添加氮素對(duì)退化高寒草地植被及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

王玉琴， 宋梅玲， 王宏生， 尹亞麗， 馬玉壽

(省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧810016)

高寒草地是分布最廣的植物生態(tài)系統(tǒng)，草地面積約為0.7億hm2，占青藏高原整體草地面積的49%[1]。目前，由于人為因素(如：過度放牧)和自然因素(如：全球氣候變化)的共同影響，90%高寒草地有不同程度的退化，局部地區(qū)退化尤堪[2]，以至于草地植被結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不僅是生物多樣性逐年下降，生產(chǎn)力也同步降低。合理、平衡施肥是保護(hù)草地資源、維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡、恢復(fù)退化草地的重要措施之一[3]。在草地管理中，施肥一方面能補(bǔ)充土壤損失的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加速植物生長(zhǎng)，提高草地初級(jí)生產(chǎn)力，改善牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[4-6]；另一方面如果肥量充足以及周圍環(huán)境適宜，施肥能增加優(yōu)良牧草在群落中的比例，增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)力，并縮短群落的演替階段，改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)可以提高草地土壤肥力[7-9]。但施肥對(duì)草地的影響可能存在一個(gè)響應(yīng)閾值，超過這個(gè)閾值就會(huì)出現(xiàn)物種減少，多樣性降低的現(xiàn)象[9-10]，因此，確定合理的施肥措施對(duì)維系草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展以及建立持續(xù)生產(chǎn)的施肥模式具有重要意義。

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，施氮肥能夠增加土壤中的有效氮，刺激植物的生長(zhǎng)，增加植物和土壤中有機(jī)碳的積累[11]。雖然青藏高原土壤中儲(chǔ)存著大量的氮素，但由于溫度的限制，氮素的礦化率較低，這在一定程度上影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。因此，眾多學(xué)者就施氮肥對(duì)退化草地群落的影響展開了大量研究，如曹文俠等[12]研究表明，施氮顯著增加各功能群的高度，增加了優(yōu)良牧草的群落生物量，并不同程度提高了禾本科、莎草科和雜類草的粗蛋白含量。曹豐豐等[13]研究顯示氮添加有助于提高禾本科和莎草科的生產(chǎn)力，進(jìn)而提高群落生產(chǎn)力，但其他科的植物會(huì)被逐漸替代，導(dǎo)致群落植物物種多樣性降低。祁瑜等[14]試驗(yàn)表明在溫帶草地上施氮可顯著促進(jìn)禾本科植物生物量的積累，并使其生物量分配格局發(fā)生顯著改變。李文嬌等[15]研究表明隨著施氮水平的增加，群落植物物種多樣性呈先增加后減小的“單峰”變化趨勢(shì)。因此，土壤氮素供應(yīng)水平直接制約著牧草的生產(chǎn)量，是草原生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)力高低的主要限制性生態(tài)因子，研究氮素添加可以在退化草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)方面起到一定的作用。同時(shí)，由于過多的氮輸入將使生態(tài)系統(tǒng)達(dá)到氮飽和狀態(tài)[16]，破壞草地生態(tài)系統(tǒng)原有的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)，輸入到草地生態(tài)系統(tǒng)中氮的最適宜量以及植物對(duì)氮素的利用情況并未形成統(tǒng)一結(jié)論[11-15]，因此，本研究采用不同施氮水平，研究了添加氮素對(duì)高寒退化草地群落物種多樣性，生產(chǎn)力及牧草品質(zhì)的影響，探討添加氮素對(duì)草地群落結(jié)構(gòu)、地上生物量以及牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響，確定適用于高寒退化草地植被恢復(fù)的最佳施肥量，以期為退化高寒草地的恢復(fù)管理提供理論數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于青海省海北藏族自治州海晏縣青海湖鄉(xiāng)達(dá)玉德吉村(37°4′1″N，100°52′48″E)，海拔3 240 m左右，屬高原大陸性氣候，春季干旱多風(fēng)，夏季涼爽短促，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年均氣溫0.20～3.4℃。年均降水量277.8～499.5 mm。年均日照2 580～2 750 h，年蒸發(fā)量為1 400 mm左右，降水多集中在5—9月份，無絕對(duì)無霜期。草地類型以草甸化草原為主，以線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披堿草(Elymusnutans)為主要建群種，伴生種為高原早熟禾(Poaalpigena)、狼毒(Stellerachamaejasme)、中華羊茅(Festucasinensis)、萹蓿豆(Melilotoidesruthenica)等，土壤以高山草甸土為主。

1.2 樣地設(shè)置及植被調(diào)查

2016年6月在海晏縣青海湖鄉(xiāng)達(dá)玉德吉村的天然退化草場(chǎng)上，采用網(wǎng)圍欄建立平行全年禁牧試驗(yàn)區(qū)4個(gè)，面積均為80 m×80 m，并在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選取植被分布較為均勻、地勢(shì)較為平坦的區(qū)域，設(shè)置20 m×7 m的小區(qū)進(jìn)行施肥(尿素含N量為46%)試驗(yàn)，每小區(qū)間間隔3 m，各小區(qū)用木樁標(biāo)記四角，每個(gè)小區(qū)重復(fù)3次。依據(jù)該區(qū)域相同類型草地的施肥量以及前人的研究[17-18]，施肥量(純N)設(shè)為0，10，20，30，40 kg·hm-25個(gè)梯度，分別記為N0，N1，N2，N3，N4。氮素于2016年6月中下旬一次性施入，并分別于2017，2018年8月，在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)樣方(0.5 m×0.5 m)，統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物種類，分種測(cè)定植物高度、蓋度，并分種收獲樣方內(nèi)出現(xiàn)的牧草在烘箱中105℃殺青30 min，再在65℃下烘干24 h，稱量各物種的地上生物量[19]。

根據(jù)下列公式對(duì)各處理進(jìn)行物種多樣性分析。

物種重要值(Ni)=(相對(duì)高度+相對(duì)蓋度+相對(duì)生物量)/3

(1)

(2)

(3)

(4)

物種豐富度指數(shù)(S)=物種數(shù)；

式中，S為樣地樣方的平均物種數(shù)；B為群落的總物種數(shù)；Pi=Ni/N，Pi代表物種i的相對(duì)重要值，N代表樣方各物種重要值總和，Ni代表樣方內(nèi)第i物種的重要值[19]。

1.3 牧草品質(zhì)測(cè)定

在每個(gè)處理小區(qū)內(nèi)選取植物分布較均勻一致的地方，將植物齊地刈割取混合草樣1 500 g帶回實(shí)驗(yàn)室，并置于陰涼處風(fēng)干，將風(fēng)干植物樣品粉碎后進(jìn)行粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維等的測(cè)定。其中，粗蛋白含量采用凱氏定氮法、粗脂肪使用索氏乙醚浸提法、粗灰分含量的測(cè)定采用直接灼燒法、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維采用酸堿消煮法進(jìn)行測(cè)定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

運(yùn)用SPSS 22.0軟件對(duì)同一年份不同處理間的地上生物量、多樣性指數(shù)及植物養(yǎng)分含量進(jìn)行了單因素方差分析以及對(duì)相同處理不同年份間的地上生物量、多樣性指數(shù)及植物養(yǎng)分含量進(jìn)行了獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，不同年份下添加氮素對(duì)草地多樣性，地上生物量以及植物養(yǎng)分含量等的影響采用重復(fù)度量方差分析方法進(jìn)行檢驗(yàn)，顯著性區(qū)間定義為95%水平。同時(shí)通過因子分析確定參評(píng)牧草生物量及營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)主成分特征值和特征向量，根據(jù)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率，選擇關(guān)鍵主成分，計(jì)算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各施氮水平牧草生物量及營(yíng)養(yǎng)綜合分值，進(jìn)行主成分分析。繪圖采用Sigma Plot 12.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加氮素對(duì)草地群落及生產(chǎn)力的影響

不同施氮水平對(duì)草地群落總物種數(shù)的影響如圖1所示，2018年各施肥水平的總物種數(shù)比2017年均有所降低，在2017年和2018年物種數(shù)最高的均為N0，分別為41種和33種，其次分別為N4(40種)和N2(32種)。

圖1 不同施氮水平總物種數(shù)的變化

不同施氮水平對(duì)草地群落的香農(nóng)威納指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種豐富度指數(shù)也產(chǎn)生不同程度的影響，各施肥水平的香農(nóng)威納指數(shù)、均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)以及優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在2017年均高于2018年(圖2)。2017年香農(nóng)威納指數(shù)在各施肥水平變化不明顯，2018年香農(nóng)威納指數(shù)大小變化為N1>N4>N0>N2>N3，各施肥水平的香農(nóng)威納指數(shù)均為2017年顯著高于2018年(P<0.05)。2017年的均勻度變化為N3最高，顯著高于N4，2018年的均勻度指數(shù)變化規(guī)律與優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化相同，也是N4顯著高于N3(P<0.05)，但與N0，N1，N2差異不顯著。物種豐富度指數(shù)在2017年表現(xiàn)為N4>N0>N2>N1>N3，且N4顯著高于N3，2018年大小為N1>N0>N4>N2>N3，但各施肥水平間差異不顯著。優(yōu)勢(shì)度指數(shù)2017年最高的是N1，其次為N3，而2018年最高的為N4，且N4顯著高于N3(P<0.05)。年份對(duì)草地多樣性產(chǎn)生了顯著影響(P<0.001)，而施氮水平對(duì)草地多樣性影響不顯著，且年份和施氮水平二者之間無顯著交互作用(表1)。

表1 不同施氮水平在不同年份對(duì)草地多樣性的重復(fù)度量方差分析結(jié)果

圖2 不同施氮水平下植物群落物種多樣性指數(shù)

不同施氮水平下牧草地上生物量變化如圖3所示。對(duì)于總地上生物量來說，2017年的大小依次為N3>N4>N1>N2>N0，且N3和N4水平顯著高N0(P<0.05)；2018年的大小依次為N4>N3>N1>N2>N0，但各施氮水平差異不顯著。施氮水平不同，各功能群的地上生物量也有所差異。2017年各功能群的地上生物量最高的施氮水平分別為禾本科為N4，莎草科為N3，豆科為N1，雜類草為N3。2018年各功能群地上生物量最高的施氮水平禾本科為N3，莎草科為N1，豆科為N1，且N1顯著高于N3(P<0.05)，雜類草為N2，各水平間差異均不顯著。另外，同一施氮水平2年間各功能群地上生物量在各水平上差異都不顯著。年份對(duì)雜類草生物量的影響顯著(P<0.05)，施氮水平對(duì)總生物量以及豆科生物量影響顯著(P<0.05)，但二者之間沒有顯著的交互作用(表2)。

圖3 不同施氮水平對(duì)草地群落地上生物量的影響

表2 不同施氮水平在不同年份對(duì)地上生物量的重復(fù)度量方差分析結(jié)果

2.2 添加氮素對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

各施氮水平牧草營(yíng)養(yǎng)成分分析結(jié)果表明(圖4)，2017年和2018年各施氮水平間牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分以及酸性洗滌纖維含量均沒有顯著差異，2018年牧草粗蛋白、粗脂肪以及中性洗滌纖維含量比2017年增加，而粗灰分和酸性洗滌纖維含量比2017年降低。中性洗滌纖維含量在2018年表現(xiàn)為N0>N1>N4>N3>N2，且N0，N1和N2之間差異均顯著(P<0.05)。2017年N1水平的粗灰分和N0，N3，N4的酸性洗滌纖維含量顯著高于2018年(P<0.05)。2018年N1，N2，N4處理中牧草粗蛋白含量，各施氮水平的粗脂肪含量以及N0，N4的中性洗滌纖維含量顯著高于2017年處理(P<0.05)。施氮水平對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)成分沒有顯著影響，施氮年份對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)成分產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)，但是施氮水平與施氮年份對(duì)于牧草各營(yíng)養(yǎng)成分均未產(chǎn)生明顯的交互作用(表3)。

圖4 不同施氮水平下牧草營(yíng)養(yǎng)成分分析

表3 不同施氮水平在不同年份對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)成分的重復(fù)度量方差分析結(jié)果

將總生物量換算為每平方米牧草所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量得到(圖5)，各施氮水平在2018年的粗蛋白和粗脂肪含量均比2017年顯著增加，而牧草的粗灰分含量在N0，N2，N3水平顯著降低，酸性洗滌纖維含量在N2，N3水平顯著降低(P<0.05)。2017年牧草酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量在各水平間變化一致，均為施氮顯著高于不施氮。2018年各施肥水平牧草粗蛋白含量變化明顯，隨著氮素水平的增高，粗蛋白含量呈增加趨勢(shì)，且N4，N3水平的粗蛋白含量顯著高于N0，N1水平(P<0.05)，且相對(duì)于N0水平，N4，N3，N2和N1水平粗蛋白含量分別提高了41.55%，24.09%，19.76%以及17.39%，牧草蛋白增加顯著。

圖5 不同施氮水平下牧草營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的變化

2.3 草地生產(chǎn)力與牧草營(yíng)養(yǎng)的主成分分析

由表4可知，提取2個(gè)主成分，粗蛋白、總地上生物量，粗灰分在第1主成分上具有較高載荷，說明第一主成分基本反映了這3個(gè)指標(biāo)信息；粗脂肪在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分反應(yīng)了粗脂肪的信息。通過計(jì)算主成分綜合模型，并按F值大小對(duì)各施肥措施進(jìn)行排序(表5)得到，第1主成分上的得分最高的是N4，其次為N3，在第2主成分上得分最高的是N0，其次為N4，在綜合評(píng)分排列順序?yàn)镹4>N3>N2>N1>N0。

表4 不同施氮水平下牧草營(yíng)養(yǎng)的主成分載荷矩陣及特征向量

表5 不同施氮水平的主成分綜合得分及其排序

3 討論

草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和草地生產(chǎn)力的維持在很大程度上依賴于草地植物群落的物種多樣性，而施肥在一定程度上影響了群落構(gòu)建的變化[21]，同時(shí)，不同植物對(duì)不同肥料的吸收轉(zhuǎn)化不同，使得群落特性發(fā)生不同的變化[22]。本研究中不同施氮水平下，隨著年份的增加，草地群落物種數(shù)以及草地群落多樣性指數(shù)均有所降低，但各施氮水平間差異不明顯。同時(shí)，隨著施氮量的增加，草地的群落多樣性指數(shù)均呈先增加后降低的趨勢(shì)，且在施肥量較低時(shí)，多樣性指數(shù)相對(duì)較高，這與持續(xù)增加土壤肥力或增加有效營(yíng)養(yǎng)會(huì)降低植物群落的多樣性研究[23-24]結(jié)果一致。景美玲等[17]添加尿素后連續(xù)兩年觀測(cè)，草地群落的物種豐富度、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)均會(huì)有所降低，特別是在第二年添加300 kg·hm-2以上的尿素時(shí)對(duì)物種的豐富度和多樣性指數(shù)均有顯著降低作用。陳亞明等[25]研究也發(fā)現(xiàn)隨著施肥梯度的增加，草地物種多樣性、物種豐富度和相關(guān)指數(shù)均表現(xiàn)為顯著降低。這可能是施肥導(dǎo)致植物地下競(jìng)爭(zhēng)增強(qiáng)，并且消除了資源的限制，優(yōu)勢(shì)牧草在資源競(jìng)爭(zhēng)中取得了優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了大量的空間和可利用資源，增強(qiáng)了其地上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是光競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，抑制了其他牧草對(duì)空間和資源的利用，限制其增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致物種減少，隨之物種的豐富度有所降低，物種數(shù)也有所降低，多樣性指數(shù)也隨之下降。

植物生物量不僅是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，也是群落結(jié)構(gòu)和功能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[26]，也可以反映退化草地的恢復(fù)效果[27-28]。在本研究中2年的數(shù)據(jù)均為施氮后草地總地上生物量、禾本科和莎草科地上生物量比不施氮的草地高，說明施氮肥對(duì)提高草地生產(chǎn)力有一定的作用。同時(shí)，隨著施肥量的增加，草地群落地上總生物量、禾本科和莎草科地上生物量也逐漸增加，且在30～40 kg·hm-2范圍內(nèi)差異不顯著，豆科和雜類草生物量表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，以及狼毒生物量表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，這說明氮素添加在一定范圍內(nèi)可以提高草地生產(chǎn)力。Gough等[29]和Wang等[9]的研究表明草地施肥在提高草地生產(chǎn)力的同時(shí)，也會(huì)減少植物群落物種數(shù)量，降低物種多樣性，這也可以解釋在2018年各施氮水平的總地上生物量及各功能群地上生物量均較2017年有相應(yīng)程度的降低的原因。另外，Bowman等[30]和宗寧等[31]的研究發(fā)現(xiàn)單純施氮肥未顯著改變?nèi)郝渖w度、物種多樣性和植物生產(chǎn)力，這可能是由于樣地選擇和群落結(jié)構(gòu)差異所致。

草地施肥通過增加土壤表層的土壤肥力，改善草地群落結(jié)構(gòu)，恢復(fù)草地生產(chǎn)力，還改善草地植物的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[32]。營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的高低是評(píng)價(jià)牧草是否優(yōu)良的重要指標(biāo)[33]，粗蛋白含量是評(píng)價(jià)牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)，其含量高則表明牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較高，而纖維含量，尤其是酸性洗滌纖維含量較高，表明牧草可消化養(yǎng)分低，品質(zhì)下降[34-35]。本研究中對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行分析得到2018年各施氮水平的牧草的粗蛋白和粗脂肪含量也較2017年明顯增加，而粗灰分及纖維含量較2017年降低，說明施氮肥有利于提高牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。將牧草營(yíng)養(yǎng)成分經(jīng)過換算之后得到單位面積的牧草粗蛋白含量在N4水平最高，其次是N3水平，其余指標(biāo)差異不顯著。通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析以及結(jié)合草地群落多樣性和草地生產(chǎn)力，草地群落多樣性隨著施氮水平的增高均呈先降低后增加的趨勢(shì)，且在N4水平有所回升，而草地總生物量、禾本科及莎草科生物量在N3水平就有所回升，且N3和N4差異不顯著，因此將該高寒退化草地的施肥量初步定為30 ～40 kg·hm-2。另外，有研究分析認(rèn)為高寒草地群落結(jié)構(gòu)可能是受土壤中氮磷含量的共同控制，而不僅僅是氮素的缺乏[26,30]，因此，對(duì)于除氮肥之外的其他肥料是否在高寒退化草地恢復(fù)過程中起一定作用有待進(jìn)一步研究。

同時(shí)，在本研究中添加氮素是在圍欄封育的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而圍欄封育作為退化草地生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的主要措施，在群落物種多樣性[36]、土壤養(yǎng)分循環(huán)[37-38]、植物生產(chǎn)力[31,39]等方面均對(duì)草地群落產(chǎn)生重要影響，但圍封只是在一定時(shí)期內(nèi)可改善退化高寒草地的植物群落結(jié)構(gòu)促進(jìn)其恢復(fù)演替[40]，隨著圍封年限增加，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間圍封可導(dǎo)致草地植物多樣性和生產(chǎn)力下降，不利于牧草的正常生長(zhǎng)發(fā)育反而會(huì)抑制植物的再生和幼苗的形成，也不利于草地的繁殖更新[41-42]。在本研究中，第3年各處理的物種數(shù)、草地群落多樣性以及地上生物量與第2年相比下降明顯，這可能是由于圍封時(shí)間較長(zhǎng)，降低了植物多樣性和草地生產(chǎn)力，因此，對(duì)于本研究中的退化草地在圍封2～3年后就應(yīng)該對(duì)草地進(jìn)行適度利用，這樣才能保證草地的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

添加氮素可以提高草地生產(chǎn)力，但隨著施氮水平的增加，草地群落多樣性有所降低，氮素的添加顯著提高了牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。在圍欄封育的2～3年的基礎(chǔ)上，可以考慮30～40 kg·hm-2氮素施用量作為高寒退化草地的恢復(fù)的合適施肥劑量。