羊尿施入對苜蓿-無芒雀麥混播草地氮轉化和吸收的影響

馬曉穎,韋 寶,代先林,王 瑜,李向林,仝宗永,何 峰

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所,北京 100193)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)具有產草量高、蛋白含量高的特點,并且具有固氮、改良土壤等功效,被譽為“牧草之王”。除了收獲干草和青貯外,紫花苜蓿還可以用來放牧,苜蓿混播草地是阿根廷、新西蘭等畜牧業發達國家生產肉奶等畜產品的重要物質基礎。在阿根廷潘帕斯草原上有500萬hm2的苜蓿混播草地用于肉牛放牧利用[1],適當補飼后,肉牛日增重可達到1.4 kg。在新西蘭,不補飼的情況下育肥羔羊在苜蓿草地上放牧的日增重達到了0.3 kg[2]。我國的苜蓿混播草地放牧利用處于起步階段[3-4],科學的劃區輪牧,每公頃可實現51只育肥羊的高效育肥生產[5-6]。目前,人工建植苜蓿混播草地大多選擇禾本科牧草,無芒雀麥(Bromusinermis)具有適應性強,營養品質高的特點,是禾本科牧草的典型代表。并且苜蓿-無芒雀麥混播草地在放牧利用方面具有很多優勢,如互利共生,利用時間和空間的生態位差異[7],實現對水分和養分的充分利用,加快養分循環[8]。

我國放牧草地家畜排泄物的氮轉化主要集中在天然草原,而苜蓿-無芒雀麥草地的蛋白含量高,放牧利用時家畜排泄中氮含量也會顯著增加,家畜的排泄物氮素主要分布在尿液中。因此,研究苜蓿-無芒雀麥混播草地羊尿添加后對土壤氮素轉化以及植物吸收的影響,有助于更加了解混播草地放牧利用對環境影響,提高放牧管理水平,促進草地放牧利用推廣應用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022年6月-10月在中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所溫室中進行。

供試材料為紫花苜蓿(品種為‘WL440’,秋眠級6級)和無芒雀麥(品種為‘新雀1號’),由北京百斯特草業有限公司提供。種植于花盆(高18 cm,直徑20 cm)內,每盆裝土壤3 kg。

供試土壤為沙壤土,取自中國農業科學院(萬莊)農業高新技術產業園0～20 cm表層土。土壤理化性質為:pH值為7.80,有機質含量為6.80 g·kg-1,硝態氮10.46 mg·kg-1,銨態氮含量為5.68 mg·kg-1,速效磷10.15 mg·kg-1,速效鉀含量為134.58 mg·kg-1。

供試新鮮羊尿取自中國農業科學院昌平試驗基地飼養的杜蒙羊,晨飼后,采用套袋法收集10只體況相近公羊的尿液,羊尿中氮含量為7.71 g·L-1,尿素占75%。

1.2 試驗設計

播種前用1%NaClO浸泡種子30分鐘,隨后用去離子水沖洗,挑選均勻一致的種子在培養皿中發芽,在苜蓿三葉期選擇長勢一致的幼苗移入花盆內,花盆內紫花苜蓿與無芒雀麥按1∶1的比例種植,每盆紫花苜蓿和無芒雀麥各4株,間隔排列,溫室內培養,溫度(25±1)℃/(20±1)℃(晝/夜),相對濕度45%～50%,光照時間16 h/8 h(光照/黑暗),光照強度為350 μmol·m-2·s-1,生長45 d后刈割,留茬高度5 cm。

刈割后進行羊尿添加處理。試驗設置苜蓿和無芒雀麥混播與裸地2種模式,每個模式設4個羊尿施用梯度,分別為0,8.64,25.92,43.20 kg·hm-2(0,2.85,8.65,14.50 mL·pot-1),記作N0,N1,N2和N3,共8個處理,每處理4次重復,羊尿用蒸餾水稀釋至50 mL后施入土中。每三天澆水一次,采用稱重法控制,保持含水量為飽和含水量的60%～65%。

1.3 測定指標及方法

1.3.1土壤銨態氮和硝態氮 添加羊尿后的第1,3,6,9,12,15,18,21天采集0～14 cm土壤樣本4℃保存,進行銨態氮和硝態氮含量的測定,土壤硝態氮含量采用硝基水楊酸法測定[21],土壤銨態氮含量采用靛藍比色法測定[22]。

1.3.3葉綠素含量 添加羊尿后第12天和21天用SPAD 502葉綠素儀,隨機挑選4片苜蓿和無芒雀麥葉片進行測定。

1.3.4地上地下生物量 添加羊尿第21天,將整株取出,分為地上和地下部分,65℃烘干至恒重,測定苜蓿和無芒雀麥的生物量。

1.3.5地上部分粗蛋白含量 采用GB/T 6432-2018飼料中粗蛋白測定方法測定。

1.4 數據處理與統計分析

使用SPSS 26軟件對土壤脲酶活性、亞硝酸還原酶活性、植株高度、地上地下生物量、葉片SPAD值和粗蛋白含量進行雙因素方差分析,對不同羊尿施用量下的混播草地和裸地的土壤銨態氮和硝態氮含量進行t檢驗,Microsoft Excel 2016進行數據整理,GraphpadPrism8作圖。

2 結果與分析

2.1 羊尿添加對混播草地和裸地土壤銨態氮和硝態氮的影響

添加羊尿后土壤中銨態氮的含量迅速增加,混播草地和裸地的N1處理施入羊尿的第1天土壤銨態氮分別為 8.14 mg·kg-1和 8.60 mg·kg-1,N2處理的第1天分別為19.52 mg·kg-1和 16.24 mg·kg-1,N3處理的第1天分別為23.99 mg·kg-1和 27.00 mg·kg-1。混播草地和裸地銨態氮含量差異并不顯著(圖1)。

圖1 羊尿添加處理對混播草地和裸地銨態氮含量的影響Fig.1 Effects of sheep urine treatment on soil ammonium content in soil of the mixed grassland and bare field注:數值為平均值±標準誤,N0,N1,N2,N3羊尿施用量分別為0,8.64,25.92,43.20 kg·hm-2。下同Note:Mean±SE,N0,N1,N2,N3,The amount of sheep urine added sheep urine 0,8.64,25.92,43.20 kg·hm-2. The same as below

銨態氮含量第1天達到峰值后逐漸下降,前期下降速度快,第12天后趨于穩定。N1處理下,裸地與混播草地銨態氮在0-3天呈現先快速下降后緩慢下降的趨勢,裸地銨態氮含量始終高于混播草地。N2處理下,裸地和混播草地銨態氮含量在1-3天快速降低,混播草地下降了53.79%,第3天后下降速度減緩,與第一天相比,第6天下降了56.86%,第9天下降了61.16%;裸地與第1天相比,第3天下降了29.74%,第6天下降了33.33%,第9天下降了53.3%。N3處理下,裸地和混播草地銨態氮隨天數的增加呈現下降趨勢,混播草地與第1天相比,第3天下降了57.46%,第6天下降了66.59%,第9天下降了73.31%;裸地與第1天相比下降了35.31%,第6天下降了52.62%,第9天下降了71.8%(圖1)。

高羊尿施用量下,混播草地土壤銨態氮含量下降速度顯著高于裸地處理,N3處理混播草地第3天和第6天的銨態氮含量顯著高于裸地(P<0.05)。

添加羊尿后,土壤硝態氮含量先增加后降低,都在第9天達到峰值。混播草地和裸地的N1處理施入羊尿的第1天土壤硝態氮分別為 13.36 mg·kg-1和35.51 mg·kg-1,第9天達到峰值,分別為33.51 mg·kg-1和 59.97 mg·kg-1,第21天分別為 9.75 mg·kg-1和37.18 mg·kg-1;N2處理的第1天土壤硝態氮分別為18.64 mg·kg-1和29.16 mg·kg-1,第9天達到峰值,分別為34.39 mg·kg-1和62.08 mg·kg-1,第21天分別為15.82 mg·kg-1和 42.68 mg·kg-1;N3處理的第1天土壤硝態氮分別為 20.26 mg·kg-1和 25.92 mg·kg-1,第9天達到峰值,分別為 43.92 mg·kg-1和 60.02 mg·kg-1,第21天分別為 18.46 mg·kg-1和 39.17 mg·kg-1。

2.2 羊尿添加對混播草地和裸地土壤酶活性的影響

添加羊尿1天后,混播草地N2處理下土壤脲酶活性顯著提升(P<0.05),N3處理下活性增加不明顯;隨著培養時間的增加,混播草地脲酶活性降低而裸地脲酶活性提升。如圖3所示,添加羊尿后第1天,混播草地和裸地在N1處理下脲酶活性分別為406.26 μg·(d·g)-1和321.73 μg·(d·g)-1;N2處理下分別為511.76 μg·(d·g)-1和335.15 μg·(d·g)-1,混播草地脲酶活性顯著高于N3處理(P<0.05);N3處理下分別為321.75 μg·(d·g)-1和242.42 μg·(d·g)-1,裸地脲酶活性顯著低于其他處理(P<0.05)。

第21天,混播草地和裸地在N1處理下脲酶活性分別367.71 μg·(d·g)-1和353.16 μg·(d·g)-1;N2處理下分別為401.34 μg·(d·g)-1和397.26 μg·(d·g)-1;N3處理下分別為303.81 μg·(d·g)-1和310.26 μg·(d·g)-1。

綜上所述,與N0相比,羊尿添加1天后,N2處理增強了混播草地脲酶活性,隨著羊尿添加量的增加,脲酶活性降低。羊尿添加后抑制了裸地脲酶活性,隨著羊尿添加量的增加,抑制效應加強。

不同羊尿量的添加對土壤亞硝酸還原酶活性產生了不同影響。如圖4所示,添加羊尿后第1天,混播草地和裸地的亞硝酸還原酶活性在N1處理下分別為103.73 μg·(d·g)-1和159.73 μg·(d·g)-1;N2處理下分別為102.81 μg·(d·g)-1和186.18 μg·(d·g)-1;N3處理下分別為283.93 μg·(d·g)-1和218.61 μg·(d·g)-1,混播草地亞硝酸還原酶活性N3處理顯著高于N1,N2處理(P<0.05)。

第21天,混播草地和裸地的亞硝酸還原酶活性在N1處理下分別為141.31 μg·(d·g)-1和131.46 μg·(d·g)-1,裸地亞硝酸還原酶活性顯著低于N2,N3處理(P<0.05);N2處理下分別為154.34 μg·(d·g)-1和348.22 μg·(d·g)-1;N3處理下分別337.64 μg·(d·g)-1和371.81 μg·(d·g)-1,混播草地亞硝酸還原酶活性顯著高于N1,N2處理(P<0.05)。

綜上所述,與N0相比,羊尿添加后第一天,不同添加量的羊尿抑制了混播草地和裸地亞硝酸還原酶活性,隨著羊尿添加量的增加,抑制效應減弱;羊尿添加后第21天,羊尿的添加抑制了N1,N2處理下混播草地及N1處理下裸地的亞硝酸還原酶活性,增強了N2,N3處理下裸地亞硝酸還原酶的活性。整體來看,混播草地亞硝酸還原酶活性低于裸地亞硝酸還原酶活性。

2.3 羊尿添加對株高和葉綠素含量的影響

隨著羊尿添加量的增加,無芒雀麥株高呈逐漸增加的趨勢,而紫花苜蓿株高無明顯變化(表1)。在第12天和第21天,不同羊尿添加處理間無芒雀麥葉綠素SPAD值存在顯著差異(P<0.05),隨著羊尿添加量的增加,無芒雀麥的葉綠素SPAD值呈現逐漸升高的趨勢(表1)。

表1 羊尿添加對苜蓿和無芒雀麥植株的影響Table 1 Effects of sheep urine supplementation on alfalfa and smooth brome

2.4 羊尿添加對地上地下生物量和粗蛋白含量的影響

隨著羊尿添加量的增加,無芒雀麥地上生物量呈現逐漸增加的趨勢(表1),地上生物量在不同處理間差異顯著(P<0.05),地下生物量呈現增加的趨勢。苜蓿地上生物量在不同處理間差異不顯著,地下生物量呈現隨羊尿添加量的增加先增加后下降的趨勢。隨著羊尿添加量的增加,紫花苜蓿和無芒雀麥的粗蛋白均呈現增加的趨勢(表1)。

3 討論

3.1 羊尿添加改變混播草地土壤氮轉化

圖2 羊尿添加處理對不同時期混播草地和裸地硝態氮含量的影響Fig.2 Effects of sheep urine treatment on nitrate nitrogen content in soil of the mixed grassland and bare field at different days since the treatments

圖3 羊尿添加處理對混播草地和裸地脲酶活性的影響Fig.3 Effects of sheep urine treatment on urease activity in soil of the mixed grassland and bare field注:不同小寫字母表示混播草地同一時間不同處理間差異顯著,不同大寫字母表示裸地同一時間不同處理間差異顯著。下同Note:Different lowercase letters represent significant differences between different processes at the same time in mixed grassland,different capital letters represent significant differences between different processes at the same time in bare land(P<0.05). The same as below

圖4 羊尿添加處理對混播草地和裸地亞硝酸還原酶活性的影響Fig.4 Effects of sheep urine treatment on nitrite reductase activity in soil of the mixed grassland and bare field

3.2 羊尿添加對混播草地氮吸收的影響

植株株高、地上生物量以及粗蛋白含量是反映混播草地種間競爭以及評價牧草生產性能與品質的重要指標。本項試驗中,隨著羊尿添加量增加,無芒雀麥的株高、SPAD值、地上生物量和粗蛋白含量均呈上升趨勢,而苜蓿株高、地上生物量和粗蛋白含量不受羊尿添加量高低的影響,與張輝輝等[27]研究結果一致,這可能是因為苜蓿可以進行生物固氮,而無芒雀麥自身不具備固氮能力,直接利用和消耗土壤氮,從而刺激苜蓿進行生物固氮,降低了苜蓿對土壤氮的競爭,以滿足無芒雀麥對氮的需求[28-29]。且當羊尿添加量增加,無芒雀麥可利用氮素增加,葉片中葉綠素含量增加,葉片的光合速率以及水分利用率也會隨之增加[30],從而提高了無芒雀麥地上生物量[31]。此外苜蓿地下生物量呈減小趨勢(表1),這是由于尿氮會抑制固氮酶的活性[32],影響根瘤菌侵染根毛,降低根瘤細胞活性[28],減少結瘤數量,從而抑制固氮效率[33]。

4 結論

羊尿添加增強苜蓿-無芒雀麥混播草地中無芒雀麥的競爭力。在同樣的羊尿添加量下,混播草地硝態氮含量比裸地低50%～60%,減少了氮的損失,加快氮循環。苜蓿混播可以調控羊尿中氮素轉化吸收效率,增加地上生產力,減少畜牧業生產過程中尿液中氮的環境釋放風險。苜蓿混播草地放牧利用兼顧生產和生態效益,具有廣闊的推廣應用價值。