氮磷钾肥配施对草原植物群落生物量的影响

王革平

(乌兰察布市草原工作站，内蒙古 集宁 012000)

1 引言

近年来全球气候变暖以及草原过度放牧等因素造成草原植物群落退化[1]，自然生态系统稳定性逐步下降。针对这一问题，国家政府提出短期休牧以及围栏封育等措施[2]，这虽然在一定程度上能够提升草原植物群落的有效利用度，但考虑到草原大面积植物群落退化后的恢复时间较长[3]，当前急需解决的问题是提升草原土壤肥力、优化草原植物群落结构[4]。作为改善植物退化、维护草原植物资源的主要方式之一，施肥能够有效保障草原生态系统内的养分均衡[5]，科学有效的草原施肥方式能够提升草原植物群落的生物量与质量，恢复并提升草原生产力。有关草原施肥的研究，目前为止大多集中在施肥对植物群落生物量的影响及对土壤的影响两个方面，刘永万等[6]研究了不同氮磷肥对草甸的影响，结果显示施肥量同草甸生物量间具有非线性正相关关系；王玉冰等[7]的研究结果表明，氮磷肥配施能够提升轻度退化草原群落的地上生物量；李小茹等[8]通过对比研究发现，氮肥施用量达到一定量的条件下草甸群落地上生物量明显提升。以上研究结果说明，当前施肥对草甸群落生物量的影响与最佳施肥配比等方面的研究结论并不一致，基于此进行了氮磷钾肥配施对草原植物群落生物量影响的研究，以期为草原科学施肥提供数据支持。

2 材料与方法

2.1 研究区域自然概况

研究在河北省张家口市北部坝上高原塞北管理区草原进行。研究区域平均海拔1400m以上，年平均温度高于1.5℃,年平均降水量295mm以上，年蒸发量与年均风速分别大于1775mm和4.2m/s，无霜期100d以上,年均大风日数超过50d；土壤主要类型为栗钙土和草甸土[9]，pH值7.25±0.25,有机质含量2.5%；草甸草原植被，植物长势良好，群落整体盖度达到82±12%，建群种羊草在全部植物类别中占60%以上，其他植物以糙隐子草、扁蓿豆、华北岩黄芪等优良牧草和南牡蒿、二裂委陵菜、阿尔泰狗娃花等杂草为主。

2.2 试验设计

在选定研究区域内选取面积为1万m2(100m×100m)、植物长势大致相同、地势平坦、周边环境开阔的草地为研究样地，采用三因素三水平正交实验设计[10]，共设定十种氮磷钾肥配施处理(表1)，其中处理1为对照，即氮磷钾肥配比均为0。以面积9m2(3m×3m)划分样地区域，设定不同区域的间隔为1m，共划分30个样地区域。以3个样地为一组，采用一种氮磷钾肥配施处理，测试结果取均值。

表1 氮磷钾肥配比施肥处理设计方案

在研究区域草地生长旺盛的7月上旬，依照表1所示十种处理设计的氮磷钾肥的配施量，将提前确定好的氮肥(主要养分形态为尿素CO(NH2)2，含氮量47%)、磷肥(主要养分形态为磷酸一钙Ca(H2PO4)2·H2O，含磷量13%)和钾肥(主要养分形态为硫酸钾K2SO4，含钾量51%)均匀混合，选择晴天或雨天的傍晚一次性均匀地撒施到30个样地区域。

2.3 测定项目

2.3.1植物特征测定

2.3.1.1盖度测定

植物盖度所描述的是植物地上部分占地面部分的投影面积[11]，通常将植物盖度分为总盖度与分盖度两种。在测量草原植物盖度的过程中，以估测的方法确定十种氮磷钾肥配施处理各样地区域内植物群落的盖度，将所估测的结果记录在对应表格区域中。

2.3.1.2密度测定

植物密度测定主要方式有两种，分别是估测法和计数法。为提升植物密度测定结果的精度，选取计算法分别测定十种氮磷钾肥配施处理各样地区域内植物群落的密度，将所获取的结果记录在对应表格区域中。

2.3.1.3高度测定

植物高度测定内容有两种，分别是植物生殖高度与自然高度，两者分别描述的是植物个体的生殖器本体高度和植物个体最高部位与地面的垂直高度[12]。在进行植物高度测定过程中，利用直尺分别测量不同植物种类的自然高度，将所获取的结果记录在对应表格区域中。

2.3.2生物量测定

2.3.2.1地上生物量

在草原植物生长盛期的8月下旬，采用收割法[13]在各样地区域内任意选取1.8m×0.8m样方采集地面上部植物样本。依照动物适口性将所采集的地面上部植物样本划分为三种不同植物类群：豆科类、禾本科类及杂类草类。利用电子计量秤分别检测不同植物类群样本在新采集状态下的鲜重，将三种不同植物类群采集样本的鲜重相加，获取草原植物群落样本鲜重。将三种不同植物类群采集样本分别置入烘箱内，设定烘箱温度为80℃，令三种不同植物类群采集样本质量分别达到恒重。取出三种不同植物类群采集样本，采用相同方式获取草原植物群落样本干重。

2.3.2.2地下生物量

在利用收割法采集地面上部植样本的同时，在各样地区域内依照梅花形布点[14]，利用土钻，以8cm厚度为分界线，分别采集地下三层土壤样品(土壤表层至土壤下8cm之间为土壤一层；土壤下8cm至土壤下16cm之间为土壤二层；土壤下16cm至土壤下24cm之间为土壤三层)。利用清水冲洗所采集的土壤样品后，将剩余物质置入烘箱内，设定烘箱温度为70℃，至剩余物质质量恒定后取出，分别进行重量计算，通过求和得到植物总根重。

2.4 计算方法

2.4.1草原植物群落重要值计算

草原植物群落重要值采用如下公式计算：

(1)

式中，i表示草原植物群落类型；G、D和M分别表示草原植物群落的相对盖度、相对高度和相对密度。

2.4.2草原植物群落种类多样性计算

草原植物群落种类多样性可通过物种丰富度指数、多样性指数、优势度指数和均匀度指数来描述[15]。

物种丰富度指数计算公式如下：

(2)

多样性指数计算公式如下：

H=-∑Ziln(Zi)

(3)

优势度指数计算公式如下：

C=1-∑(Zi)2

(4)

均匀度指数计算公式如下：

(5)

式中，Y和N分别表示草原植物群落物种数目和全部物种个体总数;Zi表示相对重要性。

2.5 数据分析

选取SAS 9.2统计分析软件分别对草原植物群落物种植物高度、地上生物量、地下生物量、重要值计算结果与多样性计算结果实施单因素8水平设计一元定量资料差异性检验；利用SAS 9.2统计分析软件完成熵值法综合评估十种氮磷钾肥配施处理对草原植物群落生物量的影响，选取最优氮磷钾肥配施处理组合。

3 结果与分析

3.1 氮磷钾肥配施对草原植物地上生物量的影响

氮磷钾肥配施对草原植物地上生物量的影响见表2、表3。其中，同列数据标不同小写字母表示差异显著，P值小于0.05。

表2 氮磷钾肥配施对草原植物地上生物量的影响

表3 氮磷钾肥配施下草原植物地上生物量估算边际均值

从表2看出，在十种配施处理中，处理7(氮肥∶磷肥∶钾肥=360kg/hm2∶70kg/hm2∶70kg/hm2)研究区域的豆科鲜重(612.84±6.28g/m2)、杂类草鲜重(364.98±1.84g/m2)、牧草鲜重(985.40±8.87g/m2)、杂类草干重(114.31±0.80g/m2)、牧草干重(359.26±1.82g/m2)均最大；处理5(氮肥∶磷肥∶钾肥=110kg/hm2∶180kg/hm2∶180kg/hm2)研究区域的豆科干重(250.18±1.28g/m2)、禾本科鲜重(18.71±1.83g/m2)与禾本科干重(9.71±0.54g/m2)均最大。

从表3看出，当氮肥配施量在110kg/hm2的条件下，禾本科鲜重(12.23kg/hm2)、杂类草鲜重(263.51kg/hm2)、禾本科干重(5.43kg/hm2)与杂类草干重(75.23kg/hm2)均最大；当磷肥与钾肥配施量在120kg/hm2的条件下，牧草鲜重(785.13kg/hm2)、豆科鲜重(558.43kg/hm2)与豆科干重(226.59kg/hm2)均达到最大；当磷肥配施量在180kg/hm2的条件下，植物群落的牧草干重(297.53kg/hm2)达到最大。

3.2 氮磷钾肥配施对草原植物地下生物量的影响

氮磷钾肥配施对草原植物地下生物量的影响见表4、表5。其中，同列数据标不同字母表示差异显著，P值小于0.05。

表4 氮磷钾肥配施下草原植物地下生物量

表5 氮磷钾肥配施下草原植物地下生物量估算边际均值

表4显示，不同氮磷钾肥配施下土壤一层内地下生物量差异不显著，处理9(氮肥∶磷肥∶钾肥=360kg/hm2∶180kg/hm2∶70kg/hm2)所得总生物量最大(47.13±1.21g/m2)；处理6(氮肥∶磷肥∶钾肥=260kg/hm2∶120kg/hm2∶120kg/hm2)土壤一层生物量最大(37.24±0.36g/m2)。不同氮磷钾肥配施处理的总生物量和一层生物量均明显高于对照，差异较为显著。处理3(氮肥∶磷肥∶钾肥=110kg/hm2∶70kg/hm2∶180kg/hm2)土壤二层生物量最大(15.51±0.20g/m2)，但与处理9和处理10相比差异不显著，而与其他处理相比差异达显著水平。处理10土壤三层生物量最大(3.58±0.36g/m2)，但与对照相比差异不显著，同其他处理相比差异显著，P值小于0.05。表5表明，不同氮磷钾肥配施处理土层深度与草原植物地下生物量(根量)之间表现为反比关系，即土层深度越大草原植物地下生物量越小。

4 结论

氮磷钾肥配施是提升草原植物群落生物量的有效措施。本研究氮磷钾肥配施对草原植物群落生物量影响的研究结果显示：与磷肥和钾肥相比，氮肥对禾本科植物群落的影响程度更高；相反，与氮肥相比，磷肥和钾肥对豆科植物群落以及杂类草植物群落的影响程度更高。氮磷钾肥配施可改善单纯氮肥对草原植物群落生产产生的消极影响，提升草原植物群落地上生物量和地下生物量。