氮添加對東祁連山高寒草甸土壤養(yǎng)分及地上生產(chǎn)力的影響

張玉琪，吳玉鑫，周會成，姜哲浩，張德罡，陳建綱

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

祁連山位于三大高原交匯處，地理位置極其重要，但其氣候獨特，生態(tài)環(huán)境脆弱［1］。高寒草甸是該地區(qū)的主要草原類型，是在高原和高寒條件下發(fā)育形成的草地生態(tài)系統(tǒng)。該生態(tài)系統(tǒng)中的有機(jī)質(zhì)分解比較緩慢，氮素普遍比較少［2］，所以氮是影響該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和植物生長的重要因素［3］，對該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重要的影響。

由于全球氣候變化和長期過度放牧，該地區(qū)高寒草甸退化日益嚴(yán)重［1］，草地生態(tài)系統(tǒng)的平衡被破壞，草地營養(yǎng)輸出大于輸入，導(dǎo)致土壤肥力水平降低、養(yǎng)分平衡失調(diào)，嚴(yán)重影響植物生長發(fā)育，從而危及到草地生態(tài)系統(tǒng)［4-6］。而施氮肥可直接供給牧草營養(yǎng)需要，大幅度提高牧草產(chǎn)量，對土壤退化恢復(fù)有積極的作用，并且可恢復(fù)草地生態(tài)功能［7-8］。草地施氮對生態(tài)系統(tǒng)功能具有深遠(yuǎn)的影響［9］，合理施用氮肥會提高生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，增加土壤有效氮含量［10］，并且有利于肥料利用效率的提高，保持和增強(qiáng)土壤長期肥力和活性［11］，還可以促進(jìn)退化草地恢復(fù)［12］。但過量施用氮肥會降低肥料利用率，并使殘留氮素向下遷移，污染地下水，造成環(huán)境污染［13］。所以要合理施肥提高氮肥利用率，保持土壤肥力，維持土壤氮素平衡，并且減少土壤中的氮肥盈余，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。

本研究探討了在祁連山東段的退化高寒草甸施用不同梯度氮素后土壤養(yǎng)分和地上生產(chǎn)力的變化，以期為天然草甸草原合理施肥和退化草地恢復(fù)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于祁連山東段金強(qiáng)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)（E 102°47'7"，N 37°11'51"），海拔2 920 m左右，氣候寒冷，晝夜溫差較大，日照強(qiáng)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，占全年降水量的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。優(yōu)勢種植物有：垂穗披堿草（Elymus nutans）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、扁蓿豆（Trigonellaruthenica）、球花蒿（Artemisia smithii）、賴草（Leymus secalinus）等。

1.2 樣地設(shè)置

本研究于2019年6月開展，采用隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計，選擇基本情況一致的中度退化高寒草甸草原［14］，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。結(jié)合前人的研究結(jié)果［15-17］，設(shè)置5個處理，分別施入0，10，20，30，40 g/m2的尿素（CO（NH2）2，氮含量為46%），分別記為N0（對照），N1，N2，N3，N4，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。

1.3 樣品采集和指標(biāo)測定

10月將小區(qū)內(nèi)的植物齊地刈割，帶回實驗室在120 ℃烘箱殺青15 min，然后在65 ℃烘箱烘48 h，烘至恒重后稱重，記為地上生產(chǎn)力。用土鉆取0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土層土壤，4個重復(fù)，自然風(fēng)干后一部分過1 mm篩用于測定速效養(yǎng)分含量，一部分過0.25 mm篩用于測定全量養(yǎng)分含量。有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮含量用半微量凱氏定氮法測定；全磷含量用鉬銻抗比色法測定；全鉀含量用火焰光度法測定；速效磷含量用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量用火焰光度法測定；硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量用流動注射法測定［18］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan法對不同施氮梯度下地上生物量土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效鉀、速效氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量進(jìn)行分析。用R語言（4.1.0）Performance Analytics包進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮梯度下地上生產(chǎn)力變化

隨著施氮水平的增加，地上生產(chǎn)力逐漸增加，在N4水平下達(dá)到最大值，為194 g/m2，在N0水平下生產(chǎn)力最小，為127 g/m2。地上生產(chǎn)力在N0和N1，N3和N4水平之間不存在顯著差異。雖然隨著施氮水平增加，地上生產(chǎn)力逐漸增加，但在N3水平之后，生產(chǎn)力并沒有持續(xù)顯著增加（圖1）。

圖1 不同施氮梯度下的地上生產(chǎn)力Fig.1 Aboveground productivity under different nitrogen gradients

2.2 不同施氮梯度下不同土層土壤養(yǎng)分變化

0～20 cm土層，全氮含量，有機(jī)質(zhì)含量隨著施氮水平增加有降低的趨勢，但不顯著。全磷含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N2水平下全磷含量最大。20～40 cm土層，全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N2水平下達(dá)到最大值。全磷含量隨施氮水平增加，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但在各個處理下沒有顯著差異。40～60 cm土層，全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量在N3和N4水平下有顯著降低的趨勢（P＜0.05）。60～80 cm土層，全氮和有機(jī)質(zhì)含量均在各個處理下無顯著差異。40～60，60～80 cm土層全磷沒有明顯的變化。且全氮，有機(jī)質(zhì)，全磷含量隨著土層深入逐漸降低。全鉀隨施氮水平升高，和土層深入均無明顯變化趨勢（表2）。

表2 不同土層土壤養(yǎng)分含量Table 2 Soil nutrient content in different soil layers

在0～20，20～40，40～60 cm土層，銨態(tài)氮含量隨施氮量增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N3水平下達(dá)到最大值，且隨土層加深，含量逐漸降低，除40～60和60～80 cm土層之間沒有顯著差異，其余土層間均有顯著差異（P＜0.05）。4個土層中，硝態(tài)氮的含量隨施氮量增加均呈現(xiàn)升高的趨勢，N0，N1，N2之間沒有顯著差異性，N3，N4與其它處理之間具有顯著差異性（P＜0.05），在N4水平下達(dá)到最大值，且硝態(tài)氮含量隨土層深入先降低后升高。施入氮肥后，在0～20 cm土層中速效鉀含量相比于N0，都明顯升高（P＜0.05）。在20～40，40～60，60～80 cm土層中無顯著差異。在各個土層中，速效磷含量整體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，整體來看，在N2水平下含量增加最多。速效鉀和速效磷含量整體上隨著土層加深，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

2.3 地上生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分與施肥之間的相關(guān)性

地上生產(chǎn)力與施氮量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）（圖2）。在0～20 cm土層，土壤全氮含量，速效磷含量與施氮量之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），土壤銨態(tài)氮，硝態(tài)氮含量與施氮量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），土壤有機(jī)質(zhì)與施氮量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。施氮量與全磷，全鉀，速效鉀含量之間無顯著相關(guān)性。在20～40 cm土層，僅銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量與施氮量之間存在顯著相關(guān)性（P＜0.05）。在40～60 cm土層，施氮量與全氮含量之間存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），與硝態(tài)氮含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。在60～80 cm土層，施氮量與土壤硝態(tài)氮含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與全鉀含量存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

圖2 不同土層生產(chǎn)力和土壤養(yǎng)分與施肥之間的相關(guān)性Fig.2 Correlation between fertilization and productivity of different soil layers and soil nutrients

3 討論

隨著施氮量增加，地上生產(chǎn)力呈現(xiàn)升高的趨勢，施氮量在10和40 g/m2下生產(chǎn)力增加并不顯著，施氮量在10 g/m2時地上生產(chǎn)力相比未施氮增加了8.96%；施氮量在20 g/m2時地上生產(chǎn)力相比10 g/m2增加了16.64%；施氮量在30 g/m2時地上生產(chǎn)力相比20 g/m2增加了14.23%；施氮量在40 g/m2時生產(chǎn)力仍在增加，相比30 g/m2增加了4.87%，由此可見施氮量在40 g/m2時增產(chǎn)效率大大降低，所以推測過低和過高的施氮量均不利于生產(chǎn)力增加，這與Baer等的結(jié)果相同［20］。馬玉壽等在小嵩草草地上施氮肥后發(fā)現(xiàn)具有明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，但施氮量在閾值后繼續(xù)增加，產(chǎn)量增幅緩慢甚至下降［21］。也有研究表明，地上生產(chǎn)力與施氮水平之間呈單峰曲線關(guān)系，曲線的完整變化包括效應(yīng)遞增、效應(yīng)遞減和負(fù)效應(yīng)三個階段，在負(fù)效應(yīng)階段，再增加施氮量，產(chǎn)草量不但不會增加，反而會下降［21］。

隨著施氮量增加土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)降低的趨勢，可能是因為草地施肥影響土壤微生物的活性，加快土壤有機(jī)氮的分解速度。而且牧草在肥料的作用下生長加快，消耗了土壤固有的無機(jī)氮和添加的氮素，導(dǎo)致土壤全氮含量在總體上表現(xiàn)為降低的趨勢［19］。這與鄭海霞［19］的研究結(jié)果相類似，與曹文俠，蘇潔瓊等結(jié)果相反［23-24］。張杰琦［25］，魏金明［26］的研究發(fā)現(xiàn)，施肥不能增加土壤全氮、全磷含量，但顯著增加了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，原因在于氮肥添加刺激了土壤微生物活性，加快了土壤有機(jī)氮的分解。本研究也得到了類似的結(jié)果，土壤全磷，全鉀含量與施氮水平間沒有顯著的相關(guān)性，但極顯著增加了土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮的含量。銨態(tài)氮隨土層加深，含量逐漸降低，在同一土層中，施氮量超過30 g/m2后，銨態(tài)氮稍有降低的趨勢。硝態(tài)氮含量隨土層加深呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。李楠等在吉林羊草草原施氮后發(fā)現(xiàn)土壤硝態(tài)氮和堿解氮含量隨施氮量的增加而增加［27］。劉碧榮在內(nèi)蒙古草地連續(xù)施肥的研究表明，施氮可以顯著提高土壤無機(jī)氮含量［28］。

本研究還發(fā)現(xiàn)土壤速效鉀的含量與施氮水平?jīng)]有顯著相關(guān)性，但施氮顯著增加了土壤速效磷的含量。這與卡著才讓在對青海高寒草甸研究中得出的結(jié)論不同［15］。但也有結(jié)果表明，尿素添加能顯著增加土壤速效磷素含量，從而顯著提高了植被群落地上生產(chǎn)力［29-30］。

4 結(jié)論

隨著施氮量增加，地上生產(chǎn)力呈現(xiàn)升高的趨勢，但過低和過高的施氮量不能顯著增加地上生產(chǎn)力。雖然施氮量在40 g/m2時增產(chǎn)效率大大降低，但此施氮水平在祁連山東段的退化高寒草甸地區(qū)并未達(dá)到閾值。隨著施氮量增加，在0～20 cm土層土壤全氮和有機(jī)質(zhì)含量降低。在0～20，20～40，40～60 cm土層，銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在N3水平下達(dá)到最大值，在4個土層中，硝態(tài)氮的含量均呈現(xiàn)升高的趨勢，在N4水平下達(dá)到最大值。在各個土層中，速效磷含量整體上呈現(xiàn)隨土層深度增加先升高后降低的趨勢，施氮量與土壤全磷，全鉀和速效鉀之間均沒有顯著相關(guān)性。