混播種類和群體結構對豆禾牧草混播系統氮素利用效率的影響

朱亞瓊，關正翾，鄭偉,2*，王祥

(1.新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆維吾爾自治區草地資源與生態重點實驗室，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氮素的供應[1-3]，并且可在一定程度上促進豆科牧草固氮效率的提高[4-6]，還能促進系統中禾本科牧草對氮的吸收[5, 7]，減少土壤無機氮的累積[8-9]，從而提高整個混播系統氮素的利用效率[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，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生育期內小麥地上部植株含氮量，顯著增加了小麥葉和穗的氮含量，為生物產量的形成和經濟產量的提高奠定了基礎[12]。因此，豆科牧草根瘤菌固定的氮資源對豆禾混播草地提高土壤氮含量、增加草地氮產量和維持系統氮素平衡起著重要作用[7]。

豆科牧草通過生物固氮作用增加的氮素，一方面被自身生長所消耗，另一方面通過根接觸轉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吸收牧草根系的脫落物、根瘤和細小根系的腐爛分解和礦化的物質發生氮轉移[13-14]；通過泡囊-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生的氮素轉移，轉移的氮占作物吸收氮含量的0.7%～2.5%[16-17]；禾本科通過根系分泌一些小分子的物質，如多糖、氨基酸等發生氮轉移[18]。與此同時，豆禾牧草混播后，禾草與豆科牧草間存在著對氮素的競爭權衡，只有當土壤氮含量通過氮循環達到禾草與豆科牧草各自競爭優勢平衡的水平時，兩者才可以共存[19]。豆禾牧草共存的基礎還包括存在空間上或時間上根系分布差異所導致的生態位分離，以及禾草、豆科牧草在養分利用方式上差異所導致的生態位分離(由于豆科牧草和禾本科牧草在利用土壤無機氮方面存在不同的競爭差異，而引起種植豆科牧草后的土壤無機氮比種植禾本科后的土壤無機氮變高的現象被稱為“節約氮”)，這些均能有效地降低豆禾牧草對土壤養分的競爭[20]。因此，豆科牧草生物固氮能力，豆禾牧草間轉移氮素的數量和時間，以及豆禾牧草養分競爭狀態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鍵。

現有的研究表明，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]、豆科牧草養分競爭劣勢[2]和群體結構[22]等因素的影響，導致豆科牧草轉向對土壤無機氮的吸收，氮素利用效率并沒有比單播/單作高[23]。特別是混播群體結構，不僅影響了地上光資源的競爭結局，還影響了根系生長[24]，從而導致地下養分競爭格局發生變化。祁軍等[25]、于輝等[26]和楊峰等[27]研究結果表明，豆禾混播牧草群體結構還影響了冠層光合有效輻射、地上種間競爭格局和根系形態，從而導致混播群體生物產量與經濟產量的變化。如何篩選出較優的混播組合與混播群體結構，權衡地上光資源競爭與地下根系養分競爭，則需要利用氮素利用效率測度豆禾牧草混播復合系統高效生產機制。因而，需要通過深入探討混播種類、混播群體結構與混播系統氮素利用效率之間的關系，明確豆禾牧草混播產生氮素補償效應及其他生態位分離的機理，推動豆禾混播系統高效生產潛能的充分發揮。因此，本研究以無芒雀麥(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(紅豆草和無芒雀麥)、混4組合(無芒雀麥、紅豆草、貓尾草和紅三葉)和混6組合(6種牧草混合)3種混播種類的豆禾混播草地為研究對象，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構的變化因素，從豆科牧草固氮量、轉氮量及其氮素利用效率對草地氮產量、生物產量的貢獻角度出發，利用盆栽試驗分析和比較豆禾混播牧草在不同混播種類與混播群體結構中的氮素利用效率變化，重點解析混播群體結構與豆科牧草生物固氮能力和氮素利用效率的關系，明確通過合理混播種類與混播群體結構提高混播系統氮素利用效率的基本機制，為闡明豆禾牧草混播復合系統高效生產機制做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于新疆伊犁哈薩克自治州昭蘇縣的昭蘇馬場(E 81°03′-81°05′，N 42°38′-43°15′)，該區域氣候類型屬于溫帶山區半濕潤易旱冷涼類型。根據國家氣象數據網的數據(站點號51437)，2013-2015年，研究區年均溫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%，全年日照時長2499.53 h。

1.2 盆栽試驗設計

本試驗選用的材料為無芒雀麥、貓尾草、鴨茅、紅豆草、紅三葉和紫花苜蓿6種豆禾牧草，試驗前從昭蘇馬場山地草甸取回0～20 cm的土壤，去除根系、凋落物和大石塊，混勻，作為盆栽試驗基質。昭蘇馬場山地草甸土壤為黑鈣土，土壤有機質含量為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，并控制每個花盆土壤具有相同的容重。

試驗設3種混播種類組,分別為：合混2(無芒雀麥+紅豆草)、混4(無芒雀麥+紅豆草+貓尾草+紅三葉)和混6(無芒雀麥+鴨茅+紅豆草+貓尾草+紅三葉+紫花苜蓿)；4種群落結構處理，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。單播無芒雀麥、貓尾草、鴨茅、紅豆草、紅三葉和紫花苜蓿作為對照，行距均為15 cm。每個花盆均只播種2行，所有處理均為3次重復；15 cm行距花盆大小為70 cm(長)×30 cm(寬)×30 cm(高)，30 cm行距花盆大小為70 cm(長)×45 cm(寬)×30 cm(高)，播種時距花盆邊緣均為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際用價來計算，具體設計及播量見表1。

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

1.3 測定項目與方法

1.3.1牧草產量及氮產量的測定 牧草產量：2016年8月15日在牧草結實期齊地面刈割，按混播牧草種類分開，及時置于65 ℃烘箱烘至恒重后記錄各組成物種干重。

牧草N產量的測定：將烘干樣品帶回室內，另取樣品粉碎后過40目篩(0.425 mm)，采用H2SO4-H2O2消煮，利用ZDDN-Ⅱ型凱式定氮儀(中國)測定牧草樣品的粗蛋白(crude protein, CP)含量。并根據牧草產量換算成CP產量，再折算成牧草N產量，具體計算方法參見楊勝[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、轉氮量及其氮素利用效率的測定15N自然豐度法的理論基礎：在大氣中，15N作為一種較穩定的同位素，其豐度是穩定而均勻的，原子豐度為0.3663%，被認為是15N標準同位素豐度[30]。通常以樣品中的15N與標準自然豐度(大氣15N豐度)的千分差(δ15N)表示其相對豐度，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)為大氣標準15N原子豐度(0.3663%)。

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

1)應用生物固氮率(percentage of nitrogen derived from air, PN)、生物固氮量(amount of nitrogen derived from air, WN)和轉氮率(percentage of nitrogen derived from legume, PNt)、轉氮量(amount of nitrogen derived from legume, WNt)測度混播草地的氮素利用效率，其計算公式為：

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

2)生物固氮對草地氮產量的貢獻率(contribution of biological nitrogen fixation, CBNF)計算公式為：

生物固氮貢獻率(CBNF)=(WN/草地總氮產量)×100%

1.3.3牧草營養競爭比率及生態位分離 營養競爭比率(competition ratio, CRpm)是度量植物養分吸收能力強弱的一種指標[31]。本試驗用豆科牧草相對禾本科牧草對養分的競爭比率來衡量養分競爭能力：

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分吸收量；Usg和Usl分別為單播禾草和豆科牧草的養分吸收量；Fg和Fl分別為混播中禾草和豆科牧草所占比例。當CRpm>1時，表明豆科牧草比禾草營養競爭能力強；當CRpm<1時，表明豆科牧草比禾草營養競爭能力弱。

相對產量(relative yield, RY)和相對產量總和(relative yield total, RYT)可以反映混播牧草間的競爭格局與競爭結果[13, 21]，可作為養分競爭的重要參照目標。

禾草相對產量(RYG)=Ygl/(pYg)
豆科牧草相對產量(RYL)=Yll/(qYl)

式中：Ygl是在混播條件下禾草的單位面積產量，Yg是單播條件下禾草的單位面積產量；Yll是混播條件下豆科牧草的單位面積產量，Yl是單播條件下豆科牧草的單位面積產量；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表明禾草的種內競爭與豆科牧草的種間競爭相似；RYG>1表明禾草的種內競爭大于其種間競爭；RYG<1表明種間競爭要大于種內競爭[13]。

式中:Yij為種i與種j混播時種i的草產量；Yii為種i單播時的草產量；Yji為種j同種i混播時種j的草產量；Yjj為種j單播時的草產量。RYT值表明混播牧草間的相互關系及對同一環境資源的利用情況；RYT>1時，混播牧草占有不同的生態位，利用不同的資源，有一定共生關系；RYT=1時，混播牧草種間利用共同的資源；RYT<1時，表示混播牧草間相互拮抗[32]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010、SPSS 20.0對數據進行統計分析，統計完成后用Origin 8.0制圖。采用q檢驗法(Student-Newman-Keuls，SNK)和最小差異顯著法 (Least—significant difference，LSD)進行不同混播處理間牧草產量、牧草N產量、生物固氮率、生物固氮量、轉氮率、轉氮量和營養競爭比率的差異顯著性檢驗(P<0.05)，采用最小二乘法對牧草產量與生物固氮率、生物固氮量、轉氮率、轉氮量和生物固氮對草地氮產量的貢獻率進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同混播處理牧草產量和N產量的比較

牧草產量和N產量直接反映了不同混播組合氮素利用效率的最終結果。如圖1所示，從混播種類來看，混播處理牧草產量顯著高于單播處理(P<0.05)；2種豆禾牧草混播(混2)牧草產量顯著高于6種牧草混播(混6)(P<0.05)，混6牧草產量顯著高于4種豆禾牧草混播(混4)。從混播群體結構來看，豆禾牧草異行混播+行距30 cm(Int30)牧草產量顯著高于其他群體結構(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)牧草產量、豆禾牧草異行混播+行距15 cm+根系阻隔(Int45)無顯著差異(P>0.05)，但顯著高于單播(P<0.05)；Int15牧草產量顯著高于Int45(P<0.05)。從各處理來看，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種處理的牧草產量顯著高于混4、混6(M6-30除外)和單播各處理的牧草產量(P<0.05)。

由圖2所示，從混播種類來看，牧草N產量與牧草產量變化規律類似，但混2牧草N產量與混6無顯著差異，混6牧草N產量也與混4無顯著差異(P>0.05)。從混播群體結構來看，牧草N產量與牧草產量變化規律也類似。從各處理來看，M6-30、M2-30、M2-15和T2-15牧草N產量也較高，其他處理的牧草N產量變化規律與牧草產量相似。

雙因素(混播種類、混播群體結構)方差分析表明(表2和表3)，混播種類與混播種類×混播群體結構的交互作用對牧草產量的影響極顯著(P<0.01)，混播群體結構對牧草產量的影響顯著(P<0.05)；混播群體結構與混播種類×混播群體結構的交互作用對N產量的影響極顯著(P<0.01)，混播種類對N產量的影響顯著(P<0.05)。上述結果表明，隨著混播種類和混播群體結構的改變，牧草產量和N產量發生顯著變化，混2、混6+異行混播30 cm行距的處理具有較好的生產性能。

圖1 不同混播種類、群體結構和處理間牧草產量的比較Fig.1 Effects of species diversity, community structures and treatments on forage yield

圖2 不同混播種類、群體結構和處理間牧草N產量的比較Fig.2 Effects of species diversity, community structures and treatments on forage N yield

不同小寫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移過來的氮素。由圖3所示，從混播種類來看，混2固氮量(WN)顯著高于混4和混6(P<0.05)；混2和混6轉氮量(WNt)顯著高于混4(P<0.05)。從混播群體結構來看，Int30和Mix15的WN顯著高于其他群體結構(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，從混播種類來看，固氮率(PN)和貢獻率(CBNF)在各混播種類處理間無顯著差異(P>0.05)；混2和混6的轉氮率(PNt)顯著高于混4(P<0.05)。從混播群體結構來看，PN在各混播群體結構處理間無顯著差異(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值為負值；Int30和Int15的CBNF顯著高于Mix15和Int45(P<0.05)。從各處理來看，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、群體結構和處理的固氮量Fig.3 Effects of species diversity, community structures and treatments on nitrogen fixation amount

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

不同小寫字母(a, b, c…)表示不同處理間固氮量的差異顯著；不同大寫字母(A, B, C…)表示不同處理間轉氮量的差異顯著；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，轉氮量：Amount of nitrogen derived from legume. 不同小寫字母(a, b, c…)表示不同處理間固氮率的差異顯著；不同大寫字母(A, B, C…)表示不同處理間轉氮率的差異顯著；不同字母(a′, b′, c′…)表示不同處理間貢獻率的差異顯著；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，轉氮率：Amount of nitrogen derived from legume, 貢獻率：Contribution.

雙因素(混播種類、混播群體結構)方差分析表明(表3)，混播種類、混播群體結構與混播種類×混播群體結構的交互作用對的WN的影響均不顯著(P>0.05)；僅混播群體結構對WNt的影響顯著(P<0.05)；混播種類、混播群體結構與混播種類×混播群體結構的交互作用對CBNF的影響也均不顯著(P>0.05)。上述結果表明，隨著混播群體結構的改變，混播群體的WNt發生了顯著變化，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養競爭與生態位分離的比較

由表2可知，從混播種類來看，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無顯著差異(P>0.05)；混2的營養競爭比率(CRpm)較高，但與混4、混6也無顯著差異(P>0.05)。從混播群體結構來看，Mix15的豆科牧草吸氮量顯著高于Int15和Int30(P<0.05)， 與Int45無顯著差異(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)。從各處理來看，M4-45具有較高的豆科牧草吸氮量，與T2-15和T4-15無顯著差異(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無顯著差異(P>0.05)，但顯著高于其他處理(P<0.05)。且多數處理中禾草的吸氮量大于豆科牧草。雙因素(混播種類、混播群體結構)方差分析表明(表3)，混播種類對CRpm的影響不顯著(P>0.05)，混播群體結構對CRpm的影響極顯著(P<0.01)，混播種類×混播群體結構的交互作用對CRpm的影響顯著(P<0.05)。

表2 不同混播種類、群體結構和處理間吸氮量及營養競爭比率(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)上極顯著相關;*表示在0.05水平(雙側)上顯著相關。

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

如圖5所示，從混播種類來看，混4、混6豆科牧草相對產量(RYL)、相對產量總和(RYT)顯著高于混2 (P<0.05)；各混播種類間禾草相對產量(RYG)無顯著差異(P>0.05)。從混播群體結構來看，Int30具有較高的RYL，顯著高于Int15和Mix15(P<0.05)，但與Int45無顯著差異(P>0.05)；Int30還具有較高的RYG，顯著高于Int15和Int45(P<0.05)，但與Mix15無顯著差異(P>0.05)；Int30的RYT顯著高于其他混播群體結構(P<0.05)。從各處理來看，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)。上述結果表明，隨著混播群體結構的改變，混播群體的營養競爭率和競爭格局發生了顯著變化，異行混播30 cm行距的處理具有較低的豆科牧草氮素營養競爭率以及豆禾牧草生態位分離，具有較高的資源利用效率。

圖5 不同混播種類、群體結構和處理間相對產量及相對產量總和的比較 Fig.5 Effects of species diversity, community structures and treatments on relative yield and relative yield total 不同小寫字母(a, b, c…)表示不同處理間豆科牧草相對產量的差異顯著；不同大寫字母(A, B, C…)表示不同處理間禾草相對產量的差異顯著；不同字母(a′, b′, c′…)表示不同處理間相對產量總和的差異顯著；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.豆科牧草相對產量：Relative yield of legume，禾草相對產量：Relative yield of grass，相對產量總和：Relative yield total.

2.4 牧草產量和相對產量總和與固氮量、固氮效率和營養競爭等參數的關系

如圖6所示，對牧草產量和RYT與固氮能力、固氮效率和營養競爭等參數之間進行擬合發現(n=12)：牧草產量與WNt呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與WN、PN、PNt呈顯著正相關關系(P<0.05)，與CBNF和CRpm呈顯著負相關關系(P<0.05)；牧草產量與WN、WNt、PNt和CRpm間的關系可用二項式函數模型表示，與PN和CBNF間的關系可用三項式函數模型表示。RYT與CRpm呈極顯著負相關關系(P<0.01)，與WN、PN和CBNF呈顯著正相關關系(P<0.05)，與WNt、PNt呈顯著負相關關系(P<0.05)；RYT與PN間的關系可用一元線性函數模型表示，與WNt、PNt和CBNF間的關系可用二項式函數模型表示，與WN間的關系可用三項式函數模型表示，與CRpm間的關系可用指數函數模型表示。上述結果表明，牧草產量與轉氮量關聯性較強，而與其他固氮效率與固氮量參數關聯性較弱；相對產量總和與營養競爭比率關聯性較強，而與固氮效率與固氮量參數關聯性較弱。

3 討論

3.1 混播種類對氮素利用效率和生產性能的影響

在間混作群體中，植物種之間的競爭和互補提高了產量和養分利用效率，主要原因包括間混作植物根系間作用對養分吸收的促進、作物產量形成的競爭-恢復、養分高效利用以及植物對非高效作物養分的有效化等[33]。大部分研究是通過豆科牧草與禾草/農作物(豆科牧草+禾草或豆科牧草+農作物)2種植物種的組合來研究氮素利用效率、生物固氮量和生產性能改善，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，咖啡對豆科植物所提供的氮素的利用狀況，結果表明咖啡30%的氮素來源于豆科植物；朱樹秀等[34]對老芒麥(Elymussibiricus)與紫花苜蓿混播盆栽進行了氮素轉移的研究，結果表明，盆栽的當年老芒麥從與之混播的苜蓿固定的氮中獲得植物生長所需的22.9%～33.4%的氮，次年獲得56%的氮。而另一方面，有關植物多樣性對牧草產量或生物量影響的研究則表明，隨著混播種類的增加，牧草產量呈增加的趨勢[35]，且混播種類多的草地長期利用的穩定性更好[28]。這是否意味著混播種類的增加有利于生物固氮量的增加，氮素利用效率的增加，從而使豆禾牧草養分競爭減弱，生態位分離，產生互補作用，生產性能提升？本研究結果表明，與單播牧草相比，各混播種類組合牧草產量、N產量均顯著增加，但混播種類的增加未使牧草產量、N產量進一步增加(圖1和圖2)。與此同時，隨著混播種類的增加，固氮量呈減少趨勢，轉氮量、轉氮率和貢獻率均呈先下降后上升的變化規律(圖3和圖4)；但豆科牧草相對產量呈增加趨勢，禾草相對產量和氮素營養競爭率呈減少趨勢，相對產量總和呈增加趨勢(表2，圖5)。由此可見，混播種類的增加為豆禾牧草間資源的高效利用提供了更多機會，混播系統使氮素的固定、傳遞及吸收效率提高，對氮素的養分競爭也隨之下降，為豆禾牧草的生態位分離提供了重要途徑。但混播種類或者說植物物種多樣性對混播系統生態功能影響是復雜的，不能簡單歸結為種類數量增加，混播系統生態功能隨之提高[36]，其中植物種的功能屬性可能更能決定系統的功能屬性[37]。因此，在豆禾牧草混播系統中利用混播種類提升系統功能可能并不能達到滿意效果，篩選高效養分利用的物種混播組合更為關鍵。

圖6 牧草產量和相對產量總和與固氮量、轉氮量、固氮率、轉氮率、氮產量貢獻率及營養競爭比率的關系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 群體結構對氮素利用效率和生產性能的影響

群體空間結構的變化(行距、間套作、同行、異行)直接改變了植物群體光能的截獲、地上地下種間競爭過程以及產量潛力的發揮[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系[40]。Zhao等[40]認為間作群體的空間結構顯著影響了豆科作物的生物固氮能力、間作系統的氮素利用效率以及“氮阻遏”效應。但也有研究認為不同間作群體的空間結構之間，氮素利用的互補作用差異不顯著[5]。本研究結果表明，豆禾牧草異行混播+行距30 cm的群體空間結構具有較高的牧草產量、N產量、轉氮量、轉氮率、貢獻率以及相對產量總和，但氮素營養競爭率較低(圖1～圖5，表2)。由此可見，優化豆禾牧草群體結構可以有效改善豆科牧草向禾草轉移氮素的效率，促進二者之間在氮素利用上形成共存，顯著提高混播系統生態功能。與此同時，牧草產量(或N產量)與轉氮量呈極顯著正相關(P<0.01)，而相對產量總和與氮素營養競爭比率呈極顯著負相關(P<0.01)(圖6)，這也進一步證明了豆科牧草轉移氮素效率的提高有助于牧草產量的增加，而豆科牧草氮素營養競爭能力的下降促進了豆科與禾本科牧草之間氮素營養的共存，為混播系統生態功能的提升提供了重要途徑。

4 結論

混播種類及其組合、混播群體的空間結構(行距、同行、異行、異行阻隔)改變了豆禾混播草地土壤養分利用與競爭環境，使得混播系統的氮素吸收、轉移與利用效率發生變化，生態功能也隨之改變。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功能；但混播種類的增加并未顯著增加混播群體生態功能，僅僅使混播群體發生共存的概率增加。從同行混播到異行混播以及行距增加，使得地下根系對氮素營養的競爭強度減弱，由豆科牧草固定及轉移的氮素呈增加趨勢，混播群體氮素利用的互補作用增強，種間相容性增加。但根系阻隔下，由豆科牧草固定及轉移氮素的途徑被阻斷，混播群體互補作用被嚴重削弱。上述結果較好地反映了混播群體結構的優化可以使豆禾混播牧草根系氮素固定、轉移、利用途徑和效率得到提高，為混播系統生態功能的提升提供了重要基礎。對混播種類與群體空間結構進行綜合考慮，混2(無芒雀麥+紅豆草)和混6(無芒雀麥+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、轉移效率，生產性能也較好。