氮素添加對(duì)中國(guó)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)效應(yīng)的Meta分析

銀敏華，馬彥麟，康燕霞，賈瓊，齊廣平，汪精海

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

中國(guó)草地畜牧業(yè)面臨著天然草原三化嚴(yán)峻、草畜供需矛盾突出和草地生產(chǎn)力水平低下等瓶頸，建植人工草地是有效緩解這一系列問題的必要途徑，也是一個(gè)國(guó)家畜牧業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志［1］。目前，中國(guó)人工草地面積約5.8×105hm2，僅占天然草地的0.3%，而美國(guó)和新西蘭的這一比例分別為15%和75%［2-3］。苜蓿（Medicago sativa）是全球栽培面積最大的優(yōu)質(zhì)豆科牧草，被譽(yù)為“牧草之王”，可通過根瘤菌固氮培肥地力，減少水土流失并改善土壤結(jié)構(gòu)［4-5］，在推動(dòng)農(nóng)牧業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用［6-7］。近年來(lái)，國(guó)家高度重視苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展，先后制定和實(shí)施了“統(tǒng)籌調(diào)整糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)”“擴(kuò)大糧改飼試點(diǎn)，加快建設(shè)現(xiàn)代飼草料產(chǎn)業(yè)體系”等政策。苜蓿生產(chǎn)規(guī)模和生產(chǎn)水平得到了空前發(fā)展，種植面積由2012年的6.7×104hm2增加至2020年的6.3×105hm2，相應(yīng)地，年產(chǎn)量由5×108kg增加至4×1010kg，但仍有近1/4依賴進(jìn)口［8］。然而，受重農(nóng)輕牧思想的影響，中國(guó)苜蓿生產(chǎn)大多沿用傳統(tǒng)方法，主要種植在瘠薄地與鹽堿地中，基本不施肥或少量施肥，田間管理粗放，使得苜蓿生產(chǎn)潛力未能充分發(fā)揮［9］。

苜蓿生產(chǎn)受遺傳特性和環(huán)境條件的綜合影響。在諸多環(huán)境因子中，肥料是限制苜蓿生產(chǎn)水平的關(guān)鍵，其中氮素作為植株生長(zhǎng)必需的大量營(yíng)養(yǎng)和結(jié)構(gòu)性元素，直接影響植株的新陳代謝、物質(zhì)循環(huán)與營(yíng)養(yǎng)分配等過程［10］。與禾本科相比，苜蓿的氮素來(lái)源具有獨(dú)特性，除能直接從土壤中獲取固有氮素和外源氮素外，還可通過自身根瘤固氮供生長(zhǎng)所需。為此，針對(duì)苜蓿生產(chǎn)中是否需要添加氮肥，如何添加氮肥以及添加多少氮肥存有爭(zhēng)議。研究表明，每公頃苜蓿一年能固氮約270 kg，且殘留在土壤中的根瘤菌和根系可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)［11］。通過自身根瘤固定的氮素不僅可以滿足苜蓿生長(zhǎng)需要，還可為后茬作物提供可觀的氮素營(yíng)養(yǎng)，添加氮素反而會(huì)減少苜蓿株數(shù)、刺激雜草入侵，降低苜蓿的再生能力及在生態(tài)系統(tǒng)中的競(jìng)爭(zhēng)力［12］。此外，添加氮素會(huì)抑制根瘤生長(zhǎng)及結(jié)瘤數(shù)量，從而降低固氮酶活性與固氮量，形成“氮阻遏”［13］。也有研究發(fā)現(xiàn)，外源氮素在苜蓿生長(zhǎng)發(fā)育中具有重要作用。苜蓿在建植當(dāng)年及刈割后，根瘤固氮能力較弱，需要從土壤中攝取氮素維持生命活動(dòng)［14］。添加氮素可調(diào)節(jié)草地營(yíng)養(yǎng)元素比例、改善土壤養(yǎng)分循環(huán)并增強(qiáng)土壤酶活性［15］。合理添加氮素尤其是同時(shí)添加銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可優(yōu)化苜蓿根系外部形態(tài)與內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對(duì)養(yǎng)分的攝取、吸收及運(yùn)移能力［16］，并促進(jìn)生物固氮貢獻(xiàn)水平，從而提高苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥報(bào)酬率［17］。有機(jī)與無(wú)機(jī)氮肥配施能顯著改善土壤供氮特性、促進(jìn)生物固氮能力和減少氮素淋溶損失，在加強(qiáng)農(nóng)業(yè)廢棄物綜合利用的同時(shí)可大幅度提高氮肥利用率［9］。

不同研究間關(guān)于氮素添加對(duì)苜蓿生產(chǎn)的效應(yīng)存在很大差異，甚至相互矛盾。這說明氮素添加對(duì)苜蓿生產(chǎn)的效應(yīng)非常復(fù)雜，受環(huán)境條件、土壤特征、種植管理等多方面因素影響，同時(shí)也給苜蓿高效生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不確定性。然而，研究之間結(jié)果出現(xiàn)分歧的緣由是什么？苜蓿不同生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)氮素添加的響應(yīng)是否具有一致性？氮素添加對(duì)苜蓿生產(chǎn)的正效應(yīng)是否存在特定條件？為了回答以上問題，本研究以綜合衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施的指標(biāo)—苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)（粗蛋白含量、酸性和中性洗滌纖維含量）為出發(fā)點(diǎn)，通過收集已發(fā)表的關(guān)于氮素添加條件下苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Meta分析方法系統(tǒng)研究氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的效應(yīng)及對(duì)該效應(yīng)產(chǎn)生影響的因素，旨在獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的苜蓿氮素添加模式，并為進(jìn)一步提高苜蓿生產(chǎn)水平及促進(jìn)苜蓿產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

通過對(duì)中國(guó)知網(wǎng)和Web of Science等中英文數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，收集截至2021年4月30日國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的關(guān)于氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)效應(yīng)的田間試驗(yàn)研究論文。中文檢索詞包括“氮”“苜蓿”“產(chǎn)量”和“品質(zhì)”等；英文檢索詞包括“nitrogen”“alfalfa”“yield”和“quality”等。為減小分析偏差，基于以下標(biāo)準(zhǔn)選擇該研究的數(shù)據(jù)：1）試驗(yàn)區(qū)位于中國(guó)范圍內(nèi)，且試驗(yàn)開展于大田環(huán)境中；2）試驗(yàn)處理同時(shí)包含添加氮素和不添加氮素；3）文中列有2種處理的苜蓿產(chǎn)量、粗蛋白含量、酸性洗滌纖維含量和中性洗滌纖維含量中的一個(gè)或多個(gè)，且其均值和標(biāo)準(zhǔn)差直接給出，或根據(jù)已有數(shù)據(jù)可計(jì)算獲得；4）添加氮素的類型、數(shù)量、方式及播種量、灌溉情況和試驗(yàn)?zāi)攴萸逦＝?jīng)以上標(biāo)準(zhǔn)篩選，共獲得25篇文獻(xiàn)，包含152組產(chǎn)量數(shù)據(jù)、82組粗蛋白含量數(shù)據(jù)、57組酸性和中性洗滌纖維含量數(shù)據(jù)。產(chǎn)量、品質(zhì)數(shù)據(jù)或來(lái)源于表格和文本，或來(lái)源于圖片（采用GetData Graph Digitizer軟件提?。?8］。

1.2 數(shù)據(jù)分類

為了更精細(xì)地分析氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)效應(yīng)的主要影響因素，本研究在考慮數(shù)據(jù)量及分布的前提下，將所收集的指標(biāo)按以下類型進(jìn)行分組：1）研究區(qū)域共涉及9個(gè)省/自治區(qū)（甘肅、貴州、河北、吉林、內(nèi)蒙古、寧夏、山東、新疆和江蘇）；2）研究區(qū)的年平均降水量按照干濕區(qū)劃分為4組，即＜200 mm、200～400 mm、400～800 mm和＞800 mm，分別代表干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)［19］；3）研究區(qū)的年平均氣溫分為5組（＜4℃、4～8℃、8～12℃、12～16℃和＞16℃）；4）氮肥類型分為3組（硝酸銨、牧草專用肥和尿素）；5）施氮量分為9組（0～30 kg·hm-2、30～60 kg·hm-2、60～90 kg·hm-2、90～120 kg·hm-2、120～150 kg·hm-2、150～180 kg·hm-2、180～210 kg·hm-2、210～240 kg·hm-2和＞240 kg·hm-2）；6）是否追肥（是或否，即分次施肥或一次性基施）；7）生長(zhǎng)年限分為4組（1、2、3和4 a）；8）播種量分為6組（＜10 kg·hm-2、11～15 kg·hm-2、16～20 kg·hm-2、21～25 kg·hm-2、26～30 kg·hm-2和＞30 kg·hm-2）；9）灌溉情況（灌溉或雨養(yǎng)）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 效應(yīng)量計(jì)算 效應(yīng)量是衡量處理效應(yīng)大小的指標(biāo)，本研究采用反應(yīng)比的自然對(duì)數(shù)計(jì)算效應(yīng)量lnR［20］，即：

式中：R為反應(yīng)比，XT為添加氮素的苜蓿產(chǎn)量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗滌纖維含量（%）或中性洗滌纖維含量（%），XC為不添加氮素的苜蓿產(chǎn)量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗滌纖維含量（%）或中性洗滌纖維含量（%）。

綜合效應(yīng)量采用加權(quán)計(jì)算法，即每個(gè)樣本均有特定的權(quán)重w（即方差v的倒數(shù)）以補(bǔ)償不同樣本間精準(zhǔn)性的差異。加權(quán)的效應(yīng)量（lnR*）及其置信區(qū)間（confidence interval，CI）可通過lnR計(jì)算獲得［21］。

式中：ST和SC分別為添加氮素和不添加氮素的苜蓿產(chǎn)量或粗蛋白含量或酸性洗滌纖維含量或中性洗滌纖維含量的標(biāo)準(zhǔn)差，nT和nC分別為添加氮素和不添加氮素的苜蓿產(chǎn)量或粗蛋白含量或酸性洗滌纖維含量或中性洗滌纖維含量的重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)。

式中：K為樣本數(shù)量，wi為第i個(gè)樣本的權(quán)重，lnRi為第i個(gè)樣本的效應(yīng)量，S為標(biāo)準(zhǔn)差。

為了更加直觀地反映氮素添加的增產(chǎn)與提質(zhì)效應(yīng)，將效應(yīng)值lnR轉(zhuǎn)化為提高率（產(chǎn)量和粗蛋白含量）Za或降低率（酸性和中性洗滌纖維含量）Zb［20］：

式中：Za（Zb）的95%置信區(qū)間若全部大于0，說明氮素添加對(duì)提高苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）具有顯著正效應(yīng)；若全部小于0，說明氮素添加對(duì)提高苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）具有顯著負(fù)效應(yīng)；若包含0，則說明氮素添加對(duì)提高苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）無(wú)顯著影響。

1.3.2 異質(zhì)性檢驗(yàn) 為分析不同研究結(jié)果是否存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的差異，本研究采用異質(zhì)性分析進(jìn)行檢驗(yàn)。異質(zhì)性檢驗(yàn)Q統(tǒng)計(jì)量計(jì)算公式［22］如下：

式中：當(dāng)PQ（Q統(tǒng)計(jì)量顯著性檢驗(yàn)P值）＜0.05時(shí)，選用隨機(jī)效應(yīng)模型；當(dāng)PQ≥0.05時(shí)，選用固定效應(yīng)模型。

1.3.3 發(fā)表偏倚檢驗(yàn) 發(fā)表偏倚是常見的小樣本效應(yīng)，會(huì)降低分析結(jié)果的精度?，F(xiàn)采用回歸檢驗(yàn)法和倒漏斗圖進(jìn)行發(fā)表偏倚檢驗(yàn)，公式［23］為：

式中：ti為t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，β0和β1分別為回歸截距和系數(shù)，εi為殘差，νi為殘差與效應(yīng)量之比。

1.3.4 影響因素分析 按照1.2部分將各指標(biāo)進(jìn)行分組，分別進(jìn)行Meta分析以尋找不同研究結(jié)果存在差異的主要原因。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用R（v.4.1.0）編程軟件分析數(shù)據(jù)，使用Origin 9.0軟件作圖，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分布及概況

受氣候條件及管理措施等影響，添加氮素與不添加氮素的苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)存在較大變幅，且呈現(xiàn)出較好的正態(tài)分布（圖1）。具體表現(xiàn)為，添加氮素的苜蓿產(chǎn)量、粗蛋白含量、酸性與中性洗滌纖維含量分別為1.0×103～4.9×104kg·hm-2（平均1.2×104kg·hm-2）、13.8%～23.8%（平均18.9%）、22.7%～41.1%（平均29.3%）和31.4%～55.4%（平均39.4%）；不添加氮素的苜蓿產(chǎn)量、粗蛋白含量、酸性與中性洗滌纖維含量分別為1.1×103～4.0×104kg·hm-（2平均1.0×104kg·hm-2）、12.4%～23.1%（平均17.7%）、24.7%～42.3%（平均30.9%）和31.1%～54.2%（平均40.6%）。由圖2可知，添加與不添加氮素條件下，產(chǎn)量在9個(gè)省（自治區(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為1.4×103～1.8×104kg·hm-2和1.8×103～1.6×104kg·hm-2；粗蛋白含量在7個(gè)?。ㄗ灾螀^(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為15.8%～22.4%和15.4%～21.5%；酸性和中性洗滌纖維含量在6個(gè)省（自治區(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為25.5%～38.9%和27.3%～40.9%及31.1%～54.2%和34.6%～54.2%。

圖1 添加與不添加氮素條件下苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的頻率分布Fig.1 Frequency distribution of alfalfa yield and quality with or without nitrogen application

圖2 苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的區(qū)域變化Fig.2 Regional changes of alfalfa yield and quality

2.2 氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的綜合效應(yīng)量

對(duì)氮素添加的苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)分別計(jì)算綜合效應(yīng)量發(fā)現(xiàn)（表1），4個(gè)指標(biāo)的異質(zhì)性檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到顯著水平（PQ＜0.001），因此采用隨機(jī)效應(yīng)模型。總體上，與不添加氮素相比，添加氮素的苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%（置信區(qū)間9.0%～16.2%）和7.3%（置信區(qū)間4.1%～10.6%），酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%（置信區(qū)間3.5%～7.8%）和3.0%（置信區(qū)間1.0%～4.9%）?？梢姡靥砑幽茱@著提高苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)。經(jīng)發(fā)表偏倚檢驗(yàn)，4個(gè)指標(biāo)的PB值均大于0.05，且樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)均勻地分布在漏斗兩側(cè)（圖3），即均不存在發(fā)表偏倚。

圖3 發(fā)表偏倚檢驗(yàn)的倒漏斗Fig.3 Inverted funnel by publication bias test

表1 氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的綜合效應(yīng)量Table 1 Comprehensive effect size of nitrogen application on yield and quality of alfalfa

2.3 氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響因素分析

試驗(yàn)區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加的苜蓿產(chǎn)量效應(yīng)（圖4）。在區(qū)域因素方面，新疆和甘肅的產(chǎn)量提高率較高，分別為30.7%（置信區(qū)間20.6%～40.8%）和23.6%（置信區(qū)間17.0%～30.2%），山東、貴州和寧夏次之，河北、吉林、內(nèi)蒙古和江蘇的提高效應(yīng)不顯著；隨年平均降水量的增加，產(chǎn)量提高率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)年平均降水量為200～400 mm時(shí)，產(chǎn)量提高率最高（平均17.1%）；隨年平均氣溫的升高，產(chǎn)量提高率呈降低趨勢(shì)，當(dāng)年平均氣溫＞16℃時(shí)，產(chǎn)量提高效應(yīng)不顯著。在施氮因素方面，施用硝酸銨和牧草專用肥的產(chǎn)量提高率分別為26.5%（置信區(qū)間9.6%～43.4%）和22.4%（置信區(qū)間18.4%～26.4%），均高于施用尿素（平均11.9%，置信區(qū)間8.2%～15.6%）；隨施氮量的增加，產(chǎn)量提高率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)施氮量為120～150 kg·hm-2時(shí)，產(chǎn)量提高率最高（平均17.1%），當(dāng)施氮量＞150 kg·hm-2后，產(chǎn)量提高效應(yīng)不顯著；分次施肥的產(chǎn)量平均提高率為13.8%，而一次性基施的產(chǎn)量提高效應(yīng)不顯著（平均5.2%，置信區(qū)間-3.7%～14.1%）。在種植因素方面，隨生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，產(chǎn)量提高率呈先增加后降低的趨勢(shì)，生長(zhǎng)1、2和3 a的平均產(chǎn)量提高率分別為8.2%、16.3%和16.7%，而生長(zhǎng)4 a的產(chǎn)量提高效應(yīng)不顯著；不同播種量條件下，氮素添加均能顯著提高苜蓿產(chǎn)量，但提高效應(yīng)隨播種量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)播種量為26～30 kg·hm-2時(shí)，提高效應(yīng)最明顯（平均42.8%）。氮素添加的增產(chǎn)效應(yīng)在灌溉條件下（平均20.4%，置信區(qū)間15.3%～25.5%）顯著高于雨養(yǎng)條件（平均2.1%，置信區(qū)間-1.7%～5.9%），且雨養(yǎng)條件下，氮素添加的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著?？梢?，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長(zhǎng)年限及分次施肥和灌溉有利于提高添加氮素的苜蓿增產(chǎn)效應(yīng)。

圖4 氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量的影響因素分析Fig.4 Analysis of factors affecting alfalfa yield with nitrogen application

2.4 氮素添加對(duì)苜蓿品質(zhì)的影響因素分析

2.4.1 粗蛋白含量 試驗(yàn)區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對(duì)苜蓿粗蛋白含量的效應(yīng)（圖5）。在區(qū)域因素方面，甘肅的粗蛋白含量提高率最高（平均27.8%，置信區(qū)間18.4%～37.2%），貴州、山東和新疆次之，河北、吉林和內(nèi)蒙古的提高效應(yīng)不顯著；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，粗蛋白含量提高率均呈降低趨勢(shì)，且當(dāng)年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時(shí)，提高效應(yīng)不顯著。在施氮因素方面，隨施氮量的增加，粗蛋白含量提高率呈先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)施氮量為180～210 kg·hm-2時(shí)，提高率最高（平均14.3%），而當(dāng)施氮量＞210 kg·hm-2后，提高效應(yīng)不顯著；分次施肥的粗蛋白含量平均提高率為7.5%，而一次性基施的粗蛋白含量提高效應(yīng)不顯著（平均2.1%，置信區(qū)間-7.3%～11.5%）。在種植因素方面，生長(zhǎng)1和2 a的苜蓿粗蛋白含量平均提高率分別為7.0%（置信區(qū)間2.2%～11.8%）和8.8%（置信區(qū)間4.4%～13.2%），而生長(zhǎng)3 a的苜蓿粗蛋白含量平均降低6.4%；隨播種量的增加，粗蛋白含量提高率呈增加趨勢(shì)，當(dāng)播種量為26～30 kg·hm-2時(shí)，提高率最高（平均23.9%）。灌溉和雨養(yǎng)條件下，氮素添加的粗蛋白含量提高率分別為7.7%～19.1%和-0.5%～4.7%，前者顯著高于后者?？梢?，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長(zhǎng)年限及分次施肥和灌溉可促進(jìn)添加氮素對(duì)苜蓿粗蛋白含量的提高效應(yīng)。

圖5 氮素添加對(duì)苜蓿粗蛋白含量的影響因素分析Fig.5 Analysis of factors affecting crude protein content of alfalfa with nitrogen application

2.4.2 酸性洗滌纖維含量 試驗(yàn)區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對(duì)苜蓿酸性洗滌纖維含量的效應(yīng)（圖6）。在區(qū)域因素方面，甘肅的酸性洗滌纖維含量降低率最高（平均9.8%，置信區(qū)間5.4%～14.2%），貴州、吉林和山東次之，河北和新疆的降低效應(yīng)不顯著；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，酸性洗滌纖維含量降低率均呈降低趨勢(shì)，且當(dāng)年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時(shí)，酸性洗滌纖維含量降低效應(yīng)不顯著。在施氮因素方面，隨施氮量的增加，酸性洗滌纖維含量降低效應(yīng)呈增加趨勢(shì)，當(dāng)施氮量為210～240 kg·hm-2時(shí)，降低率最高（平均13.6%，置信區(qū)間7.2%～20.0%）；分次施肥的酸性洗滌纖維含量降低率平均為6.3%，而一次性基施的酸性洗滌纖維含量降低效應(yīng)不顯著（平均2.1%，置信區(qū)間-2.3%～6.5%）。在種植因素方面，生長(zhǎng)1 a的苜蓿酸性洗滌纖維含量平均降低率為7.2%（置信區(qū)間3.4%～11.0%），略高于生長(zhǎng)2 a（平均5.7%，置信區(qū)間3.3%～8.1%），而生長(zhǎng)3 a的降低效應(yīng)不顯著；隨播種量的增加，酸性洗滌纖維含量降低率呈增加趨勢(shì)，當(dāng)播種量為26～30 kg·hm-2時(shí)，降低率最高（平均9.3%）。灌溉條件下，氮素添加的平均酸性洗滌纖維含量降低率為9.3%，而雨養(yǎng)條件下，平均降低率僅為3.1%?？梢?，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長(zhǎng)年限及分次施肥和灌溉可促進(jìn)添加氮素對(duì)苜蓿酸性洗滌纖維含量的降低效應(yīng)。

圖6 氮素添加對(duì)苜蓿酸性洗滌纖維含量的影響因素分析Fig.6 Analysis of factors affecting acid detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

2.4.3 中性洗滌纖維含量 試驗(yàn)區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對(duì)苜蓿中性洗滌纖維含量的效應(yīng)（圖7）。在區(qū)域因素方面，甘肅的中性洗滌纖維含量降低率最高（平均6.5%，置信區(qū)間3.3%～9.7%），貴州次之，河北、吉林和山東的降低效應(yīng)不顯著，在新疆則表現(xiàn)為氮素添加會(huì)顯著提高苜蓿的中性洗滌纖維含量；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，中性洗滌纖維含量降低率呈降低趨勢(shì)，且當(dāng)年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時(shí)，降低效應(yīng)不顯著。在施氮因素方面，當(dāng)施氮量為210～240 kg·hm-2時(shí)，中性洗滌纖維含量降低率最高（平均8.6%，置信區(qū)間3.4%～13.8%），在其他施氮量條件下，降低效應(yīng)不顯著；分次施肥的中性洗滌纖維含量平均降低率為4.0%，而一次性基施的中性洗滌纖維含量降低效應(yīng)不顯著（平均1.1%，置信區(qū)間-2.1%～4.3%）。在種植因素方面，生長(zhǎng)1和2 a的苜蓿中性洗滌纖維含量平均降低率分別為3.7%（置信區(qū)間0.5%～6.9%）和3.6%（置信區(qū)間1.1%～6.1%），而生長(zhǎng)3 a的降低效應(yīng)不顯著；隨播種量的增加，中性洗滌纖維含量降低率呈增加趨勢(shì)，當(dāng)播種量為26～30 kg·hm-2時(shí)，降低率最高（平均5.7%）。灌溉條件下，氮素添加的中性洗滌纖維含量平均降低率為5.7%，而雨養(yǎng)條件下，氮素添加的中性洗滌纖維含量降低效應(yīng)不顯著?？梢?，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長(zhǎng)年限及分次施肥和灌溉可促進(jìn)添加氮素對(duì)苜蓿中性洗滌纖維含量的降低效應(yīng)。

圖7 氮素添加對(duì)苜蓿中性洗滌纖維含量的影響因素分析Fig.7 Analysis of factors affecting neutral detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

3 討論

3.1 氮素添加對(duì)苜蓿生產(chǎn)的重要性

苜蓿屬豆科牧草，可利用自身根瘤固定大氣中的游離氮以供生長(zhǎng)需要。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，苜蓿屬養(yǎng)地作物，在其生長(zhǎng)過程中無(wú)需額外施肥，尤其是氮肥。然而，作為高蛋白牧草，每1000 kg苜蓿干草的含氮量約為27 kg，而根瘤固氮量?jī)H占其中的43%～62%［24］。在幼苗期及刈割后的再生期，苜蓿根瘤發(fā)育不完善，固氮能力較弱，需要從土壤中吸收氮素以滿足生長(zhǎng)［25］。隨著生長(zhǎng)年限的增加，苜蓿的固氮能力趨于衰退，會(huì)大量消耗土壤中儲(chǔ)存的礦質(zhì)氮素［14］。此外，為了避免與糧爭(zhēng)地，中國(guó)苜蓿主要種植在土壤肥力低、鹽堿重的干旱低溫氣候區(qū)及保肥能力弱的砂性土壤中，這不利于根瘤固氮潛力的充分發(fā)揮。高產(chǎn)且優(yōu)質(zhì)是苜蓿生產(chǎn)的目標(biāo)，其中優(yōu)質(zhì)苜蓿的標(biāo)準(zhǔn)為粗蛋白含量高于20%，酸性和中性洗滌纖維含量分別低于30%和40%。本研究通過整合已發(fā)表的關(guān)于氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)效應(yīng)的研究得出，與不添加氮素相比，添加氮素可顯著促進(jìn)苜蓿生產(chǎn)，其中產(chǎn)量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%和7.3%，酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%和3.0%?？梢姡砑油庠吹厥擒俎８弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)的必要保證，也是維持土壤肥力及草地生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)平衡，實(shí)現(xiàn)苜蓿產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的迫切需求［9-10，26］。

3.2 氮素添加提高苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的影響因素

3.2.1 試驗(yàn)區(qū)域 在各級(jí)政府大力支持及養(yǎng)殖企業(yè)投資帶動(dòng)下，中國(guó)逐漸形成了甘肅河西走廊，寧夏引黃灌區(qū)，內(nèi)蒙古赤峰、通遼及鄂爾多斯高原，甘寧黃土高原，陜北榆林，山東東營(yíng)及河北滄州沿海地區(qū)等適宜苜蓿生長(zhǎng)的多個(gè)商品草集群產(chǎn)業(yè)基地［8］。本研究也充分體現(xiàn)了這一布局，樣本數(shù)由多到少依次為甘肅、河北、寧夏和貴州、內(nèi)蒙古、新疆和吉林、山東、江蘇，其中新疆和甘肅的氮素添加增產(chǎn)效應(yīng)較明顯，其次為山東、貴州和寧夏，而河北、吉林、內(nèi)蒙古和江蘇的增產(chǎn)效應(yīng)不顯著。此外，與其他?。ㄗ灾螀^(qū)）相比，氮素添加對(duì)甘肅苜蓿的粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗滌纖維含量降低率較為明顯，這與不同區(qū)域的氣候條件及土壤特性等密切相關(guān)。新疆和甘肅是典型的內(nèi)陸干旱區(qū)，光熱資源豐富、晝夜溫差大、地勢(shì)平坦，且具備灌溉條件，種植苜蓿具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，目前已成為中國(guó)重要的高端商品苜蓿生產(chǎn)基地［27］。尤其是甘肅，更是享有“中國(guó)苜?？锤拭C，甘肅苜?？春游鳌钡拿雷u(yù)。寧夏引黃灌區(qū)土質(zhì)良好，日照充足，是最適宜種植苜蓿的區(qū)域之一，該地區(qū)添加氮素的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)低于甘肅的可能原因是土壤本身肥力較好。在吉林和內(nèi)蒙古，苜蓿主要種植在蘇打型鹽堿地中，土壤含鹽量高、堿性強(qiáng)、肥力弱，添加氮素后增產(chǎn)效應(yīng)不顯著可能與灌溉條件不配套、灌水不及時(shí)等有關(guān)［28］。

降水和氣溫等氣候條件是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本保障［18］，也是影響氮素添加效果的重要因素。苜蓿喜溫暖半干燥氣候且對(duì)水分需求較大，但生長(zhǎng)期間又忌土壤積水，年降水量較多或地下水位偏高會(huì)限制苜蓿生長(zhǎng)［12］。本研究表明，在年平均氣溫＜8℃和年平均降水量200～400 mm的地區(qū)，有利于添加氮素對(duì)苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量的提高效應(yīng)及對(duì)酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應(yīng)。這可能是由于在年平均氣溫較低的地區(qū)，低溫會(huì)造成根瘤固氮酶活性降低，固氮能力減弱，從而增加對(duì)外源氮素的需求量，使得添加氮素的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)明顯加大。在年降水量較高的地區(qū)，一方面，過高的土壤含水率會(huì)抑制苜蓿主根伸長(zhǎng)，影響根系對(duì)氮素的吸收利用；另一方面，過高的土壤含水率會(huì)使氮素淋溶在根區(qū)以下，從而降低外源氮素的有效性［29］。因此，在不同氣候區(qū)應(yīng)因地制宜地選擇適宜的氮素添加模式，以充分發(fā)揮外源氮素的添加效果。

3.2.2 氮素供應(yīng) 氮素形態(tài)影響植物的氮同化、光合過程及離子平衡，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的效應(yīng)［30］。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物吸收氮素的主要形態(tài)，銨態(tài)氮促進(jìn)植物吸收陰離子，消耗有機(jī)酸；硝態(tài)氮促進(jìn)植物吸收陽(yáng)離子，有利于有機(jī)陰離子的合成［10］。一般而言，旱地植物具有“喜硝性”，而水生植物或強(qiáng)酸性土壤中生長(zhǎng)的植物具有“喜銨性”。本研究發(fā)現(xiàn)，施用硝酸銨（平均26.5%）的苜蓿產(chǎn)量提高效應(yīng)優(yōu)于施用尿素（平均11.9%）。這與王玉強(qiáng)等［10］研究得出與單施硝態(tài)氮和銨態(tài)氮相比，混合氮肥更有利于苜蓿生長(zhǎng)及其對(duì)氮素的吸收，和劉曉靜等［30］研究得出硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均能促進(jìn)苜蓿生長(zhǎng)，但二者混合使用時(shí)效果更佳的結(jié)論一致。然而，由本研究可知，現(xiàn)階段在苜蓿生產(chǎn)中，仍大部分以單一尿素作為外源氮素。今后應(yīng)通過進(jìn)一步研究明確苜蓿對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的需求量及比例，以最大限度地發(fā)揮外源氮素的增產(chǎn)提質(zhì)效應(yīng)。

氮素添加不足，不能充分體現(xiàn)添加效果；添加過量，則會(huì)限制植株生長(zhǎng)，降低氮素利用率，甚至導(dǎo)致環(huán)境污染，如水體富營(yíng)養(yǎng)化、溫室氣體排放等［31］。適量添加氮素可調(diào)節(jié)氮代謝強(qiáng)度、提高氮代謝酶活性，使作物生產(chǎn)效益最大化。何峰等［32］通過對(duì)中國(guó)苜蓿主產(chǎn)區(qū)土壤養(yǎng)分與植株?duì)I養(yǎng)進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，苜蓿組織中氮素營(yíng)養(yǎng)處于充足水平，而磷素、鉀素與微量元素普遍缺乏，建議在苜蓿生產(chǎn)中控制氮肥，注重磷肥和鉀肥，并有針對(duì)性地施用微肥。魏志標(biāo)等［1］利用食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動(dòng)（nutrient flows in food chains，environment and resources use，NUFER）模型研究中國(guó)栽培草地氮磷空間特征得出，全國(guó)苜蓿土壤氮磷累積量分別為50 kg·hm-2和46 kg·hm-2，均處于盈余狀態(tài)，應(yīng)適當(dāng)減少氮磷肥的投入量。本研究綜合近20 a的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)施氮量為120～150 kg·hm-2時(shí)，苜蓿產(chǎn)量的提高率最高，但處于該區(qū)間的樣本數(shù)僅為5，遠(yuǎn)低于施氮量偏低與偏高的樣本數(shù)?？梢姡F(xiàn)階段苜蓿施氮量不合理的現(xiàn)象較為普遍。此外，針對(duì)不同的生產(chǎn)目標(biāo)，存在不同的適宜施氮量。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿粗蛋白含量在施氮量為180～210 kg·hm-2時(shí)，提高效應(yīng)最優(yōu)；酸性和中性洗滌纖維含量則在施氮量為210～240 kg·hm-2時(shí)，降低效應(yīng)最明顯。然而，文雅等［27］在河西走廊研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，苜蓿粗蛋白和酸性洗滌纖維含量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，中性洗滌纖維含量則呈增加趨勢(shì)，這可能與苜蓿品種、生長(zhǎng)年限及土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況等有關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，應(yīng)兼顧苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)，采用適宜的施氮量。

按照作物的需求規(guī)律添加氮素是促進(jìn)作物生長(zhǎng)并提高氮素利用的另一重要因素。苗期是苜蓿的氮營(yíng)養(yǎng)關(guān)鍵期，此時(shí)根瘤尚未形成，不具備固氮能力，需要吸收外源氮素。另外，苗期添加氮素可促進(jìn)苜蓿根系發(fā)育，一方面提高根系的養(yǎng)分吸收能力；另一方面，可為根瘤菌侵染和結(jié)瘤提供物質(zhì)保障。從現(xiàn)蕾期到初花期，苜蓿處于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)快速期及氮營(yíng)養(yǎng)吸收旺盛期，及時(shí)補(bǔ)充外源氮素，有助于提升苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)［30］。苜蓿再生能力強(qiáng)，通常一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)可刈割2～4次。因此，在苜蓿生長(zhǎng)期內(nèi)一次性施肥會(huì)導(dǎo)致生育期間、茬次間肥力不均衡及養(yǎng)分流失等現(xiàn)象［33］。本研究基于多樣本研究發(fā)現(xiàn)，與一次性基施相比，分次施肥的苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗滌纖維含量降低率明顯增加。這與王洋等［34］和肖知新等［35］的研究結(jié)果一致。

在保證苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的同時(shí)提高氮素吸收利用率，除了適時(shí)適量添加合理的氮素形態(tài)外，還應(yīng)從挖掘生物自身潛力出發(fā)，研發(fā)培育高氮效率苜蓿品種，以同時(shí)從環(huán)境因子和自身遺傳方面實(shí)現(xiàn)苜蓿氮營(yíng)養(yǎng)的高效吸收、同化、傳輸與利用［29］。

3.2.3 種植管理 苜蓿為多年生草本植物，根系發(fā)達(dá)、蒸散強(qiáng)烈，長(zhǎng)期連續(xù)種植會(huì)導(dǎo)致土壤水分過度消耗，造成草地生態(tài)系統(tǒng)退化、苜蓿生產(chǎn)力下降［36］。本研究通過探索氮素添加對(duì)苜蓿生產(chǎn)效應(yīng)的影響發(fā)現(xiàn)，隨生長(zhǎng)年限的延長(zhǎng)，氮素添加對(duì)產(chǎn)量和粗蛋白含量的提高效應(yīng)呈先增加后降低的趨勢(shì)，對(duì)酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應(yīng)則呈降低趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的較優(yōu)生長(zhǎng)年限分別為2～3 a、1～2 a、1～2 a和1～2 a。受樣本中生長(zhǎng)年限分布的影響，該結(jié)論可能存在一定的局限性，但一定程度上也反映出產(chǎn)量與品質(zhì)對(duì)氮素添加的響應(yīng)在生長(zhǎng)年限間存在差異。就產(chǎn)量而言，持續(xù)種植苜蓿2～3 a后土壤干層會(huì)逐漸出現(xiàn)，適當(dāng)添加氮素可在一定程度上減少土壤水分不足對(duì)產(chǎn)量造成的負(fù)效應(yīng)［37］。就品質(zhì)而言，養(yǎng)分在改善苜蓿品質(zhì)中的貢獻(xiàn)高于水分［38］，苜蓿建植初期，根瘤固氮能力較弱，添加氮肥和較充足的土壤水分更有利于改善苜蓿品質(zhì)。

播種量是調(diào)控作物密度的重要指標(biāo)，合理的播種量有助于協(xié)調(diào)個(gè)體與群體間的關(guān)系，充分利用光、熱、空間和水肥等資源，是提高農(nóng)田生產(chǎn)力的重要措施［39］。本研究表明，不同播種量條件下，添加氮素基本均可顯著提高苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量，并降低酸性和中性洗滌纖維含量，當(dāng)播種量為26～30 kg·hm-2時(shí)，提高或降低效應(yīng)最明顯。然而，王彥華等［40］在河南開展研究發(fā)現(xiàn)，播種量對(duì)苜蓿產(chǎn)量無(wú)顯著影響，但隨著播種量的增加，粗蛋白含量呈升高趨勢(shì)，酸性和中性洗滌纖維含量呈降低趨勢(shì)，當(dāng)播種量為22.5～30.0 kg·hm-2時(shí)，苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)均較高。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是，苜蓿能通過增加分枝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)因播種量較小導(dǎo)致的群體數(shù)量不足問題，降低對(duì)產(chǎn)量的不利影響；當(dāng)播種量較高時(shí)，由于資源有限，個(gè)體發(fā)育受限，因此不能顯著提高產(chǎn)量。相反，就品質(zhì)而言，較高的播種量會(huì)抑制個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育，使得莖稈纖細(xì)、機(jī)械組織減少而葉片占比增大，從而改善苜蓿營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

苜蓿屬?gòu)?qiáng)耗水作物，年需水量高達(dá)500～900 mm。然而，現(xiàn)階段中國(guó)苜蓿主要種植在年平均降水量不足400 mm的干旱、半干旱地區(qū)［41］。因此，在苜蓿生長(zhǎng)期間進(jìn)行灌溉是保障苜蓿生產(chǎn)及促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要措施。此外，水和肥是一對(duì)聯(lián)動(dòng)因子，適宜的土壤水分狀況會(huì)促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收和利用；適當(dāng)增加養(yǎng)分投入可在一定程度上減小土壤水分不足對(duì)作物生長(zhǎng)造成的負(fù)效應(yīng)，達(dá)到“以肥補(bǔ)水、以水調(diào)肥”的效果［27，42］。類似地，本研究基于大尺度研究發(fā)現(xiàn)，與雨養(yǎng)相比，灌溉可大幅度提高氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的提升效應(yīng)。可見，在苜蓿生產(chǎn)中，當(dāng)具備灌溉條件或農(nóng)業(yè)水資源量允許的情況下，應(yīng)適度進(jìn)行灌溉，以充分發(fā)揮添加氮素對(duì)苜蓿生產(chǎn)的促進(jìn)作用。

除生長(zhǎng)年限、播種量與是否灌溉外，當(dāng)土壤供氮能力較高、雜草防治不及時(shí)及其他營(yíng)養(yǎng)元素受限時(shí)，也會(huì)影響氮素添加對(duì)苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)的提升效應(yīng)。此外，將苜蓿與糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物輪作或與禾本科牧草混播，也有利于氮素添加條件下草地的持續(xù)利用及高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)［17，43］。

4 結(jié)論

1）與不添加氮素相比，添加氮素的苜蓿產(chǎn)量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%和7.3%，酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%和3.0%；

2）在甘肅、新疆，年平均氣溫＜8℃和年平均降水量200～400 mm的地區(qū)，采用硝酸銨、分次施肥、施氮量120～150 kg·hm-2及灌溉、生長(zhǎng)年限≤3 a和播種量26～30 kg·hm-2時(shí)，有利于提高添加氮素的苜蓿增產(chǎn)效應(yīng)；

3）在甘肅，年平均氣溫＜12℃和年平均降水量＜800 mm的地區(qū)，分次施肥、施氮量180～210 kg·hm-2及灌溉、生長(zhǎng)年限≤2 a和播種量26～30 kg·hm-2時(shí)，有利于添加氮素對(duì)苜蓿粗蛋白含量的提高效應(yīng)；

4）在甘肅，年平均氣溫＜12℃和年平均降水量＜800 mm的地區(qū)，分次施肥、施氮量210～240 kg·hm-2及灌溉、生長(zhǎng)年限≤2 a和播種量16～30 kg·hm-2時(shí)，有利于添加氮素對(duì)苜蓿酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應(yīng)。

綜上，氮素添加可顯著提高苜蓿產(chǎn)量與品質(zhì)，且在低年均氣溫、降水量的地區(qū)，分次施肥、灌溉和26～30 kg·hm-2播種量時(shí)，更能突顯氮素添加的優(yōu)越性，但適宜的施氮量及生長(zhǎng)年限因產(chǎn)量與品質(zhì)而異。