施磷肥对高寒草甸草原牧草的增产效应研究

马隆喜，辛小云，孙志英，年 林，索南扎西，姜哲浩

(1.夏河县草原工作站，甘肃 夏河 749100； 2.甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点 实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

夏河县地处青藏高原东北边缘与黄土高原的交汇地带，位于甘肃省西南部，甘南藏族自治州西北部[1]。土地总面积6 273.88 km2，其中，天然草原面积5 025.60 km2，占全县土地总面积的80.1%[2]。全年冷季长，暖季短，牧草生长期只有5个月，枯草期长达7个月，是典型的草甸向草原过渡地带，境内草地类型复杂多样，牧草种类繁多，植物资源丰富[3-4]。高寒草甸草原是全县的主要草地类型[5-6]。草原鲜草产量为24.7 kg/hm2，草地畜牧业是全县国民经济的主导产业和特色产业。研究表明，施肥是一种维持草原生态系统养分平衡的重要管理方式[7]，是补充土壤损失的养分、恢复退化草地肥力[8]、提高草地生产力的有效途径[9]。但草地施肥也不是越多越好，盲目过多施用，既浪费肥料又增加成本、降低产量、减少收益。磷是植物必需的大量元素之一，不仅是植物体内许多重要化合物的组成成分，而且以多种途径参与植物体内的代谢过程，从而影响植物的生长发育，因此，科学、合理的施磷肥具有重要的意义[10-11]。高寒草甸草原施肥试验较多，但施磷肥的研究较少，尤其缺乏具体的施肥量试验。以过磷酸钙为供试肥料，根据不同产量目标并结合多年来的生产经验[12]，设计5个不同的施肥水平，以不施肥(空白)作对照，探讨了不同施肥水平对牧草生长和产量的影响，为牧草生产的合理施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验区位于甘南藏族自治州夏河县桑科乡桑科村，地理坐标E 101°54′～103°25′、N 34°32′～35°34′，天然草原，海拔3 100 m，年均降水量500 mm，年均气温1.6℃。气候寒冷湿润，昼夜温差大，雨热同季，垂直差异显著，降水集中在牧草生长旺盛的7～9月。无绝对无霜期，植物生长季节120～140 d，试验区草原类型为高寒草甸草原，主要植物为垂穗披碱草(Elymusnutans)，棘豆(Oxytropisspp.)，柴胡(Bupleurumspp.)，大籽蒿(Artemisiasieversiana)，扁蓿豆(Melissitusruthenicus)，冷蒿(Artemisiafrigida)，翠雀(Delphiniumspp.)，银莲花(Anemonesilvestris)，野胡萝卜(Daucuscarota)，早熟禾(Poaspp.)，多裂委陵菜(Potentillamultifida)，灰苞蒿(Artemisiaroxburghiana)，土壤为高山草甸土，土层厚0.6～1.2 m。

1.2 供试肥料

供试肥料为粒状过磷酸钙(水溶性磷≥70%，有效P2O5≥16%，生产厂家为湖北吉顺磷化有限公司)。

1.3 试验设计及田间管理

2015年7月27日施肥，肥料一次性施入，采用撒播的施肥方式，施肥后监测时间为2015年9月17日。

施磷肥(过磷酸钙)的每个试验区面积1 hm2，设5个施肥水平，由低至高分别为90，120，150，180，210 kg/hm2，以不施任何肥料(0 kg/hm2)作空白对照(CK)。共6个处理，每个处理3次重复，共18个小区，随机区组设计，小区四周设有保护行，保护行宽度为1 m。

1.4 测定指标及方法

在施肥前与施肥后分别测量供试区的草地优势层高度、植物群落盖度以及草地生物量，测算施肥草地牧草增长率。

高度 在样方内用直尺和钢卷尺测量优势植物的营养枝或叶片的自然高度和伸展高度，每种植物随机测定10株，以平均高度作为该种植物的自然高度。

盖度 采用针刺法[11]测量。

地上生物量在每个处理随机选取3个1 m×1 m 样方齐地面刈割，直接称量鲜重。如果早上露水过多则将鲜草晾晒后再称量。

产量增长率=(施肥后产量-施肥前产量)/施肥前产量×100%

1.5 经济类群的划分

根据草原利用目的，将研究区高寒草甸植物划分为禾本科、豆科、莎草科、杂类草和毒草5个经济类群[13]。

1.6 数据分析

用Excel 2016整理数据，用SPSS 19.0统计分析软件进行试验数据的单因素方差分析，差异显著性用Duncan法进行多重比较，最后用Excel作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥水平对草地高度和盖度的影响

2.1.1 高度 不同处理下植物群落高度均有一定程度的增加，但增长幅度的差异较大，随着施肥量的增加，呈先上升后下降趋势，施肥量为180 kg/hm2时增长幅度最大，达到18 cm(图1)。

图1 不同施肥水平下植物群落的高度Fig.1 Height of plant community under different fertilization levels

2.1.2 盖度 植物群落盖度是反映草地生产力的重要指标[14]，是植物在水平方向的分布，体现了该种植物在水平方向上占据空间的能力，占据空间能力越强的植物，接收光电子、固定二氧化碳的同化能力越强。主要层中植物种类盖度的大小决定了群落中植物微环境形成的特点，对其他层植物群落类型的形成影响较大[15]。植物群落盖度在不同处理下的增长幅度差异较大，随着施肥量的增加，呈上升趋势，施肥量为210 kg/hm2时增长幅度最大，达到5%(图2)。

图2 不同施肥水平下植物群落的盖度Fig.2 Coverage of plant community under different fertilization levels

2.2 不同施肥水平对草产量的影响

草产量受施肥量的影响较大，试验区合计鲜草产量增幅在611.55～2 788.8 kg/hm2，施肥量为180 kg/hm2时增加最多，最少的是CK。就可食牧草而言，牧草增幅在679.05～2 679.75 kg/hm2，施肥量为150 kg/hm2时增加最多，最少的是CK。就不同经济类群而言，施肥后禾本科牧草产量增幅在374.25～1 815.15 kg/hm2，施肥量150 kg/hm2增幅最大，施肥量120 kg/hm2增幅最小；当施肥量为180 kg/hm2时豆科牧草产量增幅最大，为1 080.9 kg/hm2，CK牧草产量呈负增长，相比施肥前减少了148.5 kg/hm2；莎草科牧草产量增幅在1.35～173.4 kg/hm2，施肥量为150 kg/hm2时增幅最大，CK增幅最小；当施肥量为120 kg/hm2时杂类草产量增幅最大，为772.8 kg/hm2，CK牧草产量呈负增长，相比施肥前减少了426.6 kg/hm2；当施肥量为120 kg/hm2时毒草产量增幅最大，为491.55 kg/hm2，施肥量为90 kg/hm2时牧草产量呈负增长，相比施肥前减少了280.5 kg/hm2(图3)。

图3 不同施肥水平下牧草的产量Fig.3 Forage yield under different fertilization levels

2.3 不同施肥水平对草产量增长率的影响

不同施肥水平下牧草总体产量差异不显著，其中施肥量为150 kg/hm2时增长率最高，为96%，CK的增长率最低，为19%。但不同施肥水平下各经济类群的草产量增长率差异明显。禾本科草产量增长率在20%～158%，其中施肥量为150 kg/hm2时增长率显著高于施肥量为120和210 kg/hm2(P<0.05)，施肥量为120 kg/hm2时增长率最低；当施肥量为180 kg/hm2时豆科草产量增长率最高(1030%)，CK最低，各施肥量之间差异不显著(P>0.05)；莎草科产量增长率在0～433%，其中施肥量为150 kg/hm2时增长率最高，与90，120和180 kg/hm2和CK差异显著(P<0.05)，CK增长率最低；当施肥量为120 kg/hm2时杂类草产量增长率最高(111%)，施肥量为90 kg/hm2时最低，各区之间差异不显著(P>0.05)；当施肥量为120 kg/hm2时毒草产量增长率最高(340%)，与90、150 kg/hm2和CK差异显著(P<0.05)，施肥量为90 kg/hm2时最低(表1)。

表1 不同施肥水平各经济类群牧草产量增长率Table 1 The increase rate of forage yield of each economic group under different fertilization levels %

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

2.4 不同施肥水平施肥模型构建

基于不同施肥水平下的合计牧草增长率建立施肥模型，得出：

二次多项式函数施肥模型：y=-15.214x2+91.786x-51.6，R2= 0.874 4；

三次多项式函数施肥模型：y=-4.583 3x3+26.036x2-16.381x+25.4，R2=0.955 9(x=0,1,2,3,4,5…)

二次多项式函数施肥模型决定系数R2为0.874 4，三次多项式函数施肥模型决定系数R2为0.955 9，说明三次多项式函数施肥模型拟合性更好，即三次多项式函数模型更适于本试验磷肥施肥量推荐。当x=3.44，即施肥量为163.2 kg/hm2时合计牧草增长率最高，为90.57%(图4)。

图4 基于增长率的施肥模型构建Fig.4 Fertilization model based on increase rate

2.5 不同施肥水平经济效益分析

不同施肥水平对高寒草甸草原牧草的生长能力的提升程度不同，在一定的经济范围内，最大限度的提高牧草产量，降低经济成本，是有效施肥的最终目的。因此，分析探索最优的施肥量能达到经济产量双丰收。

设定过磷酸钙价格为1元/kg，忽略田间种、管、收及人工费，单纯计算不同施肥水平下牧草的增产量及经济效益(表2)。结果表明，根据三次多项式函数模型，不同施肥水平下，施肥量为153.6 kg/hm2时经济效益最高，每元磷肥可达到的牧草增长率为0.411%，施肥量为210 kg/hm2时经济效益呈负值。

表2 基于三次多项式函数模型的不同施肥 水平经济效益分析Table 2 Economic benefit analysis under different fertilization levels based on cubic polynomial model

3 讨论

对作物和土壤施过磷酸钙有助于产量的提高，这与前人的研究结果一致[16-17]。通过施磷肥对牧草高度，盖度和产草量的影响可以看出，各个施肥水平均有助于提升牧草产量，但对植物群落高度和盖度的提升效果不显著，与景美玲等[18]研究结果不一致。就植物群落高度而言，仅施肥量为180 kg/hm2时(29 cm)增幅超过对照区，其余各处理增幅均低于对照区；植物群落盖度各施肥水平增幅均小于对照区；各处理牧草产量增幅均高于对照区，说明施过磷酸钙对牧草产量有显著的增加效果，但是对不同经济类群的提升效果差异明显。试验中各施肥水平均在合理的范围内，这与陈亚明等，德科加等[19-20]研究结果一致。过磷酸钙促进了禾本科牧草的生长，从而导致其生物量的大幅度增加，提升最为显著，施肥量为150 kg/hm2时禾本科增幅达到1 815.15 kg/hm2；对莎草科产量的提升效果不明显，最高增幅仅为173.4 kg/hm2；对豆科牧草产量的提升幅度差异明显，随着施肥量的逐渐增加，豆科牧草产量不断增长，但当施肥量达到210 kg/hm2时，豆科牧草产量大幅度下降，与施肥前相比仅增加52.05 kg/hm2，表明在一定范围内大量施磷肥对豆科牧草产量的提升有很好的效果[21-22]。

通过对不同施肥水平施肥模型的构建，发现二次多项式函数模型和三次多项式函数模型均能反映不同施肥水平高寒草甸草原牧草增长率的变化趋势，但三次多项式函数模型拟合度更高。国内肥料效应模型多为二次多项式函数模型(82%)，少数为平方根模型，与本研究结果不一致[2-3]。这可能与施肥水平设置和肥料种类单一有关。基于三次多项式函数模型，对不同施肥量的经济效益进行分析，发现当施肥量在90～153.6 kg/hm2时，净增长率效益不断提高，最高可提高0.411%/元，而施肥量超过153.6 kg/hm2时，净增长率效益不断下降，说明高寒草甸草原对过磷酸钙施肥量有一定的耐受限度。当施肥量为163.2 kg/hm2时合计牧草增长率为最高，施肥量为153.6 kg/hm2时合计牧草净增长率效益最高，与试验150 kg/hm2施肥量的增长率和净增长率效益有差异，因此，仍需细化施肥水平设置，探索获得最优牧草增长率及最大经济效益的精准施肥水平。

4 结论

不同过磷酸钙施肥量对高寒草甸草原的牧草产量有不同的提升效果，合计牧草产量增长率在19%～96%；对不同经济类群的提升效果有差异，其中对豆科牧草提升效果最明显，对杂类草的提升效果较差。对不同施肥水平下的合计牧草增长率建立施肥模型，发现三次多项式函数模型能更好的拟合实际施磷肥后牧草增长率的变化趋势。根据模型，当施肥量为163.2 kg/hm2时合计牧草增长率最高，当施肥量为153.6 kg/hm2时合计牧草净增长率效益最高。因此，可根据对经济效益或牧草产量的不同需求，选择适宜的施肥量。