不同施肥水平對(duì)果洛高寒草甸草地的影響

孫金金，汪鵬斌，徐長(zhǎng)林，賀有龍，汪海波，李亞娟，魚(yú)小軍

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070； 2.青海省果洛州草原站，青海 大武 814000)

青海省果洛藏族自治州地處青藏高原腹地的巴顏喀拉山和阿尼瑪卿雪山之間，位于黃河源頭區(qū)，三江源區(qū)東南部，生態(tài)戰(zhàn)略地位特殊。草地是該區(qū)的主要植被類型，占土地總面積的71%，草地類型以溫性草原、高寒草甸、高寒草原為主，其中高寒草甸草地占全州可利用草地面積的91.2%[1-2]。高寒草甸草地不僅是青藏高原優(yōu)良放牧草地，也是重要的綠色生態(tài)屏障。然而，由于長(zhǎng)期超載過(guò)牧等不合理利用,導(dǎo)致該區(qū)草地嚴(yán)重退化，植被覆蓋度明顯下降，不僅破壞了當(dāng)?shù)夭孛褡遒囈陨⒌牟莸匦竽翗I(yè)基礎(chǔ)，也對(duì)整個(gè)青藏高原及其下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生不利的影響[3]。退化草地的修復(fù)和治理顯得尤為重要。

施肥是改良退化草地、保護(hù)草地資源的有效措施之一，且能迅速提高草地生產(chǎn)力和改善草地群落組分，調(diào)節(jié)牧草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，從而達(dá)到改良退化草地的目的[4]。施肥對(duì)退化草地的改良效果好于灌水和補(bǔ)播，對(duì)草地進(jìn)行合理施肥不僅能改善草地植被的物種組成,還能提高植被高度,從而增加生產(chǎn)力。目前，草地施肥在畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家非常普遍，有關(guān)施肥對(duì)產(chǎn)量的影響報(bào)道也較多。國(guó)內(nèi)外研究表明[5-7]，施肥對(duì)草地植物多樣性和生產(chǎn)力有影響，對(duì)草地恢復(fù)、提高草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有積極作用，并且施肥措施在高寒草甸的改良與恢復(fù)中取得了一定效果[8-10]。在天然草地上，尤其是豆科牧草嚴(yán)重不足的高寒牧區(qū)，通過(guò)施氮來(lái)提高牧草蛋白質(zhì)含量是解決牲畜蛋白質(zhì)缺乏的重要措施[11-13]。高寒草地牧草生產(chǎn)主要受氮素限制，但長(zhǎng)期單獨(dú)施加氮肥會(huì)造成土壤酸化和陽(yáng)離子淋失[14-15]。有研究表明，位于半干旱半濕潤(rùn)區(qū)的高寒草甸生產(chǎn)力受氮、磷的共同限制[16]。而且，氮施加過(guò)量還會(huì)加劇磷限制。因此，從養(yǎng)分平衡和草地管理的角度，對(duì)青海省果洛州高寒草甸采用不同氮磷配施處理，研究施肥后對(duì)高寒草甸植物群落特征和地上植物量的影響，并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，了解適用于高寒草地植被增產(chǎn)的施肥量，為牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障，從而使草地能更好地發(fā)揮其牧業(yè)基地和生態(tài)屏障作用。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于青海省大武鎮(zhèn)以西約2 km處，地理位置E 98°48′～100°55′，N 33°43′～35°16′，屬高原寒冷氣候，主要植被類型有高山草甸、高山灌叢和沼澤化草甸。土壤為高山草甸土、高山灌叢草甸土和沼澤土。地勢(shì)平坦，海拔3 760 m。年均溫-3.9℃，≥5℃的積溫850.3℃，最冷月1月的平均氣溫為-12.6℃，最熱月7月的平均氣溫為9.7℃。牧草生長(zhǎng)季為156 d，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。年均降水量513.2 mm，年蒸發(fā)量2 471.6 mm[22]。該區(qū)域植被類型主要為高寒嵩草草甸，主要優(yōu)勢(shì)植物為矮生嵩草(Kobresiahumilis)，主要的伴生種有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、短穗兔耳草(Lagotisbrachystachya)等植物。有毒草包括黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、鐵棒錘(Aconitumszechenyianum)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)和馬先蒿(Pedicularis)。草地呈輕度退化。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年6月7日在圍封草地上選擇植被狀況一致的草地進(jìn)行施肥試驗(yàn)。在圍欄內(nèi)選擇面積為10 m×10 m 的小區(qū)，設(shè)不施肥為(CK)對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次，共10個(gè)處理，小樣區(qū)間距為1 m，各個(gè)小樣區(qū)四角用木樁標(biāo)記。3個(gè)氮磷水平的組合，即N1和P1 均為50 kg/hm2，N2和P2均為75 kg/hm2，N3和P3均為100 kg/hm2；磷肥采用磷酸二銨(N18%，P2O546%)，氮肥采用尿素(N46%)，施肥處理及施肥量見(jiàn)表1。

施肥在多云的陰天進(jìn)行，以便保證施肥當(dāng)天或次日有降水，使得所施肥在短期內(nèi)能溶于土壤。于2017年8月13日和2018年8月1日在每個(gè)小區(qū)分別選取1 m×1 m的樣方，重復(fù)6次，測(cè)定每個(gè)樣方中植物高度，蓋度和生物量(鮮重)。根據(jù)肥料和鮮草出售價(jià)格計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益，尿素按市場(chǎng)價(jià)格2.4元/kg，磷酸二銨按市場(chǎng)價(jià)格3.4元/kg，鮮草出售按市場(chǎng)價(jià)格0.4元/kg。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，通過(guò)SPSS 20.0軟件對(duì)獲取的不同處理數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并利用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)對(duì)不同施肥模式下高寒草地植物群落特征各指標(biāo)進(jìn)行比較分析和差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

表1 施肥試驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理下的植被高度的變化

施肥后的第2年(2018年)植物群落的平均高度高于施肥第1年(2017年)，平均增幅為4.76%。不同處理間增加的幅度不一致，在N3P1處理下施肥第2年較施肥第1年增加了16.10%。且隨著施肥量的增加，植物平均高度呈增加趨勢(shì)，不施肥處理下草地兩年的平均高度為7.28 cm，而施用尿素153.6 kg/hm2、磷酸二銨163.0 kg/hm2時(shí)草地平均高度達(dá)到最大值，為12.58 cm。相比不施肥，磷酸二銨和尿素配比在N3P2時(shí)植物群落平均高度增加了42.13%(圖1)。

圖 不同施肥年限和施肥處理下植物群落的高度Fig.1 Changes of plant community average height under different fertilization treatments of different years

2.2 不同施肥處理下的植被蓋度的變化

在各施肥處理下，施肥后第2年的植物群落蓋度均高于施肥第1年。除了CK、N1P1、N1P2和N1P3施肥處理下第2年(2018年)的群落蓋度明顯高于第1年(2017年)(圖2)，其他處理下2年的群落蓋度增幅不明顯。隨著施肥量的增加，兩年植物群落的蓋度呈增加趨勢(shì)。相比不施肥，各施肥處理下草地群落平均蓋度增加13.10%。施用尿素132.3 kg/hm2、磷酸二銨217.4 kg/hm2時(shí)增幅最大，為16.23%。

圖2 不同施肥年限和施肥處理下植物群落的蓋度Fig.2 Changes of plant community coverage under different fertilization treatments of different years

2.3 不同施肥處理下的植被生物量的變化

施肥后的第2年(2018年)植物群落的生物量較施肥第1年(2017年)有所提高，且隨著施肥量的增加，植物群落的生物量呈增加趨勢(shì)，不同處理間增加的幅度不一致，2017年，磷酸二銨和尿素配比在N3P3時(shí)，地上生物量鮮重最高，為566.3 g/m2。而在2018年，磷酸二銨和尿素配比在N3P1時(shí)，地上生物量鮮重最高，為581.33 g/m2(圖3)。相比不施肥，各施肥處理下兩年的植物群落生物量平均增加50.73%。

施肥第1年，草樣中雜類草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要為黃帚橐吾、鐵棒錘和甘肅棘豆。

各施肥處理下，草地生物量有不同的增長(zhǎng)。各處理間雜類草生物量差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于CK(P<0.05)(表3)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1處理禾本科植物生物量顯著高于不施肥處理；除N1P2和N1P1處理莎草科植物生物量與CK無(wú)顯著差異外(P>0.05)，其他各施肥處理的莎草科植物顯著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每個(gè)處理的生物量分布都較少，施肥增加草地地上生物量的同時(shí)，毒雜草含量也隨之增加。

圖3 不同施肥年限和施肥處理下植物群落生物量Fig.3 Changes of plant community biomass under different fertilization treatments of different years

施肥后第2年，草樣中雜類草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要為黃帚橐吾、鐵棒錘和棘豆。

各施肥處理下，草地生物量有不同的增長(zhǎng)。N3P3、N3P2、N3P1、N1P2處理雜類草生物量間差異不顯著(P>0.05)，各處理的雜類草顯著高于CK(P<0.05)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1處理禾本科植物生物量顯著高于不施肥處理；除N1P1處理莎草科植物生物量顯著小于CK外(P>0.05)，其他各施肥處理的莎草科植物顯著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每個(gè)處理的生物量分布都較少，但隨著施肥量的增加，豆科牧草生物量呈增加趨勢(shì)。相比第1年，第2年禾本科和豆科牧草生物量有明顯提高(表2)。

2.4 不同施肥處理對(duì)牧草產(chǎn)草量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

隨著施肥量的增加，各施肥處理下的總產(chǎn)草量明顯增高，N3P3處理下最大，為5 695 kg/hm2。與不施肥相比，各施肥處理下草地總增產(chǎn)量和增產(chǎn)率呈增加趨勢(shì)，且隨著施肥量的增加，增幅呈上升趨勢(shì)，在磷酸二銨和尿素配比為N3P3時(shí)達(dá)到最大，增產(chǎn)量和增產(chǎn)率分別為3 698 kg/hm2和188.2%。

不同施肥處理下兩年的平均產(chǎn)出投入比變化不一致，在N1P2、N1P3和N2P3處理下投入大于產(chǎn)出，產(chǎn)出投入比分別為0.88%，0.69%和0.96%。其他處理下產(chǎn)出大于投入，在磷酸二銨和尿素配比N3P1處理下產(chǎn)出投入比最大，產(chǎn)出投入比可達(dá)到1.78%，該試驗(yàn)中N3P1為較理想的施肥水平(表3)。

表2 同施肥處理下植物群落生物量變化[鮮重/(g·m-2)]

注：同行不同小寫(xiě)字母表示同一同科植物在不同處理間差異顯著(P<0.05) ；同列不同大寫(xiě)字母表示同一處理下不同科植物間差異顯著(P<0.05)

表3 不同施肥處理對(duì)牧草產(chǎn)草量和經(jīng)濟(jì)效益的影響(鮮重)

3 討論

施肥是最廣泛的土地利用管理方式，施肥對(duì)植物生長(zhǎng)和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[17]。草地施肥后其群落高度和蓋度往往顯著提高，邱波等[18]研究發(fā)現(xiàn)草地施肥3年后其群落植被高度顯著提高。沈景林等[19]研究發(fā)現(xiàn)草地施肥7年后植被蓋度分別較對(duì)照增加18.7%～71.2%。研究表明，在施肥當(dāng)年，施肥處理就使得群落蓋度和高度顯著大于對(duì)照，尤其是N3P2處理，隨著施肥量的增加，植物群落的蓋度和高度都呈增加趨勢(shì)。施肥后各處理間群落植被高度和蓋度在第1年和第2年間差異不顯著，這是因?yàn)槭┓首鳛橐环N改變植物群落的干擾手段，其主要是通過(guò)改變土壤的理化性狀來(lái)間接影響群落中植物種空間分布與組成特征的，所以施肥后植物群落結(jié)構(gòu)顯著變化很可能需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。

生物量是評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照相比，無(wú)論是不同經(jīng)濟(jì)類群還是植物群落的生物量均有不同程度地增加，這與王娟等[17]研究結(jié)果一致。在高寒草地上施肥可以改善土壤的肥力狀況進(jìn)而影響草地地上生物量[20]。郭紅玉等[21]研究也發(fā)現(xiàn)在三江源區(qū)高寒草甸草地施肥可大幅度提高牧草產(chǎn)量。試驗(yàn)結(jié)果分析，氮磷的添加在當(dāng)年對(duì)植物的高度及生物量的作用效果更為明顯，這可能與肥效的快慢有關(guān)，無(wú)機(jī)態(tài)氮磷很快成為土壤環(huán)境獲得性資源，并且很快被植物吸收利用，從而在一定程度上提高了草地的初級(jí)生產(chǎn)力。施肥處理后草地莎草科和禾本科植物的生物量明顯提高，雜類草在整個(gè)群落中占比最大。此結(jié)果一定程度上反映了高寒草甸草地植物群落結(jié)構(gòu)上的正向演替模式。杜國(guó)禎等[22]的研究結(jié)果表明氮與磷均是高寒草甸植物群落的限制因子。這也說(shuō)明了施用氮肥和磷肥對(duì)于高寒草甸植物群落的恢復(fù)具有較好的作用。

以不同的施肥水平探討高寒草甸最佳施肥量是許多學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一，張杰琦等[23]和沈振西等[24]的研究得出尿素施用量分別達(dá)到500，320 kg/hm2時(shí)高寒草甸地上植物量達(dá)到最大。景美玲等[25]研究發(fā)現(xiàn)施用尿素在600 kg/hm2時(shí)，高寒草甸地上植物量達(dá)到最大值，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)施肥第1年尿素在132.3 kg/hm2、磷酸二銨在217.4 kg/hm2時(shí)，高寒草甸地上生物量達(dá)到最大值，而在第2年時(shí)，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時(shí)，高寒草甸地上生物量達(dá)到最大值。不同研究之間有所差別的原因可能與所選試驗(yàn)地區(qū)的土壤肥力、草地退化程度及施肥量不同有關(guān)。景美玲等[25]研究發(fā)現(xiàn)施用尿素在150 kg/hm2時(shí)就能顯著提高地上植物量，且他的投入產(chǎn)出比最高，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時(shí)投入產(chǎn)出比最高，從經(jīng)濟(jì)益考慮，N3P1是最適施肥量的選擇。根據(jù)此次試驗(yàn)的研究結(jié)果，不同的施肥量對(duì)植物生長(zhǎng)的影響不同，所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也有差異。因此，制定高寒草地科學(xué)的施肥措施時(shí)，在考慮施肥量、施肥時(shí)期的同時(shí)，還應(yīng)該考慮施肥的經(jīng)濟(jì)效益，找出適合當(dāng)?shù)氐淖罴咽┓逝浔群妥罴呀?jīng)濟(jì)效益對(duì)因地制宜指導(dǎo)草地生產(chǎn)將有重要的理論和實(shí)踐意義。

4 結(jié)論

施肥促進(jìn)了果洛輕度退化高寒草甸植物群落高度、蓋度和生物量，增產(chǎn)量和增產(chǎn)率隨著施肥量的增加而遞增。在果洛輕度退化高寒草甸草地施尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時(shí)兩年的凈產(chǎn)值和產(chǎn)出投入比均最大，分別為1398.1元/hm2和1.78%。N3P1組合的投入產(chǎn)出比最高，為最佳的建議施肥量。