施磷肥對高寒草甸草原牧草的增產(chǎn)效應(yīng)研究

馬隆喜，辛小云，孫志英，年 林，索南扎西，姜哲浩

(1.夏河縣草原工作站，甘肅 夏河 749100； 2.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)

夏河縣地處青藏高原東北邊緣與黃土高原的交匯地帶，位于甘肅省西南部，甘南藏族自治州西北部[1]。土地總面積6 273.88 km2，其中，天然草原面積5 025.60 km2，占全縣土地總面積的80.1%[2]。全年冷季長，暖季短，牧草生長期只有5個月，枯草期長達7個月，是典型的草甸向草原過渡地帶，境內(nèi)草地類型復(fù)雜多樣，牧草種類繁多，植物資源豐富[3-4]。高寒草甸草原是全縣的主要草地類型[5-6]。草原鮮草產(chǎn)量為24.7 kg/hm2，草地畜牧業(yè)是全縣國民經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)和特色產(chǎn)業(yè)。研究表明，施肥是一種維持草原生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡的重要管理方式[7]，是補充土壤損失的養(yǎng)分、恢復(fù)退化草地肥力[8]、提高草地生產(chǎn)力的有效途徑[9]。但草地施肥也不是越多越好，盲目過多施用，既浪費肥料又增加成本、降低產(chǎn)量、減少收益。磷是植物必需的大量元素之一，不僅是植物體內(nèi)許多重要化合物的組成成分，而且以多種途徑參與植物體內(nèi)的代謝過程，從而影響植物的生長發(fā)育，因此，科學(xué)、合理的施磷肥具有重要的意義[10-11]。高寒草甸草原施肥試驗較多，但施磷肥的研究較少，尤其缺乏具體的施肥量試驗。以過磷酸鈣為供試肥料，根據(jù)不同產(chǎn)量目標(biāo)并結(jié)合多年來的生產(chǎn)經(jīng)驗[12]，設(shè)計5個不同的施肥水平，以不施肥(空白)作對照，探討了不同施肥水平對牧草生長和產(chǎn)量的影響，為牧草生產(chǎn)的合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區(qū)位于甘南藏族自治州夏河縣?？凄l(xiāng)?？拼澹乩碜鴺?biāo)E 101°54′～103°25′、N 34°32′～35°34′，天然草原，海拔3 100 m，年均降水量500 mm，年均氣溫1.6℃。氣候寒冷濕潤，晝夜溫差大，雨熱同季，垂直差異顯著，降水集中在牧草生長旺盛的7～9月。無絕對無霜期，植物生長季節(jié)120～140 d，試驗區(qū)草原類型為高寒草甸草原，主要植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)，棘豆(Oxytropisspp.)，柴胡(Bupleurumspp.)，大籽蒿(Artemisiasieversiana)，扁蓿豆(Melissitusruthenicus)，冷蒿(Artemisiafrigida)，翠雀(Delphiniumspp.)，銀蓮花(Anemonesilvestris)，野胡蘿卜(Daucuscarota)，早熟禾(Poaspp.)，多裂委陵菜(Potentillamultifida)，灰苞蒿(Artemisiaroxburghiana)，土壤為高山草甸土，土層厚0.6～1.2 m。

1.2 供試肥料

供試肥料為粒狀過磷酸鈣(水溶性磷≥70%，有效P2O5≥16%，生產(chǎn)廠家為湖北吉順磷化有限公司)。

1.3 試驗設(shè)計及田間管理

2015年7月27日施肥，肥料一次性施入，采用撒播的施肥方式，施肥后監(jiān)測時間為2015年9月17日。

施磷肥(過磷酸鈣)的每個試驗區(qū)面積1 hm2，設(shè)5個施肥水平，由低至高分別為90，120，150，180，210 kg/hm2，以不施任何肥料(0 kg/hm2)作空白對照(CK)。共6個處理，每個處理3次重復(fù)，共18個小區(qū)，隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)四周設(shè)有保護行，保護行寬度為1 m。

1.4 測定指標(biāo)及方法

在施肥前與施肥后分別測量供試區(qū)的草地優(yōu)勢層高度、植物群落蓋度以及草地生物量，測算施肥草地牧草增長率。

高度 在樣方內(nèi)用直尺和鋼卷尺測量優(yōu)勢植物的營養(yǎng)枝或葉片的自然高度和伸展高度，每種植物隨機測定10株，以平均高度作為該種植物的自然高度。

蓋度 采用針刺法[11]測量。

地上生物量在每個處理隨機選取3個1 m×1 m 樣方齊地面刈割，直接稱量鮮重。如果早上露水過多則將鮮草晾曬后再稱量。

產(chǎn)量增長率=(施肥后產(chǎn)量-施肥前產(chǎn)量)/施肥前產(chǎn)量×100%

1.5 經(jīng)濟類群的劃分

根據(jù)草原利用目的，將研究區(qū)高寒草甸植物劃分為禾本科、豆科、莎草科、雜類草和毒草5個經(jīng)濟類群[13]。

1.6 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016整理數(shù)據(jù)，用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件進行試驗數(shù)據(jù)的單因素方差分析，差異顯著性用Duncan法進行多重比較，最后用Excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥水平對草地高度和蓋度的影響

2.1.1 高度 不同處理下植物群落高度均有一定程度的增加，但增長幅度的差異較大，隨著施肥量的增加，呈先上升后下降趨勢，施肥量為180 kg/hm2時增長幅度最大，達到18 cm(圖1)。

圖1 不同施肥水平下植物群落的高度Fig.1 Height of plant community under different fertilization levels

2.1.2 蓋度 植物群落蓋度是反映草地生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[14]，是植物在水平方向的分布，體現(xiàn)了該種植物在水平方向上占據(jù)空間的能力，占據(jù)空間能力越強的植物，接收光電子、固定二氧化碳的同化能力越強。主要層中植物種類蓋度的大小決定了群落中植物微環(huán)境形成的特點，對其他層植物群落類型的形成影響較大[15]。植物群落蓋度在不同處理下的增長幅度差異較大，隨著施肥量的增加，呈上升趨勢，施肥量為210 kg/hm2時增長幅度最大，達到5%(圖2)。

圖2 不同施肥水平下植物群落的蓋度Fig.2 Coverage of plant community under different fertilization levels

2.2 不同施肥水平對草產(chǎn)量的影響

草產(chǎn)量受施肥量的影響較大，試驗區(qū)合計鮮草產(chǎn)量增幅在611.55～2 788.8 kg/hm2，施肥量為180 kg/hm2時增加最多，最少的是CK。就可食牧草而言，牧草增幅在679.05～2 679.75 kg/hm2，施肥量為150 kg/hm2時增加最多，最少的是CK。就不同經(jīng)濟類群而言，施肥后禾本科牧草產(chǎn)量增幅在374.25～1 815.15 kg/hm2，施肥量150 kg/hm2增幅最大，施肥量120 kg/hm2增幅最小；當(dāng)施肥量為180 kg/hm2時豆科牧草產(chǎn)量增幅最大，為1 080.9 kg/hm2，CK牧草產(chǎn)量呈負增長，相比施肥前減少了148.5 kg/hm2；莎草科牧草產(chǎn)量增幅在1.35～173.4 kg/hm2，施肥量為150 kg/hm2時增幅最大，CK增幅最小；當(dāng)施肥量為120 kg/hm2時雜類草產(chǎn)量增幅最大，為772.8 kg/hm2，CK牧草產(chǎn)量呈負增長，相比施肥前減少了426.6 kg/hm2；當(dāng)施肥量為120 kg/hm2時毒草產(chǎn)量增幅最大，為491.55 kg/hm2，施肥量為90 kg/hm2時牧草產(chǎn)量呈負增長，相比施肥前減少了280.5 kg/hm2(圖3)。

圖3 不同施肥水平下牧草的產(chǎn)量Fig.3 Forage yield under different fertilization levels

2.3 不同施肥水平對草產(chǎn)量增長率的影響

不同施肥水平下牧草總體產(chǎn)量差異不顯著，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率最高，為96%，CK的增長率最低，為19%。但不同施肥水平下各經(jīng)濟類群的草產(chǎn)量增長率差異明顯。禾本科草產(chǎn)量增長率在20%～158%，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率顯著高于施肥量為120和210 kg/hm2(P<0.05)，施肥量為120 kg/hm2時增長率最低；當(dāng)施肥量為180 kg/hm2時豆科草產(chǎn)量增長率最高(1030%)，CK最低，各施肥量之間差異不顯著(P>0.05)；莎草科產(chǎn)量增長率在0～433%，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率最高，與90，120和180 kg/hm2和CK差異顯著(P<0.05)，CK增長率最低；當(dāng)施肥量為120 kg/hm2時雜類草產(chǎn)量增長率最高(111%)，施肥量為90 kg/hm2時最低，各區(qū)之間差異不顯著(P>0.05)；當(dāng)施肥量為120 kg/hm2時毒草產(chǎn)量增長率最高(340%)，與90、150 kg/hm2和CK差異顯著(P<0.05)，施肥量為90 kg/hm2時最低(表1)。

表1 不同施肥水平各經(jīng)濟類群牧草產(chǎn)量增長率Table 1 The increase rate of forage yield of each economic group under different fertilization levels %

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 不同施肥水平施肥模型構(gòu)建

基于不同施肥水平下的合計牧草增長率建立施肥模型，得出：

二次多項式函數(shù)施肥模型：y=-15.214x2+91.786x-51.6，R2= 0.874 4；

三次多項式函數(shù)施肥模型：y=-4.583 3x3+26.036x2-16.381x+25.4，R2=0.955 9(x=0,1,2,3,4,5…)

二次多項式函數(shù)施肥模型決定系數(shù)R2為0.874 4，三次多項式函數(shù)施肥模型決定系數(shù)R2為0.955 9，說明三次多項式函數(shù)施肥模型擬合性更好，即三次多項式函數(shù)模型更適于本試驗磷肥施肥量推薦。當(dāng)x=3.44，即施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率最高，為90.57%(圖4)。

圖4 基于增長率的施肥模型構(gòu)建Fig.4 Fertilization model based on increase rate

2.5 不同施肥水平經(jīng)濟效益分析

不同施肥水平對高寒草甸草原牧草的生長能力的提升程度不同，在一定的經(jīng)濟范圍內(nèi)，最大限度的提高牧草產(chǎn)量，降低經(jīng)濟成本，是有效施肥的最終目的。因此，分析探索最優(yōu)的施肥量能達到經(jīng)濟產(chǎn)量雙豐收。

設(shè)定過磷酸鈣價格為1元/kg，忽略田間種、管、收及人工費，單純計算不同施肥水平下牧草的增產(chǎn)量及經(jīng)濟效益(表2)。結(jié)果表明，根據(jù)三次多項式函數(shù)模型，不同施肥水平下，施肥量為153.6 kg/hm2時經(jīng)濟效益最高，每元磷肥可達到的牧草增長率為0.411%，施肥量為210 kg/hm2時經(jīng)濟效益呈負值。

表2 基于三次多項式函數(shù)模型的不同施肥 水平經(jīng)濟效益分析Table 2 Economic benefit analysis under different fertilization levels based on cubic polynomial model

3 討論

對作物和土壤施過磷酸鈣有助于產(chǎn)量的提高，這與前人的研究結(jié)果一致[16-17]。通過施磷肥對牧草高度，蓋度和產(chǎn)草量的影響可以看出，各個施肥水平均有助于提升牧草產(chǎn)量，但對植物群落高度和蓋度的提升效果不顯著，與景美玲等[18]研究結(jié)果不一致。就植物群落高度而言，僅施肥量為180 kg/hm2時(29 cm)增幅超過對照區(qū)，其余各處理增幅均低于對照區(qū)；植物群落蓋度各施肥水平增幅均小于對照區(qū)；各處理牧草產(chǎn)量增幅均高于對照區(qū)，說明施過磷酸鈣對牧草產(chǎn)量有顯著的增加效果，但是對不同經(jīng)濟類群的提升效果差異明顯。試驗中各施肥水平均在合理的范圍內(nèi)，這與陳亞明等，德科加等[19-20]研究結(jié)果一致。過磷酸鈣促進了禾本科牧草的生長，從而導(dǎo)致其生物量的大幅度增加，提升最為顯著，施肥量為150 kg/hm2時禾本科增幅達到1 815.15 kg/hm2；對莎草科產(chǎn)量的提升效果不明顯，最高增幅僅為173.4 kg/hm2；對豆科牧草產(chǎn)量的提升幅度差異明顯，隨著施肥量的逐漸增加，豆科牧草產(chǎn)量不斷增長，但當(dāng)施肥量達到210 kg/hm2時，豆科牧草產(chǎn)量大幅度下降，與施肥前相比僅增加52.05 kg/hm2，表明在一定范圍內(nèi)大量施磷肥對豆科牧草產(chǎn)量的提升有很好的效果[21-22]。

通過對不同施肥水平施肥模型的構(gòu)建，發(fā)現(xiàn)二次多項式函數(shù)模型和三次多項式函數(shù)模型均能反映不同施肥水平高寒草甸草原牧草增長率的變化趨勢，但三次多項式函數(shù)模型擬合度更高。國內(nèi)肥料效應(yīng)模型多為二次多項式函數(shù)模型(82%)，少數(shù)為平方根模型，與本研究結(jié)果不一致[2-3]。這可能與施肥水平設(shè)置和肥料種類單一有關(guān)?；谌味囗検胶瘮?shù)模型，對不同施肥量的經(jīng)濟效益進行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)施肥量在90～153.6 kg/hm2時，凈增長率效益不斷提高，最高可提高0.411%/元，而施肥量超過153.6 kg/hm2時，凈增長率效益不斷下降，說明高寒草甸草原對過磷酸鈣施肥量有一定的耐受限度。當(dāng)施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率為最高，施肥量為153.6 kg/hm2時合計牧草凈增長率效益最高，與試驗150 kg/hm2施肥量的增長率和凈增長率效益有差異，因此，仍需細化施肥水平設(shè)置，探索獲得最優(yōu)牧草增長率及最大經(jīng)濟效益的精準(zhǔn)施肥水平。

4 結(jié)論

不同過磷酸鈣施肥量對高寒草甸草原的牧草產(chǎn)量有不同的提升效果，合計牧草產(chǎn)量增長率在19%～96%；對不同經(jīng)濟類群的提升效果有差異，其中對豆科牧草提升效果最明顯，對雜類草的提升效果較差。對不同施肥水平下的合計牧草增長率建立施肥模型，發(fā)現(xiàn)三次多項式函數(shù)模型能更好的擬合實際施磷肥后牧草增長率的變化趨勢。根據(jù)模型，當(dāng)施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率最高，當(dāng)施肥量為153.6 kg/hm2時合計牧草凈增長率效益最高。因此，可根據(jù)對經(jīng)濟效益或牧草產(chǎn)量的不同需求，選擇適宜的施肥量。