祁連山東緣高寒草甸植物及各部位對氮素添加的響應(yīng)

張玉琪， 馬 源， 文 銅， 吳玉鑫， 肖海龍， 張德罡*， 陳建綱

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016)

氮作為植物體內(nèi)生命元素，是促進植物生長的重要營養(yǎng)物質(zhì)，也是植物發(fā)育過程中需求最大的營養(yǎng)元素[1]。在自然界中，雖然氮素含量極其豐富，占大氣成分的3/4，但是植物卻不能直接利用這些氮素，土壤中的有機氮需要通過復(fù)雜的化學(xué)過程才能轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的易溶態(tài)的氮，所以氮又是植物易缺乏的營養(yǎng)元素之一[2]。

增施氮肥能夠增加土壤中的有效氮，通過根部將氮素分配和轉(zhuǎn)運到植物的不同的源、庫器官[6]，刺激植物的生長[7]。草地生態(tài)系統(tǒng)中氮素供應(yīng)的狀況直接關(guān)系到植物器官分化與形成[8]。氮素進入植株體后會被再分配，以不同的形態(tài)參與其生命活動，從而促進植物對氮素的高效利用。植物對土壤氮素的吸收、利用、運輸和轉(zhuǎn)移能力可以直接影響植株的地上組織生產(chǎn)力，對植株的存活和生長至關(guān)重要[9]。不同植物對氮素的選擇、吸收和利用受其種類、生長環(huán)境、氮素形態(tài)等多種因素的影響，植物吸收、貯存、運輸和同化過程也表現(xiàn)出不同的反應(yīng)[10]。

青藏高原地區(qū)的高寒草甸土壤中儲存著大量的氮素，但由于環(huán)境的限制，氮礦化作用較弱，導(dǎo)致土壤中可利用氮含量僅占土壤全氮的1%左右，這將對高原植物的生長發(fā)育產(chǎn)生較大程度影響[3]。同時有研究指出，青藏高原區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)中有機氮的轉(zhuǎn)化較為緩慢，以至于植物可利用的氮素普遍較少[4]，所以氮是影響青藏高原區(qū)域草地植物生長的重要因素[5]，對該區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能影響較為劇烈。

草原施肥可直接供給牧草營養(yǎng)需要，大幅度提高牧草產(chǎn)量，并且恢復(fù)草地生態(tài)功能[12]。根據(jù)前人的研究，高寒草甸植物不同物種在氮獲取策略上存在差異[33]，這表明氮添加可能會影響高寒草甸植物的氮素分配[32]。近幾十年來，由于高寒草甸草原的退化日益嚴(yán)重和氮素的缺乏，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)中不同植物對氮吸收效率存在差異。不同土壤氮素水平下高寒草甸植物的氮素吸收和分配對于評估高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中氮素的利用是必不可少的，然而關(guān)于這一方面的研究卻很少。

為探討此問題，本研究于甘肅省天?？h金強河流域天祝草原站的高寒草甸草原施入4個不同梯度的氮肥，通過研究不同經(jīng)濟類群以及優(yōu)勢種植物在各施氮梯度下對于氮素的吸收情況，以及不同器官的氮素含量。旨在了解草原施氮后不同植物的氮素分配模式，探尋最適合植物高效利用氮素的合理施肥方案和氮素的分配模式，以期為科學(xué)施氮和提高氮肥利用效率提供依據(jù)，為提高高寒草甸的經(jīng)濟利用價值和草原生態(tài)恢復(fù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區(qū)位于祁連山東段金強河流域，甘肅省天祝藏族自治縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草原站內(nèi)(102°47′7″E,37°11′51″N)，海拔2 920 m左右，氣候寒冷，晝夜溫差較大，日照強烈，年均氣溫-0.1℃～0.6℃，最高溫度為12.7℃(7月)，最低溫度為-18.3℃(1月)，≥0℃年積溫1 380℃，≥10℃年積溫1 080℃；年均降水量416 mm，主要集中在7—9月，占全年降雨量的76%，年蒸發(fā)量1 592 mm，約為年降水量的4倍，生長期120～140 d[13-15]。土壤類型為亞高山草甸土，草原類型為高寒草甸草原。主要植物有：垂穗披堿草(Elymusnutans)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、苔草(Carexlanceolata)、扁蓿豆(Trigonellaruthenica)、球花蒿(Artemisiasmithii)、火絨草(Leontopodiumleontopodioides)、賴草(Leymussecalinus)、草地早熟禾(Poapratensis)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、委陵菜(Potentillachinensis)、秦艽(Gentianamacrophylla)、紫菀(Astertataricus)等。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

本研究于2019年6月開展，采用隨機區(qū)組試驗設(shè)計，在位于青藏高原東北緣的甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)金強河流域的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草原站內(nèi)選擇基本情況一致的中度退化高寒草甸草原[16]，圍11 m×9 m的樣地，劃分為20個1 m×1 m的小區(qū)，并設(shè)置1 m的隔離帶，外圍設(shè)1 m的保護區(qū)(如圖1所示)。結(jié)合前人的研究結(jié)果[7,17-19]，設(shè)置5個處理，其中4個處理分別施入10,20,30,40 g·m-2的尿素(CO(NH2)2，氮含量為46%)，記為N1，N2，N3，N4，以不施肥為對照，記為N0，每個處理設(shè)置4個重復(fù)。在2019年6月將尿素肥料一次性施入，施肥時將肥料溶于2 L水中，用灑壺均勻撒入土壤中。

圖1 施氮處理Fig.1 Nitrogen treatment

1.3 指標(biāo)測定

7月在每個小區(qū)內(nèi)隨機將0.25 m×0.25 m區(qū)域內(nèi)的植物齊地刈割，帶回實驗室按禾本科，豆科，莎草科，雜類草這4個經(jīng)濟類群分開并將優(yōu)勢種挑出，再將其莖、葉、果實分開，在120℃烘箱殺青15 min，然后在65℃烘箱烘48 h，烘至恒重后稱重后粉碎，測定植物莖、葉、果實的含氮量。全氮測定采用半微量凱氏定氮法[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，用SPSS19.0利用單因素方差分析(One-way ANOVA)，Duncan法對不同經(jīng)濟類群，不同植物以及不同部位的全氮含量進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮梯度下植物生物量變化

如表1所示，施氮前后不同經(jīng)濟類群植物地上生物量均表現(xiàn)為禾本科>莎草科>豆科>雜類草。隨著施氮水平升高，地上生物量總量先升高后降低，在N1水平下達到最大值216.89 g·m-2。莎草科、豆科這2類經(jīng)濟類群的地上生物量均隨著施氮水平升高，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N1水平下生物量最大，分別為64.24 g·m-2，56.36 g·m-2。禾本科植物地上生物量表現(xiàn)為N1>N2>N3>N4>N0，在N1水平下生物量為78.74 g·m-2。隨著施氮量增加，雜類草植物地上生物量呈現(xiàn)先降低后升高趨勢，在N3水平下生物量最大，為25.96 g·m-2。

表1 不同經(jīng)濟類群植物地上生物量Table 1 Aboveground biomass of plants of different economic groups 單位：g·m-2

根據(jù)前期樣方植被調(diào)查，選擇出5種優(yōu)勢植物，分別為：垂穗披堿草、賴草、矮生嵩草、扁蓿豆、球花蒿。如表2所示，隨著施氮水平提高，這5種優(yōu)勢植物都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。垂穗披堿草、矮生嵩草、扁蓿豆這3種優(yōu)勢植物地上生物量都在N1水平下最大，賴草和球花蒿分別在N2和N3水平下生物量最大。在不同施氮水平下，扁蓿豆的地上生物量明顯大于其它優(yōu)勢種植物的地上生物量(P<0.05)，球花蒿地上生物量最小，在N0，N4水平下矮生嵩草>賴草>垂穗披堿草，N1，N3水平下矮生嵩草>垂穗披堿草>賴草，N2水平下表現(xiàn)為賴草>矮生嵩草>垂穗披堿草。

表2 不同優(yōu)勢植物地上生物量Table 2 Aboveground biomass of different dominant plants 單位：g·m-2

2.2 不同施氮梯度下各經(jīng)濟類群植物氮含量變化

如圖2所示，在N0，N1，N2，N4水平下各經(jīng)濟類群植物含氮量表現(xiàn)為豆科>雜類草>莎草科>禾本科，禾本科、莎草科和雜類草3個經(jīng)濟類群植物的含氮量總體上隨著施入氮素水平的增加逐漸升高而后趨于平穩(wěn)，豆科植物含氮量隨施氮水平升高先降低后升高并趨于平穩(wěn)，在N1水平出現(xiàn)最低值。每個經(jīng)濟類群植物的氮含量各自在N2，N3，N4水平之間并無顯著差異，但與N0，N1有顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同經(jīng)濟類群植物在不同施氮水平下氮含量Fig.2 The plant nitrogen content of different economic groups under different nitrogen application levels注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。不同小寫字母表示不同處理間差異性顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示不同經(jīng)濟類群/優(yōu)勢植物間差異性顯著(P<0.05)。下同Note:Data are mean±standard error. Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments att he 0.05 level;Different capital letters indicated significant differences among different economic groups/dominant plants at the 0.05 level. The same as below

高寒草甸草原施入外源氮素后各經(jīng)濟類群植物的全氮含量都有不同程度的增加。相比于N0水平，禾本科植物氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分別增加了3.89%，28.28%，32.76%，36.54%；莎草科植物氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分別增加了4.69%，29.28%，29.45%，36.67%；豆科植物氮含量在N1水平下降低了3.68%，在N2，N3，N4水平下分別增加了14.05%，20.53%，26.07%；雜類草植物全氮含量在在N1，N2，N3，N4水平下分別增加了7.84%，36.76%，35.37%，38.80%。

高寒草甸草原各經(jīng)濟類群植物全氮含量在施氮前后均表現(xiàn)為豆科>雜類草>莎草科>禾本科，豆科植物氮含量顯著高于其它3個經(jīng)濟類群植物(P<0.05)。施氮量與4個經(jīng)濟類群植物全氮含量顯著相關(guān)(P<0.05)，對植物氮含量的影響表現(xiàn)為禾本科>莎草科>豆科>雜類草(表3)。

表3 施氮水平與植物含氮量之間的相關(guān)性Table 3 Correlation between nitrogen application level and plant nitrogen content

2.3 不同施氮梯度下各優(yōu)勢植物氮含量變化

如圖3所示，在高寒草甸草原上，扁蓿豆的氮含量顯著高于其它優(yōu)勢植物(P<0.05)。這5種優(yōu)勢植物的全氮含量均在N2水平下顯著升高(P<0.05)，而后趨于平穩(wěn)。相比與N0水平，垂穗披堿草、賴草、矮生嵩草、扁蓿豆、球花蒿這5種植物氮含量在N2水平下分別增加了31.67%，27.59%，22.31%，10.74%，51.39%，相比于N0，外源氮素添加后球花蒿全氮含量增加最多，其次是垂穗披堿草、賴草、矮生嵩草，扁蓿豆的全氮含量增加最少。

圖3 不同優(yōu)勢植物在不同施氮水平下氮含量Fig.3 The nitrogen content of different dominant plants under different nitrogen application levels

高寒草甸草原施氮與扁蓿豆、矮生嵩草、垂穗披堿草植物氮含量顯著相關(guān)，對于這5種優(yōu)勢植物氮含量的影響表現(xiàn)為扁蓿豆>矮生嵩草>垂穗披堿草>賴草>球花蒿(表3)。

2.4 不同施氮梯度下不同經(jīng)濟類群植物莖、葉、花氮含量變化

如圖4所示，豆科植物葉片氮含量最高，其次是雜類草，禾本科，莎草科。施入氮肥后，禾本科植物的葉片、莖、穗的氮含量表現(xiàn)為葉片>穗>莖(P<0.05)，禾本科植物在N1，N2水平下已經(jīng)抽穗，穗的氮含量表現(xiàn)為N2>N1。隨著施入氮素水平的提高，禾本科葉片氮含量在N1水平顯著升高(P<0.05)后趨于穩(wěn)定，N1，N2，N3之間，N2，N3，N4之間都不存在顯著差異，葉片氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分別比N0水平下提高了19.37%，33.80%，32.76%，39.30%；莖和穗的氮含量在N2水平下比N1分別提高了51.69%，39.55%。施入氮肥后，莖的氮含量增加最多，其次是穗，最后是葉片，這可能是由于禾本科植物在N2和N3水平下植物由營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)為了生殖生長所以葉片將氮素供應(yīng)給莖和穗。施氮后莎草科植物并沒有長出莖和穗，其葉片的氮含量在N2水平顯著增加后趨于平穩(wěn)(P<0.05)。

圖4 不同經(jīng)濟類群植物莖、葉、穗/花氮含量變化Fig.4 Variation of nitrogen content in leaf,stem,tassel/flower of different economic groups

施氮前后豆科植物氮含量分布均表現(xiàn)為葉片>莖，且施氮對于葉片氮含量的增加大于莖，施入氮肥后，葉片氮含量在N2水平顯著升高后趨于平穩(wěn)并稍有下降趨勢(P<0.05)，葉片在在N1，N2，N3，N4水平下分別比N0水平下提高了1.70%，22.37%，31.34%，26.33%，莖的含氮量隨施入氮肥的量增加逐漸升高但不顯著，在N1，N2，N3，N4水平下分別比N0水平下提高了6.39%，8.82%，18.62%，20.72%。

雜類草在N0，N1，N2水平下已經(jīng)轉(zhuǎn)為生殖生長分化出花，花的氮含量表現(xiàn)為N0>N2>N1(P<0.05)。葉片和莖的氮含量在N2水平顯著提高，分別比N0水平提高了25.65%和54.03%，施氮對于雜類草莖的氮含量的增加大于葉片。施氮量與雜類草葉、禾本科葉、莎草科葉、豆科葉和莖有顯著相關(guān)性(P<0.05)，對于不同經(jīng)濟類群植物各部分氮含量的影響表現(xiàn)為雜類草葉>豆科莖>莎草科葉>禾本科葉>豆科葉>雜類草莖>禾本科穗>禾本科莖>雜類草花(表4)。

表4 施氮水平與經(jīng)濟類群植物各部位含氮量之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between nitrogen application level and nitrogen content in various parts of plants in economic groups

2.5 不同施氮梯度下優(yōu)勢植物莖、葉、花氮含量變化

如圖5所示，垂穗披堿草在N1，N2水平下開始生殖生長，葉片氮含量在N2水平顯著增加(P<0.05)后趨于平穩(wěn)，N2，N3，N4水平之間沒有顯著差異(P<0.05)，N2，N3，N4水平下葉片氮含量分別比N0水平增加了31.67%，26.03%，33.65%。莖和穗的氮含量表現(xiàn)為N2>N1，分別提高了51.69%，39.55%。賴草和矮生嵩草并沒有分化出莖和穗，其葉片的氮含量隨著施入氮素水平提高先明顯升高后平穩(wěn)，在N2水平下分別增加了27.59%，22.31%。扁蓿豆葉片氮含量隨著施氮量增加逐漸增加，N2，N3，N4之間沒有顯著差異，與N0，N1之間差異顯著(P<0.05)，N2，N3，N4水平下葉片氮含量分別比N0水平增加了16.67%，20.45%，25.23%，扁蓿豆莖的氮含量隨施氮量增加先降低再逐漸增加，N1水平比N0水平降低了6.81%，N2，N3，N4水平下葉片氮含量分別比N0水平增加了3.73%，12.99%，19.08%。球花蒿的葉、莖的氮含量均隨著施氮水平提高先升高再降低，在N2水平達到了最大值(P<0.05)，分別比N0水平下增加了41.91%和116.97%，施氮對于球花蒿莖氮含量的增加明顯多于葉片。雖然外源氮素施入對于球花蒿莖和葉片氮含量的增加明顯多于其它優(yōu)勢植物，對于扁蓿豆葉片和莖的氮含量增加最少，但根據(jù)相關(guān)性分析(表5)可看出施氮對于優(yōu)勢植物各部位氮含量表現(xiàn)為扁蓿豆葉片>矮生嵩草葉片>垂穗披堿草葉片>扁蓿豆莖>球花蒿葉片>垂穗披堿草穗>賴草葉片>垂穗披堿草莖>球花蒿莖。

表5 施氮水平與優(yōu)勢植物各部位含氮量之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between nitrogen application level and nitrogen content in different parts of dominant plants

3 討論

從本研究中發(fā)現(xiàn)，一定的施氮量有利于高寒草甸草原植物量的增加，但不是施氮量越高地上植物量就越多。隨著施氮量的增加地上植物量先升高后降低，氮元素與植物的光合作用緊密相關(guān)[22,26]，合理的氮素施入可以供給植物正常生長所需的養(yǎng)分并促進植物生長，但是氮素釋放不足或過量都會導(dǎo)致植物莖、葉的凈光合速率、呼吸速率和其他生理反應(yīng)相應(yīng)地降低，從而影響地上生物量[23-24]。沈振西等[25]在高寒矮嵩草草甸施氮的研究、卡著才讓等[17]在高寒草甸草原施氮的研究和馬玉壽等[34]在小嵩草草甸施氮的研究都表明施氮可明顯提高植物的地上生物量，但超過某個閾值后施肥作用不明顯。

氮素添加對于高寒草甸草原不同經(jīng)濟類群植物的影響不同，地上生物量表現(xiàn)為禾本科>莎草科>豆科>雜類草，施氮對植物氮含量的影響表現(xiàn)為禾本科>莎草科>豆科>雜類草，這與陳利[30]對于針茅草甸草原主要植物的研究結(jié)果相一致。在氮素充足或過高的環(huán)境中禾本科植物比其它經(jīng)濟類群植物更具可塑性，有更高的光合競爭力[26,37]。因此相比其它經(jīng)濟類群，禾本科植物有較強的養(yǎng)分利用效率，這與熊星爍[22]的結(jié)果相一致。高寒草甸豆科和雜類草植物一般低于禾本科植物，更易受到光限制，而光限制作用可能會抑制植物生長對氮素施入的響應(yīng)[31]，所以禾本科植物的生物量明顯多于其它經(jīng)濟類群植物的生物量。李晶晶等在青藏高原高寒草甸研究中也發(fā)現(xiàn)禾本科對于氮的吸收利用能力更強[35]。本研究還發(fā)現(xiàn)在施氮水平較高時，抑制了禾本科的生殖生長，且生物量有所增加，前人在研究中也發(fā)現(xiàn)禾本科植物可以通過延遲開花時間來提高競爭能力[38]。此外，Bowman等[36]研究發(fā)現(xiàn)與鄰近的雜類草相比，禾本科植物更容易獲取和利用氮來增加生物量。豆科植物隨著施氮量增加生物量明顯減少，高濃度氮肥的施用抑制了豆科植物根瘤的形成[40]，也有研究發(fā)現(xiàn)豆科植物對土壤氮的添加沒有顯著的反應(yīng)[38]，Cleland[39]的研究中也發(fā)現(xiàn)在添加氮后豆科植物沒有顯著變化。施氮對于雜類草氮含量的影響最小，這與前人研究結(jié)果一致[45]，且有研究認(rèn)為雜類草在氮素缺乏時對于氮的吸收利用能力較強，在氮素充足時明顯下降[46]，本研究發(fā)現(xiàn)雜類草在未施氮和稍低施氮水平下生物量較低，李晶晶等[35]的研究也有類似結(jié)果，但本研究中發(fā)現(xiàn)在施氮水平較高時雜類草生物量有所上升，這可能是因為在未施氮和稍低水平施氮下，雜類草開始生殖生長，氮素更多供應(yīng)給花/果，在高水平施氮時抑制了雜類草生殖生長，所以雜類草生物量又有小幅度上升。

植物的含氮量總體上隨著施入氮素水平的增加逐漸升高而后趨于平穩(wěn)。當(dāng)施肥量過高時，葉片和莖的氮素含量與土壤施入氮素量不成正比，是因為過多的氮素脅迫，導(dǎo)致植物生理功能的衰退[28]。施氮前后植物中的氮含量表現(xiàn)為豆科>雜類草>莎草科>禾本科，李玉霖和熊星爍[27]的研究也表明，非禾本科草本植物葉片氮含量顯著高于禾本科植物。與單子葉植物相比，雙子葉植物葉片養(yǎng)分含量更高[22]，本研究中豆科和雜類草植物葉片的氮含量明顯高于禾本科和莎草科植物葉片的氮含量。施入氮素后，不同經(jīng)濟類群植物葉片的氮含量大于莖的氮含量，因為植物體內(nèi)運輸?shù)降厣喜康牡胤峙潆S生長中心的轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，所以葉內(nèi)氮含量積累較多，葉片是主要的氮素貯存器官，葉片氮累積量可以達到整個植株總氮累積量的60%以上[29]。

垂穗披堿草、矮生嵩草、扁蓿豆這3種優(yōu)勢植物的地上生物量在施氮量為10 g·m-2水平下最大，賴草和球花蒿分別在20 g·m-2和30 g·m-2水平下生物量最大，與不同經(jīng)濟類群植物地上生物量的變化較為一致。施氮對于扁蓿豆的氮含量影響最大，這與劉紅梅[41]對貝加爾針茅草原植物和黃菊瑩等[42]對內(nèi)蒙古典型草原植物對氮添加響應(yīng)研究結(jié)果有所不同，與司曉林[43]的研究結(jié)果相類似，這可能是由于地區(qū)不同的原因造成的不同結(jié)果。很多研究認(rèn)為豆科植物自身生物固氮足夠提供自身生長需要，所以對于外源氮素添加的響應(yīng)不明顯[38-39]。本研究在7月進行，可能由于其生長早期尚未形成根瘤，所以添加氮肥可促進其早期生長增加了植株氮含量。矮生嵩草和垂穗披堿草對于氮添加的響應(yīng)也很明顯，這與魏晴[44]的研究結(jié)果相同，這也是高寒草甸草原中矮生嵩草和垂穗披堿草成為優(yōu)勢種的一個重要原因。

4 結(jié)論

高寒草甸適量施氮有利于禾本科、莎草科和豆科生物量的增加，雜類草植物生物量會有所減少。過量施氮地上生物量會降低，禾本科植物較其他植物更耐受高氮。

禾本科和莎草科植物對于氮素的利用率更為高效。施氮與扁蓿豆、矮生嵩草、垂穗披堿草植物氮含量顯著相關(guān)，與賴草和球花蒿的相關(guān)性較弱。

施氮后植物葉片氮含量最高，其次是穗/花，莖的氮含量最低，施氮對于植物葉片的氮含量都有顯著影響。高施氮量會抑制禾本科和雜類草植物生殖生長。