一年生-多年生牧草混播改善放牧管理下斑块退化栽培草地的牧草生产力和土壤质量

《Land Degradation & Development》：Annual–Perennial Forage Mixtures Improve Forage Productivity and Soil Quality in Patchily Degraded Cultivated Pastures Under Grazing Management

　　

长期放牧下栽培草地的斑块退化是限制草地生产力的严重问题。利用一年生和多年生豆科-禾本科混播（具有互补功能优势）可能提供一种基于补播的实用方法，以改善斑块退化的栽培草地；然而，关于斑块大小如何影响不同混播比例在放牧管理下的表现，目前信息有限。本研究评估了多年生牧草混播（D: 鸭茅 *Dactylis glomerata* L. + 白三叶 *Trifolium repens* L.）与一年生牧草混播（Y: 黑麦 *Secale cereale* L. + 毛叶苕子 *Vicia villosa* Roth）之间不同播种比例对中国西南部斑块退化栽培草地改善的影响。在两种相对斑块大小等级（较小退化斑块1–2 m² 和较大退化斑块 > 2.5 m²）下，设置了一个未补播对照（CK）和五种D:Y补播比例（10:0 (D)、0:10 (Y)、3:7 (D3Y7)、5:5 (D5Y5) 和 7:3 (D7Y3)），并在实际放牧和施肥管理下评估其对牧草生产力、土壤理化性质、土壤酶活性和土壤质量指数（SQI）的影响。结果表明，与CK和单播处理相比，一年生-多年生混播普遍提高了牧草地上生物量（AGB）和土壤质量。连续两年补播后，D5Y5在小斑块中产生了最高的AGB和SQI，而D3Y7在大斑块中表现最佳。随机森林分析表明，两种斑块类型中一年生牧草比例主要与土壤铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）相关。在小斑块中，土壤脲酶活性（URE）是影响AGB的唯一显著因子，而地下生物量（BGB）主要受NO₃^--N和URE影响。在大斑块中，AGB主要受NH₄⁺-N、NO₃^--N和全氮影响，而BGB主要受NH₄⁺-N、β-葡萄糖苷酶和土壤含水量影响。这些发现表明，随着斑块增大，牧草生产力的调控从少数主导因子转向更广泛的土壤养分和酶相关变量。总体而言，一年生-多年生豆科-禾本科混播为放牧管理下斑块退化栽培草地的牧草生产力和土壤肥力改善提供了一种基于补播的实用方法。

**论文解读：一年生-多年生牧草混播改善斑块退化栽培草地的牧草生产力和土壤质量**

**研究背景与问题**
草地生态系统覆盖地球陆地表面约40%，对气候调节、水源涵养和生物多样性维持至关重要。然而，全球约49%的草地存在不同程度的退化，其中22%严重退化且生产力显著下降。长期放牧管理不当，特别是过度放牧，是导致草地退化的主要人为因素，可造成植被覆盖度降低、土壤侵蚀加剧和养分流失。在过度放牧的草地上，常出现斑块退化现象——即退化区域呈斑块状分布，这主要由杂草入侵、牲畜选择性采食等因素驱动。退化斑块中，适口性好的植物减少，而耐逆性强、具有克隆繁殖或化感作用的杂草（如蒿属 *Artemisia* 物种）占据生态位，进一步抑制土壤微生物活性和养分有效性，加速退化过程。中国南方亚热带高海拔地区草地面积约327万公顷，但长期不当放牧加上频繁强降雨（70%以上降水集中在6–9月），导致约60%的草地退化。因此，亟需实用的草地改良方法。豆科牧草因具有生物固氮潜力和高营养价值而被广泛用于草地恢复，但多年生豆科牧草建植初期生长缓慢，难以快速覆盖地表。相比之下，一年生豆科牧草建植快、生物量积累迅速，混播禾本科后能快速提高产量和覆盖度，减少水土流失。然而，关于一年生与多年生牧草混播比例在斑块退化草地中的效果，特别是斑块大小如何影响不同混播比例的表现，研究尚不充分。为此，研究人员开展了本研究，旨在评估不同一年生-多年生牧草混播比例对放牧管理下不同大小退化斑块的牧草生产力、土壤理化性质、土壤酶活性和土壤质量指数（SQI）的影响，并识别与地上生物量（AGB）和地下生物量（BGB）相关的关键土壤因子。

**研究的技术方法**
研究地点位于中国云南省昆明市寻甸回族彝族自治县（海拔2502 m），属亚热带气候，年均温15.5°C，年降水1112 mm。试验地选在连续放牧12年后出现斑块退化的鸭茅（*Dactylis glomerata* L.）为主的栽培草地。按退化斑块面积分为两类：小斑块（1–2 m²）和大斑块（> 2.5 m²）。设置6个处理：未补播对照（CK）和5种补播比例——多年生牧草混播（D: 鸭茅+白三叶）与一年生牧草混播（Y: 黑麦+毛叶苕子）之间的体积比分别为10:0 (D)、0:10 (Y)、3:7 (D3Y7)、5:5 (D5Y5) 和 7:3 (D7Y3)。每个处理3次重复，共36个小区。采用轮牧制度，当牧草高度达35–40 cm时放牧，残茬高度5–8 cm时停止。每年6月中旬和9月初各施尿素75 kg ha^?1（46% N）和镁磷复合肥225 kg ha^?1（18%过磷酸钙）。2024年和2025年连续两年进行植物和土壤采样，测定AGB、BGB、土壤理化性质（pH、容重、水分、有机碳、全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、有效磷）和4种土壤酶活性（脲酶、酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化氢酶）。采用单因素方差分析（ANOVA）、独立样本t检验、冗余分析（RDA）、主成分分析（PCA）和随机森林分析等方法进行统计。

**研究结果**
**3.1 补播对斑块退化草地生产力的影响**
在小斑块中，2024年一年生混播（Y）和所有一年生-多年生混播处理（D3Y7、D5Y5、D7Y3）的AGB显著高于多年生混播（D）；2025年D7Y3与Y无显著差异。在大斑块中，Y、D3Y7、D5Y5、D7Y3的AGB均显著高于D；2024年D3Y7的AGB显著高于其他混播处理，2025年D3Y7在所有处理中最高。BGB方面，2024年所有混播处理均显著高于D；2025年小斑块中混播处理显著高于D和Y，其中D7Y3最高；大斑块中仅D3Y7显著提高了BGB。

**3.2 补播对土壤理化性质的影响**
在两种斑块中，补播处理对土壤pH无显著影响。小斑块中D3Y7、D5Y5、D7Y3的土壤容重显著低于D和Y，大斑块中D3Y7和D5Y5显著降低容重。土壤含水量、有机碳和全氮含量在D3Y7、D5Y5、D7Y3处理下显著高于D和Y。小斑块中仅D3Y7和D5Y5的全磷和硝态氮含量较高；大斑块中D3Y7、D5Y5、D7Y3的全磷和硝态氮显著高于D和Y。

**3.3 补播对土壤酶活性的影响**
小斑块中，混播处理（D3Y7、D5Y5、D7Y3）的脲酶和过氧化氢酶活性显著高于单播处理D和Y；酸性磷酸酶和β-葡萄糖苷酶在D5Y5下显著高于其他处理。大斑块中，D3Y7、D5Y5、D7Y3的脲酶、β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性显著高于D和Y。PCA分析显示，两种斑块中前两个主成分分别解释了78.2%和79.5%的变异。SQI值在混播处理下显著高于CK、D和Y；小斑块中D5Y5的SQI最高，大斑块中D3Y7最高。Mantel检验和随机森林分析表明，小斑块中一年生牧草比例主要与NH₄⁺-N和NO₃^--N相关；AGB仅与脲酶显著相关；BGB主要受NO₃^--N和脲酶影响。大斑块中，一年生比例同样与NH₄⁺-N和NO₃^--N相关；AGB主要受NH₄⁺-N、NO₃^--N和全氮影响；BGB主要受NH₄⁺-N、β-葡萄糖苷酶和土壤含水量影响。

**讨论与结论**
讨论部分指出，一年生-多年生混播通过互补资源利用和时间生态位分化提高了总生物量。一年生牧草快速建植可迅速增加地表覆盖、抑制杂草、减少雨季土壤侵蚀，为多年生牧草创造有利条件；多年生牧草则通过持续的根系和分蘖维持长期生产力。不同斑块大小下最佳混播比例不同：小斑块土壤条件相对稳定，D5Y5（平衡混播）效果最佳；大斑块退化更严重，环境异质性高，D3Y7（高比例一年生）更利于快速恢复。混播还显著降低了土壤容重、提高了含水量和养分含量，这可能与根系生长改善土壤结构、残体分解增加有机质输入有关。土壤酶活性（脲酶、β-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶）的增强表明碳、氮、磷循环潜力提高，一年生与多年生牧草的功能互补（一年生快速提供残体，多年生持续提供根系输入）共同促进了土壤生化过程。随机森林分析揭示，随着斑块增大，影响生产力的因子从少数（无机氮和脲酶）扩展到更多（氮素、水分、β-葡萄糖苷酶等），说明大斑块中生产力受更复杂的养分-水分-酶相互作用调控。

**结论部分翻译**：
本研究表明，补播一年生-多年生豆科-禾本科混播可以改善放牧管理下斑块退化栽培草地的牧草生产力、土壤理化性质、土壤酶活性和整体土壤质量。然而，补播的响应因斑块大小而异。连续两年补播后，D5Y5在小斑块中表现最佳，而D3Y7在大斑块中改善最大，表明补播策略应根据斑块大小相关的异质性进行调整。随机森林分析进一步显示，小斑块和大斑块中与生产力相关的关键因子不同。在小斑块中，生产力主要与有限变量相关，尤其是土壤无机氮和脲酶活性。相比之下，大斑块中的生产力与更广泛的土壤变量相关，包括无机氮、全氮、土壤含水量和β-葡萄糖苷酶活性。这一结果表明，随着斑块增大，牧草生产力受到土壤养分有效性、水分状况和酶介导的养分循环之间更复杂相互作用的影响。总体而言，一年生-多年生豆科-禾本科混播为改善斑块退化栽培草地提供了一种基于补播的实用方法。这些发现强调了根据斑块大小调整补播比例的重要性，并为在放牧管理下制定更有针对性的草地改良措施提供了有用参考。