高寒草甸地區(qū)土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響

毛俊萍

(貴南縣自然資源局，青海 茫拉 813100)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)草地退化面積已占草地總面積的70%，草地的退化使草地生產(chǎn)力下降，草地中原有一些植物種類和優(yōu)良牧草大大減少或消失，草地鼠蟲(chóng)害加劇，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，環(huán)境惡化，給牧區(qū)人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)巨大影響。三江源區(qū)生態(tài)戰(zhàn)略地位極為重要，是我國(guó)重要的水源涵養(yǎng)生態(tài)功能調(diào)節(jié)區(qū)。但由于受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，20世紀(jì)70年代以前三江源區(qū)草地已經(jīng)呈退化趨勢(shì)(2012)[1]。貴南縣，全縣草地面積56.78×104hm2，可利用草地面積54.20×104hm2，占草地總面積的95.46%(2012)[2]。草地同樣出現(xiàn)了退化，采取了相應(yīng)的改良措施，如改良退化草地，實(shí)行劃區(qū)輪牧、休牧、禁牧制度，加強(qiáng)鼠蟲(chóng)害控制，建立人工草地等，其中，草地補(bǔ)播也是重要的草地改良措施，草地補(bǔ)播能增加草層的植被種類成分，增加草地覆蓋度，改善草地群落品質(zhì)，提高草地產(chǎn)草量，增加優(yōu)質(zhì)牧草比例和減少有毒有害植物。已有較多研究表明，提高草場(chǎng)產(chǎn)量，可以改善草地群落的營(yíng)養(yǎng)成分，改善土壤理化性質(zhì)(2001)[3]。然而，在高寒草甸中，補(bǔ)播地的土壤理化性質(zhì)如何影響補(bǔ)播成功率和草產(chǎn)量還未見(jiàn)報(bào)道。因此，我們通過(guò)調(diào)查補(bǔ)播地土壤營(yíng)養(yǎng)成分和理化性質(zhì)，研究補(bǔ)播牧草出苗率高低的原因。

1 貴南縣草地現(xiàn)狀

青藏高原由于其獨(dú)特的自然環(huán)境，作為氣候變化的敏感區(qū)域，其脆弱生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展，成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)之一 ，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化，局部地區(qū)向“黑土灘”和沙漠化方向發(fā)展，影響了當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展，青海省三江源國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)是我國(guó)面積最大的濕地類型國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(2005)[4]。貴南縣位于青海省東北部，地處西傾山與黃河之間，地理坐標(biāo)為北緯35°09′～36°08′，東經(jīng)100°13′～101°33′，總面積66.50×104hm2，隸屬于海南藏族自治州，約占全州總面積的14.45%，東與黃南藏族自治州澤庫(kù)縣為鄰，南與同德縣，西與興?？h和共和縣，北與貴德縣接壤。近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，牧民超載過(guò)牧嚴(yán)重，導(dǎo)致自然生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重失衡，生物多樣性降低，草地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，草層高度降低，毒雜草比例上升，裸地增加，土壤蓄水保肥能力減弱，水土流失加劇，全縣近 90% 的天然草地出現(xiàn)不同程度的退化和沙化 。因此，在該地區(qū)進(jìn)行退化草地的恢復(fù)治理，對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、 增加草地涵養(yǎng)水源的功能，提高牧草產(chǎn)量促進(jìn)當(dāng)?shù)匦竽翗I(yè)發(fā)展具有重要意義。補(bǔ)播是退化草地恢復(fù)治理的有效途徑之一，退化草地補(bǔ)播能大幅度提高草地生產(chǎn)力，增加優(yōu)質(zhì)牧草比例和植被蓋度。草地補(bǔ)播是否成功將會(huì)影響到草地畜牧業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展，張永超等(2012)[1]研究了補(bǔ)播對(duì)高寒草甸生產(chǎn)力和植物多樣性的影響；宋春橋等(2011)[2]研究了藏北地區(qū)草地補(bǔ)播及放牧制度對(duì)草地覆蓋影響的遙感監(jiān)測(cè)研究；焦菊英等(2005)[4]研究了黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地植物群落與土壤環(huán)境因子的對(duì)應(yīng)分析；閻子盟等(2014)[5]研究了天然草地補(bǔ)播豆科牧草的研究進(jìn)展。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)草地退化面積已占草地總面積的70%，草地退化越來(lái)越嚴(yán)重。因此，弄清高寒草甸補(bǔ)播地土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響是重要的和有意義的。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)樣地設(shè)在海南州貴南縣加尚村陽(yáng)坡灘地，地理坐標(biāo)為北緯35°23′8″，東經(jīng)101°19′49″，海拔高度3 686 m。草地類型為高寒草甸，原生植被主要是矮生嵩草(Kobresiahumilis)、高山嵩草(K.pygmaea)、線葉嵩草(K.capillifolia)，試驗(yàn)地多呈現(xiàn)“黑土灘”景觀，退化嚴(yán)重，鼠蟲(chóng)害也很嚴(yán)重，補(bǔ)播的牧草是垂穗披堿草，補(bǔ)播時(shí)間是2020年6月份。采樣時(shí)間是2020年8月22日。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源 用GPS 測(cè)定海拔、經(jīng)度、緯度，采用樣線法(10cm)探明不同地塊補(bǔ)播牧草的生長(zhǎng)特性(植株密度)，用三參儀測(cè)得每一樣線0～7.5 cm、7.5～15 cm的溫度、電導(dǎo)率、濕度，重復(fù)3次。用緊實(shí)度儀測(cè)定土壤緊實(shí)度，每一樣線用土鉆取土三鉆，分為0～7.5 cm 、7.5～15 cm2層，將同一樣地的同一層混合在一起，裝入布袋編號(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室使其自然風(fēng)干，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定樣地土壤養(yǎng)分特征。土壤速效氮、速效磷、速效鉀和全效氮、全效磷、全效鉀和有機(jī)質(zhì)，委托青海省農(nóng)林科學(xué)院分析測(cè)試中心測(cè)定。土壤質(zhì)地和pH實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，土壤質(zhì)地是甲重比重法測(cè)定，pH是pH測(cè)定儀測(cè)定的。

2.2.2 指標(biāo)選擇 土壤指標(biāo)：土壤速效磷、速效氮、速效鉀、全效氮、全效磷、全效鉀、有機(jī)質(zhì)、質(zhì)地、pH值和土壤緊實(shí)度。

補(bǔ)播牧草指標(biāo)：垂穗披堿草株數(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 應(yīng)用IBM SPSS21.0軟件進(jìn)行主成分回歸分析[6]，因變量Y 為株數(shù)，自變量X1為0～7.5 cm土層的pH，X2為全N，X3為全P，X4為全K，X5為堿解N，X6為速效P，X7為速效K，X8為有機(jī)質(zhì)，X9為溫度，X10為電導(dǎo)率，X11為濕度，X12為表層0 cm處緊實(shí)度，X13為表層5 cm處緊實(shí)度，X14為表層10 cm處緊實(shí)度，X15為表層15 cm處緊實(shí)度，X16為表層20 cm處緊實(shí)度，X17為表層25 cm處緊實(shí)度，X18為表層30 cm處緊實(shí)度，X19為表層35 cm處緊實(shí)度，X20為表層40 cm處緊實(shí)度，X21為表層45 cm處緊實(shí)度，X22為表層50 cm處緊實(shí)度，X23為7.5～15 cm土層的pH，X24為全N，X25為全P，X26為全K，X27為堿解N，X28為速效P，X29為速效K，X30為有機(jī)質(zhì)。為了建立Y 對(duì)自變量X1，X2，X3……X30之間的依賴關(guān)系，主成分回歸的計(jì)算步驟如下：

(1)為了使結(jié)果不受量綱的影響，先把原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；

(2)求X′X 的特征值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正交化特征向量；

(3)做回歸自變量選擇。最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為第一主成分的系數(shù)，第二大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為第二主成分的系數(shù)，以此類推。取幾個(gè)主成分取決于主成分對(duì)因變量的解釋程度。如果前i個(gè)特征值之和與所有特征值之和的比達(dá)到一定的程度，比如85%時(shí)，就可以認(rèn)為這些主分就能代替所有的自變量體系。剔除對(duì)應(yīng)的特征值比較小的那些主成分。

(4)做正交變換Z=XΦ，獲得新的自變量；

(5)將剩余的成分對(duì)因變量進(jìn)行普通最小二乘回歸，再返回到原來(lái)的參數(shù)，便得到因變量對(duì)原始變量的主成分回歸。

表1(1) 土壤理化因子

表1(2) 7.5～15 cm土壤理化因子

表1(3) 土壤緊實(shí)度測(cè)定

3 結(jié)果分析

3.1 土壤理化性質(zhì)與補(bǔ)播牧草出苗率主成分分析

應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行土壤理化性質(zhì)與補(bǔ)播牧草出苗株數(shù)主成分分析，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，0～7.5 cm表層土深ZpH、Z全N、Z全P、Z全K、Z堿解N、Z速效P、Z速效K、Z有機(jī)質(zhì)、Z溫度、Z電導(dǎo)率、Z濕度、Z表層0 cm處緊實(shí)度、Z表層5 cm緊實(shí)度、Z表層10 cm緊實(shí)度、Z表層15 cm緊實(shí)度、Z表層20 cm緊實(shí)度、Z表層25 cm緊實(shí)度、Z表層30 cm緊實(shí)度、Z表層35 cm緊實(shí)度、Z 表層40 cm緊實(shí)度、Z表層45 cm緊實(shí)度、Z表層50 cm緊實(shí)度；7.5～15ZpH、Z堿解N、Z全P、Z全K、Z速效N、Z速效P、Z速效K、Z有機(jī)質(zhì)，這30個(gè)土壤理化因子經(jīng)過(guò)主成份分析，降維成了少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 主成分提取匯總

續(xù)表

表2顯示30個(gè)特征值分別為λ1=11.116，λ2=5.525，λ3=4.993，λ4=3.423，λ5=1.421，λ6=1.203，λ7=0.807……λ30=0.000，發(fā)現(xiàn)前四個(gè)特征值的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到83.524%，就可以認(rèn)為這些主成分就能代替所有的自變量體系。剔除對(duì)應(yīng)的特征值比較小的那些主成分，因此相應(yīng)的因子載荷矩陣如表3。

表3 相應(yīng)的因子載荷矩陣

續(xù)表

最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為第一主成分的系數(shù)，第二大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為第二主成分的系數(shù)，以此類推。從表2、表3看出特征值之和與所有特征值之和的比達(dá)到83.524%，就可以認(rèn)為這些主分就能代替所有的自變量體系。剔除對(duì)應(yīng)的特征值比較小的那些主成分。

第一主成分：第一主成分的因子有：ZpH7.5(0.700)、Z全N7.5(0.719)、Z堿解N7.5(0.693)、Z速效P7.5(0.441)、Z速效K7.5(0.941)、Z濕度(-0.783)、Z緊實(shí)度10(0.532)、Z緊實(shí)度15(0.829)、Z緊實(shí)度25(0.816)、ZpH15(0.887)、Z全K15(0.679)、Z堿解N15(0.688)、Z速效P15(0.772)、Z速效K15(0.934)、Z有機(jī)質(zhì)15(0.619)，他們的特征值λ1等于11.116。

第二主成分：第二主成分的因子有：Z全P7.5(0.901)、Z電導(dǎo)率(0.810)、Z緊實(shí)度35(0.671)、Z緊實(shí)度40(0.816)、Z緊實(shí)度45(0.815)，他們的特征值λ2等于5.525。

第三主成分：第三主成分的因子有：Z全K7.5(-0.789)、Z有機(jī)質(zhì)7.5(0.531)、Z緊實(shí)度0(0.731)、Z緊實(shí)度5(0.544)、Z緊實(shí)度50(0.701)、Z全P15(0.600)，他們的特征值λ3等于4.993。

第四主成分： 第四主成分的因子有：Z溫度(0.607)，他們的特征值λ4等于3.423。

其中各因子的數(shù)值越大，特征值就越大，對(duì)出苗率的影響就越大，有的因子對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率有一定的負(fù)面影響，因此，第一主成分土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響力度最大，然后第二主成分，以此類推。

3.2 土壤理化性質(zhì)與補(bǔ)播牧草出苗率的回歸模型

經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算，最終得到了回歸模型如表4。

表4 回歸模型

從表4中得到回歸方程：

Y=(-5.9047×pH7.5+4.521×全N7.5-2.9866×全P7.5-1.4933×全K7.5+0.3151×有機(jī)質(zhì)7.5-0.1781×溫度-267.15×電導(dǎo)率-0.3562×濕度+0.5617×緊實(shí)0+0.1233×緊實(shí)5+0.0548×緊實(shí)10+0.0137×緊實(shí)15-0.0274×緊實(shí)20-0.0274×緊實(shí)25+0.0137×緊實(shí)30-1.781×pH15+5.8225×全N15+3.1373×全P15-0.8631×全K15+0.0137×堿解N15+0.2329×速效P15+3.699×有機(jī)質(zhì)15)+56.5612。

在此方程中自變量的回歸系數(shù)越大，土壤理化因子對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響越大，由此方程可知土壤中的pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、全N，全K，對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響很大，其他的也有一定的影響，但不明顯。土壤緊實(shí)度中，緊實(shí)度0 cm的影響力大于緊實(shí)度5 cm的影響力，緊實(shí)度5 cm的影響力大于緊實(shí)度10 cm的影響力，當(dāng)表層20 cm緊實(shí)度時(shí)，緊實(shí)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著土層越來(lái)越深，對(duì)出苗率的影響越小，緊實(shí)度30 cm時(shí)，對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率幾乎無(wú)影響。在7.5～15 cm的土層中，堿解N、速效P對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率有一定的影響。

4 討論

高寒草甸補(bǔ)播地土壤中的pH、有機(jī)質(zhì)、電導(dǎo)率、全N，全K，對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響很大，貢獻(xiàn)率達(dá)到83.524%。

土壤pH的大小決定著土壤的酸堿程度，直接或間接的影響植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收，進(jìn)而影響土壤中各種元素的轉(zhuǎn)化和遷移。反過(guò)來(lái)，土壤中各種元素的變化也在不同程度上改變著土壤的pH值，隨土壤過(guò)堿，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量低、 酸性淋溶作用強(qiáng)、 質(zhì)地黏重、 結(jié)構(gòu)性差，土壤板結(jié)，土壤通氣性、 透水性差，土壤水、 氣、 熱不協(xié)調(diào)，容易發(fā)生沖刷，引起水土流失，土壤肥力降低，pH過(guò)高除部分耐鹽、堿植物存活外，絕大部分優(yōu)良牧草均不能正常生長(zhǎng)，pH過(guò)低，也不利于植物的生長(zhǎng)。土壤過(guò)酸或過(guò)堿，都會(huì)導(dǎo)致其物理性質(zhì)變差，造成土壤和植物的抗逆性減弱，抵御旱澇等自然災(zāi)害的能力下降，生產(chǎn)能力降低。同樣，也影響著補(bǔ)播牧草的出苗率。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了一系列關(guān)于土壤有效養(yǎng)分與土壤 pH值的相關(guān)性研究，一般認(rèn)為，土壤養(yǎng)分有效性的最高值大多出現(xiàn)在土壤 pH 值6. 5～7.5之間(2013)[7]。土壤pH值過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使植物所需養(yǎng)分元素的生物有效性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致植株某些元素營(yíng)養(yǎng)失調(diào)。試驗(yàn)研究表明，土壤酸化會(huì)導(dǎo)致鹽基離子淋失加速，且其淋失量隨土壤pH值變化而變化，淋失總量與 H+濃度呈極顯著的相關(guān)關(guān)系( r =0. 9990)，長(zhǎng)期作用會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分庫(kù)的損耗，造成土壤養(yǎng)分貧瘠。甲卡拉鐵等[8]研究發(fā)現(xiàn)，pH值較低時(shí)，K+不易被土壤固定，這時(shí)鉀的有效性較高；pH值升高后，土壤對(duì)K+的固定作用加強(qiáng)，鉀的有效性降低，即有效鉀含量隨著土壤pH值的升高而降低。而磷在酸性條件下易被鐵、鋁固定，在堿性的石灰質(zhì)土壤又易被鈣固定，說(shuō)明磷在中性條件下才能發(fā)揮其最高有效性。一些微量元素如鐵、 鋅、 銅、 硼在酸性條件下具有較高有效性，而鉬卻是在堿性條件下有效性較高。以上研究表明，大多養(yǎng)分元素的有效性受土壤 pH 影響。

由于在一定濃度范圍內(nèi)，溶液的含鹽量與電導(dǎo)率呈正相關(guān)(2007)[9]，因而土壤浸出液的電導(dǎo)率的數(shù)值能反映土壤含鹽量的高低，在本實(shí)驗(yàn)中，電導(dǎo)率為-267.15，說(shuō)明，土壤含鹽量偏低，影響了補(bǔ)播牧草的出苗率。

有機(jī)質(zhì)、全N、全K對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率有一定程度的影響，牧草出苗需要這些養(yǎng)分。

土壤緊實(shí)度中，表層0 cm緊實(shí)度的影響力大于表層5 cm緊實(shí)度的影響力，表層5 cm緊實(shí)度的影響力大于表層10 cm緊實(shí)度的影響力，當(dāng)表層20 cm緊實(shí)度時(shí)，緊實(shí)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，原因在于，當(dāng)表層土20 cm時(shí)，土壤越緊實(shí)越有利于牧草的出苗率，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，土壤變緊實(shí)有利于保持土壤中的含水量，隨著土層越來(lái)越深，對(duì)出苗率的影響越小，表層30 cm緊實(shí)度時(shí)，對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率幾乎無(wú)影響。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，植株的根系長(zhǎng)度有一定的范圍，當(dāng)土層深度到30 cm時(shí)，植株根系長(zhǎng)度已經(jīng)到達(dá)極限了，因此，土層深度到達(dá)30 cm以下，對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率幾乎無(wú)影響，越往表層的土，對(duì)牧草出苗率的影響越大。因此，高寒草甸補(bǔ)播地土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響研究是有必要，雖然影響補(bǔ)播牧草出苗率的因素很多，如栽培措施、管理水平、放牧程度、鼠蟲(chóng)害等的影響，但高寒草甸補(bǔ)播地的土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響更為重要，影響也最大。弄清楚補(bǔ)播地土壤理化性質(zhì)對(duì)補(bǔ)播牧草出苗率的影響，可以提高草地補(bǔ)播的成功率，可以增加草層的植被種類成分，增加草地覆蓋度，改善草地群落品質(zhì)，提高草地產(chǎn)草量。