张千山, 王玉琴,2*, 宋梅玲,2, 周 睿,2, 余钱雯, 王宏生,2*

(1. 青海大学畜牧兽医科学院/青海省畜牧兽医科学院, 青海 西宁 810016;2. 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室, 青海大学, 青海 西宁 810016)

我国是草地资源大国,天然草地面积占我国土地面积的40%[1]。丰富的草地资源具有防风、固沙、气候调节等重要作用,是维护我国生态系统安全的重要基石,但由于全球环境变化和人类活动的干扰,我国天然草地的面积正在不断缩小,草地在加速退化,且已经严重影响了当地居民的正常生产生活[2-3]。目前,普遍认为长期过度放牧是导致草原植被大面积退化的主要原因[4-5],而继荒漠化后,毒杂草的大肆蔓延,也成为了草地退化的主要表现形式之一,毒草治理已经成为了青藏高原退化草地恢复治理中的重要一环[6-7]。氮添加是改善草地营养物质平衡的重要管理措施,可以有效补充草地中的营养元素,缓解植物间的竞争压力,有研究表明,施用30～40 kg·hm-2氮素可以有效促进退化草地的恢复及可持续利用[8],而围封可以避免外界放牧干扰,使退化草场的植物得以一定程度上恢复繁衍,所以两种措施常常结合使用以加快退化草地的治理和恢复[9-10]。

黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)是青藏高原上一种危害严重的毒草,常作为高寒草甸退化的指示物种,其大面积滋生蔓延已经严重危害了高寒草甸的健康发展[11]。目前的研究表明两个重要机制影响了黄帚橐吾的快速扩散:一是黄帚橐吾体内含有一种具有特殊气味的化感物质,可以抑制其它植物的生长,提高自身竞争能力[12];二是黄帚橐吾分布地土壤微生物功能多样性的改变所引起的土壤氮素限制[13]。但目前关于氮素添加在黄帚橐吾型退化草地中是否对草地恢复有效果却少有报道。因此,本研究以黄帚橐吾型退化草地为研究对象,在放牧和围封条件下添加氮素,比较分析采取措施2年后草地群落组成、植被多样性、地上和地下生物量以及黄帚橐吾密度的变化规律,明确氮素添加对黄帚橐吾型退化草地植被的影响,以期为黄帚橐吾型退化草地的恢复治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

试验点位于青海省黄南藏族自治州河南县(34°44′18″ N,10°136′31″ E),平均海拔约3 589 m。该地属典型高原大陆性气候,年平均气温2.0℃,年均降水量579～616 mm,植物生长期为120～140 d。试验地主要物种为黄帚橐吾、线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、高原早熟禾(Poapratensis)、垂穗披碱草(Elymusnutans)等,伴生杂草主要为秦艽(Gentianastraminea)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、莓叶委陵菜(Potentilla)。黄帚橐吾平均密度为133.6 株·m-2。

1.2 样地设置

在研究区域内选取地势较为平坦、植被分布均匀、黄帚橐吾为害严重的草地为试验样地。于2019年5月采用网围栏建立平行生长季禁牧试验区和放牧试验区各3个,面积均为80 m×40 m。在各试验区内随机设置3个面积为17 m×10 m的小区进行添加氮素试验,添加氮素量为40 kg·hm-2,氮素于2019年6月一次性施入,添加氮素选择阴天将尿素(N含量46%)溶于水中在各小区内人工喷洒,并在不施氮素小区喷施等量清水。以不添加氮素作为对照,共4个处理,分别为放牧(G)、放牧+氮素(G+N)、围封(E)、围封+氮素(E+N)。

1.3 植被调查

分别于2020和2021年8月进行草地植被群落调查,在每个小区内随机选取3个0.5 m×0.5 m的样方,记录样方内所有植物物种名,用直尺量取每种植物的高度计算均值,以针刺法测定其盖度,并统计每个样方内黄帚橐吾的个体数。采集样方框内所有地上植物组织,按物种分装于信封袋中,带回实验室后低温烘干,称取烘干后的植物组织重量,计算每种处理下各物种的地上生物量以及总地上生物量[6]。在样方内用直径为7.0 cm的根钻分别采集0～10 cm和10～20 cm土层的土壤,装网兜后用清水反复漂洗,确保去除根系附着的杂质,经65℃烘干48 h,进行地下生物量的测定。

1.4 计算方法

按照测得的样方数据(高度、盖度、地上生物量)计算草地植物群落的多样性[14]:

用Shannon-Wiener指数(H′)计算草地植物群落物种多样性指数:

用Simpson指数(D)计算草地植物群落物种优势度指数:

用Pielou指数(E)计算草地植物群落均匀度指数:

物种重要值(Ni)=(相对高度+相对盖度+相对生物量)/3

物种丰富度指数(S)=物种数

式中,N为重要值总和,Ni为样方内第i物种的重要值,Pi=Ni/N,Pi为物种i的相对重要值。

1.5 数据分析

使用Excel 2020对数据进行录入、整理和作图,运用SPSS 22.0软件对相同年份不同处理间的植被群落多样性指数、植物地上生物量和相同土层地下生物量等进行单因素方差分析,并进行重复度量方差分析方法进行检验(95%水平),图表数据均采用平均值±标准误表示。利用R Development CoreTeam,对所有指标采用PCA分析,根据各因子在PCA轴上载荷的大小判断其作用大小,根据其夹角判断其相关性,并根据主成分累积贡献率,选择重要主成分,利用得分公式求出不同处理草地植被综合分值并排序。

2 结果与分析

2.1 添加氮素对草地群落重要值的影响

按功能群及重要程度分为以下四类(表1),莎草科、禾本科、豆科、杂类草(如黄帚橐吾、莓叶委陵菜、美丽风毛菊等),其中各处理间的主要物种组成基本相同,不同年份和处理间的优势种群则有所差异。草地围封后禾本科植物重要值普遍提升,其它各科植物重要值则有所下降,其中黄帚橐吾重要值下降较为明显并于围封第2年变为亚优势物种,重要值<10%。在放牧草地添加氮素后,第1年的黄帚橐吾重要值明显降低,但仍为优势物种,其重要值>10%,而高原早熟禾重要值则明显提高,但重要值仍低于黄帚橐吾;第2年,黄帚橐吾从优势种变为亚优势种,重要值>5%,而高原早熟禾重要值明显提高成为优势种,重要值>10%。在围封草地添加氮素后,第1年的黄帚橐吾重要值有所上升,且高原早熟禾从优势种变为亚优势物种;第2年,围封草地和围封加氮素草地的黄帚橐吾均变为亚优势物种,垂穗披碱草则成为唯一优势物种,重要值>10%,且围封加氮素草地的垂穗披碱草重要值高于围封草地,其余物种均未发生优势种的替换。相较于放牧加氮素草地,围封加氮素草地的禾本科植物重要值提升更为明显。

表1 添加氮素后草地群落主要物种组成及其重要值Table 1 Species composition and important value of grassland community after nitrogen addition

2.2 添加氮素对草地群落多样性的影响

不同处理下退化草地丰富度指数、均匀度指数、优势度指数和香农威纳指数表现为(图1):在放牧草地和围封草地添加氮素1年后,围封加氮素草地的香农威纳指数和丰富度指数均为最高,围封草地的均匀度指数和优势度最高,放牧草地的各多样性指数均为最低;在放牧草地和围封草地添加氮素2年后,放牧草地的多样性指数均为最高,围封草地的香农威纳指数和丰富度指数最低,但各处理的多样性指数在处理间及年份间差异均不显著,且处理和年份之间也无显著交互作用(表2)。

图1 添加氮素后植物群落物种多样性的变化Fig.1 Change of diversity indexes of grassland communities after nitrogen addition注:不同小写字母表示同一年份不同处理间差异显著(P<0.05)。下同Notes:Different lowercase letters indicate a significant difference among different treatments in the same year at the 0.05 level. The same as below

表2 添加氮素后不同年份植物群落物种多样性的的重复度量方差分析结果Table 2 Results of repeated measures ANOVA on the effects of nitrogen addition on the grassland community diversity in different years

2.3 添加氮素对黄帚橐吾密度和生物量的影响

在放牧草地和围封草地添加氮素对黄帚橐吾密度均无显著影响。但在围封草地添加氮素后,黄帚橐吾的密度和生物量均低于放牧草地添加氮素处理,且黄帚橐吾密度显著低于放牧条件下添加氮素处理(P<0.05,图2)。年份对黄帚橐吾密度具有显著影响(P<0.05),但年份和处理间之间无显著交互作用(表3)。

图2 添加氮素后黄帚橐吾密度和地上生物量的变化Fig.2 Density and aboveground biomass of Ligularia virgaurea after nitrogen addition

表3 添加氮素后不同年份黄帚橐吾密度和地上生物量的重复度量方差分析结果Table 3 Results of repeated measures ANOVA on the effects of nitrogen addition on the density and aboveground biomass of L.virgaurea in different years

2.4 添加氮素对各功能群地上生物量的影响

比较各处理地上生物量得到(图3),在放牧草地添加氮素后,莎草科植物地上生物量第2年显著提高(P<0.05);禾本科植物地上生物量2年内均无显著变化;豆科植物地上生物量第2年显著降低(P<0.05);杂类草无显著变化。在围封草地添加氮素后,莎草科植物地上生物量在第2年显著降低(P<0.05);禾本科植物地上生物量在第2年显著提高(P<0.05);豆科植物地上生物量明显降低但差异不显著;杂类草地上生物量无明显变化。相较于放牧草地,在围封草地添加氮素后,莎草科植物地上生物量第1年明显提高,但差异不显著,第2年显著降低(P<0.05);禾本科植物地上生物量第2年显著提高(P<0.05);豆科植物地上生物量2年内均明显降低,第1年显著降低(P<0.05);杂类草地上生物量无明显变化。另外年份对总地上生物量和禾本科、豆科、杂类草地上生物量均产生了显著影响(P<0.05),不同处理对禾本科和豆科地上生物量产生了显著影响(P<0.05),年份和处理间仅对莎草科地上生物量有显著交互作用(P<0.05)(表4)。

图3 添加氮素后草地群落地上生物量的变化Fig.3 Effects of nitrogen addition on aboveground biomass of grassland communities

表4 添加氮素后不同年份草地地上生物量的重复度量方差分析结果Table 4 Results of repeated measures ANOVA on the effects of nitrogen addition on the aboveground biomass of the community and the four groups in different years

2.5 添加氮素对草地地下生物量的影响

在围封草地添加氮素后,草地总地下生物量在第1年显著提高(P<0.05),而在放牧草地添加氮素后草地总地下生物量无显著变化。氮素添加对不同土层的影响不同,在0～10 cm土层中,放牧草地添加氮素后地下生物量在两年内均无显著变化;在围封草地添加氮素后,第1年地下生物量显著提高(P<0.05)。而在10～20 cm土层中,地下生物量表现为,在放牧条件下添加氮素第1年后地下生物量有降低趋势,第2年无变化,在围封条件下添加氮素,第1年地下生物量明显增加,第2年则无明显差异(图4)。相较于放牧条件,在围封条件下添加氮素后草地总地下生物量和0～10 cm地下生物量均显著提高(P<0.05)。另外年份和各处理对地下生物量均无显著影响,年份和处理间也无显著交互作用(表5)。

图4 添加氮素后各土层的地下生物量的变化Fig.4 Underground biomass in different soil layers after nitrogen addition

表5 添加氮素后不同年份地下生物量的重复度量方差分析结果Table 5 Results of repeated measures ANOVA on the effects of nitrogen addition on underground biomass in different years

2.6 添加氮素后黄帚橐吾型退化草地植被的PCA分析

主成分分析表明(图5):2020年PCA轴的累积解释方差比例达46.6%,第一主成分累积贡献率为26.5%,第二主成分累积贡献率为20.1%。2021年PCA轴的累积解释方差比例达56.1%,第一主成分累积贡献率为34.3%,第二主成分累积贡献率为21.8%。通过计算主成分综合得分,并按照F值大小对个处理进行排序得到(表6),2020年、2021年综合得分最高处理均是围封,2020年排列顺序为围封>放牧+氮素>围封+氮素>放牧;2021年排列顺序为围封>围封+氮素>放牧+氮素>放牧。

图5 草地植被的PCA分析Biplot图Fig.5 Biplot diagram of PCA analysis on grassland vegetation注:SW为香农威纳指数;LD为黄帚橐吾密度;Ab为总地上生物量;Cb为莎草科生物量;Gb为禾本科生物量;Lb为豆科生物量;Fb为杂草生物量;Sb为总地下生物量注:SW, Shannon-Wiener index;LD, Ligularia virgaurea density;Ab, total above-ground biomass;Cb, cyperaceae biomass;Gb, graminaceae biomass;Lb, leguminosae biomass;Fb, forbs biomass;Sb, total subsurface biomass

表6 不同处理的主成分综合得分及其排序Table 6 Scores and ranking of the principal component of different treatments

3 讨论

3.1 添加氮素对草地主要物种的影响

重要值是物种在群落中地位和作用的综合数量指标,用来表现不同植物的相对重要性,对研究群落演替具有重要意义[15]。而氮添加和围封一直以来都作为恢复草地植被、减少毒杂草在草地所占比例的重要措施。本研究显示,草地围封后,禾本科植物的重要值普遍提高,在向黄帚橐吾型退化草地中添加氮素后可以有效提高禾本科牧草高原早熟禾的优势地位。这是由于高大的禾本科植物本身具有更强的光资源竞争优势,而添加氮素则可以有效补充土壤的养分[18],因此禾本科牧草的重要值快速提高。此结果与国内外退化草地添加氮素研究结果相符[19-20]。然而,在围封条件下添加氮素后,禾本科高原早熟禾失去了优势种地位。这是由于围封排除了放牧干扰,植物生长主要受物种间竞争影响[21]。而土壤氮素作为黄帚橐吾的重要限制因素[10],在添加氮素后,短期内其重要值明显提高,占据了禾本科高原早熟禾的生态位,从而使其跌落优势种地位。而在各处理实施第二年,由于黄帚橐吾密度和生物量的降低,其在围封和氮添加条件下均跌落优势种地位。禾本科牧草作为黄帚橐吾的重要竞争物种[21],在黄帚橐吾重要值降低后逐渐占据优势地位。此外,围封可以有效降低黄帚橐吾密度和生物量[22],而添加氮素短期内对黄帚橐吾治理效果可能较为有限,在王宏生等[6]研究中也出现了相似结果。

3.2 添加氮素对草地物种多样性的影响

物种多样性一直以来都作为研究草地生态结构功能多样性的重要指标,是物种组成、丰富度、均匀度和相互作用对生态环境影响的综合体现[23]。在草地生态系统的研究中,国内外学者一般认为短期围封有利于物种多样性的增加[24-25],而对于添加氮素对物种多样性的影响,学者们则存在较大分歧。有些学者认为,氮素会使物种多样性降低[26-27],而另一些学者则认为,它对物种多样性没有显著影响[28]。本研究表明,草地围封对黄帚橐吾型退化草地多样性无显著影响,并且在围封和放牧条件下添加氮素后黄帚橐吾型退化草地物种多样性也无显著变化。这可能是因为由于恢复年限较短,在Margalef[29]、李永宏等[30]研究中认为草原恢复演替中物种多样性会呈现波动,但一般出现在恢复演替中后期,所以添加氮素后草地多样性无显著变化。另一方面,有研究表示在高寒退化草地中添加氮素会对草地产生负面影响[31-32]。在本研究中,两年内围封草地的得分均低于围封加氮素的草地。然而,由于黄帚橐吾的化感作用会抑制其他植物种子的萌芽和生长[33],植物群落多样性在两年内与黄帚橐吾密度均呈现负相关关系。所以黄帚橐吾的密度降低有利于物种多样性的增加,从而导致氮添加后黄帚橐吾型退化草地的物种多样性没有显著变化。即在毒草型退化草地中草地多样性的恢复受毒草种类和密度干扰[34]。但随着草地恢复,黄帚橐吾密度降低对草地的影响也会减少,草地物种多样性可能会发生变化。

3.3 添加氮素对草地生物量的影响

土壤氮素是草地生物量的重要限制性营养元素[35],添加氮素一直被国内外学者认为有利于草地植物生物量的提高[36-37],但由于草地类型、施氮条件、施氮水平的不同,其结果也存在差异。围封草地可以通过避免牲畜采食、践踏等干扰,同样被认为是恢复退化草地生物量的重要方法[38]。本研究表明,在短期内随着围封年限的增加可以有效提高草地总地上生物量,但在围封条件下添加氮素对草地总地上生物量则无显著效果,且在围封草地和放牧草地上添加氮素对草地总地上生物量的影响差异不显著。这是由于围封条件下植物生长压力主要来自物种间的竞争,氮素添加虽然减缓了根系对养分吸收的竞争压力[39],但使植物从原本的地下养分竞争变为地上的光资源竞争,高大的禾本科植物在此条件下具有较强的竞争优势[40],从而显著提高了生物量,但也使得其它科植物生物量明显下降。因此,围封条件下添加氮素并未使草地总地上生物量提高。这一结果与刘学敏等[41]在中度退化草地上的生物量变化相符合。同理,相较于放牧草地,围封草地添加氮素可以有效提高禾本科植物地上生物量,但会使莎草科和豆科生物量显著降低,而在放牧草地添加氮素,由于禾本科牧草较高位于上层,会受到家畜的优先采食使其生物量明显降低[42],但上层植被量下降也使得禾本科和豆科等下层植被更容易获取光照,在地下养分充足的情况下其生物量明显提高[43],从而导致添加氮素后,围封草地和放牧草地的各种群间生物量存在显著差异但总地上物量无显著差异。但在围封条件下添加氮素可以显著提高了地下生物量,这是因为添加氮素可以有效减缓根系的竞争压力[44]。而在放牧条件下添加氮素则由于动物采食增大了地上部分对养分的需求,根据优先分配原则,植物会优先促进地上部分生长[45],因此地下生物量没有显著提高,这一结果与蒯晓妍等[46]同水平氮添加下的研究结果相同。随着年份的变化禾本科、豆科、杂类草和总地上生物量均发生了显著变化,但处理间未发生交互作用,这可能是因为受到降雨、气温等自然因素影响。

4 结论

综上所述,氮素添加可以促进对速效养分利用率较高的禾本科牧草的生长发育,使其取得竞争优势,从而使群落中其他牧草植物(包括有毒植物)的比例下降。在放牧条件下添加氮素能对黄帚橐吾型退化草地生产力起到恢复效果,而在围封条件下添加氮素则对浅层地下生物量具有极大促进效果,但由于加大了物种间竞争,草地植被得分低于单围封草地,具体的影响机制有待进一步研究。