引用本文
马和, 康建军, 张洋东, 朱丽, 谈嫣蓉, 邴丹珲. 祁连山高寒草原醉马草防除后优良牧草补播的土草效应. 草业科学, 2017,34(5):1072-1081
Ma He, Kang Jian-jun, Zhang Yang-Dong, Zhu Li, Tan Yan-rong, Bing Dan-hui. Effect of soil tillage on reseeded high quality forages after controlling Achnatherum inebrians in alpine grassland . Pratacultural Science,2017,34(5): 1072-1081  
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祁连山高寒草原醉马草防除后优良牧草补播的土草效应
马和, 康建军, 张洋东, 朱丽, 谈嫣蓉, 邴丹珲
甘肃省林业科学研究院,甘肃 兰州 730020
通信作者：康建军(1982-),男,甘肃张掖人,助理研究员,博士,研究方向为草地荒漠化防治。E-mail:kangjj07@lzu.edu.cn

第一作者:马和(1962-),男,河北行唐人,副研究员,本科,研究方向为草地生态学。E-mail:mh5380@126.com

收稿日期: 2016-11-03
基金: 基金项目:国家自然科学基金“黄河源区(玛曲)沙化草地褐鳞苔草阻固沙机理研究”(31360087)
摘要

本研究以我国北方天然草地毒草醉马草( Achnatherum inebrians)为研究对象,在甘肃省肃南县大河乡公路两侧对其种群数量较大的区域开展了草甘磷和重耙对比灭杀试验;在此基础上,采用随机区组试验设计,选择补播的优良牧草种类,总结了草地补播改良效果以及技术。结果表明,10%草甘磷防除效果超过98%,推荐使用剂量150~190 g·667 m-2为宜;重耙灭杀醉马草防除效果超过90%,推荐重耙措施为30 cm深度为宜。退化草地补播改良结果表明,浅翻耕条播、浅翻耕撒播、行内松土补播牧草的组合Ⅴ[垂穗披碱草( Elymus nutans)1 kg·667 m-2+紫羊茅( Festuca rubra)0.5 kg·667 m-2+草地早熟禾( Poa pratensis)0.3 kg·667 m-2+小冠花( Coronilla varia)0.2 kg·667 m-2]和组合Ⅵ[垂穗披碱草1 kg·667 m-2+紫羊茅0.5 kg·667 m-2+草地早熟禾0.2 kg·667 m-2+小冠花0.3 kg·667 m-2]的成活率分别为85%和73%,91%和87%,87%和75%,表现出较强的适应性。退化草地牧草补播的最适宜播种深度为1~4 cm,当播种深度为0和4~8 cm时,出苗率和成活率均较低。与不动土撒播相比,浅翻耕条播、行内松土补播牧草的组合Ⅴ和Ⅵ可有效改善土壤养分状况,使补播牧草高度、密度及生物量显著增加,可以在天然退化草地的生态恢复中推广应用。

关键词: 退化草地; 草甘膦; 重耙; 补播改良; 生态恢复
中图分类号:S812.6+8 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)05-1072-10 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0279
Effect of soil tillage on reseeded high quality forages after controlling Achnatherum inebrians in alpine grassland
Ma He, Kang Jian-jun, Zhang Yang-Dong, Zhu Li, Tan Yan-rong, Bing Dan-hui
Gansu Research Academy of Forestry Science and Technology, Lanzhou 730020, China
Corresponding author: Kang Jian-Jun E-mail:kangjj07@lzu.edu.cn
Abstract

In this study, the widely distributed poisonous weed Achnatherum inebrians in a natural degraded grassland of Gansu Province, northwest China (both sides of the road in Dahe Township, Sunan County) was selected as the experiment material. Following a randomized block experimental design, we treated the experimental plots with glyphosate and heavy-duty harrow to compare their controlling effects on A. inebrians. Following this, high quality forages were selected to reseed these plots and growth improving technology were applied under field conditions. The results indicated that the 10% glyphosate treatment was able to control more than 98% of the A. inebrians, and the 150~190 g·667 m-2 of glyphosate treatment was economically appropriate. The controlling effect of heavy harrow on A. inebrians was more than 90%, and the 30 cm depth of heavy harrow was appropriate. The germination rate of reseeding combinations Ⅴ[( Elymus nutans 1 kg·667 m-2) + ( Festuca rubra 0.5 kg·667 m-2) + ( Poa pratensis 0.3 kg·667 m-2) + ( Coronilla varia 0.2 kg·667 m-2)] and+Ⅵ [( E. nutans 1 kg·667 m-2) +( F. rubra 0.5 kg·667 m-2) + ( P. pratensis 0.2 kg·667 m-2) + ( C. varia 0.3 kg·667 m-2) ]under shallow tillage sowing, shallow tillage drilling and loosen the soil treatment were 85% and 73%, 91% and 87%, and 87% and 75%, respectively, which indicated combination Ⅴ and Ⅵ strong adaptability. When the reseeding depths were 0 cm and 4~8 cm, the germination rate and survival rate were lower when compared to 1~4 cm depth, indicating this was the most appropriate depth for reseeding. Compared with control treatment, the shallow tillage drilling and loosening the soil treatments for the reseeding combinations Ⅴ and Ⅵ effectively improved the soil nutrient status, and increased the grass height, density, and biomass and are worth applying in ecological restoration of degraded natural grassland.

Keyword: degraded grassland; glyphosate; heavy harrow; reseeding and improvement; ecological restoration

醉马草(Achnatherum inebrians)为多年生禾本科芨芨草属须根丛状草本植物, 富含多种麦角类生物碱, 广泛分布于我国北方荒漠草原、草原地带的过牧地区[1]。以其抗高寒、耐盐碱、耐干旱生境, 加之毒性较强而著称[2]。研究表明, 误食醉马草的牲畜很快便能识别并避免对其进一步采食[3], 从而使得醉马草在退化草地群落种间竞争中具有较大的优势, 特别是在干旱、退化草地中的蔓延日益加剧, 危害十分严重[3, 4]。目前, 对醉马草的研究多集中在防除[3, 5], 特征特性[6], 种子萌发[5, 7], 有毒成分[1, 3], 内生真菌抗旱、抗虫及抗病性[8, 9, 10]及其利用等方面[1, 6], 但是通过人工补播改良醉马草退化草地的研究并不多见。

草地改良、封育围栏、划区轮牧、休牧、禁牧制度以及栽培草地建植是退化草地生态恢复的主要手段[11]。补播则是改良退化草地, 快速恢复和提高草地生产能力行之有效的措施之一[12]。因此, 通过播种优良牧草来恢复退化的原生植被或者改变植物群落的组成和结构, 清除有毒有害或不理想植物, 增加可利用牧草产量和质量, 提高畜牧业生产能力显得尤为重要[13]。因此, 本研究以醉马草型退化草地为研究对象, 通过在醉马草种群数量较大的区域开展草甘磷和重耙对比灭杀醉马草试验, 补播优良牧草快速恢复退化草地植被, 提出退化草地补播改良的有效途径以及草地生物生产力和自我维持能力的综合措施, 以期为天然退化草原的恢复提供技术支持。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省肃南县大河乡公路两侧近万亩的醉马草退化草地, 海拔2 700 m, 年降水量250~300 mm, 年蒸发量1 828.5 mm。境内气候差异明显, 全年平均气温3.6 ℃, 无霜期90~120 d, 极端低温-30~28 ℃, 极端高温34~36 ℃, 全年日照时数3 085 h, 气候属于湿润山地草原气候。经初步观测, 其群落的建群种与优势种为醉马草, 其覆盖度达80%, 已不具放牧利用价值。

1.2 试验材料

除草剂为10%的草甘膦(水剂)。喷药器械为喷发16型背负式高压喷雾器加装单个扇形雾喷头, 工作压力0.2~0.4 MPa, 喷孔口径为0.7 mm, 流量0.36~0.48 L· min-1; 重耙器械为缺口圆盘耙。

1.3 醉马草灭杀试验设计

1.3.1 草甘膦施药 试验于2015年5月10日10:00进行, 施药梯度参照陆荣生等[14]的方法, 采用随机区组试验设计设置以下施药梯度:0(对照)、75、113、150和190 g· 667 m-2, 各处理均兑水30~40 kg进行喷施, 4次重复, 各小区面积为10 m(长)× 20 m(宽), 施药前对照先喷等量清水, 药剂按各小区设置的药剂量计算用药量及用水量, 充分混匀后以顺风单侧平行推进法由低浓度向高浓度对准草地植物茎叶均匀喷雾。在施药区选取3个1 m× 1 m有代表性的固定样方, 并定桩号, 施药前在固定样方上调查醉马草总株数, 施药后3、7、10及15 d分别观测1次, 并进行记录, 做醉马草药效调查。

1.3.2 重耙处理 根据重耙深度设置4个重耙处理, 分别为0(对照, 不处理)、10、20和30 cm, 每处理4次重复, 各重复小区面积为10 m(长)× 20 m(宽)。

1.4 退化草地补播改良试验设计

试验地选择10%草甘膦和重靶灭杀后效果最好的试验地, 土壤全磷、全钾、全氮、有机质、含水量、容重和pH分别为0.49 g· kg-1、12.77 g· kg-1、1.10 g· kg-1、12.72 g· kg-1、14.02%、1.46 g· cm-3和7.46。补播改良试验时间为2015年6月初-9月中旬, 补播牧草为垂穗披碱草(Elymus nutans)、紫羊茅(Festuca rubra)、草地早熟禾(Poa pratensis)和小冠花(Coronilla varia)。所有补播处理垂穗披碱草均为定量, 设为1 kg· 667 m3, 各补播处理见表1。为了选择最佳的补播方式和播种深度, 采用随机区组试验设计不同播种方式(带状浅翻耕、行内松土和不动土)和不同播种深度试验。浅翻耕和行内松土深度分别为15~20和5~10 cm, 平整试验地后划分小区, 面积为3 m× 4 m, 重复3次; 不动土处理直接播种, 小区面积为3 m× 4 m, 重复3次。不同播种深度处理:在(地表)、1~2、2~4、4~6、6~8 cm处设5个深度的播种处理, 小区面积为3 m× 4 m, 重复3次。出苗后, 可于降水前或降水过程中追施尿素(10 kg· 667 m-2), 进行适当的养护管理。待各处理混播牧草出苗后和生长期结束后测定植物和土壤相关指标。

表1 不同牧草补播处理组合 Table 1 Reseeding combination treatments of different forages
1.5 测定方法

1.5.1 死亡率及鲜重防效 死亡数调查于药后3、7、10及15 d各调查一次, 各试验小区调查面积为2 m× 2 m。

死亡率=(施药或重耙前醉马草株数-施药后醉马草株数)/施药或重耙前醉马草株数× 100%。

鲜重防效=(对照区杂草鲜重-防治区杂草鲜重)/对照区杂草鲜重× 100%。

1.5.2 补播牧草出苗率及成活率 在每个试验小区设置3个样点(1 m× 1 m), 出苗后每10 d记录一次每个样点的出苗数和留苗数。按种子发芽率、种子纯净度、播种量以及实际出苗数、留苗数等计算实际出苗率和成活率。

出苗率=出苗数/播种的种子数× 100%;

成活率=成活数/出苗总数× 100%。

1.5.3 补播牧草高度、密度及生物量 待各处理补播牧草生长期结束后(9月中旬), 用钢卷尺测量补播牧草自然高度, 采用样方法(取1 m× 1 m的样方)测定单位面积内补播牧草的密度、地上生物量的鲜重和干重, 每处理4次重复。

1.5.4 土壤理化性质测定 待各处理补播牧草生长期结束后, 采用多点混合取样法, 在各样地内用直径为5 cm的管形土钻取0-10、10-20及20-30 cm的土层, 将同一土层的土样混匀, 四分法弃去多余样品, 取10 g左右测定其含水量和容重。剩余土样风干后过1和0.1 mm分样筛用于土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量测定。其中土壤含水量用常规的烘干法。土壤容重采用环刀法测算; 土壤有机质含量采用重铬酸钾法测定; 土壤氮的测定采用半微量开氏法测定; 土壤磷的测定采用钼锑抗比色法测定[15]。

1.6 数据分析

试验所得数据用SPSS 15.0 (SPSS Inc., USA)软件进行统计分析, 用平均值± 标准误表示测定结果, 分别对草甘膦和重耙措施灭杀醉马草后死亡率、株防效和鲜重防效, 补播牧草不同地面处理和播种深度处理出苗率及成活率、牧草高度、密度及生物量以及土壤理化性质进行单因素方差分析, 并用Duncan法对各测定数据进行多重比较; 采用Excel 2010制图。

2 结果与分析
2.1 不同灭杀措施对醉马草死亡数的影响

每亩(667 m-2)分别用10%草甘膦水剂75、113、150和190 g, 3、7、10及15 d后, 单位面积内醉马草株数呈逐渐减少的趋势, 而且每亩190 g的施用量对醉马草防效最好(P< 0.05)(表2)。10、20及30 cm重耙处理后3、7、10及15 d, 单位面积内醉马草株数与草甘膦处理效果一致。从防效看, 应选择草甘膦水剂150~190 g· 667 m-2推广应用, 重耙选择30 cm深度防除效果最为理想。

表2 草甘磷和重耙防除醉马草死亡数比较 Table 2 Comparison of the number of dead plants after spraying with glyphosate and after heavy harrow
2.2 不同灭杀措施对醉马草株防效和鲜重防效的影响

药后3 d, 在75、113、150和190 g· 667 m-2试药量下, 10%草甘磷水剂的株防效分别为25%、29%、38%和47%; 试验药剂的除草效果随着用药量的加大而提高(P< 0.05)(表3)。药后10 d后, 株防效分别为50%、71%、88%和95%; 15 d后的株防效与10 d的株防效几乎一致。试验药剂的鲜重防效分别为56%、73%、84%和96%。10、20及30 cm重耙处理3、7、10及15 d后, 其株防效和鲜重防效的变化趋势与草甘磷处理相一致(P< 0.05)。

表3 草甘磷和重耙防除醉马草的药效结果 Table 3 The efficacy by using glyphosate and heavy duty harrow
2.3 补播牧草的出苗和成活

浅翻耕条播、浅翻耕撒播和行内松土处理的出苗率和成活率均明显高于对照不动土撒播(表4)。与不动土撒播相比, 浅翻耕条播、浅翻耕撒播、行内松土补播的处理Ⅴ 和处理Ⅵ 的成活率分别为85%和73%, 91%和87%, 87%和75%, 表现出较强的适应性(P< 0.05)。

表4 不同补播处理的出苗和成活率 Table 4 Emergence rate and survival rate of tested forages under different over seeding treatments
2.4 播种深度对出苗和成活率的影响

补播牧草处理Ⅴ 在播种深度为1~2和2~4 cm时, 出苗率和成活率都显著高于其它补播处理和播种深度(P< 0.05); 当播种深度大于4 cm时, 出苗率和成苗率开始降低; 当播种深度为0和4~8 cm时, 出苗率和成苗率均较低(P< 0.05)(表5)。

表5 补播深度对出苗和成活率的影响 Table 5 Emergence rate and survival rate of tested forages under different sowing depths
2.5 不同改良措施对补播牧草植物群落特征的影响

2.5.1 不同改良措施对补播牧草密度、高度及生物量的影响 与不动土撒播相比, 浅翻耕条播、行内松土和不动土撒播补播牧草种群密度、高度和生物量都显著增加(P< 0.05)(表6)。浅翻耕条播和行内松土补播组合Ⅴ 和组合Ⅵ 的密度、高度和生物量均明显高于不动土撒播。由此看出, 浅翻耕条播和行内松土对补播牧草群落特征影响较大。

表6 2015年9月不同改良措施补播牧草植物群落特征比较 Table 6 Comparison of community characteristics of reseeding forages under different improvement measures in September, 2015

2.5.2 不同改良措施后醉马草成活率、补播牧草覆盖度及高度的变化 通过10%草甘膦水剂 (150~190 g· 667 m-2)和重耙处理(30 cm)防除醉马草后, 浅翻耕条播、行内松土、不动土撒播补播牧草(深度为1~4 cm)的组合Ⅴ 和Ⅵ 醉马草成活率均较低(6.4%~7.3%), 基本趋于稳定(2015年9月-2016年7月)(图1)。与不动土撒播相比, 浅翻耕条播、行内松土(补播深度为1~4 cm)补播牧草组合Ⅴ 和Ⅵ 的密度和高度均显著高于不动土撒播(P< 0.05)(2015年9月-2016年7月)(图2)。

图1 不同改良措施后醉马草成活率变化
注:不同小写字母表示各处理间差异显著(P< 0.05)。下同。Fig. 1 Survival rate of A. inebrians under different improvement measures
Note: Different lowercase letters indicate significant difference at the 0.05 level; similarly for the following figures.

图2 不同改良措施后补播牧草植被覆盖度和高度的变化Fig.2 Vegetation coverage and plant height of reseeding forages under different improvement measures

2.6 不同改良措施对补播牧草草地土壤理化性质的影响

在0-30 cm土层中, 随土壤深度的增加, 浅翻耕条播和行内松土对补播牧草土壤含水量的影响较大, 且与不动土撒播相比, 浅翻耕条播、行内松土补播草地土壤含水量呈逐渐增加的趋势(图3)。在0-30 cm土层中, 随土壤深度的增加, 浅翻耕条播、行内松土和不动土撒播对补播牧草土壤有机质、全氮、全磷和全钾影响较大。不同改良措施补播草地土壤有机质、全氮、磷和钾在0-20 cm土层内呈逐渐增加的趋势, 20-30 cm内逐渐降低 (图4、图5)。

图3 不同改良措施补播牧草草地土壤含水量的变化Fig.3 Water content of soil in plots reseeded with forages under different improvement measures

图4 不同改良措施补播牧草草地土壤有机质和全氮的变化Fig.4 Soil organic matter and total nitrogen in plots reseeded with forages under different improvement measures

图5 不同改良措施补播牧草草地土壤全磷和全钾的变化Fig.5 Soil total phosphorus and potassium in plots reseeded with forages under different improvement measures

3 讨论与结论

草地退化是在外因和内因的共同作用下引起的一种逆向演替, 通过一些改良措施可以恢复。如对草地进行围栏封育, 使草地休养生息, 或者通过牧草自然繁殖得以恢复。但这种方法往往需要时间较长; 另外选择适合当地自然气候条件的优良牧草进行补播是退化草地恢复的有效途径[16]。补播改良退化草地是建立补播牧草与草地牧草的竞争机制, 二者通过对光、养分和水分的竞争来达到提高草地初级生产力和改善草地营养状况的目的[17]。混播优良牧草可使其达成彼此相融的共生关系, 牧草种间竞争只存在地上部分的茎叶对空间资源(光)的竞争, 补播的优良牧草始终处于群落的上层空间, 可获得充足的光照促进营养物质累积和生长[18, 19, 20]。选择补播草种主要考虑牧草的适应性、饲用和利用价值, 以牧草的适应性最为重要, 因为这是补播能否成功的关键因素之一[21]。补播前的地面处理是退化草地补播能否成功的关键措施之一, 因此, 研究合理的土壤耕作措施、提高天然降水的利用率、缓解牧草需水与自然降水之间不协调的矛盾是十分必要的。本研究表明, 与不动土撒播相比, 不同地面处理(浅翻耕条播、浅翻耕撒播和行内松土)的补播牧草组合Ⅴ 和Ⅵ 的出苗率和成活率均显著提高(表4)。说明经过地面处理后草地土壤变得疏松, 提高了土壤持水能力, 增加了土壤的透气性, 有利于牧草种子吸水萌发, 在不同程度上提高了补播牧草的出苗率和成活率。此外, 由于补播草种的补播密度较为合适, 提供了一个合适的供牧草正常生长的空间, 可以充分利用土壤内的营养元素, 促进了牧草生长。这说明, 10%草甘膦水剂和重耙防除醉马草后, 通过不同地面处理(浅翻耕条播、浅翻耕撒播和行内松土)补播优良牧草(补播牧草组合Ⅴ 和Ⅵ , 播深1~4 cm)对重新建植栽培草地效果较好, 值得在天然退化草地的恢复中应用。

播种深度主要取决于牧草种子大小和土壤质地状况, 种子出苗多少是衡量播种深度是否适宜的重要指标[22]。由不同补播深度草种出苗结果可知:补播牧草组合Ⅴ 和Ⅵ 在播种深度为1~2和2~4 cm时, 出苗率和成活率都明显高于其它播种深度, 当播种深度大于4 cm时, 出苗率和成苗率均开始降低(表5)。说明播种深度适宜时补播草种处于最适的环境下, 草地土壤疏松, 土壤持水能力和透气性合适, 补播草种可以有效地吸收的水分和养分, 从而提高了牧草的出苗率和成活率。研究表明, 生态系统具有自愈能力, 在环境条件不变时只要排除致使其退化的因素, 给予充分的时间, 进行适当的养护管理措施(围栏封育、休牧、禁牧等), 均可自行恢复到原来的状态[22]。然而, 若土壤理化性状恶化, 仅靠自然恢复是相当缓慢的, 需靠人工促进其恢复[23]。常用的人工措施有松土、浅耕翻等以改善土壤物理性状, 增施肥料以改善土壤的营养状况, 补播本土优良牧草以促进植被恢复和轻度合理放牧来促进草地恢复等。在此基础上, 选择适合当地自然气候条件的优良牧草进行补播加快优良牧草繁殖或扩张速率, 是实现快速恢复的有利措施[13]。本研究表明, 不同改良措施补播草地草群密度、高度和生物量都发生了显著变化, 补播牧草以后, 植被不仅密度增大, 高度明显增高, 而且, 生物量与对照处理相比显著增加(表6)。浅翻耕条播和行内松土对补播牧草群落特征影响较大。这主要由于浅翻耕和行内松土以后, 草地土壤变得疏松, 提高了土壤持水能力和透气性, 促进了牧草种子吸收的水分条件, 补播优良牧草后可使土壤速效养分增加, 从而促进了植物生长, 草群密度增大, 使植被群落特征发生显著变化。土壤含水量是反映土壤物理性能的重要指标。本研究表明, 在0-30 cm土层中, 随土壤深度的增加, 浅翻耕条播和行内松土补播草地土壤含水量均呈逐渐增加的趋势(图3)。这是由于浅翻耕和行内松土以后, 草地土壤变得疏松, 提高了土壤持水能力, 土壤含水量显著增加。此外, 不同补播草地土壤含水量也存在一定的差异, 这是由于补播草地植被组成和对地表的覆盖度以及植物根系分布的不同造成了土壤持水量、紧实度以及质地结构等性状的改变而产生的[24, 25]。土壤有机质和土壤全氮、磷和钾是土壤重要的养分指标, 补播草地土壤有机质和全氮、磷和钾的变化可作为土壤营养状况的首选判断指标[26, 27]。本研究结果表明, 随着土壤深度的增加, 不同改良措施浅翻耕条播和行内松土补播改良草地土壤有机质和全氮、磷和钾在0-20 cm内均呈逐渐增加的趋势, 20-30 cm逐渐减少(图4、图5)。这说明浅翻耕和行内松土以后, 退化草地土壤质地得到显著改善, 土壤变得疏松, 土壤持水能力提高, 补播优良牧草后对退化草地土壤起到了不同程度的固碳效果, 使土壤有机碳含量显著增加; 此外, 补播措施由于微生物的固氮作用使土壤速效养分氮素含量显著增加的同时, 土壤速效养分磷和钾含量也显著增加, 进一步证实补播措施是增加土壤有机碳和土壤速效养分氮、磷和钾含量的有效措施。本研究结果与赵娜等[28]的研究结果相似。

由此可见, 浅翻耕条播、行内松土补播牧草的组合Ⅴ 和Ⅵ 对恢复退化草地速度快, 效果好, 能迅速恢复退化草地的生产能力, 使得退化草地土壤养分状况, 补播牧草高度、密度及生物量显著增加, 可以在天然退化草地的生态恢复[29, 30]中推广应用。

(责任编辑 武艳培)

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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