外源氮素添加对高寒草甸植物-土壤养分月际变化的影响

向雪梅， 德科加*， 冯廷旭， 林伟山， 钱诗祎， 魏希杰， 王 伟， 徐成体， 张 琳， 耿晓平

(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.青海省称多县气象局， 青海 称多 815199)

三江源区位于青海省南部，它不仅为畜牧业的发展提供物质基础，也是我国重要的生态屏障[1]。高寒草甸是三江源区主要的草地类型，但随着高寒草甸土壤中的养分以草产品或畜产品的形式输出，在养分未及时补充的情况下，土壤肥力下降，影响牧草的生长，中度以上的退化草地占可利用草地面积的 50%～60%[2]。外源氮素输入作为草地恢复的重要措施之一，能在短期内提高草地生产力，维持生态系统的稳定性[3]。

植物的养分含量反映了植物的养分状态及其对养分的需求，与其生境的土壤养分有效性高度相关[4]。氮素添加会影响土壤的物理、化学及生物学特性，从而改变植物群落结构及营养物质的分配，而植物的养分利用及凋落物的分解等也都会影响土壤的性质，草地生态系统内的营养物质的循环也会受到影响[5-6]。李润富等[7]研究表明植被与土壤养分含量之间的关联性仅存在于部分物种与部分营养元素中，但王明明等[8]人认为由于植物对生活环境的长期适应和植物本身的遗传特性，植物养分并不主要受控于土壤养分的限制作用，杨振安等[9]研究表明植被与土壤养分间的平衡关系会受草地管理措施的影响。上述研究表明在氮素添加下植被-土壤系统中营养元素关联性方面结论尚不统一。

植物及土壤养分除了受到草地管理措施，植物本身的特性外，还会在不同生长发育阶段有较大的差异[10]。近期研究发现在不同生长期植物叶片碳，氮，磷的含量会出现较大波动[11]。俞联平等人[12]在山地草甸草场中研究发现随生长期变化植物叶片全磷含量降低，而全氮含量呈增加的趋势。而在青海湖南岸天然草场中研究发现返青期植物叶片的全氮含量最高[13]。现有研究大多关注植物叶片养分的季节变化情况,而对植物根系与土壤养分在季节动态下养分变化的研究较少。通过研究植物各部分营养元素及季节动态变化，并结合研究区的土壤养分动态变化，对于揭示植物对营养元素的需求、土壤养分的供给能力及植物对外界环境变化的适应能力有重要的意义。

因此，本研究以三江源高寒草甸为研究对象，了解不同水平氮素添加下土壤-植物各养分随不同月份的变化规律，并探究土壤与植物养分间的关联性，将有助于更全面地了解氮素添加下高寒草甸养分循环及植物生长策略，对保护及恢复草地生态系统具有重要的意义。

1 材料与方法1.1 样地自然概况

研究地点位于青海大学三江源生态系统教育部野外观测站(33° 24′30″N，97° 18′00″E)，海拔高度为4 270 m，气候为典型的高原大陆性气候，年平均气温为-5.6℃～3.8℃，年均降水量为562.2 mm，年度降水主要分布在牧草生长旺盛的 7—9月份，约占全年降水的75%。该草地类型为矮嵩草(Kobresia.humilisClarke)+杂类草草甸，草场主要优势牧草是高山嵩草(KobresiapygmaeaClarke)，次优势种有矮嵩草、异针茅(StipaalienaKeng.)、珠芽蓼 (PolygonumviviparumL.)、雪白萎陵菜(Potentilla.niveaL.) 等。伴生植物包括羊茅(FestucaovinaL.)、垂穗披碱草(ElymusnutansKeng) 等。土壤为高山草甸土，土壤pH值为6.92，有机质含量2.36%，速效氮含量14.0 mg·kg-1，速效磷含量7.0 mg·kg-1，速效钾含量76.5 mg·kg-1。

1.2 试验设计

2020年6月25日，在称多县珍秦镇选择地势平坦、植被均匀有代表性的地段作为试验样地。选用尿素(为云南云天化牌尿素总氮≥ 46.4%)，进行随机区组试验，按照5个梯度进行施氮。根据德科加、芦光新等人在三江源区高寒草甸中研究发现氮素添加量为30 g·Nm-2时草地生产力最佳的研究成果为依据[14-15]，并结合试验区的现状。合理设置4个氮素添加水平15 g·Nm-2(N1)、30 g·Nm-2(N2)、45 g·Nm-2(N3)、60 g·Nm-2(N4)，换算为尿素添加量为32.60 g·m-2，65.22 g·m-2，97.83 g·m-2，130.43 g·m-2。每个处理3次重复，试验小区面积为20 m2(4 m×5 m)，随机排列。在每个小区将溶于1L蒸馏水的尿素均匀喷洒，对照(N0)也喷洒等量的水。

1.3 调查内容和方法

从2020年7月24日(生长初期)、8月25日(繁殖期)、9月23日(枯黄期)在试验区取样。采用样方法重复取样3次，取样面积为0.50 m×0.50 m。将样方内的所有植物齐地面剪下混合装入袋内。根系取样采用直径为0.03 m土钻，取0～20 cm的土样。各取5钻混合后放入网袋中，洗净。在上述各刈割样方内用内径0.03 m的土钻取0～30 cm土层土样，各样方重复3次。将取得的植物地上部分及根系置于烘箱内，65℃杀青30 min，然后在80℃下烘干。植物样品进行充分的混合并粉碎，经粉碎过的植物及土壤样品过2 mm网筛，装入自封袋标记好待用。

1.4 测定指标

测定植物地上部分及根系中的养分含量，全氮(Total nitrogen，TN)用凯氏定氮法测定；铵态氮(Ammonium nitrogen，AN)用靛酚蓝分光光度法测定；硝态氮(Nitrate nitrogen，NN)用分光光度法测定；速效氮(Available nitrogen，AVN)用碱解扩散法测定；有机碳(Organic carbon，OC)用重铬酸钾氧化外加热法测定；全磷(Total phosphorus，TP)用硝酸-微波消解钼蓝比色法测定；全钾(Total potassium，TPO)用火焰光度计法测定[16]。土壤自然风干并过筛后测定基本成分，土壤中测定的项目为全氮、铵态氮、硝态氮、速效氮、有机碳、全磷、全钾，测定方法与植物养分含量方法一致。

1.5 数据处理

统计分析采用spss22.0进行数据分析，利用Original作图。采用单因素方差分析(One-way AVONA)检验不同水平氮素添加下植物及土壤的养分的影响，并用LSD法进行多重比较；通过双因素方差分析(Two-way AVONA)生长期、氮素水平交互效应对养分的影响。用皮尔逊相关性分析土壤与各植物养分之间的相关性。所有数据均为平均值±标准误(Mean±SE)。

2 结果与分析2.1 氮素添加对植物地上部分养分的影响

由图1可知，氮素添加对植物地上部硝态氮、铵态氮、全钾、全磷含量在月际变化下存在显著影响，且交互作用显著(P<0.05)。在7—9月份铵态氮含量在N0，N1，N2处理下呈先增加后降低的趋势，硝态氮含量在N0，N1，N4处理下呈先增加后降低的趋势，全磷含量在N3，N4处理下呈先增加后降低的趋势，全钾含量呈增加的趋势。与N0相比，硝态氮含量7月份在N1，N2，N3处理下分别显著减少了79.12%，67.50%，52.23%，8月份在N2处理下显著降低了62.47%(P<0.05)；铵态氮含量8月份在N1，N2，N3，N4处理下分别显著增加35.49%，58.35%，63.97%，64.16%，9月份在N1，N2，N3，N4处理下依次增加43.87%，68.66%，85.94%，76.39% (P<0.05)；全钾含量 8月份在N3处理下显著增加了20.95%，9月份在N1，N2，N3，N4处理下依次增加8.53%，32.44%，35.49%，45.91% (P<0.05)；全磷含量在8月份N1，N2，N4处理下依次降低31.86%，21.26%，11.41%，在9月份N4处理下显著降低54.25% (P<0.05)。

氮素水平及月际变化对地上部全氮含量呈极显著的影响(P< 0.01)，但月际变化与氮素水平间的交互作用不显著。地上部全氮含量在7—9月份呈降低的趋势，但在N0，N1，N2，N3处理下呈增加的趋势。与N0相比，7月份在N1，N2，N3，N4处理下分别显著增加了73.86%，82.82%，101.81%，93.16%；8月份在N1，N2，N3，N4处理下显著增加了48.46%，57.11%，78.16%，94.50%；9月份在N2，N3，N4处理下显著增加了83.89%，118.06%，108.04%(P<0.05)(图1 g)。

但植物地上部有机碳、速效氮含量在氮素添加下无显著差异。随着月际变化植物地上部有机碳含量呈先增加后降低的趋势，地上部速效氮含量呈降低的趋势(图1c，图1 d)。

图1 氮素添加对植物地上部分养分的影响Fig.1 Effect of nitrogen addition on nutrients in above-ground plant parts注：图a～g表示在氮素添加下植物地上部分中铵态氮、硝态氮、速效氮、有机碳、全磷、全钾、全氮含量在不同生长期的变化，小写字母表示同一月份下不同氮素添加水平下养分含量差异显著(P <0.05)。图中右上角为重复测量方差分析的结果(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 氮素添加对植物根系养分的影响

由图2可知，与N0相比，在氮素添加下根系有机碳、硝态氮、铵态氮、速效氮、全磷、全钾含量均表现出差异不显著。在7—9月份植物根系铵态氮和有机碳含量呈降低的趋势，硝态氮、速效氮含量呈先增加后降低的趋势，全磷和全钾含量呈逐渐上升的趋势。

但在不同水平氮素添加下仅根系全氮含量显著差异(P<0.05)，且随氮素添加水平呈先降低后增加的趋势。与N0相比，7月份根系全氮含量在N4处理下显著增加了46.55%(P<0.05)(图2g)。

图2 氮素添对植物根系养分的影响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铵态氮、硝态氮、速效氮、有机碳、全磷、全钾、全氮含量在不同生长期的变化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 氮素添加对土壤养分的影响

由图3可知，不同月份下土壤铵态氮、全磷、全钾在氮素添加下差异极显著(P<0.01)。在7—9月，土壤铵态氮含量呈先降低后增加的趋势，土壤全磷含量在N0，N2处理下先增加后降低，在N1，N3，N4处理下呈增加的趋势，土壤全钾含量在N1，N4呈先增加后降低，在N0，N2，N3处理下呈增加的趋势。

图3 氮素添加对土壤养分的影响Fig.3 Effect of nitrogen addition on soil nutrients注：a～g分别为在不同氮素水平下土壤中全氮，铵态氮，硝态氮，速效氮，有机碳，全磷，全钾含量的在不同生长期的变化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

与N0相比，土壤铵态氮7月在N2，N3，N4处理下分别增加了27.41%，49.3%，23.52%；9月在N4处理下显著增加了26.77%(图3b)。与N0相比，土壤全磷8月在N2处理下显著增加了143.8%；9月在N1，N2，N3，N4处理下分别显著增加了166.67%，171.29%，177.07%(图3f)。与N0相比，土壤全钾9月在N1，N2，N3，N4处理下分别降低了22%，25.3%，13.8%，17.8%(图3 g)。

氮素水平及月际变化对土壤速效氮含量呈极显著的影响(P<0.01)，但月际变化与氮素水平间并无交互作用(图3 d)。土壤速效氮含量在7—9月份呈先增加后降低的趋势，但随氮素添加量增加呈增加的趋势。与N0相比，8月份各处理之间差异显著，含量依次增加了19.32%，13.12%，15.95%，23.49%；9月份在N4处理下显著差增加了13.98% (P<0.05)。在7—9月土壤有机碳含量呈逐渐增加的趋势，并在9月与N0相比，N1，N2，N4处理下分别差异增加了20.27%，19.12%，23.89%(图3e)。在不同水平氮素添加下土壤硝态氮含量显著差异(P<0.05)，且随氮素添加水平呈先增加后降低的趋势。与N0相比，土壤硝态氮8月份在N1，N2，N3，N4处理下分别显著增加了54.67%，15.51%，25.26%，20.02%(P<0.05)；9月在N2，N3，N4处理下分别显著增加了41.86%，103.68%，98.45%(图3c)。土壤全氮含量在氮素添加下差异显著，并在7月与N0相比，在N2处理下显著增加20.15%，在N1处理下显著降低8.06%。并随月际变化呈先降低后增加的趋势(图3a)。

2.4 土壤养分及植被养分间的相关性

在7月份STN与RTP呈显著负相关；SNN与PTN，PTPO呈显著正相关，与RAVN呈显著负相关；SAVN与POC呈显著正相关；RTP与STN，STP，STPO显著负相关(P<0.05)(表1)。8月PNN与STN，SNN，SOC呈显著正相关；PTPO与SNN呈显著正相关；STPO与PAN呈显著正相关，与PTPO呈显著负相关(P<0.05)(表2)。9月SAN与POC呈显著负相关；SNN与PTPO，RTP呈显著正相关；PTP与SAVN呈显著正相关，SOC与RTN呈显著正相关；STP与PNN呈显著正相关(P<0.05)(表3)。

表1 7月植物与土壤养分间的相关性Table 1 Correlation between plant and soil nutrients in July

表2 8月植物与土壤养分间的相关性Table 2 Correlations between plants and soil nutrients in August

表3 9月植物与土壤养分间的相关性Table 3 Correlation between plants and soil nutrients in September

3 讨论3.1 氮素添加下植物养分动态变化的影响

通过植物的养分含量能了解植物在一定生境条件下吸收养分的能力表现和在环境中的适应性，而植物养分变化由植物自身遗传因素、物候期及外界环境共同决定[17]。为适应外界环境变化植物各个器官都会随着生长阶段来调整植物体内营养的分配。在本试验中氮素添加后植物全磷、全氮、铵态氮、速效氮、全钾等养分含量都会随月际变化表现出不同的响应模式。具体表现为在生长季初期，植物地上部分需要大量的蛋白质和核酸，对氮磷的选择性吸收较多，因此全氮、速效氮、全磷的含量较高。在繁殖期，由于光合作用会促进碳水化合物的增加，有机碳含量也随着增加；到植物枯黄期，由于养分的回收使植物地上部分氮磷含量降低。这与刘万永等人在高寒沼泽草地的研究结果有所不同，主要由于两试验地气温及降水量存在差异，导致养分含量变化规律并不一致[18]。孙书存等人研究发现植物体内的钾元素在植物体内的移动性很大，在生长末期随着植物体内的溶液被转移到其他组织部位产生稀释效应，导致元素含量下降[19]。但在本研究中钾含量在植物生长期呈增加的趋势，可能是由于9月份时外界温度很低，植物生长会减缓，养分含量会升高[20]。本研究发现植物根系中的全磷和全钾含量会在枯黄期达到最大值，这与马文静等人在羊草和冷蒿中的研究一致[21]。随着植物逐渐枯黄衰老时养分会向储存器官运输转移，植物分配磷钾到根系中能加快根系及根茎的生长。本研究中植物根系氮、碳含量在生长初期最大。因为在前一年枯黄期植物地上部分养分会逐渐向根部转移，作为养分库为来年植物的生长提供所需的养分[22]。

在本研究中氮素添加会促进植物地上部分全氮、铵态氮、硝态氮、全钾、全磷含量的增加，这与王玲等人在环青海湖高寒草原的研究一致[23]。因为植物的主要功能性物质是氮和磷，很容易受外界环境的影响，外源氮素添加会提高土壤中供植物吸收利用的速效氮含量，植物体内较高的氮含量可促进对磷的吸收[24]。但氮素添加对植物地上部有机碳含量无显著影响，可能是由于有机碳是组成植物体内的结构性元素，在植物体内含量较高且不容易受到外界环境的影响[25]。本研究中氮素添加显著改变了根系中总氮含量，且随氮素添加水平呈先降低后增加的趋势。土壤氮素有效性等外在因子会影响根系对氮素的吸收，同时氮素添加会促进根系生长从而提高根系吸氮能力[26]。

3.2 氮素添加对土壤养分动态变化的影响

土壤作为草地生态系统重要的组成部分，为植物的生长及各种物质能量转化提供场所[27]。本试验研究发现土壤中铵态氮、全磷、全钾、速效氮均呈现出显著的动态变化特征，且在不同处理下表现出一定的差异性。本研究中氮素添加能提高土壤铵态氮、速效氮、全氮的含量，这与张金玲等人在贝加尔针茅草原中的研究一致[28]。可能是由于实验地寒冷的气候条件会降低土壤的矿化速率，而适当的养分添加会有效的解除土壤可利用性养分的限制，使土壤的速效氮含量提高[29]。本研究中发现氮素添加促进了土壤中全磷含量。这说明适宜的氮素添加能增加土壤全磷含量，氮素添加使植物群落组成发生变化，而导致土壤全磷含量分布上的差异[30]。但土壤磷受到气候、母质等多种因素的影响，加之施氮年限较短，并不能得出一致的结论。钾是土壤中常因供应不足而限制作物生长的主要营养元素之一[31]。本试验研究表明土壤全钾在整个生长期均表现为先升高后降低的趋势。土壤全钾基本全部来源于母质风化，而在土壤风化过程中温度变化起到重要的作用，土壤全钾会因生长期气温变化明显而影响其释放及运移[32]。

土壤有机质是土壤供氮的重要物质基础，是评价土壤肥力的重要指标之一，它会影响土壤物理、化学以及生物特性[33]。土壤有机碳在整个生长期均表现为增加的趋势，是因为随着植被地上部分的生长，植物凋落物的量及其碳氮含量也增加，归还到土壤表层中的养分也随之增加。氮素添加对各生长期土壤有机碳含量无明显影响，这与郑海霞在内蒙古典型草原的研究一致[34]。因为土壤有机碳的主要来源是植物凋落物及根系，短时间的氮添加处理并不会导致碳库的明显变化[35]。

3.3 植物与土壤养分间的相关性

陆地生态系统包括地下和地上这两个相对独立的部分，它们共同影响着陆地生态系统的功能，而根系是植物及土壤养分循环的重要区域，植物通过根系从土壤吸收养分，同时以分泌物和凋落物的形式将养分归还土壤[36]。植物与土壤养分含量之间存在或多或少的相关性。本研究中相关性分析结果表明土壤与植物部分养分间存在显著相关性，且显著正相关多于显著负相关。说明植物根系对土壤养分的吸收利用是土壤速效养分输出的主要途径，土壤作为植物生长的主要基质，不断地为植物的正常生理活动提供必要的养分，使得土壤与植物在养分供应与需求间通过动态交换达到并维持一个平衡的元素比[37]。本研究发现地上部硝态氮、速效氮、全钾、全磷含量与土壤养分间的关系会随月份变化相关性不同。这是由于植物在生长过程中会随着生长环境自然因素的变化以及本身的发育阶段而不断的调整对营养元素的需求，而土壤养分变化具有一定的滞后性[38]。

本研究发现在不同月份下植物与土壤养分间相关性并无一致规律。由于植物与土壤养分间的反馈关系复杂，受植物系统位置、生活史、土壤养分利用有效性、土壤动物、微生物的种类数量及活性等因素的影响[39]。首先，植物在不同生长期会随自身需求吸收养分；其次，凋落物、土壤理化性质、氮素添加等会影响土壤养分含量，而植被对不同养分的利用策略也会受到土壤的影响。

4 结论

外源氮素添加通过影响土壤养分进而改变植物吸收利用养分策略，改变高寒草甸植物及土壤的养分循环。在生长初期，植物吸收养分以供给自身生长需求，土壤养分会以稳定的养分含量来适应外界养分变化。在繁殖期，由于光合作用及植物生长速率加快植物养分含量会大幅度增加，而土壤养分含量会随氮素添加而改变，但受月际变化的影响较小。在枯黄期，由于养分回收使植物地上部分养分含量降低，而随着养分利用策略变化及凋落物分解会使根系及土壤养分含量会有一定程度的增加。植物与土壤养分间的反馈关系复杂，植物对养分的需求会随着在外界环境的影响及本身的生长发育阶段进行调整，而土壤养分月际变化并无一致规律，这就表明不同月份中土壤与植物间养分变化并不一定都具有相关性。