北方沙区是我国重要生态屏障，对于保护区域生态环境、缓解全球气候变化有积极意义^[1]。内蒙古东部属半干旱地区，是从温带森林到草原的过渡带，在全球生态研究领域具有举足轻重的地位，但其生物多样性相对单一，自我调节能力差，是我国北方典型生态脆弱区^[2]。随着经济发展和城市化加速推进，众多生产建设工程在北方沙区展开。这些工程在带来经济利益和社会发展同时，也对生态环境造成了不可忽视的破坏^[3]。其中，输电线路是一种点、线兼具的建设项目，塔基建设过程中清表、开挖和回填等活动对原有植被、土壤结构和地形地貌等产生扰动，严重破坏区域生态环境^[4]。因此，塔基处植被恢复对于减轻输电线路工程带来的草地退化、土壤沙化和水土流失等问题，有十分重要的意义。

我国干旱和半干旱地区土质沙化、土壤养分贫瘠，是限制植物存活和生长发育的重要因子^[5]。输电线路工程对土层的破坏会改变土壤结构，使孔隙度减小、有机质含量降低、保水保肥性下降^[6]，进一步增加植被恢复难度。在立地条件较差区域，植被修复过程中配合施肥，能增加植被地上生物量，达到较好恢复效果。氮和磷是影响植物地上地下生理生态机制的重要营养元素^[5]。施氮肥会显著提高植物对磷肥和钾肥的吸收和利用效率，可以增加植被生物量和覆盖度^[6]，施磷肥也会促进株高增加^[7]。但施肥对于植物的生长效果要在植物种基础上考虑肥料本身施用量和施用方式。例如，在适宜氮肥施用量基础上，施磷肥可明显提高牧草粗蛋白含量和干草产量^[8]；氮磷钾不同施肥配比会影响植株增长速度、生物量及叶片养分含量^[9]。因此，针对因输电线路工程中塔基建设造成的植被和土壤破坏，有必要探讨怎样的施肥方式及用量能有效地促进植被快速恢复和生长。

以往对植被恢复情况的评估主要通过植物多样性、株高、生产力和营养品质等指标衡量^[8]，缺少对植物地下根系生长状况的研究。细根(直径 < 2 mm)是根系中代谢活性最强的部分，其初级生产力和周转量占全球陆地生态系统的22%，在养分和水循环方面发挥重要作用^[10]。细根性状在植物资源利用策略中起关键作用，直接影响根系吸收养分的能力^[11-12]。细根的比根长和氮含量随着土壤中氮的可利用效率提高分别呈降低和增加趋势^[13]；有些植物在受到磷限制时，会通过增加比根长提高磷的吸收效率。

施肥是促进输变电工程建设后生态恢复的重要措施之一。施肥过程中需注意养分的平衡和植物的需求，以确保最佳生长效果和环境保护目标的实现。本研究以内蒙古东部科尔沁右翼前旗输电线工程中的塔基为试验点，通过施加不同浓度的氮肥和磷肥，测定典型乡土草种披碱草(Elymus nutans)和羊草(Leymus chinensis)及豆科紫花苜蓿(Medicago sativa)株高、生物量及根系性状等指标，评估各种植物的生长状况，选取最佳施肥方式及用量，为内蒙古东部输电线工程生态脆弱区植被快速恢复提供技术参考。

研究区在内蒙古东部科尔沁右翼前旗(E 119°49′39″~122°49′16″，N 45°41′51″~47°01′36″)，位于兴安盟阿尔山和科尔沁右翼前旗境内，属北温带半干旱大陆性气候。工程沿线多年平均气温为3.0~5.8 ℃，多年平均降水量为416.1~469.3 mm，集中在为6—9月，占全年降水量的80%以上。土壤类型主要为栗钙土。植物以一年生和多年生草本为主，辅以灌木，如羊草、针茅(Stipa capillata)、披碱草、草木樨(Melilotus suaveolens)、狗尾草(Setaria viridis)、沙蒿(Artemisia desertorum)等。

2021年6月蒙东兴安中广核风电一期500 kV工程穿越科尔沁右翼前旗区域的塔基建成，每个塔基造成的植被破坏面积约为30 m×30 m范围的地面扰动，植被遭到严重破坏，并对塔基干扰区域土壤与未干扰区域土壤进行调查，干扰区土壤养分状况，如全氮、全磷、硝态氮、铵态氮和有效磷质量分数显著降低(表 1)。因此，急需在干扰区进行植被恢复，提高土壤养分。笔者选择相邻5个塔基干扰裸露区进行试验，根据对研究区原生植被群落调查，供试植物种子以乡土植物为主，包括披碱草和羊草。紫花苜蓿为豆科植物，后期可为其他植物生长提供持续的氮肥供应。干扰区内土壤有机质、速效氮和速效磷质量分数低于未干扰区，因此，需添加氮磷肥，促进植物快速生长，所需氮肥和磷肥分别为尿素(总氮≥46%)和过磷酸钙(含P₂O₅ 15%)。

表 1(Tab. 1)

表 1 塔基被干扰区与未被干扰区土壤理化性质 Tab. 1 Soil physicochemical properties of disturbed and undisturbed area near thetowers 土壤理化性质 Soil physicochemical property 被干扰区 Disturbed area 未被干扰区 Un-disturbed area pH 7.25±0.11 a 7.24±0.20 a 有机碳 Organic carbon/(g·kg-1) 10.68±2.75 a 11.39±3.08 a 全氮 Total nitrogen/(g·kg-1) 1.12±0.34 b 1.31±0.46 a 全磷 Total phosphorus/(g·kg-1) 0.24±0.08 b 0.31±0.09 a 硝态氮 Nitrate nitrogen/(mg·kg-1) 0.40±0.11 b 0.61±0.18 a 铵态氮 Ammonium nitrogen/(mg·kg-1) 0.66±0.20 b 0.75±0.14 a 有效磷 Available phosphorus/(mg·kg-1) 3.82±0.70 b 5.77±0.86 a 注：数值后相同字母表示无显著性差异(P≥0.05)。Notes：Values with the same letter indicate a non-significant difference.

表 1 塔基被干扰区与未被干扰区土壤理化性质 Tab. 1 Soil physicochemical properties of disturbed and undisturbed area near thetowers

试验采用完全随机区组设计，小区面积为24 m² (4 m×6 m)，小区间设置1 m缓冲区(图 1)。2021年10月播种，播种方式为条播，行间距为20 cm，依次种入3种草种，种植密度为20 kg/hm²，播种深度约为2~3 cm。试验共设置3个氮(N)水平处理：0(N0)、100 kg/hm²(N1)和160 kg/hm²(N2)，3个磷(P)水平处理：0(P0)、120 kg/hm²(P1)和180 kg/hm²(P2)。共9个处理，每个处理重复5次，共45个试验小区。样地周围设置围栏，防止动物破坏。各小区的磷肥在播种前行间开沟施入，氮肥施入总量的20%作为基肥，在返青后追加剩余氮肥，施肥后浇水。

图 1(Fig. 1)

NXy、PXy和HXy中N是施氮处理、P是施磷处理、H为N×P混合处理；X是施肥水平；y是处理重复。 In NXy, PXy and HXy, N refers to nitrogen addition treatment, P refers to phosphorus addition treatment, H refers to treatment of mixing nitrogen and phosphorus addition; X refers to the fertilization addition level; y refers to treatment repetition. 图 1 野外实验样地布设示意图 Fig. 1 Layout map of the study site in field

2023年9月，用直径3.8 cm土钻，在试验小区内随机取3钻0~20 cm土壤，混匀后过2 mm土筛。取部分新鲜土壤测定铵态氮、硝态氮和有效磷，其余土样风干测定pH、有机碳、全氮、全磷指标。土壤pH用酸度计测定，硝态氮和铵态氮用氯化钾浸提-分光光度计法测定，有效磷用碳酸氢钠浸提-扩散法测定，土壤有机碳用重铬酸钾氧化法测定，全氮用凯氏定氮法测定，全磷用氢氧化钠-钼锑抗比色法测定。

2023年9月，在每个小区内随机设置2个1 m×1 m草本样方，采集植物地上地下部分，并按物种分类装入信封，带到实验室，将根系洗净擦干后，测定各物种根系功能性状。根系用Epeon Perfection v850 Pro扫描仪扫描，并由WinRHIZO Pro 2020a分析根系形态性状，如细根长度(cm)、平均直径(mm)、体积(cm³)、表面积(cm²)等。扫描完成的根系以及地上样品在75 ℃条件下烘干至恒量，称量各部分干质量，获得地上和地下部分生物量。根系全氮和全磷测定方法同土壤。根系组织密度和比根长计算参考文献^[11]。

用Shapiro-Wilk normality test对数据进行正态分布检验，不符合正态分布的数据进行对数转换。采用双因素方差分析，分析不同梯度氮肥和磷肥添加对植物生物量、根系功能性状及土壤理化性质的影响。当氮肥和磷肥间没有交互作用时，用单因素方差分析和Tukey′s多重检验分析比较在每个氮肥添加水平下，磷肥对各响应变量的影响，以及在每个磷肥添加水平下，氮肥对各响应变量的影响。所有统计分析用R 4.2.2软件。以P < 0.05作为检验差异性的阈值。

施氮肥、磷肥以及两者交互作用对土壤pH、有机碳和铵态氮质量分数没有显著影响(图 2)。施氮肥能显著增加土壤中硝态氮质量分数(P < 0.01)，增加量分别为65.91%(N1)和38.64%(N2)。施氮肥和磷肥会改变土壤全氮和全磷质量分数，但两者交互作用对其无显著影响。而土壤中有效磷受到施氮肥、磷肥及两者交互作用的影响，施磷肥会增加土壤中有效磷质量分数，增加量分别为49.49%(P1)和48.24%(P2)；而施氮量过高，会限制土壤中有效磷增加(图 2)。

图 2(Fig. 2)

ns：没有显著影响；*P < 0.05，**P < 0.01，***P < 0.001；P0、P1和P2分别为0, 120和180 kg/hm2施磷水平，N0、N1和N2分别为0，100和160 kg/hm2施氮水平；H为氮磷肥交互作用。下同。 ns indicates non significance. *P < 0.05, **P < 0.01, ***P < 0.001. P0, P1, and P2 refer to 0, 120 and 180 kg/hm2 phosphorus addition, and N0, N1, and N2 refer to 0, 100 and 160 kg/hm2 nitrogen addition; H refers to interaction between nitrogen and phosphorus addition. The same below. 图 2 氮肥和磷肥施加对土壤理化性质的影响 Fig. 2 Effects of nitrogen and phosphorus fertilizers addition on soil properties

紫花苜蓿地上和地下生物量受到氮磷肥施及交互作用的影响(图 3)。当施磷肥为P0和P2时，施氮会增加紫花苜蓿地上和地下生物量，且在施N1和P2时，地上生物量和地下生物量最高，分别为23.80和851.76 g/m²；而当施加磷肥量为P1时，施氮肥对紫花苜蓿生物量无显著影响。披碱草地上生物量不受氮肥影响，施加磷肥量为P1时最大；氮肥和磷肥施用量分别为N2和P1时，披碱草地下生物量最高，为675.42 g/m²(图 3)。羊草地上和地下生物量受到氮磷肥施及交互作用的影响，且在N1和P1时地上和地下生物量最大，分别为77.73和268.86 g/m²(图 3)。

图 3(Fig. 3)

图 3 氮肥和磷肥施加对植物地上和地下生物量的影响 Fig. 3 Effects of nitrogen and phosphorus fertilizers addition on plant aboveground and underground biomass

植物根系形态性状在物种之间存在显著差异(P < 0.001)，在N0P0处理下，紫花苜蓿比根长和根直径最大，披碱草根组织密度最大。氮肥、磷肥以及交互作用对植物比根长均具有显著影响，施氮肥和磷肥都会显著增加植物根系比根长(图 4)。与N0处理相比，N1处理下的紫花苜蓿和羊草根系比根长分别增加19.17%和14.91%，N2处理下的披碱根系比根长增加25.48%；与P0处理相比，P1处理下的披碱草和羊草根系比根长分别增加14.91%和23.48%，P2处理下的紫花苜蓿根系比根长增加16.57%。根组织密度主要受到施磷处理影响(图 4)，与P0处理相比，P1处理下的紫花苜蓿和羊草根组织密度分别增加14.29%和15.34%，P2处理下的披碱草根组织密度增加17.00%。

图 4(Fig. 4)

图 4 氮肥和磷肥施加对植物根系形态性状的影响 Fig. 4 Effects of nitrogen and phosphorus fertilizers addition on plant root morphological traits

根系中氮和磷质量分数在物种之间存在显著差异(P < 0.001)。N0P0样方中，紫花苜蓿根系中氮质量分数最高，羊草根系中磷质量分数最高，分别为(23.59±2.08)和(1.45±0.58) g/kg(图 5)。3种草本根系氮质量分数主要受到施氮量的显著影响，其中，紫花苜蓿和羊草根系氮质量分数在N1下显著高于N0和N2(P < 0.01)，披碱草根系氮质量分数在N2下显著高于N0和N1(P < 0.001)。根系磷质量分数主要受到施磷量和氮磷交互作用的影响，与P0相比，P1下的披碱草和羊草根系磷质量分数分别增加23.67%和13.24%，P2下的紫花苜蓿根系磷质量分数增加21.28%。

图 5(Fig. 5)

图 5 氮肥和磷肥施加对植物根系氮和磷质量分数的影响 Fig. 5 Effects of nitrogen and phosphorus fertilizers addition on plant root nitrogen and phosphorus contents

氮肥和磷肥通过改变根系比根长、氮和磷质量分数来影响植物生物量，模型解释度为45.6%(图 6)。氮肥和磷肥显著促进植物根系比根长增加，增加的根系比根长可以直接影响地下生物量，也可以间接改变地上生物量。氮肥添加导致的根系氮质量分数增加(P < 0.001)，一方面会直接促进植物地上部分生长(P=0.002)，另一方面可以通过增加地下部分的生长(P < 0.001)来促进地上部分生长。此外，磷肥介导的根系磷质量分数增加(P < 0.001)会促进植物根系生物量(P=0.03)。

图 6(Fig. 6)

图 6 结构方程模型检验氮肥和磷肥施加通过根系途径影响植物生物量 Fig. 6 Structural equation modeling verifying the effects of nitrogen and phosphorus fertilizers on the plant roots and biomass

结果显示：氮肥和磷肥会促进草本植物恢复和生长，地上和地下生物量均有所增加，但每种植物所需最适氮肥和磷肥施入量不同。施氮磷量分别为100和180 kg/hm²时，紫花苜蓿地上和地下生物量达到最大值，施氮量增加反而限制植物生长(图 3)。由于紫花苜蓿能与固氮菌共生，导致施氮量对紫花苜蓿生长的影响一直备受争议。在甘肃地区，施肥量为103 kg/hm²时，紫花苜蓿生物量最大^[14]。在宁夏引黄灌溉区，施氮量为120 kg/hm²时，紫花苜蓿干草产量最高^[15]。紫花苜蓿的氮肥需求量与土壤水分密切相关，水分高时，根系生长会受到限制，使其对养分的吸收能力降低^[16]，就需要施更多氮肥促进植物生长。笔者研究所在区域土壤水分含量较低，所以不用施入过多氮肥即可供应紫花苜蓿利用。再者，土壤磷的有效性被认为是调控豆科植物生长的关键环境因子之一。本试验结果显示：磷肥添加增加土壤有效磷质量分数(图 2)。研究^[17]认为，磷肥添加量增加能使紫花苜蓿生物量增加，在高磷处理下效果更显。

羊草最适施氮磷量分别为100和120 kg/hm²(图 3)。研究^[18]表明，羊草生物量受到氮肥影响较大，会随着氮肥施入量增加呈先上升后下降趋势。同样，在本试验中施氮量超过100 kg/hm²时，羊草地上生物量和地下生物量会降低。氮磷配施对羊草增产效果最好，但是施入磷肥量较低(< 90 kg/hm²)时对羊草地上生物量的影响较小，主要由于磷肥多以非活性形态累积在地下，低磷水平不利于羊草对磷的吸收和利用^[19]。本试验也发现，施磷量过多会限制羊草生物量增加，可能过高磷浓度会限制羊草对氮的吸收，从而抑制生物量增加。

对于披碱草，有研究报道，在青海高寒草甸土地区磷肥增产效应高于氮肥^[20]，但也有研究表明披碱草为喜氮植物，对氮素变化的响应敏感程度高于其他禾本科植物^[21]，所以随着氮肥增加，地上和地下生物量也会随之增加。高寒区的研究表明氮磷肥配施能显著提高披碱草分蘖数、枝条数和株高，当氮肥和磷肥分别施用175 kg/hm²和135~180 kg/hm²时，有利于披碱草的生长^[22]。本试验也证明了氮磷配施对披碱草生长的促进作用(图 3)。

氮磷肥一方面可以增加土壤氮磷有效性来促进植物的生长，另一方面可以促进植物根系的生长及其对养分的吸收。根据对根系性状及其与氮磷施肥和植物生物量关系分析，发现氮磷施肥主要通过调控根系比根长、氮含量和磷含量来影响植物地上和地下生物量(图 6)。根系生态功能的稳定发挥主要取决于分布格局以及现存量，而土壤养分的改变会对其产生影响^[23]。与本研究相似，有研究显示，羊草地上生物量与叶片净光合速率和根系比根长呈正相关，地下生物量与根系磷含量呈正相关^[18]。根系比根长和组织密度是反应植物获取和吸收养分的重要指标，适量施磷能提高比根长和组织密度^[24]。本研究发现，氮磷施肥后植物比根长较不施肥植物均显著增加，并且通过增加植物地下生物量来促进植物地上部分生长，说明氮磷施肥可以增强植物根系伸长生长来扩大根系与土壤接触面积，提升水分和养分吸收效率，从而促进植物恢复和生长。

氮磷配施能促进塔基处植物的快速恢复和生长，植物地上和根系生物量均有显著增加，但不同植物对氮磷肥施入量的响应不同，有不同最适氮磷施加量。氮磷配施通过增加植物根系性状，如比根长、氮和磷质量分数来增加地下生物量，从而促进地上部分生长，说明适宜浓度的氮磷肥施加可显著促进根系对土壤养分的吸收和利用能力。因此，在选择植被恢复种时，应考虑不同植物种的最适氮磷肥施入量和成本预算，统一进行施肥管理。