不同混播方式下燕麥+箭筈豌豆混播草地的生產性能及土壤養分特征

關正翾，娜爾克孜，朱亞瓊，鄭 偉,2，劉岳含，艾麗菲熱

（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）

燕麥 (Avena sativa) + 箭筈豌豆 (Vicia sativa)型混播草地在高寒地區[1-2]、山地冷涼地區[3-4]和草田輪作[5]中都得到了廣泛應用，是一種在世界上都廣泛種植的栽培草地模式[6-7]。其生產性能的高低是該型混播草地可否大面積推廣的重要決定因素，對土壤肥力的改善作用則是能否種植該型混播草地的重要因素。現有研究表明，燕麥 + 箭筈豌豆型混播草地中的箭筈豌豆可依靠燕麥作為攀附支撐物，有利于提高其光合作用面積和改善其光照條件[5, 8]，并促進牧草產量和品質[1, 9]，提高籽粒產量[10]；箭筈豌豆還可以利用生物固氮增加土壤養分供應，提高土壤酶活性[11]，并促進混播燕麥生長[12]，甚至有利于后茬作物產量和品質的提高[13]。因此，燕麥 + 箭筈豌豆型混播草地具有生產高產、優質牧草的潛力。研究發現，增加箭筈豌豆混播比例，有利于牧草質量的提高；合適的混播比例，則可以取得牧草產量與質量俱佳的效果[2]。趙彩霞等[9]發現，以生產飼草為目的，異行混播 +豆禾比1∶1可取得燕麥 + 箭筈豌豆混播牧草產量與質量均較好的結果。

在豆禾牧草混播草地系統中，一方面豆科牧草通過對土壤硝態氮吸收的減少，節約了土壤硝態氮，使土壤肥力得到明顯的改善，為其他牧草提供養分；另一方面豆科牧草的殘留物釋放養分為其他牧草提供持續的氮素營養，使土壤肥力得到改善。15N同位素標記試驗表明，豆科與禾本科植物混播 || 間作系統中豆科植物氮素轉移量的大致范圍為 25～155 kg·hm-2[14]，占禾草氮產量的 5%～24%[15]，甚至更高[16]。張小明等[17]發現在燕麥 || 箭筈豌豆間作系統中，作物總吸氮量比燕麥單作提高了26.2%～79.8%，比箭筈豌豆單作提高了9.0%～55.4%。另外，混播系統還可以改善磷養分的供應狀況。研究發現，磷高效植物與磷低效植物間混作能顯著改善磷低效植物的磷營養狀況，提高整個間混作體系的生產性能[18]。Yahuza[19]則發現增加豆科植物比例和植物種類均可使土壤中難溶的PO4-P轉變為植物可吸收的磷，增加植物群落磷吸收量。單播/單作系統與混播/混作系統相比，往往會出現土壤養分消耗嚴重的現象，單播禾本科牧草的草地土壤表層(0-20 cm)堿解氮含量下降明顯，單播豆科牧草則速效磷含量下降明顯[20]。因而，燕麥 + 箭筈豌豆混播草地是否存在氮磷高效利用、土壤養分積累或消耗增加等現象，值得深入研究。

目前有關箭筈豌豆 + 燕麥型混播草地的研究，主要關注的是該混播草地的牧草產量與質量[2, 9, 21]，以及對土壤的改善作用[3, 22]，二者相對獨立，但不同混播方式下土壤養分與牧草生產性能關系的研究較少。燕麥 + 箭筈豌豆型混播草地具有通過合理的混播方式(混播比例、同行混播、異行混播)實現牧草產量、質量和土壤肥力均改善的潛力。因此，本研究以不同混播方式為調控手段，

利用牧草產量、營養物質產量和種子產量等指標分析混播方式對生產性能優勢的影響，將土壤養分特征與生產性能優勢內在聯系作為關鍵證據，綜合分析土壤養分與牧草生產性能的關系，以及播種方式對該關系的影響，以探討冷涼氣候牧區燕麥 + 箭筈豌豆混播體系改良土壤并提高生產性能的技術手段。

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，地理位置 81°03′-81°05′ E，42°38′-43°15′ N，海拔 1 650 m。該區屬于溫帶山區半濕潤易干旱冷涼類型，冬長無夏，春秋相連，沒有明顯的四季之分。根據國家氣象數據網的數據(站點號51437)，2013-2015年研究區年均溫為4.44 ℃，年最高溫均值為31.38 ℃，年最低溫均值為-22.98 ℃，年均降水量為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 2 499.53 h，≥ 10 ℃ 年積溫 2 765.2 ℃·d。

1.2 試驗設計

混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能影響試驗在固定播量(箭筈豌豆120 kg·hm-2和燕麥180 kg·hm-2)下設置不同混播比例(箭筈豌豆與燕麥的 混 播 比 例 分 別 為 50∶50、 67∶33、 75∶25、80∶20)和混播群體結構(分別為同行混播和異行混播)。其中異行混播以行數控制混播比例，每行播種種子數相同，即 1行∶1行 = 豆禾比 50∶50，2 行∶1 行 = 豆禾比 67∶33，3 行∶1 行 = 豆禾比75∶25，4行∶1行 = 豆禾比 80∶20。試驗以單播燕麥和箭筈豌豆為對照，播量分別為180和120 kg·hm-2。試驗共10個處理，每個處理3次重復(n= 3)，完全隨機區組設計，30個小區，混播比例按種子占單播重量的實際用價來計算，混播與單播密度相同。每個小區面積均為 4.5 m × 5 m。具體處理設計如表1所列。2017年4月下旬土壤解凍時進行試驗地準備工作，包括翻耕、平整、小區設置等。2017年5月1日播種，在箭筈豌豆種子成熟時(2017年9月中旬)進行收獲。試驗期間不施用任何肥料，不灌溉，中耕松土1次，每年人工除雜草2次。

表 1 箭筈豌豆 + 燕麥混播草地的播量、播種方式和混播比例Table 1 Sowing quantity, sowing patterns and mixed sowing ratios in common vetch-oat mixtures

1.3 測定項目與方法

種子產量：箭筈豌豆和燕麥種子成熟后，各小區分別收獲，晾干，脫粒，去雜，風干，測定種子產量。

牧草產量及其營養元素含量的測定：在箭筈豌豆豆莢膨脹期和燕麥乳熟期(均在8月中旬)進行測定。各小區取樣面積 1 m × 1 m，3 個重復，留茬高度5 cm。收獲樣品按混播牧草種類分開，置于70 ℃ 烘箱至恒重后記錄各組成物種干重。每個小區按“十”字法隨機取500 g混勻樣，將樣品烘干后進行粉碎，過0.4 mm篩，利用奈氏(Nessler)比色法測定牧草粗蛋白 (crude protein, CP)含量，利用索氏提取法測定粗脂肪含量 (ether extract, EE)，利用范氏(Van Soest)洗滌纖維分析法測定牧草酸性洗滌纖維(acid detergent fiber, ADF)含 量 以 及 NDF(neutral detergent fiber, NDF)含量[23]。

土壤樣品采集及其養分含量的測定：以“S”形取樣法在每個小區內用土鉆按0-10和10-20 cm分層采集5個樣點的混合土樣，3次重復，采用重鉻酸鉀容量法測定有機質含量，開氏法測定全氮含量，HClO4-H2SO4法測定全磷含量，堿解擴散法測定速效氮含量，0.5mol·L-1NaHCO3法測定速效磷含量[23]。

1.4 數據處理

牧草營養物質產量：牧草營養物質產量 = 營養物質含量 × 牧草產量。

相對產量總和 (relative yield total, RYT)：利用相對產量總和測度箭筈豌豆 + 燕麥混播草地牧草產量的混播優勢。

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=1，說明在該組分下種間和種內干擾相等；RYT＜1，說明在該組分下種間干擾大于種內干擾，環境資源沒有得到充分利用；RYT＞ 1說明種間干擾小于種內干擾，各個競爭種可能有某種程度的生態位分化，環境資源得到充分利用[24]。

土地當量比 (land equivalent ratio, LER)：利用土地當量比衡量燕麥 + 箭筈豌豆混播草地種子產量的混播優勢。

式中：LO= 混播燕麥種子產量/單播燕麥種子產量；LP= 混播箭筈豌豆種子產量/單播箭筈豌豆種子產量。當LER＞1 時，表示有混播優勢；當LER＜1時則無混播優勢[25]。

采用 Excel 2010、SPSS 20.0 對所有數據進行統計分析。采用q檢驗法(SNK)和最小差異顯著法(LSD)進行不同處理間生產性能及土壤養分的差異顯著性檢驗(P＜0.05)，采用Pearson相關分析對草地生產性能與土壤養分間的關系進行分析。

2 結果與分析

2.1 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能的影響

不同混播方式下燕麥 + 箭筈豌豆混播草地牧草產量在BT75處理下具有較大值(表2)，但與BT50和BY50處理間無顯著差異(P＞0.05)，而與其他混播處理以及單播處理間差異顯著(P＜0.05)，各混播處理中除BY80處理與CKY之間無顯著差異外，其他混播處理均顯著高于單播處理(P＜0.05)；CP產量以BT75處理下最大，雖與BT50、BY75和BT80處理之間差異不顯著(P＞0.05)，但顯著高于其他混播處理以及單播處理 (P＜0.05)；EE產量在BY50處理中達到較大值，雖與BT50、BT75和BT80處理之間差異不顯著(P＞0.05)，但顯著高于其他混播處理以及單播處理(P＜0.05)；ADF和NDF產量均在BT75處理下具有較大值，但與BT50和BY50處理無顯著差異(P＞0.05)，而與其他混播處理以及單播處理間差異顯著(P＜0.05)；CKJ的箭筈豌豆種子產量顯著高于各混播處理(P＜0.05)，BT80和BY80的箭筈豌豆種子產量顯著高于其他混播處理(P＜0.05)；BT50和 BY50處理燕麥種子產量較高，顯著高于其他混播處理以及單播處理(P＜0.05)；各混播處理的相對產量總和均大于1，其中BT75處理較大，雖與BT50處理之間差異不顯著(P＞0.05)，但顯著高于其他混播處理 (P＜0.05)；各處理的土壤當量比均大于1，其最大值出現在BY50處理中，顯著大于BY67處理，但與其他處理之間差異不顯著 (P＞0.05)。由此可見，在箭筈豌豆 +燕麥混播草地中，混播方式對牧草產量、營養物質產量、種子產量以及資源利用優勢均有明顯影響。

2.2 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地土壤養分特征的影響

0-10 cm土壤有機質含量在BY80處理下較大

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(表 3)，顯著高于 BY50處理 (P＜0.05)，但與其他混播處理及單播處理間無顯著差異(P＞0.05)；10-20 cm土層各處理之間土壤有機質含量無顯著差異(P＞0.05)。0-10 cm 土層土壤全氮含量在 BT75處理下較大，顯著高于各單播處理和除BT50、BY50外其他混播處理 (P＜0.05)；10-20 cm 土層土壤全氮含量較大值則出現在BY75處理中，與BT67、BT75、BT80和 BY80處理間差異顯著 (P＜0.05)，但與其他混播處理及單播處理無顯著差異(P＞0.05)。0-10和10-20 cm土層土壤全磷含量在各處理間無顯著差異 (P＞0.05)。0-10 cm 土層，CKJ處理的土壤堿解氮含量顯著高于各混播處理以及燕麥單播處理(P＜0.05)；BT67處理的土壤堿解氮含量顯著高于BY50、 BY67、 BY75、 BT80和 BY80處 理 (P＜0.05)，但與其他處理之間差異不顯著 (P＞0.05)。10-20 cm土層，CKJ處理的土壤堿解氮含量較高，與CKY和BT50處理之間差異不顯著(P＞0.05)，但顯著高于其他混播處理 (P＜0.05)；BT50和 BT67處理的土壤堿解氮含量較高，且顯著高于其他混播處理。0-10 cm土層，CKY處理的土壤速效磷含量較高，與 CKJ和 BY67處理之間差異不顯著 (P＞0.05)，但顯著高于其他混播處理 (P＜0.05)；0-10 cm 土層各混播處理之間土壤速效磷含量差異不顯著(P＞0.05)；10-20 cm土層土壤速效磷含量的較大值出現在 BT67處理，顯著高于 CKY處理 (P＜0.05)，但與其他處理之間差異不顯著 (P＞0.05)。

表 3 不同混播方式下土壤淺層養分的比較Table 3 Comparison of soil shallow nutrient content under different mixed patterns

由此可見，單播箭筈豌豆可增加淺層土壤(0-10 cm)速效氮養分含量，單播燕麥則可增加其有效磷養分含量，混播方式對土壤速效與全量養分影響比較復雜。

2.3 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能和土壤養分關系的影響

在不同播種方式下，將燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能指標(牧草產量、粗蛋白產量、相對產量總和、土地當量比)與土壤養分指標(土壤全氮、土壤堿解氮、土壤速效磷)作相關性分析(表4)，結果表明，在單播群體結構中，土壤堿解氮含量與牧草產量、粗蛋白產量呈極顯著正相關關系(P＜0.01)；同行混播群體結構中土壤全氮含量與粗蛋白產量呈顯著正相關關系(P＜0.05)；異行混播群體結構中粗蛋白產量與土壤速效磷含量呈顯著負相關關系(P＜0.05)。由此可見，燕麥與箭筈豌豆混播可以解除土壤速效氮、磷養分的限制，從而提高其生產性能。

牧草產量、粗蛋白產量、相對產量總和、土地當量比與土壤養分指標(土壤全氮、土壤堿解氮、土壤速效磷)在不同混播比例下，將燕麥 + 箭筈豌 豆混播草地生產性能指標與土壤養分指標作相關性分析(表5)。當箭筈豌豆單播時，土壤堿解氮與牧草產量、粗蛋白產量均呈負相關關系；土壤速效磷與牧草產量呈極顯著的負相關關系(P＜0.01)，但與粗蛋白產量呈顯著的正相關關系(P＜0.05)。與土地當量比呈正相關關系。當豆禾比為75∶25時，土壤全氮和土壤堿解氮含量與牧草產量、粗蛋白產量、相對產量總和均呈正相關關系，土壤堿解氮含量與土地當量比呈顯著負相關關系(P＜0.05)；土壤速效磷含量與土地當量比呈顯 著 正 相 關 關 系 (P＜ 0.05)。 當 豆 禾 比 為67∶33時，土壤全氮和土壤堿解氮含量與粗蛋白產量、相對產量總和均呈正相關關系；土壤速效磷含量與牧草產量、粗蛋白產量、土地當量比均呈顯著負相關關系(P＜0.05)。當豆禾比為50∶50時，土壤堿解氮含量與牧草產量、粗蛋白產量、相對產量總和均呈正相關關系，與土地當量比呈顯著負相關關系(P＜0.05)；土壤速效磷含量與粗蛋白產量呈顯著負相關關系(P＜0.05)，與土地當量比呈顯著正相關關系(P＜0.05)。燕麥單播時，土壤全氮含量與牧草產量、粗蛋白產量呈極顯著正相關關系(P＜0.01)；土壤速效磷含量與牧草產量、粗蛋白產量呈顯著負相關關系(P＜0.05)。由此可見，當提高箭筈豌豆混播比例時，土壤氮素養分對草地生產性能(牧草產量、粗蛋白產量)的限制作用解除，而對土壤速效磷養分與草地生產性能的關系影響較小。

表 4 不同播種方式下燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能指標與土壤養分間的關系Table 4 Relationship between grassland productivity and soil nutrients under different sowing methods

3 討論

3.1 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能的影響

在混播/間作體系中，植物種之間的競爭和互補提高了產量和品質，使得生產性能提高，主要原因包括混播 || 間作植物根系間作用對養分吸收的促進、養分高效利用植物對非高效植物養分的有效化、地上光資源高效利用等[26-28]。鄭偉等[29]研究進一步指出，栽培草地生產性能應包含產量、品質、種間相容性及群落穩定性等多個方面，不是單項因素的比較，而是綜合評價。本研究進一步明確了收獲目的的差異可導致評價混播草地生產性能的不同。以收獲牧草為目的，各混播組合牧草產量、粗脂肪產量均高于單播，各混播組合粗蛋白產量均高于單播燕麥，各混播組合的牧草產量優勢(相對產量總和均大于1)明顯，同行混播牧草產量大于相同豆禾混播比例的異行混播組合；以收獲牧草種子為目的，燕麥混播比例為50%時，燕麥種子產量顯著增加，但箭筈豌豆種子產量在各個混播組合均顯著下降，各混播組合的種子產量優勢(土地當量比均大于1)明顯；以具體混播方式來看，BT50、BY50和BT75具有較高的牧草產量、營養物質產量、牧草產量優勢和種子產量優勢(表2)。因此，不同的生產目的對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地的混播方式要求不同。

3.2 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地土壤養分的影響

從土壤養分高效利用與積累方面考慮，豆禾混播/間作能促使植物根系構型和根系空間結構發生變化[30-31]，這種根系的變化不但能增加植物根系面積，使植物對土壤養分的汲取能力增強，而且能促使豆科和禾本科作物根系生態位分離[32]，以利用不同土層養分，避免土壤養分競爭，這樣更有利于土壤養分的積累，土壤養分再通過根系反作用于地上部分[33]，實現豆禾混播/間作系統的增產。然而并不是所有的混播方式都有利于混播草地營養元素積累[34]。因此，選擇適宜的混播方式是豆禾混播草地混播優勢獲得以及土壤養分積累量提高的關鍵所在。在本研究中，混播方式對土壤有機質和土壤全磷的影響較小；單播箭筈豌豆具有較高的堿解氮含量，單播燕麥具有較高的土壤淺層速效磷含量；BT50、BY50和BT75具有較高的土壤全氮含量，BT50、BT67和BT75的堿解氮含量顯著高于相對應混播比例的異行混播組合(圖2)。現有研 究[16, 28, 34]表明，一年生混播/間作體系，主要對土壤速效/有效養分產生影響，對土壤全量養分和土壤有機質含量影響較小，這與本研究結果類似。綜合上述研究結果來看，箭筈豌豆的生物固氮作用及同行混播方式則有利于增加土壤氮素養分的供應與積累[35]，燕麥的須根系則有利于淺層土壤有效磷的活化，增強向植物供應磷養分的能力。

表 5 不同混播比例下箭筈豌豆 + 燕麥混播草地生產性能指標與土壤養分間的關系Table 5 Relationship between grassland productivity and soil nutrients under different mixed sowing ratio

3.3 混播方式對燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能與土壤養分內在聯系的影響

植物產量和品質與土壤養分密切相關，特別是土壤有效/速效養分的變化直接影響了植物對養分的吸收利用情況，而植物通過根系汲取的土壤速效養分主要來自于土壤微生物分解的全量養分。豆禾混播/間作體系中，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[36-37]。與此同時，豆禾混播還能促進了土壤微生物活動，提高土壤微生物數量和多種酶活性[11, 38-39]，進而使土壤全量養分更多的轉化為速效養分為植物吸收，提高產量。在本研究中，混播方式(單播、同行和異行混播)影響了牧草產量、粗蛋白產量與土壤堿解氮、全氮和有效磷含量間的關系；其他土壤養分含量則與生產性能關系不緊密(表2)。而豆禾比較高時可負向影響土壤氮素養分與牧草產量、粗蛋白產量和混播牧草產量優勢間的關系；反之，則為正向影響。土壤速效磷可負向影響牧草產量、粗蛋白產量和混播牧草產量優勢，正向影響種子產量優勢，與豆禾比無關(表3)。土壤養分含量與植物功能性狀(包括與植物生產力相關的性狀)的相關關系可表征土壤養分對植物群落的調控作用，正相關關系往往表征著植物性狀對土壤養分的依賴程度，而負相關關系表征著土壤養分限制因子與穩定因子的內在聯系[40]。因而，燕麥 + 箭筈豌豆混播草地的牧草生產性能及混播優勢依賴于土壤氮素養分的供應，混播群體結構(同行混播、異行混播)對這種依賴關系影響較小，而混播比例(特別是箭筈豌豆的混播比例)能顯著影響上述依賴關系；土壤磷素養分是燕麥 + 箭筈豌豆混播草地生產性能提高的主要限制因子。

4 結論

燕麥 + 箭筈豌豆混播體系在冷涼牧區(如新疆昭蘇盆地)具有生產高產優質牧草和改良土壤肥力的巨大潛能，同行混播 + 豆禾比50∶50、異行混播 + 豆禾比 50∶50 和同行混播 + 豆禾比 75∶25 混播草地的混播優勢明顯。單播燕麥可提高土壤速效磷養分積累；混播體系生產性能的顯著提升主要表現為箭筈豌豆提高了土壤當季氮素養分和同行混播方式增加了土壤氮素養分的供應與積累。混播比例顯著影響了牧草生產性能和混播優勢與土壤氮素養分的相互關系。因此，同行混播 + 豆禾比50∶50和同行混播 + 豆禾比75∶25的混播方式可作為優質牧草生產兼顧改善土壤肥力的較佳方案；異行混播 + 豆禾比50∶50則可作為生產冷季飼用種子的較佳方案。