模拟增温和添加氮素对高寒草甸草地生产力影响的初步研究

第２３卷Ｖ０１．２３第２期

Ｎｏ．２

草地学报

ＡＣＴＡＡＧＲＥＳＴＩＡＳＩＮＩＣＡ

２０１５年３月

Ｍａｒ．２０１５

模拟增温和添加氮素对高寒草甸草地

生产力影响的初步研究

郭红玉１’２，德科加１’弘，芦光新Ｈ，王伟２

（Ｉ．青海大学，青海西宁８１００１６；２．青海省畜牧兽医科学院，青海西宁８１００１６）

摘要：为探索高寒草地植被对模拟增温和添加氮素的响应机制，通过在野外对高寒草甸进行模拟增温和硝态氮、铵态氮的氮素添加试验，研究模拟增温和添加氮素对高寒草地群落物种组成、生产力及土壤水含量的影响。结果表明：增温和添加氮素可显著增加植物地上总生物量、优良牧草地上生物量和植被平均高度（Ｐ＜ｏ．０５）。增温处理能增加植物种类，且有利于杂类草生物量的增加；对几种主要植物来说，增温施氮互作下植株高度高于其他处理，土壤ｏ～１５和１５～３０ｃｍ水分均先减少后增加，且都为不增温不施肥处理最高。可见增温施氮互作处理能够促进植被的生长，但不利于土壤水分的增加。

关键词：高寒草甸；模拟增温；施氮；群落特征；土壤水分

中图分类号：Ｑ９４８．１５７文献标识码：Ａ文章编号：１００７—０４３５（２０１５）０２—０３２２—０６

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ＧｒａｓｓｌａｎｄＰｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙｏｆＡｌｐｉｎｅＭｅａｄｏｗ

ＧＵＯＨｏｎｇ—ｙｕｌ”，ＤＥＫｅ－ｊｉａｌ＇２＊，ＬＵＧｕａｎｇ—ｘｉｎｌ＊，ＷＡＮＧＷｅｉ２

（１．ＱｉｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉｎｉｎｇ，ＱｉｎｇｈａｉＰｒｏｖｉｎｃｅ８１００１６，Ｃｈｉｎａ；

２．ＱｉｎｇｈａｉＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｎｉｍａｌａｎｄＶｅｔｅｒｉｎａｒｙＳｃｉｅｎｃｅ，Ｘｉｎｉｎｇ，ＱｉｎｇｈａｉＰｒｏｖｉｎｃｅ８１００１６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｒｅｓｐｏｎｓｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗｖｅｇｅｔａｔｉｏｎｔｏｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｗａｒｍｉｎｇａｎｄａｄｄｉｎｇｎｉｔｒｏｇｅｎ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｗａｒｍｉｎｇａｎｄａｄｄｉｎｇｎｉｔｒｏｇｅｎｏｎｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙｓｐｅｃｉｅｓｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｏｄｕｃ—ｔｉｖｉｔｙ，ａｎｄｓｏｉｌｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｎｄｅｒｆｉｅｌｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗａｒｍｉｎｇａｎｄａｄｄｉｎｇｎｉｔｒｏｇｅｎｃｏｕｌｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｔｏｔａｌａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｏｆｐｌａｎｔ，ｔｈｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｏｆｆｉｎｅｐａｓｔｕｒｅｓａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｈｅｉｇｈｔｏｆｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ（Ｐ＜Ｏ．０５）．Ｗａｒｍｉｎｇｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｓｏｆｐｌａｎｔｓｐｅｃｉｅｓａｎｄｗｅｅｄｂｉｏｍａｓｓ．Ｆｏｒｓｅｖｅｒａｌｍａｉｎｐｌａｎｔｓ，ｔｈｅｐｌａｎｔｈｅｉｇｈｔｏｆｂｏｔｈｗａｒｍｉｎｇａｎｄａｄｄｉｎｇ

ｎｉｔｒｏｇｅｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｗａｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｏｔｈｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ．Ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｆｉｒｓｔ，ａｎｄｔｈｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｕｎｄｅｒｂｏｔｈ０～１５ａｎｄ１５～３０ｃｍ．Ｔｈｅｓｏｌｌｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｗｉｔｈｏｕｔｗａｒｍｉｎｇａｎｄｎｏｎ－ｎｉｔｒｏｇｅｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｒｅａｔｍｅｎｔｒｅａｃｈｅｄ

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温室效应和全球气候变化问题已成为世界各国政府和公众的广泛关注的焦点。近５０年来中国年平均气温的升高主要以北方为主，其中东北北部、内蒙古以及西部盆地已上升了４℃以上［１］，而且由于人类活动干扰，大气氮沉降速度也在增加，全球每年氮沉降到各类生态系统的活性Ｎ已高达４３．４７Ｔｇ・Ｎ・ａ叫［２１，气候变暖和大气氮沉降已经得到了社会各界的普遍关注。温度升高对植物的影响可分直接影响和问接影响口’４］。直接影响指温度升高将改变植物的光合特性，影响植物的生长，从而改变植物的物候特征［５。８１；间接影响指改变植物的土壤特性，从而影响生物量的生产及分配、群落的结构和生物的多样

收稿日期：２０１４—０４—２１；修回日期：２０１４—０７—０２

基金项目：农业部公益性行业（农业）科研专项（２０１２０３００７）；国家自然科学基金“青藏高原草地耐低温纤维素分解真菌多样性研究”

（４１２６１０６４）；国家自然科学基金“三江源区退化草地‘黑土滩’植物功能群时空动态与模拟模型”（４１１６１０８４）；青海大学综合实力提升工程建设项目“高原生态修复国际合作创新团队”（４０５６０５０６０１）资助

作者简介：郭红玉（１９８９），女，陕西延安人，硕士研究生，研究方向为高原牧草遗传育种资源研究与利用；＊通信作者Ａｕｔｈｏｒｆｏｒｃｏｒｒｅ—ｓｐｏｎｄｅｎｃｅ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｋｊｄｅ５１２＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｒｎ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｑｘ７４＠ｑｑ．ｃｏｒｎ

第２期郭红玉等：模拟增温和添加氮素对高寒草甸草地生产力影响的初步研究３２３

性［９。１２｜。施肥不仅能显著增加草地初级生产力，而且能够改善草地植物的营养品质口…。因此在高寒草地施肥、封育和划破草皮３种改良措施中，施肥对草地可食牧草产量的增加最为显著［１４｜。肥料中氮是植物生长最重要的元素之一，同时也是全球生态系统物质循环的重要组成部分［１５｜。不同植物类型之间对氮素利用效率也不一样，添加的氮素只是通过提高植物群落中少数优势植物的优势度从而改变植物群落的结构。因此，研究模拟增温和氮素添加对植物群落及其生产力的影响对促进生态平衡的发展意义重大。

温室效应和氮沉降势必会改变生态系统的功能过程，从而影响天然草地植物群落生产力及改变植物群落的组成，增温、施氮素互作对青海三江源地区天然草地的影响也未见报道。为了研究模拟增温和氮素添加对高寒草地植被群落组成及生产力有效性的影响以及探索高寒草地植被对模拟增温和氮素添加的响应机制，本文将以三江源地区海拔４２００ｍ以上的高寒草甸天然草地为研究对象，在野外条件下研究模拟增温和添加氮素对草地群落生产力及群落组成的影响，为进一步研究温室效应和氮沉降对三江源区草地的影响提供理论依据。

１材料与方法

１．１试验区概况

试验区位于青海大学一清华大学三江源草地生态环境监测定位站（Ｎ３３。２４７３０”，Ｅ９７。１８’００”），海拔４２７０ｍ，为典型高原大陆性气候。年均气温５．６～３．８℃，全年只有冷暖季之别，年均降水量５６２．２ｍｍ，年降水主要分布在６—９月，约占全年降水的７５％。草地为轻度退化草地，草地主要植物组成有兔耳草（ＬａｇｏｔｉｓｒａｍａｌａｎａＢａｔａｌｉｎ）、高山嵩草（ＫｏｂｒｅｓｉａＰｙｇ—Ｉｎａｅａ）、委陵菜（ＰｏｔｅｎｔｉｌｌａｃｈｉｎｅｎｓｉｓＳｅｒ．）、唐松草（ＴｈａｌｉｃｔｒｕｍＬ．）、早熟禾（Ｐｏａａｎｎｕａｓｐ．）、垂穗披碱草（ＥｌｙｍｕｓＮｕｔａｎｓ）、马苋蒿（Ｐｅｄｉｃｕｌａｉｒｓｓｐｐ．）、线叶嵩草（Ｋｏｂｒｅｓｉａｃａｐｉｌｌｉｆｏｌｉａ）、异针茅（ＳｔｉｐａａｌｉｅｎａＫｅｎｇ）、棘豆（Ｏｘｙｔｒｏｐｉｓｓｐｐ．）、苔草（Ｃａｒｅｘｓｐｐ．）、洽草（Ｋｏｅｌｅｒｉａｃｒｉｓｔａｔａ）等。

１．２试验材料

氮素用铵态氮（（ＮＨＩ）：８０４）和硝态氮（ＮａＮ０３），施氮量确定为３０ｇｍ；在前期研究基础上确定铵态氮和硝态氮含量比例为３：７，分别为４２．４９，１２３．５ｇ・ｍ，其中（ＮＨ。）：Ｓ０４中Ｎ的分子含量为２１．１８％，ＮａＮＯａ中Ｎ为１７％；增温设施：开顶式温棚。

１．３样地设计

自２０１３年起，课题组建立了模拟增温和添加不同形态氮素的野外试验平台，采用基于国际冻原计划（ｉｎ－ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｔｕｎｄｒａｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＩＴＥＸ）的模拟增温（ＯＴＣ）方法，在典型的高寒草甸建立增温试验样地，样地地势平坦，植物分布相对均匀，并用围栏封闭，在试验样地内设置开顶式温棚（图１），温室外未做任何处理的样地为对照（ＣＫ）。试验分增温施氮（Ａ）、增温不施氮（Ｂ）、不增温施氮（Ｃ）和不增温不施氮（Ｄ），每个处理设３个重复，共１２个小区，小区面积２ｍＸ２ｍ。

图１圆台形开顶式温棚示意图

Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｏｐｅｎｔｏｐｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅｓ１．４试验方法

植物群落结构调查：采用相邻格子样方的测定方法，基本的最小格子单位为５ｃｍＸ５ｃｍ，共１００个小格子；然后利用针刺法观测与每个格子的左上交叉点相接触的植物，并按顺序记录下每种植物出现的位置、次数、高度和盖度，在试验地不同处理的小区内随机选取样（离开样区边缘５０ｃｍ以上），样方面积为０．５ｍｘ０．５ｍ。对每个样方分别进行群落学调查，按植物经济类群的划分为禾本科、莎草科、杂类草。记录每个样方内的植物种类和株高。然后，将样方内的植物分种齐地面剪下装进信封并称其鲜重，然后带回实验室置于烘箱内，１０５℃杀青３０ｍｉｎ，然后在７５℃温度下烘２４ｈ后称干重，计算植物地上生物量。

测定土壤水分用ｏｎｓｅｔ公司生产的ＨＯＢＯ温湿度测定仪，每个处理小区不同土层深度随机安装１组测定土壤温湿度的探头，探头的埋设位置分别在地表下１５和３０ｃｍ处，用笔记本电脑采集数据。

１．５数据处理

用Ｅｘｃｅｌ２００７整理和计算数据，用ＳＰＳＳ１７．０进行统计分析，用Ｄｕｎｃａｎ检验进行差异显著性分析。