單播與混播下紫花苜蓿與無芒雀麥生物量對氮肥的響應

謝開云，李向林＊，何峰，萬里強，王棟，秦燕，余群

（1．中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京100193；2．蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

豆科和禾本科牧草的混播草地，以其較高的生產力、較好的營養搭配和經濟有效的氮素來源而長期受到人們的重視。多年生禾本科和豆科牧草的混播人工草地，不僅可以提高單位面積的產草量和蛋白質含量［1－4］，還能增加土壤中的氮素養分，提高土壤肥力［5－7］，減少工業氮肥的施用［8］，使得生產成本降低［9］，環境污染更少。更重要的是，豆科植物可以通過自身根瘤菌固定空氣中的氮素，其固定的氮素除了一部分供自身生長需要，還可以為混播草地中伴生的禾本科牧草提供氮素營養。盡管豆－禾混播草地表現出眾多優越性，但這種優越性能否在生產實踐中持續存在，是豆－禾混播草地能否發揮優良生產性能和生態穩定性的基礎。禾草與豆科牧草之間存在著養分、水分、光照和空間等資源方面的競爭，競爭的結果將出現一方逐漸消退，另一方逐漸占據優勢的現象［10］。在豆禾混播草地中，氮素在平衡禾本科牧草和豆科牧草競爭力中發揮重要作用［11］。2種牧草混播時，隨著土壤有效氮的變化，在豆禾混播草地中豆禾牧草生物量也隨之發生變化［12］。目前，現有的文獻已經證明了禾草生物量與土壤有效氮含量具有正相關關系［12］，但是仍然不能確定豆科牧草的生物量是否和氮肥梯度之間具有一致性和同步性。在國內對混播草地的研究主要集中在混播草地品種搭配、混播比例、種植方式以及混播的群落特征等方面的研究上［13－14］，而關于混播中豆科和禾本科牧草對氮素的響應機制的研究甚少。因此，本實驗通過溫室大棚栽培試驗，采用了在整個牧草生育期內動態取樣的方法，研究不同氮肥梯度下無芒雀麥（Bromusinermis）與紫花苜蓿（Medicagosativa）在單播和混播模式下的地上和地下生物量響應機制，以便為今后牧草栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

供試材料為無芒雀麥和紫花苜蓿（三得利品種），由北京百綠公司提供。試驗所采用的容器為塑料桶，直徑29cm，高度35cm，裝風干土22kg／盆。

供試土壤為粘土，取自北京郊區廢棄地0～35cm，土壤田間持水量為26．04%，容重為1．28g／cm3。理化性質為：土壤有機質9．18g／kg，pH 值為7．68，全氮0．778g／kg，堿解氮57．25mg／kg，硝態氮24．89mg／kg，銨態氮5．04mg／kg，全磷0．69g／kg，速效磷11．70mg／kg，全鉀18．96g／kg，速效鉀113．32mg／kg。

供試肥料：磷肥為化學純過磷酸鈣（P2O5為14%～15%），用量3．52g／盆；鉀肥為分析純硫酸鉀（K2SO4≥99．0%），用量1．21g／盆；磷肥和鉀肥均在播種之前與基質土混勻。微肥施用硼砂（計2．5kg B／hm2），硫酸鋅（1 kg Zn／hm2），鉬酸銨（0．2kg Mo／hm2），配成溶液均勻地淋撒在基質土壤中。氮肥為標記15N 尿素（購于上海化工研究院）。用分析天平稱Xg豐度為10% 的15N標記尿素CO（15NH2）2并溶于100mL無離子水中，將此溶液澆到花盆基質上，混合均勻，使其標記肥滲入土壤。每盆用黑色的塑料紙附在表面避免氮素的揮發。

1．2 實驗設計

實驗采用二因素完全隨機區組設計，氮肥因素設置0，75，150kg N／hm2三個水平，分別記作N0、N75、N150。播種方式為無芒雀麥單播，紫花苜蓿單播，紫花苜蓿和無芒雀麥混播，記作G－G，L－L，G－L，共9個處理。設置12個重復區組。每盆定4株，單播時等距分布，混播時豆禾1∶1保持對角分布。

利用土壤含水量測定儀（WET Sensor HH2）測定混播中的土壤表層8cm的體積含水量，均值低于15%時，對所有處理澆1500mL自來水。對每盆內雜草和病蟲害進行嚴格控制。

1．3 測定指標與方法

生物量測定：分4次刈割（2013年4月5日，5月25日，7月6日和8月17日），稱其鮮重，混播時分離無芒雀麥和紫花苜蓿，并在65℃烘箱內烘至恒重，測定紫花苜蓿和無芒雀麥地上干物質重量；然后在每次刈割后隨機取3個重復區組（取樣3次，分別在4月5日，5月25日和8月17日，其中7月6日未取根），分離每盆中無芒雀麥和紫花苜蓿的根系，用水沖洗干凈，在65℃下烘箱內烘至恒重，測無芒雀麥和紫花苜蓿的地下干物質重量。

1．4 數據統計與分析

采用GraphPad Prism 5軟件作圖，SAS 9．0軟件進行統計分析。用單因素方差分析法分析3個氮肥梯度對無芒雀麥和紫花苜蓿單播和混播下地上和地下單株生物量和總生物量的差異顯著性。用配對法T檢驗來分析混播與單播下無芒雀麥單株生物量和總生物量以及紫花苜蓿的單株生物量和總生物量差異顯著性。

2 結果與分析

2．1 施氮對地上生物量的影響

不論是單播還是混播，無芒雀麥的單株地上生物量都隨著施氮量的增加而極顯著增大（P＜0．0001，圖1和表1）。但紫花苜蓿與之不同，在相同的條件下，隨著施氮量的增加，除在混播下第2次取樣的紫花苜蓿單株地上生物量顯著減低（P＜0．05，圖1和表1）之外，其他3次刈割時紫花苜蓿的單株地上生物量單播和混播無顯著差異（P＞0．05，圖1和表1）。在混播中紫花苜蓿的單株地上生物量隨著施氮量增加顯著減低的原因是因為無芒雀麥的單株地上生物量顯著的增加（圖1），在空間和養分的獲取上具有競爭優勢。就混播來講，在整個取樣過程中，隨著生育期的推進，無芒雀麥的單株地上生物量逐漸下降，且施肥量越大，單株地上生物量也越大。相反，紫花苜蓿的單株地上生物量逐漸增加，施肥量越大，其值越小（圖1）。

除最后1次（P＞0．05）刈割外，無芒雀麥單株地上生物量在混播時顯著高于單播（P＜0．05）。相反，紫花苜蓿的單株地上生物量單播顯著高于混播（P＜0．05，圖1和表2）。

在3個氮肥梯度下，G－G地上總的生物量4次取樣平均值分別為36．26，53．36，62．30g／盆；L－L分別為62．96，66．51，66．25g／盆；G－L分別為51．62，59．49，66．62g／盆；顯而易見，G－L總的生物量介于 G－G和L－L生物量之間，但高于G－G和L－L的平均生物量（分別為49．61，59．94，64．27g／盆）。另外，G－G，G－L和L－L的總生物量的相對大小在整個生育期總是處于動態的變化中。如，在第1次取樣時，G－G總的地上生物量和G－L總的地上生物量極顯著地高于L－L總的生物量（P＜0．01）。在隨后的4次取樣中，L－L總的生物量顯著高于G－L總的生物量（P＜0．01），也顯著高于G－G總的生物量（P＜0．01，圖2和表2）。

圖1 不同施氮量對單播與混播模式下無芒雀麥和紫花苜蓿單株地上生物量的影響Fig．1 The effect of different N application rate on smooth brome and alfalfa single plant above－biomass in monoculture and mixture

圖2 不同施氮量對單播與混播模式下無芒雀麥和紫花苜蓿總地上生物量的影響Fig．2 Effect of different N application rate on total above－biomass of smooth brome and alfalfa in monoculture and mixture

2．2 施氮對地下生物量的影響

單播時，隨著氮肥施入量的增加，無芒雀麥的單株地下生物量在第1次取樣時極顯著增加（P＜0．01），而第2次（P＞0．05）和第3次取樣差異不顯著（P＞0．05）。混播時均無顯著差異（P＞0．05）。而對紫花苜蓿來講，不論是單播還是混播，隨著施氮量的增加，紫花苜蓿的根系生物量無顯著差異（P＞0．05，圖3和表3）。

表1 單播與混播下地上生物量方差檢驗Table 1 The results of variance analysis of above－ground biomass in monoculture and mixture

表2 單播與混播下地上生物量的 T檢驗Table 2 T－test results of above－ground biomass in monoculture and mixture

前2次取樣時，無芒雀麥單株地下生物量混播時顯著高于單播（P＜0．001），而第3次取樣單播與混播下單株地下生物量均無顯著差異（P＞0．05，圖3和表4）。主要原因可能是：1）由于植物對土壤氮素的消耗，土壤中氮素逐漸減少，無芒雀麥沒有了競爭優勢。2）由于紫花苜蓿的地下生物量增加擠占了無芒雀麥的空間，導致無芒雀麥的地下生物量下降。與無芒雀麥不同的是，紫花苜蓿的單株地下生物量單播顯著高于混播（P＜0．01）。

圖3 不同施氮量對單播與混播模式下無芒雀麥和紫花苜蓿單株地下生物量的影響t of different N application rate on smooth brome and alfalfa single plant below－biomass in monoculture and mixture

表3 單播與混播中地下生物量方差分析檢驗Table 3 Results of variance analysis of below－ground biomass in monoculture and mixture

從3次取樣來看，G－G的總地下生物量與G－L的總地下生物量無顯著差異（P＞0．05）。但L－L的總地下生物量極顯著低于G－G總的地下生物量（P＜0．001），也極顯著低于G－L的總地下生物量（P＜0．001，圖4和表4）。

3 討論

在草地生態系統中，氮素是牧草產量的一個重要的限制因子。而氮肥的施用是提高牧草產量的有效手段之一，有關氮肥對牧草產量影響的報道已有很多。一般來說，土壤中有效氮的含量總是不能滿足禾本科牧草高產需要的，即使土壤中有機態N的含量較高或很高，但往往受到微生物的分解和礦化作用的限制，有效氮仍感不足。因而，要獲得禾草的高的生物量和氮產量，在牧草生長期施氮肥是非常必要的。另外，禾草對有效氮的競爭勝過豆科植物［15］，施氮能顯著的增加禾本科牧草的產量，這一結論在本實驗中也得到了驗證。很多關于施氮肥對紫花苜蓿的影響的研究得出不同的結論。爭議的焦點主要集中在三方面：一方面認為苜蓿在幼苗階段或刈割以后，根瘤菌的固氮作用比較弱，苜蓿需要從土壤中吸收大量的礦質氮以滿足其生理需求，此時施入氮肥會顯著提高苜蓿的產量［16－17］。另一方面則認為，苜蓿具有共生根瘤菌，能固定空氣中的氮素足以滿足自身需求，因此不需要施入氮肥［18－19］。施氮對苜蓿產量不但沒有增產作用，反而會抑制其生長［20－22］，理由為對苜蓿草地施入氮肥，增大了對氮肥敏感的禾草類雜草入侵的機會。第三方面認為施氮肥對苜蓿無顯著效應，通常是由于土壤供氮能力、pH值、根瘤的有效性、雜草防治等方面的差異所致［23］。Jenkins和Bottomley［16］開展的苜蓿施氮肥試驗，分別在播種時、第1次刈割和第2次刈割后分3次施入230kg／hm2氮肥，結果顯示第1茬和第2茬刈割產量施氮與不施氮無顯著差異，而第3茬刈割產量差異顯著。主要是因為土壤氮和根瘤固氮能夠滿足苜蓿前2茬的生長需求，而第3茬草生長時根瘤固氮能力減弱，需要額外施加氮肥。而郭海明等［24］對苜蓿與禾草混播草地進行氮肥試驗，研究指出施氮肥只能增加禾草的產量，而不能增加苜蓿的產量，施入過多的氮肥，可能促進禾草的競爭力，導致混播草地中苜蓿的生物量下降，這與本實驗結論一致。

圖4 不同施氮量對單播與混播模式下無芒雀麥和紫花苜蓿總的地下生物量的影響ect of different N application rate on total below－biomass of smooth brome and alfalfa in monoculture and mixture

表4 單播與混播下地下生物量T檢驗Table 4 T－test results of below－ground biomass in monoculture and mixture

氮肥對豆禾混播系統的影響是一個復雜的過程。在養分競爭方面，禾草需氮／豆科供氮這一關系與其他因子的競爭關系不同，禾本科牧草和豆科牧草對氮素沒有明顯的競爭性［25］。把每盆中4株植物與盆內土壤的組合看作是一個微小的生態系統，在無芒雀麥或者紫花苜蓿的單播中只有種內的競爭，而在無芒雀麥和紫花苜蓿的混播中不但有種內的競爭也存在種間競爭。無芒雀麥的單株地上生物量在單播時平均為3．18g／株，在混播時平均為5．25g／株，在混播中是單播中的1．65倍；而紫花苜蓿單株地上生物量在混播中平均為2．16g／株，在單播中平均為4．08g／株，混播只有單播的53%。另外，無芒雀麥的根系干物質重量在單播時平均為10．96g／株，而在混播中平均為17．85g／株，是單播的1．69倍；相反，紫花苜蓿的根系干物質重量在單播系統中平均為4．35g／株，在混播中平均為2．15g／株，僅為單播的49．4%。總之，無芒雀麥的單株生物量在混播模式下顯著高于單播，而紫花苜蓿的單株生物量在混播模式下顯著低于單播。這是因為豆科和禾本科牧草生態位具有差異［26］。在一定的生長空間內，它們之間的競爭優勢主要表現為根系對土壤養分和空間的競爭。混播效應的主要有3種結果：積極的促進作用，消極的抑制作用，無效應［27－28］。在這個系統中對于無芒雀麥而言，混播效應表現為積極的促進作用。而紫花苜蓿卻相反，種間競爭要大于種內競爭，混播效應表現為消極的抑制作用。但是在這一過程中無芒雀麥的混播優勢是否得益于：1）無芒雀麥在與紫花苜蓿的混播中具有較強的競爭力。2）在與紫花苜蓿的混播中是否得益于紫花苜蓿的生物固氮及轉移，這需要再進一步的研究。但是，可以確定的是紫花苜蓿的生物量在單播中顯著高于混播是由于在混播中無芒雀麥對其的抑制作用要大于它的種內抑制。

豆科植物和非豆科植物間作時，豆科植物的生長和產量都將增加，豆禾間作的生產力要高于兩種豆科或者2種非豆科間作［29］。但Sturludóttir［30］研究表明，大多數的混播產量都達到了單播平均值的1．7倍，高產單播種的0．88倍。正如Trenbeith［31］報道的混播草地的產量一般都位于2種單播模式產量的均值之上，本研究結果為混播的產量都會小于高產單播的產量，但是會高于2種牧草單播的平均值，這和Cardinale等［32］分析了44個混播實驗得出的結論一致。相比較單播的草地，有豆科參與的混播草地在資源利用上的互補性增加了總的生物量，尤其是根系生物量［33］。本研究結果為無芒雀麥的根系生物量在混播中比單播中要高，但是紫花苜蓿卻相反，它表現為在單播中的生物量要比混播中高。另外，研究中發現，紫花苜蓿對氮肥沒有強烈的競爭，但也有研究認為紫花苜蓿對氮具有強烈的競爭［34－35］。

從整個取樣的過程來看，土壤中礦質氮肥的施入促進了混播中無芒雀麥的生物量的增加，并競爭有效資源（包括養分和空間）限制了紫花苜蓿的生長［12，36－39］。隨著生育期的推進，土壤中的氮素逐漸減少，混播中的無芒雀麥的競爭優勢逐漸下降，而紫花苜蓿的生物量逐漸增加［11］，這一現象在圖1中可以得到證實。由此可見，在無芒雀麥和紫花苜蓿的混播中，無芒雀麥和紫花苜蓿的生長處于動態的消長中，這種變化是通過土壤無機氮的水平來調控。土壤中高的無機氮含量增強了無芒雀麥牧草的競爭力，間接地抑制了紫花苜蓿的生長，在圖1中可見；相反，土壤中無機氮含量低，禾本科牧草沒有了競爭優勢，豆科牧草會在混播草地中占優勢。

4 結論

1）在單播時，無芒雀麥對氮肥的響應較敏感，施入氮肥顯著的提高無芒雀麥的生物量，而對紫花苜蓿的生物量無顯著的影響。在混播時，無芒雀麥對有效氮的競爭勝過紫花苜蓿，施氮能顯著的增加混播中無芒雀麥牧草的生物量，間接的抑制了紫花苜蓿的生物量的發展。

2）在混播系統中，無芒雀麥混播效應表現為積極的促進作用。而紫花苜蓿卻相反，混播效應表現為消極的抑制作用。

3）無芒雀麥和紫花苜蓿混播的生物量介于它們單播時生物量之間，卻高于它們單播時生物量的平均值。

4）在無芒雀麥和紫花苜蓿的混播中，無芒雀麥和紫花苜蓿的生長處于動態的變化中，這種變化由土壤無機氮的水平來調控。

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