有机肥施用量和播种方式对高...物群落生长和土壤养分的影响_刘万杰.pdf
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1、GRASSLAND AND TURF(2023)Vol.43 No.2 有机肥施用量和播种方式对高寒矿区植物群落生长和土壤养分的影响刘万杰,蒋福祯,马利利,李正鹏*(青海大学农林科学院,青海 西宁 810016)摘要:【目的】探究适宜的高寒矿区生态恢复措施。【方法】通过有机肥改良土壤的方法在青海木里矿区设置双因素完全随机区组试验,探究不同有机肥施用量(低、中、高)和 3种播种方式(条播、穴播、撒播)对高寒矿区植物群落的生长特征和土壤养分的影响,并对其投入和产出进行综合评价。【结果】1)低有机肥施用量与撒播相结合(Y1F3)的方式,其植物群落高度、盖度和地上生物量均最优;2)高有机肥施用量与撒播
2、相结合(Y3F3)的方式,其土壤营养成分整体较佳;3)基于主成分分析,高有机肥施用量(羊板粪 33 m3/667 m2+商品有机肥 1.5 t/667 m2)+微播处理的土壤养分和植物生长综合效果最好,但成本高;(4)基于熵权 TOPSIS 法得出低有机肥施用量(羊板粪 11 m3/667 m2+商品有机肥 0.5 t/667 m2)+撒播处理最接近最优方案,指标相对接近度为 0.704,其投入产出效率最高。【结论】从投入和产出的综合角度看,低有机肥施用量+撒播的经济效益最好,同时对植物群落生长、土壤改良效果较好。关键词:高寒矿区;有机肥施用量;播种方式;主成分分析;熵权 TOPSIS法中图分
3、类号:S158.3 文献标志码:A 文章编号:1009-5500(2023)02-0116-10 DOI:10.13817/ki.cyycp.2023.02.014青藏高原是中国最大的高原,也是世界海拔最高的高原,有“世界屋脊”和“第三极”之称1,约占全球土壤 碳 库 的 2.5%,在 全 球 碳 循 环 中 起 着 重 要 的 作用2-4,是我国乃至亚洲重要的生态安全屏障。青藏高原草原占我国草原面积的 44%5-6,木里矿区位于青藏高原祁连山南麓腹地,持续多年的煤炭开采形成了 11 个巨大的矿坑、19 个由煤矸石堆积成的渣山,对高寒草地造成了毁灭性的破坏7-9。煤渣山是露天开采中形成的结构松
4、散、土壤粒径分布不均(其中岩石占比较大)、孔隙度较大的堆集体10,木里矿区由于多年采伐,煤渣山原有的植物群落已经消失殆尽,可用土壤深埋于煤渣山底部,煤渣山表层可利用土壤比例较少,且由于海拔高,气候条件恶劣,植物生长季不足3 个月,没有绝对无霜期,且年降水量较少,平均温度极低,自然生态恢复极其缓慢。煤渣山生态修复的主要过程是平整地面、土体再造、土壤培肥、先锋植物种植11等,表层土壤重构、植被恢复是煤渣山快速生态修复的关键环节12-14。经过地貌重塑的煤渣山表层养分含量极低,不利于植物生长。培肥土壤是土壤重构的关键环节,一般采用种植绿肥作物后翻压、施用有机肥和化肥、使用土壤改良剂等方法增加土壤可用
5、养分15。羊板粪作为天然的有机肥料,能够增加土壤中的蛋白酶、脱氢酶、脲酶和纤维素酶活性,提高有机质含量和速效养分含量,改善微生物群落结构,对于生态恢复起着重要的作用16-17。植被恢复是植物与环境相互影响、相互作用的过程,针对高寒矿区的植被恢复,大多选用抗寒、抗旱、耐贫瘠的草种,如青海草地早熟禾(Poa pratensis)、青 海 冷 地 早 熟 禾(Poa crymophila)、同 德 小 花 碱 茅(Puccinellia tenuiflora)、中华羊茅(Festuca sinensis)、收稿日期:2022-01-17;修回日期:2022-05-04基金项目:青海省重点研究与转化计
6、划(2021-SF-170)作者简介:刘万杰(1993-),男,河南安阳人,硕士研究生。E-mail:*通信作者。E-mail:116第 43 卷 第 2 期草 原 与 草 坪 2023 年垂穗披碱草(Elymus nutans)等18。播种方式有条播、穴播、撒播19,不同播种方式各有特点。条播一般采用机械播种,集开沟、播种、覆土、镇压于一体,省时省力,且播种均匀,行间距可控,但无株距;穴播具有播种均匀,通风透光性好,能充分利用土壤中的养分和水分20;撒播具有省时省力的特点,但种子在土壤表面,易遭到雨水冲刷和风力的影响,导致出苗不均匀。目前,牧草的播种方式主要以撒播为主,补播时通常采用穴播的方
7、式,条播主要应用在粮食作物,不同的播种方式对粮食作物的株高、产量均有影响9。本研究将不同的播种方式应用于矿区生态恢复中,探究其对植物生长的影响21-23。青海海西地区羊板粪含量巨大,大量的羊板粪被丢弃在围栏中24,因此本试验因地制宜,采用以羊板粪和商品有机肥改良煤渣山表土。在林草局提供的方案的基础上,进一步设置了不同播种方式和有机肥梯度,并且添加速效和缓效化肥的方法,重新构建植物群落、土壤,探究第一年矿区植物群落的生长特征、土壤的养分变化,以及经济效益,从而筛选出经济、适合的高寒矿区生态恢复措施。1材料和方法1.1试验地概况木里煤矿江仓矿区地处青藏高原东北端的祁连山中段南部地区。平均海拔 4
8、100 m,高寒大陆性气候,只有冷暖季,最高气温为 19.8,最低气温可达-34,年均气温-1.68,年降水量 426860 mm,主要集中在 5-9 月,该阶段降水量占全年降水量的80%左右。土壤类型主要以高山灌丛草甸土和高山草甸土为主。高寒灌丛以金露梅(Potentilla fruticosa)为主。高寒草甸优势种群主要有矮生蒿草(Kobresia humilis)、线 叶 蒿 草(K.Capillifolia)、高 山 嵩 草(K.pygmaea)等,伴生种类主要有羊茅(Festuca ovina)、垂穗 披 碱 草(Elymus nutans)、高 原 毛 茛(Ranunculus t
9、anguticus)等25。1.2试验设计试验于 2021 年 6-9 月进行。采用双因素(有机肥施用量播种方式)随机区组设计。有机肥施用量设置 3 个水平,分别为低有机肥施用量(Y1):羊板粪11 m3/667 m2+商品有机肥 0.5 t/667 m2;中有机肥施用 量(Y2):羊 板 粪 22 m3/667 m2+商 品 有 机 肥1.0 t/667 m2;高 有 机 肥 施 用 量(Y3):羊 板 粪33 m3/667 m2+商品有机肥 1.5 t/667 m2。播种方式设置 3个水平:分别为条播(F1,播种深度 2 cm),穴播(F2,播种深度 2 cm),撒播(F3)。两因素完全组
10、合共9 个处理,重复 4 次,共 36 个小区,小区面积 20 m2.5 m,以 CK(不施肥,撒播)为对照。播种前将煤渣山表层矿渣经过机械破碎后形成粒径5 cm 的砾石,然后压实,平整地面。2021 年 6月播种,供试 5种牧草均来自青海牧科院,分别为青海冷地早熟禾(Poa crymophila cv.Qinghai)、青海草地早熟禾(Poa pratensis cv.Qinghai)、同德小花碱茅(Puccinellia tenuiflora cv.Tongde)、中华羊茅、垂穗披碱草,按草籽重量 1 1 1 1 1混播,播种量 180 kg/hm2,统一施入树脂包衣尿素 136 kg/h
11、m2、磷酸二胺 83 kg/hm2。1.3测定指标及方法1.3.1 植 物 群 落 生 长 指 标 的 测 定 地 上 生 物 量:2021 年 9 月 7 日进行采样,每小区随机选 0.5 m0.5 m 的样方,齐地面刈割,将地上部分装入纸袋,105 下杀青 30 min,75 下烘至恒重;盖度:采用方格法:将 10 cm8 cm 的方格架置于植物上方,每个方格内植物群落面积超过 50%记为 1,统计其占总方格的比例;植物群落高度:采用直尺测量地面到植物顶部的自然高度;密度:将 0.2 m0.2 m 样方内的植株带土挖出,数出全部株数,计算密度。表 1矿区裸地基本化学性质Table 1Bas
12、ic chemical properties of bare land in mining area类型渣土全氮/(gkg-1)1.52全磷/(gkg-1)0.73全钾/(gkg-1)27.37碱解氮/(mgkg-1)12.4速效磷/(mgkg-1)7.84速效钾/(mgkg-1)189.2有机质/(gkg-1)127.84pH值7.94117GRASSLAND AND TURF(2023)Vol.43 No.2 1.3.2土壤指标的测定2021年 9月 7日,采用对角线五点取样法,将每个小区的土样去除石块、根系采回,测定土壤养分含量、有机质含量 pH 值。土壤养分测定参照鲍士旦26的方法测定
13、。pH 值采用酸度计(雷磁 PHS-2F)测定。1.4数据分析通过 Excel 2010 进行数据整理,SPSS 23.0 进行多因素方差分析、主成分分析、LSD 进行多重比较,使用 SPSSAU 分析软件进行指标的权重分析,对各个指标进行归一化处理,同时采用 TOPSIS 方法综合评分(对指标的数据进行归一化处理,可以降低不同指标单位不一造成的影响,然后根据实际情况对不同指标做正向化处理和逆向化处理,同时计算各个指标的权重,将处理后的数据与指标权重相乘,得到新的数据后利用 TOPSIS 法进行排序),对投入和产出进行综合评价,用 Origin 2018作图。2结果与分析2.1有机肥施用量和播
14、种方式对矿区植物群落生长的影响有机肥施用量对植物群落高度、盖度、地上生物量均有极显著影响,对密度没有显著影响(表 3)。随着有机肥施用量的增加,植物群落高度、盖度、生物量呈现增加的趋势,与中等有机肥施用量相比,继续增加有机肥,植物群落高度、盖度、地上生物量没有显著增加。中、高有机肥施用量的植物群落高度(20.66 cm、21.02 cm)显著高于低有机肥施用量 17.38 cm(P0.05);不同有机肥施用量的盖度范围为 95.07%99.37%,中、高有机肥施用量的盖度显著高于低有机肥施用量(P0.05);中、高有机肥施用量的地上生物量(395.40 g/m2、398.69 g/m2)显著高
15、于低有机肥施用量 292.17 g/m2(P0.05)。不同播种方式对植物群落高度、密度、盖度、地上生物量均有显著影响(表 3)。播种撒播的植物群落高度 23.01 cm 显 著 高 于 条 播 的 18.65 cm 和 穴 播 的17.41 cm(P0.05);穴播的密度 1 960 株/m2显著低于 条 播 的 8 460 株/m2和 撒 播 的 8 780 株/m2(P0.05);撒播的盖度最大,为 99.24%,显著高于条播的97.22%和穴播的 96.72%(P0.05);撒播的地上生物 量 最 大 为 440.71 g/m2,显 著 高 于 条 播 的 336.75 g/m2和穴播
16、的 308.81 g/m2(P0.05)。有机肥施用量和播种方式交互作用的 CK(不施表 2有机肥的初始化学性质和含水率Table 2Initial chemical properties and moisture content of organic fertilizer类型商品有机肥羊板粪全氮/(gkg-1)1.112.31全磷/(gkg-1)0.3741.234全钾/(gkg-1)1.31.673有机质/(gkg-1)40.0835.47pH值7.936.07含水率/%16.5337.19表 3有机肥施用量和播种方式对矿区草地植物群落生长特征的影响Table 3Effects of ap
17、plication amount of organic fertilizer and sowing method on the growth characteristics of grassland plant community in mining area因素有机肥施用量播种方式方差分析水平低中高条播穴播撒播有机肥施用量播种方式有机肥施用量播种方式植物群落高度/cm17.38b20.66a21.02a18.65b17.41b23.01a*密度/(株m-2)6 668a7 271a5 264a8 464a1 960b8 780aNS*NS盖度/%95.07b98.74a99.37a97.22
18、b96.72b99.24a*地上生物量/(gm-2)292.17b395.40a398.69a336.75b308.81b440.71a*注:*和*分别表示不同水平在 0.05 和 0.01 水平上差异显著。下表同118第 43 卷 第 2 期草 原 与 草 坪 2023 年肥,撒播)出苗后不久即停止生长死亡,说明原始土壤的养分不能满足植物生长的需要。交互作用显著影响植物群落高度、盖度、地上生物量,而对植株的密度无显著影响(表 3)。由图 1 可知,Y1F3 的植物群落高度最高,除了 Y2F3、Y3F1 和 Y3F3 外,显著高于其他处理(P0.05);Y1F2 的盖度最低,为 92.42%,
19、其次为 Y1F1,显著低于其他处理(P0.05)。但中有机肥施用量的 3 个处理、高有机肥施用量的 3 个处理和Y1F3 之间的盖度差异均不显著;不同施肥量的撒播地上生物量之间无显著差异,Y1F3、Y2F3、Y3F1 和Y3F3的地上生物量在所有处理中是较高的,但是他们之间差异不明显,其中 Y1F3 地上生物量较 Y1F1、Y1F2平均增加了 118.73%、85.08%。综上所述,处理Y1F3的植物群落高度、盖度和地上生物量均最优,均显著高于 Y1F1、Y1F2(P0.05),与 Y3F3 无显著差异,说明低有机肥施用量和撒播的方式可以满足第一年植物生长的需要。2.2有机肥施用量和播种方式对
20、矿区土壤养分的影响随着有机肥施用量的增加,土壤的全氮、全磷,碱解氮、速效磷、速效钾含量呈现逐渐增加的趋势(表4);有机肥施用量对 pH 值没有显著影响,对其他指标均有显著影响(P0.05);低、中、高有机肥施用量的土壤全氮含量分别为 5.11、7.48、9.26 g/kg,较初始含量(1.52 g/kg)分 别 增 加 了 236.18%、392.11%、509.21%。随着有机肥施用量的增加,碱解氮含量呈现增加的趋势,中、高有机肥施用量比低有机肥施用量分别增加了 43.06%、54.41%,但中、高有机肥施用量之间无显著差异;低、中有机肥施用量的全钾、有机质含量之间无显著差异。播种方式对碱解
21、氮含量无显著影响,对其他指标均有显著影响;条播、穴播、撒播的全氮含量之间均有显著差异(P0.05),条播的全氮含量最低,为 6.23 g/kg,穴播和撒播相比于条播的全氮含量分别增加了17.01%、33.70%。图 1有机肥施用量和播种方式对植物群落高度、盖度、地上生物量的影响Fig.1The influence of application amount of organic fertilizer and sowing method on vegetation height,coverage and aboveground biomas注:不同小写字母表示不同处理差异显著(P0.05),下同
22、119GRASSLAND AND TURF(2023)Vol.43 No.2 有机肥施用量和播种方式的交互作用对全钾、速效磷、有机质含量均有显著影响,对其他营养成分含量的影响差异不显著,但整体上的趋势是高有机肥施用量和撒播(Y3F3)的处理方式下各营养成分含量较高(表 4)。Y1F2 处 理 的 全 钾 含 量 最 高,为 21.87 g/kg,与 Y2F1差异不显著外,均显著高于其他处理(P0.05);Y3F3 处理的全钾含量最低,为 17.02 g/kg,但与 Y1F1 和 Y3F2 处理差异不显著(图 2A)。Y3F3处 理 的 速 效 磷 含 量 最 高,为 90.66 mg/kg,除
23、 了 与Y3F1和 Y3F2处理差异不显著外,显著高于其他处理(PY3F1Y2F3Y3F2Y2F2Y1F3Y2F1Y1F1Y1F2,其中分数最高的是 Y3F3,为 1.70,说明其土壤养分含量和植物生长状况综合效果最好,最低的是Y1F2,说明其土壤养分和植物生长状况在所有处理中的综合效果较差。2.4对土壤养分、植物生长指标和投入的综合评价撒播、条播皆为机械播种,机械播种费用包括机械旋耕 1 200 元/hm2、机械播种的费用 1 200 元/hm2;穴播为人工播种,播种费用为 2 400 元/hm2;无纺布包含材料费 3 600 元/hm2和人工铺设成本 5 250元/hm2。从表 7可以看出
24、,低有机肥施用量条播、撒播的总成本为 65 880 元/hm2,中有机肥施用量的为 110 430元/hm2,高肥量的为 154 980元/hm2;穴播的低、中、高有 机 肥 施 用 量 总 费 用 为 67 080、111 630、156 180元/hm2。对地上生物量、盖度、全氮、全磷、全钾、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量用熵权法计算权重,对数据进行标准化处理,采用 Z-score 归一化进行数据处理。含有的信息越多,说明离散程度越大,权重越大。权重大小为成本投入全氮全钾全磷速效钾有机质碱解氮速效磷地上生物量植物群落 高 度 盖 度。其 中 成 本 投 入 所 占 权 重 最 大,为1
25、3.22%,其次为全氮所占权重 11.26%(表 8)。对各项投入产出进行标准化处理,其中土壤养分和植物生长特征指标作为产出进行正向化处理,有机肥施用量作为投入负向化处理,再对所有的投入产出进行归一化处理,利用熵权 Topsis计算出排名。每个处理接近最优方案的程度,接近最优方案程度越大,排名越高。从表 9 可以看出,Y1F3 的相对接近度最大,说明该方案的投入和产出效率最大,是目前所有处理中,投 入 和 产 出 比 例 最 适 宜 的,其 次 是 处 理 Y2F3 和Y2F2;在同样的投入情况下,撒播的产出大于穴播和条播。3讨论3.1有机肥施用量和播种方式对高寒矿区植物群落生长的影响木里矿区
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