水氮耦合對無芒雀麥產(chǎn)量及氮磷鉀化學(xué)計(jì)量特征的影響

唐仲霞，銀敏華，齊廣平，康燕霞，馬彥麟，汪精海，賈 瓊，汪愛霞，姜淵博

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

近年來，由于人類活動(dòng)引起的天然草地“三化”問題日益凸顯[1]。建植人工草地已成為實(shí)現(xiàn)草牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[2]，但現(xiàn)有飼草生產(chǎn)管理方式粗放，水氮投入的隨意性導(dǎo)致水氮資源優(yōu)勢未能充分發(fā)揮，牧草生產(chǎn)效率低下，氮沉降生態(tài)問題日益嚴(yán)重等[3–4]。水分調(diào)控和氮素添加是模擬自然水分變化和氮沉降增加對草地生態(tài)系統(tǒng)影響的重要手段[5]。因此，研究水氮調(diào)控對牧草產(chǎn)量及養(yǎng)分化學(xué)計(jì)量特征的影響，對實(shí)現(xiàn)草地“生產(chǎn)生態(tài)有機(jī)結(jié)合”具有重要意義。

牧草產(chǎn)量是衡量草地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)牧草產(chǎn)業(yè)可有效保障草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及緩解國內(nèi)持續(xù)增加的牧草剛性需求[3]。氮、磷、鉀作為植物生長的必需元素，積極參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)合成以及能量代謝等生理過程[6]，其含量可反映植物養(yǎng)分狀態(tài)及植株對環(huán)境變化做出的養(yǎng)分調(diào)整策略[7–8]；其比值可反映植物對生長環(huán)境的適應(yīng)能力，是有效預(yù)測草地生態(tài)系統(tǒng)變化和評定初級生產(chǎn)力限制性元素類型[9–11]的重要指標(biāo)。施肥是保障牧草養(yǎng)分獲取及產(chǎn)量提升的有效途徑。研究表明，草地養(yǎng)分會隨著降水、刈割等方式流失或輸出[12]，通過施肥可及時(shí)補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，以維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡及調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)元素比例[13]。氮、磷、鉀作為牧草生長過程中需求量較大的營養(yǎng)元素，國內(nèi)外學(xué)者對其多有研究。蘇富源等[14]發(fā)現(xiàn)，施用氮肥140 kg/hm2可使羊草產(chǎn)量及氮、磷、鉀吸收量達(dá)到峰值。孫艷梅等[15]發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下施磷100 kg/hm2可使苜蓿干草產(chǎn)量及各器官磷含量達(dá)到最大。劉文輝等[16]對缺鉀地區(qū)燕麥草的研究發(fā)現(xiàn)，施鉀40 kg/hm2可獲得最高牧草產(chǎn)量及粗蛋白含量。然而，德科加等[17]對高寒草甸植物的研究表明，施肥可以顯著影響植物生長，相較于磷素和鉀素，氮素是大多數(shù)草本植物的限制因子。此外，禾本科牧草較豆科牧草對氮素更為敏感[18]。

目前，針對氮素添加、水分調(diào)控等單一因子對草地生態(tài)系統(tǒng)的研究已有很多。氮素添加可間接提高土壤中可利用氮素含量，為植物生長提供氮素來源[19]。在氮水平較低的草地生態(tài)系統(tǒng)中，施加氮肥對系統(tǒng)生產(chǎn)力具有正效應(yīng)，當(dāng)?shù)亻L期作用于系統(tǒng)時(shí)，會使氮含量持續(xù)增加直至飽和，致使生產(chǎn)力逐漸降低，即氮素添加對草地生產(chǎn)力存在氮臨界負(fù)荷[20–21]。此外，添加氮素可以顯著提升土壤有效氮含量以及速效鉀含量，促進(jìn)植物體對N、K的吸收，但引起的土壤酸化問題，有可能會加劇土壤鋁離子的溶出，使得植物體P吸收受到抑制[22–23]；也有研究認(rèn)為土壤酸化可緩解堿性土壤Ca-P沉淀現(xiàn)象[24]，從而提高土壤有效磷含量，促進(jìn)植物體P吸收。氮素添加在時(shí)間跨度上對植物組織的N/P影響不同，短期施用氮肥會增大N/P，而長期施用氮肥則對植物體N/P沒有顯著影響[19]。同時(shí)，水分對干旱半干旱地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的限制，隨著全球變暖的趨勢日益突出。據(jù)研究降水量的增加可以直接提高土壤水分和養(yǎng)分有效性[25]，因此，可以推測在干旱半干旱地區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃盅a(bǔ)償將對草地生產(chǎn)力及植物營養(yǎng)狀況產(chǎn)生積極作用。研究表明，水分調(diào)控對人工草地生產(chǎn)力影響很大，在一定范圍內(nèi)，牧草初級生產(chǎn)力隨水分補(bǔ)償力度的增加而線性增加，當(dāng)水分添加即將達(dá)到土壤水分飽和時(shí)，增幅減小，其后隨著水分補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)一步增加出現(xiàn)不增反降的趨勢[26]。此外，水分補(bǔ)償可通過凋落物分解[27]和氮素礦化[28]等途徑有效刺激土壤氮代謝酶活性，促進(jìn)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，從而改變植物組織中N/P、K/P等。綜上可知，氮素添加能夠帶動(dòng)整個(gè)草地生態(tài)系統(tǒng)的水分及養(yǎng)分應(yīng)答效應(yīng)[29]，水分補(bǔ)償有助于改善牧草利用養(yǎng)分的環(huán)境條件[30]。然而水氮互作是否會充分調(diào)動(dòng)植物吸收征調(diào)能力，優(yōu)化水資源獲取，提高植物生產(chǎn)力，以彌補(bǔ)水氮虧缺產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

河西走廊是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，草地面積廣闊、四季分明、光熱充足、牧草生長條件優(yōu)越[31]，但多年來降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、氮肥施用過量，嚴(yán)重影響了該區(qū)草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[32]及草地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素的供應(yīng)狀況[33]。無芒雀麥具有葉量大、適口性好、營養(yǎng)豐富和適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于牧草產(chǎn)業(yè)化和人工草地建設(shè)，是當(dāng)前我國重要的栽培牧草之一[34]。因此，本研究開展不同水氮處理對無芒雀麥產(chǎn)量和氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征的影響，探討水氮互作對無芒雀麥產(chǎn)量和養(yǎng)分含量及比例的影響機(jī)制，旨在為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)評價(jià)、草地生產(chǎn)力限制評定及牧草水氮管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2020年在甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)前灘村牧草基地 (E 98°47′，N 39°67′，海拔1387 m)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)氣候?qū)俚湫偷膬?nèi)陸干旱性氣候，日照強(qiáng)烈，年均氣溫7.3℃，7月最高，1月最低，年均日照時(shí)數(shù)3014 h，無霜期平均為130天，年均降水量為85 mm，年均蒸發(fā)量為2149 mm，降水主要集中在6—9月份。2020年試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)由距離試驗(yàn)地50 m的農(nóng)業(yè)氣象站測定，試驗(yàn)階段降水量為50.86 mm，平均氣溫為20.08℃，具體如圖1所示。試驗(yàn)地土壤類型為砂壤土，田間持水量和凋萎點(diǎn)分別為33.98%和8.8% (均為體積含水量)，0—120 cm 土層容重 1.51 g/cm3，pH 7.4，有機(jī)質(zhì)3.16 g/kg，土壤全氮(N)、全磷(P)和全鉀(K)含量分別為0.22、0.24和7.6 g/kg，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為7.65、8.49、3.18和257.66 mg/kg。

圖1 試驗(yàn)期間氣象條件Fig. 1 Meteorological condition during experiment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在噴灌條件下進(jìn)行，以無芒雀麥(Bromus inermis) (卡爾頓無芒雀麥，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供)為試驗(yàn)材料，于2018年5月8日人工條播，播種量 30 kg/hm2，播深 2 cm，間距 30 cm，各小區(qū)鋪設(shè)PE材質(zhì)熱熔管道，正中心布設(shè)噴頭(蝶形噴頭，大禹節(jié)水集團(tuán)提供)，圓形噴射，噴射半徑2～4 m。

本試驗(yàn)始于2020年，采取灌水下限和施氮量雙因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，參考當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐和其他學(xué)者研究，設(shè)置4個(gè)灌水水平和4個(gè)施氮水平(表1)。其中灌水水平按照田間持水量(θf)范圍進(jìn)行設(shè)置，分別為：75%～85% θf(W0，充分灌水)、45%～85% θf(W1，重度水分虧缺)、55%～85%θf(W2，中度水分虧缺)、65%～85% θf(W3，輕度水分虧缺)。選擇計(jì)劃濕潤層深度為80 cm，當(dāng)計(jì)劃濕潤層含水量達(dá)到下限時(shí)開始灌水，直至土壤水分達(dá)到田間持水量的85%停止灌水，各小區(qū)獨(dú)立安裝閥門和水表(精度0.0001 m3)進(jìn)行嚴(yán)格控水。每個(gè)灌溉水平下設(shè)置 0、60、120 和 180 kg/hm24 個(gè)施氮梯度，依次記為 N0(不施氮)、N1(低氮)、N2(中氮)和N3(高氮)，選擇N0施氮水平為對照，且于第1茬返青期及第2、3茬再生期(4月中旬、6月上旬和8月初)采取撒施措施施入氮肥，三茬占比為5∶3∶2，氮肥選擇尿素(N≥46%)，且以上氮肥用量均指純氮。試驗(yàn)期間除灌水、施氮外，其余田間管理均按照當(dāng)?shù)啬敛莞弋a(chǎn)田進(jìn)行。本次試驗(yàn)共計(jì)16個(gè)處理，每處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，共48個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)，小區(qū)間間隔 1 m，試驗(yàn)地周圍設(shè)置 1 m的保護(hù)行，處理前統(tǒng)一灌水至田間持水量，然后開始試驗(yàn)。

表1 每個(gè)處理不同生育期灌溉土壤水分控制下限和施氮量Table 1 The lower limit of soil moisture and nitrogen application rate at different growth periods of each treatment

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤含水率 采用便攜式時(shí)域反射儀TDR(德國IMKO公司產(chǎn)PICO-BT)測定土壤含水率，于每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)距離中央1.25 m處隨機(jī)布設(shè)1根測管，監(jiān)測根區(qū)0—120 cm土層體積含水率。每隔7天測定1次，灌水前后和降水后加測，每隔15天用取土烘干法對土壤含水率進(jìn)行校正。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)主要用來判斷土壤是否達(dá)到設(shè)計(jì)灌水下限，并計(jì)算土壤所需灌水量。

1.3.2 牧草產(chǎn)量 在無芒雀麥抽穗期結(jié)束后，各小區(qū)隨機(jī)選取2個(gè)1 m×1 m的樣方進(jìn)行刈割，殘茬高5 cm，將所取樣品放入紙袋后稱其鮮重，然后放入烘箱，于 105℃ 殺青30 min，75℃ 恒溫烘 48 h，冷卻后稱其干重。

1.3.3 牧草養(yǎng)分含量 植物樣品經(jīng)烘干后粉碎成末用H2SO4–H2O2消煮—?jiǎng)P氏定氮法測全氮含量；鉬銻抗比色法測全磷含量；火焰光度計(jì)法測全鉀含量。氮磷鉀的化學(xué)計(jì)量比為植物組織中全氮磷鉀含量的質(zhì)量比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)在 Microsoft Excel 2010 中進(jìn)行整理運(yùn)算。采用 IBM Spss Statistics 23.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同處理間產(chǎn)量、氮磷鉀含量及化學(xué)計(jì)量比采用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(P<0.05)；采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗(yàn)水分補(bǔ)償、施用氮肥及其交互作用(P<0.05)；采用非線性回歸模型擬合水氮與產(chǎn)量、養(yǎng)分含量的二元非線性回歸預(yù)測方程(P<0.05)。采用相關(guān)性雙變量分析產(chǎn)量、N、P、K、N/P、K/P、N/K之間的相關(guān)關(guān)系(P<0.05為差異顯著)。采用Origin 9.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控下無芒雀麥的產(chǎn)量

由圖2和表2可知，無芒雀麥干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)為第1茬>第2茬>第3茬，且水分補(bǔ)償和施用氮肥對各茬次產(chǎn)量影響規(guī)律表現(xiàn)一致。水分補(bǔ)償和施用氮肥對無芒雀麥3茬產(chǎn)量影響均達(dá)到極顯著水平，水分補(bǔ)償使無芒雀麥第1、2、3茬產(chǎn)量依次提高25.52%～70.07%、18.40%～61.60%和13.39%～51.05%(P<0.0 1)，施用氮肥后則分別提高2 3.7 1%～7 6.2 1%、2 4.1 9%～8 3.9 8%和26.65%～86.95% (P<0.01)。其中，水氮對第1茬產(chǎn)量有極顯著交互作用，N1W2、N2W3和N3W0較N0W1處理產(chǎn)量分別提高60.61%、161.78%和146.79%；對第2、3茬產(chǎn)量交互作用不顯著。

圖2 不同水氮組合下無芒雀麥的產(chǎn)量Fig. 2 Yield ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

表2 水氮及其交互作用對無芒雀麥產(chǎn)量的方差分析(F值)Table 2 Anova analysis of irrigation, nitrogen application,and their interaction onBromus inermis yield (F-value)

水分補(bǔ)償和施用氮肥對無芒雀麥總產(chǎn)量有極顯著交互作用，N1W2、N2W3和N3W0較N0W1處理產(chǎn)量分別提高66.65%、157.95%和144.72%。隨著施氮量的增加，無芒雀麥總產(chǎn)量顯著增加，但施氮量120 kg/hm2與180 kg/hm2處理牧草產(chǎn)量差異不顯著，施用氮肥使無芒雀麥總產(chǎn)量提高31.10%～88.88%；隨著灌水下限的提高，無芒雀麥總產(chǎn)量顯著增加，充分灌溉與輕度水分脅迫無顯著性差異，水分補(bǔ)償使無芒雀麥總產(chǎn)量顯著提高21.96%～58.09%；且無芒雀麥總產(chǎn)量在N2W3處理下達(dá)到峰值12259.54 kg/hm2。

通過以上分析可知，適宜的水氮組合不僅可以節(jié)約成本，還能獲得較高的牧草產(chǎn)量。以施氮量(X1)和灌水量(X2)為自變量，無芒雀麥總產(chǎn)量(Y)為因變量進(jìn)行回歸分析，擬合得出方程：0.000353X1X2+74.731X1+96.226X2?18924.016，對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得P<0.001，且R2=0.919，說明所建立回歸方程擬合度良好，具有較高的生產(chǎn)預(yù)測可信度。從方程中還可看出，一次項(xiàng)系數(shù)為正，二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，說明無芒雀麥總產(chǎn)量隨施氮量和灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢，交互項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，說明水氮之間存在耦合，兩者共同作用有助于無芒雀麥產(chǎn)量的提高。產(chǎn)量最高可達(dá)13308.03 kg/hm2，對應(yīng)施氮和灌水量分別為152.30 kg/hm2和552.11 mm(圖 3)。

圖3 水氮調(diào)控與無芒雀麥產(chǎn)量的回歸模型Fig. 3 Regression model of irrigation and nitrogen application onBromus inermis yield

2.2 水氮調(diào)控下無芒雀麥的氮磷鉀含量

由圖4和表3可知，第1茬無芒雀麥氮磷鉀含量略低于第2茬，但均顯著高于第3茬。施用氮肥和水分補(bǔ)償對各茬次牧草氮磷鉀含量均有極顯著影響(P<0.01)。施用氮肥處理使第1、2、3茬無芒雀麥氮含量分別提高9.35%～39.55%、15.97%～39.47%和9.41%～60.36%，水分補(bǔ)償則分別提高5.2 2%～3 6.8 3%、8.8 3%～3 7.3 9%和9.07%～54.55%。與不施氮處理相比，施用氮肥處理顯著降低了牧草磷含量，表現(xiàn)為第1茬降低4.96%～23.01%，第2茬降低6.31%～30.21%，第3茬降低2.50%～26.47%；與重度水分虧缺相比，水分補(bǔ)償顯著提高牧草磷含量，表現(xiàn)為第1茬提高8.57%～34.52%，第2茬提高8.33%～37.31%，第3茬提高0%～34.48%。施用氮肥和水分補(bǔ)償對無芒雀麥鉀含量的影響趨勢與對氮含量影響一致，N2與N3處理無顯著性差異，W0與W3處理無顯著性差異。水氮對3茬牧草氮磷鉀含量均無顯著交互作用，但N1W2、N2W3和N3W0處理各養(yǎng)分含量均較N0W1有所提升，以N含量為例，其值依次提高了32.67%、67.63%和53.55%（3茬加權(quán)平均值）。

圖4 不同水氮組合下無芒雀麥的氮磷鉀含量Fig. 4 N, P, and K contents ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

表3 水氮及其交互作用對無芒雀麥氮磷鉀含量的方差分析(F值)Table 3 Anova analysis of irrigation, nitrogen application rate, and their interaction on N, P and K content ofBromus inermis (F-value)

通過以上分析可知，無芒雀麥N、K含量均隨施氮量和灌水量的增加先增加后減小，各茬次N、K含量均在N2W3處理下達(dá)到最大值；而無芒雀麥P含量則隨施氮量的增加而減小，隨灌水量的增加而增加。因此，為了進(jìn)一步探究施用氮肥和水分補(bǔ)償對無芒雀麥氮、磷、鉀含量的影響，以施氮量和灌水量為自變量，以無芒雀麥氮、磷、鉀含量的加權(quán)平均數(shù)為因變量進(jìn)行回歸分析，得出擬合方程(表4)。

表4 無芒雀麥氮磷鉀含量與水氮組合之間的回歸方程Table 4 Regression equation of combined irrigation and nitrogen application rate and N, P and K contents inBromus inermis

分析回歸模型(圖5)可知，擬合方程均達(dá)到極顯著水平，決定系數(shù) 在0.824～0.895，說明施氮量與灌水量對無芒雀麥氮、磷、鉀含量影響顯著。根據(jù)無芒雀麥氮、鉀含量回歸模型可知，一次項(xiàng)系數(shù)為正，二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，說明無芒雀麥氮、鉀含量隨施氮量和灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢，而水氮交互項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，同時(shí)兩者交互作用不顯著(表3、表4)，說明水氮與無芒雀麥氮、鉀含量之間的耦合效應(yīng)不明顯。氮、鉀含量最高為23.6和23.1 mg/g，對應(yīng)點(diǎn)分別是施氮136.84 kg/hm2、灌水546.34 mm 和施氮 139.26 kg/hm2、灌水 552.48 mm。

圖5 水氮調(diào)控與無芒雀麥氮磷鉀含量的回歸模型Fig. 5 Regression model of irrigation and nitrogen application rate onBromus inermis N, P, and K contents

根據(jù)無芒雀麥磷含量模型可知，一次項(xiàng)系數(shù)為R2正，二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，這與磷含量隨施氮量的增加而減小，隨灌水量的增加而增加不一致，實(shí)際應(yīng)為施氮量一次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，二次項(xiàng)系數(shù)為正，灌水量一次項(xiàng)系數(shù)為正，二次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，其原因可能是加權(quán)平均過程中產(chǎn)量對無芒雀麥的影響遠(yuǎn)大于磷，導(dǎo)致模型建立有所偏差；其次，所構(gòu)建的模型未能尋優(yōu)成功，其主要原因可能是試驗(yàn)設(shè)置施氮量與灌水量未達(dá)到無芒雀麥磷含量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2.3 水氮調(diào)控下無芒雀麥的氮磷鉀化學(xué)計(jì)量比

由表5和圖6可知，施用氮肥和水分補(bǔ)償對各茬次無芒雀麥N/P、N/K和K/P均無顯著交互作用。氮素添加對第1、2、3茬無芒雀麥N/P、K/P均有極顯著影響(P<0.01)，以第2茬為例，具體表現(xiàn)為：N1、N2和N3處理分別較N0處理N/P提高16.73%～25.35%、54.14%～84.82%和61.20%～88.45%，K/P提高24.47%～36.49%、63.24%～85.37%和70.98%～89.42%。水分補(bǔ)償對無芒雀麥N/P、K/P的影響則與茬次有關(guān)，第1茬和第2茬表現(xiàn)為無顯著影響，第3茬則表現(xiàn)為顯著影響(P<0.05)，但是N/P、K/P總體趨勢均表現(xiàn)為隨著灌水量的增加先增后減，W0水平下其值最低；N/K對氮素添加和水分補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)均表現(xiàn)為不顯著。不同茬次間無芒雀麥N/P、N/K、K/P取值范圍存在差異。其中，第1茬N/P、N/K、K/P的取值范圍分別為4.57%～8.28%、0.95%～1.16%、4.62%～8.26%；第2茬取值范圍分別是5.01%～9.26%、0.96%～1.20%、4.60%～9.12%；第3茬則為4.48%～9.60%、0.75%～1.03%、5.48%～9.21%。

表5 不同水氮組合對無芒雀麥氮磷鉀化學(xué)計(jì)量比的影響(F值)Table 5 N, P, and K stoichiometry ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate (F-value)

圖6 不同水氮組合下無芒雀麥的氮磷鉀化學(xué)計(jì)量比Fig. 6 N, P and K stoichiometry ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

2.4 水氮調(diào)控下無芒雀麥各指標(biāo)相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表6)表明，試驗(yàn)范圍內(nèi)產(chǎn)量與P含量相關(guān)不顯著，與N/K相關(guān)不顯著，與其余各指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；N含量與P含量相關(guān)不顯著，與N/K相關(guān)性不顯著，與其余各指標(biāo)極顯著正相關(guān)(P<0.01)；P含量與N/P和K/P極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與K含量和N/K相關(guān)性不顯著；K含量與N/P和K/P極顯著正相關(guān)，與N/K相關(guān)不顯著；N/P與N/K相關(guān)不顯著，與K/P極顯著正相關(guān)(P<0.01)；N/K與K/P相關(guān)不顯著。

表6 無芒雀麥各指標(biāo)相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of various indexes ofBromus inermis

3 討論

3.1 水氮調(diào)控對無芒雀麥產(chǎn)量的影響

水分和氮素是制約河西走廊地區(qū)牧草產(chǎn)量提升的主要因子[26,31–32]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分補(bǔ)償和氮素添加均顯著提高了無芒雀麥各茬次產(chǎn)量，其中第1茬產(chǎn)量顯著高于其余兩茬，這與徐舶[35]的研究結(jié)果一致。水分補(bǔ)償可以促進(jìn)植物有機(jī)物的合成，同時(shí)植物細(xì)胞的分裂和延伸生長需要一定的膨壓，而水分的增加可以調(diào)動(dòng)細(xì)胞膨壓積極性，從而影響細(xì)胞分裂和擴(kuò)展，使得植物生長有效提升，進(jìn)而提高牧草產(chǎn)量[30]；氮素添加可以增加土壤有效氮含量，間接彌補(bǔ)水分不足對植株生長發(fā)育造成的負(fù)效應(yīng)[36]。沙栢平等[37]在紫花苜蓿的研究中發(fā)現(xiàn)：低水低肥對牧草增產(chǎn)效應(yīng)較小，高水高肥增產(chǎn)明顯。與此相同，本研究中水氮互作對無芒雀麥總產(chǎn)量的影響存在明顯的耦合效應(yīng)，其效應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果與土壤干旱程度和施肥量多少有關(guān)。當(dāng)土壤處于嚴(yán)重干旱程度時(shí)，施加氮肥增產(chǎn)效果較低，這是因?yàn)橹参锸艿絿?yán)重干旱脅迫時(shí)會抑制根系的生長，不利于植物對養(yǎng)分的吸收利用，甚至過多的氮肥可能還會引起“燒苗”現(xiàn)象[30]；當(dāng)土壤處于適宜水分條件時(shí)，施氮有利于土壤氨化細(xì)菌的生長繁殖，能使土壤中銨態(tài)氮顯著增多，且不易流失，對牧草產(chǎn)量的累積起到積極作用；而過多的水分和過量的氮肥則會抑制植物根系呼吸的敏感性，降低土壤微生物數(shù)量及活性，進(jìn)而影響土壤呼吸速率[38]，導(dǎo)致植物生長緩慢甚至死亡。本研究通過回歸分析得出，無芒雀麥產(chǎn)量峰值點(diǎn)為施氮 152.30 kg/hm2、灌水 552.11 mm，最高可達(dá)13308.03 kg/hm2，這也進(jìn)一步說明無芒雀麥產(chǎn)量對氮素和水分的響應(yīng)存在閾值。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)施氮量對產(chǎn)量的增加效果要顯著高于灌水，這與胡優(yōu)[39]的研究結(jié)果相反。造成這種差異的原因可能有：1)試驗(yàn)區(qū)土壤貧瘠，牧草生長受到氮素的嚴(yán)重限制。試驗(yàn)區(qū)在建植人工草地前，屬于廢棄荒地，多年荒廢使得原本有生產(chǎn)能力的土地逐漸退化。2)供試的無芒雀麥為三年生，設(shè)置施氮處理前均只進(jìn)行灌水處理，而水分的添加會在一定程度上導(dǎo)致土壤養(yǎng)分淋溶，使得土壤越發(fā)貧瘠。3)牧草物種差異。紫花苜蓿屬豆科牧草，其本身具有一定的固氮能力，而無芒雀麥屬于禾本科牧草，在單播情況下其氮素來源只能為外源氮素；而且苜蓿的根系生長較無芒雀麥發(fā)達(dá)，對土壤養(yǎng)分的吸收利用更強(qiáng)。

3.2 水氮調(diào)控對無芒雀麥氮磷鉀含量的影響

植物養(yǎng)分含量能反映植物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)[6]。水分和氮素作為影響植物體的兩大因子，其變化會在很大程度上引起植株體內(nèi)元素波動(dòng)。本研究中，水分補(bǔ)償和氮素添加顯著提高了無芒雀麥各茬次N、K含量，對于P含量：水分補(bǔ)償對其有顯著增加效果，氮素添加反而降低其含量。水分補(bǔ)償對無芒雀麥N、P、K含量的顯著增加可以表明河西走廊地區(qū)可利用水資源短缺，有必要針對當(dāng)?shù)厝斯げ莸剡M(jìn)行水分調(diào)控，這是因?yàn)橹挥性谥参锟衫盟州^少時(shí)水分補(bǔ)償才會對植物養(yǎng)分含量產(chǎn)生明顯影響[40]。通常，當(dāng)植株處于干旱脅迫時(shí)，土壤中參與養(yǎng)分循環(huán)的轉(zhuǎn)化酶活性受到抑制，而水分添加可以有效緩解干旱脅迫，活化土壤中的可利用元素[41]，從而提高植株體內(nèi)的N、P、K含量以及對環(huán)境條件的適應(yīng)能力，孫彩麗等[19]的研究同樣證明了這點(diǎn)。此外，氮素添加對無芒雀麥N、P、K含量的影響可以說明試驗(yàn)區(qū)“缺氮少磷富鉀”的特點(diǎn)，通過外源氮素的添加，既可以緩解土壤的氮素限制，還能刺激土壤養(yǎng)分活性，改善試驗(yàn)區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況，調(diào)整植株對環(huán)境變化的適應(yīng)方式[33]，以有效應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)變化。而施加氮素使得無芒雀麥P含量不增反降，究其原因可能有：1)施氮大幅提升了無芒雀麥地上部生物量，使得植株體內(nèi)P濃度被稀釋[42]；2)供試無芒雀麥為3年生，土壤中有效磷可能已被消耗，而不易溶解的磷則已轉(zhuǎn)化，使得植株體內(nèi)磷含量供應(yīng)短缺[13]；3)試驗(yàn)區(qū)土壤鹽堿化造成的Ca-P沉淀現(xiàn)象，使得土壤有效磷活性降低，盡管氮素添加可以通過增加土壤銨態(tài)氮含量的方式來酸化無芒雀麥根系土壤[24]，但單靠增施氮肥不足以向植物提供足夠的有效磷含量，因此，可以推測該區(qū)土壤受到嚴(yán)重的磷限制。

此外，本研究中水氮互作對無芒雀麥N、P、K含量均無顯著交互作用，但N1W2、N2W3和N3W0處理各養(yǎng)分含量均較N0W1有所提升，以N含量為例，其值依次提高了32.67%、67.63%和53.55%，說明水氮對無芒雀麥N、P、K含量在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)意義上雖未產(chǎn)生明顯耦合效應(yīng)，但兩者在一定程度上仍互相作用。與之相反，水氮互作對產(chǎn)量有顯著耦合效應(yīng)，導(dǎo)致這種差異的原因可能與牧草所處生育時(shí)期有關(guān)。馬曉東等[43]研究表明，營養(yǎng)元素主要集中于植物生長活躍部位。本研究中無芒雀麥刈割于生長后期(抽穗期)，此時(shí)根系代替葉片作為牧草生長活躍部位，大量營養(yǎng)物質(zhì)從葉中重新分配到根系組織中，作為貯藏養(yǎng)分用于次茬牧草新生器官生長發(fā)育。因此，地上部分牧草N、P、K含量對水氮耦合響應(yīng)不顯著；而牧草干物質(zhì)產(chǎn)量是通過光合作用產(chǎn)生的地上部分各生物量之和[32]，它會隨著生育進(jìn)程的發(fā)展不斷累積，因此，水氮互作對其有明顯的耦合效應(yīng)。

通過回歸方程分析發(fā)現(xiàn)，水氮互作可使氮、鉀含量最高達(dá)到23.6和23.1 mg/g，對應(yīng)點(diǎn)分別是施氮136.84kg/hm2、灌水546.34mm和施氮139.26 kg/hm2、灌水552.48mm，而P含量在試驗(yàn)范圍內(nèi)未尋求到最大值。綜上，在土壤貧瘠的河西走廊地區(qū)，水分補(bǔ)償和氮素添加會協(xié)同促進(jìn)多年生無芒雀麥的養(yǎng)分吸收利用，磷含量的變化規(guī)律再一次說明該區(qū)土壤磷素嚴(yán)重虧缺，水氮添加不足以滿足植物磷含量的需求，而這需要進(jìn)一步分析化學(xué)計(jì)量比進(jìn)行佐證。

3.3 水氮調(diào)控對無芒雀麥氮磷鉀化學(xué)計(jì)量比的影響

植物化學(xué)計(jì)量比作為判斷植物生長受限的重要指標(biāo)，對于評定生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的限制性元素類型具有重要指導(dǎo)意義[44–45]。近年來，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)植物化學(xué)計(jì)量比隨地域的差異、生態(tài)系統(tǒng)的不同、植物物種的區(qū)別以及不同的功能種群而有所變化[9]。Koerselman等[46]在1966年提出當(dāng)植物N/P<14時(shí)，植物生長受N元素限制，當(dāng)N/P介于14和16之間時(shí)，植物生長受N和P元素共同限制，當(dāng)N/P>16時(shí)，植物生長受P元素限制；Olde等[47]在2003年提出當(dāng)N/P<14.5、N/K<2.1時(shí)，植物受N限制，當(dāng)N/P>14.5、K/P>3.4時(shí)，受P限制或P和N共同限制，當(dāng)N/K>2.1、K/P<3.4時(shí)，受K限制或K和N共同限制。而Güsewell[48]在2010年提出當(dāng)N/P<10時(shí)，植物生長主要受N限制，當(dāng)N/P在10到20之間時(shí)，植物生長受N和P元素共同限制，當(dāng)N/P>20時(shí)，植物生長受P元素限制。

本研究中，不同水氮處理無芒雀麥第1茬N/P、N/K、K/P取值范圍分別是：4.57%～8.28%、0.95%～1.16%、4.62%～8.26%，第2茬N/P、N/K、K/P取值范圍分別是：5.01%～9.26%、0.96%～1.20%、4.60%～9.12%，第3茬則分別為：4.48%～9.60%、0.75%～1.03%、5.48%～9.21%。以上N/P均小于前人所研究的N/P臨界值，且N/K<2.1、K/P>3.4，說明河西走廊地區(qū)無芒雀麥生長的確受N限制以及P限制，而K素供應(yīng)充足。一般來說，在半干旱草地添加氮素會顯著提高植物N/P，但同時(shí)添加水分會降低N/P[27]。在本試驗(yàn)中N/P隨施氮水平的提高表現(xiàn)為增加的趨勢，但水分添加后N/P卻先增后降，具體表現(xiàn)在N0和N1水平下，水分添加至W2水平后N/P下降，在N3和N4水平下水分添加至W3水平后下降。N/P的上升可能與氮素添加后N含量的增加和P含量的降低有關(guān)，水氮互作使得無芒雀麥生長在中高肥處理下顯著緩解了其受N限制的狀態(tài)，而N/P的下降可能是因?yàn)樗痔砑訙p弱了氮素對植物磷酸酶活性的刺激，這些都可以認(rèn)為是植物為適應(yīng)環(huán)境變化所做出的養(yǎng)分調(diào)整策略[5]。此外，N/P在氮素持續(xù)增加的情況下，其值逐漸增大，說明氮素添加在一定程度上可以緩解植物生長受氮限制的問題，然而這也進(jìn)一步加劇了磷素的限制[49]。因此，可以大膽推測在全球氮沉降問題逐漸嚴(yán)重的情況下，河西走廊地區(qū)無芒雀麥生長將由主要受N限制轉(zhuǎn)變?yōu)槭躊限制。

4 結(jié)論

水分補(bǔ)償和施用氮肥對多年生無芒雀麥的提產(chǎn)增養(yǎng)效果明顯，且水氮交互對牧草產(chǎn)量有顯著的耦合效應(yīng)，但對氮磷鉀化學(xué)計(jì)量特征無顯著影響。河西走廊地區(qū)無芒雀麥的生長主要受N、P限制，不受K限制。灌溉和施氮可有效緩解氮素對牧草生長的限制，但對磷素需求無顯著效果，因此施用磷肥對無芒雀麥生長十分必要。在河西走廊地區(qū)，產(chǎn)量養(yǎng)分雙贏的適宜灌溉量為546.3～552.5 mm，施氮量為 136.8～152.3 kg/hm2。