不同修复材料对退化高寒草地土壤理化性质及微生物群落的影响

doi:10.11686/cyxb2024368

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (8): 132-148.DOI: 10.11686/cyxb2024368

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不同修复材料对退化高寒草地土壤理化性质及微生物群落的影响

张琨¹(), 乔建霞², 李金升³, 王育鹏³(), 刘克思⁴()

^1.山西大同大学农学与生命科学学院，山西大同 037009
^2.乌兰察布市草原工作站，内蒙古乌兰察布 012000
^3.安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230000
^4.中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193

收稿日期:2024-09-23 修回日期:2024-11-25 出版日期:2025-08-20 发布日期:2025-06-16
通讯作者: 王育鹏,刘克思
作者简介:kliu@cau.edu.cn
E-mail： wangyupeng@ahau.edu.cn
张琨（1988-），男，山西大同人，副教授，博士。E-mail： 876828320@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金(32271764);安徽省高校基金(2023AH051011);山西大同大学产学研项目(2022CXY22)

Effects of different restoration materials on soil physicochemical properties and microbial communities in degraded alpine grassland

Kun ZHANG¹(), Jian-xia QIAO², Jin-sheng LI³, Yu-peng WANG³(), Ke-si LIU⁴()

^1.College of Agriculture and Life Sciences，Shanxi Datong University，Datong 037009，China
^2.Ulanqab Grassland Workstation，Ulanqab 012000，China
^3.School of Resources and Environment，Anhui Agricultural University，Hefei 230000，China
^4.College of Grassland Science and Technology，China Agricultural University，Beijing 100193，China

Received:2024-09-23 Revised:2024-11-25 Online:2025-08-20 Published:2025-06-16
Contact: Yu-peng WANG,Ke-si LIU

摘要/Abstract

摘要：

为阐明不同修复材料作用下退化高寒草地土壤理化性质及微生物群落结构的变化规律，以不添加任何材料的退化高寒草地为对照（CK），设置氮肥（22 g·m^-2）、生物炭（4 kg·m^-2）和微生物菌剂（250 mL·m^-2）共3个修复材料处理，探究修复材料对退化高寒草地土壤理化性质及微生物群落的影响。结果表明：修复材料对地上植被生物量有显著促进作用（P<0.05），其中生物炭和微生物菌剂的促进效果较好，总生物量较CK分别提高了151.06%和149.11%。与CK相比，修复材料作用下土壤含水量显著提高（P<0.05），电导率显著下降（P<0.05），土壤养分（碳、氮、磷）含量显著增加（P<0.05），其中土壤有机碳、全氮和有效磷含量在生物炭处理下达到最大。此外，修复材料的施用还引起了土壤微生物群落结构的变化，特别是在生物炭和微生物菌剂的作用下，土壤微生物总量、真菌和细菌含量显著增加（P<0.05），并有效提高了外生菌根真菌、甲烷氧化细菌和腐生真菌的相对含量。方差分解的结果显示，土壤pH、全氮、有机碳及有效磷是影响耕层（0~20 cm）土壤微生物群落结构的主要环境因子。与其他材料不同，生物炭显著促进了微生物与大多数土壤环境因子的互作关系，使土壤环境与微生物群落结构的变化显现出良好的协同性。综上所述，3种修复材料均能改善退化高寒草地的土壤状况，但生物炭对培肥土壤及改善微生物群落结构作用突出，综合修复效果更为显著，在退化高寒草地的修复中具有更大的应用潜力。

关键词: 修复材料, 高寒草地, 土壤理化性质, 微生物群落, 退化草地修复

Abstract:

The aim of this research was to determine the effects of different restoration materials on soil physicochemical properties and microbial community structure in degraded alpine grassland. Three restoration materials were tested： nitrogen fertilizer （22 g·m^-2）， biochar （4 kg·m^-2）， and a microbial inoculant （250 mL·m^-2）. Degraded alpine grassland without any added materials served as the control （CK）. The effects of these restoration materials on soil physicochemical properties and microbial communities in degraded alpine grassland were determined. The results show that the aboveground biomass was significantly affected by the restoration materials （P<0.05）， among which biochar and the microbial inoculant had better promoting effects， increasing the total biomass by 151.06% and 149.11%， respectively， compared with that in CK. The soil water content was significantly increased （P<0.05）， and the soil electrical conductivity was significantly decreased （P<0.05） in all the restoration treatments， compared with their respective values in CK. All the restoration materials significantly increased （P<0.05） the contents of soil nutrients （carbon， nitrogen， and phosphorus）， with the highest concentrations of total organic carbon， total nitrogen， and available phosphorus in the biochar treatment. The addition of restoration materials also affected soil microbial community structure. In particular， the biochar and microbial inoculant treatments resulted in significant increases （P<0.05） in microbial biomass， bacterial biomass， and fungal biomass， and in the relative contents of ectomycorrhizal fungi， methanotrophic bacteria， and saprotrophic fungi. The results of variation partitioning analysis indicated that soil pH， total nitrogen， total organic carbon， and available phosphorus were the main environmental variables affecting the microbial community structure in topsoil （0-20 cm）. Unlike other materials， biochar promoted a significant interaction between microorganisms， resulting in good synergy between changes in the soil environment and microbial community structure. In summary， although all three restoration materials improved the soil condition in degraded alpine grassland， biochar showed the best effects to fertilize soil and improve microbial community structure. Thus， biochar has greater potential for use in the restoration of degraded alpine grassland.

Key words: restoration materials, alpine grassland, soil physicochemical properties, microbial communities, degraded grassland restoration

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图/表 13

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固定效应Fixed effect	地上生物量Aboveground biomass
材料Material	38.31***
年限Year	2.83
材料×年限Material×year	1.02

固定效应Fixed effect	地上生物量Aboveground biomass
材料Material	38.31***
年限Year	2.83
材料×年限Material×year	1.02

固定效应 Fixed effect	pH	电导率 Electric conductivity	含水量 Soil water content	有机碳 Total organic carbon	全氮 Total nitrogen	铵态氮 Ammonium nitrogen	硝态氮 Nitrate nitrogen	碳氮比 C/N	有效磷 Available phosphorus
材料Material （M）	24.61***	91.98***	38.00***	117.10***	17.61***	105.00***	41.02***	18.12***	37.54***
年限Year （Y）	75.19***	112.45***	43.04***	9.81***	27.82***	244.64***	50.64***	14.51***	12.80***
土层Soil layer （S）	9.49**	3.74	59.89***	247.13***	39.67***	334.25***	38.14***	7.44**	74.18***
材料×年限M×Y	5.50***	71.33***	12.81***	3.79**	3.37**	54.64***	15.33***	3.43**	3.05*
材料×土层M×S	1.32	0.77	3.45*	32.44***	0.80	22.43***	11.42***	6.20**	3.55*
年限×土层Y×S	0.62	1.17	3.04	15.89***	0.23	68.27***	18.73***	4.64*	1.66
材料×年限×土层M×Y×S	1.66	0.65	2.36*	2.00	0.67	5.68***	16.11***	0.57	2.21

固定效应 Fixed effect	pH	电导率 Electric conductivity	含水量 Soil water content	有机碳 Total organic carbon	全氮 Total nitrogen	铵态氮 Ammonium nitrogen	硝态氮 Nitrate nitrogen	碳氮比 C/N	有效磷 Available phosphorus
材料Material （M）	24.61***	91.98***	38.00***	117.10***	17.61***	105.00***	41.02***	18.12***	37.54***
年限Year （Y）	75.19***	112.45***	43.04***	9.81***	27.82***	244.64***	50.64***	14.51***	12.80***
土层Soil layer （S）	9.49**	3.74	59.89***	247.13***	39.67***	334.25***	38.14***	7.44**	74.18***
材料×年限M×Y	5.50***	71.33***	12.81***	3.79**	3.37**	54.64***	15.33***	3.43**	3.05*
材料×土层M×S	1.32	0.77	3.45*	32.44***	0.80	22.43***	11.42***	6.20**	3.55*
年限×土层Y×S	0.62	1.17	3.04	15.89***	0.23	68.27***	18.73***	4.64*	1.66
材料×年限×土层M×Y×S	1.66	0.65	2.36*	2.00	0.67	5.68***	16.11***	0.57	2.21

参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	处理Treatment
参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	CK	C	N	M
pH	0~10	1	7.12±0.05ab	7.36±0.12a	7.31±0.08a	6.99±0.08b
		2	7.55±0.03b	8.22±0.22a	8.00±0.49b	7.63±0.09b
		3	7.28±0.22b	7.78±0.05a	7.66±0.06ab	7.77±0.13a
	10~20	1	7.24±0.11a	7.31±0.08a	7.35±0.17a	7.28±0.12a
		2	7.48±0.09b	8.44±0.08a	8.25±0.23a	7.65±0.07b
		3	7.49±0.05b	7.81±0.11b	8.00±0.21a	7.78±0.01b
电导率 Electric conductivity （μs·cm^-1）	0~10	1	362.76±46.31b	502.00±20.85a	430.00±18.38ab	163.87±27.02c
		2	574.09±28.54a	302.58±31.56b	210.75±25.26c	186.53±16.66c
		3	209.80±21.20a	220.73±26.97a	129.79±41.39a	208.83±32.09a
	10~20	1	324.91±11.21b	419.00±16.06a	423.00±21.95a	161.80±28.45c
		2	605.27±99.51a	282.62±15.51b	107.65±7.77c	202.87±26.05c
		3	197.53±14.41a	198.33±23.10a	97.65±8.52b	171.83±25.92ab
含水量 Soil water content （%）	0~10	1	24.52±0.93a	24.35±0.83a	24.85±0.91a	26.97±1.90a
		2	18.82±0.38c	30.69±1.81a	30.87±2.67a	24.86±2.41b
		3	16.46±1.01b	27.01±2.66a	23.54±0.52a	24.18±0.77a
	10~20	1	21.14±0.71a	21.89±0.83a	22.68±1.91a	25.71±1.87a
		2	19.85±0.51b	27.31±0.75a	25.85±1.21a	21.43±1.65b
		3	16.08±0.81b	20.55±0.99a	19.01±1.74ab	16.86±0.94b

不同修复材料对退化高寒草地土壤理化性质及微生物群落的影响

Effects of different restoration materials on soil physicochemical properties and microbial communities in degraded alpine grassland

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编辑推荐

Metrics

固定效应 Fixed effect	生物量Biomass			真菌/细菌 Fungi/bacteria	+/-
固定效应 Fixed effect	微生物Microbial	细菌Bacterial	真菌Fungal	真菌/细菌 Fungi/bacteria	+/-
材料Material	27.18***	67.39***	19.77***	9.19***	147.99***
年限Year	32.00***	33.10***	2.50	7.31**	3.51*
土层Soil layer	143.02***	297.89***	106.11***	10.82**	6.91*
材料×年限M×Y	12.73***	6.72***	4.88***	3.07*	17.26***
材料×土层M×S	6.73***	7.98***	0.84	0.21	9.72***
年限×土层Y×S	4.28*	0.77	0.64	0.69	0.06
材料×年限×土层M×Y×S	2.62*	3.15*	1.19	0.70	1.01

[1]	朱炳淑, 樊江文, 张海燕, 黄麟, 田海静, 王林, 王守兴, 杨明新, 郭炎明. 三江源国家公园黄河源园区高寒草地健康评价[J]. 草业学报, 2025, 34(7): 13-27.
[2]	罗顺华, 刘新宇, 孟宝平, 陈璇黎, 胡仁杰, 于红妍, 王贤颖, 张勃, 秦彧. 祁连山国家公园高寒草地功能群多样性与生产力研究[J]. 草业学报, 2025, 34(6): 14-26.
[3]	邓文辉, 宋珂辰, 张浩, 管思雨, 雍嘉仪, 胡海英. 降水变化条件下荒漠草原优势植物根际微生物群落结构和多样性特征研究[J]. 草业学报, 2025, 34(5): 12-26.
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[5]	欧翔, 连海, 陈荣强, 邱静芸, 吴丽娟, 操贤洪, 张强, 雷小文. 不同施肥处理种植王草后对稀土尾矿土壤理化性质和酶活性的影响[J]. 草业学报, 2025, 34(2): 94-108.
[6]	李争艳, 徐智明, 李岩, 李杨. 江淮地区苜蓿短期连作对后作高丹草生长及土壤微环境的影响[J]. 草业学报, 2024, 33(9): 155-168.
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[10]	石昊, 杨彩红, 夏菲, 王军强, 魏巍, 王敬龙, 薛云尹, 郑晒坤, 吴皓阳, 冉林灵, 严双, 姜晓敏. 短期增温对修复过程中藏北高寒退化草地生产力的初期影响[J]. 草业学报, 2024, 33(11): 30-45.
[11]	田晴华, 刘丹, 廖小琴, 宋小艳, 胡雷, 王长庭. 施氮对高寒草地土壤团聚体生物胶结物质及稳定性的影响[J]. 草业学报, 2024, 33(11): 46-57.
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参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	处理Treatment
参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	CK	C	N	M
有机碳 Total organic carbon （g·kg^-1）	0~10	1	33.14±1.63b	57.43±5.43a	37.73±0.33b	39.56±4.49b
		2	37.92±1.62c	63.54±2.55a	38.47±1.62c	40.44±1.05b
		3	34.26±1.04c	56.78±0.43a	37.14±1.25c	43.73±0.87b
	10~20	1	30.16±1.40b	36.60±0.87a	32.99±2.21ab	34.17±1.91ab
		2	30.45±0.68b	36.61±0.70a	35.09±3.32ab	32.95±0.55ab
		3	30.19±0.21c	43.35±4.12a	35.76±0.86b	37.49±1.10ab
全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	0~10	1	2.76±0.12b	3.67±0.12a	3.14±0.25ab	3.67±0.27a
		2	3.43±0.26b	4.84±0.17a	3.72±0.60b	3.64±0.02b
		3	3.17±0.24b	3.71±0.17a	3.85±0.46a	3.84±0.30a
	10~20	1	2.40±0.18b	2.89±0.15a	2.81±0.19a	2.78±0.19a
		2	3.03±0.20b	4.00±0.30a	3.58±0.31ab	3.51±0.71ab
		3	2.69±0.20b	3.17±0.12ab	3.28±0.11ab	3.33±0.27a
铵态氮 Ammonium nitrogen （mg·kg^-1）	0~10	1	18.33±0.83b	11.74±0.09c	18.12±1.47b	23.13±2.22a
		2	35.05±3.67b	70.37±6.75a	78.83±7.78a	43.15±1.73b
		3	26.13±1.20c	48.35±2.37a	48.83±9.53a	28.39±2.31b
	10~20	1	16.71±1.50b	9.65±0.43c	11.38±1.45c	23.96±1.31a
		2	22.17±1.31b	34.56±2.70a	36.50±4.26a	16.42±2.04b
		3	14.64±2.11b	36.06±2.54a	34.24±1.44a	9.27±0.93b
硝态氮 Nitrate nitrogen （mg·kg^-1）	0~10	1	7.57±1.56b	21.62±1.25a	18.50±1.59a	6.47±0.47b
		2	4.97±0.70b	5.77±1.08b	9.57±1.45a	7.51±0.33ab
		3	8.96±1.72c	31.70±5.22a	26.57±1.45a	18.25±4.49b
	10~20	1	7.18±1.08b	13.29±1.11a	4.72±0.46c	7.95±0.79b
		2	4.94±0.79c	8.01±1.31b	11.16±0.57a	9.09±0.56b
		3	11.09±2.99ab	13.79±1.11a	10.16±0.37ab	9.90±2.19b
碳氮比 Carbon nitrogen ratio	0~10	1	12.02±0.49b	15.63±1.35a	12.09±0.94ab	10.85±1.42b
		2	12.02±1.38b	13.13±0.58a	10.36±1.10c	11.11±0.31b
		3	10.85±0.57b	15.34±0.58a	9.29±1.01c	11.08±0.77b
	10~20	1	12.68±1.38a	12.73±0.89a	11.80±1.16a	12.33±0.68a
		2	10.08±0.47a	9.22±0.82a	9.81±0.81a	9.70±1.59a
		3	11.28±0.80ab	13.67±1.00a	10.03±0.68b	11.34±0.92ab
有效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	0~10	1	2.68±0.24b	4.10±0.41a	2.62±0.41b	2.91±0.36b
		2	3.02±0.24b	4.37±0.07a	3.10±0.21b	3.27±0.95b
		3	1.57±0.17b	3.31±0.10a	3.00±0.11a	3.16±0.10a
	10~20	1	1.79±0.13c	3.12±0.24a	2.24±0.19b	2.83±0.24a
		2	1.89±0.36b	2.72±0.12ab	2.04±0.05b	3.08±0.35a
		3	1.49±0.03b	2.37±0.23a	2.14±0.05a	2.24±0.19a

参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	处理Treatment
参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	CK	C	N	M
有机碳 Total organic carbon （g·kg^-1）	0~10	1	33.14±1.63b	57.43±5.43a	37.73±0.33b	39.56±4.49b
		2	37.92±1.62c	63.54±2.55a	38.47±1.62c	40.44±1.05b
		3	34.26±1.04c	56.78±0.43a	37.14±1.25c	43.73±0.87b
	10~20	1	30.16±1.40b	36.60±0.87a	32.99±2.21ab	34.17±1.91ab
		2	30.45±0.68b	36.61±0.70a	35.09±3.32ab	32.95±0.55ab
		3	30.19±0.21c	43.35±4.12a	35.76±0.86b	37.49±1.10ab
全氮 Total nitrogen （g·kg^-1）	0~10	1	2.76±0.12b	3.67±0.12a	3.14±0.25ab	3.67±0.27a
		2	3.43±0.26b	4.84±0.17a	3.72±0.60b	3.64±0.02b
		3	3.17±0.24b	3.71±0.17a	3.85±0.46a	3.84±0.30a
	10~20	1	2.40±0.18b	2.89±0.15a	2.81±0.19a	2.78±0.19a
		2	3.03±0.20b	4.00±0.30a	3.58±0.31ab	3.51±0.71ab
		3	2.69±0.20b	3.17±0.12ab	3.28±0.11ab	3.33±0.27a
铵态氮 Ammonium nitrogen （mg·kg^-1）	0~10	1	18.33±0.83b	11.74±0.09c	18.12±1.47b	23.13±2.22a
		2	35.05±3.67b	70.37±6.75a	78.83±7.78a	43.15±1.73b
		3	26.13±1.20c	48.35±2.37a	48.83±9.53a	28.39±2.31b
	10~20	1	16.71±1.50b	9.65±0.43c	11.38±1.45c	23.96±1.31a
		2	22.17±1.31b	34.56±2.70a	36.50±4.26a	16.42±2.04b
		3	14.64±2.11b	36.06±2.54a	34.24±1.44a	9.27±0.93b
硝态氮 Nitrate nitrogen （mg·kg^-1）	0~10	1	7.57±1.56b	21.62±1.25a	18.50±1.59a	6.47±0.47b
		2	4.97±0.70b	5.77±1.08b	9.57±1.45a	7.51±0.33ab
		3	8.96±1.72c	31.70±5.22a	26.57±1.45a	18.25±4.49b
	10~20	1	7.18±1.08b	13.29±1.11a	4.72±0.46c	7.95±0.79b
		2	4.94±0.79c	8.01±1.31b	11.16±0.57a	9.09±0.56b
		3	11.09±2.99ab	13.79±1.11a	10.16±0.37ab	9.90±2.19b
碳氮比 Carbon nitrogen ratio	0~10	1	12.02±0.49b	15.63±1.35a	12.09±0.94ab	10.85±1.42b
		2	12.02±1.38b	13.13±0.58a	10.36±1.10c	11.11±0.31b
		3	10.85±0.57b	15.34±0.58a	9.29±1.01c	11.08±0.77b
	10~20	1	12.68±1.38a	12.73±0.89a	11.80±1.16a	12.33±0.68a
		2	10.08±0.47a	9.22±0.82a	9.81±0.81a	9.70±1.59a
		3	11.28±0.80ab	13.67±1.00a	10.03±0.68b	11.34±0.92ab
有效磷 Available phosphorus （mg·kg^-1）	0~10	1	2.68±0.24b	4.10±0.41a	2.62±0.41b	2.91±0.36b
		2	3.02±0.24b	4.37±0.07a	3.10±0.21b	3.27±0.95b
		3	1.57±0.17b	3.31±0.10a	3.00±0.11a	3.16±0.10a
	10~20	1	1.79±0.13c	3.12±0.24a	2.24±0.19b	2.83±0.24a
		2	1.89±0.36b	2.72±0.12ab	2.04±0.05b	3.08±0.35a
		3	1.49±0.03b	2.37±0.23a	2.14±0.05a	2.24±0.19a

参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	处理Treatment
参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	CK	C	N	M
真菌/细菌 Fungi/bacteria	0~10	1	0.18±0.02b	0.22±0.01a	0.21±0.01a	0.24±0.01a
		2	0.20±0.01b	0.25±0.01a	0.20±0.01b	0.25±0.03a
		3	0.17±0.01b	0.21±0.01a	0.19±0.01b	0.27±0.04a
	10~20	1	0.20±0.01a	0.21±0.06a	0.17±0.01a	0.19±0.02a
		2	0.22±0.04a	0.21±0.03ab	0.17±0.04b	0.27±0.01a
		3	0.16±0.02b	0.16±0.01b	0.16±0.03b	0.24±0.07a
+/-	0~10	1	1.44±0.06a	1.37±0.02b	1.36±0.05b	1.51±0.05a
		2	1.55±0.03a	1.41±0.08b	1.40±0.10b	1.47±0.04a
		3	1.29±0.04a	1.13±0.01b	1.28±0.02a	1.34±0.02a
	10~20	1	1.12±0.22b	1.24±0.05a	1.17±0.01b	1.24±0.19a
		2	1.22±0.04a	1.23±0.05a	1.20±0.01a	1.14±0.04b
		3	1.11±0.07a	1.12±0.04a	1.15±0.03a	1.12±0.14a

参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	处理Treatment
参数 Parameter	土层 Soil layer （cm）	年限 Year	CK	C	N	M
真菌/细菌 Fungi/bacteria	0~10	1	0.18±0.02b	0.22±0.01a	0.21±0.01a	0.24±0.01a
		2	0.20±0.01b	0.25±0.01a	0.20±0.01b	0.25±0.03a
		3	0.17±0.01b	0.21±0.01a	0.19±0.01b	0.27±0.04a
	10~20	1	0.20±0.01a	0.21±0.06a	0.17±0.01a	0.19±0.02a
		2	0.22±0.04a	0.21±0.03ab	0.17±0.04b	0.27±0.01a
		3	0.16±0.02b	0.16±0.01b	0.16±0.03b	0.24±0.07a
+/-	0~10	1	1.44±0.06a	1.37±0.02b	1.36±0.05b	1.51±0.05a
		2	1.55±0.03a	1.41±0.08b	1.40±0.10b	1.47±0.04a
		3	1.29±0.04a	1.13±0.01b	1.28±0.02a	1.34±0.02a
	10~20	1	1.12±0.22b	1.24±0.05a	1.17±0.01b	1.24±0.19a
		2	1.22±0.04a	1.23±0.05a	1.20±0.01a	1.14±0.04b
		3	1.11±0.07a	1.12±0.04a	1.15±0.03a	1.12±0.14a