三江源區(qū)高寒草甸草場植被和土壤對外源氮素輸入的響應(yīng)

向雪梅， 德科加， 馮廷旭， 魏希杰， 王 偉， 徐成體

(青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016)

高寒草甸是青藏高原生態(tài)系統(tǒng)中主要的植被類型之一，在維持生物多樣性、養(yǎng)分平衡及水源涵養(yǎng)等諸多方面發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，同時也為畜牧業(yè)的發(fā)展提供主要的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-3]。近年來，由于青藏高原地區(qū)獨特的氣候條件與地理位置，土壤有機氮礦化緩慢，造成植物可利用氮素有限，嚴重制約草地生產(chǎn)力。加之高寒草地過度利用，造成土壤氮庫嚴重虧缺，導(dǎo)致生物多樣性下降，草場退化嚴重[4-6]。為維持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高草地生產(chǎn)力，學(xué)者們進行了大量試驗，結(jié)果證明施氮是提高草地生產(chǎn)力的主要途徑之一[7-8]。

在草場中常規(guī)施用的氮素形態(tài)是酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及酰胺態(tài)氮都能促進植物的生長，但是不同的氮素形態(tài)在土壤中的轉(zhuǎn)化機制不同，對植物的干物質(zhì)積累及總氮積累存在差異[9-10]。前人研究表明，不同形態(tài)的氮素添加都會影響群落物種多樣性和草地生產(chǎn)力[11]，但是不同草地類型的植物群落對不同形態(tài)氮素利用存在偏好性[12]。添加不同形態(tài)氮素不僅會改變草地生態(tài)系統(tǒng)中植物及不同土層中的養(yǎng)分含量，對土壤的理化性質(zhì)也有影響。而且會影響土壤微生物與植物之間的相互作用，促使微生物的數(shù)量和活性發(fā)生變化[13-15]。以上研究主要針對不同形態(tài)氮素添加對天然草場植物生產(chǎn)力、群落特征、土壤理化性質(zhì)及微生物活性等的影響，但不同形態(tài)氮素輸入后在天然草場中分配情況及植物的利用率都未形成統(tǒng)一的結(jié)論。已有的研究表明，只有了解氮素施入后在植物-土壤中利用及分配的規(guī)律，才能制定出相應(yīng)的管理措施[16]。目前，針對不同氮素形態(tài)添加在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中的去向及氮素利用率的研究較少。

而15N示蹤技術(shù)的使用可以更準確地分析出不同氮素形態(tài)作用于土壤-植被系統(tǒng)中的氮素利用率及其在系統(tǒng)中分配，從而有助于定量分析氮肥的吸收及損失[17]。

因此本試驗以三江源區(qū)高寒草甸為研究對象。利用15N標記技術(shù)，定量探究(15NH4)2SO4，Ca(15NO3)2及CO(15NH2)2在植物及土壤中的分配及利用率，從而系統(tǒng)的了解氮素在天然草場生態(tài)系統(tǒng)中去向，為高寒草甸氮素的可持續(xù)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)自然地理概況

研究地點位于青海大學(xué)三江源生態(tài)系統(tǒng)教育部野外觀測站(北緯33° 24′30′′，東經(jīng) 97°18′00′′)，海拔高度為4 270 m，氣候為典型的高原大陸性氣候，年平均氣溫為-5.6℃～3.8℃，年均降水量為562.2 mm，年度降水主要分布在6-9月份，約占全年降水的75%。該草地類型為高山嵩草雜類草甸，草地為中度退化草地，草場主要優(yōu)勢牧草有高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)，次優(yōu)勢種有矮嵩草(Kobresia.humilis Clarke)、異針茅(StipaalienaKeng.)、珠芽蓼 (PolygonumviviparumL.)、雪白萎陵菜(Potentilla.niveaL.) 等，伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披堿草(ElymusnutansKeng) 等。土壤為高山草甸土，土壤pH值為6.92，有機質(zhì)含量2.36%，速效氮含量14.0 mg·L-1，速效磷含量7.0 mg·L-1，速效鉀含量76.5 mg·L-1。

1.2 試驗設(shè)計

2020年6月開展氮素添加試驗，試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共4個處理N1((15NH4)2SO4)，N2(Ca(15NO3)2)，N3(CO(15NH2)2)，同時設(shè)置一個對照(N0)，設(shè)置 1 m× 1 m的微區(qū)，微區(qū)間用聚乙烯板隔開以減小地表和地下氮素的橫向移動，每個形態(tài)標記氮肥設(shè) 6個微區(qū)，共24個微區(qū)。同位素示蹤采用豐度為 10.20%。本試驗從維持高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)功能方面考慮，并結(jié)合在高寒草甸施氮的研究成果作為依據(jù)，選擇的純氮添加量為30 g·m-2[18-20]。換算為N1，N2，N3分別為142.9 g·m-2，250.0 g·m-2,65.2 g·m-2。將肥料加 100 ml蒸餾水在燒杯內(nèi)溶解搖勻后，置于小噴壺，均勻噴灑在微區(qū)內(nèi)，對照也噴灑等量的蒸餾水。此過程再加蒸餾水重復(fù)兩次,保證燒杯及噴壺內(nèi)無溶質(zhì)剩余。

1.3 樣品采集

于2020年9月，在不同處理的試驗微區(qū)內(nèi)隨機取樣(離開樣區(qū)邊緣0.5 m以上)，樣方面積為0.5 m×0.5 m，將樣方內(nèi)的植物齊地面剪下。用直徑0.03 m的根鉆在樣方內(nèi)取至20 cm深度，每個重復(fù)取5鉆，將根洗凈。帶回實驗室置于烘箱內(nèi)，65℃殺青30 min，然后在80℃下烘干，稱重得到植物地上及地下生物量。土壤樣品按照 0～15 cm，15～30 cm深度采集，3鉆混合為一個土樣。

1.4 指標測定及計算公式

植物和土壤樣品的全氮含量用H2SO4-H2O2消化氮，然后通過全自動氮飽和度計(A002)測定，用質(zhì)譜儀(MAT-271)測定植物的15N豐度[21]。

植物吸收的氮素來源的計算[22]：

NA=N×W

NDFF=APlant/AFertilizer×100

NDFS= 1-NDFF

NA(Nitrogen amount)表示樣品中氮素的總量，單位為g·m-2；N表示樣品中氮素總百分含量，單位為%；W表示樣品干物質(zhì)的重量，單位為g·m-2；APlant(Abundance of plant)表示植物樣品15N豐度，單位為%；AFertilizer(Abundance of fertilize)表示用于標記的氮素肥料豐度，單位為%；NDFF(Nitrogen derive from fertilizer)表示植物吸收的氮素來源于肥料的比例，單位為%；NDFS (Nitrogen derive from soil)表示植物吸收的氮素來源于土壤的比例，單位為%。

氮素回收率的計算[23]:

15N =NA×ASample/AFertilizer

15N RPlant=15NPlant/15NFertilizer×100

15N RSoil=15NSoil/15NFertilizer×100

15NLoss=1-15N RPlant-15N RSoil

15N表示單位面積樣品(植物樣品或土壤樣品)中15N標記肥料氮素總量，單位為g·m-2；Asample(Abundance of sample)表示樣品的15N豐度，單位為%；Aplant(Abundance of plant sample)表示植物樣品的15N豐度，單位為%；Afertilizer(Abundance of fertilizer)表示用于標記的氮素肥料的15N豐度，單位%。15NRPlant(15N Recovery by plant)表示植物對標記15N的回收率，單位%；15NRSoil(15N Retention in soil)表示標記15N在土壤中的存留率，單位%；15NLoss(15N Losses)表示標記15N的損失率，單位為%；15NPlant表示單位面積植物樣品15N總量,單位g·m-2；15Nsoil表示單位面積土壤樣品(不同土層)15N總量，單位為g·m-2；15NFertilizer表示單位面積標記肥料中15N總量，單位為g·m-2。

1.5 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用單因素方差分析(One-way ANOVA,LSD)比較不同處理間各參數(shù)差異顯著性;統(tǒng)計分析均在Excel 2010 和SPSS 22.0統(tǒng)計軟件上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素添加對植物地上、地下生物量的影響

由圖1可知，不同形態(tài)氮素添加對植物地上和地下部分干物質(zhì)積累量影響不同。與N0相比較，在N1,N2,N3處理下，植物的地上部分干物質(zhì)積累量分別增加154.94%，115.95%，190.60%，各處理間差異顯著(P<0.05)。但對地下部分的干物質(zhì)積累量無顯著影響。結(jié)果表明在這3種處理下，N3處理更有利于植物地上部分生物量的積累。

圖1 不同形態(tài)氮素添加下植物地上部分和地下部分干物質(zhì)積累量

3.2 不同形態(tài)氮素添加對植物地上、地下全氮含量的影響

由圖2所示，不同形態(tài)氮素添加對植物地上和地下部分總氮含量影響不同。與N0相比，在N1,N2,N3處理下植物地上部分的氮積累量分別增加了240.98%，191.87%，381.94%。不同的氮素形態(tài)施入僅對植物地上部分氮素積累量有顯著影響(P<0.05)，而對地下部分氮素積累量無顯著影響。結(jié)果表明，在這3種處理下，N3處理更有利于植物地上部分對氮素的吸收利用。

圖2 不同形態(tài)氮素添加下植物地上部分和地下部分全氮積累量

2.3 不同形態(tài)氮素添加對土壤全氮含量的影響

由圖3所示，在N3處理下，0～15 cm層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)最高，達到6.99 g·kg-1。但是各處理之間差異不顯著。在15～30 cm層，與N0相比，不同形態(tài)氮素輸入都使土壤全氮質(zhì)量分數(shù)顯著下降，分別為10.51%，13.78%，12.03%(P<0.05)。

圖3 在不同形態(tài)氮素的添加下，不同土層土壤全氮質(zhì)量分數(shù)

2.4 不同形態(tài)的氮素在植物群落中的分配

2.4.1植物群落吸收氮素的來源 在牧草整個生長季，不考慮降雨等因素時，植物吸收氮素來源主要是來自土壤中的氮素及添加的氮肥。由表1可知，在N1處理下，土壤為植物地上部分和地下部分的生長分別提供了51.28%，83.02%的氮，而肥料則分別提供了48.73%，16.98%的氮。在N2處理下土壤為植物地上部分和地下部分的生長分別提供了44.25%和88.73%的氮，而肥料則分別提供了55.75%，11.27%的氮。在N3處理下土壤為植物地上部分和地下部分的生長分別提供了54.15%，85.74 %的氮，而肥料則分別提供了45.85%，14.27%的氮。在這3種處理下，土壤在N3處理下為植物地上部分提供的氮量較高。

表1 在不同形態(tài)氮素的施入下植物中氮素的供應(yīng)源

2.4.2不同形態(tài)氮素處理下植物對15N的吸收 由表2可知，在N1,N2,N3處理下，15N在植物地上部分和地下部分總回收率分別為13.88%，6.28%，26.82%。不同處理中15N在植物地上部分中的回收率為2.41%～9.02%，15N在植物地下部分的回收率為3.87%～17.80%。在氮素施入3個月后，主要是在植物地下部分分布，回收量為2.33 g·m-2,1.16 g·m-2,5.34 g·m-2。在不同氮素形態(tài)添加下，15N回收率在植物地上部分，地下部分中差異均顯著(P<0.05)。并在N3處理下植物地上部分，地下部分的回收率最高，分別為9.02%，17.80%。

表2 不同形態(tài)氮素處理下15N在植物地上部分，根系中的回收率及回收量

2.4.3不同形態(tài)氮素處理下15N在土壤中的殘留 在由表3可知，一個生長季后，不同形態(tài)氮素輸入下15N在 0～15 cm土壤層中的殘留為9.83%～36.94%，在15～30 cm土壤層中的殘留為6.23%～21.19%。0～15 cm土層的氮素回收率和回收量均高于15～30 cm土層，氮素主要是在0～15 cm的土層里殘留。在N2處理下土壤中氮素的殘留量及殘留率最低，在N3處理下土壤中氮素的殘留量及殘留率最高。以上說明在高寒草甸中，N3處理下土壤中殘留的氮素最高，氮素回收率在該處理下最高。

表3 不同形態(tài)氮素處理下15N在土壤中的殘留率及殘留量

2.4.4不同形態(tài)氮素處理下15N的損失 氮素輸入土壤后除了留在植物及土壤內(nèi)以外，還有一部分會損失。由圖3所示，高寒草甸中氮素的損失率在15.05%～77.66%。在N2處理下氮素損失率最高，在N3處理下?lián)p失率最低。本試驗表明，在高寒草甸中N3處理下，氮素損失率最低。

圖4 不同氮素形態(tài)處理下15N的損失率

3 討論

3.1 不同形態(tài)氮素對植物生物量和全氮含量的影響

施入草地的氮素形態(tài)是根據(jù)某些元素對草地生長的限制程度及土壤中的有效元素的含量來確定的[24]。在本試驗中研究發(fā)現(xiàn)，添加不同氮素形態(tài)能不同程度的增加植物地上部分生物量及全氮含量。這表明在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中添加氮素能提高草地的初級生產(chǎn)力[25]。短期內(nèi)，添加CO(15NH2)2對植物地上生物量和全氮含量的作用效果更為明顯，而添加Ca(15NO3)2的作用效果比較微弱。這與盧光新等[26]人在高寒草甸中的試驗結(jié)果一致。而王偉等[27]人的研究表明在高寒草甸施入20 g·m-2硫酸銨時植物生物量為最大值，與本試驗的結(jié)果不一致。這就說明草地生物量不僅與氮素形態(tài)、施氮水平、施氮方式及施氮時間有關(guān)，而且與溫度和降雨量等環(huán)境因子、草地類型及人類的活動等有關(guān)[28-29]。

在本試驗中發(fā)現(xiàn)氮素添加會使植物地下生物量降低。因為植物地下部分的生長與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)，氮素添加使土壤中營養(yǎng)元素的含量發(fā)生變化，致使植物體內(nèi)的鎂和鉀虧損限制生物量向根系分配[30]。

3.2 不同形態(tài)氮素對土壤全氮含量的影響

土壤全氮含量分布對草地質(zhì)量有著決定性的影響，合理施氮有助于提高土壤肥力[31]。在本試驗中研究發(fā)現(xiàn)在施氮處理下0～15 cm層的土壤全氮質(zhì)量分數(shù)大于15～30 cm層。這就說明肥料中氮元素主要集中在淺層土壤，改善淺層土壤供氮能力。氮在一定程度上能反映土壤氮素的供應(yīng)狀況，許多研究結(jié)果表明，酰胺態(tài)氮添加能顯著提高土壤氮素含量[32]。與上述結(jié)果一致，本研究中發(fā)現(xiàn)CO(15NH2)2添加能提高淺層土壤中的全氮含量。除了施氮對土壤全氮含量有影響外，土壤全氮含量還會受地形因素(海拔、坡度等)、氣候因素(溫度、降水)、植被狀況及土壤類型等因素的影響[33-34]。

3.3 氮素在植物-土壤中去向及分配

了解氮素在植物及土壤中分配比例，對養(yǎng)分的高效利用具有重要的意義[35]。本研究表明植物吸收的氮素大多數(shù)來源于土壤。這與Melanie Kriszan等[36]在溫帶草原中對植物及土壤15N自然豐度的長期變化過程中結(jié)果一致。土壤中的氮是從肥料氮和其他氮源(例如：氮沉降、生物固著)轉(zhuǎn)化而來的，其中外源氮素輸入是維持土壤長期肥力和生產(chǎn)力的重要機制[37]。

在不同形態(tài)氮素添加下，植物地上部分吸收的氮素在2.41%～9.02%之間，地下部分吸收的氮素在3.87%～17.80%之間。這表明氮素添加后根系吸收的氮素更多，是因為根系能從土壤中獲取養(yǎng)分和水分，從而供給植物生長所需要的養(yǎng)分[38]。

在一個生長季后還有50%以上的氮素仍殘留在土壤中，而且大多數(shù)的氮素分布在土壤0～15 cm層。這與喬江等人在內(nèi)蒙古貝加爾針茅草原中的研究結(jié)果一致[39]。在不同形態(tài)氮素添加下，CO(15NH2)2添加下土壤中的殘留率最高，為58.13%。殘留的氮素在下一個生長季使用，它將成為土壤中相對穩(wěn)定的有機氮部分，并在一定程度上補充土壤氮庫[40]。

除了被植物吸收及在土壤中殘留的部分，氮素還可能通過氨揮發(fā)、硝化作用、反硝化作用及淋溶而損失[41]。在研究溫帶荒漠草原中氮素的去向時發(fā)現(xiàn)，大于50%的氮素通過徑流的方式而損失[42]。在本試驗中損失的氮素為15.05%～77.66%，施入的Ca(15NO3)2時損失率最高。由于土壤顆粒對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附性是不同的，它們在土壤中的淋失是有差異的，相比于銨態(tài)氮，硝態(tài)氮更容易隨著水分向下遷移[43]。

3.4 不同形態(tài)氮素輸入后的回收率

氮素利用率是衡量植物對氮素的吸收和轉(zhuǎn)移能力的參數(shù)[44]。本試驗研究表明，不同形態(tài)氮素添加后，氮素利用率分別為13.88%，6.28%，26.82%。這說明在高寒草甸中施入CO(15NH2)2時，氮素利用率最高。這與Stevens等[45]測定黑麥草(LoliumperenneL)對15N標記的硝酸銨和尿素回收率的結(jié)果一致。而Chaney等[46]研究發(fā)現(xiàn)，尿素的回收率低于硝酸銨。氮素回收率受較多因素的影響，比如，植物本身的偏好性、土壤理化性質(zhì)、氣候條件、施氮時期及方式等[47]。正是由于較多因素共同影響導(dǎo)致氮素回收的變異范圍較大。

4 結(jié)論

本研究表明，不同形態(tài)氮素添加，均能提高草地地上生物量與地上部分全氮含量，但降低了土壤15～30 cm層全氮含量。

不同形態(tài)的氮素添加后，植物地上部分、地下部分吸收的氮素為6.28%～26.82%，殘留在土壤中的氮素為16.06%～58.13%，另外，15.05%～77.66%的氮素流失到環(huán)境中。其中，酰胺態(tài)氮的殘留率及回收率最高，損失率最低。

因此，在高寒草甸中酰胺態(tài)氮是提高植物地上生物量、全氮含量及氮素利用率最佳的方式。