陳奇樂，李 智，李瑾璞，張美麗，張 利，王樹濤

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/國土資源學(xué)院，河北 保定 071000）

張北壩上草地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒草原南緣，是河北省草地資源最豐富的地區(qū)。近年來，由于過載放牧、氣候變暖等人為和自然雙重壓力的影響，使得壩上地區(qū)草地出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，造成草地生態(tài)環(huán)境惡化，已威脅到京津冀地區(qū)的生態(tài)平衡［1］。合理、平衡施肥是改良退化草地的重要措施之一，草地施肥能增加土壤表層土壤肥力，改善草地植物群落結(jié)構(gòu)，有助于草地生產(chǎn)力的恢復(fù)［2］。草地施肥作為一項退化草地改良技術(shù)，一直是國內(nèi)外草地改良研究的熱點［3］。陳合棉［4］在察北牧場研究了河北壩上地區(qū)天然打草地的施肥效果，結(jié)果表明施肥當(dāng)年牧草產(chǎn)里顯著增加。孟慶臣［5］在張北縣研究了壩上高寒干旱地區(qū)人工草地施肥試驗，結(jié)果表明持續(xù)施肥可以提高土壤后經(jīng)，從而提高干草產(chǎn)量。權(quán)國玲等［6］在壩上高原塞北管理區(qū)研究了NPK 配施對羊草草原草產(chǎn)量、土壤肥力及物種多樣性的影響，結(jié)果表明羊草地上生物量在N 56 kg/hm2、P 89 kg/hm2、K 34 kg/hm2、較不施肥顯著增產(chǎn)235.66%。還有一些研究，施肥可以通過改變土壤理化性質(zhì)進(jìn)而影響植物群落的生長環(huán)境，如潘慶民等［7］中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站研究了氮素對內(nèi)蒙古典型草原羊草種群的影響，結(jié)果表明氮素對羊草種群構(gòu)件的生物量分配有顯著影響，隨著氮素梯度的增加，羊草種群生物量向根莖的分配比例顯著降低，向葉片和根系的分配比例顯著提高。因此增加土壤肥料的投入，可以有效的提高草地土壤肥力，進(jìn)而提高草地生產(chǎn)力，提高草地草群密度和植被蓋度。本試驗在前人的研究的基礎(chǔ)上，以張北壩上典型羊草退化草地為研究對象，采用“3414”正交試驗設(shè)計，設(shè)置氮磷鉀3 因素4 水平的施肥試驗，研究施肥梯度與施肥類型對壩上草地生產(chǎn)力、群落結(jié)構(gòu)、物種豐富度與多樣性的影響，旨在為壩上退化草地合理施肥提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于河北省張家口市北部壩上高原區(qū)， 國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系張家口綜合試驗站（察北）地處內(nèi)蒙古錫林郭勒草原南緣，地理坐標(biāo)北緯41°31′～41°26′，東經(jīng)114°58′～115°08′范圍。海拔1 381.33 m，年均溫1.4 ℃，年均降水量340 ～450 mm，土壤以栗鈣土、草甸土為主［7］，pH 7.5 ～9.5，土壤有機(jī)質(zhì)含量2.5%左右，全氮 1.29 g/kg，速效磷35.87 mg/kg，速效鉀135.52 mg/kg。 該草地物種有羊草（Leymus chinensis）、針茅（Stipa capillata）、 冰 草（Agropyron cristatum）、 芨 芨 草 （Achnatherum splendens）等優(yōu)良牧草，伴有冷蒿 （Artemisia frigida）、黃花蒿（Artemisia annua Linn.）、白蓮蒿（Artemisia stechmanniana）、麻花頭（Serratulacardunculus）、柴胡（Bupleurum chinensis）、防風(fēng)（Saposhnikovia divaricata）、野韭（Angiospermae）、唐松草（Thalictrum aquilegifolium）、委陵菜（Potentilla chinensis）、香蠅子草（Silene odoratissima）等多種雜類草，其中羊草為建群種，占有絕對優(yōu)勢，試驗區(qū)見圖1。

圖1 試驗區(qū)地理位置圖Fig. 1 The geographical location of experimental site

1.2 試驗設(shè)計

采用“3414”最優(yōu)回歸設(shè)計，設(shè)置氮磷鉀3 因素4 水平試驗，共14 個處理，其中氮素N0、N1、N2、N3水 平 施 氮 量 分 別 為0.00、30.00、60.00、90.00 kg/hm2；磷素P0、P1、P2、P3水平施磷量分別 為0.00、45.00、90.00、135.00 kg/hm2； 鉀 素K0、K1、K2、K3水平施鉀量分別為0.00、20.00、40.00、60.00 kg/hm2。每個處理重復(fù)3 次，共計42個小區(qū)，田間設(shè)計采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)小區(qū)之間空1 m 隔離帶，小區(qū)面積為4 m×5 m。試驗開始于2019 年5 月中旬，施肥方式為人工撒施，施肥時間選擇在下雨天或下雨之前，以確保肥效。供試肥料氮肥為尿素（N 46%），磷肥為過磷酸鈣（P2O516%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 51%），具體試驗設(shè)計方案見表1。

表1 “3414”試驗設(shè)計方案和施肥量Table 1 The “3414” experimental design scheme and fertilizer quantity

1.3 樣品采集

于2019 年8 月中旬進(jìn)行樣品采集，每個小區(qū)隨機(jī)選取3 個標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查樣方（1.0 m×1.0 m），計數(shù)法測量樣方內(nèi)各種植物的密度，目測法測定樣方總蓋度，然后齊地刈割樣方內(nèi)植物地上部分，挑去雜質(zhì)，裝入信封，做好標(biāo)記，帶回實驗室，105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干24 ～48 h 至恒重，稱量草地地上生物量。

豐富度指數(shù)（Gleason index）、辛普森多樣性指數(shù)（Simpson index）、香儂威爾多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener index）和物種均勻度（Pielou index）進(jìn)行多樣性的測定［8-10］，計算公式如下：

Gleason 物種豐富度指數(shù)：

式中，S 為群落中的總種數(shù)，A 為樣方面積。

Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)：

式中，Pi是物種相對重要性，物種相對重要性的計算公式為：

式中，Wi是物種i 的個數(shù)，W 是樣方內(nèi)所有物種的個體數(shù)。

Shannon-Wiener 指數(shù)：

式中，Pi為屬于種i 的個體在全部個體中的比例。

Pielou 均勻度指數(shù)：

式中，H′是Shannon 指數(shù)S 是樣方內(nèi)的物種數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用SAS 軟件進(jìn)行差異顯著性方差分析（one-way ANOVA），采用Origin 2017 軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷鉀配施對草地植被生物量的影響

由圖2 可以看出，不同施肥處理下草地地上生物量有所不同，施用氮、磷、鉀肥后草地地上生物量均有所增加，與不施肥處理N0P0K0（CK）進(jìn)行比較，除施肥處理N0P2K2外，其他施肥處理草地地上生物量均顯著增大（P＜0.05）。草地地上生物量居前5 位的施肥處理依次是N2P2K2、N2P1K2、N1P2K2、N2P2K3、N2P2K1，分別比不施肥N0P0K0（CK）處理生物量提高85.70%、63.95%、62.02%、60.48%、59.39%。從單種肥料來看，磷、鉀肥固定單施氮肥處理N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，生物量分別 為182.55、252.52、289.43、240.69 g/m2，可 見隨著施氮量的不斷增加，草地地上生物量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在施氮N2水平下生物量達(dá)到最大，顯著高于其他施氮水平（P＜0.05）；氮、鉀肥固定單施磷肥處理N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2， 生物量分別為199.37、255.52、289.43、207.72 g/m2， 可見隨著施磷量的不斷增加，草地地上生物量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在施磷P2水平下生物量達(dá)到最大，顯著高于其他施磷水平（P＜0.05）；氮、磷肥固定單施鉀肥處理N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，生物量分別為202.68、248.41、289.43、250.11 g/m2，可見隨著施鉀量的不斷增加，草地地上生物量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，且在施鉀K2水平下生物量達(dá)到最大，顯著高于其他施鉀水平（P＜0.05）。因此，草地地上生物量對氮、磷、鉀元素的需求存在一個閾值，當(dāng)?shù)?、磷、鉀肥施用量分別達(dá)到60.00、90.00、40.00 kg/hm2時，草地地上生物量達(dá)到最大值，后隨施肥量增加生物量不在增加，反而有所減小。

圖2 氮磷鉀配施對草地生物量的影響Fig. 2 Effect of different NPK fertilizer combinations on the biomass of grassland

2.2 氮磷鉀配施對植被密度的影響

由圖3 可知，不同施肥處理草地植被密度有所不同，密度最高的施肥處理是N2P2K2，密度為748.67 株/m-2，密度最低的處理是N0P0K0，密度為596.00 株/m2。與不施肥處理N0P0K0進(jìn)行比較，施肥處理N2P2K2、N2P3K2、N3P2K2植被密度達(dá)到差異顯著性水平（P＜0.05），并且較空白分別提高25.62%、22.04%、21.25%，其他處理均未達(dá)到差異顯著性水平（P＜0.05）。根據(jù)氮肥施加來看，施肥處理N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，植被密度分別為630.67、635.33、748.67、722.67 株/m2，密度隨氮肥量增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，其中施氮N2水平顯著（P＜0.05）高于N0、N1水平，與N3水平相比不顯著；根據(jù)磷肥施加來看，施肥處理N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，植被密度分別為650.67、694.67、748.67、727.33 株/m2，密度隨施磷量增加呈現(xiàn)出先增后減趨勢，其中施磷4 個水平P0、P1、P2、P3相互之間差異不顯著；根據(jù)鉀肥施加來看，N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，植被密度分別為652.00、658.67、748.67、654.67 株/m2， 密度隨施鉀量增加呈現(xiàn)出先增后減趨勢，其中施鉀4 個水平K0、K1、K2、K3相互之間差異不顯著。綜合來看，施氮可顯著提高草地植被密度，而施磷、鉀對草地植被密度影響不顯著，施肥處理為N2P2K2時草地植被密度達(dá)到最佳。

圖3 不同NPK 配施對植被密度的影響Fig. 3 Effect of different NPK fertilizer combination on vegetation density

2.3 氮磷鉀配施對植被蓋度的影響

由圖4 可知，不同施肥處理草地植被蓋度有所不同，蓋度最高的施肥處理是N3P2K2，蓋度為80.00%，蓋度最低的施肥處理是N0P0K0，蓋度為52.00%。與不施肥處理N0P0K0（CK）進(jìn)行比較，施肥處理N2P1K1、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2、N3P2K2植被蓋度達(dá)到差異顯著性水平（P＜0.05），并且較空白分別提高41.03%、41.03%、41.67%、46.79%、53.85%，其他處理均未達(dá)到差異顯著性水平（P＜0.05）。根據(jù)氮肥施加來看，施肥處理N0P2K2、N1P2K2、N2P2K2、N3P2K2，植被蓋度分別為59.33%、67.00%、76.33%、80.00%，蓋度隨氮肥量增加呈現(xiàn)出增大的趨勢，其中施氮N3水平蓋度顯著（P＜0.05）高于N0、N1水平，與N2相比不顯著；根據(jù)磷肥施加來看，施肥處理N2P0K2、N2P1K2、 N2P2K2、N2P3K2，植被蓋度分別為60.33%、73.33%、 76.33%、73.67%，蓋度隨施磷量增加呈現(xiàn)出先增后減趨勢，其中施磷P2水平顯著（P＜0.05）高于P0水平，與P1、P3相比不顯著；根據(jù)鉀肥施加來看，施肥處理N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，植被蓋度分別為63.00%、64.00%、76.33%、63.67%，蓋度隨施鉀量增加呈現(xiàn)出先增后減趨勢，其中施鉀4 個水平K0、K1、K2、K3相互之間比較不存在顯著差異。因此，施氮，磷肥有助于提高草地植被蓋度，鉀肥對草地蓋度影響不顯著，施肥處理為N3P2K2時草地植被蓋度達(dá)到最佳。

圖4 不同NPK 配施對植被蓋度的影響Fig. 4 Effect of different NPK fertilizer combination on vegetation coverage

2.4 氮磷鉀配施對草地植物多樣性的影響

由表2 可知，不同施肥處理，草地植物多樣性指數(shù)有所不同，與不施肥處理N0P0K0（CK）進(jìn)行比較，其他處理物種豐富度指數(shù)均未達(dá)到差異顯著性水平（P＜0.05）；而N2P2K2、N2P3K2、N2P2K3、N3P2K2處理Simpson 指數(shù)顯著（P＜0.05）降低；N2P2K2、N2P3K2、N2P2K3、N3P2K2處理Shannon-Wiener 指數(shù)顯著（P＜0.05）降低，N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2、N2P2K3、N3P2K2處理Pielou 指數(shù)顯著（P＜0.05）降低。根據(jù)氮肥施加來看，施肥處理N0P2K2、N1P2K2、 N2P2K2、N3P2K2，Simpson 指數(shù)分別為0.469 7、0.315 8、 0.230 6、0.196 8，Simpson 指數(shù)隨氮肥量增加呈現(xiàn)出減小趨勢；Shannon-Wiener 指數(shù)分別為0.469 7、 0.315 8、0.230 6、0.196 8，Shannon-Wiener 指 數(shù)隨氮肥量增加呈現(xiàn)出減小趨勢；Pielou 指數(shù)分別為 1.028 8、0.677 1、0.500 3、0.447 6，Pielou 指數(shù)隨氮肥量增加呈現(xiàn)出減小趨勢；根據(jù)磷肥施加來看，施肥處理N2P0K2、N2P1K2、N2P2K2、N2P3K2，Simpson 指 數(shù) 分 別 為0.478 9、0.318 6、0.230 6、0.218 4，Simpson 指數(shù)隨施磷量增加呈現(xiàn)出減小趨勢；Shannon-Wiener 指數(shù)分別為0.478 9、0.318 6、0.230 6、 0.218 4，Shannon-Wiener 指數(shù)隨施磷量增加呈現(xiàn)出減小趨勢；Pielou 指數(shù)分別為0.987 1、0.684 3、 0.500 3、0.511 1，Pielou 指數(shù)隨施磷量增加大致呈現(xiàn)出減小趨勢；根據(jù)鉀肥施加來看，N2P2K0、N2P2K1、N2P2K2、N2P2K3，Simpson 指 數(shù) 分 別 為0.379 1、 0.318 8、0.230 6、0.251 4，Simpson 指數(shù)隨施鉀量增加呈現(xiàn)出先減后增趨勢；Shannon-Wiener 指數(shù)指數(shù)分別為0.379 1、0.318 8、0.230 6、0.251 4，Shannon-Wiener 指數(shù)隨施鉀量增加呈現(xiàn)出先減后增趨勢；Pielou 指數(shù)分別為0.697 8、0.777 7、0.500 3、0.550 7，Pielou 指數(shù)隨施鉀量增加呈現(xiàn)出先減后增趨勢。因此，隨氮磷鉀肥施用量增加草地植被物種多樣性顯著降低。

表2 不同NPK 配施對物種多樣性指數(shù)的影響Table 2 Effect of different NPK fertilizer combination on the species diversity index

續(xù)表：

3 討論

由于各地區(qū)草地土壤類型不同，不同施肥濃度對各地區(qū)草地生物量變化影響不同，所以對于施肥濃度高低的定義均是相對而言，并沒有一個界限［11］。寶音陶格濤等［12］對典型草原割草場施肥的研究顯示，氮素施用量為78 kg/hm2時對當(dāng)年草地地上生物量提高效果明顯，從內(nèi)蒙古西部到東部，適宜施肥量不同。權(quán)國玲等［13］對在內(nèi)蒙古南緣羊草草原 以“3414”方案進(jìn)行NPK 配施試驗的研究顯示，為不造成物種多樣性下降最佳的施肥量為氮素56 kg/hm2、磷素89 kg/hm2、鉀素34 kg/hm2。杜青峰［14］對內(nèi)蒙古錫林郭勒退化典型草原進(jìn)行研究，其結(jié)果顯示典型草原氮肥閾值在50 kg/hm2左右，即施氮肥量低于或高于50 kg/hm2時草地生物量均達(dá)不到最佳效果。何飛等［15］對黃淮海地區(qū)紫花苜蓿草田進(jìn)行氮磷鉀的“3414”施肥試驗，研究顯示黃淮海地區(qū)最佳施肥組合為施N 5.0 kg/hm2、P 30.0 kg/hm2、 K 180.0 kg/hm2。本研究中，氮磷鉀肥配施對草地地上生物量均有明顯的增產(chǎn)效果，隨著施氮、磷、鉀肥量的增加牧草產(chǎn)量呈現(xiàn)先增后減的趨勢，其中氮、磷、鉀肥的增產(chǎn)效應(yīng)從大小依次為N、P、K。當(dāng)?shù)租浭┯昧烤鶠橹械人綍r（N 60.00 kg/hm2，P2O590.00 kg/hm2，K2O 40.00 kg/hm2），草地地上生物量達(dá)到最大為289.43 g/m2，說明草地牧草產(chǎn)量對氮、磷、鉀元素的需求存在一個閾值。

楊路存等［16］以地處青海湖北岸三角城種羊場附近高寒退化的紫花針茅草原為對象，研究了施肥對植物群落蓋度、物種多樣性和植物類群的影響，研究顯示高氮肥和高磷肥均能較好的提高群落的蓋度，這與本文研究結(jié)果相一致，即施肥處理為N3P2K2時草地植被蓋度達(dá)到最佳。李祿軍等［17］對科爾沁沙質(zhì)草地群落物種組成和多樣性的影響研究顯示，施氮肥和氮磷肥混施均顯著減小了沙質(zhì)草地群落的Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)和物種豐富度。江小蕾等［18］對高寒草甸天然草地進(jìn)行了施肥、圍欄和放牧中牧和重牧的研究顯示，施肥使草地植物群落物種組成貧乏，群落結(jié)構(gòu)趨于簡單，物種多樣性減少。陳亞明［19］等對青藏高原東部邊緣的甘南高寒草甸進(jìn)行的施肥研究顯示，沿著施肥水平增加的梯度上，高寒草甸物種豐富度、Simpson 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)均顯著降低。本研究表明，施加氮、磷肥可顯著提高草地植被密度、蓋度，而鉀肥對兩者的影響不顯著，草群密度最高的施肥處理為N2P2K2，而蓋度最高的處理為N3P2K2，隨著施肥量的增加草地物種多樣性降低，這與段敏杰等［20］的研究結(jié)果相一致，其原因可能是因為施肥量增加，草地優(yōu)勢種生長能力增強(qiáng)從而在群落中占據(jù)主導(dǎo)地位。

4 結(jié)論

氮磷鉀配施可顯著提高草地牧草產(chǎn)量，隨著施氮、磷、鉀肥量的增加草地地上生物量呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)?shù)租浭┯昧烤鶠橹械人剑∟2P2K2）時，草地地上生物量達(dá)到最大，生物量為289.43 g/m2，即適宜壩上退化草地地上生物量的最優(yōu)氮磷鉀肥配施量為N 60.00 kg/hm2，P2O590.00 kg/hm2，K2O 40.00 kg/hm2；施加氮、磷肥可顯著提高草地植被密度，鉀肥對蓋度增加不顯著，并且隨施肥量增加密度呈現(xiàn)出先增后減趨勢；氮肥同樣促進(jìn)草地植被草地植被蓋度增加，磷、鉀肥對蓋度增加不顯著，并且隨氮、磷肥增加蓋度呈現(xiàn)出增加趨勢；隨施肥量的增加草地植被多樣性有所減低，因此，適當(dāng)增施氮磷鉀肥有利于壩上退化草地植被的修復(fù)。