不同施肥水平对果洛高寒草甸草地的影响

孙金金，汪鹏斌，徐长林，贺有龙，汪海波，李亚娟，鱼小军

(1.甘肃农业大学 草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃省草业工程实验室，甘肃 兰州 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处青藏高原腹地的巴颜喀拉山和阿尼玛卿雪山之间，位于黄河源头区，三江源区东南部，生态战略地位特殊。草地是该区的主要植被类型，占土地总面积的71%，草地类型以温性草原、高寒草甸、高寒草原为主，其中高寒草甸草地占全州可利用草地面积的91.2%[1-2]。高寒草甸草地不仅是青藏高原优良放牧草地，也是重要的绿色生态屏障。然而，由于长期超载过牧等不合理利用,导致该区草地严重退化，植被覆盖度明显下降，不仅破坏了当地藏民族赖以生息的草地畜牧业基础，也对整个青藏高原及其下游地区经济产生不利的影响[3]。退化草地的修复和治理显得尤为重要。

施肥是改良退化草地、保护草地资源的有效措施之一，且能迅速提高草地生产力和改善草地群落组分，调节牧草营养物质的含量，从而达到改良退化草地的目的[4]。施肥对退化草地的改良效果好于灌水和补播，对草地进行合理施肥不仅能改善草地植被的物种组成,还能提高植被高度,从而增加生产力。目前，草地施肥在畜牧业发达的国家非常普遍，有关施肥对产量的影响报道也较多。国内外研究表明[5-7]，施肥对草地植物多样性和生产力有影响，对草地恢复、提高草地生态系统稳定性具有积极作用，并且施肥措施在高寒草甸的改良与恢复中取得了一定效果[8-10]。在天然草地上，尤其是豆科牧草严重不足的高寒牧区，通过施氮来提高牧草蛋白质含量是解决牲畜蛋白质缺乏的重要措施[11-13]。高寒草地牧草生产主要受氮素限制，但长期单独施加氮肥会造成土壤酸化和阳离子淋失[14-15]。有研究表明，位于半干旱半湿润区的高寒草甸生产力受氮、磷的共同限制[16]。而且，氮施加过量还会加剧磷限制。因此，从养分平衡和草地管理的角度，对青海省果洛州高寒草甸采用不同氮磷配施处理，研究施肥后对高寒草甸植物群落特征和地上植物量的影响，并对经济效益进行分析，了解适用于高寒草地植被增产的施肥量，为牧业经济的持续发展提供理论基础和技术保障，从而使草地能更好地发挥其牧业基地和生态屏障作用。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于青海省大武镇以西约2 km处，地理位置E 98°48′～100°55′，N 33°43′～35°16′，属高原寒冷气候，主要植被类型有高山草甸、高山灌丛和沼泽化草甸。土壤为高山草甸土、高山灌丛草甸土和沼泽土。地势平坦，海拔3 760 m。年均温-3.9℃，≥5℃的积温850.3℃，最冷月1月的平均气温为-12.6℃，最热月7月的平均气温为9.7℃。牧草生长季为156 d，无绝对无霜期。年均降水量513.2 mm，年蒸发量2 471.6 mm[22]。该区域植被类型主要为高寒嵩草草甸，主要优势植物为矮生嵩草(Kobresiahumilis)，主要的伴生种有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、短穗兔耳草(Lagotisbrachystachya)等植物。有毒草包括黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)、铁棒锤(Aconitumszechenyianum)、黄花棘豆(Oxytropisochrocephala)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)和马先蒿(Pedicularis)。草地呈轻度退化。

1.2 试验设计

2017年6月7日在围封草地上选择植被状况一致的草地进行施肥试验。在围栏内选择面积为10 m×10 m 的小区，设不施肥为(CK)对照，每个处理重复3次，共10个处理，小样区间距为1 m，各个小样区四角用木桩标记。3个氮磷水平的组合，即N1和P1 均为50 kg/hm2，N2和P2均为75 kg/hm2，N3和P3均为100 kg/hm2；磷肥采用磷酸二铵(N18%，P2O546%)，氮肥采用尿素(N46%)，施肥处理及施肥量见表1。

施肥在多云的阴天进行，以便保证施肥当天或次日有降水，使得所施肥在短期内能溶于土壤。于2017年8月13日和2018年8月1日在每个小区分别选取1 m×1 m的样方，重复6次，测定每个样方中植物高度，盖度和生物量(鲜重)。根据肥料和鲜草出售价格计算经济效益，尿素按市场价格2.4元/kg，磷酸二铵按市场价格3.4元/kg，鲜草出售按市场价格0.4元/kg。

1.3 数据处理

采用Excel 2010对数据进行初步整理，通过SPSS 20.0软件对获取的不同处理数据进行统计分析，并利用单因子方差分析(ANOVA)和最小显著差数法(LSD)对不同施肥模式下高寒草地植物群落特征各指标进行比较分析和差异显著性检验(P<0.05)。

表1 施肥试验方案

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下的植被高度的变化

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)，平均增幅为4.76%。不同处理间增加的幅度不一致，在N3P1处理下施肥第2年较施肥第1年增加了16.10%。且随着施肥量的增加，植物平均高度呈增加趋势，不施肥处理下草地两年的平均高度为7.28 cm，而施用尿素153.6 kg/hm2、磷酸二铵163.0 kg/hm2时草地平均高度达到最大值，为12.58 cm。相比不施肥，磷酸二铵和尿素配比在N3P2时植物群落平均高度增加了42.13%(图1)。

图 不同施肥年限和施肥处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 不同施肥处理下的植被盖度的变化

在各施肥处理下，施肥后第2年的植物群落盖度均高于施肥第1年。除了CK、N1P1、N1P2和N1P3施肥处理下第2年(2018年)的群落盖度明显高于第1年(2017年)(图2)，其他处理下2年的群落盖度增幅不明显。随着施肥量的增加，两年植物群落的盖度呈增加趋势。相比不施肥，各施肥处理下草地群落平均盖度增加13.10%。施用尿素132.3 kg/hm2、磷酸二铵217.4 kg/hm2时增幅最大，为16.23%。

图2 不同施肥年限和施肥处理下植物群落的盖度Fig.2 Changes of plant community coverage under different fertilization treatments of different years

2.3 不同施肥处理下的植被生物量的变化

施肥后的第2年(2018年)植物群落的生物量较施肥第1年(2017年)有所提高，且随着施肥量的增加，植物群落的生物量呈增加趋势，不同处理间增加的幅度不一致，2017年，磷酸二铵和尿素配比在N3P3时，地上生物量鲜重最高，为566.3 g/m2。而在2018年，磷酸二铵和尿素配比在N3P1时，地上生物量鲜重最高，为581.33 g/m2(图3)。相比不施肥，各施肥处理下两年的植物群落生物量平均增加50.73%。

施肥第1年，草样中杂类草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要为黄帚橐吾、铁棒锤和甘肃棘豆。

各施肥处理下，草地生物量有不同的增长。各处理间杂类草生物量差异不显著(P>0.05)，但均显著高于CK(P<0.05)(表3)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1处理禾本科植物生物量显著高于不施肥处理；除N1P2和N1P1处理莎草科植物生物量与CK无显著差异外(P>0.05)，其他各施肥处理的莎草科植物显著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每个处理的生物量分布都较少，施肥增加草地地上生物量的同时，毒杂草含量也随之增加。

图3 不同施肥年限和施肥处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，草样中杂类草所占比重最高，禾本科和莎草科植物次之，豆科植物最少，有毒植物主要为黄帚橐吾、铁棒锤和棘豆。

各施肥处理下，草地生物量有不同的增长。N3P3、N3P2、N3P1、N1P2处理杂类草生物量间差异不显著(P>0.05)，各处理的杂类草显著高于CK(P<0.05)；N3P3、N3P2、N3P1、N2P3、N2P2、N2P1处理禾本科植物生物量显著高于不施肥处理；除N1P1处理莎草科植物生物量显著小于CK外(P>0.05)，其他各施肥处理的莎草科植物显著大于CK(P<0.05)。豆科植物在每个处理的生物量分布都较少，但随着施肥量的增加，豆科牧草生物量呈增加趋势。相比第1年，第2年禾本科和豆科牧草生物量有明显提高(表2)。

2.4 不同施肥处理对牧草产草量和经济效益的影响

随着施肥量的增加，各施肥处理下的总产草量明显增高，N3P3处理下最大，为5 695 kg/hm2。与不施肥相比，各施肥处理下草地总增产量和增产率呈增加趋势，且随着施肥量的增加，增幅呈上升趋势，在磷酸二铵和尿素配比为N3P3时达到最大，增产量和增产率分别为3 698 kg/hm2和188.2%。

不同施肥处理下两年的平均产出投入比变化不一致，在N1P2、N1P3和N2P3处理下投入大于产出，产出投入比分别为0.88%，0.69%和0.96%。其他处理下产出大于投入，在磷酸二铵和尿素配比N3P1处理下产出投入比最大，产出投入比可达到1.78%，该试验中N3P1为较理想的施肥水平(表3)。

表2 同施肥处理下植物群落生物量变化[鲜重/(g·m-2)]

注：同行不同小写字母表示同一同科植物在不同处理间差异显著(P<0.05) ；同列不同大写字母表示同一处理下不同科植物间差异显著(P<0.05)

表3 不同施肥处理对牧草产草量和经济效益的影响(鲜重)

3 讨论

施肥是最广泛的土地利用管理方式，施肥对植物生长和群落结构产生了深远的影响[17]。草地施肥后其群落高度和盖度往往显著提高，邱波等[18]研究发现草地施肥3年后其群落植被高度显著提高。沈景林等[19]研究发现草地施肥7年后植被盖度分别较对照增加18.7%～71.2%。研究表明，在施肥当年，施肥处理就使得群落盖度和高度显著大于对照，尤其是N3P2处理，随着施肥量的增加，植物群落的盖度和高度都呈增加趋势。施肥后各处理间群落植被高度和盖度在第1年和第2年间差异不显著，这是因为施肥作为一种改变植物群落的干扰手段，其主要是通过改变土壤的理化性状来间接影响群落中植物种空间分布与组成特征的，所以施肥后植物群落结构显著变化很可能需要一个较长的过程。

生物量是评价生态系统结构和功能的基本数据。研究发现，与对照相比，无论是不同经济类群还是植物群落的生物量均有不同程度地增加，这与王娟等[17]研究结果一致。在高寒草地上施肥可以改善土壤的肥力状况进而影响草地地上生物量[20]。郭红玉等[21]研究也发现在三江源区高寒草甸草地施肥可大幅度提高牧草产量。试验结果分析，氮磷的添加在当年对植物的高度及生物量的作用效果更为明显，这可能与肥效的快慢有关，无机态氮磷很快成为土壤环境获得性资源，并且很快被植物吸收利用，从而在一定程度上提高了草地的初级生产力。施肥处理后草地莎草科和禾本科植物的生物量明显提高，杂类草在整个群落中占比最大。此结果一定程度上反映了高寒草甸草地植物群落结构上的正向演替模式。杜国祯等[22]的研究结果表明氮与磷均是高寒草甸植物群落的限制因子。这也说明了施用氮肥和磷肥对于高寒草甸植物群落的恢复具有较好的作用。

以不同的施肥水平探讨高寒草甸最佳施肥量是许多学者的研究热点之一，张杰琦等[23]和沈振西等[24]的研究得出尿素施用量分别达到500，320 kg/hm2时高寒草甸地上植物量达到最大。景美玲等[25]研究发现施用尿素在600 kg/hm2时，高寒草甸地上植物量达到最大值，试验发现施肥第1年尿素在132.3 kg/hm2、磷酸二铵在217.4 kg/hm2时，高寒草甸地上生物量达到最大值，而在第2年时，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二铵108.7 kg/hm2时，高寒草甸地上生物量达到最大值。不同研究之间有所差别的原因可能与所选试验地区的土壤肥力、草地退化程度及施肥量不同有关。景美玲等[25]研究发现施用尿素在150 kg/hm2时就能显著提高地上植物量，且他的投入产出比最高，施用尿素174.9 kg/hm2、磷酸二铵108.7 kg/hm2时投入产出比最高，从经济益考虑，N3P1是最适施肥量的选择。根据此次试验的研究结果，不同的施肥量对植物生长的影响不同，所产生的经济效益也有差异。因此，制定高寒草地科学的施肥措施时，在考虑施肥量、施肥时期的同时，还应该考虑施肥的经济效益，找出适合当地的最佳施肥配比和最佳经济效益对因地制宜指导草地生产将有重要的理论和实践意义。

4 结论

施肥促进了果洛轻度退化高寒草甸植物群落高度、盖度和生物量，增产量和增产率随着施肥量的增加而递增。在果洛轻度退化高寒草甸草地施尿素174.9 kg/hm2、磷酸二铵108.7 kg/hm2时两年的净产值和产出投入比均最大，分别为1398.1元/hm2和1.78%。N3P1组合的投入产出比最高，为最佳的建议施肥量。