混播種類(lèi)和群體結(jié)構(gòu)對(duì)豆禾牧草混播系統(tǒng)氮素利用效率的影響

朱亞瓊，關(guān)正翾，鄭偉,2*，王祥

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區(qū)草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830052)

豆科牧草與禾本科牧草混播/間套作(異行混播)/輪作能利用豆科牧草生物固氮作用增加豆禾牧草混播系統(tǒng)氮素的供應(yīng)[1-3]，并且可在一定程度上促進(jìn)豆科牧草固氮效率的提高[4-6]，還能促進(jìn)系統(tǒng)中禾本科牧草對(duì)氮的吸收[5, 7]，減少土壤無(wú)機(jī)氮的累積[8-9]，從而提高整個(gè)混播系統(tǒng)氮素的利用效率[4, 10]。例如，王平等[2]研究表明，混播條件下紫花苜蓿(Medicagosativa)的固氮能力顯著高于單播紫花苜蓿，混播提高了紫花苜蓿對(duì)大氣氮素的固定能力。黑麥(Avenasativa)/紅三葉草(Trifoliumpratense)異行混播、黑麥/豌豆(Pisumsativum)異行混播時(shí)，牧草氮素累積量和生物量都高于單播[11]。小麥(Triticumaestivum)/蠶豆(Viciafaba)間作顯著提高了整個(gè)生育期內(nèi)小麥地上部植株含氮量，顯著增加了小麥葉和穗的氮含量，為生物產(chǎn)量的形成和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的提高奠定了基礎(chǔ)[12]。因此，豆科牧草根瘤菌固定的氮資源對(duì)豆禾混播草地提高土壤氮含量、增加草地氮產(chǎn)量和維持系統(tǒng)氮素平衡起著重要作用[7]。

豆科牧草通過(guò)生物固氮作用增加的氮素，一方面被自身生長(zhǎng)所消耗，另一方面通過(guò)根接觸轉(zhuǎn)移或生物體死亡分解后釋放到土壤中，再由相鄰禾草吸收利用[13-15]。禾草利用豆科牧草固定的氮素途徑有3條：即混播牧草可以通過(guò)吸收牧草根系的脫落物、根瘤和細(xì)小根系的腐爛分解和礦化的物質(zhì)發(fā)生氮轉(zhuǎn)移[13-14]；通過(guò)泡囊-叢枝菌根(vesicular arbuscular mycorrhiza,VAMF)或叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)菌絲橋的連接作用發(fā)生的氮素轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移的氮占作物吸收氮含量的0.7%～2.5%[16-17]；禾本科通過(guò)根系分泌一些小分子的物質(zhì)，如多糖、氨基酸等發(fā)生氮轉(zhuǎn)移[18]。與此同時(shí)，豆禾牧草混播后，禾草與豆科牧草間存在著對(duì)氮素的競(jìng)爭(zhēng)權(quán)衡，只有當(dāng)土壤氮含量通過(guò)氮循環(huán)達(dá)到禾草與豆科牧草各自競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)平衡的水平時(shí)，兩者才可以共存[19]。豆禾牧草共存的基礎(chǔ)還包括存在空間上或時(shí)間上根系分布差異所導(dǎo)致的生態(tài)位分離，以及禾草、豆科牧草在養(yǎng)分利用方式上差異所導(dǎo)致的生態(tài)位分離(由于豆科牧草和禾本科牧草在利用土壤無(wú)機(jī)氮方面存在不同的競(jìng)爭(zhēng)差異，而引起種植豆科牧草后的土壤無(wú)機(jī)氮比種植禾本科后的土壤無(wú)機(jī)氮變高的現(xiàn)象被稱(chēng)為“節(jié)約氮”)，這些均能有效地降低豆禾牧草對(duì)土壤養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)[20]。因此，豆科牧草生物固氮能力，豆禾牧草間轉(zhuǎn)移氮素的數(shù)量和時(shí)間，以及豆禾牧草養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)等直接影響著混播中氮素效益，也是氮素能否被高效利用的關(guān)鍵。

現(xiàn)有的研究表明，并不是所有豆禾牧草混播體系均具有較高氮素利用效率，由于水分脅迫[21]、豆科牧草養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)[2]和群體結(jié)構(gòu)[22]等因素的影響，導(dǎo)致豆科牧草轉(zhuǎn)向?qū)ν寥罒o(wú)機(jī)氮的吸收，氮素利用效率并沒(méi)有比單播/單作高[23]。特別是混播群體結(jié)構(gòu)，不僅影響了地上光資源的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)局，還影響了根系生長(zhǎng)[24]，從而導(dǎo)致地下養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生變化。祁軍等[25]、于輝等[26]和楊峰等[27]研究結(jié)果表明，豆禾混播牧草群體結(jié)構(gòu)還影響了冠層光合有效輻射、地上種間競(jìng)爭(zhēng)格局和根系形態(tài)，從而導(dǎo)致混播群體生物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的變化。如何篩選出較優(yōu)的混播組合與混播群體結(jié)構(gòu)，權(quán)衡地上光資源競(jìng)爭(zhēng)與地下根系養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)，則需要利用氮素利用效率測(cè)度豆禾牧草混播復(fù)合系統(tǒng)高效生產(chǎn)機(jī)制。因而，需要通過(guò)深入探討混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu)與混播系統(tǒng)氮素利用效率之間的關(guān)系，明確豆禾牧草混播產(chǎn)生氮素補(bǔ)償效應(yīng)及其他生態(tài)位分離的機(jī)理，推動(dòng)豆禾混播系統(tǒng)高效生產(chǎn)潛能的充分發(fā)揮。因此，本研究以無(wú)芒雀麥(Bromusinnermis)、貓尾草(Phleumpratense)、鴨茅(Dactylisglomerata)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、紅三葉和紫花苜蓿6種豆禾牧草在混2組合(紅豆草和無(wú)芒雀麥)、混4組合(無(wú)芒雀麥、紅豆草、貓尾草和紅三葉)和混6組合(6種牧草混合)3種混播種類(lèi)的豆禾混播草地為研究對(duì)象，將種群空間距離(行距)、種群空間作用方式(同行/異行/異行阻隔)作為豆禾牧草群體結(jié)構(gòu)的變化因素，從豆科牧草固氮量、轉(zhuǎn)氮量及其氮素利用效率對(duì)草地氮產(chǎn)量、生物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)角度出發(fā)，利用盆栽試驗(yàn)分析和比較豆禾混播牧草在不同混播種類(lèi)與混播群體結(jié)構(gòu)中的氮素利用效率變化，重點(diǎn)解析混播群體結(jié)構(gòu)與豆科牧草生物固氮能力和氮素利用效率的關(guān)系，明確通過(guò)合理混播種類(lèi)與混播群體結(jié)構(gòu)提高混播系統(tǒng)氮素利用效率的基本機(jī)制，為闡明豆禾牧草混播復(fù)合系統(tǒng)高效生產(chǎn)機(jī)制做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆伊犁哈薩克自治州昭蘇縣的昭蘇馬場(chǎng)(E 81°03′-81°05′，N 42°38′-43°15′)，該區(qū)域氣候類(lèi)型屬于溫帶山區(qū)半濕潤(rùn)易旱冷涼類(lèi)型。根據(jù)國(guó)家氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)(站點(diǎn)號(hào)51437)，2013-2015年，研究區(qū)年均溫4.44 ℃，年最高溫均值為31.38 ℃，年最低溫均值為-22.98 ℃，年均降水量482.73 mm，生長(zhǎng)季(5-10月)降水量均值為358.20 mm，占年降水量的74.20%，全年日照時(shí)長(zhǎng)2499.53 h。

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選用的材料為無(wú)芒雀麥、貓尾草、鴨茅、紅豆草、紅三葉和紫花苜蓿6種豆禾牧草，試驗(yàn)前從昭蘇馬場(chǎng)山地草甸取回0～20 cm的土壤，去除根系、凋落物和大石塊，混勻，作為盆栽試驗(yàn)基質(zhì)。昭蘇馬場(chǎng)山地草甸土壤為黑鈣土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為13.63%～14.89%，全氮、全磷、全鉀量分別為9.53 g·kg-1，2.16 g·kg-1，12.20 g·kg-1，堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為459.20 mg·kg-1，144.43 mg·kg-1，473.58 mg·kg-1[28]。將花盆置于室外自然環(huán)境，把混勻的土壤放入花盆中，低于花盆邊緣2 cm左右，并控制每個(gè)花盆土壤具有相同的容重。

試驗(yàn)設(shè)3種混播種類(lèi)組,分別為：合混2(無(wú)芒雀麥+紅豆草)、混4(無(wú)芒雀麥+紅豆草+貓尾草+紅三葉)和混6(無(wú)芒雀麥+鴨茅+紅豆草+貓尾草+紅三葉+紫花苜蓿)；4種群落結(jié)構(gòu)處理，分別為同行混播+15 cm行距，異行混播+15 cm行距，異行阻隔混播+15 cm行距(中間用木板阻隔)和異行混播+30 cm行距，豆禾混播比例均為5∶5。單播無(wú)芒雀麥、貓尾草、鴨茅、紅豆草、紅三葉和紫花苜蓿作為對(duì)照，行距均為15 cm。每個(gè)花盆均只播種2行，所有處理均為3次重復(fù)；15 cm行距花盆大小為70 cm(長(zhǎng))×30 cm(寬)×30 cm(高)，30 cm行距花盆大小為70 cm(長(zhǎng))×45 cm(寬)×30 cm(高)，播種時(shí)距花盆邊緣均為7.5 cm。混播與單播密度相同，混播比例按種子占單播重量的實(shí)際用價(jià)來(lái)計(jì)算，具體設(shè)計(jì)及播量見(jiàn)表1。

在上述花盆中施入同位素氮肥硫酸銨[(15NH4)2SO4]，牧草生長(zhǎng)旺期(2016年6月10日至6月17日)分2次(1周之內(nèi))均勻施入，每個(gè)花盆總施量為10 kg·hm-2純N，將肥料與細(xì)沙以1∶10混勻后施入，輕灌以促進(jìn)肥料均勻下滲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1牧草產(chǎn)量及氮產(chǎn)量的測(cè)定 牧草產(chǎn)量：2016年8月15日在牧草結(jié)實(shí)期齊地面刈割，按混播牧草種類(lèi)分開(kāi)，及時(shí)置于65 ℃烘箱烘至恒重后記錄各組成物種干重。

牧草N產(chǎn)量的測(cè)定：將烘干樣品帶回室內(nèi)，另取樣品粉碎后過(guò)40目篩(0.425 mm)，采用H2SO4-H2O2消煮，利用ZDDN-Ⅱ型凱式定氮儀(中國(guó))測(cè)定牧草樣品的粗蛋白(crude protein, CP)含量。并根據(jù)牧草產(chǎn)量換算成CP產(chǎn)量，再折算成牧草N產(chǎn)量，具體計(jì)算方法參見(jiàn)楊勝[29]的方法。

表1 豆禾混播草地混播比例與播量Table 1 Mixed sowing ration and sowing quantity in legume-grass mixture

1.3.2豆科牧草固氮量、轉(zhuǎn)氮量及其氮素利用效率的測(cè)定15N自然豐度法的理論基礎(chǔ)：在大氣中，15N作為一種較穩(wěn)定的同位素，其豐度是穩(wěn)定而均勻的，原子豐度為0.3663%，被認(rèn)為是15N標(biāo)準(zhǔn)同位素豐度[30]。通常以樣品中的15N與標(biāo)準(zhǔn)自然豐度(大氣15N豐度)的千分差(δ15N)表示其相對(duì)豐度，大氣的δ15N為零，如下所示。

式中：δ15N為樣品的15N與大氣15N的千分差；atom%15N (sample)為樣品15N原子豐度；atom%15N (standard)為大氣標(biāo)準(zhǔn)15N原子豐度(0.3663%)。

牧草樣品氮豐度測(cè)定：2016年8月15日在牧草結(jié)實(shí)期收獲全株，按豆禾牧草分開(kāi)，將全株樣品置于65 ℃烘箱中烘至恒重，初步剪碎后，再經(jīng)球磨儀粉碎后過(guò)120目篩(0.124 mm)制成待測(cè)樣品。采用Delta VAdvantage氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀(Thermo Finnigan, German)測(cè)定牧草樣品氮豐度。

1)應(yīng)用生物固氮率(percentage of nitrogen derived from air, PN)、生物固氮量(amount of nitrogen derived from air, WN)和轉(zhuǎn)氮率(percentage of nitrogen derived from legume, PNt)、轉(zhuǎn)氮量(amount of nitrogen derived from legume, WNt)測(cè)度混播草地的氮素利用效率，其計(jì)算公式為：

式中:A%EMl為混播(包括同行與異行混播)中豆科牧草體內(nèi)15N豐度；A%EG為單播禾草體內(nèi)15N豐度；A%EMg為混播(包括同行與異行混播)中禾草體內(nèi)15N豐度；YN1為混播豆科牧草總氮素產(chǎn)量；YNg為混播禾草總氮素產(chǎn)量[2, 30]。

2)生物固氮對(duì)草地氮產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率(contribution of biological nitrogen fixation, CBNF)計(jì)算公式為：

生物固氮貢獻(xiàn)率(CBNF)=(WN/草地總氮產(chǎn)量)×100%

1.3.3牧草營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率及生態(tài)位分離 營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率(competition ratio, CRpm)是度量植物養(yǎng)分吸收能力強(qiáng)弱的一種指標(biāo)[31]。本試驗(yàn)用豆科牧草相對(duì)禾本科牧草對(duì)養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)比率來(lái)衡量養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)能力：

CRpm=(Uil/Usl×Fl)/(Uig/Usg×Fg)

式中：Uig和Uil分別為混播禾草和豆科牧草的養(yǎng)分吸收量；Usg和Usl分別為單播禾草和豆科牧草的養(yǎng)分吸收量；Fg和Fl分別為混播中禾草和豆科牧草所占比例。當(dāng)CRpm>1時(shí)，表明豆科牧草比禾草營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)；當(dāng)CRpm<1時(shí)，表明豆科牧草比禾草營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力弱。

相對(duì)產(chǎn)量(relative yield, RY)和相對(duì)產(chǎn)量總和(relative yield total, RYT)可以反映混播牧草間的競(jìng)爭(zhēng)格局與競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果[13, 21]，可作為養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)的重要參照目標(biāo)。

禾草相對(duì)產(chǎn)量(RYG)=Ygl/(pYg)
豆科牧草相對(duì)產(chǎn)量(RYL)=Yll/(qYl)

式中：Ygl是在混播條件下禾草的單位面積產(chǎn)量，Yg是單播條件下禾草的單位面積產(chǎn)量；Yll是混播條件下豆科牧草的單位面積產(chǎn)量，Yl是單播條件下豆科牧草的單位面積產(chǎn)量；p為禾草在混播中所占比例；q為豆科牧草在混播中所占比例；RYG=1表明禾草的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)與豆科牧草的種間競(jìng)爭(zhēng)相似；RYG>1表明禾草的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)大于其種間競(jìng)爭(zhēng)；RYG<1表明種間競(jìng)爭(zhēng)要大于種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)[13]。

式中:Yij為種i與種j混播時(shí)種i的草產(chǎn)量；Yii為種i單播時(shí)的草產(chǎn)量；Yji為種j同種i混播時(shí)種j的草產(chǎn)量；Yjj為種j單播時(shí)的草產(chǎn)量。RYT值表明混播牧草間的相互關(guān)系及對(duì)同一環(huán)境資源的利用情況；RYT>1時(shí)，混播牧草占有不同的生態(tài)位，利用不同的資源，有一定共生關(guān)系；RYT=1時(shí)，混播牧草種間利用共同的資源；RYT<1時(shí)，表示混播牧草間相互拮抗[32]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)完成后用Origin 8.0制圖。采用q檢驗(yàn)法(Student-Newman-Keuls，SNK)和最小差異顯著法 (Least—significant difference，LSD)進(jìn)行不同混播處理間牧草產(chǎn)量、牧草N產(chǎn)量、生物固氮率、生物固氮量、轉(zhuǎn)氮率、轉(zhuǎn)氮量和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率的差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，采用最小二乘法對(duì)牧草產(chǎn)量與生物固氮率、生物固氮量、轉(zhuǎn)氮率、轉(zhuǎn)氮量和生物固氮對(duì)草地氮產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率進(jìn)行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混播處理牧草產(chǎn)量和N產(chǎn)量的比較

牧草產(chǎn)量和N產(chǎn)量直接反映了不同混播組合氮素利用效率的最終結(jié)果。如圖1所示，從混播種類(lèi)來(lái)看，混播處理牧草產(chǎn)量顯著高于單播處理(P<0.05)；2種豆禾牧草混播(混2)牧草產(chǎn)量顯著高于6種牧草混播(混6)(P<0.05)，混6牧草產(chǎn)量顯著高于4種豆禾牧草混播(混4)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，豆禾牧草異行混播+行距30 cm(Int30)牧草產(chǎn)量顯著高于其他群體結(jié)構(gòu)(P<0.05)；豆禾牧草同行混播+行距15 cm(Mix15)與豆禾牧草異行混播+行距15 cm(Int15)牧草產(chǎn)量、豆禾牧草異行混播+行距15 cm+根系阻隔(Int45)無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于單播(P<0.05)；Int15牧草產(chǎn)量顯著高于Int45(P<0.05)。從各處理來(lái)看，混2+豆禾牧草異行混播+行距30 cm(M2-30)和混6+豆禾牧草異行混播+行距30 cm(M6-30)牧草產(chǎn)量最高，其次為混2+豆禾牧草異行混播+行距15 cm(M2-15)和混2+豆禾牧草同行混播+行距15 cm(T2-15)，且上述4種處理的牧草產(chǎn)量顯著高于混4、混6(M6-30除外)和單播各處理的牧草產(chǎn)量(P<0.05)。

由圖2所示，從混播種類(lèi)來(lái)看，牧草N產(chǎn)量與牧草產(chǎn)量變化規(guī)律類(lèi)似，但混2牧草N產(chǎn)量與混6無(wú)顯著差異，混6牧草N產(chǎn)量也與混4無(wú)顯著差異(P>0.05)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，牧草N產(chǎn)量與牧草產(chǎn)量變化規(guī)律也類(lèi)似。從各處理來(lái)看，M6-30、M2-30、M2-15和T2-15牧草N產(chǎn)量也較高，其他處理的牧草N產(chǎn)量變化規(guī)律與牧草產(chǎn)量相似。

雙因素(混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu))方差分析表明(表2和表3)，混播種類(lèi)與混播種類(lèi)×混播群體結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)牧草產(chǎn)量的影響極顯著(P<0.01)，混播群體結(jié)構(gòu)對(duì)牧草產(chǎn)量的影響顯著(P<0.05)；混播群體結(jié)構(gòu)與混播種類(lèi)×混播群體結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)N產(chǎn)量的影響極顯著(P<0.01)，混播種類(lèi)對(duì)N產(chǎn)量的影響顯著(P<0.05)。上述結(jié)果表明，隨著混播種類(lèi)和混播群體結(jié)構(gòu)的改變，牧草產(chǎn)量和N產(chǎn)量發(fā)生顯著變化，混2、混6+異行混播30 cm行距的處理具有較好的生產(chǎn)性能。

圖1 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理間牧草產(chǎn)量的比較Fig.1 Effects of species diversity, community structures and treatments on forage yield

圖2 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理間牧草N產(chǎn)量的比較Fig.2 Effects of species diversity, community structures and treatments on forage N yield

不同小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)，下同。Different letters within the same figure indicates significant difference (P<0.05), the same below.

2.2 不同混播處理固氮量、氮素利用效率及貢獻(xiàn)率的比較

禾草與豆科牧草混播后，可得到豆科牧草直接或間接轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的氮素。由圖3所示，從混播種類(lèi)來(lái)看，混2固氮量(WN)顯著高于混4和混6(P<0.05)；混2和混6轉(zhuǎn)氮量(WNt)顯著高于混4(P<0.05)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，Int30和Mix15的WN顯著高于其他群體結(jié)構(gòu)(P<0.05)；Int30的WNt顯著高于Mix15和Int15(P<0.05)，且三者均顯著高于Int45(P<0.05)。從各處理來(lái)看，M2-30、T2-15和混4+豆禾牧草同行混播+行距15 cm(T4-15) WN顯著高于其他處理(P<0.05)；M2-30、M6-30和混6+豆禾牧草異行混播+行距15 cm(M6-15)具有較高的WNt。

由圖4所示，從混播種類(lèi)來(lái)看，固氮率(PN)和貢獻(xiàn)率(CBNF)在各混播種類(lèi)處理間無(wú)顯著差異(P>0.05)；混2和混6的轉(zhuǎn)氮率(PNt)顯著高于混4(P<0.05)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，PN在各混播群體結(jié)構(gòu)處理間無(wú)顯著差異(P>0.05)； Int30的PNt顯著高于Mix15和Int15(P<0.05)， Mix15和Int15的PNt顯著高于Int45(P<0.05)，Int45的PNt值為負(fù)值；Int30和Int15的CBNF顯著高于Mix15和Int45(P<0.05)。從各處理來(lái)看，M2-15的PN顯著小于M2-30、T4-15、混4+豆禾牧草異行混播+行距30 cm(M4-30)、M6-15和M6-30(P<0.05)，與其他處理無(wú)顯著差異(P>0.05)；M2-30、T2-15、M6-15和M6-30的PNt顯著高于其他處理(P<0.05)，M6-30的PNt值最高，可達(dá)37.13%，豆禾牧草異行混播+行距15 cm+根系阻隔的各處理PNt值為負(fù)值，顯著小于其他處理(P<0.05)；M2-15、M4-30、M6-30的CBNF較高，分別為53.26%、51.14%和54.23%，與T2-15、混4+豆禾牧草異行混播+行距15 cm+根系阻隔(M4-45)和M6-15無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖3 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理的固氮量Fig.3 Effects of species diversity, community structures and treatments on nitrogen fixation amount

圖4 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理氮素利用效率Fig.4 Effects of species diversity, community structures and treatments on nitrogen use efficiency

不同小寫(xiě)字母(a, b, c…)表示不同處理間固氮量的差異顯著；不同大寫(xiě)字母(A, B, C…)表示不同處理間轉(zhuǎn)氮量的差異顯著；P<0.05。Different letters (a, b, c…) within the same figure indicates significant difference in the amount of nitrogen derived from air (WN), different capital letters (A, B, C…) within the same figure indicates significant difference in the amount of nitrogen derived from legume (WNt),P<0.05. 固氮量：Amount of nitrogen fixation，轉(zhuǎn)氮量：Amount of nitrogen derived from legume. 不同小寫(xiě)字母(a, b, c…)表示不同處理間固氮率的差異顯著；不同大寫(xiě)字母(A, B, C…)表示不同處理間轉(zhuǎn)氮率的差異顯著；不同字母(a′, b′, c′…)表示不同處理間貢獻(xiàn)率的差異顯著；P<0.05。Different letters (a, b, c…) within the same figure indicates significant difference for the percentage of nitrogen derived (PN), different capital letters (A, B, C…) within the same figure indicates significant difference for the percentage of nitrogen derived from legume (PNt), different letters (a′, b′, c′…) within the same figure indicates significant difference for the contribution,P<0.05. 固氮率：Percentage of nitrogen derived，轉(zhuǎn)氮率：Amount of nitrogen derived from legume, 貢獻(xiàn)率：Contribution.

雙因素(混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu))方差分析表明(表3)，混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu)與混播種類(lèi)×混播群體結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)的WN的影響均不顯著(P>0.05)；僅混播群體結(jié)構(gòu)對(duì)WNt的影響顯著(P<0.05)；混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu)與混播種類(lèi)×混播群體結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)CBNF的影響也均不顯著(P>0.05)。上述結(jié)果表明，隨著混播群體結(jié)構(gòu)的改變，混播群體的WNt發(fā)生了顯著變化，異行混播30 cm行距的處理具有較高的固氮能力。

2.3 不同混播處理氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)與生態(tài)位分離的比較

由表2可知，從混播種類(lèi)來(lái)看，混4的豆科牧草吸氮量顯著高于混6(P<0.05)，但與豆科牧草單播(LM)無(wú)顯著差異(P>0.05)；混4的禾草吸氮量也較高，顯著高于禾草單播(GM) (P<0.05)，但與混2、混6無(wú)顯著差異(P>0.05)；混2的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率(CRpm)較高，但與混4、混6也無(wú)顯著差異(P>0.05)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，Mix15的豆科牧草吸氮量顯著高于Int15和Int30(P<0.05)， 與Int45無(wú)顯著差異(P>0.05)； Int30的禾草吸氮量顯著高于Mix15和Int45(P<0.05)，與Int15無(wú)顯著差異(P>0.05)；Mix15和Int45的CRpm顯著高于Int15和Int30(P<0.05)。從各處理來(lái)看，M4-45具有較高的豆科牧草吸氮量，與T2-15和T4-15無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)；M4-30、M4-15具有較高的禾草吸氮量，與M2-30無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)；M4-45還具有較高的CRpm，與T2-15、T4-15、M2-45和T6-15無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)。且多數(shù)處理中禾草的吸氮量大于豆科牧草。雙因素(混播種類(lèi)、混播群體結(jié)構(gòu))方差分析表明(表3)，混播種類(lèi)對(duì)CRpm的影響不顯著(P>0.05)，混播群體結(jié)構(gòu)對(duì)CRpm的影響極顯著(P<0.01)，混播種類(lèi)×混播群體結(jié)構(gòu)的交互作用對(duì)CRpm的影響顯著(P<0.05)。

表2 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理間吸氮量及營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率(CRpm)Table 2 Effects of species diversity, community structures and treatments on nitrogen absorption amounts and competition ratios

注：同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理間的差異顯著，P<0.05。

Note：Different letters within the same column indicates significant difference,P<0.05.

表 3 雙因素方差分析Table 3 The two-way ANOVA

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān);*表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note：** show significant correlation at 0.01 level (double side); * show significant correlation at 0.05 level (double side).

如圖5所示，從混播種類(lèi)來(lái)看，混4、混6豆科牧草相對(duì)產(chǎn)量(RYL)、相對(duì)產(chǎn)量總和(RYT)顯著高于混2 (P<0.05)；各混播種類(lèi)間禾草相對(duì)產(chǎn)量(RYG)無(wú)顯著差異(P>0.05)。從混播群體結(jié)構(gòu)來(lái)看，Int30具有較高的RYL，顯著高于Int15和Mix15(P<0.05)，但與Int45無(wú)顯著差異(P>0.05)；Int30還具有較高的RYG，顯著高于Int15和Int45(P<0.05)，但與Mix15無(wú)顯著差異(P>0.05)；Int30的RYT顯著高于其他混播群體結(jié)構(gòu)(P<0.05)。從各處理來(lái)看，M4-30具有較高的RYL、RYG和RYT，其中，M4-30的RYL與M6-15、M6-30和M6-45無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)；M4-30的RYG與T2-15、M2-30無(wú)顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)；M4-30的RYT顯著高于其他處理(P<0.05)。上述結(jié)果表明，隨著混播群體結(jié)構(gòu)的改變，混播群體的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)率和競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了顯著變化，異行混播30 cm行距的處理具有較低的豆科牧草氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)率以及豆禾牧草生態(tài)位分離，具有較高的資源利用效率。

圖5 不同混播種類(lèi)、群體結(jié)構(gòu)和處理間相對(duì)產(chǎn)量及相對(duì)產(chǎn)量總和的比較 Fig.5 Effects of species diversity, community structures and treatments on relative yield and relative yield total 不同小寫(xiě)字母(a, b, c…)表示不同處理間豆科牧草相對(duì)產(chǎn)量的差異顯著；不同大寫(xiě)字母(A, B, C…)表示不同處理間禾草相對(duì)產(chǎn)量的差異顯著；不同字母(a′, b′, c′…)表示不同處理間相對(duì)產(chǎn)量總和的差異顯著；P<0.05。Different letters (a, b, c…) within the same figure indicates relative yield of legume significant difference, different capital letters (A, B, C…) within the same figure indicates relative yield of grass significant difference, different letters (a′, b′, c′…) within the same figure indicates relative yield total significant difference, P<0.05. RY: Relative yield; RYT: Relative yield total. 下同 The same below.豆科牧草相對(duì)產(chǎn)量：Relative yield of legume，禾草相對(duì)產(chǎn)量：Relative yield of grass，相對(duì)產(chǎn)量總和：Relative yield total.

2.4 牧草產(chǎn)量和相對(duì)產(chǎn)量總和與固氮量、固氮效率和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)等參數(shù)的關(guān)系

如圖6所示，對(duì)牧草產(chǎn)量和RYT與固氮能力、固氮效率和營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)等參數(shù)之間進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)(n=12)：牧草產(chǎn)量與WNt呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與WN、PN、PNt呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與CBNF和CRpm呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；牧草產(chǎn)量與WN、WNt、PNt和CRpm間的關(guān)系可用二項(xiàng)式函數(shù)模型表示，與PN和CBNF間的關(guān)系可用三項(xiàng)式函數(shù)模型表示。RYT與CRpm呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與WN、PN和CBNF呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，與WNt、PNt呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；RYT與PN間的關(guān)系可用一元線(xiàn)性函數(shù)模型表示，與WNt、PNt和CBNF間的關(guān)系可用二項(xiàng)式函數(shù)模型表示，與WN間的關(guān)系可用三項(xiàng)式函數(shù)模型表示，與CRpm間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)模型表示。上述結(jié)果表明，牧草產(chǎn)量與轉(zhuǎn)氮量關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，而與其他固氮效率與固氮量參數(shù)關(guān)聯(lián)性較弱；相對(duì)產(chǎn)量總和與營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，而與固氮效率與固氮量參數(shù)關(guān)聯(lián)性較弱。

3 討論

3.1 混播種類(lèi)對(duì)氮素利用效率和生產(chǎn)性能的影響

在間混作群體中，植物種之間的競(jìng)爭(zhēng)和互補(bǔ)提高了產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率，主要原因包括間混作植物根系間作用對(duì)養(yǎng)分吸收的促進(jìn)、作物產(chǎn)量形成的競(jìng)爭(zhēng)-恢復(fù)、養(yǎng)分高效利用以及植物對(duì)非高效作物養(yǎng)分的有效化等[33]。大部分研究是通過(guò)豆科牧草與禾草/農(nóng)作物(豆科牧草+禾草或豆科牧草+農(nóng)作物)2種植物種的組合來(lái)研究氮素利用效率、生物固氮量和生產(chǎn)性能改善，如Snoeck等[31]利用15N自然豐度法研究了在咖啡種植園中套種豆科植物，咖啡對(duì)豆科植物所提供的氮素的利用狀況，結(jié)果表明咖啡30%的氮素來(lái)源于豆科植物；朱樹(shù)秀等[34]對(duì)老芒麥(Elymussibiricus)與紫花苜蓿混播盆栽進(jìn)行了氮素轉(zhuǎn)移的研究，結(jié)果表明，盆栽的當(dāng)年老芒麥從與之混播的苜蓿固定的氮中獲得植物生長(zhǎng)所需的22.9%～33.4%的氮，次年獲得56%的氮。而另一方面，有關(guān)植物多樣性對(duì)牧草產(chǎn)量或生物量影響的研究則表明，隨著混播種類(lèi)的增加，牧草產(chǎn)量呈增加的趨勢(shì)[35]，且混播種類(lèi)多的草地長(zhǎng)期利用的穩(wěn)定性更好[28]。這是否意味著混播種類(lèi)的增加有利于生物固氮量的增加，氮素利用效率的增加，從而使豆禾牧草養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)減弱，生態(tài)位分離，產(chǎn)生互補(bǔ)作用，生產(chǎn)性能提升？本研究結(jié)果表明，與單播牧草相比，各混播種類(lèi)組合牧草產(chǎn)量、N產(chǎn)量均顯著增加，但混播種類(lèi)的增加未使牧草產(chǎn)量、N產(chǎn)量進(jìn)一步增加(圖1和圖2)。與此同時(shí)，隨著混播種類(lèi)的增加，固氮量呈減少趨勢(shì)，轉(zhuǎn)氮量、轉(zhuǎn)氮率和貢獻(xiàn)率均呈先下降后上升的變化規(guī)律(圖3和圖4)；但豆科牧草相對(duì)產(chǎn)量呈增加趨勢(shì)，禾草相對(duì)產(chǎn)量和氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)率呈減少趨勢(shì)，相對(duì)產(chǎn)量總和呈增加趨勢(shì)(表2，圖5)。由此可見(jiàn)，混播種類(lèi)的增加為豆禾牧草間資源的高效利用提供了更多機(jī)會(huì)，混播系統(tǒng)使氮素的固定、傳遞及吸收效率提高，對(duì)氮素的養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)也隨之下降，為豆禾牧草的生態(tài)位分離提供了重要途徑。但混播種類(lèi)或者說(shuō)植物物種多樣性對(duì)混播系統(tǒng)生態(tài)功能影響是復(fù)雜的，不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為種類(lèi)數(shù)量增加，混播系統(tǒng)生態(tài)功能隨之提高[36]，其中植物種的功能屬性可能更能決定系統(tǒng)的功能屬性[37]。因此，在豆禾牧草混播系統(tǒng)中利用混播種類(lèi)提升系統(tǒng)功能可能并不能達(dá)到滿(mǎn)意效果，篩選高效養(yǎng)分利用的物種混播組合更為關(guān)鍵。

圖6 牧草產(chǎn)量和相對(duì)產(chǎn)量總和與固氮量、轉(zhuǎn)氮量、固氮率、轉(zhuǎn)氮率、氮產(chǎn)量貢獻(xiàn)率及營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率的關(guān)系Fig.6 The relationship between forage yield and WN, WNt, PN, PNt, CBNF and CRpm, and the relationship between RYT and WN, WNt, PN, PNt, CBNF and CRpm

3.2 群體結(jié)構(gòu)對(duì)氮素利用效率和生產(chǎn)性能的影響

群體空間結(jié)構(gòu)的變化(行距、間套作、同行、異行)直接改變了植物群體光能的截獲、地上地下種間競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程以及產(chǎn)量潛力的發(fā)揮[38]，還可影響土壤氮素的利用[39]以及混播物種間氮素利用共存關(guān)系[40]。Zhao等[40]認(rèn)為間作群體的空間結(jié)構(gòu)顯著影響了豆科作物的生物固氮能力、間作系統(tǒng)的氮素利用效率以及“氮阻遏”效應(yīng)。但也有研究認(rèn)為不同間作群體的空間結(jié)構(gòu)之間，氮素利用的互補(bǔ)作用差異不顯著[5]。本研究結(jié)果表明，豆禾牧草異行混播+行距30 cm的群體空間結(jié)構(gòu)具有較高的牧草產(chǎn)量、N產(chǎn)量、轉(zhuǎn)氮量、轉(zhuǎn)氮率、貢獻(xiàn)率以及相對(duì)產(chǎn)量總和，但氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)率較低(圖1～圖5，表2)。由此可見(jiàn)，優(yōu)化豆禾牧草群體結(jié)構(gòu)可以有效改善豆科牧草向禾草轉(zhuǎn)移氮素的效率，促進(jìn)二者之間在氮素利用上形成共存，顯著提高混播系統(tǒng)生態(tài)功能。與此同時(shí)，牧草產(chǎn)量(或N產(chǎn)量)與轉(zhuǎn)氮量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而相對(duì)產(chǎn)量總和與氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)比率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(圖6)，這也進(jìn)一步證明了豆科牧草轉(zhuǎn)移氮素效率的提高有助于牧草產(chǎn)量的增加，而豆科牧草氮素營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的下降促進(jìn)了豆科與禾本科牧草之間氮素營(yíng)養(yǎng)的共存，為混播系統(tǒng)生態(tài)功能的提升提供了重要途徑。

4 結(jié)論

混播種類(lèi)及其組合、混播群體的空間結(jié)構(gòu)(行距、同行、異行、異行阻隔)改變了豆禾混播草地土壤養(yǎng)分利用與競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，使得混播系統(tǒng)的氮素吸收、轉(zhuǎn)移與利用效率發(fā)生變化，生態(tài)功能也隨之改變。與單播相比，各混播組合顯著提高了其資源利用效率和生態(tài)功能；但混播種類(lèi)的增加并未顯著增加混播群體生態(tài)功能，僅僅使混播群體發(fā)生共存的概率增加。從同行混播到異行混播以及行距增加，使得地下根系對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度減弱，由豆科牧草固定及轉(zhuǎn)移的氮素呈增加趨勢(shì)，混播群體氮素利用的互補(bǔ)作用增強(qiáng)，種間相容性增加。但根系阻隔下，由豆科牧草固定及轉(zhuǎn)移氮素的途徑被阻斷，混播群體互補(bǔ)作用被嚴(yán)重削弱。上述結(jié)果較好地反映了混播群體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以使豆禾混播牧草根系氮素固定、轉(zhuǎn)移、利用途徑和效率得到提高，為混播系統(tǒng)生態(tài)功能的提升提供了重要基礎(chǔ)。對(duì)混播種類(lèi)與群體空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮，混2(無(wú)芒雀麥+紅豆草)和混6(無(wú)芒雀麥+貓尾草+鴨茅+紅豆草+紫花苜蓿+紅三葉)+異行混播+行距30 cm的組合具有較高的氮素固定、轉(zhuǎn)移效率，生產(chǎn)性能也較好。