氮磷添加对环青海湖高寒草原牧草营养成分和土壤养分的影响

王 玲，施建军，史慧兰，欧卫友，王 超，邢云飞

（1. 青海大学畜牧兽医科学院 / 青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016；2. 青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016；3. 青海省草原总站，青海 西宁 810016）

青藏高原作为我国面积最大的天然草地及畜牧业基地[1-2]，历年来是广大科研工作者研究的重点，有关天然草地牧草营养成分和土壤养分方面已有大量研究报道[3-5]。目前，主要以青藏高原三江源区高寒草地为研究对象，从生态系统的角度，进行不同层面的探讨。结果表明，天然草地施肥不仅可以促进植物的生长，提高植物中粗蛋白的含量，降低牧草纤维素和无氮浸出物的含量，使饲草叶多质嫩，提高牧草适口性[6-9]，还可以刺激土壤中微生物活性，加快土壤有机碳的分解，进而增加土壤速效磷、铵态氮、硝态氮的含量[10-13]。而环青海湖区域天然草地的相关报告并不多，尤其是在青海湖区域高寒草原进行的施肥试验，缺乏针对青海湖区域牧草增产以及草原改良的技术研究[14-16]。

青藏高原海拔较高，气候环境较恶劣，造成其草地生态系统群落结构简单，抗干扰和自我恢复能力较差[17-18]，进一步导致高寒草地生态系统的脆弱与敏感性，且有关天然草地的研究成果因草地类型、演替阶段和地区的不同而不同[5,19-20]，所以在天然草地改良过程当中，需要从当地高寒草原土壤-植被营养元素需求出发，以土壤中营养元素的积蓄以及转移状况为依据，明确人为草地施肥补给量，达到科学配比，才能有效改良高寒草原现状[21]。鉴于此，本研究以海北藏族自治州海晏县西海镇金银滩草原植被和土壤为研究对象，设置不同梯度氮磷合施的施肥处理，分析牧草营养品质和土壤养分对不同水平氮、磷肥的不同响应，探讨不同梯度氮磷合施对金银滩草原植被和土壤的作用和影响，以确立该地区高寒草原最佳施肥量以及施肥种类配比，旨在补充土壤中营养元素的缺乏，提高草地生产力，成为一项可推广的技术措施。

1 材料和方法

1.1 试验样地基本概况

该试验地位于海北藏族自治州海晏县西海镇(100°53′-101°54′ E，36°58′-36°56′ N)，平均海拔3 210 m，年均温1.5 ℃，年日照时数2 980 h，年降水量400 mm，年蒸发量1 581.75 mm，无绝对无霜期，气候寒冷。主要植物种有紫花针茅(Stipa capillata)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、垂穗披碱草(Elymus nutans)，羊茅(Festuca ovina)、青藏扁蓿豆(Medicago archiducis-nicolai)、黑柴胡(Bupleurum smithii)等。pH 7 ～ 8，0-10 cm土层土壤有机质含量在130 g·kg-1以上，土壤速效磷含量在50 mg·kg-1以上，土壤速效氮含量在8 mg·kg-1以上[22]。

1.2 试验设计

2017 年6 月28 日，在海晏县西海镇金银滩草原上选择植被生长状况一致的草地，总面积为55 hm2，四周用电围栏保护。在围栏内选择地势平坦样区3 块，进行平行试验，面积均为2 000 m2。每块平行样地均平均划分为10 个试验小区，面积均为200 m2。选用尿素(CON2H4)和磷酸二铵(P2O5)进行随机区组设计，按10 个不同梯度N、P 合施处理进行施肥。试验根据试验区土壤与植被生长状况 以 及 青 海 湖 地 区 草 地 施 肥 的 研 究 成 果[5-7,14-16,22]，合理设置3 个氮元素水平(35，70，140 kg·hm-2)和3 个磷元素水平(26，52，65 kg·hm-2)，其中不施任何肥料为对照组(CK) (表1)。试验材料为云南云天化牌尿素(总氮 ≥ 46.4%)和磷酸二铵(N ≥ 18.0%，P2O5≥ 46.0%)。

表 1 不同试验小区施肥量Table 1 Fertilization amount in different test areas

1.3 测定指标与方法

2018 年9 月上旬进行植物群落特征调查，在不同梯度氮磷合施小区内，采用样方法在每个处理中重复取样6 次，取样面积为1 m × 1 m。齐地面剪取样方内植物后在80 ℃烘箱中烘干至恒重，用于牧草养分的测定牧草粗蛋白、全磷、粗纤维、粗脂肪、粗灰分。每个处理用土钻(内径3.5 cm)采集0-10、10-20、20-30 cm 土层土样，每个重复取5 钻，同层混合，混和后去除土壤样品内的石块和植物残根等杂质，自然风干并过筛后测定土壤全氮、全磷、速效氮、速效磷、pH 和有机质[23]。

采用Microsoft Excel 2016 软件进行数据处理与作图分析，所有数据均采用SPSS 20.0 软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 氮磷合施对高寒草原牧草营养成分的影响

2.1.1 对牧草粗蛋白的影响

不同梯度氮磷合施后，牧草粗蛋白含量整体高于对照 (图1)。施N 量分别为35、70、140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，牧草粗蛋白含量分别比对照高9.94%～53.32%、52.39%～96.68%、25.93%～74.24%；施P 量分别为26、52、65 kg·hm-2时，随着施氮量的增加，牧草粗蛋白含量分别比对照高17.70 %～52.39%、9.94%～96.68%、25.93%～56.86%。不同梯度氮磷合施处理下，牧草粗蛋白含量以N2P2处 理 最 高，为64.43 g·kg-1，显 著 高 于 对 照96.68% (P＜0.05)。该试验地对照组优良牧草生物量比例为80.43%～86.96%，不同梯度氮磷合施后优良牧草生物量的比例与对照相比高5.54%～9.92%。

图 1 氮磷合施对牧草粗蛋白含量的影响Figure 1 Effects of combined application of nitrogen and phosphorus on crude protein content of forage

2.1.2 对牧草全磷的影响

图 2 氮磷合施对牧草全磷含量的影响Figure 2 Effects of combined application of nitrogen and phosphorus on total phosphorus content of forage

不同梯度氮磷合施后，牧草全磷含量整体高于对 照 (图2)。施N 量 分 别 为35、70、140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，牧草全磷含量均呈上升的趋势，施N 量为140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，牧草全磷含量呈先上升后降低的趋势；施P 量分别为26、52、65 kg·hm-2时，随着施氮量的增加，牧草全磷含量分别比对照高15.68%～91.22%、92.88%～176.00%、47.51%～117.21%。不同梯度氮磷合施处理下，牧草全磷含量在N2P2施肥处理下最高，为46.62 g·kg-1，显著高于CK (P＜0.05)。不同梯度氮磷合施下，随着磷酸二铵施用量的增加，牧草全磷含量亦随之增加，且随着尿素施用量的增加对牧草全磷含量的增加起到促进作用，氮磷合施对牧草全磷含量的影响显著(P＜0.05)。

2.1.3 对牧草粗纤维、粗脂肪、粗灰分的影响

氮磷合施影响了牧草粗纤维、粗脂肪、粗灰分的含量，但不同施肥量间存在一定差异(表2)。不同梯度氮磷合施后，牧草粗纤维含量整体显著降低(P＜0.05)，施N 量为35 kg·hm-2时，随着施P 量的增加，牧草粗纤维含量呈先上升后下降的趋势，施N 量为70 kg·hm-2时，随着施P 量的增加，牧草粗纤维含量呈逐渐下降的趋势，施N 量为140 kg·hm-2时，随着施P 量的增加，牧草粗纤维含量呈先降低再上升的趋势，不同梯度氮磷合施处理下，牧草粗纤维含量在N2P3最低；不同梯度氮磷合施后，牧草粗脂肪含量整体有所增加，施N 量为35、140 kg·hm-2时，随着施P 量的增加，牧草粗脂肪含量呈先上升后降低再上升的趋势，施N 量为70 kg·hm-2时，随着施P 量的增加，牧草粗脂肪含量呈一直上升的趋势，各个施肥处理下牧草粗脂肪含量分别比对照高4.88%～29.27%、4.88%～12.20%、4.88%～14.63%；不同梯度氮磷合施后，牧草粗灰分含量整体显著增加(P＜0.05)，但无明显变化规律，N3P2施肥处理下牧草粗灰分含量最高，比对照高13.39%。氮磷合施对牧草粗纤维、粗脂肪、粗灰分的含量的影响显著(P＜0.05)。

表 2 氮磷合施对牧草粗纤维、粗脂肪、粗灰分含量的影响Table 2 Effects of combined application of nitrogen and phosphorus on crude fiber, crude fat, and crude ash content of forage

2.1.4 对牧草经济效应的影响

为进一步明确不同梯度氮磷合施对环青海湖高寒草原增产、增收的效果，磷酸二铵按3.20 元·kg-1计，尿 素 按2.0 元·kg-1，干 草 价 格 按1.4 元·kg-1，劳动力费用按15.0 元·亩-1，计算不同梯度氮磷合施后牧草收益和净收益[22](净收益 = 牧草收益-化肥-劳动力费用)。结果表明(图3)，不同梯度氮磷合施后，牧草净收益整体显著高于对照(P＜0.05)，且牧草收益和净收益均呈先上升后降低的趋势，而化肥 + 劳动力费用则随着施肥梯度的增加呈一直增加的趋势。不同梯度氮磷合施后，牧草收益在N2P2施肥处理下最高，比对照高180.10%；不同梯度氮磷合施后，净收益比对照显著增加35.92%～154.86%。综合比较，N 元素施量为70～140 kg·hm-2，P 元 素 施 量 为26～52 kg·hm-2时，不同梯度氮磷合施经济效益较高，牧草净收益增加1 646.74～5 797.68 元·hm-2。

2.2 氮磷合施对高寒草原土壤养分的影响

2.2.1 对高寒草原土壤全量养分的影响

氮磷合施对高寒草原0-30 cm 土层中全氮、全磷养分的影响显著(P＜0.05)。结果表明(图4)，在0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm 土层中，不同梯度氮磷合施下，土壤全磷养分含量分别比对照高28.96%～115.77%、45.50%～116.11%、0～56.47%，土壤全磷养分含量分别在N2P3、N2P3、N1P3施肥处理下最高。同一施肥处理不同土层当中，0-10、10-20、20-30 cm 土层中土壤全磷养分含量差异显著，但规律不明显。

图 3 氮磷合施对牧草收益的影响Figure 3 Effect of combined application of nitrogen and phosphorus on pasture profit

图 4 氮磷合施对土壤全量养分的影响Figure 4 Effects of combined application of nitrogen and phosphorus on total nutrient in soil

在0-10、10-20、20-30 cm 土层中，不同梯度氮磷合施下土壤全氮养分含量分别比对照高1.22 %～35.45%、0.61%～23.04%、5.80%～42.12%，不同土层土壤全氮养分含量分别在N2P2、N1P2、N2P2施肥处理下最高，且N2P2施肥处理下土壤全氮养分含量均高于N2P2、N1P2。同一施肥处理不同土层当中，除了N2P3施肥处理，0-10 cm 土层中土壤全氮养分含量显著高于10-20、20-30 cm土层，在N 施量为70、140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，10-20 与20-30 cm 土层中土壤全氮相比，并未有显著性差异。不同梯度氮磷合施在一定程度上增加了土壤表层全量养分的含量，尤其对0-10 cm 土层中土壤全磷影响较大。

2.2.2 对高寒草原土壤速效养分的影响

图 5 氮磷合施对土壤速效养分的影响Figure 5 Effects of combined nitrogen and phosphorus application on soil available nutrients

不同梯度氮磷合施能显著增加高寒草原土壤养分中速效磷的含量(图5)。在0-10 cm 土层中土壤速效磷含量在不同施肥区间均呈一直上升的趋势，在10-20 cm 土层中，在N 施量为35、70 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，土壤速效磷含量呈先上升后下降的趋势，在N 施量为140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，土壤速效磷含量呈一直上升的趋势，在20-30 cm 土层中土壤速效磷含量在不同施肥区间均呈先上升后下降的趋势；除了N1P3、N2P1施肥处理，同一施肥处理不同土层间的土壤速效磷养分含量差异显著，且0-10 cm 土层中土壤速效磷养分含量最大，10-20 cm 土层次之、20 -30 cm 土层最低。

不同梯度氮磷合施下土壤铵态氮和硝态氮的含量整体亦有所增加(图5)。在0-10 cm 土层中，土壤铵态氮、硝态氮含量分别比对照高18.26%～114.68%、20.12%～262.40%，在10-20 cm 土层中，土壤铵态氮、硝态氮含量分别比对照高19.54%～77.32%、64.11%～306.85%，在20-30 cm土层中，土壤铵态氮、硝态氮含量分别比对照高3.22%～71.53%、2.35%～265.01%，不同梯度氮磷合施下，土壤铵态氮、硝态氮含量与对照相比均有显著性差异。在N 施量为140 kg·hm-2时，随着施磷量的增加，0-10 cm 土层中土壤铵态氮养分含量显著高于与10-20、20-30 cm 土层，其他施肥处理除了N1P3，均无显著性差异；同一施肥处理不同土层当中土壤硝态氮养分含量之间差异性显著，除了N2P2、N3P3施肥处理，0-10 cm土层中土壤硝态氮养分含量显著高于10-20 cm、20-30 cm 土层。氮磷合施对高寒草原0-30 cm土层中铵态氮、硝态氮含量的影响显著(P＜0.05)。

2.2.3 对高寒草原土壤pH、有机质的影响

不同梯度氮磷合施下，不同土层之间土壤pH 有一定的变化，但无显著差异(P ＞ 0.05) (表3)，其中0-10 cm 土层中土壤pH 最低，10-20 cm 土层中土壤pH 次之，20-30 cm 土层中pH 最高，且0-30 cm 土 层 中 土 壤 酸 碱 度 均 为 碱 性, N3P1、N3P3施肥处理下，0-10 cm 与20-30 cm 土层中土壤pH 差异显著，其他同一施肥处理不同土层当中土壤pH 之间差异性并不显著；不同梯度氮磷合施下，不同土层之间土壤有机质含量差异显著(P ＜0.05)，其变化规律与土壤pH 相反，其中0-10 cm土层中土壤有机质含量最高，10-20 cm 土层中土壤有机质含量次之，20-30 cm 土层中土壤有机质含量最低，同一施肥处理不同土层当中土壤有机质含量之间差异显著。说明氮磷合施对高寒草原不同施肥处理下不同土层中土壤pH 无显著影响，而对土壤有机质含量的影响较显著。

表 3 氮磷合施对土壤pH、有机质含量的影响Table 3 Effects of combined nitrogen and phosphorus application on soil pH and organic matter content

3 讨论与结论

天然草地由于过度放牧和大量刈割牧草的利用，造成天然草地土壤-植物系统内物质和能量归还减少；牲畜粪便被牧民当作燃料拣拾，并未全部用来补充土壤中丢失的营养物质；再加上青藏高原气候干旱，降水量较少，通过雨水补给土壤的营养元素量有限，这些因素打破了草地生态系统内部土壤与植物间原有营养元素的平衡，造成高寒草原土壤肥力降低，生产力下降。研究表明，在天然草地改良技术当中，效果最好的是施肥，其次是灌溉，最后为补播[5,24]。

通过草地施肥能够增加土壤中营养元素含量，提高牧草产量，增加牧草体内粗蛋白的含量，降低纤维素含量，提升牧草品质[5]。本研究中，氮磷合施下粗蛋白含量呈抛物线增长趋势，牧草粗蛋白含量总体有所增加，其中氮元素施量为140 kg·hm-2，磷元素施量为52 kg·hm-2时，粗蛋白含量最高，超过此施肥区间粗蛋白含量反而降低，这一规律与王伟和德科加[6]在称多县高寒草甸的研究结果一致。这可能是由于牧草粗蛋白质含量是以牧草体内全氮含量为计量标准，而氮磷合施增加了土壤中可供牧草吸收利用的速效氮含量，因此牧草体氮元素营养含量升高，粗蛋白含量也随之升高，由此可见牧草体内粗蛋白含量与高寒草地土壤当中速效氮含量正相关[25]。随着氮肥和磷肥用量的增加，不同种类豆科植物数量显著增加，而豆科品种本身的粗蛋白含量比禾本科高，而粗纤维含量较低，进而提高了牧草品质[26]。粗脂肪能促进脂质化合物的形成，提高脂肪含量，供应牧草所需热量，本研究中粗脂肪随着氮磷合施用量的增加而增加，这与卡着才让等[27]的“施肥只是增加了牧草氮素，而并没有增加牧草其他养分含量”的结论不一致。适量的施肥能够提高牧草体内粗蛋白降低粗纤维含量，但施肥过量营养元素的利用效率反而降低，进而影响牧草植物体内营养物质含量[28]。

氮磷营养元素在土壤中的现存量可决定土壤肥力的高低[10,29]。不同梯度氮磷合施下，高寒草原土壤全氮全磷的含量整体有所增加，但与速效养分相比，其增长速度偏低，究其原因可能是高寒草原施肥影响了土壤微生物的活性，加速了其对土壤全氮全磷的分解[11-12]，亦或许是因为草地植物在氮磷营养元素的作用下快速生长，对土壤中氮磷营养元素消耗速度加速，所以土壤全氮全磷含量整体变化幅度不大[13,30-32]。不同梯度氮磷合施对土壤中速效养分的含量亦有显著影响，有研究表明施肥显著提高土壤中氨态氮、硝态氮及硝化速率，导致土壤中速效养分季节性变化明显[33]。氮磷合施对0-30 cm 土壤中营养元素有一定的影响，尤其对0-10 cm 土壤中氮磷的含量影响较大，说明氮磷合施后土壤养分呈现向表层土壤聚集的趋势[34]。在内蒙古多伦县的施肥研究表明，草地土壤养分对施肥有一定的响应，并且靠近地面表层土壤氮磷营养元素均有一定程度的提高，尤其是全磷和速效磷的含量[35]。也有一些研究表明，施肥反而降低在10 cm 以下的土壤的营养元素的含量[36]。随着施肥量的增加，土壤中的量养分和速效养分达到一定值之后，施肥量再增加，土壤中营养元素的含量并没有明显变化，甚至出现下降的趋势，并且施肥过量，土壤中氮磷累积过多，反而不利于植物的生长，甚至污染环境[37]。

综上，氮磷合施显著增加了牧草粗蛋白和牧草全磷含量，而牧草粗纤维的含量随之降低，对牧草粗脂肪和粗灰分含量的增加起到促进作用。氮磷合施增加了土壤养分中全氮、全磷、速效磷、氨态氮和硝态氮含量，尤其对0-10 cm 土层中土壤营养元素的影响较大。综合考虑，环湖区域高寒草原牧草适宜施肥区间为氮元素施量为70～140 kg·hm-2，磷元素施量为26～52 kg·hm-2。本研究将陆续开展多年施肥，并将考虑不同氮素形态的合理搭配的问题，进一步探讨高寒草原牧草与土壤对氮磷的响应，进而提高营养元素资源的利用率和草地生产力。