外源氮素添加對高寒草甸植物-土壤養分月際變化的影響

向雪梅， 德科加*， 馮廷旭， 林偉山， 錢詩祎， 魏希杰， 王 偉， 徐成體， 張 琳， 耿曉平

(1.青海大學畜牧獸醫科學院， 青海省畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016; 2.青海省稱多縣氣象局， 青海 稱多 815199)

三江源區位于青海省南部，它不僅為畜牧業的發展提供物質基礎，也是我國重要的生態屏障[1]。高寒草甸是三江源區主要的草地類型，但隨著高寒草甸土壤中的養分以草產品或畜產品的形式輸出，在養分未及時補充的情況下，土壤肥力下降，影響牧草的生長，中度以上的退化草地占可利用草地面積的 50%～60%[2]。外源氮素輸入作為草地恢復的重要措施之一，能在短期內提高草地生產力，維持生態系統的穩定性[3]。

植物的養分含量反映了植物的養分狀態及其對養分的需求，與其生境的土壤養分有效性高度相關[4]。氮素添加會影響土壤的物理、化學及生物學特性，從而改變植物群落結構及營養物質的分配，而植物的養分利用及凋落物的分解等也都會影響土壤的性質，草地生態系統內的營養物質的循環也會受到影響[5-6]。李潤富等[7]研究表明植被與土壤養分含量之間的關聯性僅存在于部分物種與部分營養元素中，但王明明等[8]人認為由于植物對生活環境的長期適應和植物本身的遺傳特性，植物養分并不主要受控于土壤養分的限制作用，楊振安等[9]研究表明植被與土壤養分間的平衡關系會受草地管理措施的影響。上述研究表明在氮素添加下植被-土壤系統中營養元素關聯性方面結論尚不統一。

植物及土壤養分除了受到草地管理措施，植物本身的特性外，還會在不同生長發育階段有較大的差異[10]。近期研究發現在不同生長期植物葉片碳，氮，磷的含量會出現較大波動[11]。俞聯平等人[12]在山地草甸草場中研究發現隨生長期變化植物葉片全磷含量降低，而全氮含量呈增加的趨勢。而在青海湖南岸天然草場中研究發現返青期植物葉片的全氮含量最高[13]。現有研究大多關注植物葉片養分的季節變化情況,而對植物根系與土壤養分在季節動態下養分變化的研究較少。通過研究植物各部分營養元素及季節動態變化，并結合研究區的土壤養分動態變化，對于揭示植物對營養元素的需求、土壤養分的供給能力及植物對外界環境變化的適應能力有重要的意義。

因此，本研究以三江源高寒草甸為研究對象，了解不同水平氮素添加下土壤-植物各養分隨不同月份的變化規律，并探究土壤與植物養分間的關聯性，將有助于更全面地了解氮素添加下高寒草甸養分循環及植物生長策略，對保護及恢復草地生態系統具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 樣地自然概況

研究地點位于青海大學三江源生態系統教育部野外觀測站(33° 24′30″N，97° 18′00″E)，海拔高度為4 270 m，氣候為典型的高原大陸性氣候，年平均氣溫為-5.6℃～3.8℃，年均降水量為562.2 mm，年度降水主要分布在牧草生長旺盛的 7—9月份，約占全年降水的75%。該草地類型為矮嵩草(Kobresia.humilisClarke)+雜類草草甸，草場主要優勢牧草是高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)，次優勢種有矮嵩草、異針茅(StipaalienaKeng.)、珠芽蓼 (PolygonumviviparumL.)、雪白萎陵菜(Potentilla.niveaL.) 等。伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披堿草(ElymusnutansKeng) 等。土壤為高山草甸土，土壤pH值為6.92，有機質含量2.36%，速效氮含量14.0 mg·kg-1，速效磷含量7.0 mg·kg-1，速效鉀含量76.5 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

2020年6月25日，在稱多縣珍秦鎮選擇地勢平坦、植被均勻有代表性的地段作為試驗樣地。選用尿素(為云南云天化牌尿素總氮≥ 46.4%)，進行隨機區組試驗，按照5個梯度進行施氮。根據德科加、蘆光新等人在三江源區高寒草甸中研究發現氮素添加量為30 g·Nm-2時草地生產力最佳的研究成果為依據[14-15]，并結合試驗區的現狀。合理設置4個氮素添加水平15 g·Nm-2(N1)、30 g·Nm-2(N2)、45 g·Nm-2(N3)、60 g·Nm-2(N4)，換算為尿素添加量為32.60 g·m-2，65.22 g·m-2，97.83 g·m-2，130.43 g·m-2。每個處理3次重復，試驗小區面積為20 m2(4 m×5 m)，隨機排列。在每個小區將溶于1L蒸餾水的尿素均勻噴灑，對照(N0)也噴灑等量的水。

1.3 調查內容和方法

從2020年7月24日(生長初期)、8月25日(繁殖期)、9月23日(枯黃期)在試驗區取樣。采用樣方法重復取樣3次，取樣面積為0.50 m×0.50 m。將樣方內的所有植物齊地面剪下混合裝入袋內。根系取樣采用直徑為0.03 m土鉆，取0～20 cm的土樣。各取5鉆混合后放入網袋中，洗凈。在上述各刈割樣方內用內徑0.03 m的土鉆取0～30 cm土層土樣，各樣方重復3次。將取得的植物地上部分及根系置于烘箱內，65℃殺青30 min，然后在80℃下烘干。植物樣品進行充分的混合并粉碎，經粉碎過的植物及土壤樣品過2 mm網篩，裝入自封袋標記好待用。

1.4 測定指標

測定植物地上部分及根系中的養分含量，全氮(Total nitrogen，TN)用凱氏定氮法測定；銨態氮(Ammonium nitrogen，AN)用靛酚藍分光光度法測定；硝態氮(Nitrate nitrogen，NN)用分光光度法測定；速效氮(Available nitrogen，AVN)用堿解擴散法測定；有機碳(Organic carbon，OC)用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定；全磷(Total phosphorus，TP)用硝酸-微波消解鉬藍比色法測定；全鉀(Total potassium，TPO)用火焰光度計法測定[16]。土壤自然風干并過篩后測定基本成分，土壤中測定的項目為全氮、銨態氮、硝態氮、速效氮、有機碳、全磷、全鉀，測定方法與植物養分含量方法一致。

1.5 數據處理

統計分析采用spss22.0進行數據分析，利用Original作圖。采用單因素方差分析(One-way AVONA)檢驗不同水平氮素添加下植物及土壤的養分的影響，并用LSD法進行多重比較；通過雙因素方差分析(Two-way AVONA)生長期、氮素水平交互效應對養分的影響。用皮爾遜相關性分析土壤與各植物養分之間的相關性。所有數據均為平均值±標準誤(Mean±SE)。

2 結果與分析

2.1 氮素添加對植物地上部分養分的影響

由圖1可知，氮素添加對植物地上部硝態氮、銨態氮、全鉀、全磷含量在月際變化下存在顯著影響，且交互作用顯著(P<0.05)。在7—9月份銨態氮含量在N0，N1，N2處理下呈先增加后降低的趨勢，硝態氮含量在N0，N1，N4處理下呈先增加后降低的趨勢，全磷含量在N3，N4處理下呈先增加后降低的趨勢，全鉀含量呈增加的趨勢。與N0相比，硝態氮含量7月份在N1，N2，N3處理下分別顯著減少了79.12%，67.50%，52.23%，8月份在N2處理下顯著降低了62.47%(P<0.05)；銨態氮含量8月份在N1，N2，N3，N4處理下分別顯著增加35.49%，58.35%，63.97%，64.16%，9月份在N1，N2，N3，N4處理下依次增加43.87%，68.66%，85.94%，76.39% (P<0.05)；全鉀含量 8月份在N3處理下顯著增加了20.95%，9月份在N1，N2，N3，N4處理下依次增加8.53%，32.44%，35.49%，45.91% (P<0.05)；全磷含量在8月份N1，N2，N4處理下依次降低31.86%，21.26%，11.41%，在9月份N4處理下顯著降低54.25% (P<0.05)。

氮素水平及月際變化對地上部全氮含量呈極顯著的影響(P< 0.01)，但月際變化與氮素水平間的交互作用不顯著。地上部全氮含量在7—9月份呈降低的趨勢，但在N0，N1，N2，N3處理下呈增加的趨勢。與N0相比，7月份在N1，N2，N3，N4處理下分別顯著增加了73.86%，82.82%，101.81%，93.16%；8月份在N1，N2，N3，N4處理下顯著增加了48.46%，57.11%，78.16%，94.50%；9月份在N2，N3，N4處理下顯著增加了83.89%，118.06%，108.04%(P<0.05)(圖1 g)。

但植物地上部有機碳、速效氮含量在氮素添加下無顯著差異。隨著月際變化植物地上部有機碳含量呈先增加后降低的趨勢，地上部速效氮含量呈降低的趨勢(圖1c，圖1 d)。

圖1 氮素添加對植物地上部分養分的影響Fig.1 Effect of nitrogen addition on nutrients in above-ground plant parts注：圖a～g表示在氮素添加下植物地上部分中銨態氮、硝態氮、速效氮、有機碳、全磷、全鉀、全氮含量在不同生長期的變化，小寫字母表示同一月份下不同氮素添加水平下養分含量差異顯著(P <0.05)。圖中右上角為重復測量方差分析的結果(F值)，M,月份，T,施氮水平，M×T,二者交互作用。“*” P<0.05，“**”P<0.01，“***”P<0.001，下同Note: a～g show the changes in ammonium nitrogen,nitrate nitrogen,available nitrogen,organic carbon,total phosphorus,total potassium and total nitrogen content in above-ground plant parts under nitrogen addition during different growth periods. Results of repeated measures ANOVA (F-values) are shown in the upper right corner of the graph,M,month,T,level of nitrogen application,M×T,interaction between the two. “**” P<0.05,“**” P<0.01,“***” P<0.001,the same as below

2.2 氮素添加對植物根系養分的影響

由圖2可知，與N0相比，在氮素添加下根系有機碳、硝態氮、銨態氮、速效氮、全磷、全鉀含量均表現出差異不顯著。在7—9月份植物根系銨態氮和有機碳含量呈降低的趨勢，硝態氮、速效氮含量呈先增加后降低的趨勢，全磷和全鉀含量呈逐漸上升的趨勢。

但在不同水平氮素添加下僅根系全氮含量顯著差異(P<0.05)，且隨氮素添加水平呈先降低后增加的趨勢。與N0相比，7月份根系全氮含量在N4處理下顯著增加了46.55%(P<0.05)(圖2g)。

圖2 氮素添對植物根系養分的影響Fig.2 Effect of nitrogen addition on plant root nutrients注：a～g表示在不同氮素水平添加下植物根系中銨態氮、硝態氮、速效氮、有機碳、全磷、全鉀、全氮含量在不同生長期的變化Note:a～g indicate the changes in the content of ammonium nitrogen,nitrate nitrogen,available nitrogen,organic carbon,total phosphorus,total potassium and total nitrogen in the root system of plants at different levels of nitrogen addition during different growth periods

2.3 氮素添加對土壤養分的影響

由圖3可知，不同月份下土壤銨態氮、全磷、全鉀在氮素添加下差異極顯著(P<0.01)。在7—9月，土壤銨態氮含量呈先降低后增加的趨勢，土壤全磷含量在N0，N2處理下先增加后降低，在N1，N3，N4處理下呈增加的趨勢，土壤全鉀含量在N1，N4呈先增加后降低，在N0，N2，N3處理下呈增加的趨勢。

圖3 氮素添加對土壤養分的影響Fig.3 Effect of nitrogen addition on soil nutrients注：a～g分別為在不同氮素水平下土壤中全氮，銨態氮，硝態氮，速效氮，有機碳，全磷，全鉀含量的在不同生長期的變化Note:a～g show the changes in total nitrogen,ammonium nitrogen,nitrate nitrogen,available nitrogen,organic carbon,total phosphorus and total potassium content of the soil at different nitrogen levels during different growth periods

與N0相比，土壤銨態氮7月在N2，N3，N4處理下分別增加了27.41%，49.3%，23.52%；9月在N4處理下顯著增加了26.77%(圖3b)。與N0相比，土壤全磷8月在N2處理下顯著增加了143.8%；9月在N1，N2，N3，N4處理下分別顯著增加了166.67%，171.29%，177.07%(圖3f)。與N0相比，土壤全鉀9月在N1，N2，N3，N4處理下分別降低了22%，25.3%，13.8%，17.8%(圖3 g)。

氮素水平及月際變化對土壤速效氮含量呈極顯著的影響(P<0.01)，但月際變化與氮素水平間并無交互作用(圖3 d)。土壤速效氮含量在7—9月份呈先增加后降低的趨勢，但隨氮素添加量增加呈增加的趨勢。與N0相比，8月份各處理之間差異顯著，含量依次增加了19.32%，13.12%，15.95%，23.49%；9月份在N4處理下顯著差增加了13.98% (P<0.05)。在7—9月土壤有機碳含量呈逐漸增加的趨勢，并在9月與N0相比，N1，N2，N4處理下分別差異增加了20.27%，19.12%，23.89%(圖3e)。在不同水平氮素添加下土壤硝態氮含量顯著差異(P<0.05)，且隨氮素添加水平呈先增加后降低的趨勢。與N0相比，土壤硝態氮8月份在N1，N2，N3，N4處理下分別顯著增加了54.67%，15.51%，25.26%，20.02%(P<0.05)；9月在N2，N3，N4處理下分別顯著增加了41.86%，103.68%，98.45%(圖3c)。土壤全氮含量在氮素添加下差異顯著，并在7月與N0相比，在N2處理下顯著增加20.15%，在N1處理下顯著降低8.06%。并隨月際變化呈先降低后增加的趨勢(圖3a)。

2.4 土壤養分及植被養分間的相關性

在7月份STN與RTP呈顯著負相關；SNN與PTN，PTPO呈顯著正相關，與RAVN呈顯著負相關；SAVN與POC呈顯著正相關；RTP與STN，STP，STPO顯著負相關(P<0.05)(表1)。8月PNN與STN，SNN，SOC呈顯著正相關；PTPO與SNN呈顯著正相關；STPO與PAN呈顯著正相關，與PTPO呈顯著負相關(P<0.05)(表2)。9月SAN與POC呈顯著負相關；SNN與PTPO，RTP呈顯著正相關；PTP與SAVN呈顯著正相關，SOC與RTN呈顯著正相關；STP與PNN呈顯著正相關(P<0.05)(表3)。

表1 7月植物與土壤養分間的相關性Table 1 Correlation between plant and soil nutrients in July

表2 8月植物與土壤養分間的相關性Table 2 Correlations between plants and soil nutrients in August

表3 9月植物與土壤養分間的相關性Table 3 Correlation between plants and soil nutrients in September

3 討論

3.1 氮素添加下植物養分動態變化的影響

通過植物的養分含量能了解植物在一定生境條件下吸收養分的能力表現和在環境中的適應性，而植物養分變化由植物自身遺傳因素、物候期及外界環境共同決定[17]。為適應外界環境變化植物各個器官都會隨著生長階段來調整植物體內營養的分配。在本試驗中氮素添加后植物全磷、全氮、銨態氮、速效氮、全鉀等養分含量都會隨月際變化表現出不同的響應模式。具體表現為在生長季初期，植物地上部分需要大量的蛋白質和核酸，對氮磷的選擇性吸收較多，因此全氮、速效氮、全磷的含量較高。在繁殖期，由于光合作用會促進碳水化合物的增加，有機碳含量也隨著增加；到植物枯黃期，由于養分的回收使植物地上部分氮磷含量降低。這與劉萬永等人在高寒沼澤草地的研究結果有所不同，主要由于兩試驗地氣溫及降水量存在差異，導致養分含量變化規律并不一致[18]。孫書存等人研究發現植物體內的鉀元素在植物體內的移動性很大，在生長末期隨著植物體內的溶液被轉移到其他組織部位產生稀釋效應，導致元素含量下降[19]。但在本研究中鉀含量在植物生長期呈增加的趨勢，可能是由于9月份時外界溫度很低，植物生長會減緩，養分含量會升高[20]。本研究發現植物根系中的全磷和全鉀含量會在枯黃期達到最大值，這與馬文靜等人在羊草和冷蒿中的研究一致[21]。隨著植物逐漸枯黃衰老時養分會向儲存器官運輸轉移，植物分配磷鉀到根系中能加快根系及根莖的生長。本研究中植物根系氮、碳含量在生長初期最大。因為在前一年枯黃期植物地上部分養分會逐漸向根部轉移，作為養分庫為來年植物的生長提供所需的養分[22]。

在本研究中氮素添加會促進植物地上部分全氮、銨態氮、硝態氮、全鉀、全磷含量的增加，這與王玲等人在環青海湖高寒草原的研究一致[23]。因為植物的主要功能性物質是氮和磷，很容易受外界環境的影響，外源氮素添加會提高土壤中供植物吸收利用的速效氮含量，植物體內較高的氮含量可促進對磷的吸收[24]。但氮素添加對植物地上部有機碳含量無顯著影響，可能是由于有機碳是組成植物體內的結構性元素，在植物體內含量較高且不容易受到外界環境的影響[25]。本研究中氮素添加顯著改變了根系中總氮含量，且隨氮素添加水平呈先降低后增加的趨勢。土壤氮素有效性等外在因子會影響根系對氮素的吸收，同時氮素添加會促進根系生長從而提高根系吸氮能力[26]。

3.2 氮素添加對土壤養分動態變化的影響

土壤作為草地生態系統重要的組成部分，為植物的生長及各種物質能量轉化提供場所[27]。本試驗研究發現土壤中銨態氮、全磷、全鉀、速效氮均呈現出顯著的動態變化特征，且在不同處理下表現出一定的差異性。本研究中氮素添加能提高土壤銨態氮、速效氮、全氮的含量，這與張金玲等人在貝加爾針茅草原中的研究一致[28]。可能是由于實驗地寒冷的氣候條件會降低土壤的礦化速率，而適當的養分添加會有效的解除土壤可利用性養分的限制，使土壤的速效氮含量提高[29]。本研究中發現氮素添加促進了土壤中全磷含量。這說明適宜的氮素添加能增加土壤全磷含量，氮素添加使植物群落組成發生變化，而導致土壤全磷含量分布上的差異[30]。但土壤磷受到氣候、母質等多種因素的影響，加之施氮年限較短，并不能得出一致的結論。鉀是土壤中常因供應不足而限制作物生長的主要營養元素之一[31]。本試驗研究表明土壤全鉀在整個生長期均表現為先升高后降低的趨勢。土壤全鉀基本全部來源于母質風化，而在土壤風化過程中溫度變化起到重要的作用，土壤全鉀會因生長期氣溫變化明顯而影響其釋放及運移[32]。

土壤有機質是土壤供氮的重要物質基礎，是評價土壤肥力的重要指標之一，它會影響土壤物理、化學以及生物特性[33]。土壤有機碳在整個生長期均表現為增加的趨勢，是因為隨著植被地上部分的生長，植物凋落物的量及其碳氮含量也增加，歸還到土壤表層中的養分也隨之增加。氮素添加對各生長期土壤有機碳含量無明顯影響，這與鄭海霞在內蒙古典型草原的研究一致[34]。因為土壤有機碳的主要來源是植物凋落物及根系，短時間的氮添加處理并不會導致碳庫的明顯變化[35]。

3.3 植物與土壤養分間的相關性

陸地生態系統包括地下和地上這兩個相對獨立的部分，它們共同影響著陸地生態系統的功能，而根系是植物及土壤養分循環的重要區域，植物通過根系從土壤吸收養分，同時以分泌物和凋落物的形式將養分歸還土壤[36]。植物與土壤養分含量之間存在或多或少的相關性。本研究中相關性分析結果表明土壤與植物部分養分間存在顯著相關性，且顯著正相關多于顯著負相關。說明植物根系對土壤養分的吸收利用是土壤速效養分輸出的主要途徑，土壤作為植物生長的主要基質，不斷地為植物的正常生理活動提供必要的養分，使得土壤與植物在養分供應與需求間通過動態交換達到并維持一個平衡的元素比[37]。本研究發現地上部硝態氮、速效氮、全鉀、全磷含量與土壤養分間的關系會隨月份變化相關性不同。這是由于植物在生長過程中會隨著生長環境自然因素的變化以及本身的發育階段而不斷的調整對營養元素的需求，而土壤養分變化具有一定的滯后性[38]。

本研究發現在不同月份下植物與土壤養分間相關性并無一致規律。由于植物與土壤養分間的反饋關系復雜，受植物系統位置、生活史、土壤養分利用有效性、土壤動物、微生物的種類數量及活性等因素的影響[39]。首先，植物在不同生長期會隨自身需求吸收養分；其次，凋落物、土壤理化性質、氮素添加等會影響土壤養分含量，而植被對不同養分的利用策略也會受到土壤的影響。

4 結論

外源氮素添加通過影響土壤養分進而改變植物吸收利用養分策略，改變高寒草甸植物及土壤的養分循環。在生長初期，植物吸收養分以供給自身生長需求，土壤養分會以穩定的養分含量來適應外界養分變化。在繁殖期，由于光合作用及植物生長速率加快植物養分含量會大幅度增加，而土壤養分含量會隨氮素添加而改變，但受月際變化的影響較小。在枯黃期，由于養分回收使植物地上部分養分含量降低，而隨著養分利用策略變化及凋落物分解會使根系及土壤養分含量會有一定程度的增加。植物與土壤養分間的反饋關系復雜，植物對養分的需求會隨著在外界環境的影響及本身的生長發育階段進行調整，而土壤養分月際變化并無一致規律，這就表明不同月份中土壤與植物間養分變化并不一定都具有相關性。