不同施肥水平對果洛高寒草甸草地的影響

孫金金，汪鵬斌，徐長林，賀有龍，汪海波，李亞娟，魚小軍

(1.甘肅農業大學 草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅省草業工程實驗室，甘肅 蘭州 730070； 2.青海省果洛州草原站，青海 大武 814000)

青海省果洛藏族自治州地處青藏高原腹地的巴顏喀拉山和阿尼瑪卿雪山之間，位于黃河源頭區，三江源區東南部，生態戰略地位特殊。草地是該區的主要植被類型，占土地總面積的71%，草地類型以溫性草原、高寒草甸、高寒草原為主，其中高寒草甸草地占全州可利用草地面積的91.2%[1-2]。高寒草甸草地不僅是青藏高原優良放牧草地，也是重要的綠色生態屏障。然而，由于長期超載過牧等不合理利用,導致該區草地嚴重退化，植被覆蓋度明顯下降，不僅破壞了當地藏民族賴以生息的草地畜牧業基礎，也對整個青藏高原及其下游地區經濟產生不利的影響[3]。退化草地的修復和治理顯得尤為重要。

施肥是改良退化草地、保護草地資源的有效措施之一，且能迅速提高草地生產力和改善草地群落組分，調節牧草營養物質的含量，從而達到改良退化草地的目的[4]。施肥對退化草地的改良效果好于灌水和補播，對草地進行合理施肥不僅能改善草地植被的物種組成,還能提高植被高度,從而增加生產力。目前，草地施肥在畜牧業發達的國家非常普遍，有關施肥對產量的影響報道也較多。國內外研究表明[5-7]，施肥對草地植物多樣性和生產力有影響，對草地恢復、提高草地生態系統穩定性具有積極作用，并且施肥措施在高寒草甸的改良與恢復中取得了一定效果[8-10]。在天然草地上，尤其是豆科牧草嚴重不足的高寒牧區，通過施氮來提高牧草蛋白質含量是解決牲畜蛋白質缺乏的重要措施[11-13]。高寒草地牧草生產主要受氮素限制，但長期單獨施加氮肥會造成土壤酸化和陽離子淋失[14-15]。有研究表明，位于半干旱半濕潤區的高寒草甸生產力受氮、磷的共同限制[16]。而且，氮施加過量還會加劇磷限制。因此，從養分平衡和草地管理的角度，對青海省果洛州高寒草甸采用不同氮磷配施處理，研究施肥后對高寒草甸植物群落特征和地上植物量的影響，并對經濟效益進行分析，了解適用于高寒草地植被增產的施肥量，為牧業經濟的持續發展提供理論基礎和技術保障，從而使草地能更好地發揮其牧業基地和生態屏障作用。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青海省大武鎮以西約2 km處，地理位置E 98°48′～100°55′，N 33°43′～35°16′，屬高原寒冷氣候，主要植被類型有高山草甸、高山灌叢和沼澤化草甸。土壤為高山草甸土、高山灌叢草甸土和沼澤土。地勢平坦，海拔3 760 m。年均溫-3.9℃，≥5℃的積溫850.3℃，最冷月1月的平均氣溫為-12.6℃，最熱月7月的平均氣溫為9.7℃。牧草生長季為156 d，無絕對無霜期。年均降水量513.2 mm，年蒸發量2 471.6 mm[22]。該區域植被類型主要為高寒嵩草草甸，主要優勢植物為矮生嵩草(Kobresiahumilis)，主要的伴生種有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、垂穗披堿草(Elymusnutans)、短穗兔耳草(Lagotisbrachystachya)等植物。有毒草包括黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、鐵棒錘(Aconitumszechenyianum)、黃花棘豆(Oxytropisochrocephala)、甘肅棘豆(Oxytropiskansuensis)和馬先蒿(Pedicularis)。草地呈輕度退化。

1.2 試驗設計

2017年6月7日在圍封草地上選擇植被狀況一致的草地進行施肥試驗。在圍欄內選擇面積為10 m×10 m 的小區，設不施肥為(CK)對照，每個處理重復3次，共10個處理，小樣區間距為1 m，各個小樣區四角用木樁標記。3個氮磷水平的組合，即N1和P1 均為50 kg/hm2，N2和P2均為75 kg/hm2，N3和P3均為100 kg/hm2；磷肥采用磷酸二銨(N18%，P2O546%)，氮肥采用尿素(N46%)，施肥處理及施肥量見表1。

施肥在多云的陰天進行，以便保證施肥當天或次日有降水，使得所施肥在短期內能溶于土壤。于2017年8月13日和2018年8月1日在每個小區分別選取1 m×1 m的樣方，重復6次，測定每個樣方中植物高度，蓋度和生物量(鮮重)。根據肥料和鮮草出售價格計算經濟效益，尿素按市場價格2.4元/kg，磷酸二銨按市場價格3.4元/kg，鮮草出售按市場價格0.4元/kg。

1.3 數據處理

采用Excel 2010對數據進行初步整理，通過SPSS 20.0軟件對獲取的不同處理數據進行統計分析，并利用單因子方差分析(ANOVA)和最小顯著差數法(LSD)對不同施肥模式下高寒草地植物群落特征各指標進行比較分析和差異顯著性檢驗(P<0.05)。

表1 施肥試驗方案

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下的植被高度的變化

施肥后的第2年(2018年)植物群落的平均高度高于施肥第1年(2017年)，平均增幅為4.76%。不同處理間增加的幅度不一致，在N3P1處理下施肥第2年較施肥第1年增加了16.10%。且隨著施肥量的增加，植物平均高度呈增加趨勢，不施肥處理下草地兩年的平均高度為7.28 cm，而施用尿素153.6 kg/hm2、磷酸二銨163.0 kg/hm2時草地平均高度達到最大值，為12.58 cm。相比不施肥，磷酸二銨和尿素配比在N3P2時植物群落平均高度增加了42.13%(圖1)。

圖 不同施肥年限和施肥處理下植物群落的高度Fig.1 Changes of plant community average height under different fertilization treatments of different years

2.2 不同施肥處理下的植被蓋度的變化

在各施肥處理下，施肥后第2年的植物群落蓋度均高于施肥第1年。除了CK、N1P1、N1P2和N1P3施肥處理下第2年(2018年)的群落蓋度明顯高于第1年(2017年)(圖2)，其他處理下2年的群落蓋度增幅不明顯。隨著施肥量的增加，兩年植物群落的蓋度呈增加趨勢。相比不施肥，各施肥處理下草地群落平均蓋度增加13.10%。施用尿素132.3 kg/hm2、磷酸二銨217.4 kg/hm2時增幅最大，為16.23%。

圖2 不同施肥年限和施肥處理下植物群落的蓋度Fig.2 Changes of plant community coverage under different fertilization treatments of different years

2.3 不同施肥處理下的植被生物量的變化

施肥后的第2年(2018年)植物群落的生物量較施肥第1年(2017年)有所提高，且隨著施肥量的增加，植物群落的生物量呈增加趨勢，不同處理間增加的幅度不一致，2017年，磷酸二銨和尿素配比在N3P3時，地上生物量鮮重最高，為566.3 g/m2。而在2018年，磷酸二銨和尿素配比在N3P1時，地上生物量鮮重最高，為581.33 g/m2(圖3)。相比不施肥，各施肥處理下兩年的植物群落生物量平均增加50.73%。

施肥第1年，草樣中雜類草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要為黃帚橐吾、鐵棒錘和甘肅棘豆。

各施肥處理下，草地生物量有不同的增長。各處理間雜類草生物量差異不顯著(P>0.05)，但均顯著高于CK(P<0.05)(表3)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1處理禾本科植物生物量顯著高于不施肥處理；除N1P2和N1P1處理莎草科植物生物量與CK無顯著差異外(P>0.05)，其他各施肥處理的莎草科植物顯著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每個處理的生物量分布都較少，施肥增加草地地上生物量的同時，毒雜草含量也隨之增加。

圖3 不同施肥年限和施肥處理下植物群落生物量Fig.3 Changes of plant community biomass under different fertilization treatments of different years

施肥后第2年，草樣中雜類草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要為黃帚橐吾、鐵棒錘和棘豆。

各施肥處理下，草地生物量有不同的增長。N3P3、N3P2、N3P1、N1P2處理雜類草生物量間差異不顯著(P>0.05)，各處理的雜類草顯著高于CK(P<0.05)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1處理禾本科植物生物量顯著高于不施肥處理；除N1P1處理莎草科植物生物量顯著小于CK外(P>0.05)，其他各施肥處理的莎草科植物顯著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每個處理的生物量分布都較少，但隨著施肥量的增加，豆科牧草生物量呈增加趨勢。相比第1年，第2年禾本科和豆科牧草生物量有明顯提高(表2)。

2.4 不同施肥處理對牧草產草量和經濟效益的影響

隨著施肥量的增加，各施肥處理下的總產草量明顯增高，N3P3處理下最大，為5 695 kg/hm2。與不施肥相比，各施肥處理下草地總增產量和增產率呈增加趨勢，且隨著施肥量的增加，增幅呈上升趨勢，在磷酸二銨和尿素配比為N3P3時達到最大，增產量和增產率分別為3 698 kg/hm2和188.2%。

不同施肥處理下兩年的平均產出投入比變化不一致，在N1P2、N1P3和N2P3處理下投入大于產出，產出投入比分別為0.88%，0.69%和0.96%。其他處理下產出大于投入，在磷酸二銨和尿素配比N3P1處理下產出投入比最大，產出投入比可達到1.78%，該試驗中N3P1為較理想的施肥水平(表3)。

表2 同施肥處理下植物群落生物量變化[鮮重/(g·m-2)]

注：同行不同小寫字母表示同一同科植物在不同處理間差異顯著(P<0.05) ；同列不同大寫字母表示同一處理下不同科植物間差異顯著(P<0.05)

表3 不同施肥處理對牧草產草量和經濟效益的影響(鮮重)

3 討論

施肥是最廣泛的土地利用管理方式，施肥對植物生長和群落結構產生了深遠的影響[17]。草地施肥后其群落高度和蓋度往往顯著提高，邱波等[18]研究發現草地施肥3年后其群落植被高度顯著提高。沈景林等[19]研究發現草地施肥7年后植被蓋度分別較對照增加18.7%～71.2%。研究表明，在施肥當年，施肥處理就使得群落蓋度和高度顯著大于對照，尤其是N3P2處理，隨著施肥量的增加，植物群落的蓋度和高度都呈增加趨勢。施肥后各處理間群落植被高度和蓋度在第1年和第2年間差異不顯著，這是因為施肥作為一種改變植物群落的干擾手段，其主要是通過改變土壤的理化性狀來間接影響群落中植物種空間分布與組成特征的，所以施肥后植物群落結構顯著變化很可能需要一個較長的過程。

生物量是評價生態系統結構和功能的基本數據。研究發現，與對照相比，無論是不同經濟類群還是植物群落的生物量均有不同程度地增加，這與王娟等[17]研究結果一致。在高寒草地上施肥可以改善土壤的肥力狀況進而影響草地地上生物量[20]。郭紅玉等[21]研究也發現在三江源區高寒草甸草地施肥可大幅度提高牧草產量。試驗結果分析，氮磷的添加在當年對植物的高度及生物量的作用效果更為明顯，這可能與肥效的快慢有關，無機態氮磷很快成為土壤環境獲得性資源，并且很快被植物吸收利用，從而在一定程度上提高了草地的初級生產力。施肥處理后草地莎草科和禾本科植物的生物量明顯提高，雜類草在整個群落中占比最大。此結果一定程度上反映了高寒草甸草地植物群落結構上的正向演替模式。杜國禎等[22]的研究結果表明氮與磷均是高寒草甸植物群落的限制因子。這也說明了施用氮肥和磷肥對于高寒草甸植物群落的恢復具有較好的作用。

以不同的施肥水平探討高寒草甸最佳施肥量是許多學者的研究熱點之一，張杰琦等[23]和沈振西等[24]的研究得出尿素施用量分別達到500，320 kg/hm2時高寒草甸地上植物量達到最大。景美玲等[25]研究發現施用尿素在600 kg/hm2時，高寒草甸地上植物量達到最大值，試驗發現施肥第1年尿素在132.3 kg/hm2、磷酸二銨在217.4 kg/hm2時，高寒草甸地上生物量達到最大值，而在第2年時，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時，高寒草甸地上生物量達到最大值。不同研究之間有所差別的原因可能與所選試驗地區的土壤肥力、草地退化程度及施肥量不同有關。景美玲等[25]研究發現施用尿素在150 kg/hm2時就能顯著提高地上植物量，且他的投入產出比最高，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時投入產出比最高，從經濟益考慮，N3P1是最適施肥量的選擇。根據此次試驗的研究結果，不同的施肥量對植物生長的影響不同，所產生的經濟效益也有差異。因此，制定高寒草地科學的施肥措施時，在考慮施肥量、施肥時期的同時，還應該考慮施肥的經濟效益，找出適合當地的最佳施肥配比和最佳經濟效益對因地制宜指導草地生產將有重要的理論和實踐意義。

4 結論

施肥促進了果洛輕度退化高寒草甸植物群落高度、蓋度和生物量，增產量和增產率隨著施肥量的增加而遞增。在果洛輕度退化高寒草甸草地施尿素174.9 kg/hm2、磷酸二銨108.7 kg/hm2時兩年的凈產值和產出投入比均最大，分別為1398.1元/hm2和1.78%。N3P1組合的投入產出比最高，為最佳的建議施肥量。