添加氮素对退化高寒草地植被及营养品质的影响

王玉琴， 宋梅玲， 王宏生， 尹亚丽， 马玉寿

(省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室， 青海大学畜牧兽医科学院， 青海 西宁810016)

高寒草地是分布最广的植物生态系统，草地面积约为0.7亿hm2，占青藏高原整体草地面积的49%[1]。目前，由于人为因素(如：过度放牧)和自然因素(如：全球气候变化)的共同影响，90%高寒草地有不同程度的退化，局部地区退化尤堪[2]，以至于草地植被结构发生变化，不仅是生物多样性逐年下降，生产力也同步降低。合理、平衡施肥是保护草地资源、维持草地生态系统养分平衡、恢复退化草地的重要措施之一[3]。在草地管理中，施肥一方面能补充土壤损失的营养物质，加速植物生长，提高草地初级生产力，改善牧草的营养品质[4-6]；另一方面如果肥量充足以及周围环境适宜，施肥能增加优良牧草在群落中的比例，增强其竞争力，并缩短群落的演替阶段，改变群落结构，同时可以提高草地土壤肥力[7-9]。但施肥对草地的影响可能存在一个响应阈值，超过这个阈值就会出现物种减少，多样性降低的现象[9-10]，因此，确定合理的施肥措施对维系草地生态系统的可持续发展以及建立持续生产的施肥模式具有重要意义。

氮素是植物生长发育必需的大量营养元素之一，施氮肥能够增加土壤中的有效氮，刺激植物的生长，增加植物和土壤中有机碳的积累[11]。虽然青藏高原土壤中储存着大量的氮素，但由于温度的限制，氮素的矿化率较低，这在一定程度上影响植物的生长发育。因此，众多学者就施氮肥对退化草地群落的影响展开了大量研究，如曹文侠等[12]研究表明，施氮显著增加各功能群的高度，增加了优良牧草的群落生物量，并不同程度提高了禾本科、莎草科和杂类草的粗蛋白含量。曹丰丰等[13]研究显示氮添加有助于提高禾本科和莎草科的生产力，进而提高群落生产力，但其他科的植物会被逐渐替代，导致群落植物物种多样性降低。祁瑜等[14]试验表明在温带草地上施氮可显著促进禾本科植物生物量的积累，并使其生物量分配格局发生显著改变。李文娇等[15]研究表明随着施氮水平的增加，群落植物物种多样性呈先增加后减小的“单峰”变化趋势。因此，土壤氮素供应水平直接制约着牧草的生产量，是草原生态系统初级生产力高低的主要限制性生态因子，研究氮素添加可以在退化草地生态系统的恢复方面起到一定的作用。同时，由于过多的氮输入将使生态系统达到氮饱和状态[16]，破坏草地生态系统原有的能量流动和物质循环，输入到草地生态系统中氮的最适宜量以及植物对氮素的利用情况并未形成统一结论[11-15]，因此，本研究采用不同施氮水平，研究了添加氮素对高寒退化草地群落物种多样性，生产力及牧草品质的影响，探讨添加氮素对草地群落结构、地上生物量以及牧草营养品质的影响，确定适用于高寒退化草地植被恢复的最佳施肥量，以期为退化高寒草地的恢复管理提供理论数据和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验点位于青海省海北藏族自治州海晏县青海湖乡达玉德吉村(37°4′1″N，100°52′48″E)，海拔3 240 m左右，属高原大陆性气候，春季干旱多风，夏季凉爽短促，冬季寒冷漫长。年均气温0.20～3.4℃。年均降水量277.8～499.5 mm。年均日照2 580～2 750 h，年蒸发量为1 400 mm左右，降水多集中在5—9月份，无绝对无霜期。草地类型以草甸化草原为主，以线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)为主要建群种，伴生种为高原早熟禾(Poaalpigena)、狼毒(Stellerachamaejasme)、中华羊茅(Festucasinensis)、萹蓿豆(Melilotoidesruthenica)等，土壤以高山草甸土为主。

1.2 样地设置及植被调查

2016年6月在海晏县青海湖乡达玉德吉村的天然退化草场上，采用网围栏建立平行全年禁牧试验区4个，面积均为80 m×80 m，并在每个试验区内选取植被分布较为均匀、地势较为平坦的区域，设置20 m×7 m的小区进行施肥(尿素含N量为46%)试验，每小区间间隔3 m，各小区用木桩标记四角，每个小区重复3次。依据该区域相同类型草地的施肥量以及前人的研究[17-18]，施肥量(纯N)设为0，10，20，30，40 kg·hm-25个梯度，分别记为N0，N1，N2，N3，N4。氮素于2016年6月中下旬一次性施入，并分别于2017，2018年8月，在每个小区随机选取3个样方(0.5 m×0.5 m)，统计样方内出现的植物种类，分种测定植物高度、盖度，并分种收获样方内出现的牧草在烘箱中105℃杀青30 min，再在65℃下烘干24 h，称量各物种的地上生物量[19]。

根据下列公式对各处理进行物种多样性分析。

物种重要值(Ni)=(相对高度+相对盖度+相对生物量)/3

(1)

(2)

(3)

(4)

物种丰富度指数(S)=物种数；

式中，S为样地样方的平均物种数；B为群落的总物种数；Pi=Ni/N，Pi代表物种i的相对重要值，N代表样方各物种重要值总和，Ni代表样方内第i物种的重要值[19]。

1.3 牧草品质测定

在每个处理小区内选取植物分布较均匀一致的地方，将植物齐地刈割取混合草样1 500 g带回实验室，并置于阴凉处风干，将风干植物样品粉碎后进行粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维等的测定。其中，粗蛋白含量采用凯氏定氮法、粗脂肪使用索氏乙醚浸提法、粗灰分含量的测定采用直接灼烧法、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维采用酸碱消煮法进行测定[20]。

1.4 数据分析处理

运用SPSS 22.0软件对同一年份不同处理间的地上生物量、多样性指数及植物养分含量进行了单因素方差分析以及对相同处理不同年份间的地上生物量、多样性指数及植物养分含量进行了独立样本T检验，不同年份下添加氮素对草地多样性，地上生物量以及植物养分含量等的影响采用重复度量方差分析方法进行检验，显著性区间定义为95%水平。同时通过因子分析确定参评牧草生物量及营养指标主成分特征值和特征向量，根据主成分累计贡献率，选择关键主成分，计算各主成分得分，再利用综合得分公式求出各施氮水平牧草生物量及营养综合分值，进行主成分分析。绘图采用Sigma Plot 12.5软件。

2 结果与分析

2.1 添加氮素对草地群落及生产力的影响

不同施氮水平对草地群落总物种数的影响如图1所示，2018年各施肥水平的总物种数比2017年均有所降低，在2017年和2018年物种数最高的均为N0，分别为41种和33种，其次分别为N4(40种)和N2(32种)。

图1 不同施氮水平总物种数的变化

不同施氮水平对草地群落的香农威纳指数、优势度指数、均匀度指数和物种丰富度指数也产生不同程度的影响，各施肥水平的香农威纳指数、均匀度指数、丰富度指数以及优势度指数在2017年均高于2018年(图2)。2017年香农威纳指数在各施肥水平变化不明显，2018年香农威纳指数大小变化为N1>N4>N0>N2>N3，各施肥水平的香农威纳指数均为2017年显著高于2018年(P<0.05)。2017年的均匀度变化为N3最高，显著高于N4，2018年的均匀度指数变化规律与优势度指数变化相同，也是N4显著高于N3(P<0.05)，但与N0，N1，N2差异不显著。物种丰富度指数在2017年表现为N4>N0>N2>N1>N3，且N4显著高于N3，2018年大小为N1>N0>N4>N2>N3，但各施肥水平间差异不显著。优势度指数2017年最高的是N1，其次为N3，而2018年最高的为N4，且N4显著高于N3(P<0.05)。年份对草地多样性产生了显著影响(P<0.001)，而施氮水平对草地多样性影响不显著，且年份和施氮水平二者之间无显著交互作用(表1)。

表1 不同施氮水平在不同年份对草地多样性的重复度量方差分析结果

图2 不同施氮水平下植物群落物种多样性指数

不同施氮水平下牧草地上生物量变化如图3所示。对于总地上生物量来说，2017年的大小依次为N3>N4>N1>N2>N0，且N3和N4水平显著高N0(P<0.05)；2018年的大小依次为N4>N3>N1>N2>N0，但各施氮水平差异不显著。施氮水平不同，各功能群的地上生物量也有所差异。2017年各功能群的地上生物量最高的施氮水平分别为禾本科为N4，莎草科为N3，豆科为N1，杂类草为N3。2018年各功能群地上生物量最高的施氮水平禾本科为N3，莎草科为N1，豆科为N1，且N1显著高于N3(P<0.05)，杂类草为N2，各水平间差异均不显著。另外，同一施氮水平2年间各功能群地上生物量在各水平上差异都不显著。年份对杂类草生物量的影响显著(P<0.05)，施氮水平对总生物量以及豆科生物量影响显著(P<0.05)，但二者之间没有显著的交互作用(表2)。

图3 不同施氮水平对草地群落地上生物量的影响

表2 不同施氮水平在不同年份对地上生物量的重复度量方差分析结果

2.2 添加氮素对牧草营养品质的影响

各施氮水平牧草营养成分分析结果表明(图4)，2017年和2018年各施氮水平间牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分以及酸性洗涤纤维含量均没有显著差异，2018年牧草粗蛋白、粗脂肪以及中性洗涤纤维含量比2017年增加，而粗灰分和酸性洗涤纤维含量比2017年降低。中性洗涤纤维含量在2018年表现为N0>N1>N4>N3>N2，且N0，N1和N2之间差异均显著(P<0.05)。2017年N1水平的粗灰分和N0，N3，N4的酸性洗涤纤维含量显著高于2018年(P<0.05)。2018年N1，N2，N4处理中牧草粗蛋白含量，各施氮水平的粗脂肪含量以及N0，N4的中性洗涤纤维含量显著高于2017年处理(P<0.05)。施氮水平对牧草营养成分没有显著影响，施氮年份对牧草营养成分产生显著影响(P<0.05)，但是施氮水平与施氮年份对于牧草各营养成分均未产生明显的交互作用(表3)。

图4 不同施氮水平下牧草营养成分分析

表3 不同施氮水平在不同年份对牧草营养成分的重复度量方差分析结果

将总生物量换算为每平方米牧草所含营养物质含量得到(图5)，各施氮水平在2018年的粗蛋白和粗脂肪含量均比2017年显著增加，而牧草的粗灰分含量在N0，N2，N3水平显著降低，酸性洗涤纤维含量在N2，N3水平显著降低(P<0.05)。2017年牧草酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量在各水平间变化一致，均为施氮显著高于不施氮。2018年各施肥水平牧草粗蛋白含量变化明显，随着氮素水平的增高，粗蛋白含量呈增加趋势，且N4，N3水平的粗蛋白含量显著高于N0，N1水平(P<0.05)，且相对于N0水平，N4，N3，N2和N1水平粗蛋白含量分别提高了41.55%，24.09%，19.76%以及17.39%，牧草蛋白增加显著。

图5 不同施氮水平下牧草营养物质含量的变化

2.3 草地生产力与牧草营养的主成分分析

由表4可知，提取2个主成分，粗蛋白、总地上生物量，粗灰分在第1主成分上具有较高载荷，说明第一主成分基本反映了这3个指标信息；粗脂肪在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分反应了粗脂肪的信息。通过计算主成分综合模型，并按F值大小对各施肥措施进行排序(表5)得到，第1主成分上的得分最高的是N4，其次为N3，在第2主成分上得分最高的是N0，其次为N4，在综合评分排列顺序为N4>N3>N2>N1>N0。

表4 不同施氮水平下牧草营养的主成分载荷矩阵及特征向量

表5 不同施氮水平的主成分综合得分及其排序

3 讨论

草地生态系统的可持续发展和草地生产力的维持在很大程度上依赖于草地植物群落的物种多样性，而施肥在一定程度上影响了群落构建的变化[21]，同时，不同植物对不同肥料的吸收转化不同，使得群落特性发生不同的变化[22]。本研究中不同施氮水平下，随着年份的增加，草地群落物种数以及草地群落多样性指数均有所降低，但各施氮水平间差异不明显。同时，随着施氮量的增加，草地的群落多样性指数均呈先增加后降低的趋势，且在施肥量较低时，多样性指数相对较高，这与持续增加土壤肥力或增加有效营养会降低植物群落的多样性研究[23-24]结果一致。景美玲等[17]添加尿素后连续两年观测，草地群落的物种丰富度、均匀度指数、多样性指数均会有所降低，特别是在第二年添加300 kg·hm-2以上的尿素时对物种的丰富度和多样性指数均有显著降低作用。陈亚明等[25]研究也发现随着施肥梯度的增加，草地物种多样性、物种丰富度和相关指数均表现为显著降低。这可能是施肥导致植物地下竞争增强，并且消除了资源的限制，优势牧草在资源竞争中取得了优势，占据了大量的空间和可利用资源，增强了其地上的竞争优势，尤其是光竞争优势，抑制了其他牧草对空间和资源的利用，限制其增长，从而导致物种减少，随之物种的丰富度有所降低，物种数也有所降低，多样性指数也随之下降。

植物生物量不仅是生态系统结构和功能的基础，也是群落结构和功能的主要评价指标之一[26]，也可以反映退化草地的恢复效果[27-28]。在本研究中2年的数据均为施氮后草地总地上生物量、禾本科和莎草科地上生物量比不施氮的草地高，说明施氮肥对提高草地生产力有一定的作用。同时，随着施肥量的增加，草地群落地上总生物量、禾本科和莎草科地上生物量也逐渐增加，且在30～40 kg·hm-2范围内差异不显著，豆科和杂类草生物量表现为先升高后降低的趋势，以及狼毒生物量表现为先降低后升高的趋势，这说明氮素添加在一定范围内可以提高草地生产力。Gough等[29]和Wang等[9]的研究表明草地施肥在提高草地生产力的同时，也会减少植物群落物种数量，降低物种多样性，这也可以解释在2018年各施氮水平的总地上生物量及各功能群地上生物量均较2017年有相应程度的降低的原因。另外，Bowman等[30]和宗宁等[31]的研究发现单纯施氮肥未显著改变群落盖度、物种多样性和植物生产力，这可能是由于样地选择和群落结构差异所致。

草地施肥通过增加土壤表层的土壤肥力，改善草地群落结构，恢复草地生产力，还改善草地植物的营养品质[32]。营养品质的高低是评价牧草是否优良的重要指标[33]，粗蛋白含量是评价牧草营养价值的重要指标，其含量高则表明牧草营养品质较高，而纤维含量，尤其是酸性洗涤纤维含量较高，表明牧草可消化养分低，品质下降[34-35]。本研究中对牧草营养成分进行分析得到2018年各施氮水平的牧草的粗蛋白和粗脂肪含量也较2017年明显增加，而粗灰分及纤维含量较2017年降低，说明施氮肥有利于提高牧草营养品质。将牧草营养成分经过换算之后得到单位面积的牧草粗蛋白含量在N4水平最高，其次是N3水平，其余指标差异不显著。通过对相关数据进行主成分分析以及结合草地群落多样性和草地生产力，草地群落多样性随着施氮水平的增高均呈先降低后增加的趋势，且在N4水平有所回升，而草地总生物量、禾本科及莎草科生物量在N3水平就有所回升，且N3和N4差异不显著，因此将该高寒退化草地的施肥量初步定为30 ～40 kg·hm-2。另外，有研究分析认为高寒草地群落结构可能是受土壤中氮磷含量的共同控制，而不仅仅是氮素的缺乏[26,30]，因此，对于除氮肥之外的其他肥料是否在高寒退化草地恢复过程中起一定作用有待进一步研究。

同时，在本研究中添加氮素是在围栏封育的基础上进行的，而围栏封育作为退化草地生态系统修复的主要措施，在群落物种多样性[36]、土壤养分循环[37-38]、植物生产力[31,39]等方面均对草地群落产生重要影响，但围封只是在一定时期内可改善退化高寒草地的植物群落结构促进其恢复演替[40]，随着围封年限增加，越来越多的研究发现，长时间围封可导致草地植物多样性和生产力下降，不利于牧草的正常生长发育反而会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年各处理的物种数、草地群落多样性以及地上生物量与第2年相比下降明显，这可能是由于围封时间较长，降低了植物多样性和草地生产力，因此，对于本研究中的退化草地在围封2～3年后就应该对草地进行适度利用，这样才能保证草地的可持续利用。

4 结论

添加氮素可以提高草地生产力，但随着施氮水平的增加，草地群落多样性有所降低，氮素的添加显著提高了牧草的营养品质。在围栏封育的2～3年的基础上，可以考虑30～40 kg·hm-2氮素施用量作为高寒退化草地的恢复的合适施肥剂量。