尽管管理措施旨在改善光照条件，但氮肥施用仍会导致放牧多物种牧场中的生物多样性随时间呈剂量依赖性下降

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nitrogen fertilization drives temporal dose-dependent diversity loss in grazed multispecies pastures despite management targeting light availability

本研究通过三年田间试验，评估氮肥输入对频繁放牧多物种牧草地物种多样性的影响，发现氮肥增加导致多样性显著下降，优势物种Cenchrus clandestinus竞争加剧，豆科植物减少，但中等氮肥水平下产量提升，高氮肥无进一步增产。管理策略需兼顾冠层结构调控与氮肥阈值控制。

　　本研究探讨了在频繁放牧的多物种草地中，增加氮肥施用量对植物物种多样性的影响。草地生态系统是地球上最重要的生态系统之一，它们不仅提供多种生态服务，还在经济上具有重要价值，尤其是作为放牧系统中的饲料生产来源。随着全球对畜牧业产品的需求持续增长，草地的生产力面临着更大的压力。然而，农业集约化往往导致生态系统变得简单化，通常由高产的单一作物主导，这种单一性依赖于外部投入，如氮肥。尽管氮肥的施用可以显著提高饲料产量，但其过度使用却带来了严重的环境问题，例如地下水污染和温室效应。

为了应对这些可持续性挑战，多物种草地系统逐渐受到关注，被视为传统高产单一种植系统的替代方案。研究发现，随着物种多样性的增加，陆地生态系统的多功能性也随之提升。例如，混合冠层的草地在应对极端干旱、维持饲料产量稳定性、减少氧化亚氮排放以及改善杂草控制等方面表现优于单一种植系统。此外，多物种草地还可能带来一系列农业优势，如提高动物性能、增加农场利润以及降低生产风险。其中，豆科植物在多物种系统中扮演着重要角色，因为它们可以通过共生固氮作用减少对合成氮肥的依赖，同时增强整个生态系统的生产力。

然而，尽管多物种草地系统被认为具有诸多优势，但在高强度管理的放牧系统中维持物种多样性仍然是一个挑战。氮肥的施用虽然有助于提高产量，但通常与生物多样性下降有关。大多数支持这一负面关系的研究来自于自然或未管理的草地，而针对人工草地的研究则较少。以往的研究大多比较了高度施肥的单一种植系统与低施肥但更复杂的混合系统，或者考察了在相同氮肥施用量下单一种植与混合种植的差异。这使得我们对不同氮肥施用量如何影响管理下的多物种草地的长期植被组成和多样性了解不足。

为了填补这一知识空白，本研究设计了一个为期三年的田间实验，重点考察了氮肥施用量变化对多物种草地物种多样性的影响。研究假设，即使草地被频繁放牧以维持冠层的光照条件，增加氮肥施用量仍会导致物种多样性的下降。这种下降可能是由于氮肥利用效率高的物种迅速吸收并利用添加的氮，从而压制了其他竞争较弱的物种。研究的目的在于确定氮肥施用量的变化如何影响频繁放牧条件下，多物种草地的植物多样性。

实验地点位于巴西圣卡塔琳娜州的乌德斯克大学农业兽医科学中心，该地区属于典型的Inceptisol土壤。土壤的化学分析结果显示，其pH值为6.0，有机质含量为4.3%，钾、磷、钙和镁等营养元素的含量也处于适宜水平。这为研究提供了良好的土壤基础，使得不同氮肥施用量对植物生长和竞争的影响能够被清晰地观察到。

在实验开始时，研究人员对草地的初始物种组成进行了评估。结果显示，较高的氮肥施用量（200和300 kg N/ha/year）下，豆科植物的比例相对较高，而Cenchrus clandestinus这一竞争性较强的草种在高氮条件下已表现出更高的比例。随着实验的进行，这些初始模式发生了变化：在高氮处理中，豆科植物的比例逐渐下降，而Cenchrus clandestinus则占据了更大的冠层面积。这一趋势表明，氮肥的增加可能促进了某些草种的生长，从而压制了豆科植物的生存空间。

研究结果表明，随着氮肥施用量的增加，Shannon多样性指数下降了7%-16%。这一下降主要归因于Cenchrus clandestinus的强势竞争。该草种在高氮条件下占据了超过70%的叶面积，从而抑制了其他物种的生长。与此同时，豆科植物的丰度显著减少，从100 kg N/ha/year时的18.3%下降到300 kg N/ha/year时的8.1%。尽管氮肥的增加在一定程度上提高了饲料产量，但当氮肥施用量达到300 kg N/ha/year时，产量的增长不再显著。这一发现揭示了氮肥施用量与产量之间的非线性关系，表明在一定范围内，氮肥的增加可以带来产量的提升，但超过这一阈值后，其效益可能不再明显。

研究还发现，最高氮肥施用量（300 kg N/ha/year）在实验的第一年就显著降低了多样性，而中等氮肥施用量（200 kg N/ha/year）则表现出多样性逐渐下降的趋势。这说明氮肥对多样性的影响不仅具有剂量依赖性，还表现出时间上的累积效应。这意味着，在管理多物种草地时，不能仅仅依赖于控制冠层高度以维持光照条件，还需要考虑氮肥施用量的长期影响。高氮处理虽然可能在短期内提高产量，但会对草地的生态平衡造成破坏，从而导致物种多样性的下降。

此外，研究还强调了放牧管理在维持草地多样性中的作用。频繁放牧可以通过减少植被高度，缓解光照竞争，从而降低某些优势物种的竞争力。然而，当草地受到高氮肥施用的影响时，氮肥利用效率高的物种可能迅速占据优势地位，从而削弱放牧管理对多样性的保护作用。这一现象表明，草地管理需要在氮肥施用量和放牧频率之间找到一个平衡点，以确保既能提高生产力，又能维持生态系统的多样性。

研究还指出，草地生态系统中物种多样性的维持涉及复杂的机制，包括营养可用性、光照竞争和放牧行为之间的相互作用。虽然氮肥的增加会促进植物生长并减少光照穿透，但放牧行为可以通过移除生物量来缓解这种竞争，从而为其他物种提供生长空间。然而，在高氮条件下，这种缓解作用可能不足以阻止优势物种的扩张。因此，为了维持草地的多样性，需要采取综合的管理策略，包括合理控制氮肥施用量、优化放牧管理以及选择具有不同生长策略的物种组合。

本研究的结果对可持续草地集约化具有重要的启示意义。传统的草地管理方法往往只关注冠层结构，而忽视了氮肥施用量对生物多样性的影响。然而，随着对草地多功能性的认识加深，越来越多的研究开始关注如何在提高生产力的同时保护生物多样性。本研究的结果表明，单纯依靠控制冠层高度并不能有效防止氮肥导致的多样性下降，因此需要在管理策略中考虑氮肥施用量的长期影响，并寻找适当的干预时机。

总的来说，本研究揭示了氮肥施用量与草地多样性之间的复杂关系。在频繁放牧的多物种草地中，即使采取了措施维持光照条件，氮肥的增加仍然会对物种多样性产生负面影响。这一发现强调了在草地管理中需要综合考虑氮肥施用量、放牧频率和物种选择等因素，以实现农业生产力与生态环境的和谐发展。同时，研究也为未来的草地管理实践提供了新的思路，即通过调整氮肥施用量和放牧管理策略，来平衡草地的生产力和多样性。