施氮對(duì)高寒草原植物生長(zhǎng)和土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響

于 兵， 吳克寧

[1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083]

氮是植物生長(zhǎng)的必需元素，植物的一生需要吸收大量的土壤氮素。施肥是改良草地的有效措施之一，可有效提高草地生產(chǎn)力。章學(xué)梅等通過(guò)對(duì)冷季型混播草坪的施肥研究發(fā)現(xiàn)，年施氮量為25 g/m2較合適[1]。韓建國(guó)等通過(guò)研究施肥對(duì)早熟禾(Poapretensis)草地土壤中硝態(tài)氮含量的影響，發(fā)現(xiàn)0～20 cm土層中硝態(tài)氮的含量受施肥影響最大，并且與肥料類型、施肥次數(shù)以及肥料量有關(guān)[2]。

草原對(duì)大自然保護(hù)有很大作用，它不僅是重要的地理屏障，而且也是阻止沙漠蔓延的天然防線，起著生態(tài)屏障作用。另外，它也是人類發(fā)展畜牧業(yè)的天然基地。草原退化、堿化和沙化、氣候惡化以及嚴(yán)重的鼠害等一系列生態(tài)問(wèn)題，在全國(guó)絕大多數(shù)草原均不同程度地存在著，這是人類對(duì)草原不合理利用所造成的生態(tài)惡果。草原退化的標(biāo)志之一是產(chǎn)草量的下降。據(jù)調(diào)查，全國(guó)各類草原的牧草產(chǎn)量普遍比20世紀(jì)50～60年代下降30%～50%。如新疆烏魯木齊縣，1965年草場(chǎng)平均產(chǎn)草量為1 275 kg/hm2，到1982年已降至795 kg/hm2，平均每年減少22.5 kg/hm2。草原退化的標(biāo)志之二是牧草質(zhì)量上的變化，可食性牧草減少，毒草和雜草增加，使牧場(chǎng)的使用價(jià)值下降。例如，在青海果洛地區(qū)，草原退化前雜、毒草僅占全部草量的19%～31%，退化后增加到30%～50%，優(yōu)質(zhì)牧草則由33%～51%下降到4%～19%。草原退化，植被疏落，導(dǎo)致氣候惡化，許多地方的大風(fēng)天氣和沙暴次數(shù)逐漸增加。氣候的惡化又促進(jìn)了草原的退化和沙化過(guò)程。我國(guó)是世界上沙漠化受害最重的國(guó)家之一。我國(guó)北方地區(qū)沙漠化面積已近18萬(wàn)km2，從20世紀(jì)50年代末到20世紀(jì)70年代末的20年間，因沙漠化已喪失了3.9萬(wàn)km2的土地資源。草原鼠害也日益嚴(yán)重，據(jù)1982年全國(guó)草原滅鼠會(huì)議反映，全國(guó)草原牧區(qū)受鼠害面積達(dá)6 600萬(wàn)hm2，有的草場(chǎng)鼠洞密度多達(dá) 24 600個(gè)/hm2以上，使草場(chǎng)完全被破壞而失去使用價(jià)值。據(jù)估計(jì)，全國(guó)每年因鼠害損失的牧草約有500萬(wàn)t，直接經(jīng)濟(jì)損失有十幾億元。鼠害的發(fā)生既是草原生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)的惡果，也是造成草原生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化的原因之一。

建立圍欄，實(shí)行分區(qū)輪放，合理利用草場(chǎng)等，都是已被證明的保護(hù)和恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的有效措施。根據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所的預(yù)測(cè)，若不能盡早改進(jìn)目前牧業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方針，在今后的15年內(nèi)，內(nèi)蒙古全區(qū)草原產(chǎn)草量年平均下降率可達(dá)2.3%。另外，從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，通過(guò)技術(shù)改造和適當(dāng)增加投資，實(shí)行集中化經(jīng)營(yíng)的草業(yè)，其經(jīng)濟(jì)效益更大。在畜牧業(yè)要發(fā)展、草原生態(tài)環(huán)境要保護(hù)的情況下，必須要以人工草地和種植飼料來(lái)獲得高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前我國(guó)人工草場(chǎng)的面積僅占草原總面積的0.4%，只是美俄等國(guó)的4%。而據(jù)專家們的估計(jì)，種植牧草0.5%～1%，可增加全部生產(chǎn)能力的0.5～1.0倍?？梢姲l(fā)展人工種植牧草業(yè)是一項(xiàng)短期內(nèi)即可獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益的措施，同時(shí)又利于草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，必須加強(qiáng)對(duì)草原的合理利用和保護(hù)。

本研究通過(guò)對(duì)高寒草原生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行不同施氮水平處理，研究不同功能群地上生物量和土壤無(wú)機(jī)氮含量對(duì)施氮的響應(yīng)，以期對(duì)草地改良提供理論指導(dǎo)，進(jìn)而為草場(chǎng)合理的規(guī)劃利用提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2013年在青海剛察縣進(jìn)行，剛察縣位于青海省東北部，海北藏族自治州西南部，青海湖北岸，介于99°20′44″～100°37′24″E、36°58′06″～38°04′04″N之間。剛察縣屬典型的高原大陸性氣候，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大；年降水量 370.5 mm，年蒸發(fā)量1 500.6～1 847.8 mm。冬季寒冷，夏秋溫涼，1月平均氣溫-17.5 ℃，7月平均氣溫11 ℃，年平均氣溫-0.6 ℃。該地區(qū)植被以紫花針茅為主[3-4]。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)設(shè)置8個(gè)氮梯度處理，施氮水平分別為0、1、2、4、8、16、24、32 g/m2，分別用N0(對(duì)照)、N1、N2、N4、N8、N16、N24、N32表示。采用田間隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，圖1為該試驗(yàn)小區(qū)分布。氮肥形態(tài)為NH4NO3，分別于6月、7月、8月和9月每月月初人工噴施。

1.3 樣品采集

1.3.1 植物和土壤樣品采集 在8月20號(hào)左右，在每個(gè)小區(qū)收獲3個(gè)25 cm×25 cm樣方的植物，地上生物量的獲取采用直接收割法，采集植物地上部，烘干后稱質(zhì)量。在8月份的取樣中，采用根鉆(d=8 cm)采集0～100 cm深度的土樣樣品，每10 cm一層。將鮮土樣品過(guò)3 cm孔篩后，冷凍保存。

1.3.2 植物和土壤樣品指標(biāo)測(cè)定 土壤無(wú)機(jī)氮含量采用 0.01 mol/L CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀測(cè)定；土壤含水量采用烘干稱質(zhì)量法測(cè)定。

1.3.3 物種組成調(diào)查 在每個(gè)試驗(yàn)單元的觀測(cè)區(qū)內(nèi)，設(shè)置1個(gè)1 m×1 m的非破壞性固定觀測(cè)樣方，其中設(shè)置100個(gè) 10 cm×10 cm的小方格，進(jìn)行物種組成及蓋度觀測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 11.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，圖表采用Excel 2007進(jìn)行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對(duì)不同功能群地上生物量的影響

從表1可以看出，不同植物功能群地上生物量對(duì)施氮的響應(yīng)不同。隨著施氮量的提高，禾本科植物生物量顯著增加(P<0.05)。其中，以N32(施氮水平32 g/m2)處理生物量最大，達(dá)110.3 g/m2，比對(duì)照增加了51.1 g/m2，在其他施氮處理下，禾本科生物量均有不同程度的增加。莎草科和雜草地上生物量對(duì)不同氮水平的響應(yīng)沒有明顯規(guī)律。與N0(對(duì)照)相比，N4和N8處理可明顯增加莎草科生物量；N2、N24、N32處理對(duì)莎草科生物量無(wú)顯著影響；N1、N16處理則明顯降低了莎草科生物量。隨著施氮量的增加，雜草生物量總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，N16處理增加效果最為顯著(P<0.05)，達(dá) 9.5 g/m2，與對(duì)照相比增加了4.9 g/m2。不同施氮處理均明顯促進(jìn)植物地上部生長(zhǎng)，其中，以N32處理對(duì)植物總生物量的增加效果最為顯著(P<0.05)，達(dá)121.3 g/m2，比對(duì)照增加了53.9 g/m2。綜合看，N1處理莎草科和雜草生物量較低，禾本科生物量較大，且禾本科生物量占總生物量的93.5%，這說(shuō)明總生物量的增加是因?yàn)楹瘫究粕锪康脑黾?；N2處理莎草科生物量增加，雜草生物量有所降低，禾本科生物量降低，總生物量降低，說(shuō)明總生物量的降低是因?yàn)楹瘫究粕锪康慕档汀?/p>

表1 8月不同氮素梯度下的不同植物功能群生物量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，每列中數(shù)字后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 施氮對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響

2.2.1 施氮對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響 從圖2可以看出，與N0(對(duì)照)相比，各施氮處理在不同程度上增加了土壤硝態(tài)氮的含量。不同施氮處理土壤中硝態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為N32>N24>N16>N8>N1>N2>N4>N0，其中，N1、N2、N4、N8處理土壤硝態(tài)氮含量的增加不顯著(P<0.05)；N16、N24、N32處理顯著提高了土壤硝態(tài)氮的含量(P<0.05)?？傮w而言，土壤中硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加呈增加趨勢(shì)。

2.2.2 施氮對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響 不同氮素梯度下土壤銨態(tài)氮含量變化的柱狀圖(圖3)顯示，各施氮處理土壤中銨態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為N24>N16>N1>N32>N2>N4>N8>N0，說(shuō)明各施氮處理均不同程度增加了土壤銨態(tài)氮含量，但是土壤銨態(tài)氮含量無(wú)明顯隨施氮量變化的規(guī)律。與N0(對(duì)照)相比，N4、N8處理對(duì)土壤中銨態(tài)氮含量影響不顯著(P<0.05)；N1、N2、N16、N24、N32處理對(duì)土壤中銨態(tài)氮含量增加效果較為顯著(P<0.05)， 其中N24處理對(duì)土壤中銨態(tài)氮的含量增加效果最為顯著(P<0.05)。綜上所述，施氮可以增加土壤銨態(tài)氮含量，但隨施氮量的增加，土壤銨態(tài)氮含量無(wú)明顯的變化規(guī)律。

2.3 不同土壤深度無(wú)機(jī)氮含量分布

如圖4所示，同一施氮水平下，硝態(tài)氮在表層土壤(0～20 cm)中含量最高，隨土層深度增加而減少。硝態(tài)氮在表層土壤(0～10 cm)中含量隨著施氮量的增加而增加。在N0、N1、N2、N4、N8施氮水平下，土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的加深而不斷降低，與N0(對(duì)照)相比，N1、N2、N4、N8對(duì)不同土層硝態(tài)氮含量影響不明顯。N16、N24、N32處理對(duì)土壤硝態(tài)氮含量影響明顯，且在土壤深度0～30 cm的含量較高，在土壤深度30～50 cm土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的加深而不斷降低。這與8月份降水較多，土壤硝態(tài)氮明顯向下層土壤轉(zhuǎn)移有關(guān)。如圖5所示，土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層較低，隨土壤深度的加深土壤銨態(tài)氮含量不斷增加，但不同氮處理并沒有明顯影響各土層中銨態(tài)氮含量。

2.4 不同施氮處理土壤含水量隨土壤深度的變化

由圖6可以看出，土壤含水量隨著土壤深度的增加而下降。不同施氮處理?xiàng)l件下，土壤含水量隨土壤深度變化規(guī)律一致，在土壤深度0～20 cm范圍內(nèi)土壤含水量較高，土壤含水量隨土壤深度的加深而增加；在土壤深度20～50 cm，土壤含水量隨土壤深度的加深而減少，且在土壤深度50 cm時(shí)，各施肥處理的土壤含水量均最低。

2.5 土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與地上總生物量的關(guān)系

如圖7所示，地上總生物量與土壤中硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，其中r2=0.660 9，P=0.014 1<0.05，達(dá)到顯著水平。地上總生物量與土壤中銨態(tài)氮含量沒有明顯相關(guān)性(圖8)。

3 討論

3.1 施氮對(duì)地上生物量的影響

本研究中，從草地禾本科、莎草科及雜草等生物量來(lái)看，N0(對(duì)照)處理顯著低于其他7個(gè)施氮處理(P<0.05)，說(shuō)明適量施氮能明顯促進(jìn)草地草的生長(zhǎng)，這與韓建國(guó)等通過(guò)盆栽試驗(yàn)得出的結(jié)論[5]一致，可以說(shuō)明施氮能夠明顯增加草坪草的生長(zhǎng)量。但是并不是施氮量越大，草坪長(zhǎng)得越好，當(dāng)施氮量高于8 g/m2時(shí)，植物地上生長(zhǎng)并不隨著施氮量的增加而增加。氮肥作為草地植物需求的大量元素，合理的氮素釋放效率可以供給草地正常生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，氮素釋放不足或超過(guò)范圍都會(huì)導(dǎo)致莖葉的凈光合速率、呼吸速率及其他生理反應(yīng)相應(yīng)地降低，從而影響地上生物量[6-7]。高寒草原不同植物類群的地上生物量對(duì)增施氮肥的反應(yīng)不同，其中禾本科的反應(yīng)最大，雜草次之，莎草科變化最小。有研究表明，高寒凍原的相對(duì)干燥的草甸禾本科植物的豐富度在施氮后明顯增加，莎草科沒有明顯變化[8]。禾本科在土壤氮肥增加的狀態(tài)下生長(zhǎng)茂盛，但在對(duì)照區(qū)生長(zhǎng)穩(wěn)定，即可認(rèn)為禾本科在養(yǎng)分充足下對(duì)養(yǎng)分的利用效率高，但在養(yǎng)分受限制甚至缺乏的條件下，對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)和適應(yīng)方面屬于“弱者”。當(dāng)養(yǎng)分停止增加或其他因素導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不足時(shí)，禾本科生長(zhǎng)則受到抑制。本研究中，雜草對(duì)增施氮肥的反應(yīng)不敏感，當(dāng)施氮量為1 g/m2時(shí)，雜草地上生物量明顯低于對(duì)照，說(shuō)明施氮在促進(jìn)禾本科生長(zhǎng)的同時(shí)，在一定程度上相對(duì)抑制雜草的生長(zhǎng)，這與沈振西等的研究結(jié)果[9]一致。以苔草為主的莎草科植物對(duì)施氮的不敏感性，使其得以在養(yǎng)分條件較好的環(huán)境中始終保持一定的穩(wěn)定性，一旦人為施肥停止或由于放牧等原因使養(yǎng)分資源受到限制時(shí)，莎草科的這種低養(yǎng)分的需求特性優(yōu)勢(shì)就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，這也就是為什么在中度放牧條件下莎草科會(huì)成為群落優(yōu)勢(shì)種的原因之一。

本研究是在野外條件下進(jìn)行的控制試驗(yàn)，對(duì)自然大氣降水無(wú)法控制，特別是近年來(lái)降水量及其季節(jié)性分配波動(dòng)較大，降水量的變化肯定會(huì)對(duì)施氮效果產(chǎn)生影響，這是沈振西等證實(shí)過(guò)的結(jié)論[9]。但是本研究是針對(duì)2013年8月份數(shù)據(jù)，8月降水較多，土壤含水量較高，含水量隨著土壤深度的增加而下降。草原植物的優(yōu)勢(shì)種禾本科植物在6—7月處于旺盛生長(zhǎng)階段，特別是施氮后(7月份)對(duì)水分的需求量較大，而此時(shí)降水量的多少以及分布是否均勻就很關(guān)鍵，直接影響施氮的效果，如土壤水分不足則易產(chǎn)生水分脅迫，加劇干旱的程度，從而影響植物對(duì)氮的吸收。但是本研究中8月降水較多，土壤含水量較高，因此對(duì)施氮的影響效果不明顯。適當(dāng)?shù)卦黾邮┓柿坑兄谔岣弑韺油寥赖暮?，同時(shí)可以明顯提高植株對(duì)深層土壤水分的吸收，水分也是該地區(qū)植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子。

3.2 施氮對(duì)土壤無(wú)機(jī)氮含量的影響

土壤中無(wú)機(jī)氮含量包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。本研究中，不同的施氮處理與對(duì)照相比，增加了土壤無(wú)機(jī)氮含量，無(wú)機(jī)氮含量的增加是因?yàn)橥寥乐邢鯌B(tài)氮含量的顯著增加(P<0.05)。低氮處理對(duì)土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量增加效果不顯著(P<0.05)，高氮處理顯著增加土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，說(shuō)明合適的施氮量會(huì)增加植物的吸收，但是過(guò)高施氮，則會(huì)增加土壤中硝態(tài)氮的殘留。結(jié)果表明，在32 g/m2施氮水平下，土壤中硝態(tài)氮的含量達(dá)到最大值。隨著施氮量增加，氮的淋溶損失也隨之加大[10]。本試驗(yàn)結(jié)果與以上結(jié)論一致，說(shuō)明氮肥施用量和土壤中硝態(tài)氮含量密切相關(guān)，施氮量越高，草地土壤中硝態(tài)氮含量越高。

已有研究指出，同一施氮量水平下硝態(tài)氮在表層土壤(0～20 cm)中含量最高，隨土層深度的增加而減少[11]。本研究與其一致，這主要是因?yàn)榈孰S著水分的下滲進(jìn)入不同的土層，在根系層達(dá)到最大含量。另外，也可能是因?yàn)楦祵拥奈⑸锘顒?dòng)及相關(guān)酶活性比較強(qiáng)，利于氮素的積累。同一施氮量不同深度比較，0～20 cm土層中硝態(tài)氮含量大于20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土層的硝態(tài)氮含量。

土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層0～10 cm較低，隨土壤深度的加深，土壤銨態(tài)氮含量不斷增加，但銨態(tài)氮含量隨施氮量的變化無(wú)明顯變化規(guī)律。這表明銨態(tài)氮在下層土壤中分布較高，但與施氮無(wú)關(guān)，可能是由于銨態(tài)氮容易被土壤吸附和固定，不易流失。這說(shuō)明在土壤生態(tài)條件下，土壤銨的釋放有自己的規(guī)律。土壤銨態(tài)氮的含量受黏土礦物類型，NH4+、K+、有機(jī)質(zhì)含量，土壤質(zhì)地，全氮量及其他陽(yáng)離子等的影響，黏土礦物銨態(tài)氮含量和固定外源銨的潛力因土壤類型、管理措施和干濕交替而異[12]。NH4+固定受水分影響較大，廖繼佩等對(duì)湖南省黃泥田土壤的銨態(tài)氮含量研究結(jié)果表明，銨態(tài)氮含量由大到小依次為干濕交替8次>長(zhǎng)期干燥>長(zhǎng)期淹水，因?yàn)槠渲饕ね恋V物是蒙脫石，濕潤(rùn)不利于銨的固定[13]。說(shuō)明在植被生長(zhǎng)過(guò)程中調(diào)節(jié)土壤水分可以有效調(diào)節(jié)銨態(tài)氮含量。我國(guó)土壤銨態(tài)氮含量在 35～573 mg/kg變動(dòng)，平均為 198 mg/kg，約占土壤全氮的 17.6%[14]?？梢姡@態(tài)氮是土壤氮素的重要組成部分。在作物生長(zhǎng)期間，土壤中的銨態(tài)氮可以釋放出一部分[15]；因此，銨的礦物固定和釋放是土壤氮素內(nèi)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，它導(dǎo)致土壤具有較強(qiáng)的“穩(wěn)肥性”。

地上總生物量與土壤中硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，而地上總生物量與土壤中銨態(tài)氮含量的相關(guān)性不明顯。這是因?yàn)椴菰参锼璧刂饕獊?lái)源于硝態(tài)氮，為滿足植物生長(zhǎng)需要，表層土壤中銨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

4 結(jié)論

施氮能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加植物地上生物量，但是高寒草原不同植物功能群對(duì)增施氮的反應(yīng)不同，禾本科植物對(duì)氮肥增加的反應(yīng)最大，莎草科和雜草類植物對(duì)施氮的響應(yīng)并沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律。高寒草原施氮量為8 g/m2最適宜，既能保證植物地上生物量達(dá)到最大，又能夠降低土壤硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。