《Agronomy》：Enhancement of Ecosystem Multifunctionality in Altay Natural Mowing Grasslands by Mixed Grass Species Overseeding
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在气候变化与长期刈割利用的共同影响下，新疆阿尔泰山区草甸天然割草地发生退化，主要表现为优质饲草比例下降、杂类草增加，严重制约草地畜牧业生产与区域生态安全。针对退化天然割草地的恢复，目前缺乏豆科–禾草混播补播对生态系统多功能性（Ecosystem Multifu
在气候变化与长期刈割利用的共同影响下，新疆阿尔泰山区草甸天然割草地发生退化，主要表现为优质饲草比例下降、杂类草增加，严重制约草地畜牧业生产与区域生态安全。针对退化天然割草地的恢复，目前缺乏豆科–禾草混播补播对生态系统多功能性（Ecosystem Multifunctionality, EMF）影响的系统评估；已有研究多聚焦单一生态功能，不同物种混播如何驱动植被–土壤系统协同恢复及其机制尚不清楚。本研究以阿尔泰退化天然割草地为对象，选用扁蓿豆（Onobrychis viciifolia cv. Qitai）、紫花苜蓿（Medicago sativa cv. Xinmu No. 4）、红三叶（Trifolium pratense cv. Minshan）、鸭茅（Dactylis glomerata）、草地早熟禾（Poa pratensis）、无芒雀麦（Bromus inermis cv. Wusu No. 1）及羊草（Elymus dahuricus），在豆禾比2:8的统一设定下设置不同混播组合，通过2024–2025年定位田间观测，整合群落数量特征、饲草营养品质、土壤物理及化学性质指标，构建地上EMF（Aboveground EMF, AEMF）、地下EMF（Belowground EMF, BEMF）及整体EMF指数，评价不同豆禾混播对退化天然割草地的恢复效果，筛选适用于不同恢复目标的候选混播配方并阐明驱动机制。结果显示：（1）不同豆禾混播组合对退化天然割草地的恢复效果差异显著，补播后群落组成改变，部分组合快速形成以禾草为主的群落结构；（2）优良混播组合显著提高群落盖度与地上生物量，改善饲草品质，并在一定程度上提升土壤肥力；（3）补播对AEMF的提升幅度大于BEMF，第1年各功能同步增强，第2年系统转入功能重组阶段；（4）基于两年田间试验，初步筛选出适配不同恢复目标的候选豆禾混播组合——综合生态修复推荐：扁蓿豆5%＋红三叶15%＋鸭茅15%＋草地早熟禾15%＋无芒雀麦（Wusu No. 1）50%；快速恢复生产力推荐：红三叶10%＋紫花苜蓿10%＋草地早熟禾30%＋无芒雀麦（Wusu No. 1）50%；生产优质干草推荐：紫花苜蓿10%＋红三叶10%＋鸭茅30%＋无芒雀麦（Wusu No. 1）50%。本研究明确了不同豆禾混播组合在增产、提质与土壤功能恢复方面的目标适配性，为阿尔泰山区退化天然割草地生态修复及后续区域验证提供参考。
论文解读：《Enhancement of Ecosystem Multifunctionality in Altay Natural Mowing Grasslands by Mixed Grass Species Overseeding》，发表于《Agronomy》。
一、研究背景与意义
我国北方天然割草地是冬春饲草储备的重要来源，新疆阿尔泰山区山地草甸既是冬季–春季饲草基地，也维系区域畜牧业稳定与生态安全。长期刈割利用持续移走地上生物量与养分，当刈割强度、养分归还与自然恢复能力失衡时，天然割草地发生中度至重度退化，表现为适口饲草比例下降、杂类草增多、群落盖度与地上生物量降低、表层土壤供肥能力减弱，导致干草产量与品质下降及植被–土壤系统恢复力受损。补播（Overseeding）是天然草地植被恢复的常用低扰动措施，豆科–禾草混播（Legume–Grass Mixture Overseeding）可利用豆科固氮与禾草强分蘖及根系拓展能力的互补（Niche Complementarity，生态位互补）提高资源利用效率、改善群落结构与饲草品质，但其效果受立地条件与物种组成影响。既往研究多关注放牧草地或人工草地，且评估常限于单—功能指标（如生物量或土壤养分），缺乏对退化天然割草地在长期刈割背景下豆禾混播组合筛选及生态系统多功能性（Ecosystem Multifunctionality, EMF——指同时考虑多种生态系统过程/功能并整合为单一综合指数的评价框架）驱动机制的系统性研究。为此，研究人员以阿尔泰典型退化天然割草地为对象，设置不同豆禾混播组合开展定位试验，采用EMF框架综合评价植被–土壤系统协同恢复效应并筛选目标导向的适宜混播配方。
二、主要关键技术方法概述
研究人员于新疆哈巴河县铁热克提乡齐巴希勒克村山地草甸（48°26′37″N, 86°33′11″E, 海拔1199.69 m）选取经调查判定为中度退化的天然割草地区域（原优势种含苔草Carex tristachya、蓍草Achillea millefolium等，优质饲草占比约11.34%），依据当地冷凉干旱无灌溉条件下物种适应性、饲用价值、建植能力与固氮潜力，选定7个豆科与禾草物种，设不补播对照（CK）及10种豆禾混播处理（豆:禾播种质量比固定为2:8），完全随机区组设计、3次重复、33个50 m2小区、1 m隔离带，于2023年5月17日免耕条播（行距30 cm），统一基施腐熟羊粪2000 kg ha?1与磷酸二铵8 kg ha?1（N–P?O?–K?O: 18–46–0），无灌溉。于2024年与2025年8月上旬采用样方法（每小区3个1 m×1 m样方）测定植物群落特征（盖度—点截取法、株高、地上生物量Aboveground Biomass, AGB、地下生物量Belowground Biomass, BGB）、饲草营养（粗蛋白Crude Protein, CP——凯氏定氮法；酸性洗涤纤维Acid Detergent Fiber, ADF与中性洗涤纤维Neutral Detergent Fiber, NDF——Van Soest法；相对饲喂价值Relative Feed Value, RFV）及0–10 cm土层土壤理化性质（容重Bulk Density, BD、土壤含水量Soil Water Content, SW、有机质Soil Organic Matter, OM——重铬酸钾氧化–外加热法、碱解氮Alkali-hydrolyzable Nitrogen, AN——碱解扩散法、速效磷Available Phosphorus, AP——NaHCO?浸提–钼锑抗比色法、速效钾Available Potassium, AK——NH?OAc浸提–火焰光度法）。经Pearson相关剔除高度共线指标后选取11项代表性指标计算物种重要性值（Importance Value, IV = (相对高度+相对盖度+相对AGB)/3）、Shannon–Wiener多样性指数（H）及EMF（标准化各指标后取均值，分为地上EMF Aboveground EMF, AEMF与地下EMF Belowground EMF, BEMF），采用单因素方差分析与Duncan多重比较（p < 0.05）及Pearson相关分析处理数据。
三、研究结果
3.1. Changes in Community Composition and Structure（群落组成与结构的变化）
补播明显改变群落功能群组成，禾草生物量占比由2024年42.87%–85.87%升至2025年71.62%–90.67%，其中A6组合最高；豆科生物量占比始终较低（2024年0.43%–4.23%，2025年0.62%–1.59%），A3最高；多年生杂类草与一/二年生杂类草占比均下降。补播处理禾草重要值（IV）>0.49且高于CK，杂类草IV低于CK（p < 0.05）。表明优良混播可快速形成禾草主导、豆科补充、杂类草受抑的稳定群落结构。
3.2. Changes in Individual Ecosystem Functions（单项生态系统功能的变化）
3.2.1. Changes in Plant Community Attributes（植物群落属性变化）
2024年A1、A5、A7、A10盖度显著高于CK（p < 0.05），A7最高；株高与CK无显著差异。2025年A1、A3、A6、A7、A10盖度达100%，其余≥95.33%；A9株高最高（63.26 cm）且显著高于CK。地上生物量2024年A5、A9最高（分别475.88、473.17 g m?2）且显著高于A2、A6及CK；2025年A6地上生物量最高（1214.46 g m?2）且显著高于CK。地下生物量2024年A1最高（4245.00 g m?2）且显著高于其他处理，2025年处理间无显著差异。Shannon–Wiener指数2024年与CK无显著差异，2025年A10显著高于A3、A4及CK；A8、A10两年间物种多样性显著升高（p < 0.05）。
3.2.2. Changes in Forage Nutritional Quality（饲草营养品质变化）
补播显著提高饲草营养品质（p < 0.05），随时间效应增强。粗蛋白2024年A3最高（7.63%）高于CK，2025年A8最高（9.43%）高于CK。ADF与NDF 2025年均以降低为佳，A8最低（ADF 32.26%、NDF 48.78%）且显著低于CK。RFV 2024年A3最高（102.19%）高于CK，2025年A8最高（119.87%）高于CK，说明该组合最利于生产优质饲草。
3.2.3. Changes in Soil Physicochemical Properties（土壤理化性质变化）
补播对地上植被改善明显强于对土壤性质的短期影响。土壤容重2024年各处理与CK无显著差异，2025年A7最低（0.68 g cm?3）、A10最高（1.06 g cm?3）且二者差异显著。土壤含水量2025年各补播处理均显著高于CK（p < 0.05），A8最高。土壤OM 2024年所有补播处理均显著高于CK，A6最高（166.59 g kg?1）；2025年A5最高（246.35 g kg?1，较2024增64.64%）且显著高于A3、A7及CK，CK亦升至162.82 g kg?1但仍低于A5。碱解氮2024年均显著高于CK，A6最高；2025年A5最高且显著高于A7。速效磷2024年A4最高且显著高于CK，2025年A6最高且显著高于部分处理。速效钾总体呈上升趋势，2024年A4最高，2025年A5最高。表明土壤功能恢复具滞后性与组合特异性，仅部分优良组合（如A5）在第二年出现明显的土壤肥力累积。
3.3. Effects of Overseeding Different Species Mixtures on Ecosystem Multifunctionality（不同混播组合对生态系统多功能性的影响）
所有补播组合总EMF指数2024年均显著高于CK（p < 0.05）；2025年多数仍维持优势，A5总EMF最高，A7与CK显著下降（p < 0.05）。AEMF 2024年A1、A2、A4、A5、A7、A8、A9已显著高于CK；2025年全部处理AEMF超CK，A10最高。BEMF 2024年所有补播处理高于CK（部分呈负值），2025年仅A5显著高于A7，其余处理间差异不显著。说明补播可快速显著提升AEMF，BEMF响应滞后且因组合而异。
3.4. Relationships Among Individual and Multiple Ecosystem Functions（单项功能与多功能性间关系）
2024年土壤养分与物种丰富度、植物多样性正相关（p < 0.01），OM与AN与禾草生物量占比及IV正相关，豆科IV与CP及RFV正相关；总EMF、AEMF、BEMF与多数群落结构及土壤养分变量强正相关，AEMF与BD显著相关（p < 0.01）。2025年上述相关性普遍减弱为中或弱相关，总EMF与植物指标相关性强于与土壤指标。表明初期多函数耦合强，后期系统进入功能再分配与稳态调整阶段。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出：①优良混播（如含无芒雀麦与红三叶的组合）通过质量比效应（Mass Ratio Effect——生态系统功能主要由优势种功能性状决定）快速建立禾草主导群落实现早期生产力恢复，同时通过豆禾功能互补（Functional Complementarity——不同功能群资源获取策略差异提升资源利用率与多功能性）改善氮素供应与饲草品质，双重机制共同抑制杂类草并促进稳定群落形成；②地上功能（生产力、品质）对补播响应快，地下功能（土壤肥力）具时间滞后性与组合依赖性，依赖稳定高产群落持续提供适量低C:N比凋落物与根系输入以启动正向植物–土壤反馈（Plant–Soil Feedback）；③EMF第一年各功能强耦合，第二年地上地下功能分化，体现恢复的阶段依赖性，植物群落特征是驱动EMF最稳定因素，单—时间点单—指标评价易误判恢复成效，需多维长期视角。
结论（翻译）：豆禾混播补播可有效恢复阿尔泰退化天然割草地。豆科与禾草通过生态位互补快速建立稳定高产群落，促使地上生物量与饲草品质早期提升，进而逐步带动土壤养分循环与结构改善；但地下EMF指数提升明显滞后于地上且因混播组合而异。针对不同管理目标推荐如下混播配方——综合生态修复：扁蓿豆（O. viciifolia cv. Qitai）5%＋红三叶（T. pratense cv. Minshan）15%＋鸭茅（D. glomerata）15%＋草地早熟禾（P. pratensis）15%＋无芒雀麦（B. inermis cv. Wusu No. 1）50%；快速恢复生产力：红三叶（T. pratense cv. Minshan）10%＋紫花苜蓿（M. sativa cv. Xinmu No. 4）10%＋草地早熟禾（P. pratensis）30%＋无芒雀麦（B. inermis cv. Wusu No. 1）50%；生产优质干草：紫花苜蓿（M. sativa cv. Xinmu No. 4）10%＋红三叶（T. pratense cv. Minshan）10%＋鸭茅（D. glomerata）30%＋无芒雀麦（B. inermis cv. Wusu No. 1）50%。含扁蓿豆5%＋紫花苜蓿15%＋鸭茅15%＋草地早熟禾15%＋无芒雀麦50%的组合对一/二年生杂类草抑制弱，含紫花苜蓿15%＋扁蓿豆5%＋草地早熟禾30%＋无芒雀麦50%的组合对土壤有机质积累驱动差，均不推荐用于实际恢复。研究结果支持以仿自然、功能导向的植被重组提升陆地生态系统服务与气候韧性的管理路径，为实现SDG 15土地退化零增长目标提供技术选项。
