两种措施下施氮肥对狼毒型退化草地群落及营养品质的影响

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(1.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，青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁810016；2.青海省海北州海晏县草原站，青海 海晏 812200；3.青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁810016)

草地退化是指以草为主要植被类型的生态系统出现逆向演替的变化过程，即由于各种不利因素的干扰超过了草地生态系统自我调节能力的阈值，自身难以恢复而向相反方向发展。一般来讲，草原退化是指草原生物群落退化、生物多样性降低、草原的生产力下降、生态功能失衡等，只要出现以上一种表现就可以称之为草原退化[1]。目前，由于自然因素的变迁和人类不合理活动(尤其是超载过牧)等各种干扰因素的综合作用[2]，导致毒草过度繁衍引起的天然草原向毒杂草型草原退化，原来以优质牧草为优势种的草原变为以毒杂草为优势的植物群落[3]。狼毒(Stellerachamaejasme)是广泛分布于我国东北、西北和西南等地区的一种烈毒性草本植物[4]，其具有极强的抗旱能力和水肥竞争力，与其他植物争夺营养空间，从而妨碍植被群落中优良牧草的正常生长，使草地产量和质量下降，从伴生种或偶见种变为优势种或建群种，进而引起草群结构的逆向演替，使天然草原向狼毒型草原退化[5-6]。狼毒型草地的扩散蔓延，降低了草场的产量和质量，致使畜草矛盾突出[7]。如不加以防除，将给天然草原畜牧业生产和生态环境的建设与保护带来一系列问题，且会阻碍草地畜牧业的可持续发展和当地牧民生活水平的提高。

20世纪80年代许志信[8]就对退化天然草原的改良方法进行了多项研究，如围栏封育、施肥、松土改良、补播等。常用的改良方法中，施肥一直被认为是一种快速、有效地消除或缓解草地土壤营养匮乏的限制，提高草地生产力的主要途径之一[9-10]。王改玲等[11]的研究表明长期施用氮、磷和有机肥有利于土壤养分和酶活性综合因子的提高，从而提高土壤肥力。Gough等[12]和Fridley[13]研究表明，草地施肥能够补充土壤营养物质，有助于草地生产力的恢复和提高，但也会减少群落物种数量，降低物质多样性。而施氮肥可以增加土壤中的有效氮，刺激植物生长，对植物地上生物量的积累具有显著促进作用[14-15]，同时氮素还能够促进植物生长速率及新生组织发育等，进而增加物质的积累量[16]，而氮肥对植物产量的促进作用与施氮量紧密相关[17]。胡冬雪等[9]通过研究不同施氮量对羊草生产性能及品质的影响表明，施氮肥可有效增加羊草产量，且在施氮量为120 kg·hm-2时产量最大，也可提高羊草粗蛋白含量，降低粗纤维的含量。曹文侠等[18]的研究也表明，施氮提高了高寒草甸草原牧草品质，增加了禾本科、莎草科和杂类草的粗蛋白含量，而降低了各功能群的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量。也有研究表明在一定施氮范围内，随着氮肥施用量的增加牧草的产量提高，但是当施氮量超过一定范围，则对牧草的产量不利[19]。另外，刈割作为牧草生产中较为常见的利用方式，适度的刈割能增加草地生产力，提高植物适口性以及增加物种多样性[20-22]，刈割后植物补偿性生长不仅对深刻理解草地生态系统的稳定性具有非常重要的意义，而且对草地可持续利用来说同样具有十分重要的研究价值[23]。因此，本试验通过设置禁牧区、刈割区和不同施肥量处理，研究两种措施下不同施氮肥水平对草地群落结构、功能及牧草品质的影响，试图回答以下问题:1)不同处理对狼毒的密度及生物量有何影响？2) 两种措施下施氮肥对群落多样性及地上生物量的影响有何变化及两种措施对不同施氮肥水平的响应有何差异? 3)两种措施下施氮肥是否对牧草营养品质有影响? 以期筛选出科学地管理和利用草地资源的方法，为狼毒型退化草地的改良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(N 37°04′01″，E 100°52′48″)，海拔3240 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0.2～3.4 ℃。年均降水量277.8～499.5 mm。年均日照2580～2750 h，年蒸发量为1400 mm左右，降水多集中在5-9月，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、中华羊茅(Festucasinensis)、萹蓿豆(Melilotoidesruthenica)等；以高山草甸土为主，土壤含水量26.05%，pH 7.4，有机质含量31.39 g·kg-1，土壤全氮6.33 g·kg-1，土壤全磷0.69 g·kg-1，土壤全钾24.87 g·kg-1，土壤速效磷56.10 mg·kg-1，土壤速效钾70.44 mg·kg-1，铵态氮29.70 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1草地群落结构调查 2016年6月在海晏县青海湖乡达玉德吉村的狼毒型退化天然草场上，采用网围栏建立平行试验区4个，面积均为80 m×80 m，在每个试验区内设置禁牧(grazing prohibition,GP)和刈割(clippin,C)处理，不同处理小区随机区组排列，面积为20 m×7 m，每个处理重复3次。9月底，在刈割区内进行秋季刈割处理，小区内植物留茬高度为10 cm左右。2017年6月初，在小区内进行施肥(尿素含N 46%)处理，施肥量(以纯N计)设为10、20、30、40 kg·hm-2共4个水平，分别用N1，N2，N3，N4表示，每个处理3个重复。对照区正常放牧(全年连续放牧)，放牧强度约为7.94 羊单位·hm-2。2017年8月，在每个小区进行狼毒株数的调查，并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，测定植物高度、盖度，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[24]。

1.2.2牧草营养品质测定 将每个处理小区内植物分布均匀的部分面积里所有植物齐地刈割，混合草样约1500 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(crude protein, CP)、粗脂肪(crude fat,EE)、粗灰分(crude ash,Ash)、酸性洗涤纤维(acid detergent fiber,ADF)和中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)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(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)采用酸碱消煮法进行测定[25]。

1.3 计算方法

物种重要值(Ni)=(相对高度+相对盖度+相对地上生物量)/3

式中:S为样方的平均物种数；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[26]。

1.4 数据分析

采用Excel对数据进行初步分析和作图，采用SPSS 17.0软件对不同处理间牧草产量和品质进行单因素方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 狼毒种群特征分析

通过分析不同处理下的狼毒密度及生物量的平均值发现，不同措施下狼毒密度下降明显(图1)，在对照区狼毒密度最大，显著高于刈割、刈割+施肥、禁牧以及禁牧+施肥(P<0.05)，且禁牧+施肥处理下，狼毒密度明显下降。对刈割和刈割+施肥，禁牧和禁牧+施肥两两比较，狼毒密度差异均不显著(P>0.05)，但施肥处理，使狼毒密度呈下降趋势。刈割、刈割+施肥与禁牧+施肥的狼毒密度差异显著(P<0.05)。通过比较各样区狼毒地上生物量的变化趋势发现，狼毒地上生物量与狼毒密度的变化趋势一致(图2)，均为对照区狼毒地上生物量最大，显著高于其他处理样区(P<0.05)，禁牧+施肥处理的狼毒地上生物量最少，通过方差分析得到刈割与禁牧+施肥的地上生物量差异显著(P<0.05)，但与刈割+施肥以及禁牧差异不显著(P>0.05)，刈割+施肥、禁牧和禁牧+施肥差异不显著(P>0.05)。

图1 不同措施下狼毒密度变化Fig.1 Density of S. chamaejasme under different measures

图2 不同措施下狼毒地上生物量变化Fig.2 Aboveground biomass of S. chamaejasme under different measures

CK: 对照Control check; C: 刈割 Clipping; N: 施肥 Fertilization; GP: 禁牧 Grazing prohibition. 不同小写字母表示不同处理间在P<0.05水平差异显著，下同。Different lowercase letters show significant difference atP<0.05 level under different treatments, the same below.

2.2 不同措施下施氮肥对草地群落物种多样性的影响

两种措施下施氮肥对草地群落物种多样性变化见表1。两种措施下，不同施肥水平间的Shannon-wiener多样性指数差异不显著(P>0.05)，其中不施肥的Shannon-wiener多样性指数均高于其他措施。Simpson指数在禁牧和刈割区变化不明显，且各处理间差异不显著(P>0.05)，禁牧处理下，各施肥水平的Simpson指数均低于CK区；刈割后各施肥水平的Simpson指数除刈割+N1外，均高于CK，且刈割后各施肥水平的Simpson指数均高于禁牧的各对应施肥水平。在禁牧区，禁牧+N4的Patrick指数显著高于禁牧+N3(P<0.05)，其他处理样区差异不显著(P>0.05)，刈割区Patrick指数变化不大，但均高于CK。

Margalef指数的变化也不明显，禁牧+N4的Margalef指数最大，禁牧+N3的Margalef指数最小；刈割区的差异均不显著(P>0.05)，刈割+N4的值最大，除刈割+N3外，其余样区均高于CK。Pielou指数在禁牧区内是禁牧+N3显著高于禁牧+N4(P<0.05)，其他处理间差异不显著(P>0.05)；刈割区内的Pielou指数，刈割+N4除了与刈割+N2差异不显著(P>0.05)外，与其他处理差异均显著(P<0.05)。对于Alatalo指数，禁牧区和刈割区各处理间差异均不显著，禁牧区内禁牧+N1的值最大，而刈割区刈割值最大，刈割+N4最小。刈割的总物种数最多，为43种，其次为禁牧、刈割+N3、禁牧+N4，分别为41,41和40种，但所有处理的总物种数变化不明显。

表1 不同措施下施氮肥对草地群落物种多样性的影响Table 1 Effect of nitrogen fertilizer on species diversity of grassland community under different measures

注：同列不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著，下同

Note: Different small letters of the same column show significant difference atP<0.05, the same below.

2.3 不同措施下施氮肥对草地群落功能群特征的影响

两种措施下不同施氮水平对草地群落功能群地上生物量的影响见图3。禁牧措施下，施氮肥的总地上生物量显著高于CK和禁牧，不同施肥水平间的总地上生物量差异不显著(P>0.05)；禾本科地上生物量在不同施肥水平间差异不显著(P>0.05)，禁牧+N1、禁牧+N2以及禁牧+N4的禾本科地上生物量显著高于CK(P<0.05)；莎草科的地上生物量均高于禾本科，且禁牧+N3显著高于禁牧和CK(P<0.05)，各施肥水平差异不显著(P>0.05)；豆科地上生物量差异不显著(P>0.05)；杂类草地上生物量在禁牧+N3最高，与禁牧+N2差异不显著(P>0.05)，但与禁牧+N4、禁牧+N1、禁牧以及CK差异显著(P<0.05)。刈割措施下，各功能群地上生物量的变化趋势与禁牧区基本一致，总地上生物量CK最低，各施肥水平间差异不显著(P>0.05)；禾本科地上生物量刈割+N1显著高于其他处理，但其他处理间均无显著差异(P>0.05)；莎草科差异均不显著(P>0.05)；豆科地上生物量最高为刈割+N1，但与其他水平差异不显著(P>0.05)，与CK差异显著(P<0.05)；杂类草地上生物量为刈割+N2最高，显著高于刈割+N1和CK(P<0.05)，与其他水平差异不显著(P>0.05)。

两种措施各施肥水平地上生物量与CK相比(图4)，在禁牧区，禁牧+N3的总生物量的增产比率最高，为47.21%，其次为禁牧+N4、禁牧+N2，增产比率分别为46.61%和39.21%，单纯禁牧的增产比率最低为17.73%，且显著低于禁牧+N3(P<0.05)。禾本科的增产比率大小依次为禁牧+N4>禁牧+N2>禁牧+N1>禁牧+N3>禁牧，且各水平间差异不显著(P>0.05)。莎草科的增产比率中禁牧+N3的最高，为48.24%，其次为禁牧+N4、禁牧+N1，但各水平间差异不显著。在刈割区，刈割+N1的总生物量和禾本科的增产率均为最高，莎草科的增产率是刈割+N3的最高，各施肥水平总生物量和莎草科的增产率差异不显著(P>0.05)，刈割+N1的禾本科增产率显著高于其他水平(P<0.05)。

图3 两种措施下不同施肥水平对草地地上生物量的影响Fig.3 Effect of different fertilizer levels on aboveground biomass of the grass under two different measures

图4 两种措施下不同施肥水平牧草地上生物量增产率变化Fig.4 Change of different fertilizer levels on the increase rate of aboveground biomass under two different measures

2.4 不同措施下施氮肥对牧草营养品质的影响

对禁牧下不同施肥水平牧草营养品质进行分析发现(表2)，不同施肥水平粗蛋白含量禁牧显著高于禁牧+N1(P<0.05)，其他处理间差异不显著(P>0.05)；粗脂肪含量在CK区最高，但与不同施肥水平处理间差异不显著(P>0.05)；粗灰分含量在禁牧区显著高于CK(P<0.05)，各施肥水平处理间差异却不显著(P>0.05)；酸性洗涤纤维含量大小为禁牧+N1>禁牧+N3>禁牧>禁牧+N2>禁牧+N4>CK，各施肥水平处理间差异不显著(P>0.05)，但与CK差异显著(P<0.05)；中性洗涤纤维在各处理间差异均不显著(P>0.05)。在刈割区，粗蛋白、粗脂肪、酸性洗涤纤维以及中性洗涤纤维含量差异均不显著(P>0.05)，粗灰分含量刈割+N2显著高于CK(P<0.05)，但各施肥水平处理间差异不显著(P>0.05)。

通过总生物量换算每m2样地粗蛋白和粗脂肪的含量得到(图5)，粗蛋白含量在禁牧区显著高于CK(P<0.05)，粗脂肪含量为禁牧+N4最高，其次为禁牧+N2、禁牧+N3、禁牧+N1、禁牧和CK，且禁牧+N4显著高于禁牧和CK(P<0.05)。刈割区的粗蛋白含量在各施肥处理间差异不显著(P>0.05)，但与CK差异显著(P<0.05)，粗脂肪含量为刈割+N1最高，显著高于刈割和CK(P<0.05)，但与其他施肥处理间差异不显著(P>0.05)。

表2 不同施肥水平牧草营养物质含量Table 2 Content of nutrition constituent of different fertilizer levels (%)

图5 两种措施下不同施肥水平对牧草粗蛋白和粗脂肪含量的影响Fig.5 Effect of different fertilizer levels on crude protein and rude fat content of the grass under two different measures

3 讨论与结论

有研究表明，实施围栏封育是恢复和改良退化天然草地的最有效措施，而增施有效养分可显著提高草地的生产能力。本研究采取不同措施处理后，狼毒密度及地上生物量差异明显，且狼毒地上生物量与狼毒密度的变化趋势一致，均为对照区最大，显著高于其他处理样区(P<0.05)，禁牧+施肥处理的狼毒地上生物量及密度最少，显著低于对照区和刈割区(P<0.05)。这说明禁牧+施肥对狼毒密度及生物量有一定的抑制作用，可以通过减轻放牧压力、禁牧和施肥等措施进行狼毒型退化草地的自然恢复。

通过对不同措施下狼毒型退化草地群落物种多样性及物种功能群地上生物量的分析得到物种多样性指数在各个处理区变化明显，其中禁牧区和刈割区的多样性指数高于对照区，但增施氮肥后多样性指数有下降趋势，禁牧+N4的丰富度指数显著高于禁牧+N3(P<0.05)；禁牧及施肥后丰富度指数有所下降，但刈割区丰富度指数较对照区有所上升；禁牧区和刈割区的均匀度指数也有所降低。另外，两种措施下不同施氮水平的草地群落功能群地上生物量均显著高于CK，莎草科的地上生物量均高于禾本科，不同施肥水平间的总地上生物量、禾本科、莎草科及豆科的生物量间差异均不显著(P>0.05)，且在禁牧区，禁牧+N3的总生物量和莎草科的增产比率均为最高，分别为47.21%和48.24%；在刈割区刈割+N1的禾本科地上生物量及增产比率都显著高于其他处理(P<0.05)。狼毒具备很强的化感作用，限制其他植物种子的萌发、胚芽和胚根伸长，使牧草产量及所占比例显著下降，而狼毒的分布却不断增加。在本研究中通过禁牧以及施肥，狼毒密度明显减少，群落物种多样性变化明显，草地功能群地上生物量均高于对照区，这与沈振西等[27]研究报道的施氮肥有助于地上生物量的提高结果一致。赵成章等[28]对狼毒型退化草地植被群落演替特征的研究结果表明，伴随着狼毒分盖度的增加，草地群落中牧草的地上生物量和重要值明显下降，草地退化程度增大。王福山等[29]研究结果也表明，狼毒盖度及地上生物量可作为判定高寒草甸退化程度的指标，在狼毒等毒杂草未出现的草甸中，草甸的植物组成以莎草科和禾本科的优良牧草为主，随着狼毒分布盖度增大，毒杂草比例显著增加，植被覆盖度、优良牧草产量及比例明显下降。本研究中禁牧使狼毒密度下降，狼毒与牧草的竞争力下降，使牧草能够获得较多的营养，再通过施肥使优良牧草获得更多的养分，因此莎草科和禾本科牧草的地上生物量也随之增加，草地群落多样性明显提高。

在退化天然草地的多种治理改良方法中，最快速有效的是施肥，氮、磷、钾是牧草产量的重要限制因子，其中氮是草地生态系统中限制植物生长的最关键的营养元素，增加氮素可有效地促进植物生长[30]。本试验中牧草营养品质对不同水平氮肥的响应不同。粗蛋白质含量随着氮肥用量的增加呈下降趋势，在不施氮水平粗蛋白质含量高于其他水平，这可能是通过施加氮肥，使禾本科牧草快速生长，而阔叶类竞争力下降，导致牧草整体粗蛋白含量下降，而对照区杂类草较多，所以粗蛋白含量高于禁牧区。但通过总生物量换算每m2样地粗蛋白的含量时，结果显示随着氮肥用量的增加粗蛋白含量呈上升趋势，且禁牧后的粗蛋白含量显著高于对照区，可见施肥增加了可食牧草的产量，从而增加了单位面积内可食牧草的粗蛋白含量。由于牧草粗蛋白质含量的高低一般是以植株体内全氮含量为依据，所以氮肥对牧草粗蛋白质含量的影响较为明显，本试验中所得结果与白玉婷等[17]、胡冬雪等[9]的研究结果一致。禁牧区内的粗脂肪含量变化趋势跟粗蛋白一致。在刈割区，粗蛋白含量在N1水平较高，但各水平间没有差异。牧草酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量随着施肥水平的增加呈先上升后下降趋势，说明两者对不同施肥量存在一个阈值。杨开虎等[16]、周青平等[31]的研究表明，适量的增施氮肥可以增加饲草粗蛋白的含量，且有效降低饲草中粗纤维的含量，增施氮肥过量会使牧草中粗蛋白质含量下降，氮肥的利用效率降低，本试验结果与此一致。牧草营养品质很大程度上取决于粗蛋白质、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量，因此禁牧+N4处理可有效提高牧草品质。