氮、磷添加对高寒草原群落多样性和生物量的影响

2019-12-20施建军董全民尹亚丽王晓丽张春平

草地学报 2019年6期

王玲，施建军，董全民，尹亚丽，王晓丽，俞旸，张春平

(青海大学畜牧兽医科学院，青海西宁 810016；青海省畜牧兽医科学院，青海西宁 810016)

天然草地具有维持生物多样性、维护全球CO2平衡和水分循环等重要的生态功能，是人类赖以生存的重要环境条件和畜牧业生产的物质基础[1]。近年来，青藏高原增温显著[2]，同时随着矿物燃料的利用，加速了氮素(N)转化进入草地生态系统的过程，因此大气N沉降急剧增加，尤其是青藏高原东缘地区近年氮沉降明显，并呈逐年增加的趋势[3]。持续的N输入导致N过量，使草原生态系统中N元素达到饱和状态，打破草原生态系统中原有的营养元素平衡，破坏草原生态系统中营养元素在植物与土壤间的循环，使得植物的生长受到其他元素如磷(P)的限制，在自身无法补充的情况下，造成天然草原生态系统中能量流动和物质循环失衡[4,5]。目前，N元素输入到天然高寒草原生态系统中的总量以及输入速率尚未可知；高寒草原植物群落吸收利用的有效N量，以及在土壤中的分配情况，并未形成统一结论[1,6-8]。

在青海省三江源地区天然高寒草原的研究中发现，合理的N，P添加不仅可以改善土壤中营养元素的分布，缓解高寒草地生态系统中植物对N元素的限制，增加土壤中的有效N，刺激高寒草原植物生长，还可以提高植物地上、地下生物量，进而提高草地生产力；而N，P添加过量会抑制植物的生长，以致影响到草原生态系统的生产力、物种组成、多样性等，甚至污染生态环境[9-13]。中国科学院海北高寒草甸定位站关于青海省环青海湖区域高寒草甸已做了大量的工作[14,15]，但对于天然高寒草原研究的报道并不多，且主要集中在无机肥和定量施肥两方面，缺少针对天然草原不同梯度不同肥料组合的研究[15-17]。由于青藏高原特殊生态环境及气候特征，生态系统十分脆弱，施肥因草地类型和区域不同，其合理施用量也不同[8-13,18]。因此通过对海北藏族自治州海晏县金银滩高寒草原进行不同梯度N，P合施试验，分析施肥对环青海湖高寒草原生态系统的多样性与生物量的影响，研究确定该区域最适宜的N，P合施配比及用量，提出实际有效的高寒草原施肥技术方案，完善高寒草原区域施肥技术，为实现高寒草原生态系统的可持续发展提供科学的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地布设在青海省海北藏族自治州海晏县西海镇(100°53′～101°54′ E，36°58′～36°56′ N)金银滩轻度退化高寒草原上，平均海拔3 210 m，气候寒冷，年均温在1.5℃左右，年日照时间约2 980 h，年降水量为400 mm，年蒸发量为1 582 mm，无绝对无霜期。草地类型为高寒草原。主要优势植物种有紫花针茅(StipapurpureaGriseb.)，垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)；主要伴生种有羊茅(FestucaovinaL.)，青藏扁蓿豆(Melilotoidesarchiducis-nicolai(Sirj.) Yakovl.)等；毒杂草有瑞香狼毒(StellerachamaejasmeL.)，甘肃棘豆(OxytropiskansuensisBunge)等。地形为略有起伏的缓坡地，土壤为高山草甸土，pH值为7.84，0～30 cm土壤有机质含量高达10%以上，速效磷104.93 mg·kg-1，速效氮4.79 mg·kg-1，其中氨态氮2.61 mg·kg-1，硝态氮2.18 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验地草原植被生长状况一致，总面积为55公顷，四周用电围栏保护。在围栏内选择地势平坦样区3块，面积均为2000 m2(40 m×50 m)，进行3个平行试验。每块平行样地划分成10个面积为200 m2(20 m×10 m)的试验小区，按10个不同梯度N，P合施处理，N来源为尿素(CON2H4)，P来源为磷酸二铵(P2O5)，本试验采用随机区组设计。试验以三江源区及青海湖地区草地施肥的研究成果为依据[4,6-9,12]，并结合试验区天然草原现状，设置3个氮元素水平(35 kg·hm-2，70 kg·hm-2，140 kg·hm-2)，3个磷元素水平(26 kg·hm-2，52 kg·hm-2，65 kg·hm-2)，其中不施任何肥料为对照组(Contrast，CK)(表1)。肥料为云南云天化牌尿素(总氮≥46.4%)和磷酸二铵(N≥18%，P2O5≥46%)。施肥时间为2017年6月28日，采用撒施的方法，均匀的洒到试验小区中。

表1 不同试验小区施肥量 Table 1 Fertilization amount in different test areas

1.3 测定指标与方法

分别于2017年和2018年9月上旬进行植物群落特征调查。在不同梯度N，P合施处理中，采用样方法重复取样6次，取样面积为1 m×1 m。用目测法[19-21]分别测定不同处理的群落总盖度，每种植物分盖度，用直尺分别测量不同植株自然高度。

并按照经济类群划分为禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)、豆科(Leguminosae)和杂类草(Weeds)(表2)，称取地上部分鲜重后在 80℃烘箱中烘干至恒重，测定地上生物量。在每个处理中用根钻采集植物地下根系并进行分层(0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm)，清水冲洗干净后烘至恒重称其干重，即为群落地下生物量[2]。

表2 植物群落经济类群的划分 Table 2 Division of economic groups of plant communities

1.4 数据分析

采用Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(E)、Margalef物种丰富度指数(S)进行物种多样性分析，计算公式如下：

重要值[11](Pi)=(相对盖度+相对高度+相对生物量)×100/3；

Pielou均匀度指数(E)=H/ln(S)；

Margalef物种丰富度指数(S)=样方内出现的物种数

式中：Pi为群落中的种i的相对重要值，S为种i所在样方中的数目[2]。

根冠比的计算公式为：

根冠比[22]=地下生物量/地上生物量

采用Microsoft Excel 2016软件进行数据处理与计算，运用SPSS 20.0软件对不同梯度N，P合施下植物群落特征进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，数据结果用平均值±标准误来表示，采用GraphPad Prism 6.01软件进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 N，P合施对不同经济类群盖度和高度的影响

N，P合施对高寒草原不同经济类群盖度和高度的影响显著(P<0.05)。不同梯度N，P合施增加了禾本科与豆科植物群落盖度，降低了杂类草盖度，而对莎草科无显著影响(P>0.05)，且不同经济类群植物高度均有所增加。N，P合施当年禾本科植物盖度在N2P2水平最大，比对照增加38.35%，豆科盖度在N3P2水平最大，比对照增加78.36%；施肥次年禾本科植物盖度在N1P3水平最大，比对照增加39.04%，豆科盖度在N3P1水平最高，比对照增加50.60%(图1)。施肥当年禾本科、莎草科、豆科和杂类草植物高度分别在N3P1，N3P1，N2P2和N2P3水平最大，分别显著提高45.77%，84.77%，141.65% 和84.45%；施肥次年禾本科、莎草科、豆科和杂类草植物高度分别在N2P1，N2P2，N2P2和N2P3水平最大，分别显著提高122.55%，60.82%，83.66%和123.56%(图2)。施肥次年与当年相比，同一施肥处理对不同经济类群平均盖度影响显著(P<0.05)，而平均度差异均不显著(P>0.05)。

图1 不同施肥水平下不同经济类群的盖度Fig.1 Coverage of different economic groups under different fertilization levels注：同一类群中的不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同Note:Different small letters in the same group mean significant differences (P<0.05). The same as below

2.2 N，P合施对不同经济类群重要值的影响

不同经济类群重要值的大小决定该经济类群植物在群落中所起作用及所占地位。不同梯度N，P合施下，施肥当年禾本科植物重要值比对照组增加0.61%～32.03%，施肥次年禾本科植物重要值比对照组增加5.51%～29.48%，且禾本科植物重要值均高于其他经济类群，表明禾本科植物在群落中起重要作用并占据重要地位；不同梯度N，P合施下，豆科植物重要值有所增加，施肥当年豆科植物重要值比对照组增加1.02%～77.79%，施肥次年豆科重要值比对照组增加16.02%～67.60%，各处理间与对照组相比差异显著(P<0.05)；不同梯度N，P合施下，莎草科、杂类草植物重要值却有所降低，施肥当年莎草科和杂类草植物重要值分别比对照组降低2.05%～53.52%，4.38%～21.29%；施肥次年莎草科和杂类草植物重要值分别比对照组降低1.23%～69.63%，8.78%～22.97%(图3)。不同梯度N，P合施下不同经济类群重要值与对照组相比差异性显著(P<0.05)，各处理间差异亦显著(P<0.05)，说明N，P合施对不同经济类群重要值的影响显著(P<0.05)。

图2 不同施肥水平下不同经济类群的高度Fig.2 Height of different economic groups under different fertilization levels

图3 不同施肥水平下不同经济类群的重要值Fig.3 Important values of different economic groups under different fertilization levels

2.3 N，P合施对群落多样性的影响

N，P合施不同程度影响了高寒草原植物群落物种多样性与丰富度指数，但不同施肥量及年际间存在一定的差异(表3)。施肥当年Shannon-wiener多样性指数有所降低，其中在N3P1施肥梯度下最小，施肥次年Shannon-wiener多样性指数与对照相比，整体有所上升，且与施肥当年相比亦有所增加，且不同处理与不同年际间Shannon-wiener多样性指数差异均不显著(P>0.05)；施肥当年与次年Pielou均匀度指数分别在N3P1,N3P3最小，但与CK相比无显著性差异，其他处理间差异亦不显著(P>0.05)；不同梯度N，P合施与CK相比，施肥当年与次年物种丰富度指数均无显著性差异(P>0.05)，但施肥次年与当年相比，各处理间群落物种数增加，丰富度指数上升，但无显著性差异(P>0.05)。说明N，P合施改变了植被的生长状况，间接影响了物种多样性，但并未打破高寒草原群落稳定性。

表3 不同施肥水平下群落的多样性Table 3 Plant community diversity under different fertilization levels

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同

Note:Different small letters within the same row mean significant difference (P<0.05). The same as below

2.4 N，P合施对地上、地下生物量的影响

不同梯度N，P合施后，地上生物量整体显著增加，与对照相比差异显著(P<0.05)(表4)。施肥当年地上生物量在CK～N1P3，CK～N2P3，CK～N3P3施肥区间均呈先上升后降低的趋势，在各个施肥区间，N1P2，N2P2，N3P2施肥处理下地上生物量最高，分别为443.47 g·m-2，538.48 g·m-2，722.59 g·m-2，比对照分别增加87.54%，127.72%和205.57%。施肥次年地上生物量整体变化趋势与当年一致，各个施肥区间N1P2，N2P2，N3P2施肥处理下生物量最高，分别为463.73 g·m-2，631.84 g·m-2，749.04 g·m-2，比对照分别增加73.41%，136.27%和180.10%。施肥次年在CK～N1P3，CK～N2P2，CK～N3P2施肥区间地上生物量分别比当年高出4.57%～13.61%，2.72%～17.34%，3.66%～13.72%，而在N2P3，N3P3施肥处理下施肥次年地上生物量分别比当年低6.37%，1.69%，但在各个施肥处理区间施肥次年地上生物量整体与当年相比差异显著(P<0.05)。

不同梯度N，P合施能显著增加高寒草原地下生物量，且施肥次年后植物地下生物量与施肥当年相比整体有所增加(表4)，其中0～10 cm地下生物量与对照相比差异显著(P<0.05)，而10～20 cm和20～30 cm无显与对照相比差异不显著，但在不同处理之间存在一定的差异。施肥当年地下总生物量在CK～N1P3，CK～N2P3之间均先上升后降低，而在CK～N3P3之间无明显规律。地下生物量总体较对照组增加0.35%～43.86%，各处理间差异性显著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm地下生物量与对照相比，分别增加4.23%～39.72%，3.38%～71.04%，3.21%～120.44%。施肥次年地下总生物量在CK～N1P3,CK～N3P3之间呈先增加后降低再增加的增长趋势，在CK～N2P3之间先上升后降低，0～10 cm地下生物量与对照相比，分别增加9.74%～112.99%；10～20 cm和20～30 cm地下生物量随着施肥量的增加差异不显著(P>0.05)，不同处理之间差异亦不显著(P>0.05)。

表4 不同施肥水平下植物的地上、地下生物量和根冠比Table 4 Plant biomass and the root/shoot ratio under different fertilization levels

2.5 N，P合施对根冠比的影响

不同梯度N，P合施下，施肥当年在CK～N1P3，CK～N2P3，CK～N3P3之间植物根冠比变化不一致，无明显规律，与对照相比均有所降低，且差异显著(P<0.05)。施肥次年植物根冠比在CK～N1P3，CK～ N2P3，CK～N3P3之间呈先降低后上升的趋势，与对照组相比有显著性差异(P<0.05)，其他处理间亦差异性显著(P<0.05)(表4)。施肥当年与次年植物根冠比均在N3P2施肥处理下最低，与对照组相比均显著降低2～3倍。施肥次年与当年相比，植物根冠比总体呈上升趋势，说明随着施肥年限的增加，不同梯度N，P合施下植物地上生物量的增长速度高于地下生物量。

3 讨论

3.1 N，P合施对不同经济类群盖度和高度的影响

施肥增加了土壤养分，恢复了土壤肥力，改变了不同经济类群植物之间的竞争力，进而影响群落中植物种空间分布与组成特征，直接的体现就是不同经济类群植物盖度和高度的改变[23-25]。不同梯度N，P合施增加了高寒草原植物群落总盖度，且施肥两年后高寒草原植物群落总盖度在施肥当年的基础上有所增加，这与王娟等[26]关于施肥可以提高高寒草地植被盖度的结论相一致。本试验中不同梯度N，P合施两年后禾本科与豆科植物群落盖度显著增加，杂类草植物群落盖度显著下降，而莎草科植物盖度无显著变化，这与施建军等[11]的研究结果一致，究其原因可能是施肥两年后打破了植物群落原本的竞争强度，而禾本科植物在植物群落中能够迅速获得有利于自身生长的养分、空间和阳光，促进植物本身的生长，成为该群落的优势植物。豆科植物本身具有很好的固氮能力，并不需要与其他经济类群植物争夺氮肥，因而豆科植物盖度有所增加。由于禾本科和豆科植物的生长优势能够在群落中占主导地位，当植物群落总盖度达到最大时就会抑制莎草科和杂类草的生长，降低莎草科和杂类草的盖度。不同梯度N，P合施显著增加了植物高度，但不同物种的高度存在一定的差异，施肥两年后，同一施肥处理不同经济类群平均高度并无太大变化，可能由于不同经济类群植物本身生长状况不同，所需营养物质的量也不同，施肥对植物的影响亦不同，而同种植物在一定的肥力及特定的植被类型下，植物高度并不会有太大变化[17]。N，P合施对植物群落盖度和高度的影响不但与草原类型有关，还与施肥量、草原退化程度及研究区气候等都有密切的关系。

3.2 N，P合施对不同经济类群重要值的影响

N，P合施对不同经济类群重要值的影响显著。同一N，P合施梯度下，禾本科和杂类草植物重要值较大，莎草科和杂类草植物重要值较小；不同梯度N，P合施下，禾本科和豆科植物重要值呈先增加后降低的趋势，莎草科和杂类草植物重要值呈先降低后增加的趋势。周学东等[27]研究表明禾本科植物本身没有固氮能力，只能从土壤中吸收氮素来维持生长发育，因此施N肥对禾本科植物影响显著；李小坤[18]在研究P肥用量对黑麦草产量及经济效益的影响中得出，施用P肥可以明显提高豆科植物的分蘖数、株高和最大表观叶面积等生长指标。本试验中禾本科植物重要值高于莎草科、豆科植物，且杂类草植物重要值整体有所降低，说明禾本科植物在群落中占据主导地位，影响着该植物群落生态小环境，为该植物群落当中的优势种[28-30]；而莎草科植物重要值却有所下降，可能植物群落当中的优势种禾本科决定了群落内较大范围的生境条件，再加上禾本科植物本身植株高大，土壤中养分吸收利用率高，迅速占据有利条件，能够在较短的时间内快速生长，进而遮挡莎草科植物，影响莎草科植物进行光合作用，不利于莎草科植物的生长发育。

3.3 N，P合施对群落多样性的影响

本研究中禾本科植物为该植物群落当中的优势种，N，P合施引起群落植物种丰富度减少,从而降低植物多样性。群落的结构多样性特征在一定程度上由高寒草原中优势种组成差异来决定，如果施肥试验地中的优势物种是高大的禾草，那么物种丰富度会降低[23,31]。施肥会抑制其他杂类草的生长，不利于维持群落物种多样性[32]。N，P合施当年和次年植物群落物种丰富度指数均有所下降，但N，P合施次年物种丰富度指数在第1年的基础上有所增加。N，P合施两年后对物种多样性的影响不明显，说明不同梯度N，P合施在一定程度上影响了植物群落多样性，但并未影响群落的稳定性，这对维持草地群落结构稳定性具有重要的作用[5]。N，P添加对物种多样性的影响与草原类型、群落演替阶段、群落物种组成和环境因素息息相关。Baer等[33]在美国曼哈顿新建草地上不同梯度氮素添加试验亦表明高寒草原植物群落物种数增加，丰富度指数上升，得出不同氮肥水平与草地群落多样性呈负相关，本试验结果与其不一致，可能本试验为1次施肥，次年并未施肥，因此施肥并未过量，对植物生长并未起到抑制作用，或者由于次年雨水较第1年高，对植物生长发育起到一定的促进作用。

3.4 N，P合施对地上、地下生物量的影响

N，P合施当年和次年，地上生物量均呈先上升后降低的趋势，整体与对照相比呈增加趋势。施肥当年氮元素施量为70～140 kg·hm-2，磷元素施量为26～52 kg·hm-2时，草原地上生物量显著增加，与车敦仁[34]在青海高寒牧区栽培禾草施磷施氮显著增加禾草地上生物量的结论相一致。本试验中，当磷元素施量超过52 kg·hm-2时，草原地上生物量反而下降，这一变化趋势与徐明岗等[35]在南方红壤丘陵区的研究发现随着施P量的增加草地地上生物量增加到一定量之后反而下降的结果相一致。周青平等[36]在青海省三角城种羊场的试验表明，地上生物量随着施N量的增加而递增。本试验中，在氮元素施量为140 kg·hm-2，磷元素施量为52 kg·hm-2时，施肥次年地上生物量最高，最高为749.04 g·m-2，比当年最高生物量高出3.66%。施肥次年地上生物量整体比当年高出2.72%～17.34%，说明施肥次年高寒草原地上生物量增产效果更明显。

N，P合施不但能显著增加高寒草原植物地上生物量，亦对植物地下生物量有一定的影响。植物地下生物量的大小在一定程度上影响高寒草原生态系统的稳定性[37-38]。本研究发现不同梯度N，P合施能显著增加植物地下生物量，施肥当年尤以0～10 cm植物地下生物量增加幅度最大，增产4.23%～112.99%，施肥次年后植物地下生物量与施肥当年相比整体亦有所增加，原因可能是由于施肥有利于土壤环境的改变，但N，P肥肥效缓慢，肥料中氮素及磷素的当季利用率低，施肥当年后土壤中肥料并未被植物完全吸收，并且施肥次年，土壤肥料中未分解的全氮全磷进一步分解，为植物的生长提供了更多可直接利用的速效成分，进而促进植物生长，有助于植被地上生物量的积累[37]，说明施肥两年后仍对高寒草原植物群落地上生物量的影响显著。

3.5 N，P合施对根冠比的影响

N，P合施当年和次年，地上生物量与地上生物量均显著增加，但地上生物量增幅更大，所以植物根冠比整体呈逐渐降低的趋势，说明N，P合施改变了高寒草原植物地上、地下生物量的分配模式，使得植物向地上部分的分配增加，这与宗宁等[39]在轻度退化高寒草甸草原氮素添加中发现植物地上、地下生物量显著增加，但两者的增幅基本一致，根冠比无显著变化的结论不一致，这可能与草原植被类型和施肥量以及施肥种类有关。研究表明，施肥次年植物根冠比与当年相比呈上升趋势，说明不同梯度N，P合施下施肥次年与当年相比植物地上生物量增长幅度高于植物地下生物量，这一变化趋势有可能受当地的气候条件的影响，本试验中施肥次年当地雨水较多，为植物生长提供更好的生长条件，促进植物地上生物量的积累。