氮磷鉀肥配施對草原植物群落生物量的影響

王革平

(烏蘭察布市草原工作站，內蒙古 集寧 012000)

1 引言

近年來全球氣候變暖以及草原過度放牧等因素造成草原植物群落退化[1]，自然生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性逐步下降。針對這一問題，國家政府提出短期休牧以及圍欄封育等措施[2]，這雖然在一定程度上能夠提升草原植物群落的有效利用度，但考慮到草原大面積植物群落退化后的恢復時間較長[3]，當前急需解決的問題是提升草原土壤肥力、優(yōu)化草原植物群落結構[4]。作為改善植物退化、維護草原植物資源的主要方式之一，施肥能夠有效保障草原生態(tài)系統(tǒng)內的養(yǎng)分均衡[5]，科學有效的草原施肥方式能夠提升草原植物群落的生物量與質量，恢復并提升草原生產(chǎn)力。有關草原施肥的研究，目前為止大多集中在施肥對植物群落生物量的影響及對土壤的影響兩個方面，劉永萬等[6]研究了不同氮磷肥對草甸的影響，結果顯示施肥量同草甸生物量間具有非線性正相關關系；王玉冰等[7]的研究結果表明，氮磷肥配施能夠提升輕度退化草原群落的地上生物量；李小茹等[8]通過對比研究發(fā)現(xiàn)，氮肥施用量達到一定量的條件下草甸群落地上生物量明顯提升。以上研究結果說明，當前施肥對草甸群落生物量的影響與最佳施肥配比等方面的研究結論并不一致，基于此進行了氮磷鉀肥配施對草原植物群落生物量影響的研究，以期為草原科學施肥提供數(shù)據(jù)支持。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域自然概況

研究在河北省張家口市北部壩上高原塞北管理區(qū)草原進行。研究區(qū)域平均海拔1400m以上，年平均溫度高于1.5℃,年平均降水量295mm以上，年蒸發(fā)量與年均風速分別大于1775mm和4.2m/s，無霜期100d以上,年均大風日數(shù)超過50d；土壤主要類型為栗鈣土和草甸土[9]，pH值7.25±0.25,有機質含量2.5%；草甸草原植被，植物長勢良好，群落整體蓋度達到82±12%，建群種羊草在全部植物類別中占60%以上，其他植物以糙隱子草、扁蓿豆、華北巖黃芪等優(yōu)良牧草和南牡蒿、二裂委陵菜、阿爾泰狗娃花等雜草為主。

2.2 試驗設計

在選定研究區(qū)域內選取面積為1萬m2(100m×100m)、植物長勢大致相同、地勢平坦、周邊環(huán)境開闊的草地為研究樣地，采用三因素三水平正交實驗設計[10]，共設定十種氮磷鉀肥配施處理(表1)，其中處理1為對照，即氮磷鉀肥配比均為0。以面積9m2(3m×3m)劃分樣地區(qū)域，設定不同區(qū)域的間隔為1m，共劃分30個樣地區(qū)域。以3個樣地為一組，采用一種氮磷鉀肥配施處理，測試結果取均值。

表1 氮磷鉀肥配比施肥處理設計方案

在研究區(qū)域草地生長旺盛的7月上旬，依照表1所示十種處理設計的氮磷鉀肥的配施量，將提前確定好的氮肥(主要養(yǎng)分形態(tài)為尿素CO(NH2)2，含氮量47%)、磷肥(主要養(yǎng)分形態(tài)為磷酸一鈣Ca(H2PO4)2·H2O，含磷量13%)和鉀肥(主要養(yǎng)分形態(tài)為硫酸鉀K2SO4，含鉀量51%)均勻混合，選擇晴天或雨天的傍晚一次性均勻地撒施到30個樣地區(qū)域。

2.3 測定項目

2.3.1植物特征測定

2.3.1.1蓋度測定

植物蓋度所描述的是植物地上部分占地面部分的投影面積[11]，通常將植物蓋度分為總蓋度與分蓋度兩種。在測量草原植物蓋度的過程中，以估測的方法確定十種氮磷鉀肥配施處理各樣地區(qū)域內植物群落的蓋度，將所估測的結果記錄在對應表格區(qū)域中。

2.3.1.2密度測定

植物密度測定主要方式有兩種，分別是估測法和計數(shù)法。為提升植物密度測定結果的精度，選取計算法分別測定十種氮磷鉀肥配施處理各樣地區(qū)域內植物群落的密度，將所獲取的結果記錄在對應表格區(qū)域中。

2.3.1.3高度測定

植物高度測定內容有兩種，分別是植物生殖高度與自然高度，兩者分別描述的是植物個體的生殖器本體高度和植物個體最高部位與地面的垂直高度[12]。在進行植物高度測定過程中，利用直尺分別測量不同植物種類的自然高度，將所獲取的結果記錄在對應表格區(qū)域中。

2.3.2生物量測定

2.3.2.1地上生物量

在草原植物生長盛期的8月下旬，采用收割法[13]在各樣地區(qū)域內任意選取1.8m×0.8m樣方采集地面上部植物樣本。依照動物適口性將所采集的地面上部植物樣本劃分為三種不同植物類群：豆科類、禾本科類及雜類草類。利用電子計量秤分別檢測不同植物類群樣本在新采集狀態(tài)下的鮮重，將三種不同植物類群采集樣本的鮮重相加，獲取草原植物群落樣本鮮重。將三種不同植物類群采集樣本分別置入烘箱內，設定烘箱溫度為80℃，令三種不同植物類群采集樣本質量分別達到恒重。取出三種不同植物類群采集樣本，采用相同方式獲取草原植物群落樣本干重。

2.3.2.2地下生物量

在利用收割法采集地面上部植樣本的同時，在各樣地區(qū)域內依照梅花形布點[14]，利用土鉆，以8cm厚度為分界線，分別采集地下三層土壤樣品(土壤表層至土壤下8cm之間為土壤一層；土壤下8cm至土壤下16cm之間為土壤二層；土壤下16cm至土壤下24cm之間為土壤三層)。利用清水沖洗所采集的土壤樣品后，將剩余物質置入烘箱內，設定烘箱溫度為70℃，至剩余物質質量恒定后取出，分別進行重量計算，通過求和得到植物總根重。

2.4 計算方法

2.4.1草原植物群落重要值計算

草原植物群落重要值采用如下公式計算：

(1)

式中，i表示草原植物群落類型；G、D和M分別表示草原植物群落的相對蓋度、相對高度和相對密度。

2.4.2草原植物群落種類多樣性計算

草原植物群落種類多樣性可通過物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)來描述[15]。

物種豐富度指數(shù)計算公式如下：

(2)

多樣性指數(shù)計算公式如下：

H=-∑Ziln(Zi)

(3)

優(yōu)勢度指數(shù)計算公式如下：

C=1-∑(Zi)2

(4)

均勻度指數(shù)計算公式如下：

(5)

式中，Y和N分別表示草原植物群落物種數(shù)目和全部物種個體總數(shù);Zi表示相對重要性。

2.5 數(shù)據(jù)分析

選取SAS 9.2統(tǒng)計分析軟件分別對草原植物群落物種植物高度、地上生物量、地下生物量、重要值計算結果與多樣性計算結果實施單因素8水平設計一元定量資料差異性檢驗；利用SAS 9.2統(tǒng)計分析軟件完成熵值法綜合評估十種氮磷鉀肥配施處理對草原植物群落生物量的影響，選取最優(yōu)氮磷鉀肥配施處理組合。

3 結果與分析

3.1 氮磷鉀肥配施對草原植物地上生物量的影響

氮磷鉀肥配施對草原植物地上生物量的影響見表2、表3。其中，同列數(shù)據(jù)標不同小寫字母表示差異顯著，P值小于0.05。

表2 氮磷鉀肥配施對草原植物地上生物量的影響

表3 氮磷鉀肥配施下草原植物地上生物量估算邊際均值

從表2看出，在十種配施處理中，處理7(氮肥∶磷肥∶鉀肥=360kg/hm2∶70kg/hm2∶70kg/hm2)研究區(qū)域的豆科鮮重(612.84±6.28g/m2)、雜類草鮮重(364.98±1.84g/m2)、牧草鮮重(985.40±8.87g/m2)、雜類草干重(114.31±0.80g/m2)、牧草干重(359.26±1.82g/m2)均最大；處理5(氮肥∶磷肥∶鉀肥=110kg/hm2∶180kg/hm2∶180kg/hm2)研究區(qū)域的豆科干重(250.18±1.28g/m2)、禾本科鮮重(18.71±1.83g/m2)與禾本科干重(9.71±0.54g/m2)均最大。

從表3看出，當?shù)逝涫┝吭?10kg/hm2的條件下，禾本科鮮重(12.23kg/hm2)、雜類草鮮重(263.51kg/hm2)、禾本科干重(5.43kg/hm2)與雜類草干重(75.23kg/hm2)均最大；當磷肥與鉀肥配施量在120kg/hm2的條件下，牧草鮮重(785.13kg/hm2)、豆科鮮重(558.43kg/hm2)與豆科干重(226.59kg/hm2)均達到最大；當磷肥配施量在180kg/hm2的條件下，植物群落的牧草干重(297.53kg/hm2)達到最大。

3.2 氮磷鉀肥配施對草原植物地下生物量的影響

氮磷鉀肥配施對草原植物地下生物量的影響見表4、表5。其中，同列數(shù)據(jù)標不同字母表示差異顯著，P值小于0.05。

表4 氮磷鉀肥配施下草原植物地下生物量

表5 氮磷鉀肥配施下草原植物地下生物量估算邊際均值

表4顯示，不同氮磷鉀肥配施下土壤一層內地下生物量差異不顯著，處理9(氮肥∶磷肥∶鉀肥=360kg/hm2∶180kg/hm2∶70kg/hm2)所得總生物量最大(47.13±1.21g/m2)；處理6(氮肥∶磷肥∶鉀肥=260kg/hm2∶120kg/hm2∶120kg/hm2)土壤一層生物量最大(37.24±0.36g/m2)。不同氮磷鉀肥配施處理的總生物量和一層生物量均明顯高于對照，差異較為顯著。處理3(氮肥∶磷肥∶鉀肥=110kg/hm2∶70kg/hm2∶180kg/hm2)土壤二層生物量最大(15.51±0.20g/m2)，但與處理9和處理10相比差異不顯著，而與其他處理相比差異達顯著水平。處理10土壤三層生物量最大(3.58±0.36g/m2)，但與對照相比差異不顯著，同其他處理相比差異顯著，P值小于0.05。表5表明，不同氮磷鉀肥配施處理土層深度與草原植物地下生物量(根量)之間表現(xiàn)為反比關系，即土層深度越大草原植物地下生物量越小。

4 結論

氮磷鉀肥配施是提升草原植物群落生物量的有效措施。本研究氮磷鉀肥配施對草原植物群落生物量影響的研究結果顯示：與磷肥和鉀肥相比，氮肥對禾本科植物群落的影響程度更高；相反，與氮肥相比，磷肥和鉀肥對豆科植物群落以及雜類草植物群落的影響程度更高。氮磷鉀肥配施可改善單純氮肥對草原植物群落生產(chǎn)產(chǎn)生的消極影響，提升草原植物群落地上生物量和地下生物量。