三江源區(qū)高寒草甸草場(chǎng)植被和土壤對(duì)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(shí)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(lái)，由于青藏高原地區(qū)獨(dú)特的氣候條件與地理位置，土壤有機(jī)氮礦化緩慢，造成植物可利用氮素有限，嚴(yán)重制約草地生產(chǎn)力。加之高寒草地過(guò)度利用，造成土壤氮庫(kù)嚴(yán)重虧缺，導(dǎo)致生物多樣性下降，草場(chǎng)退化嚴(yán)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(jìn)行了大量試驗(yàn)，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(chǎng)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(jìn)植物的生長(zhǎng)，但是不同的氮素形態(tài)在土壤中的轉(zhuǎn)化機(jī)制不同，對(duì)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(huì)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(duì)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(huì)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(duì)土壤的理化性質(zhì)也有影響。而且會(huì)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(duì)不同形態(tài)氮素添加對(duì)天然草場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(zhǔn)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(yàn)以三江源區(qū)高寒草甸為研究對(duì)象。利用15N標(biāo)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(chǎng)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(diǎn)位于青海大學(xué)三江源生態(tài)系統(tǒng)教育部野外觀測(cè)站(北緯33° 24′30′′，東經(jīng) 97°18′00′′)，海拔高度為4 270 m，氣候?yàn)榈湫偷母咴箨懶詺夂?，年平均氣溫?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(chǎng)主要優(yōu)勢(shì)牧草有高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)，次優(yōu)勢(shì)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(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)

2020年6月開展氮素添加試驗(yàn)，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共4個(gè)處理N1((15NH4)2SO4)，N2(Ca(15NO3)2)，N3(CO(15NH2)2)，同時(shí)設(shè)置一個(gè)對(duì)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(dòng)，每個(gè)形態(tài)標(biāo)記氮肥設(shè) 6個(gè)微區(qū)，共24個(gè)微區(qū)。同位素示蹤采用豐度為 10.20%。本試驗(yàn)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(duì)照也噴灑等量的蒸餾水。此過(guò)程再加蒸餾水重復(fù)兩次,保證燒杯及噴壺內(nèi)無(wú)溶質(zhì)剩余。

1.3 樣品采集

于2020年9月，在不同處理的試驗(yàn)微區(qū)內(nèi)隨機(jī)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(gè)重復(fù)取5鉆，將根洗凈。帶回實(shí)驗(yàn)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(gè)土樣。

1.4 指標(biāo)測(cè)定及計(jì)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(guò)全自動(dòng)氮飽和度計(jì)(A002)測(cè)定，用質(zhì)譜儀(MAT-271)測(cè)定植物的15N豐度[21]。

植物吸收的氮素來(lái)源的計(jì)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(biāo)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(lái)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(lái)源于土壤的比例，單位為%。

氮素回收率的計(jì)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(biāo)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(biāo)記的氮素肥料的15N豐度，單位%。15NRPlant(15N Recovery by plant)表示植物對(duì)標(biāo)記15N的回收率，單位%；15NRSoil(15N Retention in soil)表示標(biāo)記15N在土壤中的存留率，單位%；15NLoss(15N Losses)表示標(biāo)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(biāo)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(jì)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(jì)分析均在Excel 2010 和SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件上完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)氮素添加對(duì)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(duì)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(duì)地下部分的干物質(zhì)積累量無(wú)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(duì)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(duì)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(duì)植物地上部分氮素積累量有顯著影響(P<0.05)，而對(duì)地下部分氮素積累量無(wú)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(duì)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(duì)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?jǐn)?shù)最高，達(dá)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?jǐn)?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?jǐn)?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(lái)源 在牧草整個(gè)生長(zhǎng)季，不考慮降雨等因素時(shí)，植物吸收氮素來(lái)源主要是來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(gè)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(gè)生長(zhǎng)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(shuō)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(huì)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?fù)p失率最高，在N3處理下?lián)p失率最低。本試驗(yàn)表明，在高寒草甸中N3處理下，氮素?fù)p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(duì)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(duì)草地生長(zhǎng)的限制程度及土壤中的有效元素的含量來(lái)確定的[24]。在本試驗(yàn)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(jí)生產(chǎn)力[25]。短期內(nèi)，添加CO(15NH2)2對(duì)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(yàn)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(shí)植物生物量為最大值，與本試驗(yàn)的結(jié)果不一致。這就說(shuō)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(shí)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(dòng)等有關(guān)[28-29]。

在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氮素添加會(huì)使植物地下生物量降低。因?yàn)橹参锏叵虏糠值纳L(zhǎng)與土壤的理化性質(zhì)有關(guān)，氮素添加使土壤中營(yíng)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(duì)土壤全氮含量的影響

土壤全氮含量分布對(duì)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(yàn)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?jǐn)?shù)大于15～30 cm層。這就說(shuō)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(duì)土壤全氮含量有影響外，土壤全氮含量還會(huì)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(duì)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(lái)源于土壤。這與Melanie Kriszan等[36]在溫帶草原中對(duì)植物及土壤15N自然豐度的長(zhǎng)期變化過(guò)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(lái)的，其中外源氮素輸入是維持土壤長(zhǎng)期肥力和生產(chǎn)力的重要機(jī)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?yàn)楦的軓耐寥乐蝎@取養(yǎng)分和水分，從而供給植物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)分[38]。

在一個(gè)生長(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)季使用，它將成為土壤中相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)氮部分，并在一定程度上補(bǔ)充土壤氮庫(kù)[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(guò)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(shí)發(fā)現(xiàn)，大于50%的氮素通過(guò)徑流的方式而損失[42]。在本試驗(yàn)中損失的氮素為15.05%～77.66%，施入的Ca(15NO3)2時(shí)損失率最高。由于土壤顆粒對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸附性是不同的，它們?cè)谕寥乐械牧苁怯胁町惖模啾扔阡@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(duì)氮素的吸收和轉(zhuǎn)移能力的參數(shù)[44]。本試驗(yàn)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(shuō)明在高寒草甸中施入CO(15NH2)2時(shí)，氮素利用率最高。這與Stevens等[45]測(cè)定黑麥草(LoliumperenneL)對(duì)15N標(biāo)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(shí)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。