不同施氮頻度對川西北高寒草甸牧草生長及土壤碳氮的影響

安小娟，王 平*，高永恒，徐世權(quán)

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

全球氣候環(huán)境變化對陸地植物生態(tài)系統(tǒng)的影響愈來愈多地受到人們的關(guān)注。氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)植物生長的主要限制性因子，但是在全球變化背景下氮素輸入陸地生態(tài)系統(tǒng)的方式和數(shù)量都發(fā)生了變化，[1]這引起了氮素在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的富集。研究表明，氮輸入能夠增加青藏高原地區(qū)植被生產(chǎn)力，促進(jìn)禾本科植物的增長。也有研究表明，群落物種豐富度、均勻度和多樣性在施低水平氮時(shí)增加明顯。[2]此外，施氮并不能提高墨西哥奇瓦瓦沙漠的植被生產(chǎn)力，[3]大多數(shù)研究者認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)對氮輸入存在飽和現(xiàn)象。[4-5]

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，覆蓋地球表面土地面積的25%～33%.我國草地面積約4億hm2，是覆蓋中國陸地面積最大的綠色植被。[6]青藏高原是世界上面積最大的高海拔陸地，高寒草甸是其獨(dú)特的植被類型，土壤碳氮儲量較高，在區(qū)域乃至全球碳氮循環(huán)中也有著重要的作用，[7]而且高寒草地是氣候變化的敏感帶和生態(tài)脆弱區(qū)。[8]高寒草甸牧草對畜牧業(yè)的發(fā)展具有極為重要的作用，[9]目前，國內(nèi)外圍繞氮輸入及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響已經(jīng)開展了大量的研究工作，[10～14]然而對于施氮頻度對高寒草甸牧草生長和土壤碳氮的影響研究較少。

本研究將以青藏高原東緣若爾蓋高原典型四川嵩草高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，通過不同頻度添加等量氮素（NH4NO3），并結(jié)合野外定點(diǎn)監(jiān)測和實(shí)驗(yàn)室分析，研究施氮頻度對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)牧草生長和土壤碳氮變化的影響，為研究氮添加對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)碳氮循環(huán)的影響提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在四川省阿壩藏族羌族自治州紅原縣邛溪鎮(zhèn) （32°49°N，102°34°E） 進(jìn)行，海拔3486m。地處青藏高原東緣，地勢為東南向西北傾斜，淺丘山地和丘間低地構(gòu)成其主要的地貌類型，氣候?qū)俅箨懶愿咴瓪夂?，日溫差大、霜凍期長，四季變化不明顯，年平均氣溫1.1℃，最冷月平均氣溫-10.3℃，最熱月平均氣溫10.9℃，年平均相對濕度60%～70%，干濕季節(jié)分明，年均雨量791.95mm，集中在5～10月，而年均蒸發(fā)量1262.5mm，除6～8月外，其余月降水均小于蒸發(fā)，空氣干燥，日照時(shí)間長，太陽輻射強(qiáng)，年均日照時(shí)間2158.7h，太陽輻射年總量為6194m J.m-2.[15]放牧是該地區(qū)的主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。草地和灌叢是當(dāng)?shù)氐闹饕脖活愋停囼?yàn)樣地植被蓋度為70%～95%，[16]叢間植物種主要是四川嵩草（Kobresia setchwanesis）、早熟禾（Poa annua）、絲穎針茅（Stipa Capillacea）、西藏嵩草（Kobresia tibetica）、矮嵩草（Kobresia humilis）、華麗龍膽（Gentiana sinoornata）、甘肅馬先蒿（Pedic?ulariskansuensis），其土壤基本性狀見表1.

表1 研究區(qū)高寒草甸土壤理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置三個(gè)處理，分別為不施氮處理（NC）、低頻度施氮處理（NL）和高頻度施氮處理（NH），采用NH4NO3作為添加肥料。其中NH處理、NL處理在試驗(yàn)全過程中各共累計(jì)添加86.4gNH4NO3，NH處理小區(qū)每隔5天添加氮肥一次，每次添加3.6gNH4NO3，共添加24次；NL處理小區(qū)每隔30天添加一次，每次添加21.6gNH4NO3，共添加4次。添加時(shí)，將NH4NO3溶于2L純凈水中用灑水壺均勻噴施在小區(qū)內(nèi)，為了減小試驗(yàn)誤差每個(gè)對照小區(qū)需均勻噴施2L純凈水。每個(gè)處理重復(fù)四次，共12個(gè)小區(qū)，試驗(yàn)小區(qū)面積為2m×2m，小區(qū)與小區(qū)之間設(shè)置1.5m的隔離緩沖帶。

1.3 野外采集與室內(nèi)分析

試驗(yàn)測定溫度所使用的土壤溫度計(jì)探針深入地下5cm.土壤溫度記錄時(shí)間從6月13號開始到10月26號結(jié)束，溫度數(shù)據(jù)每隔20分鐘記錄一次。

土壤樣品利用土鉆法進(jìn)行采集，整個(gè)生長季共采5次樣，分別為六、七、八、九月和十月，在各處理的4個(gè)重復(fù)小區(qū)中，“S”形布點(diǎn)，5點(diǎn)采樣，均采集表層0～10cm的土壤樣品，每個(gè)月1次，每次樣品采集后，同小區(qū)樣品混合，充分混合的土壤樣品及時(shí)取出植物體、根系和其他非土壤雜物后，過2mm篩，裝入密閉自封袋備用。土壤樣品中的可溶性有機(jī)碳（DOC）、可溶性有機(jī)氮（DON）、銨態(tài)氮（NH4+）和硝態(tài)氮（NO3-）含量利用超純水浸提-流動分析儀（Auto Analyzer 3）法測定。測定的具體步驟為：取過2mm篩的鮮土5.00g放入50ml的離心管中，加入25m l超純水振蕩2h后離心（2500r）20min（若渾濁則重新離心），上清液通過真空泵抽濾過0.45um的微孔濾膜，然后取濾液在流動分析儀上測定。同時(shí)，每份土樣用烘干法測質(zhì)量含水量。本試驗(yàn)在采集土樣之后進(jìn)行植物高度的測量，每5天一次，植株高度是采用卷尺測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

采用Microsoft Excel和SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，Oringin Pro8作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮頻度對土壤環(huán)境因子的影響

由圖1可知：施氮頻度對土壤溫度、濕度和電導(dǎo)率的影響很小，各處理間無顯著差異；在牧草生長過程中，土壤溫度表現(xiàn)為先降低再升高，然后再降低的趨勢；土壤濕度變化比較平緩；施肥后，施入土壤的NH4+和NO3-使得土壤中短時(shí)間內(nèi)水溶性鹽分含量上升，因此施肥后土壤電導(dǎo)率會上升，此現(xiàn)象出現(xiàn)在7月份；在八月和九月份，土壤電導(dǎo)率下降，這可能與土壤酸堿度有關(guān)，施肥選用的硝酸銨為強(qiáng)酸弱堿鹽，施入土壤之后，改變了土壤酸堿度，使土壤酸性加大，影響了微生物和土壤中的酶活性，抑制了土壤微生物對土壤有機(jī)質(zhì)的分解，使土壤中水溶性鹽分含量下降，導(dǎo)致了土壤電導(dǎo)率降低。施肥本身可以增加土壤中可溶性鹽分含量，使土壤電導(dǎo)率增大，但施肥后土壤理化性質(zhì)的變化會對土壤微生物和酶活性造成一定的影響，進(jìn)而影響到土壤微生物對土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮的分解作用，可能使土壤電導(dǎo)率下降。

圖1 土壤溫濕度和電導(dǎo)率的變化

圖2 施氮頻度對高寒草甸牧草高度的影響

2.2 施氮頻度對牧草高度的影響和季節(jié)動態(tài)變化

如圖2可知，與對照（NC）相比，除六月份外，施氮顯著增加了七月份至十月份牧草的高度。六月份，是施肥的第一個(gè)月，牧草正處于生長初期，生長緩慢，其高度普遍很低（6.65cm，6.85cm，7.08cm），不同施肥處理之間的牧草高度差別并不明顯（p＞0.05）；七月份整個(gè)月的牧草生長速率最快，牧草高度表現(xiàn)為施氮處理高于不施氮處理，NL處理略高于NH處理，但差異不顯著；牧草生長到八月和九月份時(shí)，不同處理間達(dá)到顯著的差異（p＜0.05），施氮處理顯著高于不施氮處理，NL處理顯著高于NH處理，其中，八月和九月份NH處理牧草高度比NC處理分別高出12.6%和11.2%，NL處理比NC處理分別高出20.2%和20.9%，比NH處理高6.7%和8.8%，表明施氮促進(jìn)了牧草生長，并且與NH處理相比，NL處理更有利于牧草生長。十月份到牧草開始枯萎，牧草高度普遍降低，表現(xiàn)為施氮處理顯著高于不施氮處理（p＜0.05），但NL處理和NH處理之間牧草高度無顯著差異，從牧草整個(gè)生長時(shí)期來看，牧草高度變化呈典型“S”形曲線。

表2 土壤環(huán)境因子與牧草高度的相關(guān)性分析

由表2可知，牧草高度與土壤溫度呈負(fù)相關(guān)，與土壤濕度和電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（r2=0.58**，r2=0.33**），并且，土壤溫度和土壤濕度呈顯著負(fù)相關(guān)（r2=0.26*），與土壤電導(dǎo)率呈極顯著負(fù)相關(guān)（r2=0.57**），土壤濕度與土壤電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)（r2=0.76*）。

2.3 施氮頻度對土壤養(yǎng)分的影響和季節(jié)動態(tài)變化

由圖3（A）可知，在植物整個(gè)生長時(shí)期中，除八月份NL處理外，不同處理土壤DOC的含量均呈上升趨勢。六月份各處理的DOC含量無顯著差異；七月份各處理的DOC值均開始上升，且NL和NH處理土壤DOC顯著高于NC（p＜0.05），但NL和NH處理之間差異不顯著（p＞0.05），NH處理比NC處理高出51.1%，NL處理比NC處理高出53.7%.八月份NC處理DOC值上升幅度比較快，而NH和NL處理DOC值增長比較平穩(wěn)，NL處理的DOC值與其它兩個(gè)處理有顯著差異（p＜0.05）。九月份各處理的DOC值比八月份有所增加，施氮處理土壤DOC低于NC處理，各處理間差異不顯著；十月份各處理的DOC達(dá)到了最大值，而NH和NL處理DOC顯著低于不施氮處理（p＜0.05），但NH處理和NL處理間差異不大。NH處理比NC處理下降8.9%，NL處理比NC處理增加14.2%.

圖3 施氮頻度對高寒草甸土壤可溶性有機(jī)碳氮的影響

如圖3（B）所示：在整個(gè)植物生長時(shí)期，不施氮和施氮處理土壤可溶性有機(jī)氮（DON）含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。六月份各處理間土壤DON含量無顯著差異；與六月份相比，七月份不同處理的DON值均有所上升，但各處理間的DON值無顯著差異；八月份，NL處理的DON值顯著（p＜0.05）低于NC和NH處理，NL處理比NC處理下降22.6%，比NH處理下降21.6%；到了九月份，NC處理的DON繼續(xù)升高，而NH處理的DON值升高幅度至基本與NL處理相等，九月份各處理的DON值均達(dá)到最高值；十月份各處理土壤DON含量均表現(xiàn)出小幅度下降。

如圖3（C）所示，NC和NH處理土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）含量季節(jié)變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為六月＞七月＞八月＞十月＞九月，而NL處理土壤NH4+-N含量則表現(xiàn)為六月＞八月＞七月＞十月＞九月。整個(gè)生育期，土壤NH4+-N含量在六月份最高，在六月和七月份，不同處理間土壤NH4+-N表現(xiàn)為NL＞NC＞NH，且NL分別與NC和NH處理差異顯著（p＜0.05），而NC和NH無顯著差異。八月中旬后土壤NH4+-N含量驟然迅速下降，在九月中旬下降到最低值，九月下旬至十月中下旬，土壤NH4+-N緩慢回升。

如圖3（D）所示，不同處理土壤硝態(tài)氮（NO3--N）含量季節(jié)動態(tài)變化基本一致，呈下降趨勢。表現(xiàn)為六月＞七月＞八月＞十月＞九月，六月份土壤NO3--N含量最高，七月、八月、九月份NL處理的NO3--N含量高于NH和NC處理，且七月和九月份施，NL和NH處理差異顯著；九月份，土壤NO3--N含量下降至植物生長期內(nèi)的最低值，十月發(fā)生了變化，NH處理的土壤NO3--N含量略高于NL處理，相比九月份，土壤NO3--N含量有所增加。

2.4 高寒草甸土壤碳氮與牧草高度的關(guān)系

由表3可知，牧草高度與土壤中的DOC和DON含量呈顯著極正相關(guān)與土壤NH4+-N和NO3--N含量呈極顯著負(fù)相關(guān)（r2=并且，土壤中DOC與土壤DON含量呈極顯著正相關(guān)與土壤NH4+-N和NO3--N含量呈極顯著負(fù)相關(guān)0.71**），土壤中DON與土壤中的NH4+-N和NO3--N含量呈極顯著負(fù)相關(guān)

3 討論與結(jié)論

土壤DOC是土壤總碳中相對較小的一部分，DOC對于生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的研究非常重要。[17-18]六月份是施肥的第一個(gè)月，因此各處理土壤DOC含量無顯著差異；六月份之后DOC值均開始上升，氣溫升高是導(dǎo)致土壤DOC增加的主要原因；十月份各處理的DOC值達(dá)到了最大值，可能是由于植物凋落物和氣溫的影響，還存在著微弱的碳礦化過程，而施氮促進(jìn)了這一過程，所以施氮處理的DOC顯著低于不施氮處理，此外，是由于土壤溫度下降，植物呼吸作用減弱，土壤微生物活性也下降，土壤中積累的有機(jī)質(zhì)不能被大量礦化，因此土壤中積累了大量的DOC。

表3 高寒草甸土壤碳氮與牧草高度之間的相關(guān)性分析

土壤DON指可溶于水或可被鹽溶液所提取的土壤有機(jī)氮，其含量因土壤類型、植物覆蓋、管理措施以及環(huán)境條件變化而異。[19-20]本研究中，土壤DON表現(xiàn)為先升高后降低，氣溫降低是主要原因，十月份草地植物凋落物歸還到土壤中，雖然有機(jī)物輸入量也較大，但由于溫度低致使草地土壤微生物活動不如九月份，故土壤DON含量下降。除八月份外，草地土壤DON含量受施肥影響較小，說明施肥措施并不是影響土壤可溶性有機(jī)氮的主要因素，影響較多的應(yīng)該是土壤的溫度等氣候因素。[21-22]這是因?yàn)榈氐V化過程是微生物參與分解的過程，而微生物的種群、數(shù)量以及活性與溫度和水分密切相關(guān)。[23]

銨態(tài)氮是一種有效態(tài)氮素，可被植物直接吸收利用，其含量變化顯著影響著草地土壤氮素的遷移轉(zhuǎn)化過程和草地植物生產(chǎn)力，[24,25]并且銨態(tài)氮的含量對于一系列物理和化學(xué)過程如無機(jī)氮有機(jī)化、硝化-反硝化作用及離子交換反應(yīng)等也有著重要影響。[26]本研究中，除八月份外，與NC相比，LN和HN處理均使有效氮含量表現(xiàn)為上升趨勢，且氮添加水平越高，其增長程度越大，說明氮添加對土壤有效氮的影響存在累積性效應(yīng)，同時(shí)也使牧草對土壤有效氮的利用率增加。在六月和七月份，不同處理間土壤NH4+-N表現(xiàn)為NL＞NC＞NH，說明高頻施氮不利于NH4+-N的積累。在九月中旬下降到最低值，這段時(shí)期是因?yàn)橹参镎幱跔I養(yǎng)生長旺盛期，需要不斷地從土壤中吸收大量的有效態(tài)氮以滿足其生長的需要，七月至八月中旬氣溫較高，刺激了土壤硝化細(xì)菌活性，硝化作用大量消耗反應(yīng)底物NH4+-N的含量；并且降水相對較多，十分有利于土壤氮的礦化分解，從而使土壤中的NH4+-N迅速下降。九月下旬至十月中下旬，土壤NH4+-N緩慢回升，牧草逐漸枯死，生長停滯，對氮素的吸收量都較少，而且由于氣溫降低，NH4+-N轉(zhuǎn)化能力減弱，所以在該時(shí)段內(nèi)土壤NH4+-N含量的變化不大。

九月份，土壤NO3--N含量下降至植物生長期內(nèi)的最低值，十月發(fā)生了變化，NH處理的土壤NO3--N含量略高于NL處理。相比九月份，土壤NO3--N含量有所增加。最高值出現(xiàn)在六月中旬，其原因是由于外源氮的施加，濕沉降氮輸入、植物淋洗以及銨態(tài)氮發(fā)生硝化作用等因素都可能增加硝態(tài)氮的含量。進(jìn)入牧草生長時(shí)期后，土壤硝態(tài)氮含量在生長期內(nèi)則迅速減少，變化十分明顯，這是由植物根系吸收所至。隨著植物進(jìn)入成熟季節(jié)，植物的吸收能力減弱，但由于氣候變干，降水減少，水分條件變差，所以在九月中下旬并未造成硝態(tài)氮的累積。在枯死期，植物因氣溫下降而停止生長，對硝態(tài)氮的吸收量驟減，使硝態(tài)氮含量又稍稍有所回升，但是增加量很小。