于 兵， 吳克寧

[1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100083]

氮是植物生長的必需元素，植物的一生需要吸收大量的土壤氮素。施肥是改良草地的有效措施之一，可有效提高草地生產(chǎn)力。章學(xué)梅等通過對冷季型混播草坪的施肥研究發(fā)現(xiàn)，年施氮量為25 g/m2較合適[1]。韓建國等通過研究施肥對早熟禾(Poapretensis)草地土壤中硝態(tài)氮含量的影響，發(fā)現(xiàn)0～20 cm土層中硝態(tài)氮的含量受施肥影響最大，并且與肥料類型、施肥次數(shù)以及肥料量有關(guān)[2]。

草原對大自然保護有很大作用，它不僅是重要的地理屏障，而且也是阻止沙漠蔓延的天然防線，起著生態(tài)屏障作用。另外，它也是人類發(fā)展畜牧業(yè)的天然基地。草原退化、堿化和沙化、氣候惡化以及嚴(yán)重的鼠害等一系列生態(tài)問題，在全國絕大多數(shù)草原均不同程度地存在著，這是人類對草原不合理利用所造成的生態(tài)惡果。草原退化的標(biāo)志之一是產(chǎn)草量的下降。據(jù)調(diào)查，全國各類草原的牧草產(chǎn)量普遍比20世紀(jì)50～60年代下降30%～50%。如新疆烏魯木齊縣，1965年草場平均產(chǎn)草量為1 275 kg/hm2，到1982年已降至795 kg/hm2，平均每年減少22.5 kg/hm2。草原退化的標(biāo)志之二是牧草質(zhì)量上的變化，可食性牧草減少，毒草和雜草增加，使牧場的使用價值下降。例如，在青海果洛地區(qū)，草原退化前雜、毒草僅占全部草量的19%～31%，退化后增加到30%～50%，優(yōu)質(zhì)牧草則由33%～51%下降到4%～19%。草原退化，植被疏落，導(dǎo)致氣候惡化，許多地方的大風(fēng)天氣和沙暴次數(shù)逐漸增加。氣候的惡化又促進了草原的退化和沙化過程。我國是世界上沙漠化受害最重的國家之一。我國北方地區(qū)沙漠化面積已近18萬km2，從20世紀(jì)50年代末到20世紀(jì)70年代末的20年間，因沙漠化已喪失了3.9萬km2的土地資源。草原鼠害也日益嚴(yán)重，據(jù)1982年全國草原滅鼠會議反映，全國草原牧區(qū)受鼠害面積達6 600萬hm2，有的草場鼠洞密度多達 24 600個/hm2以上，使草場完全被破壞而失去使用價值。據(jù)估計，全國每年因鼠害損失的牧草約有500萬t，直接經(jīng)濟損失有十幾億元。鼠害的發(fā)生既是草原生態(tài)系統(tǒng)平衡失調(diào)的惡果，也是造成草原生態(tài)環(huán)境進一步惡化的原因之一。

建立圍欄，實行分區(qū)輪放，合理利用草場等，都是已被證明的保護和恢復(fù)草原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的有效措施。根據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所的預(yù)測，若不能盡早改進目前牧業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營方針，在今后的15年內(nèi)，內(nèi)蒙古全區(qū)草原產(chǎn)草量年平均下降率可達2.3%。另外，從長遠考慮，通過技術(shù)改造和適當(dāng)增加投資，實行集中化經(jīng)營的草業(yè)，其經(jīng)濟效益更大。在畜牧業(yè)要發(fā)展、草原生態(tài)環(huán)境要保護的情況下，必須要以人工草地和種植飼料來獲得高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。目前我國人工草場的面積僅占草原總面積的0.4%，只是美俄等國的4%。而據(jù)專家們的估計，種植牧草0.5%～1%，可增加全部生產(chǎn)能力的0.5～1.0倍?？梢姲l(fā)展人工種植牧草業(yè)是一項短期內(nèi)即可獲得巨大經(jīng)濟效益的措施，同時又利于草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。因此，必須加強對草原的合理利用和保護。

本研究通過對高寒草原生態(tài)系統(tǒng)進行不同施氮水平處理，研究不同功能群地上生物量和土壤無機氮含量對施氮的響應(yīng)，以期對草地改良提供理論指導(dǎo)，進而為草場合理的規(guī)劃利用提供建議。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與試驗地概況

試驗于2013年在青海剛察縣進行，剛察縣位于青海省東北部，海北藏族自治州西南部，青海湖北岸，介于99°20′44″～100°37′24″E、36°58′06″～38°04′04″N之間。剛察縣屬典型的高原大陸性氣候，日照時間長，晝夜溫差大；年降水量 370.5 mm，年蒸發(fā)量1 500.6～1 847.8 mm。冬季寒冷，夏秋溫涼，1月平均氣溫-17.5 ℃，7月平均氣溫11 ℃，年平均氣溫-0.6 ℃。該地區(qū)植被以紫花針茅為主[3-4]。

1.2 試驗處理

試驗設(shè)置8個氮梯度處理，施氮水平分別為0、1、2、4、8、16、24、32 g/m2，分別用N0(對照)、N1、N2、N4、N8、N16、N24、N32表示。采用田間隨機區(qū)組設(shè)計，每個處理5個重復(fù)，圖1為該試驗小區(qū)分布。氮肥形態(tài)為NH4NO3，分別于6月、7月、8月和9月每月月初人工噴施。

1.3 樣品采集

1.3.1 植物和土壤樣品采集 在8月20號左右，在每個小區(qū)收獲3個25 cm×25 cm樣方的植物，地上生物量的獲取采用直接收割法，采集植物地上部，烘干后稱質(zhì)量。在8月份的取樣中，采用根鉆(d=8 cm)采集0～100 cm深度的土樣樣品，每10 cm一層。將鮮土樣品過3 cm孔篩后，冷凍保存。

1.3.2 植物和土壤樣品指標(biāo)測定 土壤無機氮含量采用 0.01 mol/L CaCl2浸提，流動分析儀測定；土壤含水量采用烘干稱質(zhì)量法測定。

1.3.3 物種組成調(diào)查 在每個試驗單元的觀測區(qū)內(nèi)，設(shè)置1個1 m×1 m的非破壞性固定觀測樣方，其中設(shè)置100個 10 cm×10 cm的小方格，進行物種組成及蓋度觀測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 11.0軟件進行統(tǒng)計與分析，圖表采用Excel 2007進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮對不同功能群地上生物量的影響

從表1可以看出，不同植物功能群地上生物量對施氮的響應(yīng)不同。隨著施氮量的提高，禾本科植物生物量顯著增加(P<0.05)。其中，以N32(施氮水平32 g/m2)處理生物量最大，達110.3 g/m2，比對照增加了51.1 g/m2，在其他施氮處理下，禾本科生物量均有不同程度的增加。莎草科和雜草地上生物量對不同氮水平的響應(yīng)沒有明顯規(guī)律。與N0(對照)相比，N4和N8處理可明顯增加莎草科生物量；N2、N24、N32處理對莎草科生物量無顯著影響；N1、N16處理則明顯降低了莎草科生物量。隨著施氮量的增加，雜草生物量總體上呈現(xiàn)增加趨勢，N16處理增加效果最為顯著(P<0.05)，達 9.5 g/m2，與對照相比增加了4.9 g/m2。不同施氮處理均明顯促進植物地上部生長，其中，以N32處理對植物總生物量的增加效果最為顯著(P<0.05)，達121.3 g/m2，比對照增加了53.9 g/m2。綜合看，N1處理莎草科和雜草生物量較低，禾本科生物量較大，且禾本科生物量占總生物量的93.5%，這說明總生物量的增加是因為禾本科生物量的增加；N2處理莎草科生物量增加，雜草生物量有所降低，禾本科生物量降低，總生物量降低，說明總生物量的降低是因為禾本科生物量的降低。

表1 8月不同氮素梯度下的不同植物功能群生物量

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，每列中數(shù)字后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 施氮對土壤無機氮含量的影響

2.2.1 施氮對土壤硝態(tài)氮含量的影響 從圖2可以看出，與N0(對照)相比，各施氮處理在不同程度上增加了土壤硝態(tài)氮的含量。不同施氮處理土壤中硝態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為N32>N24>N16>N8>N1>N2>N4>N0，其中，N1、N2、N4、N8處理土壤硝態(tài)氮含量的增加不顯著(P<0.05)；N16、N24、N32處理顯著提高了土壤硝態(tài)氮的含量(P<0.05)。總體而言，土壤中硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加呈增加趨勢。

2.2.2 施氮對土壤銨態(tài)氮含量的影響 不同氮素梯度下土壤銨態(tài)氮含量變化的柱狀圖(圖3)顯示，各施氮處理土壤中銨態(tài)氮含量由大到小表現(xiàn)為N24>N16>N1>N32>N2>N4>N8>N0，說明各施氮處理均不同程度增加了土壤銨態(tài)氮含量，但是土壤銨態(tài)氮含量無明顯隨施氮量變化的規(guī)律。與N0(對照)相比，N4、N8處理對土壤中銨態(tài)氮含量影響不顯著(P<0.05)；N1、N2、N16、N24、N32處理對土壤中銨態(tài)氮含量增加效果較為顯著(P<0.05)， 其中N24處理對土壤中銨態(tài)氮的含量增加效果最為顯著(P<0.05)。綜上所述，施氮可以增加土壤銨態(tài)氮含量，但隨施氮量的增加，土壤銨態(tài)氮含量無明顯的變化規(guī)律。

2.3 不同土壤深度無機氮含量分布

如圖4所示，同一施氮水平下，硝態(tài)氮在表層土壤(0～20 cm)中含量最高，隨土層深度增加而減少。硝態(tài)氮在表層土壤(0～10 cm)中含量隨著施氮量的增加而增加。在N0、N1、N2、N4、N8施氮水平下，土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的加深而不斷降低，與N0(對照)相比，N1、N2、N4、N8對不同土層硝態(tài)氮含量影響不明顯。N16、N24、N32處理對土壤硝態(tài)氮含量影響明顯，且在土壤深度0～30 cm的含量較高，在土壤深度30～50 cm土壤硝態(tài)氮含量隨土壤深度的加深而不斷降低。這與8月份降水較多，土壤硝態(tài)氮明顯向下層土壤轉(zhuǎn)移有關(guān)。如圖5所示，土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層較低，隨土壤深度的加深土壤銨態(tài)氮含量不斷增加，但不同氮處理并沒有明顯影響各土層中銨態(tài)氮含量。

2.4 不同施氮處理土壤含水量隨土壤深度的變化

由圖6可以看出，土壤含水量隨著土壤深度的增加而下降。不同施氮處理條件下，土壤含水量隨土壤深度變化規(guī)律一致，在土壤深度0～20 cm范圍內(nèi)土壤含水量較高，土壤含水量隨土壤深度的加深而增加；在土壤深度20～50 cm，土壤含水量隨土壤深度的加深而減少，且在土壤深度50 cm時，各施肥處理的土壤含水量均最低。

2.5 土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量與地上總生物量的關(guān)系

如圖7所示，地上總生物量與土壤中硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，其中r2=0.660 9，P=0.014 1<0.05，達到顯著水平。地上總生物量與土壤中銨態(tài)氮含量沒有明顯相關(guān)性(圖8)。

3 討論

3.1 施氮對地上生物量的影響

本研究中，從草地禾本科、莎草科及雜草等生物量來看，N0(對照)處理顯著低于其他7個施氮處理(P<0.05)，說明適量施氮能明顯促進草地草的生長，這與韓建國等通過盆栽試驗得出的結(jié)論[5]一致，可以說明施氮能夠明顯增加草坪草的生長量。但是并不是施氮量越大，草坪長得越好，當(dāng)施氮量高于8 g/m2時，植物地上生長并不隨著施氮量的增加而增加。氮肥作為草地植物需求的大量元素，合理的氮素釋放效率可以供給草地正常生長所需的養(yǎng)分，氮素釋放不足或超過范圍都會導(dǎo)致莖葉的凈光合速率、呼吸速率及其他生理反應(yīng)相應(yīng)地降低，從而影響地上生物量[6-7]。高寒草原不同植物類群的地上生物量對增施氮肥的反應(yīng)不同，其中禾本科的反應(yīng)最大，雜草次之，莎草科變化最小。有研究表明，高寒凍原的相對干燥的草甸禾本科植物的豐富度在施氮后明顯增加，莎草科沒有明顯變化[8]。禾本科在土壤氮肥增加的狀態(tài)下生長茂盛，但在對照區(qū)生長穩(wěn)定，即可認為禾本科在養(yǎng)分充足下對養(yǎng)分的利用效率高，但在養(yǎng)分受限制甚至缺乏的條件下，對養(yǎng)分的競爭和適應(yīng)方面屬于“弱者”。當(dāng)養(yǎng)分停止增加或其他因素導(dǎo)致土壤養(yǎng)分不足時，禾本科生長則受到抑制。本研究中，雜草對增施氮肥的反應(yīng)不敏感，當(dāng)施氮量為1 g/m2時，雜草地上生物量明顯低于對照，說明施氮在促進禾本科生長的同時，在一定程度上相對抑制雜草的生長，這與沈振西等的研究結(jié)果[9]一致。以苔草為主的莎草科植物對施氮的不敏感性，使其得以在養(yǎng)分條件較好的環(huán)境中始終保持一定的穩(wěn)定性，一旦人為施肥停止或由于放牧等原因使養(yǎng)分資源受到限制時，莎草科的這種低養(yǎng)分的需求特性優(yōu)勢就會表現(xiàn)出來，這也就是為什么在中度放牧條件下莎草科會成為群落優(yōu)勢種的原因之一。

本研究是在野外條件下進行的控制試驗，對自然大氣降水無法控制，特別是近年來降水量及其季節(jié)性分配波動較大，降水量的變化肯定會對施氮效果產(chǎn)生影響，這是沈振西等證實過的結(jié)論[9]。但是本研究是針對2013年8月份數(shù)據(jù)，8月降水較多，土壤含水量較高，含水量隨著土壤深度的增加而下降。草原植物的優(yōu)勢種禾本科植物在6—7月處于旺盛生長階段，特別是施氮后(7月份)對水分的需求量較大，而此時降水量的多少以及分布是否均勻就很關(guān)鍵，直接影響施氮的效果，如土壤水分不足則易產(chǎn)生水分脅迫，加劇干旱的程度，從而影響植物對氮的吸收。但是本研究中8月降水較多，土壤含水量較高，因此對施氮的影響效果不明顯。適當(dāng)?shù)卦黾邮┓柿坑兄谔岣弑韺油寥赖暮?，同時可以明顯提高植株對深層土壤水分的吸收，水分也是該地區(qū)植物生長發(fā)育的主要限制因子。

3.2 施氮對土壤無機氮含量的影響

土壤中無機氮含量包括硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。本研究中，不同的施氮處理與對照相比，增加了土壤無機氮含量，無機氮含量的增加是因為土壤中硝態(tài)氮含量的顯著增加(P<0.05)。低氮處理對土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量增加效果不顯著(P<0.05)，高氮處理顯著增加土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，說明合適的施氮量會增加植物的吸收，但是過高施氮，則會增加土壤中硝態(tài)氮的殘留。結(jié)果表明，在32 g/m2施氮水平下，土壤中硝態(tài)氮的含量達到最大值。隨著施氮量增加，氮的淋溶損失也隨之加大[10]。本試驗結(jié)果與以上結(jié)論一致，說明氮肥施用量和土壤中硝態(tài)氮含量密切相關(guān)，施氮量越高，草地土壤中硝態(tài)氮含量越高。

已有研究指出，同一施氮量水平下硝態(tài)氮在表層土壤(0～20 cm)中含量最高，隨土層深度的增加而減少[11]。本研究與其一致，這主要是因為氮肥隨著水分的下滲進入不同的土層，在根系層達到最大含量。另外，也可能是因為根系層的微生物活動及相關(guān)酶活性比較強，利于氮素的積累。同一施氮量不同深度比較，0～20 cm土層中硝態(tài)氮含量大于20～30 cm、30～40 cm和40～50 cm土層的硝態(tài)氮含量。

土壤銨態(tài)氮含量在土壤表層0～10 cm較低，隨土壤深度的加深，土壤銨態(tài)氮含量不斷增加，但銨態(tài)氮含量隨施氮量的變化無明顯變化規(guī)律。這表明銨態(tài)氮在下層土壤中分布較高，但與施氮無關(guān)，可能是由于銨態(tài)氮容易被土壤吸附和固定，不易流失。這說明在土壤生態(tài)條件下，土壤銨的釋放有自己的規(guī)律。土壤銨態(tài)氮的含量受黏土礦物類型，NH4+、K+、有機質(zhì)含量，土壤質(zhì)地，全氮量及其他陽離子等的影響，黏土礦物銨態(tài)氮含量和固定外源銨的潛力因土壤類型、管理措施和干濕交替而異[12]。NH4+固定受水分影響較大，廖繼佩等對湖南省黃泥田土壤的銨態(tài)氮含量研究結(jié)果表明，銨態(tài)氮含量由大到小依次為干濕交替8次>長期干燥>長期淹水，因為其主要黏土礦物是蒙脫石，濕潤不利于銨的固定[13]。說明在植被生長過程中調(diào)節(jié)土壤水分可以有效調(diào)節(jié)銨態(tài)氮含量。我國土壤銨態(tài)氮含量在 35～573 mg/kg變動，平均為 198 mg/kg，約占土壤全氮的 17.6%[14]?？梢?，銨態(tài)氮是土壤氮素的重要組成部分。在作物生長期間，土壤中的銨態(tài)氮可以釋放出一部分[15]；因此，銨的礦物固定和釋放是土壤氮素內(nèi)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，它導(dǎo)致土壤具有較強的“穩(wěn)肥性”。

地上總生物量與土壤中硝態(tài)氮含量呈正相關(guān)，而地上總生物量與土壤中銨態(tài)氮含量的相關(guān)性不明顯。這是因為草原植物所需氮素主要來源于硝態(tài)氮，為滿足植物生長需要，表層土壤中銨態(tài)氮大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

4 結(jié)論

施氮能促進植物生長，增加植物地上生物量，但是高寒草原不同植物功能群對增施氮的反應(yīng)不同，禾本科植物對氮肥增加的反應(yīng)最大，莎草科和雜草類植物對施氮的響應(yīng)并沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律。高寒草原施氮量為8 g/m2最適宜，既能保證植物地上生物量達到最大，又能夠降低土壤硝態(tài)氮淋溶的風(fēng)險。