氮、磷添加對高寒草原群落多樣性和生物量的影響

王 玲， 施建軍， 董全民， 尹亞麗， 王曉麗， 俞 旸， 張春平

(青海大學畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016；青海省畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016)

天然草地具有維持生物多樣性、維護全球CO2平衡和水分循環等重要的生態功能，是人類賴以生存的重要環境條件和畜牧業生產的物質基礎[1]。近年來，青藏高原增溫顯著[2]，同時隨著礦物燃料的利用，加速了氮素(N)轉化進入草地生態系統的過程，因此大氣N沉降急劇增加，尤其是青藏高原東緣地區近年氮沉降明顯，并呈逐年增加的趨勢[3]。持續的N輸入導致N過量，使草原生態系統中N元素達到飽和狀態，打破草原生態系統中原有的營養元素平衡，破壞草原生態系統中營養元素在植物與土壤間的循環，使得植物的生長受到其他元素如磷(P)的限制，在自身無法補充的情況下，造成天然草原生態系統中能量流動和物質循環失衡[4,5]。目前，N元素輸入到天然高寒草原生態系統中的總量以及輸入速率尚未可知；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況，并未形成統一結論[1,6-8]。

在青海省三江源地區天然高寒草原的研究中發現，合理的N，P添加不僅可以改善土壤中營養元素的分布，緩解高寒草地生態系統中植物對N元素的限制，增加土壤中的有效N，刺激高寒草原植物生長，還可以提高植物地上、地下生物量，進而提高草地生產力；而N，P添加過量會抑制植物的生長，以致影響到草原生態系統的生產力、物種組成、多樣性等，甚至污染生態環境[9-13]。中國科學院海北高寒草甸定位站關于青海省環青海湖區域高寒草甸已做了大量的工作[14,15]，但對于天然高寒草原研究的報道并不多，且主要集中在無機肥和定量施肥兩方面，缺少針對天然草原不同梯度不同肥料組合的研究[15-17]。由于青藏高原特殊生態環境及氣候特征，生態系統十分脆弱，施肥因草地類型和區域不同，其合理施用量也不同[8-13,18]。因此通過對海北藏族自治州海晏縣金銀灘高寒草原進行不同梯度N，P合施試驗，分析施肥對環青海湖高寒草原生態系統的多樣性與生物量的影響，研究確定該區域最適宜的N，P合施配比及用量，提出實際有效的高寒草原施肥技術方案，完善高寒草原區域施肥技術，為實現高寒草原生態系統的可持續發展提供科學的理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地布設在青海省海北藏族自治州海晏縣西海鎮(100°53′～101°54′ E，36°58′～36°56′ N)金銀灘輕度退化高寒草原上，平均海拔3 210 m，氣候寒冷，年均溫在1.5℃左右，年日照時間約2 980 h，年降水量為400 mm，年蒸發量為1 582 mm，無絕對無霜期。草地類型為高寒草原。主要優勢植物種有紫花針茅(StipapurpureaGriseb.)，垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)；主要伴生種有羊茅(FestucaovinaL.)，青藏扁蓿豆(Melilotoidesarchiducis-nicolai(Sirj.) Yakovl.)等；毒雜草有瑞香狼毒(StellerachamaejasmeL.)，甘肅棘豆(OxytropiskansuensisBunge)等。地形為略有起伏的緩坡地，土壤為高山草甸土，pH值為7.84，0～30 cm土壤有機質含量高達10%以上，速效磷104.93 mg·kg-1，速效氮4.79 mg·kg-1，其中氨態氮2.61 mg·kg-1，硝態氮2.18 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗地草原植被生長狀況一致，總面積為55公頃，四周用電圍欄保護。在圍欄內選擇地勢平坦樣區3塊，面積均為2000 m2(40 m×50 m)，進行3個平行試驗。每塊平行樣地劃分成10個面積為200 m2(20 m×10 m)的試驗小區，按10個不同梯度N，P合施處理，N來源為尿素(CON2H4)，P來源為磷酸二銨(P2O5)，本試驗采用隨機區組設計。試驗以三江源區及青海湖地區草地施肥的研究成果為依據[4,6-9,12]，并結合試驗區天然草原現狀，設置3個氮元素水平(35 kg·hm-2，70 kg·hm-2，140 kg·hm-2)，3個磷元素水平(26 kg·hm-2，52 kg·hm-2，65 kg·hm-2)，其中不施任何肥料為對照組(Contrast，CK)(表1)。肥料為云南云天化牌尿素(總氮≥46.4%)和磷酸二銨(N≥18%，P2O5≥46%)。施肥時間為2017年6月28日，采用撒施的方法，均勻的灑到試驗小區中。

表1 不同試驗小區施肥量 Table 1 Fertilization amount in different test areas

1.3 測定指標與方法

分別于2017年和2018年9月上旬進行植物群落特征調查。在不同梯度N，P合施處理中，采用樣方法重復取樣6次，取樣面積為1 m×1 m。用目測法[19-21]分別測定不同處理的群落總蓋度，每種植物分蓋度，用直尺分別測量不同植株自然高度。

并按照經濟類群劃分為禾本科(Gramineae)、莎草科(Cyperaceae)、豆科(Leguminosae)和雜類草(Weeds)(表2)，稱取地上部分鮮重后在 80℃烘箱中烘干至恒重，測定地上生物量。在每個處理中用根鉆采集植物地下根系并進行分層(0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm)，清水沖洗干凈后烘至恒重稱其干重，即為群落地下生物量[2]。

表2 植物群落經濟類群的劃分 Table 2 Division of economic groups of plant communities

1.4 數據分析

采用Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Pielou均勻度指數(E)、Margalef物種豐富度指數(S)進行物種多樣性分析，計算公式如下：

重要值[11](Pi)=(相對蓋度+相對高度+相對生物量)×100/3；

Pielou均勻度指數(E)=H/ln(S)；

Margalef物種豐富度指數(S)=樣方內出現的物種數

式中：Pi為群落中的種i的相對重要值，S為種i所在樣方中的數目[2]。

根冠比的計算公式為：

根冠比[22]=地下生物量/地上生物量

采用Microsoft Excel 2016軟件進行數據處理與計算，運用SPSS 20.0軟件對不同梯度N，P合施下植物群落特征進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，數據結果用平均值±標準誤來表示，采用GraphPad Prism 6.01軟件進行作圖分析。

2 結果與分析

2.1 N，P合施對不同經濟類群蓋度和高度的影響

N，P合施對高寒草原不同經濟類群蓋度和高度的影響顯著(P<0.05)。不同梯度N，P合施增加了禾本科與豆科植物群落蓋度，降低了雜類草蓋度，而對莎草科無顯著影響(P>0.05)，且不同經濟類群植物高度均有所增加。N，P合施當年禾本科植物蓋度在N2P2水平最大，比對照增加38.35%，豆科蓋度在N3P2水平最大，比對照增加78.36%；施肥次年禾本科植物蓋度在N1P3水平最大，比對照增加39.04%，豆科蓋度在N3P1水平最高，比對照增加50.60%(圖1)。施肥當年禾本科、莎草科、豆科和雜類草植物高度分別在N3P1，N3P1，N2P2和N2P3水平最大，分別顯著提高45.77%，84.77%，141.65% 和84.45%；施肥次年禾本科、莎草科、豆科和雜類草植物高度分別在N2P1，N2P2，N2P2和N2P3水平最大，分別顯著提高122.55%，60.82%，83.66%和123.56%(圖2)。施肥次年與當年相比，同一施肥處理對不同經濟類群平均蓋度影響顯著(P<0.05)，而平均度差異均不顯著(P>0.05)。

圖1 不同施肥水平下不同經濟類群的蓋度Fig.1 Coverage of different economic groups under different fertilization levels注：同一類群中的不同小寫字母表示差異顯著(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合施對不同經濟類群重要值的影響

不同經濟類群重要值的大小決定該經濟類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，施肥當年禾本科植物重要值比對照組增加0.61%～32.03%，施肥次年禾本科植物重要值比對照組增加5.51%～29.48%，且禾本科植物重要值均高于其他經濟類群，表明禾本科植物在群落中起重要作用并占據重要地位；不同梯度N，P合施下，豆科植物重要值有所增加，施肥當年豆科植物重要值比對照組增加1.02%～77.79%，施肥次年豆科重要值比對照組增加16.02%～67.60%，各處理間與對照組相比差異顯著(P<0.05)；不同梯度N，P合施下，莎草科、雜類草植物重要值卻有所降低，施肥當年莎草科和雜類草植物重要值分別比對照組降低2.05%～53.52%，4.38%～21.29%；施肥次年莎草科和雜類草植物重要值分別比對照組降低1.23%～69.63%，8.78%～22.97%(圖3)。不同梯度N，P合施下不同經濟類群重要值與對照組相比差異性顯著(P<0.05)，各處理間差異亦顯著(P<0.05)，說明N，P合施對不同經濟類群重要值的影響顯著(P<0.05)。

圖2 不同施肥水平下不同經濟類群的高度Fig.2 Height of different economic groups under different fertilization levels

圖3 不同施肥水平下不同經濟類群的重要值Fig.3 Important values of different economic groups under different fertilization levels

2.3 N，P合施對群落多樣性的影響

N，P合施不同程度影響了高寒草原植物群落物種多樣性與豐富度指數，但不同施肥量及年際間存在一定的差異(表3)。施肥當年Shannon-wiener多樣性指數有所降低，其中在N3P1施肥梯度下最小，施肥次年Shannon-wiener多樣性指數與對照相比，整體有所上升，且與施肥當年相比亦有所增加，且不同處理與不同年際間Shannon-wiener多樣性指數差異均不顯著(P>0.05)；施肥當年與次年Pielou均勻度指數分別在N3P1,N3P3最小，但與CK相比無顯著性差異，其他處理間差異亦不顯著(P>0.05)；不同梯度N，P合施與CK相比，施肥當年與次年物種豐富度指數均無顯著性差異(P>0.05)，但施肥次年與當年相比，各處理間群落物種數增加，豐富度指數上升，但無顯著性差異(P>0.05)。說明N，P合施改變了植被的生長狀況，間接影響了物種多樣性，但并未打破高寒草原群落穩定性。

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

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(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合施對地上、地下生物量的影響

不同梯度N，P合施后，地上生物量整體顯著增加，與對照相比差異顯著(P<0.05)(表4)。施肥當年地上生物量在CK～N1P3，CK～N2P3，CK～N3P3施肥區間均呈先上升后降低的趨勢，在各個施肥區間，N1P2，N2P2，N3P2施肥處理下地上生物量最高，分別為443.47 g·m-2，538.48 g·m-2，722.59 g·m-2，比對照分別增加87.54%，127.72%和205.57%。施肥次年地上生物量整體變化趨勢與當年一致，各個施肥區間N1P2，N2P2，N3P2施肥處理下生物量最高，分別為463.73 g·m-2，631.84 g·m-2，749.04 g·m-2，比對照分別增加73.41%，136.27%和180.10%。施肥次年在CK～N1P3，CK～N2P2，CK～N3P2施肥區間地上生物量分別比當年高出4.57%～13.61%，2.72%～17.34%，3.66%～13.72%，而在N2P3，N3P3施肥處理下施肥次年地上生物量分別比當年低6.37%，1.69%，但在各個施肥處理區間施肥次年地上生物量整體與當年相比差異顯著(P<0.05)。

不同梯度N，P合施能顯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與施肥當年相比整體有所增加(表4)，其中0～10 cm地下生物量與對照相比差異顯著(P<0.05)，而10～20 cm和20～30 cm無顯與對照相比差異不顯著，但在不同處理之間存在一定的差異。施肥當年地下總生物量在CK～N1P3，CK～N2P3之間均先上升后降低，而在CK～N3P3之間無明顯規律。地下生物量總體較對照組增加0.35%～43.86%，各處理間差異性顯著(P<0.05)。0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm地下生物量與對照相比，分別增加4.23%～39.72%，3.38%～71.04%，3.21%～120.44%。施肥次年地下總生物量在CK～N1P3,CK～N3P3之間呈先增加后降低再增加的增長趨勢，在CK～N2P3之間先上升后降低，0～10 cm地下生物量與對照相比，分別增加9.74%～112.99%；10～20 cm和20～30 cm地下生物量隨著施肥量的增加差異不顯著(P>0.05)，不同處理之間差異亦不顯著(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合施對根冠比的影響

不同梯度N，P合施下，施肥當年在CK～N1P3，CK～N2P3，CK～N3P3之間植物根冠比變化不一致，無明顯規律，與對照相比均有所降低，且差異顯著(P<0.05)。施肥次年植物根冠比在CK～N1P3，CK～ N2P3，CK～N3P3之間呈先降低后上升的趨勢，與對照組相比有顯著性差異(P<0.05)，其他處理間亦差異性顯著(P<0.05)(表4)。施肥當年與次年植物根冠比均在N3P2施肥處理下最低，與對照組相比均顯著降低2～3倍。施肥次年與當年相比，植物根冠比總體呈上升趨勢，說明隨著施肥年限的增加，不同梯度N，P合施下植物地上生物量的增長速度高于地下生物量。

3 討論

3.1 N，P合施對不同經濟類群蓋度和高度的影響

施肥增加了土壤養分，恢復了土壤肥力，改變了不同經濟類群植物之間的競爭力，進而影響群落中植物種空間分布與組成特征，直接的體現就是不同經濟類群植物蓋度和高度的改變[23-25]。不同梯度N，P合施增加了高寒草原植物群落總蓋度，且施肥兩年后高寒草原植物群落總蓋度在施肥當年的基礎上有所增加，這與王娟等[26]關于施肥可以提高高寒草地植被蓋度的結論相一致。本試驗中不同梯度N，P合施兩年后禾本科與豆科植物群落蓋度顯著增加，雜類草植物群落蓋度顯著下降，而莎草科植物蓋度無顯著變化，這與施建軍等[11]的研究結果一致，究其原因可能是施肥兩年后打破了植物群落原本的競爭強度，而禾本科植物在植物群落中能夠迅速獲得有利于自身生長的養分、空間和陽光，促進植物本身的生長，成為該群落的優勢植物。豆科植物本身具有很好的固氮能力，并不需要與其他經濟類群植物爭奪氮肥，因而豆科植物蓋度有所增加。由于禾本科和豆科植物的生長優勢能夠在群落中占主導地位，當植物群落總蓋度達到最大時就會抑制莎草科和雜類草的生長，降低莎草科和雜類草的蓋度。不同梯度N，P合施顯著增加了植物高度，但不同物種的高度存在一定的差異，施肥兩年后，同一施肥處理不同經濟類群平均高度并無太大變化，可能由于不同經濟類群植物本身生長狀況不同，所需營養物質的量也不同，施肥對植物的影響亦不同，而同種植物在一定的肥力及特定的植被類型下，植物高度并不會有太大變化[17]。N，P合施對植物群落蓋度和高度的影響不但與草原類型有關，還與施肥量、草原退化程度及研究區氣候等都有密切的關系。

3.2 N，P合施對不同經濟類群重要值的影響

N，P合施對不同經濟類群重要值的影響顯著。同一N，P合施梯度下，禾本科和雜類草植物重要值較大，莎草科和雜類草植物重要值較小；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趨勢，莎草科和雜類草植物重要值呈先降低后增加的趨勢。周學東等[27]研究表明禾本科植物本身沒有固氮能力，只能從土壤中吸收氮素來維持生長發育，因此施N肥對禾本科植物影響顯著；李小坤[18]在研究P肥用量對黑麥草產量及經濟效益的影響中得出，施用P肥可以明顯提高豆科植物的分蘗數、株高和最大表觀葉面積等生長指標。本試驗中禾本科植物重要值高于莎草科、豆科植物，且雜類草植物重要值整體有所降低，說明禾本科植物在群落中占據主導地位，影響著該植物群落生態小環境，為該植物群落當中的優勢種[28-30]；而莎草科植物重要值卻有所下降，可能植物群落當中的優勢種禾本科決定了群落內較大范圍的生境條件，再加上禾本科植物本身植株高大，土壤中養分吸收利用率高，迅速占據有利條件，能夠在較短的時間內快速生長，進而遮擋莎草科植物，影響莎草科植物進行光合作用，不利于莎草科植物的生長發育。

3.3 N，P合施對群落多樣性的影響

本研究中禾本科植物為該植物群落當中的優勢種，N，P合施引起群落植物種豐富度減少,從而降低植物多樣性。群落的結構多樣性特征在一定程度上由高寒草原中優勢種組成差異來決定，如果施肥試驗地中的優勢物種是高大的禾草，那么物種豐富度會降低[23,31]。施肥會抑制其他雜類草的生長，不利于維持群落物種多樣性[32]。N，P合施當年和次年植物群落物種豐富度指數均有所下降，但N，P合施次年物種豐富度指數在第1年的基礎上有所增加。N，P合施兩年后對物種多樣性的影響不明顯，說明不同梯度N，P合施在一定程度上影響了植物群落多樣性，但并未影響群落的穩定性，這對維持草地群落結構穩定性具有重要的作用[5]。N，P添加對物種多樣性的影響與草原類型、群落演替階段、群落物種組成和環境因素息息相關。Baer等[33]在美國曼哈頓新建草地上不同梯度氮素添加試驗亦表明高寒草原植物群落物種數增加，豐富度指數上升，得出不同氮肥水平與草地群落多樣性呈負相關，本試驗結果與其不一致，可能本試驗為1次施肥，次年并未施肥，因此施肥并未過量，對植物生長并未起到抑制作用，或者由于次年雨水較第1年高，對植物生長發育起到一定的促進作用。

3.4 N，P合施對地上、地下生物量的影響

N，P合施當年和次年，地上生物量均呈先上升后降低的趨勢，整體與對照相比呈增加趨勢。施肥當年氮元素施量為70～140 kg·hm-2，磷元素施量為26～52 kg·hm-2時，草原地上生物量顯著增加，與車敦仁[34]在青海高寒牧區栽培禾草施磷施氮顯著增加禾草地上生物量的結論相一致。本試驗中，當磷元素施量超過52 kg·hm-2時，草原地上生物量反而下降，這一變化趨勢與徐明崗等[35]在南方紅壤丘陵區的研究發現隨著施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結果相一致。周青平等[36]在青海省三角城種羊場的試驗表明，地上生物量隨著施N量的增加而遞增。本試驗中，在氮元素施量為140 kg·hm-2，磷元素施量為52 kg·hm-2時，施肥次年地上生物量最高，最高為749.04 g·m-2，比當年最高生物量高出3.66%。施肥次年地上生物量整體比當年高出2.72%～17.34%，說明施肥次年高寒草原地上生物量增產效果更明顯。

N，P合施不但能顯著增加高寒草原植物地上生物量，亦對植物地下生物量有一定的影響。植物地下生物量的大小在一定程度上影響高寒草原生態系統的穩定性[37-38]。本研究發現不同梯度N，P合施能顯著增加植物地下生物量，施肥當年尤以0～10 cm植物地下生物量增加幅度最大，增產4.23%～112.99%，施肥次年后植物地下生物量與施肥當年相比整體亦有所增加，原因可能是由于施肥有利于土壤環境的改變，但N，P肥肥效緩慢，肥料中氮素及磷素的當季利用率低，施肥當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進一步分解，為植物的生長提供了更多可直接利用的速效成分，進而促進植物生長，有助于植被地上生物量的積累[37]，說明施肥兩年后仍對高寒草原植物群落地上生物量的影響顯著。

3.5 N，P合施對根冠比的影響

N，P合施當年和次年，地上生物量與地上生物量均顯著增加，但地上生物量增幅更大，所以植物根冠比整體呈逐漸降低的趨勢，說明N，P合施改變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，這與宗寧等[39]在輕度退化高寒草甸草原氮素添加中發現植物地上、地下生物量顯著增加，但兩者的增幅基本一致，根冠比無顯著變化的結論不一致，這可能與草原植被類型和施肥量以及施肥種類有關。研究表明，施肥次年植物根冠比與當年相比呈上升趨勢，說明不同梯度N，P合施下施肥次年與當年相比植物地上生物量增長幅度高于植物地下生物量，這一變化趨勢有可能受當地的氣候條件的影響，本試驗中施肥次年當地雨水較多，為植物生長提供更好的生長條件，促進植物地上生物量的積累。

4 結論

增施N，P肥增強了高寒草原植物的適應性和競爭能力，提高了各經濟類群植物的平均高度，增加了禾本科、豆科植物的蓋度和重要值，降低了莎草科、雜類草的蓋度和重要值。N，P添加量分別為70～140 kg·hm-2，26～52 kg·hm-2時對各經濟類群植物的生長促進作用較為顯著。

增施N，P肥降低植物群落物種豐富度指數，但次年卻有所增加；Shannon-wiener多樣性指數呈先上升后降低的趨勢；Pielou均勻度指數無明顯變化規律。不同梯度N，P合施在一定程度上影響了植物群落多樣性，但并未影響群落的穩定性。

N，P合施的施用量和施肥年限在一定程度上影響高寒草原植物群落地上生物量。適宜的施肥量能增加植物地上生物量，但施肥過量會抑制植物的生長，降低生物量。隨著施肥年限的增加，土壤中的養分進一步分解，植物從土壤中吸收的速效養分增加，進而促進植物的生長，增加植物地上生物量。