添加氮素對退化高寒草地植被及營養品質的影響

王玉琴， 宋梅玲， 王宏生， 尹亞麗， 馬玉壽

(省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室， 青海大學畜牧獸醫科學院， 青海 西寧810016)

高寒草地是分布最廣的植物生態系統，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，局部地區退化尤堪[2]，以至于草地植被結構發生變化，不僅是生物多樣性逐年下降，生產力也同步降低。合理、平衡施肥是保護草地資源、維持草地生態系統養分平衡、恢復退化草地的重要措施之一[3]。在草地管理中，施肥一方面能補充土壤損失的營養物質，加速植物生長，提高草地初級生產力，改善牧草的營養品質[4-6]；另一方面如果肥量充足以及周圍環境適宜，施肥能增加優良牧草在群落中的比例，增強其競爭力，并縮短群落的演替階段，改變群落結構，同時可以提高草地土壤肥力[7-9]。但施肥對草地的影響可能存在一個響應閾值，超過這個閾值就會出現物種減少，多樣性降低的現象[9-10]，因此，確定合理的施肥措施對維系草地生態系統的可持續發展以及建立持續生產的施肥模式具有重要意義。

氮素是植物生長發育必需的大量營養元素之一，施氮肥能夠增加土壤中的有效氮，刺激植物的生長，增加植物和土壤中有機碳的積累[11]。雖然青藏高原土壤中儲存著大量的氮素，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發育。因此，眾多學者就施氮肥對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力，進而提高群落生產力，但其他科的植物會被逐漸替代，導致群落植物物種多樣性降低。祁瑜等[14]試驗表明在溫帶草地上施氮可顯著促進禾本科植物生物量的積累，并使其生物量分配格局發生顯著改變。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。因此，土壤氮素供應水平直接制約著牧草的生產量，是草原生態系統初級生產力高低的主要限制性生態因子，研究氮素添加可以在退化草地生態系統的恢復方面起到一定的作用。同時，由于過多的氮輸入將使生態系統達到氮飽和狀態[16]，破壞草地生態系統原有的能量流動和物質循環，輸入到草地生態系統中氮的最適宜量以及植物對氮素的利用情況并未形成統一結論[11-15]，因此，本研究采用不同施氮水平，研究了添加氮素對高寒退化草地群落物種多樣性，生產力及牧草品質的影響，探討添加氮素對草地群落結構、地上生物量以及牧草營養品質的影響，確定適用于高寒退化草地植被恢復的最佳施肥量，以期為退化高寒草地的恢復管理提供理論數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗點位于青海省海北藏族自治州海晏縣青海湖鄉達玉德吉村(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，夏季涼爽短促，冬季寒冷漫長。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，年蒸發量為1 400 mm左右，降水多集中在5—9月份，無絕對無霜期。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 樣地設置及植被調查

2016年6月在海晏縣青海湖鄉達玉德吉村的天然退化草場上，采用網圍欄建立平行全年禁牧試驗區4個，面積均為80 m×80 m，并在每個試驗區內選取植被分布較為均勻、地勢較為平坦的區域，設置20 m×7 m的小區進行施肥(尿素含N量為46%)試驗，每小區間間隔3 m，各小區用木樁標記四角，每個小區重復3次。依據該區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)設為0，10，20，30，40 kg·hm-25個梯度，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，在每個小區隨機選取3個樣方(0.5 m×0.5 m)，統計樣方內出現的植物種類，分種測定植物高度、蓋度，并分種收獲樣方內出現的牧草在烘箱中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]。

根據下列公式對各處理進行物種多樣性分析。

物種重要值(Ni)=(相對高度+相對蓋度+相對生物量)/3

(1)

(2)

(3)

(4)

物種豐富度指數(S)=物種數；

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

1.3 牧草品質測定

在每個處理小區內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帶回實驗室，并置于陰涼處風干，將風干植物樣品粉碎后進行粗蛋白、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行測定[20]。

1.4 數據分析處理

運用SPSS 22.0軟件對同一年份不同處理間的地上生物量、多樣性指數及植物養分含量進行了單因素方差分析以及對相同處理不同年份間的地上生物量、多樣性指數及植物養分含量進行了獨立樣本T檢驗，不同年份下添加氮素對草地多樣性，地上生物量以及植物養分含量等的影響采用重復度量方差分析方法進行檢驗，顯著性區間定義為95%水平。同時通過因子分析確定參評牧草生物量及營養指標主成分特征值和特征向量，根據主成分累計貢獻率，選擇關鍵主成分，計算各主成分得分，再利用綜合得分公式求出各施氮水平牧草生物量及營養綜合分值，進行主成分分析。繪圖采用Sigma Plot 12.5軟件。

2 結果與分析

2.1 添加氮素對草地群落及生產力的影響

不同施氮水平對草地群落總物種數的影響如圖1所示，2018年各施肥水平的總物種數比2017年均有所降低，在2017年和2018年物種數最高的均為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的變化

不同施氮水平對草地群落的香農威納指數、優勢度指數、均勻度指數和物種豐富度指數也產生不同程度的影響，各施肥水平的香農威納指數、均勻度指數、豐富度指數以及優勢度指數在2017年均高于2018年(圖2)。2017年香農威納指數在各施肥水平變化不明顯，2018年香農威納指數大小變化為N1>N4>N0>N2>N3，各施肥水平的香農威納指數均為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年的均勻度指數變化規律與優勢度指數變化相同，也是N4顯著高于N3(P<0.05)，但與N0，N1，N2差異不顯著。物種豐富度指數在2017年表現為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。優勢度指數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)。年份對草地多樣性產生了顯著影響(P<0.001)，而施氮水平對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草地多樣性的重復度量方差分析結果

圖2 不同施氮水平下植物群落物種多樣性指數

不同施氮水平下牧草地上生物量變化如圖3所示。對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。年份對雜類草生物量的影響顯著(P<0.05)，施氮水平對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地上生物量的重復度量方差分析結果

2.2 添加氮素對牧草營養品質的影響

各施氮水平牧草營養成分分析結果表明(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)。施氮水平對牧草營養成分沒有顯著影響，施氮年份對牧草營養成分產生顯著影響(P<0.05)，但是施氮水平與施氮年份對于牧草各營養成分均未產生明顯的交互作用(表3)。

圖4 不同施氮水平下牧草營養成分分析

表3 不同施氮水平在不同年份對牧草營養成分的重復度量方差分析結果

將總生物量換算為每平方米牧草所含營養物質含量得到(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，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養物質含量的變化

2.3 草地生產力與牧草營養的主成分分析

由表4可知，提取2個主成分，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個指標信息；粗脂肪在第2主成分上有較高的載荷，說明第2主成分反應了粗脂肪的信息。通過計算主成分綜合模型，并按F值大小對各施肥措施進行排序(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，在綜合評分排列順序為N4>N3>N2>N1>N0。

表4 不同施氮水平下牧草營養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

草地生態系統的可持續發展和草地生產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建的變化[21]，同時，不同植物對不同肥料的吸收轉化不同，使得群落特性發生不同的變化[22]。本研究中不同施氮水平下，隨著年份的增加，草地群落物種數以及草地群落多樣性指數均有所降低，但各施氮水平間差異不明顯。同時，隨著施氮量的增加，草地的群落多樣性指數均呈先增加后降低的趨勢，且在施肥量較低時，多樣性指數相對較高，這與持續增加土壤肥力或增加有效營養會降低植物群落的多樣性研究[23-24]結果一致。景美玲等[17]添加尿素后連續兩年觀測，草地群落的物種豐富度、均勻度指數、多樣性指數均會有所降低，特別是在第二年添加300 kg·hm-2以上的尿素時對物種的豐富度和多樣性指數均有顯著降低作用。陳亞明等[25]研究也發現隨著施肥梯度的增加，草地物種多樣性、物種豐富度和相關指數均表現為顯著降低。這可能是施肥導致植物地下競爭增強，并且消除了資源的限制，優勢牧草在資源競爭中取得了優勢，占據了大量的空間和可利用資源，增強了其地上的競爭優勢，尤其是光競爭優勢，抑制了其他牧草對空間和資源的利用，限制其增長，從而導致物種減少，隨之物種的豐富度有所降低，物種數也有所降低，多樣性指數也隨之下降。

植物生物量不僅是生態系統結構和功能的基礎，也是群落結構和功能的主要評價指標之一[26]，也可以反映退化草地的恢復效果[27-28]。在本研究中2年的數據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，說明施氮肥對提高草地生產力有一定的作用。同時，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范圍內差異不顯著，豆科和雜類草生物量表現為先升高后降低的趨勢，以及狼毒生物量表現為先降低后升高的趨勢，這說明氮素添加在一定范圍內可以提高草地生產力。Gough等[29]和Wang等[9]的研究表明草地施肥在提高草地生產力的同時，也會減少植物群落物種數量，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年有相應程度的降低的原因。另外，Bowman等[30]和宗寧等[31]的研究發現單純施氮肥未顯著改變群落蓋度、物種多樣性和植物生產力，這可能是由于樣地選擇和群落結構差異所致。

草地施肥通過增加土壤表層的土壤肥力，改善草地群落結構，恢復草地生產力，還改善草地植物的營養品質[32]。營養品質的高低是評價牧草是否優良的重要指標[33]，粗蛋白含量是評價牧草營養價值的重要指標，其含量高則表明牧草營養品質較高，而纖維含量，尤其是酸性洗滌纖維含量較高，表明牧草可消化養分低，品質下降[34-35]。本研究中對牧草營養成分進行分析得到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養品質。將牧草營養成分經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，其余指標差異不顯著。通過對相關數據進行主成分分析以及結合草地群落多樣性和草地生產力，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，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，有研究分析認為高寒草地群落結構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，對于除氮肥之外的其他肥料是否在高寒退化草地恢復過程中起一定作用有待進一步研究。

同時，在本研究中添加氮素是在圍欄封育的基礎上進行的，而圍欄封育作為退化草地生態系統修復的主要措施，在群落物種多樣性[36]、土壤養分循環[37-38]、植物生產力[31,39]等方面均對草地群落產生重要影響，但圍封只是在一定時期內可改善退化高寒草地的植物群落結構促進其恢復演替[40]，隨著圍封年限增加，越來越多的研究發現，長時間圍封可導致草地植物多樣性和生產力下降，不利于牧草的正常生長發育反而會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、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間較長，降低了植物多樣性和草地生產力，因此，對于本研究中的退化草地在圍封2～3年后就應該對草地進行適度利用，這樣才能保證草地的可持續利用。

4 結論

添加氮素可以提高草地生產力，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養品質。在圍欄封育的2～3年的基礎上，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的合適施肥劑量。