草甸草原区退耕地的牧草-水分-氮肥耦合机制

【目的】通过在呼伦贝尔建植不同种植模式的人工草地,研究补水、施氮和牧草类型3个因素对人工草地群落生物量、植物营养成分和土壤质量的影响,旨在揭示呼伦贝尔地区退耕地人工草地的水肥耦合机制,筛选建植管理的最优模式。【方法】试验在呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站进行,2016年6月6日试验开始,设置3个因素试验,即牧草类型(Pasture)、施氮水平(Nitrogen)和补水处理(Irrigation)。牧草类型设紫花苜蓿单播(P1)、无芒雀麦单播(P2)、紫花苜蓿无芒雀麦1﹕1混播(P3)3个处理;施氮水平设不施氮(N0)、低氮(N1:75 kgN·hm^-2·a^-1)和高氮(N2:150 kgN·hm^-2·a^-1)3个水平,每年追施氮肥(化学纯尿素)两次分别于成苗(返青)期和分蘖期撒施;补水设不补水(I0)和补水(I1)两个水平,每年6、7、8月补水3次,补水20 mm·m^-2。重复4次,共计72个试验小区,每个试验小区面积7 m×10 m,行距1 m。在2016、2017年测定草地生物量、营养成分(植物粗蛋白、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维)以及土壤养分(土壤全氮、有机碳和pH)。【结果】(1)播种当年(2016年)的产量对(N)、(I)、(P)和(P×I)等试验因素的响应均达到显著水平(P<0.05),2017年两次测定的产量对(N)、(P)、(P×I)、(P×N)、(N×I×P)等试验因素的响应均达到显著水平(P<0.05),并且混播(P3)在不补水(I0)条件下低氮(N1)处理的产量显著高于其余处理组(P<0.05),平均达到17801.19 kg·hm^-2。(2)2016年和2017年的粗蛋白(CP)含量均表现为P1处理>P3处理>P2处理,2016年P1、P2和P3处理在补水条件相同时均表现为CP含量随着氮水平增加而增加,其中P1N2I0显著高于P1N0I0、P1N1I0、P1N1I1(P<0.05),达到最大(19.08%);2017年P3在I0条件下N1水平的粗蛋白(CP)含量(15.12%)显著高于N0(P<0.05)。(3)施氮和补水均倾向于促使土壤有机碳(SOC)含量负增长,全氮(TN)含量正增长,pH值负增长,其中表层土壤SOC增长量苜蓿和无芒雀麦显著高于混播(P<0.05),表层土壤全氮(TN)增长量苜蓿显著高于无芒雀麦和混播(P<0.05)。2016年表层和亚表层的土壤碳氮比(C/N)均高于2017年,表层平均高出17.39%,亚表层平均高出15.18%,表层土壤碳氮比的变化更为明显,其中表层土壤碳氮比2016年P1N0I1处理最高,为8.15,2017年P1N2I0处理最高,为5.67,亚表层土壤碳氮比2016年P1N2I1处理最高,为6.36,2017年P3N2I1处理最高,为5.67。【结论】在呼伦贝尔退耕人工草地在播种第二年,牧草-水分-氮肥的耦合作用对草地生物量具有显著影响,水氮耦合具有一定促进牧草的养分积累的协同效应,其中建植豆-禾混播草地最有利于提高牧草的生物量与营养品质。人工草地的建植会导致C/N降低,土壤品质下降,在不同牧草类型、补水及施氮水平下均会表现出0-20 cm土层SOC含量、pH值的降低以及土壤TN含量的上升,表明土壤出现酸化现象,豆-禾混播土壤pH值降低幅度小于单播,而高氮和补水会明显加剧土壤pH值的降低。