水磷供應對柳枝稷和達烏里胡枝子生物量、水分利用效率及種間關系的影響

劉金彪， 王世琪， 康繼月， 徐炳成,*

(1. 西北農(nóng)林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2. 中國科學院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

在黃土丘陵半干旱區(qū)，建立人工草地不僅可彌補天然草地供應家畜飼料產(chǎn)量的不足，也是恢復退化生態(tài)系統(tǒng)功能和改善生態(tài)環(huán)境的重要措施之一[1-2]。然而人工草地的生態(tài)與經(jīng)濟效益受到土壤水分和養(yǎng)分條件的制約。降水量低且時空分布不均是黃土丘陵半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境的一個重要特點，頻繁的干旱不僅會限制人工草地生產(chǎn)力，還影響群落中植物種間關系[1-2]。此外，由于長期的淋溶、徑流和風蝕等，該區(qū)土壤有效氮、磷含量低[3]。人工草地建立后，土壤氮的有效性隨著腐殖質(zhì)的積累而逐漸提高，而土壤有效磷含量增加緩慢甚至呈減少趨勢，導致該區(qū)土壤有效磷含量長期處于較低水平[4-5]。適當施磷是緩解土壤磷缺乏的主要措施，有利于提高人工草地牧草的產(chǎn)量與品質(zhì)和促進穩(wěn)定人工草地建設與可持續(xù)發(fā)展[1,5-6]。但磷肥有效性與土壤水分條件有關，因此研究水磷供應水平及其交互作用對黃土丘陵半干旱區(qū)植物生長的影響具有重要意義[7]。

除環(huán)境因素外，黃土丘陵區(qū)人工草地建設存在多年生禾本科草種較少以及群體配置不合理等問題，迫切需要增強對優(yōu)良引進禾草的選育與合理利用方面的研究[1,8]。柳枝稷(PanicumvirgatumL.)是原產(chǎn)北美的多年生C4禾草[9]，與栽培種紅豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)混播后表現(xiàn)出較強的競爭能力，而2種豆科飼草在競爭壓力下表現(xiàn)出較弱的生長可塑性，導致2種豆科飼草在混播中逐年消退[10-12]；與鄉(xiāng)土禾草白羊草(BothriochloaischaemumL.)混播后，在干旱環(huán)境中具有混播生物量優(yōu)勢，并能形成相對穩(wěn)定的混播群體[13]。可見，選擇合適的物種是混播草地可持續(xù)發(fā)展的必要條件，然而關于柳枝稷與鄉(xiāng)土豆科草本植物混播下的表現(xiàn)未見相關報道。達烏里胡枝子(LespedezadavuricaS.)是黃土丘陵區(qū)天然草地群落的主要伴生種，抗旱能力強，是具有良好水土保持能力的優(yōu)良牧草[14]。研究表明，達烏里胡枝子與沙打旺、紅豆草等相比，建植成功后生物量更穩(wěn)定[12]。作為忍耐型伴生種，達烏里胡枝子在種間競爭中表現(xiàn)出較強的形態(tài)和生理特征的調(diào)節(jié)能力，同時具有促進生殖生長以維持穩(wěn)定種群數(shù)量的特性[14-17]。這種對種間競爭較強的適應能力使其廣泛分布并長期存在于群落中[14,16]。本研究在盆栽條件下，選取柳枝稷和達烏里胡枝子為試驗材料，通過設置不同水分和磷素供應水平，主要比較研究了二者在不同組合比例下的生物量、水分利用效率及種間關系，以期為利用二者建植合理的豆禾混播草地提供生物學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

柳枝稷和達烏里胡枝子種子均于2014年10月采自陜西安塞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站山地試驗場(36°51′60″ N,109°19′23″ E)，海拔1 068～1 309 m。柳枝稷品種為“Alamo”，種源美國。達烏里胡枝子種子采自天然草地。種子曬干后在自然狀態(tài)下儲藏，試驗前種子發(fā)芽率均在90%以上。

1.2 試驗設計

1.2.1試驗條件 采用盆栽試驗，盆體為底部封堵的PVC桶，高30 cm，內(nèi)徑20 cm。土壤采自安塞退耕地的耕層土壤(0～20 cm)，退耕后無施肥歷史。試驗前測定土壤養(yǎng)分含量分別為：有機質(zhì)2.60 g·kg-1，速效氮2.80 mg·kg-1，速效磷6.67 mg·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，土壤田間持水量(Field capacity,FC)為20%，每桶裝干土9 kg。沿桶內(nèi)壁安置一根內(nèi)徑為2 cm、長30 cm的PVC管作為灌水管，為防止土壤堵塞灌水管，裝桶前在桶底鋪碎石子。

試驗地點位于陜西楊凌的黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室室外防雨棚下(34°12′ N,108°7′ E,海拔530 m)，年平均氣溫為13.0℃，最冷月(1月)平均氣溫為—1℃，最熱月(7月)平均氣溫為26.7℃，年均降雨量為650 mm。

1.2.2試驗處理 有研究表明，黃土丘陵區(qū)草地0～60 cm和60～120 cm土層的土壤含水量均介于6.8%～7.5%之間[18]，因此，本研究設置75%±5% FC (充分供水，High water,HW)和35%±5% FC (干旱處理，Low water,LW) 2個土壤水分水平，即實際含水量的15%±1%和7%±1%。前人對針對該區(qū)草地建設進行的盆栽試驗表明，施磷0.05～0.1 g P2O5·kg-1干土可提高草地的生物量和水分利用效率，超出后呈下降趨勢[19-20]，因此，本研究設置P0(未施磷)，P0.05(0.05 g P2O5·kg-1干土)和P0.1(0.1 g P2O5·kg-1干土) 3個磷處理。采用生態(tài)替代法[21]，設置5個組合比例(柳枝稷∶達烏里胡枝子：12∶0,8∶4,6∶6,4∶8,0∶12)。2個水分水平，3個磷處理，5個組合比例，共30個處理，6個重復，共180盆。磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量為15%)，裝桶時隨土一次混入。試驗于2016年4月17日開始，采用種子播種，穴距4 cm，每穴約5粒種子，穴深1 cm，每盆12穴，播種方式如圖1所示。

圖1 柳枝稷與達烏里胡枝子播種示意圖(黑、白點分別代表2種植物)Fig.1 Schematic diagram of the experimental design of switchgrass and bushclover (The white and black circles represent the two species, respectively)

苗期充足供水，控水前間苗2次。播種13天后(柳枝稷出苗期)第1次間苗至每穴2株，播種33天后(柳枝稷三葉一心)第2次間苗，每穴留壯苗一株。播種86天后(柳枝稷拔節(jié)期)開始控水，控水前每盆覆蓋2 cm厚珍珠巖以減少土壤水分蒸發(fā)。同時，每個水分水平分別設置3桶無植株對照，以核算土壤蒸發(fā)量。土壤含水量采用稱重法控制，于每日18:00稱重和記錄，水從桶內(nèi)灌水管加入。試驗期間隨時收集枯落物，及時拔除雜草。

1.3 測定指標與方法

1.3.1生物量 2016年10月10—17日統(tǒng)一收獲，每桶分別收獲柳枝稷和達烏里胡枝子地上部分，然后將桶內(nèi)根系和土壤一起倒入孔徑為2 mm尼龍網(wǎng)袋，用自來水緩慢洗去土壤后得到2種植物根系，根據(jù)顏色和形態(tài)在水中將2種植物根系仔細分開[22]。地上和地下部分于105℃殺青15 min后，80℃烘干至恒重，得到每桶柳枝稷和達烏里胡枝子生物量。總生物量(Total biomass,TB,g·pot-1)為每桶柳枝稷和達烏里胡枝子生物量之和。

1.3.2水分利用效率 根據(jù)日耗水量和土壤蒸發(fā)量，計算實際蒸騰耗水量。水分利用效率(Water use efficiency,WUE,g·kg-1)為總生物量與蒸騰耗水量的比值，即蒸騰效率。

1.3.3種間關系指數(shù) 根據(jù)柳枝稷和達烏里胡枝子生物量，計算相對總生物量(Relative yield total,RYT)、競爭攻擊力系數(shù)(Aggressivity,A)和相對競爭強度(Relative competition intensity,RCI)。

(1) 相對總生物量(RYT)：用于評價間作體系中生物學效益的競爭系數(shù)，用下式計算[21]：

RYT=Yab/Yaa+Yba/Ybb

(1)

式中，Yaa(Ybb)表示單播下物種a(b)的生物量，Yab(Yba)表示混播下物種a(b)的生物量。下同。

若RYT>1.0，說明2個物種占據(jù)不同生態(tài)位，存在共生關系；若RYT=1.0，說明2個物種利用相同的資源；若RYT<1.0，則2個物種存在競爭關系。

(2) 競爭攻擊力系數(shù)(A)：是混播體系中物種a和b的產(chǎn)量相對增加程度，是評價物種競爭能力的重要指標之一，采用如下公式計算[23]：

Aa=Yab/(Yaa×Zab)-Yba/(Ybb×Zba)

(2)

式中，Zab(Zba)代表混播條件下物種a(b)所占比例，Zab+Zba=1.0。下同。

若Aa>0，說明物種a競爭能力大于物種b；若Aa=0，說明2個物種競爭能力相同；若Aa<0，說明物種a競爭能力小于物種b。

(3) 相對競爭強度(RCI)：指某物種受伴生種的影響程度，用下式計算[24]：

RCIab=(Yaa×Zab-Yab)/(Yaa×Zab)

(3)

若RCIab>0，說明物種a的種間競爭強度大于種內(nèi)競爭；若RCIab=0，說明物種a的種間和種內(nèi)競爭強度相等；若RCIab<0，說明物種a的種間競爭強度小于種內(nèi)競爭。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Office Excel 2007 (Microsoft Corporation,Wash,USA)整理數(shù)據(jù)，用Sigmaplot 12.0 (Systat,USA)繪圖，用Genstat19.1 (VSN international Ltd.,UK)統(tǒng)計分析。采用三因素方差分析(Three-way ANOVA)檢驗水分水平、磷處理和組合比例及其交互作用對生物量、水分利用效率和種間關系指數(shù)的影響，并用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 生物量

水分水平、磷處理和組合比例及兩兩交互作用對柳枝稷和達烏里胡枝子的總生物量有顯著影響(P<0.01)(圖2)。不論供磷與否，LW下2個物種總生物量均顯著低于HW(P<0.05)。2種水分水平下，與P0處理相比，施磷提高2個物種的總生物量，其中單播下柳枝稷總生物量隨施磷量增加而顯著增加(P<0.05)，混播下柳枝稷總生物量在P0.05和P0.1處理間無顯著差異，達烏里胡枝子總生物量在單播和混播下均表現(xiàn)為P0.05和P0.1處理間無顯著差異。不同水分和磷處理下，柳枝稷對混播下整桶總生物量的貢獻大于達烏里胡枝子，除HW下P0.1處理的2個物種的總生物量折線無交點外，其余處理下交點均出現(xiàn)在4∶8比例。根據(jù)混播下2個物種各自總生物量與所占比例得出，柳枝稷單株生物量隨其比例的降低而增加，達烏里胡枝子相反。

圖2 不同水分水平、磷處理和組合比例下柳枝稷與達烏里胡枝子總生物量Fig.2 Total biomass production of two species (S:switchgrass;B:bushclover) and their combinations in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment注：HW：充分供水，LW：干旱處理，WR：水分水平，PT：磷處理，MR：組合比例。*表示P<0.05，**表示P<0.01，n.s.表示無顯著差異。括號內(nèi)數(shù)字為最小顯著性值(LSD)。下同Note:HW:high water,LW:low water,WR:water regime,PT:phosphorus treatment,MR:mixture ratio. * means P<0.05,** means P<0.01,n.s. means no significant difference. Numbers in parentheses are the least significance values (LSD). The same as below

2.2 水分利用效率(WUE)

水分水平、磷處理和組合比例及其兩兩交互作用對WUE均有顯著影響(P<0.01)(圖3)。HW下，柳枝稷單播的WUE隨施磷量的增加而顯著提高(P<0.05)，達烏里胡枝子單播以及2個物種混播下的WUE在不同磷處理間無明顯變化；LW下，施磷顯著提高各組合比例的WUE(P<0.05)，且P0.05和P0.1處理間均無顯著差異。不同組合比例下，HW下的WUE均值隨柳枝稷比例降低而顯著降低(P<0.05)；LW下柳枝稷單播的WUE均值顯著高于其余組合比例(P<0.05)，達烏里胡枝子單播顯著低于其余組合比例(P<0.05)，混播下以4∶8和8∶4比例的WUE均值顯著大于6∶6(P<0.05)，4∶8和8∶4之間無顯著差異。

圖3 不同水分水平、磷處理和組合比例下柳枝稷與達烏里胡枝子水分利用效率Fig.3 Water use efficiency of two species (S:switchgrass;B:bushclover) and their combinations in their various mixtureproportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.3 相對總生物量(RYT)

水分水平、磷處理和組合比例單因素對2個物種混播的RYT有顯著影響(P<0.05)，3個因素間的交互作用對RYT均無顯著影響(圖4)。RYT在HW下介于1.01～1.34之間，LW下介于0.91～1.11之間，且HW下的RYT均值顯著大于LW(P<0.05)。RYT在P0，P0.05和P0.1處理下分別介于0.96～1.34，1.07～1.34和0.91～1.14之間，且RYT均值在不同磷處理間均有顯著差異(P<0.05)，在P0.05下最高，其次為P0處理，P0.1處理下最低。不同組合比例間的RYT均值在4∶8比例下顯著高于其余比例(P<0.05)，6∶6和8∶4比例間無顯著差異。

圖4 不同水分水平、磷處理和組合比例下柳枝稷和達烏里胡枝子混播下的相對總生物量Fig.4 Relative yield total of switchgrass (S) and bushclover (B) mixtures in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.4 柳枝稷競爭攻擊力系數(shù)(A)

水分水平、磷處理和組合比例以及水分和組合比例的交互作用對柳枝稷A值有顯著影響(P<0.01)(圖5)。柳枝稷A值在不同處理下均大于0，且HW下均顯著大于LW(P<0.05)。不同磷處理間的柳枝稷A值平均在P0.1處理下顯著低于P0.05和P0處理(P<0.05)，而P0.05和P0處理間無顯著差異。柳枝稷A值在HW下隨柳枝稷占比例的降低而顯著提高(P<0.05)；LW下，柳枝稷A值平均在6∶6比例顯著高于其余組合比例(P<0.05)，4∶8和8∶4比例間無顯著差異。

圖5 不同水分水平、磷處理和組合比例下柳枝稷競爭攻擊力系數(shù)Fig.5 Aggressivity values of switchgrass (S) to bushclover (B) in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.5 相對競爭強度(RCI)

水分水平、磷處理和組合比例以及水分和組合比例的交互作用對柳枝稷相對競爭強度RCIS有顯著影響(P<0.01)。RCIS在—1.43～0.03之間，且HW下均值顯著低于LW(P<0.05)(圖6)。RCIS均值在不同磷處理間均有顯著差異(P<0.05)，在P0.05下最低，其次為P0處理，P0.1處理下最高。HW下，RCIS隨柳枝稷所占比例的降低而顯著降低(P<0.05)；LW下，RCIS在8∶4比例顯著高于其余組合比例(P<0.05)，6∶6和4∶8間無顯著差異。

水分水平和組合比例單因素對達烏里胡枝子相對競爭強度(RCIB)有顯著影響(P<0.05)，磷處理及其與水分水平和組合比例的交互作用對RCIB均無顯著影響。RCIB在—0.05～0.41之間，且在HW下均值顯著大于LW(P<0.05)。RCIB均值在不同組合比例間均有顯著差異(P<0.05)，在6∶6比例下最高，其次為8∶4比例，4∶8比例下最低。

3 討論

生物量是衡量草地生產(chǎn)力和植物競爭能力最重要的標準之一[19]。當混播物種具有相同競爭能力時，在繪制的生物量折線圖中(圖2)，2個物種生物量的交點應出現(xiàn)在二者均占1/2的比例[19]。若實際生物量和此預期不同，則表明種內(nèi)與種間競爭強度不均衡[16,19]。本研究中，2個物種生物量的交點出現(xiàn)在6∶6以右或無交點，柳枝稷單株生物量隨其比例的降低而增加，達烏里胡枝子相反，說明柳枝稷種內(nèi)競爭強度大于種間競爭，達烏里胡枝子則受到較強種間競爭的約束(圖5)[16,19]。當混播中某物種受到較強種間競爭約束時，增加該物種初始組合比例可使其形成種群優(yōu)勢，降低種間競爭壓力[16]。這有助于不同物種利用不同的環(huán)境資源，從而提高群體產(chǎn)量優(yōu)勢并形成穩(wěn)定共存的局面[16]。本研究中，在4∶8組合比例(柳枝稷∶達烏里胡枝子)時，柳枝稷種內(nèi)競爭和達烏里胡枝子種間競爭減小，有助于提高混播群體生物量(圖2，4)[16,25]。由于多年生牧草在年際間的生長差異，混播物種的種內(nèi)和種間競爭存在動態(tài)變化，初始組合比例的選擇還需考慮草地的可持續(xù)發(fā)展與利用[10,26]。研究表明，柳枝稷與其它牧草混播多年中均表現(xiàn)為種內(nèi)競爭對其生物量的限制大于種間競爭[10-11]；達烏里胡枝子則表現(xiàn)出種間競爭限制其生物量形成，但其在較高組合比例下隨種植年限增加可逐步從混播中受益[15-16]。這可能使二者以4∶8的組合比例(柳枝稷∶達烏里胡枝子)建植多年中維持較高的生物量優(yōu)勢。

圖6 不同水分水平、磷處理和組合比例下柳枝稷和達烏里胡枝子的相對競爭強度Fig.6 Relative competition intensity of switchgrass (S) and bushclover (B) in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

相對總生物量(RYT)是反映混播下資源利用率的重要指標[21]。柳枝稷和達烏里胡枝子混播的RYT介于0.91～1.34之間(圖4)，若混播下RYT為1.34則說明單播下需要多利用34%的土地才能達到與此混播相同的產(chǎn)量，表明二者混播具有一定的互惠關系和較高的土地利用率[19]。豆禾混播物種對土壤磷的有效利用有助于減輕環(huán)境壓力并提高產(chǎn)量[25,27]。2種水分水平下，P0.05處理顯著提高RYT(圖4)，說明適當施磷(P0.05處理)可增強二者混播的互惠作用[25]。P0.1處理顯著降低RYT值，可能是P0.1處理的施磷量對單播柳枝稷生物量的提升作用大于混播(圖2)，混播下柳枝稷生物量積累對磷肥需求較少[25]。也可能是達烏里胡枝子能通過分泌有機酸提高土壤有效磷含量[20]，表明二者混播有助于促進柳枝稷對磷素的吸收，減少磷肥施用量，為混播群體的生物量優(yōu)勢奠定基礎[25,27]。

除了提高生產(chǎn)力，提高水分利用效率(WUE)也是半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重點[19]。混播下WUE顯著低于柳枝稷單播，但顯著大于達烏里胡枝子單播(圖3)，表明在達烏里胡枝子草地群落適當配置柳枝稷可提高草地的WUE[19]。施磷肥也是提高WUE的有效措施[28-29]。一方面，施磷對生物量的提升作用大于蒸騰耗水量[28]，另一方面施磷可降低植物在低磷環(huán)境中為吸收磷素而蒸騰損失的水分[29]；但植物的WUE不會因磷肥的增加而無限升高[28]。本研究中，干旱處理下施磷可顯著提高各組合比例的WUE，但在P0.05和P0.1處理之間均無顯著差異(圖3)，表明P0.05的施磷量可在較少磷肥投入的條件下提高WUE，是更加經(jīng)濟的施磷量。由于多年生人工草地是黃土丘陵區(qū)畜牧業(yè)的重要飼料來源之一，生物量的收獲將導致土壤磷和植株體內(nèi)磷含量的逐年降低[1,28]。因此，可定期追施適量的磷肥以維持較高的年度群體生物量和WUE。

競爭攻擊力系數(shù)(A)可用來衡量混播體系中物種的競爭能力，相對競爭強度(RCI)可用來衡量種內(nèi)和種間競爭強度的大小[19,24]。不同處理下的柳枝稷A值和達烏里胡枝子RCI均大于0，且在干旱處理下均顯著降低，而柳枝稷RCI在干旱處理下顯著增加，表明柳枝稷在二者混播體系中占居優(yōu)勢地位，但在干旱處理下其競爭能力降低，達烏里胡枝子競爭能力則增加(圖5，6)[13,19]。可能因為達烏里胡枝子為鄉(xiāng)土種，長期適應較低的土壤水分水平，在干旱環(huán)境中其競爭能力將提高[12-13]。磷添加對豆禾混播物種競爭能力影響的研究結論不一致[25,27]。有研究表明，施磷雖不會增加豆科植物的競爭能力，但可降低與其混播物種的競爭能力和對磷素的競爭強度，從而提高混播體系的穩(wěn)定性[6,30]。本研究中，P0.1處理顯著降低柳枝稷A值，顯著增加柳枝稷RCI，磷處理及其與水分和組合比例的交互作用對達烏里胡枝子RCI均無顯著影響(圖6)，說明施磷雖降低柳枝稷競爭能力，但達烏里胡枝子在不同磷處理下能維持穩(wěn)定的競爭能力，這可能是達烏里胡枝子廣泛分布于不同立地條件下的原因之一[14,16,19]。

4 結論

綜上，不同水分和磷供應條件下，柳枝稷和達烏里胡枝子間雖存在競爭作用，但二者混播下RYT > 1.0，表明二者混播具有生物量優(yōu)勢。不論施磷與否，干旱處理下柳枝稷競爭能力降低，達烏里胡枝子競爭能力增加。2種水分水平下，施磷0.1 g·kg-1處理下柳枝稷競爭能力降低，而不同磷處理下達烏里胡枝子能持穩(wěn)定競爭能力。干旱處理下，4∶8組合比例(柳枝稷∶達烏里胡枝子)下具有最高的RYT和較高的WUE，施磷0.05 g·kg-1干土可顯著提高混播下總生物量、RYT和WUE，說明在半干旱黃土丘陵區(qū)，采用4∶8組合比例(柳枝稷∶達烏里胡枝子)并施磷0.05 g·kg-1有利于提高二者混播下生物量和水分利用效率。