氮添加對東祁連山高寒草甸土壤養分及地上生產力的影響

張玉琪，吳玉鑫，周會成，姜哲浩，張德罡，陳建綱

（甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，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，生態環境脆弱［1］。高寒草甸是該地區的主要草原類型，是在高原和高寒條件下發育形成的草地生態系統。該生態系統中的有機質分解比較緩慢，氮素普遍比較少［2］，所以氮是影響該地區生態系統和植物生長的重要因素［3］，對該地區生態系統結構有重要的影響。

由于全球氣候變化和長期過度放牧，該地區高寒草甸退化日益嚴重［1］，草地生態系統的平衡被破壞，草地營養輸出大于輸入，導致土壤肥力水平降低、養分平衡失調，嚴重影響植物生長發育，從而危及到草地生態系統［4-6］。而施氮肥可直接供給牧草營養需要，大幅度提高牧草產量，對土壤退化恢復有積極的作用，并且可恢復草地生態功能［7-8］。草地施氮對生態系統功能具有深遠的影響［9］，合理施用氮肥會提高生態系統生產力，增加土壤有效氮含量［10］，并且有利于肥料利用效率的提高，保持和增強土壤長期肥力和活性［11］，還可以促進退化草地恢復［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，兼顧經濟效益和生態環境效益。

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分和地上生產力的變化，以期為天然草甸草原合理施肥和退化草地恢復提供理論依據和科學指導。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于祁連山東段金強河流域，甘肅省天祝藏族自治縣甘肅農業大學草原站內（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 樣地設置

本研究于2019年6月開展，采用隨機區組試驗設計，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，并設置1 m的隔離帶。結合前人的研究結果［15-17］，設置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，每個處理設置4個重復。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 樣品采集和指標測定

10月將小區內的植物齊地刈割，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，記為地上生產力。用土鉆取0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土層土壤，4個重復，自然風干后一部分過1 mm篩用于測定速效養分含量，一部分過0.25 mm篩用于測定全量養分含量。有機質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；硝態氮、銨態氮含量用流動注射法測定［18］。

1.4 數據分析

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

2 結果與分析

2.1 不同施氮梯度下地上生產力變化

隨著施氮水平的增加，地上生產力逐漸增加，在N4水平下達到最大值，為194 g/m2，在N0水平下生產力最小，為127 g/m2。地上生產力在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，地上生產力逐漸增加，但在N3水平之后，生產力并沒有持續顯著增加（圖1）。

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

2.2 不同施氮梯度下不同土層土壤養分變化

0～20 cm土層，全氮含量，有機質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，全氮含量和有機質含量整體呈現先升高后降低的趨勢，在N2水平下達到最大值。全磷含量隨施氮水平增加，呈現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，全氮含量和有機質含量在N3和N4水平下有顯著降低的趨勢（P＜0.05）。60～80 cm土層，全氮和有機質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，有機質，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 不同土層土壤養分含量Table 2 Soil nutrient content in different soil layers

在0～20，20～40，40～60 cm土層，銨態氮含量隨施氮量增加呈現先升高后降低的趨勢，在N3水平下達到最大值，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，硝態氮的含量隨施氮量增加均呈現升高的趨勢，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水平下達到最大值，且硝態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，呈現逐漸降低的趨勢。

2.3 地上生產力和土壤養分與施肥之間的相關性

地上生產力與施氮量有極顯著的正相關關系（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相關關系（P＜0.01），土壤銨態氮，硝態氮含量與施氮量之間存在極顯著的正相關關系（P＜0.01），土壤有機質與施氮量之間存在顯著正相關關系（P＜0.05）。施氮量與全磷，全鉀，速效鉀含量之間無顯著相關性。在20～40 cm土層，僅銨態氮和硝態氮含量與施氮量之間存在顯著相關性（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相關關系（P＜0.01），與硝態氮含量之間存在極顯著正相關關系（P＜0.01）。在60～80 cm土層，施氮量與土壤硝態氮含量之間存在極顯著正相關關系，與全鉀含量存在極顯著負相關關系（P＜0.01）。

圖2 不同土層生產力和土壤養分與施肥之間的相關性Fig.2 Correlation between fertilization and productivity of different soil layers and soil nutrients

3 討論

隨著施氮量增加，地上生產力呈現升高的趨勢，施氮量在10和40 g/m2下生產力增加并不顯著，施氮量在10 g/m2時地上生產力相比未施氮增加了8.96%；施氮量在20 g/m2時地上生產力相比10 g/m2增加了16.64%；施氮量在30 g/m2時地上生產力相比20 g/m2增加了14.23%；施氮量在40 g/m2時生產力仍在增加，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力增加，這與Baer等的結果相同［20］。馬玉壽等在小嵩草草地上施氮肥后發現具有明顯的增產效應，但施氮量在閾值后繼續增加，產量增幅緩慢甚至下降［21］。也有研究表明，地上生產力與施氮水平之間呈單峰曲線關系，曲線的完整變化包括效應遞增、效應遞減和負效應三個階段，在負效應階段，再增加施氮量，產草量不但不會增加，反而會下降［21］。

隨著施氮量增加土壤全氮和有機質含量呈現降低的趨勢，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氮和添加的氮素，導致土壤全氮含量在總體上表現為降低的趨勢［19］。這與鄭海霞［19］的研究結果相類似，與曹文俠，蘇潔瓊等結果相反［23-24］。張杰琦［25］，魏金明［26］的研究發現，施肥不能增加土壤全氮、全磷含量，但顯著增加了土壤銨態氮和硝態氮含量，原因在于氮肥添加刺激了土壤微生物活性，加快了土壤有機氮的分解。本研究也得到了類似的結果，土壤全磷，全鉀含量與施氮水平間沒有顯著的相關性，但極顯著增加了土壤銨態氮與硝態氮的含量。銨態氮隨土層加深，含量逐漸降低，在同一土層中，施氮量超過30 g/m2后，銨態氮稍有降低的趨勢。硝態氮含量隨土層加深呈現先降低后升高的趨勢。李楠等在吉林羊草草原施氮后發現土壤硝態氮和堿解氮含量隨施氮量的增加而增加［27］。劉碧榮在內蒙古草地連續施肥的研究表明，施氮可以顯著提高土壤無機氮含量［28］。

本研究還發現土壤速效鉀的含量與施氮水平沒有顯著相關性，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論不同［15］。但也有結果表明，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力［29-30］。

4 結論

隨著施氮量增加，地上生產力呈現升高的趨勢，但過低和過高的施氮量不能顯著增加地上生產力。雖然施氮量在40 g/m2時增產效率大大降低，但此施氮水平在祁連山東段的退化高寒草甸地區并未達到閾值。隨著施氮量增加，在0～20 cm土層土壤全氮和有機質含量降低。在0～20，20～40，40～60 cm土層，銨態氮含量呈現先升高后降低的趨勢，在N3水平下達到最大值，在4個土層中，硝態氮的含量均呈現升高的趨勢，在N4水平下達到最大值。在各個土層中，速效磷含量整體上呈現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性。