期施用复合微生物肥料对草原主要植物种群、群落产量和营养品质的影响，为退化草原的改良和恢复提供科学依据。试验采取随机区组设计，设置 7 个施肥水平。通过一年多点，年份随机模型统计主要植物种群及群落产量和营养品质的差异，并对所施肥料进行综合评价。结果表明，（1）复合微生物肥料对羊草的营养品质影响较大。腐植酸、海藻酸和海藻酸 + 复合微生物菌剂显著地降低了羊草的含碳量（P<0.05），分别为 0.83%、0.73% 和 0.60%，腐植酸、糖蜜发酵液、海藻酸、腐植酸 + 糖蜜发酵液 + 海藻酸、腐植酸 + 复合微生物菌剂、海藻酸 + 复合微生物菌剂显著地降低了羊草的含氮量（P< 0.05），分别为 10.80%、10.53%、8.89%、9.02%、9.41%、6.58%。（2）贝加尔针茅、羊草及群落的产量、含碳量、含氮量和相对饲用价值在各年份间均存在显著性差异（P<0.05）。年际变化中，贝加尔针茅、羊草及群落的产量随降水量的减少而减少，其含氮量变化与土壤含水量变化相似，而相对饲用价值则与土壤含水量呈相反的变化趋势。 （3）综合评价显示，海藻酸在提高贝加尔针茅种群和群落产量及其稳定性方面表现最好，糖蜜发酵液在提高羊草种群产量及其稳定性方面和群落相对饲养价值及其稳定性方面均表现最好。研究表明，草甸草原主要植物种群和群落的产量和营养品质受年份效应、肥料种类和年份的交互效应影响较大。单一复合微生物肥料比混合微生物肥料更适合植物种群和群落的产量和营养品质的提高。施用复合微生物肥料时应充分考虑肥料的稳定性和肥料之间功能的适配性。
Abstract
The study explored the short-term impact of composite microbial fertilizers on plant populations，biomass and phytocoenosium nutritional quality in natural meadow steppe-degraded grassland（Stipa baicalensis + Leymus chinensis + miscellaneous grass）in Hulunbeier，providing a theoretical basis for scientific and reasonable management of these fertilizers for meadow steppe-degraded grassland vegetation restoration．The field experiments were designed by single factor randomized block design，and seven treatments were set up．The difference of fertilization was analyzed and evaluated comprehensively by the random model of multiple points and years．Results showed that：（1）Compound microbial fertilizers had a great impact on the nutritional quality of Leymus chinensis．Humic acid，alginic acid and alginic acid + composite microbial inoculants significantly reduced the carbon content in Leymus chinensis（P<0.05），which were 0.83%，0.73% and 0.60%，respectively．Humic acid，molasses fermentation liquor，alginic acid，humic acid + molasses fermentation liquor + alginic acid，humic acid + composite microbial inoculants，alginic acid + composite microbial inoculants significantly reduced the nitrogen content of Leymus chinensis（P<0.05），which were 10.80%，10.53%， 8.89%，9.02%，9.41%，6.58%，respectively.（2）There were significant differences in the above-ground biomass， carbon content，nitrogen content and relative feed value of Stipa baicalensis，Leymus chinensis and their communities among different years（P<0.05）．During the inter-annual changes，the above-ground biomass of Stipa baicalensis，Leymus chinensis and their communities decreased with the decrease of rainfall．The changes in their nitrogen content were similar to the changes in soil water content，while the relative feed value and soil water content showed an opposite trend.（3） Comprehensive evaluation showed that alginic acid performed the best in improving the above-ground biomass and stability of Stipa baicalensis population and community，and molasses fermentation liquor performed the best in improving the aboveground biomass and stability of Leymus chinensis and the relative feeding value and stability of the community．The results showed that the above-ground biomass and nutritional quality of the main plant populations and communities in the meadow grassland were greatly affected by the year effect，the interaction effect of fertilizer types and year．Single compound microbial fertilizers were more suitable for improving the above-ground biomass and nutritional quality of plant populations and communities than mixed microbial fertilizers．The stability of the fertilizer and the functional compatibility between compound fertilizers should be fully considered.
近些年，受气候变化、干旱、刈割、超载放牧等因素的影响，草甸草原生态系统退化现象严重[1]。由于长期得不到恢复和更新，草地生产力和植物营养品质出现明显的下降趋势[2]。施肥作为一种可以快速和有效解决草地退化问题的方式受到广大学者的关注，其中微生物肥料更是以其绿色生态的特点备受青睐。它可以分泌多种生理性物质刺激和调节作物生长，还可以活化土壤养分，间接改善作物生长环境和品质，被认为是非常有潜力的肥料[3-4]。不过，由于微生物肥料存在肥效慢、专性强和易失效等问题[5]，单独施用的增产效果并不稳定，因此功能更加全面的复合微生物肥料被广泛地应用于作物品质提升和土壤环境改善的研究之中[6]。
目前，关于复合微生物肥料的研究主要集中在农业领域，却少有应用于草地生态系统方面的研究，而且研究内容也多以土壤理化性质[7]、养分含量[8]、微生物群落[9]和酶活性[10]等为主，鲜有植物方面的报道。复合微生物肥料对农作物产量和品质具有明显的提升效果已被大量试验证实[11]，但受植物种类和气候环境的影响，复合微生物肥料对草地生态系统植物产量和营养品质是否有普遍的提升效果还未有统一的结论。已有研究表明，复合微生物肥料可以显著提升羊草种群的产量和营养品质[12-13]。也有研究显示，羊草的产量和品质与复合微生物肥料的种类有关，不同种类的肥料效果并不一致[14]。还有研究认为，同一复合微生物肥料在不同年份也会展现出不同的施用效果，年降水量是重要的影响因素之一[15]。可见，受肥料种类和环境影响，不同草地植物的产量和品质也会有不同的变化。综上所述，本试验通过对复合微生物肥料多年数据进行分析，从整体上判断复合微生物肥料对草地主要植物种群及整个群落的影响程度，探寻年份效应中水分与植物产量和营养品质可能存在的关系，并结合丰产性和稳定性对几种肥料进行综合评价，为未来复合微生物肥料在草地生态系统植被恢复的应用提供一些参考。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验地位于中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站（49.18°N， 119.01°E，海拔 576 m）附近，海拔 577 m。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，草地植被类型主要为贝加尔针茅 + 羊草 + 杂类草草甸草原，是我国温带草甸草原分布最集中、最具代表性的地区。年平均气温为-1.6℃，年降水量约 320 mm，无霜期 116 d 左右。其中贝加尔针茅（Stipa baicalensis） 属于建群种，优势种包括羊草（Leymus chinensis）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、双齿葱（Allium bidentatum）、扁蓿豆（Medicago ruthenica）、寸草苔 （Carex duriuscula）、丝叶苦荬菜（Ixeris chinensis） 等，并伴以其他杂类草[16]。土壤类型主要为黑钙土和栗钙土。全年降水主要集中在 6—9 月，占全年降水的 86%。2014—2016 年，月降水量和温度变化见图1。
图1试验区域气温和降水量变化
1.2 试验设计
选取割草利用超过 20 年的固定割草场作为试验场地，于 2013 年 8 月对样地进行植物群落和土壤养分调查。2014 年 5 月选择地势平坦、植被分布均匀的草地围封并划分若干试验小区，施肥前用手扶式打孔机对各小区进行打孔处理，破除土壤板结层。试验设置 7 个施肥水平，分别为对照 （CK）、腐植酸（MF1）、糖蜜发酵液（MF2）、海藻酸（MF3）、混合肥料（MF4，腐植酸 + 糖蜜发酵液 + 海藻酸）、混合肥料（MF5，腐植酸 + 微生物菌剂）、混合肥料（MF6，海藻酸 + 微生物菌剂），详见表1。试验区采用随机区组设计，每个小区面积为 30 m2 （ 5 m×6 m），中间设置 2 m 的缓冲带，3 次重复（区组），共 21 个小区。2014 年开始施肥，每年 1 次。施肥时间为每年的 6 月初。施肥方式：固态肥料及固态液态混合肥料为人工撒施，液态肥料为人工喷施。
表1肥料概况和用量
1.3 测定指标与方法
于每年 8 月 1 日在各试验小区内随机选取 3 个 l m×l m 样方。将每个样方内植物分种并齐地面刈割，然后将 3 个样方的同种植物混合。用环刀在每个区组内随机收取 1 份 0～10 cm 的土壤。将植物和土壤样品放入冰盒内带回实验室。用烘干法测定土壤含水量（%），将 3 个区组土壤含水量取平均值，即代表采样时的土壤含水量。将植物样品称鲜重后置于 65℃的烘箱内烘干至恒重（约 48 h），分别记录贝加尔针茅、羊草及其他物种干重，然后分别计算相应物种和群落的单位面积产量（g/m2）。留取适量的贝加尔针茅和羊草样品，然后将剩余植物样品充分混合，即代表群落。最后将所有植物样品统一粉碎、研磨备用。采用有机元素分析仪测定样品的含碳（C）量（%）和含氮（N）量（%）。采用自动纤维测定仪测定样品的中性洗涤纤维（NDF） 和酸性洗涤纤维（ADF），然后通过 NDF 和 ADF 计算植物的相对饲用价值[17]（RFV=DMI×DDM/1.29，其中，RFV 为相对饲用价值；DMI 指饲草干物质的随意采食量，DMI=120/NDF；DDM 指饲草可消化的干物质，DDM=88.9-0.779×ADF）。
1.4 数据处理与统计方法
根据试验目的，选取 3 年（2014—2016 年）试验数据进行分析。采用 DPS 20.05 进行数据统计检验。采用一点多年，年份间随机效应模型分析指标差异，并通过丰产性参数和稳定性参数[18]对肥料进行综合评价。采用 Duncan 新复极差法进行多重比较，显著性水平设置为 0.05，采用 Excel 2019 绘图。
2 结果与分析
2.1 肥料和年份对植物种群和群落的产量和营养品质的影响
肥料和年份对植物种群和群落的产量和营养品质均有一定的影响（表2）。其中，肥料的影响较小，其主效应仅对羊草的含 C 量和含 N 量影响显著（P<0.05）。年份的影响相对较大，其主效应对贝加尔针茅、羊草及群落的产量、含 C 量、含 N 量和相对饲用价值的影响均极显著（P<0.01）。同时，肥料和年份的交互作用对植物种群和群落的产量和营养品质的影响较大。从物种水平看，二者的交互作用对贝加尔针茅的相对饲用价值影响显著 （P<0.05），对羊草的产量和相对饲用价值影响显著 （P<0.05）。从群落水平看，对群落的产量影响显著 （P<0.05），对群落的含 C 量和相对饲用价值影响极显著（P<0.01）。
表2植物产量和营养品质的方差分析
注：Sig. 表示显著性，ns 表示不显著，* 表示 P<0.05，** 表示 P<0.01。
2.2 肥料对植物产量和营养品质的影响
复合微生物肥料对羊草种群的含 C 量和含 N 量影响明显（表3）。与 CK 相比，MF1、MF3 和 MF6 显著地降低了羊草的含 C 量（P<0.05），分别为 0.83%、0.73% 和 0.60%。MF1、MF2、MF3、MF4、 MF5 和 MF6 显著地降低了羊草的含 N 量（P<0.05），分别为 10.80%、10.53%、8.89%、9.02%、9.41% 和 6.58%。
表3复合微生物肥料间的多重比较
注：M 表示平均值；RD 表示处理与对照差值和对照的比；Sig. 表示显著性；同列不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
2.3 植物产量和营养品质年份间的差异及变化
年份效应对植物产量和营养品质的影响较大，贝加尔针茅、羊草及群落的产量、含 C 量、含 N 量和相对饲用价值在年份间均存在显著性差异 （图2）。图2A 中，2014 年贝加尔针茅、羊草及群落的产量均显著的高于 2015 和 2016 年。同时，贝加尔针茅、羊草及群落的产量逐年降低，它们的变化过程与每年的月均降水量变化相似，群落表现最为明显。图2B 中，2014 年贝加尔针茅的含 C 量显著低于 2015 和 2016 年；2014 年羊草的含 C 量显著低于 2015 和 2016 年，2015 年显著高于 2016 年；2014 和 2015 年群落含 C 量显著低于 2016 年。与每年的月均降水量和采样时土壤含水量变化相比，贝加尔针茅、羊草及群落的含 C 量在年际变化整体平稳。图2C 中，2014 年贝加尔针茅和羊草的含 N 量显著低于 2015 和 2016 年，2015 年显著高于 2016 年；2014 和 2016 年群落的含 N 量显著低于 2015 年。2014 至 2016 年，贝加尔针茅、羊草及群落的含 N 量呈先升后降的变化趋势，它们的变化过程与采样时土壤含水量的变化相似。图2D 中，2014 年贝加尔针茅的相对饲用价值显著高于 2015 年，显著低于 2016 年；2014 年羊草的相对饲用价值显著高于 2015 和 2016 年，2015 年显著低于 2016 年；2014 和 2016 年群落的相对饲用价值显著高于 2015 年。2014 至 2016 年，贝加尔针茅、羊草及群落的相对饲用价值呈先降后升的变化趋势，它们的变化过程与采样时土壤含水量变化相反。
图2不同指标的年份间差异及变化
注：同一种群或群落字母不同表示年份间差异显著（P<0.05），月均降水量为 6 和 7 月降水量的平均值。
2.4 肥料的综合评价
肥料综合评价中，在考虑肥料带来丰产性的同时应兼顾肥料作用效果的稳定性，即肥料在不同的环境条件下能够保持较高丰产效果的稳定状态。一般通过指标互作方差（或变异度）的大小来反映该肥料在不同年份中的稳定性。互作方差（或变异度）小，说明肥料具有广泛的适应性，反之则稳定性较差，适应性窄[18]。本研究以主效应为主，以适应年份为辅，分别从种群及群落的产量和相对饲用价值 2 个方面对复合微生物肥料进行综合评价。综合评价分为 4 类，其中主效应为正值，且适应性广泛（3 年）的肥料为“很好”，适应性窄 （某 1 年）的肥料为“好”。主效应为负值，且适应性广泛（3 年）的肥料评价为“差”，适应性窄 （某 1 年）的肥料为“很差”。从产量方面看（表4），贝加尔针茅种群中，MF3 为好、MF1 为好、 MF4 为好、MF2 为差、MF5 为很差、MF6 为很差、 CK 为很差，由于 MF3的丰产性参数大于 MF1 和 MF4，因此 MF3 的综合评价最高。同理，羊草种群中 MF2 的综合评价最高，群落中 MF3 的综合评价最高。结果表明，MF3 在提高贝加尔针茅种群和群落产量并保持产量的稳定性方面表现最好，而 MF2 则在提高羊草种群产量及其稳定性方面表现最好。
表4复合微生物肥料在产量方面的综合评价
注：综合评价优劣顺序：很好＞好＞差＞很差。
同理，从相对饲用价值方面看（表5）。贝加尔针茅和羊草种群中，CK 的综合评价最高。群落中，MF2 的综合评价最高。结果表明，所有肥料在提升贝加尔针茅和羊草种群相对饲用价值及其稳定性方面表现较差，均不及 CK。而 MF2 则在提升群落相对饲用价值及其稳定性方面表现最好。
表5复合微生物肥料在相对饲用价值方面的综合评价
注：综合评价优劣顺序：很好＞好＞差＞很差。
3 讨论
3.1 肥料对植物养分含量的影响
肥料被认为是影响植物营养品质的重要因素之一[19]，而在本研究中，植物群落的养分含量并未因施肥得到明显改善，甚至羊草的含 C 量和含 N 量出现显著下降。这一结果与相同处理的羊草草原和大针茅草原基本相同[14]。其原因可能与微生物和植物对有限资源的竞争有关。因为持续多年的刈割早已使草场土壤养分处于相对贫瘠的状态，而草地生态系统中 N 是主要的限制性养分，禾本科牧草自身又无固 N 能力[20]，主要靠吸收土壤中的 N 素来满足其生长需求。作为土壤 N 竞争的优势者，微生物的表面积与体积比更大，而且具有生长代谢速率快和 N 吸收速率高的特点[21]，它会在养分资源相对匮乏的条件下表现出较高的竞争优势，即使养分吸收能力较强的植物种群竞争力都不及土壤微生物[22]。而微生物生物量又是分解者群落养分需求的基础，植物与土壤之间的养分迁移主要通过微生物以及其产生的有机物分解酶来介导[21]，微生物肥料产生的大部分养分可能都被土壤微生物以生物量的形式固存[23]，因此植物群落在短期内难以形成较强的竞争优势，从而导致植物因缺乏足够的资源而出现养分含量下降的情况。
3.2 水分与植物产量和营养品质的关系
不同年份的降水量、光照和温度等因素对植物的生长均有较大的影响，不过对于干旱或半干旱地区草地而言，水分被认为是众多限制性因素中的第一因子[24]。大量研究表明，在一定范围内降水量越大植物的产量越高[25]，本研究与之相同。但植物的营养却受降水量的影响相对较小，它表现出与土壤含水量更为密切的关系。一般情况下土壤含水量多与降水量呈正相关，自然降水往往通过改变土壤中水分、营养成分有效性的形式调节植物对养分的吸收和转移，但受前期土壤含水量、土壤蒸发量、植物覆盖度等[26]诸多因素影响，自然降水量对土壤含水量的影响往往并不一致。李冰等[27]研究显示，增加或减少 30% 的降水量对各时期土壤含水量均无显著影响，只有达到一定程度的时候土壤含水量才会发生显著性改变。因此，本研究认为与自然降水量相比，土壤含水量可能是影响植物营养元素变化的关键因素之一。因为土壤含水量是植物和微生物生存的重要物质基础，大多数矿质养分均依赖于土壤水分通过土壤基质被植物吸收，它是植物获取养分的主要途径[28]。目前，关于土壤含水量与植物营养相关性的研究还较少，有学者认为土壤含水量与植物含 N 量呈正相关[29]，也有学者认为呈负相关[30]，本研究结果更趋向于前者，因为水分是土壤养分向上移动的主要驱动因子，土壤含水量的增加会促进 N 素向植物地上组织转移，进而增加地上植被的含 N 量。当然，由于土壤水分波动较大[31]，而且土壤和环境因子与植物营养特征之间存在耦合关系[32]，因此土壤水分与植物营养之间的关系还存在不确定性，只有从更深层次的角度出发才能更好地了解植物营养对土壤水分变化的响应和适应机制。
相对饲用价值是衡量牧草采食量和能量价值的重要指标之一，能直观的评价牧草的营养品质，其数值越高表明牧草适口性越好[33]。许多研究表明，牧草生育期受水分因素的影响较大，土壤含水量降低会使牧草产量下降，同时牧草的中性和酸性洗涤纤维含量也会随之下降[34-35]。由于中性和酸性洗涤纤维与相对饲用价值成反比，因此相对饲用价值会随土壤含水量的降低而增加。本研究中贝加尔针茅和羊草种群及群落相对饲用价值的年度差异及变化趋势与之相同。裴惠娟等[36]研究发现，轻度干旱条件下，植物为减少蒸腾会降低茎叶的纤维合成比例，因为水分胁迫会破坏细胞壁完整性，导致纤维素与半纤维素质量分数下降，而纤维素与半纤维素正是构成酸性和中性洗涤纤维的主要成分。
3.3 肥料的综合评价
从综合评价来看，复合微生物肥料在提升贝加尔针茅和羊草种群相对饲用价值及其稳定性方面并不高，仅在群落方面表现较好。其原因可能与植物种类有关，因为研究发现，禾本科牧草中的酸性和中性洗涤纤维含量要显著高于豆科或其他类杂草[37]，而本地区优势种群主要为贝加尔针茅和羊草等禾本科牧草，因此肥料可能在短期内无法显著地改变它们的相对饲用价值。不过从产量方面看，无论是贝加尔针茅、羊草种群还是群落，几种复合微生物肥料的综合评价整体高于对照处理，而且表现出单一复合肥料优于混合肥料的特点，这可能与不同菌株之间普遍存在的拮抗作用有关，原因是微生物菌种复合（混合）的前提就是要求选配的微生物菌种之间无明显的拮抗作用[38]，如果随意将不同功能的微生物菌群混合，不仅无法实现功能互补，反而会产生彼此排异的现象，导致菌群数量骤减，对肥料的功效造成严重影响[39]。同时，混合肥料还容易造成菌群数量过多而抑制肥效的发挥。研究表明，适量的微生物用量会促进植物干物质的积累，但过量的菌群数量则会导致它们对有限资源的竞争而降低生物活性，进而影响作物的产量[40]。另外，本研究显示，单一肥料中海藻酸和腐植酸在产量方面的评价要高于糖蜜发酵液，尤其是其丰产性参数整体高于糖蜜发酵液。原因在于腐植酸和海藻酸均为有机大分子，它们可以利用官能团发挥功能，通过络合作用或离子代换等方式贮藏和转运养分[41-42]。它们的主要作用是刺激植物生长，并为分解者提供一定的物质基础，而糖蜜发酵液含有多种微生物菌群，作为分解者的它们主要作用是为物质转化提供驱动力。相比腐植酸和海藻酸转化养分的直接性，糖蜜发酵液多为间接作用，因此糖蜜发酵液在提升植物产量方面不及上述 2 种处理。不过，糖蜜发酵液在保持植物产量的稳定性方面却明显优于腐植酸和海藻酸，因为糖蜜发酵液拥有更多的菌群种类和有效活菌数量，这些微生物可以通过种类和功能的多样性来维持土壤系统的稳定[43]，使植物具备更强的抗干扰能力[44]，即使在年度环境条件变化较大的情况下糖蜜发酵液仍能稳定地发挥其功能。
4 结论
短期内不同复合微生物肥料对不同植物种群及群落的产量和营养品质影响不同。复合微生物肥料对羊草的营养品质影响较大。腐植酸、海藻酸和海藻酸 + 复合微生物菌剂会显著降低其含 C 量，而所有肥料均会显著地降低其含 N 量。同样，年份效应对植物种群和群落产量和营养品质也有较大影响，不同年份之间植物种群及群落的产量和营养品质均存在显著性差异。年际变化中，贝加尔针茅、羊草及群落的产量随降水量的减少而减少，它们的含 N 量变化与土壤含水量变化相似，而相对饲用价值则与土壤含水量呈相反的变化趋势。综合评价显示，海藻酸在提高贝加尔针茅种群和群落产量及其稳定性方面表现最好，糖蜜发酵液在提高羊草产量及其稳定性方面和群落相对饲养价值及其稳定性方面均表现最好。受肥料种类和年份效应的影响，在施用复合微生物肥料时应充分考虑肥料之间功能的适配性及肥料的稳定性。