三江源区高寒草甸草场植被和土壤对外源氮素输入的响应

2021-10-19向雪梅德科加冯廷旭魏希杰徐成体

草地学报 2021年9期

向雪梅，德科加，冯廷旭，魏希杰，王伟，徐成体

(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)

高寒草甸是青藏高原生态系统中主要的植被类型之一，在维持生物多样性、养分平衡及水源涵养等诸多方面发挥着重要的生态功能，同时也为畜牧业的发展提供主要的物质基础[1-3]。近年来，由于青藏高原地区独特的气候条件与地理位置，土壤有机氮矿化缓慢，造成植物可利用氮素有限，严重制约草地生产力。加之高寒草地过度利用，造成土壤氮库严重亏缺，导致生物多样性下降，草场退化严重[4-6]。为维持草地生态系统的稳定，提高草地生产力，学者们进行了大量试验，结果证明施氮是提高草地生产力的主要途径之一[7-8]。

在草场中常规施用的氮素形态是酰胺态氮、铵态氮和硝态氮。铵态氮、硝态氮及酰胺态氮都能促进植物的生长，但是不同的氮素形态在土壤中的转化机制不同，对植物的干物质积累及总氮积累存在差异[9-10]。前人研究表明，不同形态的氮素添加都会影响群落物种多样性和草地生产力[11]，但是不同草地类型的植物群落对不同形态氮素利用存在偏好性[12]。添加不同形态氮素不仅会改变草地生态系统中植物及不同土层中的养分含量，对土壤的理化性质也有影响。而且会影响土壤微生物与植物之间的相互作用，促使微生物的数量和活性发生变化[13-15]。以上研究主要针对不同形态氮素添加对天然草场植物生产力、群落特征、土壤理化性质及微生物活性等的影响，但不同形态氮素输入后在天然草场中分配情况及植物的利用率都未形成统一的结论。已有的研究表明，只有了解氮素施入后在植物-土壤中利用及分配的规律，才能制定出相应的管理措施[16]。目前，针对不同氮素形态添加在高寒草甸生态系统中的去向及氮素利用率的研究较少。

而15N示踪技术的使用可以更准确地分析出不同氮素形态作用于土壤-植被系统中的氮素利用率及其在系统中分配，从而有助于定量分析氮肥的吸收及损失[17]。

因此本试验以三江源区高寒草甸为研究对象。利用15N标记技术，定量探究(15NH4)2SO4，Ca(15NO3)2及CO(15NH2)2在植物及土壤中的分配及利用率，从而系统的了解氮素在天然草场生态系统中去向，为高寒草甸氮素的可持续管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区自然地理概况

研究地点位于青海大学三江源生态系统教育部野外观测站(北纬33° 24′30′′，东经 97°18′00′′)，海拔高度为4 270 m，气候为典型的高原大陆性气候，年平均气温为-5.6℃～3.8℃，年均降水量为562.2 mm，年度降水主要分布在6-9月份，约占全年降水的75%。该草地类型为高山嵩草杂类草甸，草地为中度退化草地，草场主要优势牧草有高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)，次优势种有矮嵩草(Kobresia.humilis Clarke)、异针茅(StipaalienaKeng.)、珠芽蓼 (PolygonumviviparumL.)、雪白萎陵菜(Potentilla.niveaL.) 等，伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披碱草(ElymusnutansKeng) 等。土壤为高山草甸土，土壤pH值为6.92，有机质含量2.36%，速效氮含量14.0 mg·L-1，速效磷含量7.0 mg·L-1，速效钾含量76.5 mg·L-1。

1.2 试验设计

2020年6月开展氮素添加试验，试验采用随机区组设计，共4个处理N1((15NH4)2SO4)，N2(Ca(15NO3)2)，N3(CO(15NH2)2)，同时设置一个对照(N0)，设置 1 m× 1 m的微区，微区间用聚乙烯板隔开以减小地表和地下氮素的横向移动，每个形态标记氮肥设 6个微区，共24个微区。同位素示踪采用丰度为 10.20%。本试验从维持高寒草甸生态系统功能方面考虑，并结合在高寒草甸施氮的研究成果作为依据，选择的纯氮添加量为30 g·m-2[18-20]。换算为N1，N2，N3分别为142.9 g·m-2，250.0 g·m-2,65.2 g·m-2。将肥料加 100 ml蒸馏水在烧杯内溶解摇匀后，置于小喷壶，均匀喷洒在微区内，对照也喷洒等量的蒸馏水。此过程再加蒸馏水重复两次,保证烧杯及喷壶内无溶质剩余。

1.3 样品采集

于2020年9月，在不同处理的试验微区内随机取样(离开样区边缘0.5 m以上)，样方面积为0.5 m×0.5 m，将样方内的植物齐地面剪下。用直径0.03 m的根钻在样方内取至20 cm深度，每个重复取5钻，将根洗净。带回实验室置于烘箱内，65℃杀青30 min，然后在80℃下烘干，称重得到植物地上及地下生物量。土壤样品按照 0～15 cm，15～30 cm深度采集，3钻混合为一个土样。

1.4 指标测定及计算公式

植物和土壤样品的全氮含量用H2SO4-H2O2消化氮，然后通过全自动氮饱和度计(A002)测定，用质谱仪(MAT-271)测定植物的15N丰度[21]。

植物吸收的氮素来源的计算[22]：

NA=N×W

NDFF=APlant/AFertilizer×100

NDFS= 1-NDFF

NA(Nitrogen amount)表示样品中氮素的总量，单位为g·m-2；N表示样品中氮素总百分含量，单位为%；W表示样品干物质的重量，单位为g·m-2；APlant(Abundance of plant)表示植物样品15N丰度，单位为%；AFertilizer(Abundance of fertilize)表示用于标记的氮素肥料丰度，单位为%；NDFF(Nitrogen derive from fertilizer)表示植物吸收的氮素来源于肥料的比例，单位为%；NDFS (Nitrogen derive from soil)表示植物吸收的氮素来源于土壤的比例，单位为%。

氮素回收率的计算[23]:

15N =NA×ASample/AFertilizer

15N RPlant=15NPlant/15NFertilizer×100

15N RSoil=15NSoil/15NFertilizer×100

15NLoss=1-15N RPlant-15N RSoil

15N表示单位面积样品(植物样品或土壤样品)中15N标记肥料氮素总量，单位为g·m-2；Asample(Abundance of sample)表示样品的15N丰度，单位为%；Aplant(Abundance of plant sample)表示植物样品的15N丰度，单位为%；Afertilizer(Abundance of fertilizer)表示用于标记的氮素肥料的15N丰度，单位%。15NRPlant(15N Recovery by plant)表示植物对标记15N的回收率，单位%；15NRSoil(15N Retention in soil)表示标记15N在土壤中的存留率，单位%；15NLoss(15N Losses)表示标记15N的损失率，单位为%；15NPlant表示单位面积植物样品15N总量,单位g·m-2；15Nsoil表示单位面积土壤样品(不同土层)15N总量，单位为g·m-2；15NFertilizer表示单位面积标记肥料中15N总量，单位为g·m-2。

1.5 数据处理及统计分析

采用单因素方差分析(One-way ANOVA,LSD)比较不同处理间各参数差异显著性;统计分析均在Excel 2010 和SPSS 22.0统计软件上完成。

2 结果与分析

2.1 不同形态氮素添加对植物地上、地下生物量的影响

由图1可知，不同形态氮素添加对植物地上和地下部分干物质积累量影响不同。与N0相比较，在N1,N2,N3处理下，植物的地上部分干物质积累量分别增加154.94%，115.95%，190.60%，各处理间差异显著(P<0.05)。但对地下部分的干物质积累量无显著影响。结果表明在这3种处理下，N3处理更有利于植物地上部分生物量的积累。

图1 不同形态氮素添加下植物地上部分和地下部分干物质积累量

3.2 不同形态氮素添加对植物地上、地下全氮含量的影响

由图2所示，不同形态氮素添加对植物地上和地下部分总氮含量影响不同。与N0相比，在N1,N2,N3处理下植物地上部分的氮积累量分别增加了240.98%，191.87%，381.94%。不同的氮素形态施入仅对植物地上部分氮素积累量有显著影响(P<0.05)，而对地下部分氮素积累量无显著影响。结果表明，在这3种处理下，N3处理更有利于植物地上部分对氮素的吸收利用。

图2 不同形态氮素添加下植物地上部分和地下部分全氮积累量

2.3 不同形态氮素添加对土壤全氮含量的影响

由图3所示，在N3处理下，0～15 cm层土壤全氮质量分数最高，达到6.99 g·kg-1。但是各处理之间差异不显著。在15～30 cm层，与N0相比，不同形态氮素输入都使土壤全氮质量分数显著下降，分别为10.51%，13.78%，12.03%(P<0.05)。

图3 在不同形态氮素的添加下，不同土层土壤全氮质量分数

2.4 不同形态的氮素在植物群落中的分配

2.4.1植物群落吸收氮素的来源在牧草整个生长季，不考虑降雨等因素时，植物吸收氮素来源主要是来自土壤中的氮素及添加的氮肥。由表1可知，在N1处理下，土壤为植物地上部分和地下部分的生长分别提供了51.28%，83.02%的氮，而肥料则分别提供了48.73%，16.98%的氮。在N2处理下土壤为植物地上部分和地下部分的生长分别提供了44.25%和88.73%的氮，而肥料则分别提供了55.75%，11.27%的氮。在N3处理下土壤为植物地上部分和地下部分的生长分别提供了54.15%，85.74 %的氮，而肥料则分别提供了45.85%，14.27%的氮。在这3种处理下，土壤在N3处理下为植物地上部分提供的氮量较高。

表1 在不同形态氮素的施入下植物中氮素的供应源

2.4.2不同形态氮素处理下植物对15N的吸收由表2可知，在N1,N2,N3处理下，15N在植物地上部分和地下部分总回收率分别为13.88%，6.28%，26.82%。不同处理中15N在植物地上部分中的回收率为2.41%～9.02%，15N在植物地下部分的回收率为3.87%～17.80%。在氮素施入3个月后，主要是在植物地下部分分布，回收量为2.33 g·m-2,1.16 g·m-2,5.34 g·m-2。在不同氮素形态添加下，15N回收率在植物地上部分，地下部分中差异均显著(P<0.05)。并在N3处理下植物地上部分，地下部分的回收率最高，分别为9.02%，17.80%。

表2 不同形态氮素处理下15N在植物地上部分，根系中的回收率及回收量

2.4.3不同形态氮素处理下15N在土壤中的残留在由表3可知，一个生长季后，不同形态氮素输入下15N在 0～15 cm土壤层中的残留为9.83%～36.94%，在15～30 cm土壤层中的残留为6.23%～21.19%。0～15 cm土层的氮素回收率和回收量均高于15～30 cm土层，氮素主要是在0～15 cm的土层里残留。在N2处理下土壤中氮素的残留量及残留率最低，在N3处理下土壤中氮素的残留量及残留率最高。以上说明在高寒草甸中，N3处理下土壤中残留的氮素最高，氮素回收率在该处理下最高。

表3 不同形态氮素处理下15N在土壤中的残留率及残留量

2.4.4不同形态氮素处理下15N的损失氮素输入土壤后除了留在植物及土壤内以外，还有一部分会损失。由图3所示，高寒草甸中氮素的损失率在15.05%～77.66%。在N2处理下氮素损失率最高，在N3处理下损失率最低。本试验表明，在高寒草甸中N3处理下，氮素损失率最低。

图4 不同氮素形态处理下15N的损失率

3 讨论

3.1 不同形态氮素对植物生物量和全氮含量的影响

施入草地的氮素形态是根据某些元素对草地生长的限制程度及土壤中的有效元素的含量来确定的[24]。在本试验中研究发现，添加不同氮素形态能不同程度的增加植物地上部分生物量及全氮含量。这表明在高寒草甸生态系统中添加氮素能提高草地的初级生产力[25]。短期内，添加CO(15NH2)2对植物地上生物量和全氮含量的作用效果更为明显，而添加Ca(15NO3)2的作用效果比较微弱。这与卢光新等[26]人在高寒草甸中的试验结果一致。而王伟等[27]人的研究表明在高寒草甸施入20 g·m-2硫酸铵时植物生物量为最大值，与本试验的结果不一致。这就说明草地生物量不仅与氮素形态、施氮水平、施氮方式及施氮时间有关，而且与温度和降雨量等环境因子、草地类型及人类的活动等有关[28-29]。

在本试验中发现氮素添加会使植物地下生物量降低。因为植物地下部分的生长与土壤的理化性质有关，氮素添加使土壤中营养元素的含量发生变化，致使植物体内的镁和钾亏损限制生物量向根系分配[30]。

3.2 不同形态氮素对土壤全氮含量的影响

土壤全氮含量分布对草地质量有着决定性的影响，合理施氮有助于提高土壤肥力[31]。在本试验中研究发现在施氮处理下0～15 cm层的土壤全氮质量分数大于15～30 cm层。这就说明肥料中氮元素主要集中在浅层土壤，改善浅层土壤供氮能力。氮在一定程度上能反映土壤氮素的供应状况，许多研究结果表明，酰胺态氮添加能显著提高土壤氮素含量[32]。与上述结果一致，本研究中发现CO(15NH2)2添加能提高浅层土壤中的全氮含量。除了施氮对土壤全氮含量有影响外，土壤全氮含量还会受地形因素(海拔、坡度等)、气候因素(温度、降水)、植被状况及土壤类型等因素的影响[33-34]。

3.3 氮素在植物-土壤中去向及分配

了解氮素在植物及土壤中分配比例，对养分的高效利用具有重要的意义[35]。本研究表明植物吸收的氮素大多数来源于土壤。这与Melanie Kriszan等[36]在温带草原中对植物及土壤15N自然丰度的长期变化过程中结果一致。土壤中的氮是从肥料氮和其他氮源(例如：氮沉降、生物固着)转化而来的，其中外源氮素输入是维持土壤长期肥力和生产力的重要机制[37]。

在不同形态氮素添加下，植物地上部分吸收的氮素在2.41%～9.02%之间，地下部分吸收的氮素在3.87%～17.80%之间。这表明氮素添加后根系吸收的氮素更多，是因为根系能从土壤中获取养分和水分，从而供给植物生长所需要的养分[38]。

在一个生长季后还有50%以上的氮素仍残留在土壤中，而且大多数的氮素分布在土壤0～15 cm层。这与乔江等人在内蒙古贝加尔针茅草原中的研究结果一致[39]。在不同形态氮素添加下，CO(15NH2)2添加下土壤中的残留率最高，为58.13%。残留的氮素在下一个生长季使用，它将成为土壤中相对稳定的有机氮部分，并在一定程度上补充土壤氮库[40]。

除了被植物吸收及在土壤中残留的部分，氮素还可能通过氨挥发、硝化作用、反硝化作用及淋溶而损失[41]。在研究温带荒漠草原中氮素的去向时发现，大于50%的氮素通过径流的方式而损失[42]。在本试验中损失的氮素为15.05%～77.66%，施入的Ca(15NO3)2时损失率最高。由于土壤颗粒对铵态氮和硝态氮的吸附性是不同的，它们在土壤中的淋失是有差异的，相比于铵态氮，硝态氮更容易随着水分向下迁移[43]。

3.4 不同形态氮素输入后的回收率

氮素利用率是衡量植物对氮素的吸收和转移能力的参数[44]。本试验研究表明，不同形态氮素添加后，氮素利用率分别为13.88%，6.28%，26.82%。这说明在高寒草甸中施入CO(15NH2)2时，氮素利用率最高。这与Stevens等[45]测定黑麦草(LoliumperenneL)对15N标记的硝酸铵和尿素回收率的结果一致。而Chaney等[46]研究发现，尿素的回收率低于硝酸铵。氮素回收率受较多因素的影响，比如，植物本身的偏好性、土壤理化性质、气候条件、施氮时期及方式等[47]。正是由于较多因素共同影响导致氮素回收的变异范围较大。