祁连山东缘高寒草甸植物及各部位对氮素添加的响应

2021-09-07张玉琪吴玉鑫肖海龙张德罡陈建纲

草地学报 2021年8期

张玉琪，马源，文铜，吴玉鑫，肖海龙，张德罡*，陈建纲

(1. 甘肃农业大学草业学院，甘肃兰州 730070； 2. 青海大学畜牧兽医科学院，青海西宁 810016)

氮作为植物体内生命元素，是促进植物生长的重要营养物质，也是植物发育过程中需求最大的营养元素[1]。在自然界中，虽然氮素含量极其丰富，占大气成分的3/4，但是植物却不能直接利用这些氮素，土壤中的有机氮需要通过复杂的化学过程才能转化为能被植物吸收的易溶态的氮，所以氮又是植物易缺乏的营养元素之一[2]。

增施氮肥能够增加土壤中的有效氮，通过根部将氮素分配和转运到植物的不同的源、库器官[6]，刺激植物的生长[7]。草地生态系统中氮素供应的状况直接关系到植物器官分化与形成[8]。氮素进入植株体后会被再分配，以不同的形态参与其生命活动，从而促进植物对氮素的高效利用。植物对土壤氮素的吸收、利用、运输和转移能力可以直接影响植株的地上组织生产力，对植株的存活和生长至关重要[9]。不同植物对氮素的选择、吸收和利用受其种类、生长环境、氮素形态等多种因素的影响，植物吸收、贮存、运输和同化过程也表现出不同的反应[10]。

青藏高原地区的高寒草甸土壤中储存着大量的氮素，但由于环境的限制，氮矿化作用较弱，导致土壤中可利用氮含量仅占土壤全氮的1%左右，这将对高原植物的生长发育产生较大程度影响[3]。同时有研究指出，青藏高原区域草地生态系统中有机氮的转化较为缓慢，以至于植物可利用的氮素普遍较少[4]，所以氮是影响青藏高原区域草地植物生长的重要因素[5]，对该区域草地生态系统的结构和功能影响较为剧烈。

草原施肥可直接供给牧草营养需要，大幅度提高牧草产量，并且恢复草地生态功能[12]。根据前人的研究，高寒草甸植物不同物种在氮获取策略上存在差异[33]，这表明氮添加可能会影响高寒草甸植物的氮素分配[32]。近几十年来，由于高寒草甸草原的退化日益严重和氮素的缺乏，导致生态系统中不同植物对氮吸收效率存在差异。不同土壤氮素水平下高寒草甸植物的氮素吸收和分配对于评估高寒草甸生态系统中氮素的利用是必不可少的，然而关于这一方面的研究却很少。

为探讨此问题，本研究于甘肃省天祝县金强河流域天祝草原站的高寒草甸草原施入4个不同梯度的氮肥，通过研究不同经济类群以及优势种植物在各施氮梯度下对于氮素的吸收情况，以及不同器官的氮素含量。旨在了解草原施氮后不同植物的氮素分配模式，探寻最适合植物高效利用氮素的合理施肥方案和氮素的分配模式，以期为科学施氮和提高氮肥利用效率提供依据，为提高高寒草甸的经济利用价值和草原生态恢复提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 样地概况

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(102°47′7″E,37°11′51″N)，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，占全年降雨量的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。主要植物有：垂穗披碱草(Elymusnutans)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、苔草(Carexlanceolata)、扁蓿豆(Trigonellaruthenica)、球花蒿(Artemisiasmithii)、火绒草(Leontopodiumleontopodioides)、赖草(Leymussecalinus)、草地早熟禾(Poapratensis)、甘肃棘豆(Oxytropiskansuensis)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、委陵菜(Potentillachinensis)、秦艽(Gentianamacrophylla)、紫菀(Astertataricus)等。

1.2 样地设置与样品采集

本研究于2019年6月开展，采用随机区组试验设计，在位于青藏高原东北缘的甘肃省武威市天祝藏族自治县抓喜秀龙乡金强河流域的甘肃农业大学草原站内选择基本情况一致的中度退化高寒草甸草原[16]，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，外围设1 m的保护区(如图1所示)。结合前人的研究结果[7,17-19]，设置5个处理，其中4个处理分别施入10,20,30,40 g·m-2的尿素(CO(NH2)2，氮含量为46%)，记为N1，N2，N3，N4，以不施肥为对照，记为N0，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。

图1 施氮处理Fig.1 Nitrogen treatment

1.3 指标测定

7月在每个小区内随机将0.25 m×0.25 m区域内的植物齐地刈割，带回实验室按禾本科，豆科，莎草科，杂类草这4个经济类群分开并将优势种挑出，再将其茎、叶、果实分开，在120℃烘箱杀青15 min，然后在65℃烘箱烘48 h，烘至恒重后称重后粉碎，测定植物茎、叶、果实的含氮量。全氮测定采用半微量凯氏定氮法[20]。

1.4 数据分析

使用Excel 2010进行数据整理和图表绘制，用SPSS19.0利用单因素方差分析(One-way ANOVA)，Duncan法对不同经济类群，不同植物以及不同部位的全氮含量进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮梯度下植物生物量变化

如表1所示，施氮前后不同经济类群植物地上生物量均表现为禾本科>莎草科>豆科>杂类草。随着施氮水平升高，地上生物量总量先升高后降低，在N1水平下达到最大值216.89 g·m-2。莎草科、豆科这2类经济类群的地上生物量均随着施氮水平升高，呈现先升高后降低的趋势，在N1水平下生物量最大，分别为64.24 g·m-2，56.36 g·m-2。禾本科植物地上生物量表现为N1>N2>N3>N4>N0，在N1水平下生物量为78.74 g·m-2。随着施氮量增加，杂类草植物地上生物量呈现先降低后升高趋势，在N3水平下生物量最大，为25.96 g·m-2。

表1 不同经济类群植物地上生物量Table 1 Aboveground biomass of plants of different economic groups 单位：g·m-2

根据前期样方植被调查，选择出5种优势植物，分别为：垂穗披碱草、赖草、矮生嵩草、扁蓿豆、球花蒿。如表2所示，随着施氮水平提高，这5种优势植物都呈现先升高后降低的趋势。垂穗披碱草、矮生嵩草、扁蓿豆这3种优势植物地上生物量都在N1水平下最大，赖草和球花蒿分别在N2和N3水平下生物量最大。在不同施氮水平下，扁蓿豆的地上生物量明显大于其它优势种植物的地上生物量(P<0.05)，球花蒿地上生物量最小，在N0，N4水平下矮生嵩草>赖草>垂穗披碱草，N1，N3水平下矮生嵩草>垂穗披碱草>赖草，N2水平下表现为赖草>矮生嵩草>垂穗披碱草。

表2 不同优势植物地上生物量Table 2 Aboveground biomass of different dominant plants 单位：g·m-2

2.2 不同施氮梯度下各经济类群植物氮含量变化

如图2所示，在N0，N1，N2，N4水平下各经济类群植物含氮量表现为豆科>杂类草>莎草科>禾本科，禾本科、莎草科和杂类草3个经济类群植物的含氮量总体上随着施入氮素水平的增加逐渐升高而后趋于平稳，豆科植物含氮量随施氮水平升高先降低后升高并趋于平稳，在N1水平出现最低值。每个经济类群植物的氮含量各自在N2，N3，N4水平之间并无显著差异，但与N0，N1有显著差异(P<0.05)。

图2 不同经济类群植物在不同施氮水平下氮含量Fig.2 The plant nitrogen content of different economic groups under different nitrogen application levels注：数据为平均值±标准误。不同小写字母表示不同处理间差异性显著(P<0.05)；不同大写字母表示不同经济类群/优势植物间差异性显著(P<0.05)。下同Note:Data are mean±standard error. Different lowercase letters indicate significant difference between different treatments att he 0.05 level;Different capital letters indicated significant differences among different economic groups/dominant plants at the 0.05 level. The same as below

高寒草甸草原施入外源氮素后各经济类群植物的全氮含量都有不同程度的增加。相比于N0水平，禾本科植物氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分别增加了3.89%，28.28%，32.76%，36.54%；莎草科植物氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分别增加了4.69%，29.28%，29.45%，36.67%；豆科植物氮含量在N1水平下降低了3.68%，在N2，N3，N4水平下分别增加了14.05%，20.53%，26.07%；杂类草植物全氮含量在在N1，N2，N3，N4水平下分别增加了7.84%，36.76%，35.37%，38.80%。

高寒草甸草原各经济类群植物全氮含量在施氮前后均表现为豆科>杂类草>莎草科>禾本科，豆科植物氮含量显著高于其它3个经济类群植物(P<0.05)。施氮量与4个经济类群植物全氮含量显著相关(P<0.05)，对植物氮含量的影响表现为禾本科>莎草科>豆科>杂类草(表3)。

表3 施氮水平与植物含氮量之间的相关性Table 3 Correlation between nitrogen application level and plant nitrogen content

2.3 不同施氮梯度下各优势植物氮含量变化

如图3所示，在高寒草甸草原上，扁蓿豆的氮含量显著高于其它优势植物(P<0.05)。这5种优势植物的全氮含量均在N2水平下显著升高(P<0.05)，而后趋于平稳。相比与N0水平，垂穗披碱草、赖草、矮生嵩草、扁蓿豆、球花蒿这5种植物氮含量在N2水平下分别增加了31.67%，27.59%，22.31%，10.74%，51.39%，相比于N0，外源氮素添加后球花蒿全氮含量增加最多，其次是垂穗披碱草、赖草、矮生嵩草，扁蓿豆的全氮含量增加最少。

图3 不同优势植物在不同施氮水平下氮含量Fig.3 The nitrogen content of different dominant plants under different nitrogen application levels

高寒草甸草原施氮与扁蓿豆、矮生嵩草、垂穗披碱草植物氮含量显著相关，对于这5种优势植物氮含量的影响表现为扁蓿豆>矮生嵩草>垂穗披碱草>赖草>球花蒿(表3)。

2.4 不同施氮梯度下不同经济类群植物茎、叶、花氮含量变化

如图4所示，豆科植物叶片氮含量最高，其次是杂类草，禾本科，莎草科。施入氮肥后，禾本科植物的叶片、茎、穗的氮含量表现为叶片>穗>茎(P<0.05)，禾本科植物在N1，N2水平下已经抽穗，穗的氮含量表现为N2>N1。随着施入氮素水平的提高，禾本科叶片氮含量在N1水平显著升高(P<0.05)后趋于稳定，N1，N2，N3之间，N2，N3，N4之间都不存在显著差异，叶片氮含量在N1，N2，N3，N4水平下分别比N0水平下提高了19.37%，33.80%，32.76%，39.30%；茎和穗的氮含量在N2水平下比N1分别提高了51.69%，39.55%。施入氮肥后，茎的氮含量增加最多，其次是穗，最后是叶片，这可能是由于禾本科植物在N2和N3水平下植物由营养生长转为了生殖生长所以叶片将氮素供应给茎和穗。施氮后莎草科植物并没有长出茎和穗，其叶片的氮含量在N2水平显著增加后趋于平稳(P<0.05)。

图4 不同经济类群植物茎、叶、穗/花氮含量变化Fig.4 Variation of nitrogen content in leaf,stem,tassel/flower of different economic groups

施氮前后豆科植物氮含量分布均表现为叶片>茎，且施氮对于叶片氮含量的增加大于茎，施入氮肥后，叶片氮含量在N2水平显著升高后趋于平稳并稍有下降趋势(P<0.05)，叶片在在N1，N2，N3，N4水平下分别比N0水平下提高了1.70%，22.37%，31.34%，26.33%，茎的含氮量随施入氮肥的量增加逐渐升高但不显著，在N1，N2，N3，N4水平下分别比N0水平下提高了6.39%，8.82%，18.62%，20.72%。

杂类草在N0，N1，N2水平下已经转为生殖生长分化出花，花的氮含量表现为N0>N2>N1(P<0.05)。叶片和茎的氮含量在N2水平显著提高，分别比N0水平提高了25.65%和54.03%，施氮对于杂类草茎的氮含量的增加大于叶片。施氮量与杂类草叶、禾本科叶、莎草科叶、豆科叶和茎有显著相关性(P<0.05)，对于不同经济类群植物各部分氮含量的影响表现为杂类草叶>豆科茎>莎草科叶>禾本科叶>豆科叶>杂类草茎>禾本科穗>禾本科茎>杂类草花(表4)。

表4 施氮水平与经济类群植物各部位含氮量之间的相关性Table 4 Correlation between nitrogen application level and nitrogen content in various parts of plants in economic groups

2.5 不同施氮梯度下优势植物茎、叶、花氮含量变化

如图5所示，垂穗披碱草在N1，N2水平下开始生殖生长，叶片氮含量在N2水平显著增加(P<0.05)后趋于平稳，N2，N3，N4水平之间没有显著差异(P<0.05)，N2，N3，N4水平下叶片氮含量分别比N0水平增加了31.67%，26.03%，33.65%。茎和穗的氮含量表现为N2>N1，分别提高了51.69%，39.55%。赖草和矮生嵩草并没有分化出茎和穗，其叶片的氮含量随着施入氮素水平提高先明显升高后平稳，在N2水平下分别增加了27.59%，22.31%。扁蓿豆叶片氮含量随着施氮量增加逐渐增加，N2，N3，N4之间没有显著差异，与N0，N1之间差异显著(P<0.05)，N2，N3，N4水平下叶片氮含量分别比N0水平增加了16.67%，20.45%，25.23%，扁蓿豆茎的氮含量随施氮量增加先降低再逐渐增加，N1水平比N0水平降低了6.81%，N2，N3，N4水平下叶片氮含量分别比N0水平增加了3.73%，12.99%，19.08%。球花蒿的叶、茎的氮含量均随着施氮水平提高先升高再降低，在N2水平达到了最大值(P<0.05)，分别比N0水平下增加了41.91%和116.97%，施氮对于球花蒿茎氮含量的增加明显多于叶片。虽然外源氮素施入对于球花蒿茎和叶片氮含量的增加明显多于其它优势植物，对于扁蓿豆叶片和茎的氮含量增加最少，但根据相关性分析(表5)可看出施氮对于优势植物各部位氮含量表现为扁蓿豆叶片>矮生嵩草叶片>垂穗披碱草叶片>扁蓿豆茎>球花蒿叶片>垂穗披碱草穗>赖草叶片>垂穗披碱草茎>球花蒿茎。

表5 施氮水平与优势植物各部位含氮量之间的相关性Table 5 Correlation between nitrogen application level and nitrogen content in different parts of dominant plants

3 讨论

从本研究中发现，一定的施氮量有利于高寒草甸草原植物量的增加，但不是施氮量越高地上植物量就越多。随着施氮量的增加地上植物量先升高后降低，氮元素与植物的光合作用紧密相关[22,26]，合理的氮素施入可以供给植物正常生长所需的养分并促进植物生长，但是氮素释放不足或过量都会导致植物茎、叶的净光合速率、呼吸速率和其他生理反应相应地降低，从而影响地上生物量[23-24]。沈振西等[25]在高寒矮嵩草草甸施氮的研究、卡着才让等[17]在高寒草甸草原施氮的研究和马玉寿等[34]在小嵩草草甸施氮的研究都表明施氮可明显提高植物的地上生物量，但超过某个阈值后施肥作用不明显。

氮素添加对于高寒草甸草原不同经济类群植物的影响不同，地上生物量表现为禾本科>莎草科>豆科>杂类草，施氮对植物氮含量的影响表现为禾本科>莎草科>豆科>杂类草，这与陈利[30]对于针茅草甸草原主要植物的研究结果相一致。在氮素充足或过高的环境中禾本科植物比其它经济类群植物更具可塑性，有更高的光合竞争力[26,37]。因此相比其它经济类群，禾本科植物有较强的养分利用效率，这与熊星烁[22]的结果相一致。高寒草甸豆科和杂类草植物一般低于禾本科植物，更易受到光限制，而光限制作用可能会抑制植物生长对氮素施入的响应[31]，所以禾本科植物的生物量明显多于其它经济类群植物的生物量。李晶晶等在青藏高原高寒草甸研究中也发现禾本科对于氮的吸收利用能力更强[35]。本研究还发现在施氮水平较高时，抑制了禾本科的生殖生长，且生物量有所增加，前人在研究中也发现禾本科植物可以通过延迟开花时间来提高竞争能力[38]。此外，Bowman等[36]研究发现与邻近的杂类草相比，禾本科植物更容易获取和利用氮来增加生物量。豆科植物随着施氮量增加生物量明显减少，高浓度氮肥的施用抑制了豆科植物根瘤的形成[40]，也有研究发现豆科植物对土壤氮的添加没有显著的反应[38]，Cleland[39]的研究中也发现在添加氮后豆科植物没有显著变化。施氮对于杂类草氮含量的影响最小，这与前人研究结果一致[45]，且有研究认为杂类草在氮素缺乏时对于氮的吸收利用能力较强，在氮素充足时明显下降[46]，本研究发现杂类草在未施氮和稍低施氮水平下生物量较低，李晶晶等[35]的研究也有类似结果，但本研究中发现在施氮水平较高时杂类草生物量有所上升，这可能是因为在未施氮和稍低水平施氮下，杂类草开始生殖生长，氮素更多供应给花/果，在高水平施氮时抑制了杂类草生殖生长，所以杂类草生物量又有小幅度上升。

植物的含氮量总体上随着施入氮素水平的增加逐渐升高而后趋于平稳。当施肥量过高时，叶片和茎的氮素含量与土壤施入氮素量不成正比，是因为过多的氮素胁迫，导致植物生理功能的衰退[28]。施氮前后植物中的氮含量表现为豆科>杂类草>莎草科>禾本科，李玉霖和熊星烁[27]的研究也表明，非禾本科草本植物叶片氮含量显著高于禾本科植物。与单子叶植物相比，双子叶植物叶片养分含量更高[22]，本研究中豆科和杂类草植物叶片的氮含量明显高于禾本科和莎草科植物叶片的氮含量。施入氮素后，不同经济类群植物叶片的氮含量大于茎的氮含量，因为植物体内运输到地上部的氮素分配随生长中心的转移而转移，所以叶内氮含量积累较多，叶片是主要的氮素贮存器官，叶片氮累积量可以达到整个植株总氮累积量的60%以上[29]。

垂穗披碱草、矮生嵩草、扁蓿豆这3种优势植物的地上生物量在施氮量为10 g·m-2水平下最大，赖草和球花蒿分别在20 g·m-2和30 g·m-2水平下生物量最大，与不同经济类群植物地上生物量的变化较为一致。施氮对于扁蓿豆的氮含量影响最大，这与刘红梅[41]对贝加尔针茅草原植物和黄菊莹等[42]对内蒙古典型草原植物对氮添加响应研究结果有所不同，与司晓林[43]的研究结果相类似，这可能是由于地区不同的原因造成的不同结果。很多研究认为豆科植物自身生物固氮足够提供自身生长需要，所以对于外源氮素添加的响应不明显[38-39]。本研究在7月进行，可能由于其生长早期尚未形成根瘤，所以添加氮肥可促进其早期生长增加了植株氮含量。矮生嵩草和垂穗披碱草对于氮添加的响应也很明显，这与魏晴[44]的研究结果相同，这也是高寒草甸草原中矮生嵩草和垂穗披碱草成为优势种的一个重要原因。