Interactive effect of fertilization and cutting on community dynamics and transgressive overyielding effect of grass pasture in the northern Tibetan Plateau

doi:10.11686/cyxb2023014

Abstract

Abstract:

Establishing artificial grassland using native species is an effective measure to restore alpine degraded grassland in the northern Tibetan Plateau. Our objective was to provide the scientific basis for ecological restoration of degraded grassland. This study investigated the dynamics of community fluctuation in sown grassland of three different native species domesticated in the northern part of Tibet： Elymus nutans， Elymus tangutorum and Poa litwinowiana. We aimed to identify the optimal sowing combination， explore the possibility of transgressive overyielding effect compared with monocultures， net effect of biodiversity， and the response of individual species to fertilization and cutting of mixed-species grassland. The experiment used a split-plot design with 7 sowing combinations as main plots： Monocultures of E. nutans （S₁）， E. tangutorum （S₂） and P. litwinowiana （S₃）， the combinations of E. nutans+E. tangutorum （M₁）， E. nutans+P. litwinowiana （M₂）， E. tangutorum+P. litwinowiana （M₃） and E. nutans+E. tangutorum+P. litwinowiana （M₄）. Fertilization and cutting treatments were applied as sub-plot treatments. The sub-plots set 4 treatments： Fertilization treatment， cutting treatment， fertilization+cutting treatment combination and control （untreated）. The plots were planted in 2019 with 60 g·m^-2 fertilizer application of （NH₄）₂HPO₄， cut to 5 cm stubble height. It was found that swards of the different sowing combinations displayed obvious population dynamic changes through the growing season. Aboveground biomass peaked on September 20^th （the end of growing season）， and E. nutans was the dominant species of mixtures. The underground biomass accumulation reached its maximum value on August 20^th （booting stage）； The underground biomass of treatment M₄ was the highest （669.61 g·m^-2）. The combination of E. nutans+E. tangutorum+P. litwinowiana （M₄） had the highest productivity. A positive interaction between fertilization and cutting treatments resulted in high yield （3190.83 g·m^-2） in the fertilization+cutting treatment combination. Therefore， the mixed sowing of E. nutans+E. tangutorum+P. litwinowiana with fertilization and cutting is the recommended methodology for the establishment of sown grassland in the northern Tibetan Plateau. When tested using natural log response ratio （LNRR） analysis， E. nutans had the strongest competitiveness， followed by P. litwinowiana and E. tangutorum. The relative yield totals of M₁， M₂， M₃ （control and cutting treatments） and M₄ were all greater than 1.0， and thus all had over yielding compared to the respective monocultures. In M₄， M₁ （control and cutting treatments）， M₂ （cutting， fertilization and fertilization+cutting treatments）， the complementary effect and selection effects jointly contributed to the over yielding， while in M₁ （fertilization and fertilization+cutting treatments）， M₂ （control treatment） and M₃ （control and cutting treatments）， only the complementary effect was important and dominated the over yielding.

Key words: artificial grassland, native species, fertilization and cutting, community dynamics, transgressive overyielding effect, the northern Tibetan Plateau

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Figures/Tables 9

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播种组合 Sowing combinations	组分 Component	取样时间Sampling time （月-日Month-day）
		对照Control						施肥Fertilization
		7-20		8-20		9-20		7-20		8-20		9-20
		A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）
S₁	垂穗披碱草E. nutans	90.00	100.00	629.80	100.00	1063.13	100.00	359.07	100.00	1008.41	100.00	1966.92	100.00
S₂	麦宾草E.tangutorum	39.62	100.00	638.01	100.00	1020.64	100.00	337.28	100.00	1178.30	100.00	2215.82	100.00
S₃	中亚早熟禾P. litwinowiana	36.12	100.00	330.61	100.00	333.78	100.00	206.05	100.00	703.34	100.00	797.44	100.00
M₁	垂穗披碱草E. nutans	87.56	77.78	457.99	75.73	805.80	74.28	358.45	76.94	849.44	70.90	1848.58	70.74
	麦宾草E. tangutorum	25.01	22.22	146.78	24.27	278.97	25.72	107.45	23.06	348.62	29.10	764.69	29.26
	总生物量Total yield	112.57	100.00	604.77	100.00	1084.77	100.00	465.90	100.00	1198.06	100.00	2613.27	100.00
M₂	垂穗披碱草E. nutans	54.58	71.54	363.54	73.82	782.09	74.33	375.87	90.67	788.67	69.85	1746.51	82.47
	中亚早熟禾P. litwinowiana	21.71	28.46	128.90	26.18	270.13	25.67	38.67	9.33	340.49	30.15	371.28	17.53
	总生物量Total yield	76.29	100.00	492.44	100.00	1052.22	100.00	414.54	100.00	1129.16	100.00	2117.79	100.00
M₃	麦宾草E. tangutorum	53.23	61.47	312.45	68.70	368.89	52.43	167.37	70.30	597.31	62.56	1088.68	76.97
	中亚早熟禾P. litwinowiana	33.36	38.53	140.40	31.30	334.69	47.57	70.72	29.70	357.53	37.44	325.78	23.03
	总生物量Total yield	86.59	100.00	452.85	100.00	703.58	100.00	238.09	100.00	954.84	100.00	1414.46	100.00
M₄	垂穗披碱草E. nutans	126.91	75.47	485.90	45.68	1015.07	74.78	435.16	84.24	968.70	48.39	2268.09	81.51
	麦宾草E. tangutorum	22.41	13.33	309.92	29.14	173.58	12.79	44.50	8.62	553.81	27.66	269.03	9.67
	中亚早熟禾P. litwinowiana	18.85	11.20	267.79	25.18	168.83	12.43	36.89	7.14	479.52	23.95	245.48	8.82
	总生物量Total yield	168.17	100.00	1063.61	100.00	1357.48	100.00	516.55	100.00	2002.03	100.00	2782.60	100.00

播种组合 Sowing combinations	组分 Component	取样时间Sampling time （月-日Month-day）
		对照Control						施肥Fertilization
		7-20		8-20		9-20		7-20		8-20		9-20
		A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）
S₁	垂穗披碱草E. nutans	90.00	100.00	629.80	100.00	1063.13	100.00	359.07	100.00	1008.41	100.00	1966.92	100.00
S₂	麦宾草E.tangutorum	39.62	100.00	638.01	100.00	1020.64	100.00	337.28	100.00	1178.30	100.00	2215.82	100.00
S₃	中亚早熟禾P. litwinowiana	36.12	100.00	330.61	100.00	333.78	100.00	206.05	100.00	703.34	100.00	797.44	100.00
M₁	垂穗披碱草E. nutans	87.56	77.78	457.99	75.73	805.80	74.28	358.45	76.94	849.44	70.90	1848.58	70.74
	麦宾草E. tangutorum	25.01	22.22	146.78	24.27	278.97	25.72	107.45	23.06	348.62	29.10	764.69	29.26
	总生物量Total yield	112.57	100.00	604.77	100.00	1084.77	100.00	465.90	100.00	1198.06	100.00	2613.27	100.00
M₂	垂穗披碱草E. nutans	54.58	71.54	363.54	73.82	782.09	74.33	375.87	90.67	788.67	69.85	1746.51	82.47
	中亚早熟禾P. litwinowiana	21.71	28.46	128.90	26.18	270.13	25.67	38.67	9.33	340.49	30.15	371.28	17.53
	总生物量Total yield	76.29	100.00	492.44	100.00	1052.22	100.00	414.54	100.00	1129.16	100.00	2117.79	100.00
M₃	麦宾草E. tangutorum	53.23	61.47	312.45	68.70	368.89	52.43	167.37	70.30	597.31	62.56	1088.68	76.97
	中亚早熟禾P. litwinowiana	33.36	38.53	140.40	31.30	334.69	47.57	70.72	29.70	357.53	37.44	325.78	23.03
	总生物量Total yield	86.59	100.00	452.85	100.00	703.58	100.00	238.09	100.00	954.84	100.00	1414.46	100.00
M₄	垂穗披碱草E. nutans	126.91	75.47	485.90	45.68	1015.07	74.78	435.16	84.24	968.70	48.39	2268.09	81.51
	麦宾草E. tangutorum	22.41	13.33	309.92	29.14	173.58	12.79	44.50	8.62	553.81	27.66	269.03	9.67
	中亚早熟禾P. litwinowiana	18.85	11.20	267.79	25.18	168.83	12.43	36.89	7.14	479.52	23.95	245.48	8.82
	总生物量Total yield	168.17	100.00	1063.61	100.00	1357.48	100.00	516.55	100.00	2002.03	100.00	2782.60	100.00

播种组合 Sowing combinations	组分 Component	取样时间Sampling time （月-日Month-day）
		对照Control						施肥Fertilization
		7-20		8-20		9-20		7-20		8-20		9-20
		A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）
S₁	垂穗披碱草E. nutans	19.21	100.00	210.68	100.00	192.10	100.00	63.70	100.00	237.62	100.00	264.89	100.00
S₂	麦宾草E.tangutorum	9.22	100.00	238.58	100.00	193.70	100.00	68.65	100.00	287.92	100.00	350.01	100.00
S₃	中亚早熟禾P. litwinowiana	20.24	100.00	292.57	100.00	304.40	100.00	57.62	100.00	352.28	100.00	356.43	100.00
M₁	垂穗披碱草E. nutans	14.21	77.10	272.13	63.88	213.75	60.25	53.67	50.06	319.21	59.11	291.39	58.74
	麦宾草E. tangutorum	4.22	22.90	153.95	36.12	141.02	39.75	53.53	49.94	220.80	40.89	204.68	41.26
	总生物量Total yield	18.43	100.00	426.08	100.00	354.77	100.00	107.20	100.00	540.01	100.00	496.07	100.00
M₂	垂穗披碱草E. nutans	8.67	55.94	282.91	54.93	246.70	52.91	53.95	84.96	339.11	56.55	301.38	56.56
	中亚早熟禾P. litwinowiana	6.83	44.06	232.12	45.07	219.55	47.09	9.55	15.04	260.60	43.45	231.50	43.44
	总生物量Total yield	15.50	100.00	515.03	100.00	466.25	100.00	63.50	100.00	599.71	100.00	532.88	100.00
M₃	麦宾草E. tangutorum	12.67	54.70	246.12	46.52	193.85	42.38	27.40	62.95	305.30	48.20	270.90	46.03
	中亚早熟禾P. litwinowiana	10.49	45.30	282.90	53.48	263.56	57.62	16.13	37.05	328.08	51.80	317.65	53.97
	总生物量Total yield	23.16	100.00	529.02	100.00	457.41	100.00	43.53	100.00	633.38	100.00	588.55	100.00
M₄	垂穗披碱草E. nutans	24.13	46.43	219.50	42.75	197.91	45.00	37.85	52.99	309.08	46.16	272.82	46.34
	麦宾草E. tangutorum	18.42	35.44	151.58	29.52	99.49	22.62	22.50	31.50	185.50	27.70	133.04	22.60
	中亚早熟禾P. litwinowiana	9.42	18.13	142.41	27.73	142.40	32.38	11.08	15.51	175.03	26.14	182.86	31.06
	总生物量Total yield	51.97	100.00	513.49	100.00	439.80	100.00	71.43	100.00	669.61	100.00	588.72	100.00

播种组合 Sowing combinations	组分 Component	取样时间Sampling time （月-日Month-day）
		对照Control						施肥Fertilization
		7-20		8-20		9-20		7-20		8-20		9-20
		A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）	A （g·m^-2）	B （%）
S₁	垂穗披碱草E. nutans	19.21	100.00	210.68	100.00	192.10	100.00	63.70	100.00	237.62	100.00	264.89	100.00
S₂	麦宾草E.tangutorum	9.22	100.00	238.58	100.00	193.70	100.00	68.65	100.00	287.92	100.00	350.01	100.00
S₃	中亚早熟禾P. litwinowiana	20.24	100.00	292.57	100.00	304.40	100.00	57.62	100.00	352.28	100.00	356.43	100.00
M₁	垂穗披碱草E. nutans	14.21	77.10	272.13	63.88	213.75	60.25	53.67	50.06	319.21	59.11	291.39	58.74
	麦宾草E. tangutorum	4.22	22.90	153.95	36.12	141.02	39.75	53.53	49.94	220.80	40.89	204.68	41.26
	总生物量Total yield	18.43	100.00	426.08	100.00	354.77	100.00	107.20	100.00	540.01	100.00	496.07	100.00
M₂	垂穗披碱草E. nutans	8.67	55.94	282.91	54.93	246.70	52.91	53.95	84.96	339.11	56.55	301.38	56.56
	中亚早熟禾P. litwinowiana	6.83	44.06	232.12	45.07	219.55	47.09	9.55	15.04	260.60	43.45	231.50	43.44
	总生物量Total yield	15.50	100.00	515.03	100.00	466.25	100.00	63.50	100.00	599.71	100.00	532.88	100.00
M₃	麦宾草E. tangutorum	12.67	54.70	246.12	46.52	193.85	42.38	27.40	62.95	305.30	48.20	270.90	46.03
	中亚早熟禾P. litwinowiana	10.49	45.30	282.90	53.48	263.56	57.62	16.13	37.05	328.08	51.80	317.65	53.97
	总生物量Total yield	23.16	100.00	529.02	100.00	457.41	100.00	43.53	100.00	633.38	100.00	588.55	100.00
M₄	垂穗披碱草E. nutans	24.13	46.43	219.50	42.75	197.91	45.00	37.85	52.99	309.08	46.16	272.82	46.34
	麦宾草E. tangutorum	18.42	35.44	151.58	29.52	99.49	22.62	22.50	31.50	185.50	27.70	133.04	22.60
	中亚早熟禾P. litwinowiana	9.42	18.13	142.41	27.73	142.40	32.38	11.08	15.51	175.03	26.14	182.86	31.06
	总生物量Total yield	51.97	100.00	513.49	100.00	439.80	100.00	71.43	100.00	669.61	100.00	588.72	100.00

来源Source	df	F	P
小区间Between plots
播种组合Species composition （SC）	6	2900.41	<0.001
区组Block	3	9141.17	<0.001
亚小区Between subplots
施肥Fertilization （F）	1	26170.44	<0.001
刈割Cutting （C）	1	1136.05	<0.001
播种组合×施肥SC×F	6	450.97	<0.001
播种组合×刈割SC×C	6	3.42	0.006
施肥×刈割F×C	1	117.03	<0.001
播种组合×施肥×刈割SC×F×C	6	0.22	0.973