氮添加对东祁连山高寒草甸土壤养分及地上生产力的影响

张玉琪，吴玉鑫，周会成，姜哲浩，张德罡，陈建纲

（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）

祁连山位于三大高原交汇处，地理位置极其重要，但其气候独特，生态环境脆弱［1］。高寒草甸是该地区的主要草原类型，是在高原和高寒条件下发育形成的草地生态系统。该生态系统中的有机质分解比较缓慢，氮素普遍比较少［2］，所以氮是影响该地区生态系统和植物生长的重要因素［3］，对该地区生态系统结构有重要的影响。

由于全球气候变化和长期过度放牧，该地区高寒草甸退化日益严重［1］，草地生态系统的平衡被破坏，草地营养输出大于输入，导致土壤肥力水平降低、养分平衡失调，严重影响植物生长发育，从而危及到草地生态系统［4-6］。而施氮肥可直接供给牧草营养需要，大幅度提高牧草产量，对土壤退化恢复有积极的作用，并且可恢复草地生态功能［7-8］。草地施氮对生态系统功能具有深远的影响［9］，合理施用氮肥会提高生态系统生产力，增加土壤有效氮含量［10］，并且有利于肥料利用效率的提高，保持和增强土壤长期肥力和活性［11］，还可以促进退化草地恢复［12］。但过量施用氮肥会降低肥料利用率，并使残留氮素向下迁移，污染地下水，造成环境污染［13］。所以要合理施肥提高氮肥利用率，保持土壤肥力，维持土壤氮素平衡，并且减少土壤中的氮肥盈余，兼顾经济效益和生态环境效益。

本研究探讨了在祁连山东段的退化高寒草甸施用不同梯度氮素后土壤养分和地上生产力的变化，以期为天然草甸草原合理施肥和退化草地恢复提供理论依据和科学指导。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山东段金强河流域，甘肃省天祝藏族自治县甘肃农业大学草原站内（E 102°47'7"，N 37°11'51"），海拔2 920 m左右，气候寒冷，昼夜温差较大，日照强烈，年均气温-0.1～0.6 ℃，最高温度为12.7 ℃（7月），最低温度为-18.3 ℃（1月），≥0 ℃年积温1 380 ℃，≥10 ℃年积温1 080 ℃；年均降水量416 mm，主要集中在7～9月，占全年降水量的76%，年蒸发量1 592 mm，约为年降水量的4倍，生长期120～140 d［13-15］。土壤类型为亚高山草甸土，草原类型为高寒草甸草原。优势种植物有：垂穗披碱草（Elymus nutans）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、扁蓿豆（Trigonellaruthenica）、球花蒿（Artemisia smithii）、赖草（Leymus secalinus）等。

1.2 样地设置

本研究于2019年6月开展，采用随机区组试验设计，选择基本情况一致的中度退化高寒草甸草原［14］，围11 m×9 m的样地，划分为20个1 m×1 m的小区，并设置1 m的隔离带。结合前人的研究结果［15-17］，设置5个处理，分别施入0，10，20，30，40 g/m2的尿素（CO（NH2）2，氮含量为46%），分别记为N0（对照），N1，N2，N3，N4，每个处理设置4个重复。在2019年6月将尿素肥料一次性施入，施肥时将肥料溶于2 L水中，用洒壶均匀撒入土壤中。

1.3 样品采集和指标测定

10月将小区内的植物齐地刈割，带回实验室在120 ℃烘箱杀青15 min，然后在65 ℃烘箱烘48 h，烘至恒重后称重，记为地上生产力。用土钻取0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土层土壤，4个重复，自然风干后一部分过1 mm筛用于测定速效养分含量，一部分过0.25 mm筛用于测定全量养分含量。有机质含量用重铬酸钾外加热法测定；全氮含量用半微量凯氏定氮法测定；全磷含量用钼锑抗比色法测定；全钾含量用火焰光度法测定；速效磷含量用钼锑抗比色法测定；速效钾含量用火焰光度法测定；硝态氮、铵态氮含量用流动注射法测定［18］。

1.4 数据分析

使用Excel 2010进行数据整理和图表绘制，用SPSS 19.0进行单因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan法对不同施氮梯度下地上生物量土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、速效磷、速效钾、速效氮、铵态氮、硝态氮的含量进行分析。用R语言（4.1.0）Performance Analytics包进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮梯度下地上生产力变化

随着施氮水平的增加，地上生产力逐渐增加，在N4水平下达到最大值，为194 g/m2，在N0水平下生产力最小，为127 g/m2。地上生产力在N0和N1，N3和N4水平之间不存在显著差异。虽然随着施氮水平增加，地上生产力逐渐增加，但在N3水平之后，生产力并没有持续显著增加（图1）。

图1 不同施氮梯度下的地上生产力Fig.1 Aboveground productivity under different nitrogen gradients

2.2 不同施氮梯度下不同土层土壤养分变化

0～20 cm土层，全氮含量，有机质含量随着施氮水平增加有降低的趋势，但不显著。全磷含量呈现先升高后降低的趋势，在N2水平下全磷含量最大。20～40 cm土层，全氮含量和有机质含量整体呈现先升高后降低的趋势，在N2水平下达到最大值。全磷含量随施氮水平增加，呈现先升高后降低的趋势，但在各个处理下没有显著差异。40～60 cm土层，全氮含量和有机质含量在N3和N4水平下有显著降低的趋势（P＜0.05）。60～80 cm土层，全氮和有机质含量均在各个处理下无显著差异。40～60，60～80 cm土层全磷没有明显的变化。且全氮，有机质，全磷含量随着土层深入逐渐降低。全钾随施氮水平升高，和土层深入均无明显变化趋势（表2）。

表2 不同土层土壤养分含量Table 2 Soil nutrient content in different soil layers

在0～20，20～40，40～60 cm土层，铵态氮含量随施氮量增加呈现先升高后降低的趋势，在N3水平下达到最大值，且随土层加深，含量逐渐降低，除40～60和60～80 cm土层之间没有显著差异，其余土层间均有显著差异（P＜0.05）。4个土层中，硝态氮的含量随施氮量增加均呈现升高的趋势，N0，N1，N2之间没有显著差异性，N3，N4与其它处理之间具有显著差异性（P＜0.05），在N4水平下达到最大值，且硝态氮含量随土层深入先降低后升高。施入氮肥后，在0～20 cm土层中速效钾含量相比于N0，都明显升高（P＜0.05）。在20～40，40～60，60～80 cm土层中无显著差异。在各个土层中，速效磷含量整体上呈现先升高后降低的趋势，整体来看，在N2水平下含量增加最多。速效钾和速效磷含量整体上随着土层加深，呈现逐渐降低的趋势。

2.3 地上生产力和土壤养分与施肥之间的相关性

地上生产力与施氮量有极显著的正相关关系（P＜0.01）（图2）。在0～20 cm土层，土壤全氮含量，速效磷含量与施氮量之间存在极显著的负相关关系（P＜0.01），土壤铵态氮，硝态氮含量与施氮量之间存在极显著的正相关关系（P＜0.01），土壤有机质与施氮量之间存在显著正相关关系（P＜0.05）。施氮量与全磷，全钾，速效钾含量之间无显著相关性。在20～40 cm土层，仅铵态氮和硝态氮含量与施氮量之间存在显著相关性（P＜0.05）。在40～60 cm土层，施氮量与全氮含量之间存在极显著负相关关系（P＜0.01），与硝态氮含量之间存在极显著正相关关系（P＜0.01）。在60～80 cm土层，施氮量与土壤硝态氮含量之间存在极显著正相关关系，与全钾含量存在极显著负相关关系（P＜0.01）。

图2 不同土层生产力和土壤养分与施肥之间的相关性Fig.2 Correlation between fertilization and productivity of different soil layers and soil nutrients

3 讨论

随着施氮量增加，地上生产力呈现升高的趋势，施氮量在10和40 g/m2下生产力增加并不显著，施氮量在10 g/m2时地上生产力相比未施氮增加了8.96%；施氮量在20 g/m2时地上生产力相比10 g/m2增加了16.64%；施氮量在30 g/m2时地上生产力相比20 g/m2增加了14.23%；施氮量在40 g/m2时生产力仍在增加，相比30 g/m2增加了4.87%，由此可见施氮量在40 g/m2时增产效率大大降低，所以推测过低和过高的施氮量均不利于生产力增加，这与Baer等的结果相同［20］。马玉寿等在小嵩草草地上施氮肥后发现具有明显的增产效应，但施氮量在阈值后继续增加，产量增幅缓慢甚至下降［21］。也有研究表明，地上生产力与施氮水平之间呈单峰曲线关系，曲线的完整变化包括效应递增、效应递减和负效应三个阶段，在负效应阶段，再增加施氮量，产草量不但不会增加，反而会下降［21］。

随着施氮量增加土壤全氮和有机质含量呈现降低的趋势，可能是因为草地施肥影响土壤微生物的活性，加快土壤有机氮的分解速度。而且牧草在肥料的作用下生长加快，消耗了土壤固有的无机氮和添加的氮素，导致土壤全氮含量在总体上表现为降低的趋势［19］。这与郑海霞［19］的研究结果相类似，与曹文侠，苏洁琼等结果相反［23-24］。张杰琦［25］，魏金明［26］的研究发现，施肥不能增加土壤全氮、全磷含量，但显著增加了土壤铵态氮和硝态氮含量，原因在于氮肥添加刺激了土壤微生物活性，加快了土壤有机氮的分解。本研究也得到了类似的结果，土壤全磷，全钾含量与施氮水平间没有显著的相关性，但极显著增加了土壤铵态氮与硝态氮的含量。铵态氮随土层加深，含量逐渐降低，在同一土层中，施氮量超过30 g/m2后，铵态氮稍有降低的趋势。硝态氮含量随土层加深呈现先降低后升高的趋势。李楠等在吉林羊草草原施氮后发现土壤硝态氮和碱解氮含量随施氮量的增加而增加［27］。刘碧荣在内蒙古草地连续施肥的研究表明，施氮可以显著提高土壤无机氮含量［28］。

本研究还发现土壤速效钾的含量与施氮水平没有显著相关性，但施氮显著增加了土壤速效磷的含量。这与卡着才让在对青海高寒草甸研究中得出的结论不同［15］。但也有结果表明，尿素添加能显著增加土壤速效磷素含量，从而显著提高了植被群落地上生产力［29-30］。

4 结论

随着施氮量增加，地上生产力呈现升高的趋势，但过低和过高的施氮量不能显著增加地上生产力。虽然施氮量在40 g/m2时增产效率大大降低，但此施氮水平在祁连山东段的退化高寒草甸地区并未达到阈值。随着施氮量增加，在0～20 cm土层土壤全氮和有机质含量降低。在0～20，20～40，40～60 cm土层，铵态氮含量呈现先升高后降低的趋势，在N3水平下达到最大值，在4个土层中，硝态氮的含量均呈现升高的趋势，在N4水平下达到最大值。在各个土层中，速效磷含量整体上呈现随土层深度增加先升高后降低的趋势，施氮量与土壤全磷，全钾和速效钾之间均没有显著相关性。