羊尿氮對(duì)苜蓿和高羊茅混播草地生物量和氮利用的影響

摘要：為探究苜蓿（Medicago sativa L.）和高羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）混播草地在放牧過(guò)程中對(duì)羊尿中氮的吸收規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)置了苜蓿單播、高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播3種草地類型，以及是否施用羊尿2種模式，相互組合共計(jì)6個(gè)處理，研究了穩(wěn)定性同位素15N標(biāo)記的模擬綿羊尿施入對(duì)不同處理地上地下生物量、羊尿氮回收率、生物固氮率與氮轉(zhuǎn)移的變化規(guī)律。結(jié)果表明：混播地上生物量顯著高于單播高羊茅，與不施入羊尿相比，施入羊尿顯著提高了混播和高羊茅單播的地上生物量，提高了苜蓿和高羊茅的單株氮素累積量；施入羊尿后，苜蓿的生物固氮效率降低；不施用羊尿處理有9.42%的氮從苜蓿轉(zhuǎn)移到高羊茅中，施入羊尿處理沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氮轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；混播下羊尿中氮的回收率顯著高于苜蓿和高羊茅單播，且混播中高羊茅對(duì)羊尿中氮回收率顯著高于苜蓿。苜?；觳ゲ莸胤拍晾媚軌蚣骖櫢咝a(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，是一種可持續(xù)的草地利用方式。

關(guān)鍵詞：紫花苜蓿+高羊茅混播；羊尿氮；穩(wěn)定性同位素；氮利用

中圖分類號(hào)：S963.22+3.3""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""" 文章編號(hào)：1007-0435（2024）06-1864-08

Effects of Sheep Urine Nitrogen on Biomass and Nitrogen Utilization in

Alfalfa and Tall Fescue Mixed Grassland

DAI Xian-lin， MA Xiao-ying， TONG Zong-yong， WANG Yu， LI Xiang-lin， CHAI Xu-xu， HE Feng*

（Institute of Animal Science of CAAS， Beijing 100193， China）

Abstract：To investigate the utilization of nitrogen in sheep urine in alfalfa （Medicago sativa L.） and tall fescue （Festuca arundinacea Schreb.）mixed grassland，the experiment set up three kinds of grassland types：alfalfa mono-sowing，tall fescue mono-sowing and alfalfa + tall fescue mixed sowing，and two types of sheep urine：addition or not，and combined into a total of 6 treatments. The changes of above-ground biomass，nitrogen recovery rate，biological nitrogen fixation rate and nitrogen transfer of sheep urine with stable isotope 15N labeling were studied. The results showed that the above-ground biomass of mixed sowing was significantly higher than that of single sowing tall fescue，the above-ground biomass of mixed sowing and single sowing tall fescue was significantly increased after adding sheep urine，and the nitrogen accumulation per plantlet for alfalfa and tall fescue was increased by sheep urine. The biological nitrogen fixation efficiency of alfalfa decreased after the application of sheep urine. 9.42% of nitrogen was transferred from alfalfa to tall fescue without sheep urine，but no nitrogen was transferred between two plants when sheep urine was applied. The recovery rate of sheep urine nitrogen in mixed sowing was significantly higher than that of alfalfa and tall fescue mono sowing，and the recovery rate of sheep urine nitrogen in mixed sowing was significantly higher than that of alfalfa. Mixed sowing grassland grazing utilization could be beneficial to the high efficiency production and environmental protection，is a sustainable grassland utilization mode.

Key words：Alfalfa+tall fescue mixture;Sheep urine nitrogen;Stable isotope;Nitrogen utilization

紫花苜蓿（Medicago sativa L.）為多年生豆科牧草，具有利用年限長(zhǎng)、蛋白質(zhì)含量高、適口性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。苜蓿草地是優(yōu)良的放牧場(chǎng)，在科學(xué)合理的管理下，家畜能保持高效的生產(chǎn)性能［2］，在新西蘭，通過(guò)建立苜蓿劃區(qū)草地牧場(chǎng)，育肥羊日增重從205 g提高到了235 g［3］。有研究表明將苜蓿和高羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）混播可以提高放牧家畜的增重［4］。家畜放牧?xí)r，采食和踐踏行為會(huì)影響草地植物和土壤形態(tài)［5］，還會(huì)以排泄物返還的形式改變土壤化學(xué)特性和養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)。反芻動(dòng)物對(duì)氮的吸收較低，有70%～90%的攝入氮通過(guò)尿液和糞便排出［6］。尿素是家畜尿液中的主要含氮排泄物，占排出尿液中總氮的52%～100%［6-7］。在沒(méi)有額外添加氮肥的混播放牧草地中，氮進(jìn)入土壤-植物系統(tǒng)的主要方式是放牧家畜的尿液的沉積，羊尿中氮如果沒(méi)有及時(shí)被土壤固定或被植物吸收，就會(huì)以可溶性氮形式浸出，對(duì)地下水和地表水造成污染［8-9］。植物吸收是尿中氮主要的去向，Selbie等［10］描述在放牧牧草系統(tǒng)中，估計(jì)牧場(chǎng)有41%（以沉積的尿氮的百分比表示）的尿液中氮被植物吸收。有研究表明，豆禾混播放牧草地能減少氨揮發(fā)量，在綿羊連續(xù)放牧下，單播白三葉（Trifolium repens L.）放牧草地通過(guò)氨揮發(fā)損失的氮素量比禾草/白三葉混播放牧草地增加了近11倍［11］。

在豆禾混播放牧草地中，除放牧家畜尿液的沉積外，豆科的生物固氮也是氮素輸入的重要途徑。研究表明，肉牛尿液會(huì)通過(guò)降低豆禾混播中豆科的生物固氮作用降低豆科的組成比例［12］。15N同位素稀釋法是測(cè)定生物固氮的重要方法，其靈敏度和準(zhǔn)確度較高、可靠性強(qiáng)，并且能區(qū)分植物氮素來(lái)源［13］。同位素稀釋法的主要假設(shè)是固氮植物和非固氮植物從土壤中獲取的15N/14N比例相同［14］，由于參考植物的根系結(jié)構(gòu)和氮素吸收方式不同，參考植物的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大［15］。豆禾混播草地中豆科植物在滿足自身氮素需求下，還會(huì)通過(guò)地上地下等各種途徑將固定的氮素轉(zhuǎn)移到禾本科植物中［16］，地上氮轉(zhuǎn)移是依靠枯落物分解和放牧過(guò)程中家畜排泄物的返還［17-18］，地下氮轉(zhuǎn)移現(xiàn)證實(shí)有3條轉(zhuǎn)移途徑，分別為豆科根系腐爛分解后的根際沉積氮轉(zhuǎn)移，根系分泌物轉(zhuǎn)移和植物相關(guān)菌絲傳遞［19-21］。

我國(guó)對(duì)紫花苜蓿草地放牧利用的相關(guān)研究處于起步階段，主要集中在家畜和草地生產(chǎn)性能［22-23］、分區(qū)和放牧對(duì)家畜采食的影響［24］以及放牧飼草品種的選育［25］等相關(guān)研究，對(duì)混播放牧草地中家畜排泄物對(duì)豆科生物固氮和豆禾間氮轉(zhuǎn)移的利用規(guī)律研究鮮有報(bào)道。本研究設(shè)置苜蓿單播、高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播3種草地類型，以及是否施用15N標(biāo)記羊尿2種模式，分析混播系統(tǒng)施入羊尿?qū)δ敛莸厣系叵律锪?、苜蓿生物固氮率和氮轉(zhuǎn)移的影響，及混播牧草對(duì)羊尿中氮的吸收規(guī)律，以期為紫花苜?；觳ゲ莸胤拍量茖W(xué)管理措施提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紫花苜蓿品種為‘阿爾岡金’，高羊茅品種為‘牛妞’，供試土壤為沙壤土，取自河北省廊坊市廣陽(yáng)區(qū)的中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園試驗(yàn)地0～20 cm，種植前試驗(yàn)土壤性質(zhì)為pH 7.8，有機(jī)質(zhì)6.8 g·kg-1，硝態(tài)氮10.46 mg·kg-1，銨態(tài)氮5.68 mg·kg-1，有效磷10.15 mg·kg-1，速效鉀134.58 mg·kg-1。人工配制的羊尿配方參考Marsden［26］的配制方法，配方中的尿素（購(gòu)于上海化工研究院）為15N標(biāo)記豐度為10.06%的尿素（CO（15NH2）2），模擬羊尿含氮量為4.4 g·L-1，其中尿素氮占總氮的67.95%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022年7—11月在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所溫室內(nèi)進(jìn)行，2022年7月挑選大小一致，顆粒飽滿的種子，用培養(yǎng)皿在培養(yǎng)箱內(nèi)育苗培養(yǎng)，培養(yǎng)10天后，選擇均勻一致的幼苗，移栽到長(zhǎng)×寬×高為15 cm×15 cm×15 cm的花盆中。供試土壤過(guò)10目的篩，除去砂礫和枯枝等雜質(zhì)，并裝入盆中，每個(gè)盆裝入3 kg的土壤。在植物生長(zhǎng)期間人工拔出雜草。

試驗(yàn)采用雙因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置三種不同種植方式（M）（包括苜蓿單播、高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播），是否施入羊尿處理（S）（包括施用蒸餾水（CK）和施用羊尿（U）），相互組合共計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共18盆，苜蓿和高羊茅單播時(shí)等距分布，每盆各種植4株，混播時(shí)1∶1比例等距對(duì)角分布，每盆種植2株苜蓿和2株高羊茅，移苗后將花盆做好標(biāo)記并放于溫室中。于2022年8月刈割，留茬5 cm，并施入3.18 mL羊尿，相當(dāng)于施入6.22 kg·hm-2的氮，對(duì)照處理施用與羊尿處理相同質(zhì)量的蒸餾水。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 株高 在刈割施入羊尿后每隔3天，用直尺測(cè)量苜蓿和高羊茅單株莖基部到頂端的絕對(duì)高度。

1.3.2 地上地下生物量 于2022年9月，從莖基部刈割花盆內(nèi)所有植物地上部分，混播處理的分種刈割，刈割植物地上部分后，取出根系，混播處理需分離紫花苜蓿和高羊茅的根系，用自來(lái)水清洗，清洗后用吸水紙吸出多余水分，將地上地下部分分別裝入信封，105℃殺青1 h后，65℃烘干至恒重，稱取干重。

1.3.3 植物含氮量及15N豐度 用粉碎機(jī)和高通量球磨儀將植物地上部分粉碎并過(guò)100目篩用于測(cè)定植物含氮量以及15N豐度，使用vario PYRO cube元素分析儀進(jìn)行植物含氮量的測(cè)定，ISOPRIME-100穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀測(cè)定植物15N豐度。單株植物氮素累積量=單株地上生物量×植物含氮量。

1.3.4 相關(guān)計(jì)算公式 苜蓿固氮效率：15N同位素稀釋法測(cè)定苜蓿從空氣中固定的氮素占植株全氮的比例（%Ndfa）的計(jì)算公式為［27］：

%Ndfa=（1-%NdfF%NdfNF）×100

式中：%NdfF為苜蓿體內(nèi)15N原子百分超；%NdfNF為高羊茅體內(nèi)15N原子百分超。

氮轉(zhuǎn)移效率：混播中高羊茅吸收的從苜蓿轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)的氮占植株全氮的比例（%NTrans）。計(jì)算公式為［28］：

%NTrans=（1-%NdfNFmix%NdfNFmomo）×100

式中：%NdfNFmix為混播中高羊茅體內(nèi)15N原子百分超；%NdfNFmomo為單播中高羊茅體內(nèi)15N原子百分超。

羊尿中氮回收率（%）=施氮組植物吸收的羊尿中15N實(shí)際施入的羊尿15N量×100

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，使用SPSS 26.0對(duì)地上生物量、地下生物量以及氮素累積量進(jìn)行雙因素方差分析，對(duì)混播苜蓿和混播高羊茅的羊尿中氮回收率進(jìn)行T檢驗(yàn)，苜蓿單播、高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播羊尿中氮回收率，以及生物固氮率進(jìn)行單因素方差分析，所有數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 9.5作圖。數(shù)值表示均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)株高生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響

施入羊尿?qū)位觳ドL(zhǎng)動(dòng)態(tài)的變化如圖1所示。紫花苜蓿在單播和混播中的生長(zhǎng)都呈先慢后快的趨勢(shì)，對(duì)照處理和施入羊尿處理下單混播苜蓿的株高差異不明顯（圖1a，b），高羊茅不同處理下都呈先快后慢的趨勢(shì)（圖1c，d）。

2.2 不同處理對(duì)地上生物量的影響

種植模式和羊尿處理對(duì)牧草地上生物量影響極顯著（Plt;0.01），其交互作用對(duì)地上生物量影響不顯著（表1）。由圖2可知，對(duì)照處理下，高羊茅單播和混播分別為2.92 g·pot-1和4.16 g·pot-1，施入羊尿處理下，分別為3.79 g·pot-1和4.84 g·pot-1，施入羊尿后顯著提高了高羊茅單播和混播的地上生物量（Plt;0.05），對(duì)照組和施入羊尿處理，都是苜蓿單播地上生物量最高，其次是混播，高羊茅單播最低。相同處理下，各種植模式間差異顯著（Plt;0.05）。

2.3 不同處理對(duì)地下生物量的影響

種植模式對(duì)牧草地下生物量影響極顯著（Plt;0.01），其交互作用對(duì)地下生物量影響極顯著（Plt;0.01）（表1）。施入羊尿?qū)位觳ハ到y(tǒng)地下生物量的影響如圖3所示，對(duì)照處理下，紫花苜蓿單播地下生物量為3.7 g·pot-1，顯著高于混播和高羊茅單播（Plt;0.05）。施入羊尿后，紫花苜蓿單播地下生物量為3.3 g·pot-1，與對(duì)照相比，顯著降低（Plt;0.05），混播顯著升高（Plt;0.05）。

2.4 不同處理對(duì)苜蓿和高羊茅氮累積量的影響

種植模式和羊尿處理對(duì)紫花苜蓿的氮素累積量有極顯著影響（Plt;0.01），其交互作用對(duì)氮素累積量影響不顯著（表1）。在紫花苜蓿中，與對(duì)照相比，單混播在施入羊尿后都提高了氮素累積量，且混播下顯著性提高（Plt;0.05），不同處理下，單播的氮素累積量都高于混播（圖4）。

種植模式對(duì)高羊茅的氮素累積量有極顯著影響（Plt;0.01），羊尿處理和其交互作用對(duì)氮素累積量影響不顯著（表1）。與紫花苜蓿不同，在高羊茅中，混播的氮素累積量高于單播，單混播在施入羊尿后都提高了氮素累積量，但沒(méi)有達(dá)到顯著水平（圖4）。

2.5 不同處理對(duì)紫花苜蓿生物固氮效率和氮轉(zhuǎn)移率的影響

種植模式和羊尿處理對(duì)紫花苜蓿的固氮效率有顯著影響（Plt;0.01），其交互作用對(duì)固氮效率影響不顯著（表1）。由圖5可知，施入羊尿后，單播和混播中施入羊尿處理的生物固氮效率與對(duì)照組相比均有所降低，但沒(méi)有達(dá)到顯著水平。與單播相比，混播苜蓿的生物固氮效率有所提高，施入羊尿的單播苜蓿，生物固氮效率為66.79%，顯著低于CK處理下混播苜蓿（Plt;0.05）。在對(duì)照處理下有9.42%的氮從苜蓿轉(zhuǎn)移到高羊茅中，施入羊尿后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氮轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

2.6 羊尿中氮回收率

由表2可知，不同種植模式下紫花苜蓿和高羊茅對(duì)羊尿中氮的回收率不同，單播紫花苜蓿和單播高羊茅的羊尿中氮回收率分別為49.01%和51.36%，差異不顯著，苜蓿+高羊茅混播下羊尿中氮的回收率為63.97%，較紫花苜蓿單播和高羊茅單播提高了30.52%和24.55%（比值），顯著高于單播紫花苜蓿和單播高羊茅（Plt;0.05）。在紫花苜蓿+高羊茅混播中，紫花苜蓿吸收了24.52%的羊尿中氮，高羊茅吸收的羊尿中氮，顯著高于紫花苜蓿（Plt;0.05），為39.45%。

3 討論

3.1 豆科牧草單播和混播中牧草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

施入羊尿提高了高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播的地上生物量，羊尿排泄到土壤中是一種添加養(yǎng)分的施肥措施［29］，羊尿施入后會(huì)促進(jìn)禾草的分蘗，從而提高地上生物量［30］。彭艷等［31］通過(guò)建立‘阿爾岡金’紫花苜蓿單播、高羊茅單播、‘阿爾岡金’紫花苜蓿與高羊茅混播3種處理，研究了西藏林芝地區(qū)‘阿爾岡金’紫花苜蓿與高羊茅混播的效果，得出干草產(chǎn)量為紫花苜蓿單播gt;混播gt;高羊茅單播。在本研究中，紫花苜蓿和高羊茅在1∶1比例混播下，混播地上生物量顯著高于高羊茅單播，而顯著低于苜蓿單播地上生物量（Plt;0.05），與其研究結(jié)果一致。不同植物對(duì)施入羊尿后響應(yīng)不同，并受施尿量和施尿時(shí)期的影響［32］。Shand等［33］通過(guò)向草地施入羊尿后，增加了死亡或分解根的比例，在本研究中，施入羊尿后苜蓿單播和高羊茅單播的地下生物量減少，但混播下的地下生物量增加，可能的原因是混播條件下牧草的穩(wěn)定性和抗逆性較單播更強(qiáng)［34］，緩解了羊尿施入后尿氮礦化作用產(chǎn)生的高濃度NH3毒害。

3.2 豆科牧草單播和混播中生物固氮和氮轉(zhuǎn)移的影響

在豆禾混播系統(tǒng)，由于存在種間競(jìng)爭(zhēng)，刺激了相鄰的根系，會(huì)提高豆科的共生固氮效率［35］。研究表明，豆禾之間根系接觸越緊密，越有利于豆科牧草根瘤數(shù)和根瘤重的增加，從而提高固氮酶活性進(jìn)行結(jié)瘤固氮［36］。但豆禾混播是否促進(jìn)豆科的生物固氮，與兩者對(duì)氮素等資源的競(jìng)爭(zhēng)有關(guān)［37］，受不同混播比例、不同環(huán)境、物種組成以及叢枝菌根真菌的相對(duì)豐度等因素的影響［38-40］。李強(qiáng)等［38］通過(guò)設(shè)置不同的豆禾比例，探究其對(duì)紫花苜蓿-羊草混播草地生物固氮的影響，發(fā)現(xiàn)在豆禾種植比例為50%時(shí)，紫花苜蓿的生物固氮率最大，豆禾比例是通過(guò)控制土壤水分的變化，調(diào)控葉片發(fā)育和光合等途徑改變了紫花苜蓿植物和根瘤發(fā)育，影響生物固氮。肉牛尿液會(huì)降低草地生物固氮作用［12］，與本研究中施入羊尿降低了苜蓿單播生物固氮的結(jié)果一致?；觳ブ猩锕痰瘦^單播有所提高，與朱樹(shù)秀［41］研究結(jié)果一致。豆科植物可以通過(guò)氮轉(zhuǎn)移使非固氮植物獲益，是拓展非固氮植物氮來(lái)源的重要途徑，可緩解氮缺乏脅迫［42］，本研究中，在對(duì)照處理下有9.42%的氮從苜蓿轉(zhuǎn)移到高羊茅中，且施入羊尿后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氮轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，可能的原因是在對(duì)照處理中，由于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，高羊茅從土壤中獲取的氮無(wú)法滿足生長(zhǎng)需要，施加羊尿后土壤的氮素水平達(dá)到可以滿足高羊茅的需求。

3.3 豆科牧草單播和混播中羊尿的氮吸收規(guī)律

羊尿中氮的保留和隨后的循環(huán)利用是提高生態(tài)系統(tǒng)氮利用效率的關(guān)鍵［43］，羊尿中的氮在通過(guò)礦化作用轉(zhuǎn)化成氨進(jìn)入土壤后，被植物吸收。Fraser等［44］在三葉草-黑麥草混播草地中施入合成家畜尿15N，發(fā)現(xiàn)黑麥草回收了大部分38%的尿15N，而三葉草僅回收5%，Reay等［43］研究表明在黑麥草放牧草地中，羊尿液施入后1個(gè)月有34%的羊尿15N被同化到微生物有機(jī)氮庫(kù)中，隨后在微生物周轉(zhuǎn)過(guò)程中支持植物氮供應(yīng)，最終黑麥草地上地下共回收了42%羊尿中15N。牧草對(duì)羊尿中氮的吸收受季節(jié)環(huán)境影響較大，Decau等［45］在春季、夏季和秋季施用尿液后牧草分別回收了58%，42%和32%，本研究中發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿+高羊茅混播回收了63.97%，單播高羊茅回收了51.36%，與其春季的回收率相當(dāng)。

4 結(jié)論

施入羊尿后增加了高羊茅單播和苜蓿+高羊茅混播的地上生物量，降低了單混播中的紫花苜蓿的生物固氮率。在土壤耕層，紫花苜蓿+高羊茅混播可顯著提高對(duì)羊尿氮的回收率，較單播苜蓿和單播高羊茅提高了30.52%和24.55%（比值），苜蓿混播草地放牧利用能夠兼顧高效生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，是一種可持續(xù)的草地利用方式。

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（責(zé)任編輯 閔芝智）