連續(xù)兩年施氮對15齡混作禾草草地的改良效果研究

曹文俠，劉皓棟，李文，徐長林，李小龍，師尚禮

(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院, 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070)

連續(xù)兩年施氮對15齡混作禾草草地的改良效果研究

曹文俠，劉皓棟，李文，徐長林，李小龍，師尚禮

(甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院, 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室, 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心, 甘肅 蘭州 730070)

摘要：以1999年建植的5個不同禾草組合混作草地為對象，研究連續(xù)兩年不同施氮量75 kg/hm2(N1)，150 kg/hm2(N2)，225 kg/hm2(N3)和0 kg/hm2(CK)對草地生產力的提升及群落特征的綜合影響。結果表明，連續(xù)2年施氮均可不同程度提升高寒地區(qū)人工禾草草地的生產力和草層高度，但一定程度降低了草地群落的物種多樣性和豐富度。N2梯度可在有效提高草地生產力的同時，更好維持建植禾草的優(yōu)勢地位和物種的多樣性水平，是該地區(qū)15齡人工草地改良的最佳施氮量。不同的禾草混作組合樣地及不同施氮年份對施氮的響應存在一定差異，垂穗披堿草比重較大的樣地對氮肥的響應較其他禾草更為敏感。研究也證明，過量施氮或單純連續(xù)施氮對高寒地區(qū)多年生禾草混作草地群落的穩(wěn)定性會造成一定影響。

關鍵詞：人工草地；多年生禾草；混作；施氮；改良

Nitrogen fertilizer effects on a 15 year old mixed species alpine pasture after two years

CAO Wen-Xia, LIU Hao-Dong, LI Wen, XU Chang-Lin, LI Xiao-Long, SHI Shang-Li

GrasslandScienceCollegeofGansuAgriculturalUniversity,GrasslandEcosystemKeyLaboratoryofMinistryofEducation,Sino-U.S.ResearchCentersforSustainableGrasslandandLivestockManagement,Lanzhou730070,China

Abstract:Five different gramineous mixed pastures planted in 1999 were studied, and pasture productivity and plant community characteristics were recorded during two consecutive years of N fertilization at 75 kg N/ha (N1), 150 kg N/ha (N2), 225 kg N/ha (N3), or 0 kg N/ha (CK). N fertilization enhanced the pasture productivity and height of these alpine pastures, but reduced plant species richness and diversity to some extent. The optimal fertilization rate for these 15 year old pastures was 150 kg N/ha per year, as this application rate improved pasture productivity and maintained the dominance of gramineous species in the plant communities. The nitrogen response differed between years and pasture with a large proportion of Elymus nutans was more responsive to N fertilizer than other pasture types. This experiment also demonstrated that single N fertilizer applications may enhance community stability or productivity of these alpine, perennial, mixed cropping cultivated grasslands.

Key words:cultivated grassland; perennial grass; mixed cropping; nitrogen fertilization; improvement

長期以來，受過度放牧等因素的影響，天然草地退化嚴重[1]，飼草的供給能力減弱。隨著國家“退牧還草”、“草原生態(tài)補獎”等草原生態(tài)工程和政策的實施，草原生態(tài)治理區(qū)生態(tài)得到明顯恢復。然而，如何在實施休牧、禁牧恢復草原生態(tài)的同時，保障傳統(tǒng)草原畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)“禁牧不禁養(yǎng)、減畜不減肉”，牧草的產量和質量的有效供給成了亟待解決的重大問題。高寒牧區(qū)受自然氣候的制約，飼草供給的季節(jié)性矛盾十分突出，一年生禾草燕麥(Avenasativa)是高寒地區(qū)人工草地用于冬春季家畜補飼的主要飼草[2]，但一年生禾草栽培草地生長期短，土壤裸露期長，春季大風天氣造成土壤有機質嚴重流失，有效養(yǎng)分下降，致土壤不斷退化[3]。因此，建立多年生的人工草地成為改善土地質量，保持草地生態(tài)功能的理想選擇。

多年生人工草地的建植涉及生態(tài)科學的諸多基本問題，如何選擇適宜的草種，根據(jù)草種間的互補性，采用科學的種植模式，構建穩(wěn)定高產的人工群落結構是多年生人工草地建植的核心[4-5]。然而，高寒地區(qū)人工草地的成功建植面臨的問題不少[3,6]。首先，滿足高寒地區(qū)氣候條件的適宜優(yōu)質高產豆科牧草少；另外，禾草與豆科牧草混作種植通常存在著養(yǎng)分、水分、光照和空間等資源方面的競爭，經(jīng)過多年的演替，混作豆科牧草和禾本牧草將出現(xiàn)一方逐漸消退的現(xiàn)象，導致草地的穩(wěn)定性下降[7]。因此，高寒地區(qū)人工混作草地建植草種多以多年生禾草為主，建植初期可實現(xiàn)穩(wěn)定的群落結構，顯著提高草地生產能力，實現(xiàn)設計的理想目標[4,8]。然而，多年人工混作禾草地經(jīng)過幾年的演替變化，土壤肥力下降，建植初的優(yōu)良牧草生產力不斷下降，群落趨于復雜，飼用價值降低[9]。如何使多年生人工混作禾草地保持較高的持續(xù)生產力和群落穩(wěn)定性，成為人工草地改良和生產力提升的關鍵。

施肥是草地改良的重要措施之一，草地施氮可提高牧草產量，促進牧草分蘗、分枝，同時也能增加土壤速效養(yǎng)分，并改善牧草的品質，成為加速退化草地恢復重建、維持草地植物群落，保持人工草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生產力的重要舉措之一[10-12]。目前，針對建植多年的人工混作禾草地改良研究較少，高寒地區(qū)的人工草地植物主要以禾草為主，氮肥是限制其生長的主要因素，因此施肥應以氮肥為主[12-13]。人工草地施氮對提高草地生產力有何作用，施氮對禾草草地群落結構、穩(wěn)定性產生何種影響，施氮對不同組合混作禾草草地的影響有何不同，不僅具有重要的生態(tài)學意義，且對高寒地區(qū)禾草混作的建植與培育改良實踐也有重要的參考價值。本研究以1999年建植的5個不同的多年生禾草組合混作草地為對象，觀測分析連續(xù)兩年施氮肥對高寒地區(qū)禾草人工草地生產力提升及群落特征的綜合影響。

1材料與方法

1.1　試驗地概況

試驗地位于祁連山東段天祝藏族自治縣抓西秀龍鄉(xiāng)甘肅農業(yè)大學高山草原試驗站，地處N 37°40′，E 132°32′，海拔2960 m。該地區(qū)氣溫低、日照短、天氣多變，年均溫度-0.1℃，全年>0℃的積溫為1380℃。全年平均降雨416 mm，主要集中于7-9月(圖1)，年蒸發(fā)量1592 m[2]。水熱同期，冷熱變化明顯。無絕對無霜期。植物生長期約為120~140 d。土壤類型為亞高山草甸土，土層較厚，有機質含量豐富。

圖1　試驗期(2013, 2014年)月均溫、月降水量動態(tài)Fig.1　Precipitation and temperature in 2013 and 2014

以1999年建植[14]的試驗樣地為對象，建植初的小區(qū)草種組合及比例如表 1所示。生長季封育保護，枯草期放牧利用。經(jīng)過10多年的演替，建植禾草優(yōu)勢地位下降，雜類草密度和蓋度增加。施氮前，不同禾草混作組合樣地Ⅰ~Ⅴ的總蓋度分別為85%, 93%, 87%, 70%和81%。經(jīng)過15年的演替，扁穗冰草在草群中僅為零星分布，多葉老芒麥基本從草群中消失，形成了垂穗披堿草、無芒雀麥、冷地早熟禾與阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、陰山扁蓿豆(Medicagorutheniavar.inschanica)及甘露子(Stachysaffinis)等雜類草構成的群落較為復雜的多年生人工草地。

1.2　試驗設計及測定內容

分別在披堿草等混作禾草分蘗期末，選擇陰雨天傍晚(2013年7月1日，2014年6月30日)，對5個不同組合的混作草地撒施氮肥，氮肥品種為尿素,CO(NH2)2，氮含量46%。每塊樣地設4種施氮梯度，分別為N1(75 kg/hm2)、N2(150 kg/hm2)、N3(225 kg/hm2)及CK(0 kg/hm2)，每小區(qū)面積45 m2(9 m×5 m)，重復3次，隨機排列，5個樣地共60個小區(qū)。2013年9月1日和2014年8月29日，對不同組合混作禾草草地各試驗小區(qū)進行群落特征測定。避開鼠丘和不均勻的區(qū)域，每個樣地設置3個1 m×1 m的樣方，分別用稱重法測定群落各物種的生物量(B)，用“針刺法”測定各物種的分蓋度(C)，高度(H),測定重復15次。

表1　各樣地建植當年物種組成及比例

注：“-”表示該草種未在該小區(qū)建植,分數(shù)表示人工草地建植播量比例。

Note: “-” represents that this species did not appear in the plot,percentage in the table indicate planting proportion of the artificial grass.

1.3　計算方法

Margalef豐富度指數(shù)(richness index, R)計算公式：

R=(S-1)/lnN

式中，S為每個樣地樣方中的總物種數(shù)，N為每個樣方中的全部物種的總個體數(shù)[15]。

Whittaker指數(shù)計算公式：

βw=(S/X)-1

式中，S為樣方中觀察的物種數(shù)，X為各樣方或樣本的平均物種數(shù)[16]。

Shannon-weiner指數(shù)的計算公式：

式中，S為物種數(shù)目；Pi為種i的個體數(shù)占群落中總個體的比例[17]。

1.4　數(shù)據(jù)分析

用Excel2010進行數(shù)據(jù)整理后，用SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，差異顯著性用Duncan法按每塊樣地進行多重比較，最后采用Excel作圖。

2結果與分析

2.1　施氮對不同組合人工草地生產力的影響

連續(xù)2年施氮對高寒地區(qū)15齡人工草地的生產力影響顯著(圖2)。由圖2A和圖2C可知，2013和2014年Ⅴ樣地的地上生物量均顯著高于其他樣地，其中，2013年樣地Ⅴ比樣地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別增加了38%, 37%, 27%和23%，2014年分別增加了21%, 50%, 49%和94%，說明建植15年后，樣地Ⅴ的生產力最高。總體上，施氮當年樣地Ⅰ和Ⅴ的生物量高于樣地Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。2014年未施氮對照樣地地上生物量大多高于2013年，但2014年施氮后各樣地生物量的增值明顯低于2013年的相應施氮處理。

由圖2B和圖2D可知，連續(xù)2年施氮均不同程度提高了高寒地區(qū)人工草地的生產力。各樣地地上生物量均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢，其中，均在N2梯度下達最大，且均顯著高于其他梯度，說明高寒地區(qū)15齡幾種組合禾草人工草地的最佳施氮量均為150 kg/hm2。

圖2　不同施氮量下各樣地地上生物量的變化Fig.2　Variation of aboveground biomass under different nitrogen levels　圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，豎杠代表標準誤差，下同。Different small letters mean significant difference at 0.05 level among treatments. Bars represent standard errors of means. The same as below.

2.2　施氮對不同組合人工草地草層高度的影響

高度可反映不同植物在群落中的空間競爭力，也關系到生產上是否便于實施刈割。由圖3可知，施氮對高寒地區(qū)15齡人工草地草層高度的影響顯著。由圖3A和圖3C可知，2013和2014年樣地Ⅴ的草層高度均顯著高于其他樣地，其中，2013年樣地Ⅴ比Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ樣地分別增加了75%, 47%, 32%和28%；2014年分別增加了81%, 46%, 32%和36%。同時，2013年各施氮梯度下Ⅳ和Ⅴ樣地的草層高度顯著高于其他樣地，而2014年，各施氮梯度下Ⅲ和Ⅴ樣地的地上草層高度顯著高于其他樣地。由圖3B和圖3D可知，連續(xù)2年施氮均不同程度提高了高寒地區(qū)人工草地的草層高度。各樣地草層高度均隨施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢，其中，均在N2梯度下達最大，且均顯著高于其他梯度。

圖3　不同施氮量下各樣地草層高度的變化Fig.3　Variation of height under different nitrogen levels

2.3　施氮對不同組合人工草地植物種多樣性的影響

連續(xù)2年施氮后不同組合人工草地植物種多樣性變化如圖4所示?？傮w上，施氮降低了不同組合人工草地植物種多樣性，但不同施氮量及年際間均有一定的差異。與對照相比，施肥后Shannon-weiner指數(shù)下降顯著(圖4A,B)，并隨施氮量的增加而增加。施氮后豐富度指數(shù)的下降幅度小于Shannon-weiner指數(shù)，施氮第2年下降程度大于第1年(圖4)。其中，2013年施氮前后，豐富度指數(shù)均以樣地Ⅱ最高(圖4C)。

圖4　不同施氮量下各樣地植物群落多樣性的變化Fig.4　Variation of the diversity of plant community under different nitrogen levels

2.4　施氮對不同組合人工草地群落相似性的影響

草地群落相似度可由Whittaker指數(shù)表征。不同群落間的共有種越少，Whittaker指數(shù)就越大[16]。由圖5可知，2013和2014年施氮后，15齡不同組合人工草地的Whittaker指數(shù)均在N2梯度下極顯著低于N1和N3梯度(P<0.01)，說明15齡不同組合人工草地在該施氮梯度下的群落結構和對照區(qū)的群落結構更為相似。

圖5　不同施氮量下各樣地Whittaker指數(shù)的變化Fig.5　Variation of the Whittaker index under different nitrogen levels

2013年，N1和N3梯度下各樣地的Whittaker指數(shù)大小變化規(guī)律不一致，但2014年各樣地Whittaker指數(shù)均在N3下顯著增大(圖5)，說明高氮施肥在施肥當年對15齡人工草地的群落結構影響較小，而第2年連續(xù)施氮則對群落結構的影響顯著。

3結論與討論

多數(shù)研究表明施氮對高寒地區(qū)草地生產系統(tǒng)的生產力、群落結構及多樣性有著十分重要的作用與影響[18-19]。本研究通過對連續(xù)兩年施氮，研究了不同施氮梯度對5個15齡的不同組合禾草混作草地生產力提升的效果，并探討了施氮對草地群落結構及多樣性的綜合影響。

施氮是提升栽培草地生產力的重要途徑[20-22]。連續(xù)2年施氮均可不同程度提升高寒地區(qū)人工禾草草地的生產力，也相應提高草地的草層高度。各樣地的草層高度、地上生物量均隨施氮量的增加呈先增加后降低的變化趨勢。其中，均在N2梯度下達最大，且均顯著高于其他梯度，說明高寒地區(qū)15齡人工草地的最佳施氮量為150kg/hm2。說明通過單純的施氮具有效提升草地生產力，實現(xiàn)高寒地區(qū)多年生人工禾草地隨建植年增加而出現(xiàn)生產力下降顯著的改良作用。試驗也發(fā)現(xiàn)，盡管2年試驗期的生長季月均溫間差異不大，而2014年的降雨較2013年明顯偏高(圖1)，使各組合樣地的未施氮對照的地上生物量大多高于2013年，但2014年的施氮各樣地生物量的增值卻明顯低于2013年的相應施氮處理。施肥可導致群落豐富度[23]和多樣性[24]的下降。連續(xù)施氮后群落Shannon-weiner多樣性指數(shù)下降顯著，并隨施氮量的增加而增加，施氮第2年施氮后豐富度指數(shù)的下降程度大于第1年，從草地群落的穩(wěn)定性[20]的角度考慮，過量或連續(xù)施氮可能降低15齡禾草混作草地的群落穩(wěn)定性。這可能與施氮后引起的群落地上植株密度增加，改變了原有的競爭格局有關[24-25]。而2年的施氮，均以150kg/hm2的氮肥梯度下的Whittaker指數(shù)較低，說明中等氮肥對15齡禾草混作草地的群落結構影響較小，但第2年的連續(xù)施氮對群落結構的影響更為顯著，說明單純連續(xù)施氮對群落的穩(wěn)定性會造成一定影響。

連續(xù)2年施氮對高寒地區(qū)不同組合的15齡混作人工草地的顯著影響存在一定的差異?？傮w上看，施氮前后樣地Ⅰ和Ⅴ的生物量高于其他組合樣地，說明不同樣地對氮肥的響應敏感程度不同。最佳施氮量下，2年的施氮樣地Ⅰ(垂穗披堿草+多葉老芒麥+扁穗冰草)的地上生物量增幅最大，樣地Ⅳ(無芒雀麥+冷地早熟禾+多葉老芒麥+扁穗冰草)則增幅最小。經(jīng)過演替，樣地Ⅰ形成了垂穗披堿草占絕對優(yōu)勢，雜類草為伴生種的群落，而樣地Ⅳ沒有垂穗披堿草，說明垂穗披堿草對氮肥的響應較其他禾草更為敏感。雖然高度可一定程度反映不同植物在群落中的空間競爭力，2013和2014年樣地Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的草層高度較其他兩樣地的高，可能與樣地中均為冷地早熟禾，在群落總體蓋度和生長量增加的情況下，增加了群落內各物種間在空間層上的競爭[25-26]，加速了上繁草垂穗披堿草或無芒雀麥與下繁草冷地早熟禾在空間上的分層。

連續(xù)2年施氮均不同程度地降低了不同組合人工禾草混作草地的植物種多樣性，但不同施氮量及年際間均有一定的差異。除樣地Ⅰ，其他樣地豐富度指數(shù)差異不大，但樣地Ⅲ施肥后Shannon-weiner指數(shù)最大，而過大施氮量下，下降最為顯著，這可能與樣地Ⅲ在的混作組分種有較其他組合更多的共優(yōu)禾草(垂穗披堿草、冷地早熟禾、無芒雀麥)有關。多年生禾草混作人工草地經(jīng)過15年的演替，其群落結構發(fā)生了改變，扁穗冰草和多葉老芒麥從草群中基本消失，形成了禾草與阿爾泰狗娃花等雜類草的群落結構[6,14]，但仍沒有完全脫離建植初期的草地群落。連續(xù)2年的合理施氮并沒有改變草地優(yōu)勢種的地位，但連續(xù)施氮使禾草地的豐富度指數(shù)和Shannon-weiner多樣性指數(shù)發(fā)生了一定變化，說明施氮對提高優(yōu)良牧草的優(yōu)勢度，提升草地生產力有重要作用。然而，過量施氮不但不能提高產量，而且還可引起群落多樣性的快速下降和群落結構的不穩(wěn)定[20,25]。說明合理的施氮量不僅可以增加草地的生產力、改善牧草的品質，還可以促使草地多元化結構的形成。

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作者簡介：曹文俠(1970-)，男，甘肅會寧人，副教授。E-mail:caowx@gsau.edu.cn

基金項目：現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系(CARS-35)，國家自然科學基金(31360569)和甘肅“退牧還草”、“打草場建設”項目資助。

收稿日期：2015-01-07；改回日期：2015-05-06

DOI：10.11686/cyxb2015007http://cyxb.lzu.edu.cn