不同施氮频度对川西北高寒草甸牧草生长及土壤碳氮的影响

安小娟，王 平*，高永恒，徐世权

（1.甘肃农业大学 资源与环境学院，甘肃 兰州 730070；2.中国科学院 成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041）

全球气候环境变化对陆地植物生态系统的影响愈来愈多地受到人们的关注。氮素是陆地生态系统植物生长的主要限制性因子，但是在全球变化背景下氮素输入陆地生态系统的方式和数量都发生了变化，[1]这引起了氮素在陆地生态系统中的富集。研究表明，氮输入能够增加青藏高原地区植被生产力，促进禾本科植物的增长。也有研究表明，群落物种丰富度、均匀度和多样性在施低水平氮时增加明显。[2]此外，施氮并不能提高墨西哥奇瓦瓦沙漠的植被生产力，[3]大多数研究者认为生态系统对氮输入存在饱和现象。[4-5]

草地是陆地生态系统重要的组成部分，覆盖地球表面土地面积的25%～33%.我国草地面积约4亿hm2，是覆盖中国陆地面积最大的绿色植被。[6]青藏高原是世界上面积最大的高海拔陆地，高寒草甸是其独特的植被类型，土壤碳氮储量较高，在区域乃至全球碳氮循环中也有着重要的作用，[7]而且高寒草地是气候变化的敏感带和生态脆弱区。[8]高寒草甸牧草对畜牧业的发展具有极为重要的作用，[9]目前，国内外围绕氮输入及其对陆地生态系统结构和功能的影响已经开展了大量的研究工作，[10～14]然而对于施氮频度对高寒草甸牧草生长和土壤碳氮的影响研究较少。

本研究将以青藏高原东缘若尔盖高原典型四川嵩草高寒草甸生态系统为研究对象，通过不同频度添加等量氮素（NH4NO3），并结合野外定点监测和实验室分析，研究施氮频度对高寒草甸生态系统牧草生长和土壤碳氮变化的影响，为研究氮添加对高寒草甸生态系统碳氮循环的影响提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在四川省阿坝藏族羌族自治州红原县邛溪镇 （32°49°N，102°34°E） 进行，海拔3486m。地处青藏高原东缘，地势为东南向西北倾斜，浅丘山地和丘间低地构成其主要的地貌类型，气候属大陆性高原气候，日温差大、霜冻期长，四季变化不明显，年平均气温1.1℃，最冷月平均气温-10.3℃，最热月平均气温10.9℃，年平均相对湿度60%～70%，干湿季节分明，年均雨量791.95mm，集中在5～10月，而年均蒸发量1262.5mm，除6～8月外，其余月降水均小于蒸发，空气干燥，日照时间长，太阳辐射强，年均日照时间2158.7h，太阳辐射年总量为6194m J.m-2.[15]放牧是该地区的主要农业生产方式。草地和灌丛是当地的主要植被类型，试验样地植被盖度为70%～95%，[16]丛间植物种主要是四川嵩草（Kobresia setchwanesis）、早熟禾（Poa annua）、丝颖针茅（Stipa Capillacea）、西藏嵩草（Kobresia tibetica）、矮嵩草（Kobresia humilis）、华丽龙胆（Gentiana sinoornata）、甘肃马先蒿（Pedic⁃ulariskansuensis），其土壤基本性状见表1.

表1 研究区高寒草甸土壤理化性质

1.2 实验设计

试验共设置三个处理，分别为不施氮处理（NC）、低频度施氮处理（NL）和高频度施氮处理（NH），采用NH4NO3作为添加肥料。其中NH处理、NL处理在试验全过程中各共累计添加86.4gNH4NO3，NH处理小区每隔5天添加氮肥一次，每次添加3.6gNH4NO3，共添加24次；NL处理小区每隔30天添加一次，每次添加21.6gNH4NO3，共添加4次。添加时，将NH4NO3溶于2L纯净水中用洒水壶均匀喷施在小区内，为了减小试验误差每个对照小区需均匀喷施2L纯净水。每个处理重复四次，共12个小区，试验小区面积为2m×2m，小区与小区之间设置1.5m的隔离缓冲带。

1.3 野外采集与室内分析

试验测定温度所使用的土壤温度计探针深入地下5cm.土壤温度记录时间从6月13号开始到10月26号结束，温度数据每隔20分钟记录一次。

土壤样品利用土钻法进行采集，整个生长季共采5次样，分别为六、七、八、九月和十月，在各处理的4个重复小区中，“S”形布点，5点采样，均采集表层0～10cm的土壤样品，每个月1次，每次样品采集后，同小区样品混合，充分混合的土壤样品及时取出植物体、根系和其他非土壤杂物后，过2mm筛，装入密闭自封袋备用。土壤样品中的可溶性有机碳（DOC）、可溶性有机氮（DON）、铵态氮（NH4+）和硝态氮（NO3-）含量利用超纯水浸提-流动分析仪（Auto Analyzer 3）法测定。测定的具体步骤为：取过2mm筛的鲜土5.00g放入50ml的离心管中，加入25m l超纯水振荡2h后离心（2500r）20min（若浑浊则重新离心），上清液通过真空泵抽滤过0.45um的微孔滤膜，然后取滤液在流动分析仪上测定。同时，每份土样用烘干法测质量含水量。本试验在采集土样之后进行植物高度的测量，每5天一次，植株高度是采用卷尺测定。

1.4 数据处理和分析

采用Microsoft Excel和SPSS 19.0进行数据处理分析，Oringin Pro8作图。

2 结果与分析

2.1 施氮频度对土壤环境因子的影响

由图1可知：施氮频度对土壤温度、湿度和电导率的影响很小，各处理间无显著差异；在牧草生长过程中，土壤温度表现为先降低再升高，然后再降低的趋势；土壤湿度变化比较平缓；施肥后，施入土壤的NH4+和NO3-使得土壤中短时间内水溶性盐分含量上升，因此施肥后土壤电导率会上升，此现象出现在7月份；在八月和九月份，土壤电导率下降，这可能与土壤酸碱度有关，施肥选用的硝酸铵为强酸弱碱盐，施入土壤之后，改变了土壤酸碱度，使土壤酸性加大，影响了微生物和土壤中的酶活性，抑制了土壤微生物对土壤有机质的分解，使土壤中水溶性盐分含量下降，导致了土壤电导率降低。施肥本身可以增加土壤中可溶性盐分含量，使土壤电导率增大，但施肥后土壤理化性质的变化会对土壤微生物和酶活性造成一定的影响，进而影响到土壤微生物对土壤有机碳和有机氮的分解作用，可能使土壤电导率下降。

图1 土壤温湿度和电导率的变化

图2 施氮频度对高寒草甸牧草高度的影响

2.2 施氮频度对牧草高度的影响和季节动态变化

如图2可知，与对照（NC）相比，除六月份外，施氮显著增加了七月份至十月份牧草的高度。六月份，是施肥的第一个月，牧草正处于生长初期，生长缓慢，其高度普遍很低（6.65cm，6.85cm，7.08cm），不同施肥处理之间的牧草高度差别并不明显（p＞0.05）；七月份整个月的牧草生长速率最快，牧草高度表现为施氮处理高于不施氮处理，NL处理略高于NH处理，但差异不显著；牧草生长到八月和九月份时，不同处理间达到显著的差异（p＜0.05），施氮处理显著高于不施氮处理，NL处理显著高于NH处理，其中，八月和九月份NH处理牧草高度比NC处理分别高出12.6%和11.2%，NL处理比NC处理分别高出20.2%和20.9%，比NH处理高6.7%和8.8%，表明施氮促进了牧草生长，并且与NH处理相比，NL处理更有利于牧草生长。十月份到牧草开始枯萎，牧草高度普遍降低，表现为施氮处理显著高于不施氮处理（p＜0.05），但NL处理和NH处理之间牧草高度无显著差异，从牧草整个生长时期来看，牧草高度变化呈典型“S”形曲线。

表2 土壤环境因子与牧草高度的相关性分析

由表2可知，牧草高度与土壤温度呈负相关，与土壤湿度和电导率呈极显著负相关（r2=0.58**，r2=0.33**），并且，土壤温度和土壤湿度呈显著负相关（r2=0.26*），与土壤电导率呈极显著负相关（r2=0.57**），土壤湿度与土壤电导率呈极显著正相关（r2=0.76*）。

2.3 施氮频度对土壤养分的影响和季节动态变化

由图3（A）可知，在植物整个生长时期中，除八月份NL处理外，不同处理土壤DOC的含量均呈上升趋势。六月份各处理的DOC含量无显著差异；七月份各处理的DOC值均开始上升，且NL和NH处理土壤DOC显著高于NC（p＜0.05），但NL和NH处理之间差异不显著（p＞0.05），NH处理比NC处理高出51.1%，NL处理比NC处理高出53.7%.八月份NC处理DOC值上升幅度比较快，而NH和NL处理DOC值增长比较平稳，NL处理的DOC值与其它两个处理有显著差异（p＜0.05）。九月份各处理的DOC值比八月份有所增加，施氮处理土壤DOC低于NC处理，各处理间差异不显著；十月份各处理的DOC达到了最大值，而NH和NL处理DOC显著低于不施氮处理（p＜0.05），但NH处理和NL处理间差异不大。NH处理比NC处理下降8.9%，NL处理比NC处理增加14.2%.

图3 施氮频度对高寒草甸土壤可溶性有机碳氮的影响

如图3（B）所示：在整个植物生长时期，不施氮和施氮处理土壤可溶性有机氮（DON）含量均表现为先升高后降低的趋势。六月份各处理间土壤DON含量无显著差异；与六月份相比，七月份不同处理的DON值均有所上升，但各处理间的DON值无显著差异；八月份，NL处理的DON值显著（p＜0.05）低于NC和NH处理，NL处理比NC处理下降22.6%，比NH处理下降21.6%；到了九月份，NC处理的DON继续升高，而NH处理的DON值升高幅度至基本与NL处理相等，九月份各处理的DON值均达到最高值；十月份各处理土壤DON含量均表现出小幅度下降。

如图3（C）所示，NC和NH处理土壤铵态氮（NH4+-N）含量季节变化趋势基本一致，表现为六月＞七月＞八月＞十月＞九月，而NL处理土壤NH4+-N含量则表现为六月＞八月＞七月＞十月＞九月。整个生育期，土壤NH4+-N含量在六月份最高，在六月和七月份，不同处理间土壤NH4+-N表现为NL＞NC＞NH，且NL分别与NC和NH处理差异显著（p＜0.05），而NC和NH无显著差异。八月中旬后土壤NH4+-N含量骤然迅速下降，在九月中旬下降到最低值，九月下旬至十月中下旬，土壤NH4+-N缓慢回升。

如图3（D）所示，不同处理土壤硝态氮（NO3--N）含量季节动态变化基本一致，呈下降趋势。表现为六月＞七月＞八月＞十月＞九月，六月份土壤NO3--N含量最高，七月、八月、九月份NL处理的NO3--N含量高于NH和NC处理，且七月和九月份施，NL和NH处理差异显著；九月份，土壤NO3--N含量下降至植物生长期内的最低值，十月发生了变化，NH处理的土壤NO3--N含量略高于NL处理，相比九月份，土壤NO3--N含量有所增加。

2.4 高寒草甸土壤碳氮与牧草高度的关系

由表3可知，牧草高度与土壤中的DOC和DON含量呈显著极正相关与土壤NH4+-N和NO3--N含量呈极显著负相关（r2=并且，土壤中DOC与土壤DON含量呈极显著正相关与土壤NH4+-N和NO3--N含量呈极显著负相关0.71**），土壤中DON与土壤中的NH4+-N和NO3--N含量呈极显著负相关

3 讨论与结论

土壤DOC是土壤总碳中相对较小的一部分，DOC对于生态系统养分平衡的研究非常重要。[17-18]六月份是施肥的第一个月，因此各处理土壤DOC含量无显著差异；六月份之后DOC值均开始上升，气温升高是导致土壤DOC增加的主要原因；十月份各处理的DOC值达到了最大值，可能是由于植物凋落物和气温的影响，还存在着微弱的碳矿化过程，而施氮促进了这一过程，所以施氮处理的DOC显著低于不施氮处理，此外，是由于土壤温度下降，植物呼吸作用减弱，土壤微生物活性也下降，土壤中积累的有机质不能被大量矿化，因此土壤中积累了大量的DOC。

表3 高寒草甸土壤碳氮与牧草高度之间的相关性分析

土壤DON指可溶于水或可被盐溶液所提取的土壤有机氮，其含量因土壤类型、植物覆盖、管理措施以及环境条件变化而异。[19-20]本研究中，土壤DON表现为先升高后降低，气温降低是主要原因，十月份草地植物凋落物归还到土壤中，虽然有机物输入量也较大，但由于温度低致使草地土壤微生物活动不如九月份，故土壤DON含量下降。除八月份外，草地土壤DON含量受施肥影响较小，说明施肥措施并不是影响土壤可溶性有机氮的主要因素，影响较多的应该是土壤的温度等气候因素。[21-22]这是因为氮素矿化过程是微生物参与分解的过程，而微生物的种群、数量以及活性与温度和水分密切相关。[23]

铵态氮是一种有效态氮素，可被植物直接吸收利用，其含量变化显著影响着草地土壤氮素的迁移转化过程和草地植物生产力，[24,25]并且铵态氮的含量对于一系列物理和化学过程如无机氮有机化、硝化-反硝化作用及离子交换反应等也有着重要影响。[26]本研究中，除八月份外，与NC相比，LN和HN处理均使有效氮含量表现为上升趋势，且氮添加水平越高，其增长程度越大，说明氮添加对土壤有效氮的影响存在累积性效应，同时也使牧草对土壤有效氮的利用率增加。在六月和七月份，不同处理间土壤NH4+-N表现为NL＞NC＞NH，说明高频施氮不利于NH4+-N的积累。在九月中旬下降到最低值，这段时期是因为植物正处于营养生长旺盛期，需要不断地从土壤中吸收大量的有效态氮以满足其生长的需要，七月至八月中旬气温较高，刺激了土壤硝化细菌活性，硝化作用大量消耗反应底物NH4+-N的含量；并且降水相对较多，十分有利于土壤氮的矿化分解，从而使土壤中的NH4+-N迅速下降。九月下旬至十月中下旬，土壤NH4+-N缓慢回升，牧草逐渐枯死，生长停滞，对氮素的吸收量都较少，而且由于气温降低，NH4+-N转化能力减弱，所以在该时段内土壤NH4+-N含量的变化不大。

九月份，土壤NO3--N含量下降至植物生长期内的最低值，十月发生了变化，NH处理的土壤NO3--N含量略高于NL处理。相比九月份，土壤NO3--N含量有所增加。最高值出现在六月中旬，其原因是由于外源氮的施加，湿沉降氮输入、植物淋洗以及铵态氮发生硝化作用等因素都可能增加硝态氮的含量。进入牧草生长时期后，土壤硝态氮含量在生长期内则迅速减少，变化十分明显，这是由植物根系吸收所至。随着植物进入成熟季节，植物的吸收能力减弱，但由于气候变干，降水减少，水分条件变差，所以在九月中下旬并未造成硝态氮的累积。在枯死期，植物因气温下降而停止生长，对硝态氮的吸收量骤减，使硝态氮含量又稍稍有所回升，但是增加量很小。