施磷肥對高寒草甸草原牧草的增產效應研究

馬隆喜，辛小云，孫志英，年 林，索南扎西，姜哲浩

(1.夏河縣草原工作站，甘肅 夏河 749100； 2.甘肅農業大學 草業學院/草業生態系統教育部重點 實驗室/甘肅省草業工程實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

夏河縣地處青藏高原東北邊緣與黃土高原的交匯地帶，位于甘肅省西南部，甘南藏族自治州西北部[1]。土地總面積6 273.88 km2，其中，天然草原面積5 025.60 km2，占全縣土地總面積的80.1%[2]。全年冷季長，暖季短，牧草生長期只有5個月，枯草期長達7個月，是典型的草甸向草原過渡地帶，境內草地類型復雜多樣，牧草種類繁多，植物資源豐富[3-4]。高寒草甸草原是全縣的主要草地類型[5-6]。草原鮮草產量為24.7 kg/hm2，草地畜牧業是全縣國民經濟的主導產業和特色產業。研究表明，施肥是一種維持草原生態系統養分平衡的重要管理方式[7]，是補充土壤損失的養分、恢復退化草地肥力[8]、提高草地生產力的有效途徑[9]。但草地施肥也不是越多越好，盲目過多施用，既浪費肥料又增加成本、降低產量、減少收益。磷是植物必需的大量元素之一，不僅是植物體內許多重要化合物的組成成分，而且以多種途徑參與植物體內的代謝過程，從而影響植物的生長發育，因此，科學、合理的施磷肥具有重要的意義[10-11]。高寒草甸草原施肥試驗較多，但施磷肥的研究較少，尤其缺乏具體的施肥量試驗。以過磷酸鈣為供試肥料，根據不同產量目標并結合多年來的生產經驗[12]，設計5個不同的施肥水平，以不施肥(空白)作對照，探討了不同施肥水平對牧草生長和產量的影響，為牧草生產的合理施肥提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于甘南藏族自治州夏河縣桑科鄉桑科村，地理坐標E 101°54′～103°25′、N 34°32′～35°34′，天然草原，海拔3 100 m，年均降水量500 mm，年均氣溫1.6℃。氣候寒冷濕潤，晝夜溫差大，雨熱同季，垂直差異顯著，降水集中在牧草生長旺盛的7～9月。無絕對無霜期，植物生長季節120～140 d，試驗區草原類型為高寒草甸草原，主要植物為垂穗披堿草(Elymusnutans)，棘豆(Oxytropisspp.)，柴胡(Bupleurumspp.)，大籽蒿(Artemisiasieversiana)，扁蓿豆(Melissitusruthenicus)，冷蒿(Artemisiafrigida)，翠雀(Delphiniumspp.)，銀蓮花(Anemonesilvestris)，野胡蘿卜(Daucuscarota)，早熟禾(Poaspp.)，多裂委陵菜(Potentillamultifida)，灰苞蒿(Artemisiaroxburghiana)，土壤為高山草甸土，土層厚0.6～1.2 m。

1.2 供試肥料

供試肥料為粒狀過磷酸鈣(水溶性磷≥70%，有效P2O5≥16%，生產廠家為湖北吉順磷化有限公司)。

1.3 試驗設計及田間管理

2015年7月27日施肥，肥料一次性施入，采用撒播的施肥方式，施肥后監測時間為2015年9月17日。

施磷肥(過磷酸鈣)的每個試驗區面積1 hm2，設5個施肥水平，由低至高分別為90，120，150，180，210 kg/hm2，以不施任何肥料(0 kg/hm2)作空白對照(CK)。共6個處理，每個處理3次重復，共18個小區，隨機區組設計，小區四周設有保護行，保護行寬度為1 m。

1.4 測定指標及方法

在施肥前與施肥后分別測量供試區的草地優勢層高度、植物群落蓋度以及草地生物量，測算施肥草地牧草增長率。

高度 在樣方內用直尺和鋼卷尺測量優勢植物的營養枝或葉片的自然高度和伸展高度，每種植物隨機測定10株，以平均高度作為該種植物的自然高度。

蓋度 采用針刺法[11]測量。

地上生物量在每個處理隨機選取3個1 m×1 m 樣方齊地面刈割，直接稱量鮮重。如果早上露水過多則將鮮草晾曬后再稱量。

產量增長率=(施肥后產量-施肥前產量)/施肥前產量×100%

1.5 經濟類群的劃分

根據草原利用目的，將研究區高寒草甸植物劃分為禾本科、豆科、莎草科、雜類草和毒草5個經濟類群[13]。

1.6 數據分析

用Excel 2016整理數據，用SPSS 19.0統計分析軟件進行試驗數據的單因素方差分析，差異顯著性用Duncan法進行多重比較，最后用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥水平對草地高度和蓋度的影響

2.1.1 高度 不同處理下植物群落高度均有一定程度的增加，但增長幅度的差異較大，隨著施肥量的增加，呈先上升后下降趨勢，施肥量為180 kg/hm2時增長幅度最大，達到18 cm(圖1)。

圖1 不同施肥水平下植物群落的高度Fig.1 Height of plant community under different fertilization levels

2.1.2 蓋度 植物群落蓋度是反映草地生產力的重要指標[14]，是植物在水平方向的分布，體現了該種植物在水平方向上占據空間的能力，占據空間能力越強的植物，接收光電子、固定二氧化碳的同化能力越強。主要層中植物種類蓋度的大小決定了群落中植物微環境形成的特點，對其他層植物群落類型的形成影響較大[15]。植物群落蓋度在不同處理下的增長幅度差異較大，隨著施肥量的增加，呈上升趨勢，施肥量為210 kg/hm2時增長幅度最大，達到5%(圖2)。

圖2 不同施肥水平下植物群落的蓋度Fig.2 Coverage of plant community under different fertilization levels

2.2 不同施肥水平對草產量的影響

草產量受施肥量的影響較大，試驗區合計鮮草產量增幅在611.55～2 788.8 kg/hm2，施肥量為180 kg/hm2時增加最多，最少的是CK。就可食牧草而言，牧草增幅在679.05～2 679.75 kg/hm2，施肥量為150 kg/hm2時增加最多，最少的是CK。就不同經濟類群而言，施肥后禾本科牧草產量增幅在374.25～1 815.15 kg/hm2，施肥量150 kg/hm2增幅最大，施肥量120 kg/hm2增幅最小；當施肥量為180 kg/hm2時豆科牧草產量增幅最大，為1 080.9 kg/hm2，CK牧草產量呈負增長，相比施肥前減少了148.5 kg/hm2；莎草科牧草產量增幅在1.35～173.4 kg/hm2，施肥量為150 kg/hm2時增幅最大，CK增幅最小；當施肥量為120 kg/hm2時雜類草產量增幅最大，為772.8 kg/hm2，CK牧草產量呈負增長，相比施肥前減少了426.6 kg/hm2；當施肥量為120 kg/hm2時毒草產量增幅最大，為491.55 kg/hm2，施肥量為90 kg/hm2時牧草產量呈負增長，相比施肥前減少了280.5 kg/hm2(圖3)。

圖3 不同施肥水平下牧草的產量Fig.3 Forage yield under different fertilization levels

2.3 不同施肥水平對草產量增長率的影響

不同施肥水平下牧草總體產量差異不顯著，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率最高，為96%，CK的增長率最低，為19%。但不同施肥水平下各經濟類群的草產量增長率差異明顯。禾本科草產量增長率在20%～158%，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率顯著高于施肥量為120和210 kg/hm2(P<0.05)，施肥量為120 kg/hm2時增長率最低；當施肥量為180 kg/hm2時豆科草產量增長率最高(1030%)，CK最低，各施肥量之間差異不顯著(P>0.05)；莎草科產量增長率在0～433%，其中施肥量為150 kg/hm2時增長率最高，與90，120和180 kg/hm2和CK差異顯著(P<0.05)，CK增長率最低；當施肥量為120 kg/hm2時雜類草產量增長率最高(111%)，施肥量為90 kg/hm2時最低，各區之間差異不顯著(P>0.05)；當施肥量為120 kg/hm2時毒草產量增長率最高(340%)，與90、150 kg/hm2和CK差異顯著(P<0.05)，施肥量為90 kg/hm2時最低(表1)。

表1 不同施肥水平各經濟類群牧草產量增長率Table 1 The increase rate of forage yield of each economic group under different fertilization levels %

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.4 不同施肥水平施肥模型構建

基于不同施肥水平下的合計牧草增長率建立施肥模型，得出：

二次多項式函數施肥模型：y=-15.214x2+91.786x-51.6，R2= 0.874 4；

三次多項式函數施肥模型：y=-4.583 3x3+26.036x2-16.381x+25.4，R2=0.955 9(x=0,1,2,3,4,5…)

二次多項式函數施肥模型決定系數R2為0.874 4，三次多項式函數施肥模型決定系數R2為0.955 9，說明三次多項式函數施肥模型擬合性更好，即三次多項式函數模型更適于本試驗磷肥施肥量推薦。當x=3.44，即施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率最高，為90.57%(圖4)。

圖4 基于增長率的施肥模型構建Fig.4 Fertilization model based on increase rate

2.5 不同施肥水平經濟效益分析

不同施肥水平對高寒草甸草原牧草的生長能力的提升程度不同，在一定的經濟范圍內，最大限度的提高牧草產量，降低經濟成本，是有效施肥的最終目的。因此，分析探索最優的施肥量能達到經濟產量雙豐收。

設定過磷酸鈣價格為1元/kg，忽略田間種、管、收及人工費，單純計算不同施肥水平下牧草的增產量及經濟效益(表2)。結果表明，根據三次多項式函數模型，不同施肥水平下，施肥量為153.6 kg/hm2時經濟效益最高，每元磷肥可達到的牧草增長率為0.411%，施肥量為210 kg/hm2時經濟效益呈負值。

表2 基于三次多項式函數模型的不同施肥 水平經濟效益分析Table 2 Economic benefit analysis under different fertilization levels based on cubic polynomial model

3 討論

對作物和土壤施過磷酸鈣有助于產量的提高，這與前人的研究結果一致[16-17]。通過施磷肥對牧草高度，蓋度和產草量的影響可以看出，各個施肥水平均有助于提升牧草產量，但對植物群落高度和蓋度的提升效果不顯著，與景美玲等[18]研究結果不一致。就植物群落高度而言，僅施肥量為180 kg/hm2時(29 cm)增幅超過對照區，其余各處理增幅均低于對照區；植物群落蓋度各施肥水平增幅均小于對照區；各處理牧草產量增幅均高于對照區，說明施過磷酸鈣對牧草產量有顯著的增加效果，但是對不同經濟類群的提升效果差異明顯。試驗中各施肥水平均在合理的范圍內，這與陳亞明等，德科加等[19-20]研究結果一致。過磷酸鈣促進了禾本科牧草的生長，從而導致其生物量的大幅度增加，提升最為顯著，施肥量為150 kg/hm2時禾本科增幅達到1 815.15 kg/hm2；對莎草科產量的提升效果不明顯，最高增幅僅為173.4 kg/hm2；對豆科牧草產量的提升幅度差異明顯，隨著施肥量的逐漸增加，豆科牧草產量不斷增長，但當施肥量達到210 kg/hm2時，豆科牧草產量大幅度下降，與施肥前相比僅增加52.05 kg/hm2，表明在一定范圍內大量施磷肥對豆科牧草產量的提升有很好的效果[21-22]。

通過對不同施肥水平施肥模型的構建，發現二次多項式函數模型和三次多項式函數模型均能反映不同施肥水平高寒草甸草原牧草增長率的變化趨勢，但三次多項式函數模型擬合度更高。國內肥料效應模型多為二次多項式函數模型(82%)，少數為平方根模型，與本研究結果不一致[2-3]。這可能與施肥水平設置和肥料種類單一有關。基于三次多項式函數模型，對不同施肥量的經濟效益進行分析，發現當施肥量在90～153.6 kg/hm2時，凈增長率效益不斷提高，最高可提高0.411%/元，而施肥量超過153.6 kg/hm2時，凈增長率效益不斷下降，說明高寒草甸草原對過磷酸鈣施肥量有一定的耐受限度。當施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率為最高，施肥量為153.6 kg/hm2時合計牧草凈增長率效益最高，與試驗150 kg/hm2施肥量的增長率和凈增長率效益有差異，因此，仍需細化施肥水平設置，探索獲得最優牧草增長率及最大經濟效益的精準施肥水平。

4 結論

不同過磷酸鈣施肥量對高寒草甸草原的牧草產量有不同的提升效果，合計牧草產量增長率在19%～96%；對不同經濟類群的提升效果有差異，其中對豆科牧草提升效果最明顯，對雜類草的提升效果較差。對不同施肥水平下的合計牧草增長率建立施肥模型，發現三次多項式函數模型能更好的擬合實際施磷肥后牧草增長率的變化趨勢。根據模型，當施肥量為163.2 kg/hm2時合計牧草增長率最高，當施肥量為153.6 kg/hm2時合計牧草凈增長率效益最高。因此，可根據對經濟效益或牧草產量的不同需求，選擇適宜的施肥量。