植株密度和氮素互作對垂穗披堿草生物量分配的影響

段媛媛,王淳憶,張曹莉,郭富康,郭正剛

蘭州大學草地農業科技學院, 草業科學國家級實驗教學示范中心,蘭州 730020

垂穗披堿草(Elymusnutans)是一種優質多年生禾本科牧草,因其具有耐寒性[1]已成為我國高寒地區建植栽培草地的首選草種之一[2- 3]。隨著高寒地區退化草地改良和舍飼畜牧業發展,垂穗披堿草栽培草地面積未來將會持續增加[4],因此,維持垂穗披堿草栽培草地穩產,已成為目前高寒地區草牧業持續發展亟待解決的重大科學問題。

植株密度和土壤養分因影響植株間的競爭而成為栽培草地穩產的兩個重要因素[1,3,5- 6]。植株密度是植物種群內部個體特征的主要約束因素之一[7],植株密度過低會降低栽培草地產量和品質[8],植株密度過大則會引起植株內對光和養分資源的競爭激烈[9- 10],不僅不會增加產量[1],反而會增加建植成本。氮是高寒地區植物生長的限制性元素[3,11- 12],因此,添加氮素成為維持栽培草地穩產的主要管理策略[2- 3,13]。然而氮素添加量過小并不能實現促進植物生長的功效[14],氮素添加過量會通過影響植物營養物質代謝而降低光合速率[1,9,15],而且會增加土壤非點源污染的風險[9,13,16- 19]。

垂穗披堿草產量與植株密度和氮素添加間的關系雖然已有大量研究,但尚未形成共識。關于植株密度與垂穗披堿草生物量的關系,有研究認為呈單峰關系,當播種密度為237 粒/m2時其產量最大[6],然而有研究則認為垂穗披堿草產量與播種密度呈負相關關系,表現為植株密度從55 粒/m2增加到167粒/m2時,產量逐漸降低[7],這說明植株密度與垂穗披堿草生物量關系的分異主要來自于植株密度范圍的設置。而垂穗披堿草產量與氮素添加量的關系亦出現分異,有研究認為是正相關關系[3],即當施氮量從 0 增加到 50 g/m2時垂穗披堿草產量逐漸增加,也有研究表明是單峰關系[7],當氮素添加量為 150 kg/hm2時垂穗披堿草產量最高。研究表明,栽培草地內植株密度與土壤氮素之間存在著密切關聯[7],這種關聯有時表現為協同,有時則表現為拮抗[20]。管理栽培草地的核心目標就是將植株密度與氮素添加量調整至協同狀態,實現兩者之間的耦合[9],最終維持草地穩產和氮的最優化利用。雖然播種密度和氮素添加互作能夠顯著影響垂穗披堿草的生長及生殖性能[7],但兩個因素互作是否存在有助于生物量穩定的最佳理論組合,尚需科學試驗提供證據因此,繼續深入研究植株密度和氮素添加互作對垂穗披堿草產量及其地上地下生物量分配的影響,確證植株密度和氮素添加量互作時是否存在理論的最佳組合,是垂穗披堿草栽培草地管理時保留合理植株密度和添加適宜氮素的基礎性問題,具有重要的現實和理論意義。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用雙因素設計,兩個因素為植株密度和氮素添加量。植株密度和氮素添加量參照已有研究,植物密度設置為 20、35、50 株/盆[21],即 58、102、146 株/m2分別用D1、D2、D3表示,氮素添加量設置為 0 mg/kg、200 mg/kg、400 mg/kg[4],分別用 N1、N2、N3表示。氮素添加量以純氮含量為準,氮源為含氮量為 46% 的尿素。試驗共 9 個處理(D1N1、D1N2、D1N3、D2N1、D2N2、D2N3、D3N1、D3N2、D3N3),每個處理設置 3 個重復。試驗以盆栽方式在蘭州大學榆中校區智能溫室進行,溫室溫度維持在 15—25 ℃,光照強度 300 lx。花盆選用聚乙烯仿瓷塑料花盆,高 28.5 cm,口徑 33 cm,底徑 20 cm，試驗時每個花盆裝土10kg。本研究采用的土壤為黑壚土,采集于甘肅榆中縣夏官營地區的耕地耕作層,其土壤 pH 值為 7.4,有機質含量 0.66%,全氮含量 0.11%,速效磷 57.66 mg/kg,速效鉀 240 mg/kg。

2018 年 10 月 20 日,首先測定試驗用土的飽和含水量[22]；其次,按照處理設計核算每個花盆需要添加的尿素量,將尿素和 10 kg 土壤充分攪拌混合,一起裝入該花盆,不再添加其他任何營養元素,共計裝盆 27 個,滿足每個處理 3 個重復的設計需求；第三,所有花盆裝土和尿素后,緩慢澆水,將土壤含水量調至飽和含水量的 60%左右；第四,挑選飽滿均一的垂穗披堿草種子,于 10 月 21 日播種于花盆,每盆播種 100 粒；第五,為避免土壤水分含量變化對種子萌發和幼苗生長的影響,采用稱重法每 3 天澆一次水,讓花盆內土壤含水量始終維持于 60% 左右,此含水量是垂穗披堿草適宜生長的水分含量[4, 21]。2018 年 11 月 20 日,垂穗披堿草完整出苗時,采用人工間苗法將植株密度調至試驗設計水平,間苗時每個盆內盡可能的保留長勢均勻的植株。此后每周隨機移動花盆位置,保證各盆植株受光均勻,每個盆的管理措施一致。

1.2 取樣與指標測定

2019 年 9 月 10日取樣。首先,每個花盆中隨機選取 5 株,采用直尺(mm)測定其自然株高,在根頸處查數單株分蘗數,5 株的平均值視為該盆植株的株高和分蘗數。再將每盆中全部植株齊土壤表面刈割,獲取地上生物量鮮樣。之后將花盆打碎,用自來水洗出植物根系后用蒸餾水沖洗干凈并剔除雜物,最后用干凈濾紙吸干根系表面水分后,將根系放入盛有一定水量的量筒內,用玻璃棒輕輕攪動排出空氣,當根系完全浸泡在水中時,獲取量筒內水增加的體積數,即為根系體積。最后,將植物地上部分鮮樣和根系,均放置于 65 ℃ 的烘箱,烘 48 h 至恒重,冷卻至室溫后用精確度為 0.001 g 的電子天平稱量,獲得地上生物量和地下生物量。生物量分配采用地上生物量和地下生物量比值評價。

1.3 數據處理

先采用 One-Way ANOVA 檢驗各個指標數據的方差齊性,若不一致,則采用 Log 轉置數據,再采用 Two-Way ANOVA 分析植株密度和氮素添加量對各個指標的影響。若植物密度和氮素添加量互作不顯著,則不做進一步分析；若植株密度和氮素添加量互作對某一個指標的影響顯著,繼續采用 Tukey 比較法進行多重比較分析,最后采用 MATLAB 擬合該指標與植株密度和氮素添加量間的關系,建立模型。

2 結果

2.1 植株密度和氮素添加量互作對垂穗披堿草地上生物量及構成要素的影響

植株密度顯著影響了垂穗披堿草的株高、單株分蘗數和地上生物量(表 1)。氮素添加量顯著影響了垂穗披堿草的單株分蘗數和地上生物量(P<0.01),但沒有顯著影響株高。植株密度和氮素添加量互作顯著影響了株高和地上生物量,對單株分蘗數沒有顯著影響。

隨植株密度增加,垂穗披堿草株高和地上生物量先增加后降低,植物密度為 102 株/m2時最大,其中株高較 58 株/m2和 146株/m2時分別增加了6%和16%,地上生物量增加了 48%和46%,而單株分蘗數隨植株密度增加逐漸減小,降幅介于 61% 到 45%。隨氮素添加量增加,垂穗披堿草單株分蘗數和地上生物量均表現為先增加后降低,氮素添加量為 200 mg/kg 時最大,單株分蘗數較 0 mg/kg 和 400 mg/kg 時增加 28% 和 8%,地上生物量較 0 mg/kg 和 400 mg/kg 時增加81%和79%。

表1 植株密度和氮素添加量互作對垂穗披堿草株高、單株分蘗數及地上生物量的影響(平均值±標準誤差)

圖1 植株密度和氮素添加量互作下垂穗披堿草株高曲面圖 Fig.1 3D response surface of plant height of Elymus nutans between plant density and nitrogen application rate

圖2 植株密度和氮素添加量互作下垂穗披堿草地上生物量曲面圖 Fig.2 3D response surface of aboveground biomass of Elymus nutans between plant density and nitrogen application rate

2.2 植株密度和氮素添加量互作對垂穗披堿草根系生物量及體積的影響

表2 植株密度和氮素添加量對垂穗披堿草根系體積和地下生物量的影響

Table 2 Effects of plant density and nitrogen application rate on root volume and underground biomass of Elymus nutans

植株密度極顯著影響了垂穗披堿草的根系體積和地下生物量(表2),而氮素添加量、植株密度和氮素添加量互作僅顯著影響了地下生物量(P<0.01),對根系體積沒有顯著影響。隨植株密度從 58 株/m2增加到 102 株/m2時,垂穗披堿草根系體積和地下生物量顯著增加,分別增加 13% 和 26%,而當植株密度超過 102 株/m2后,根系體積和地下生物量基本保持相對穩定。隨氮素添加量增加,垂穗披堿草地下生物量逐漸降低,降幅介于 6% 到 25%。

圖3 植株密度和氮素添加量互作下垂穗披堿草地下生物量曲面圖Fig.3 3D response surface of underground biomass of Elymus nutans between plant density and nitrogen application rate

2.3 植株密度和氮素添加量互作對垂穗披堿草地上地下生物量比值的影響

植株密度、氮素添加量,以及植株密度和氮素添加互作均極顯著影響了垂穗披堿草地上地下生物量比(P<0.01)。隨植株密度增加,垂穗披堿草的地上地下生物量比值均先增加后降低,在 102 株/m2時達到最大比值 4.89,較 58 株/m2和 146 株/m2的增幅為 13% 和 27%；隨氮素添加量增加,垂穗披堿草的地上地下生物量比值也呈現先增加后降低的趨勢,在 200mg/kg時有最大值 4.97,較 0 mg/kg 和 400 mg/kg 高 9% 和 42%(表 3)。

表3 植株密度和氮素添加互作對垂穗披堿草地上地下生物量比值的影響

圖4 植株密度和氮素添加互作下垂穗披堿草地上地下生物量比值曲面圖Fig.4 3D response surface of the aboveground to underground biomass ratio of Elymus nutans between plant density and nitrogen application rate

3 討論

栽培草地產量和物質分配不僅受植株密度和氮素添加單個因素的影響,而且受兩個因素互作效應的影響,而植物密度和氮素添加單因素的效應是分析互作效應的基礎。

植株密度與垂穗披堿草地上生物量關系密切,主要是植株密度變化時改變了植株個體獲取光照資源的能力和植株個體葉面積指數[10],這導致植株個體間的合作和競爭關系不斷調整[6],從而影響地上和地下生物量及分配。當植株密度較低時,植株個體間間隙較大,單位面積的葉面積指數較低,光能利用率低[23],地上生物量維持在較低水平；當植株密度增加時,垂穗披堿草植株個體間的競爭關系逐漸增加[6],植株個體間的空隙被逐漸占據,單位面積葉面積指數逐漸增加[5,23- 25],光合作用增強,光合產物增多[1,14],此時植株間合作關系占據優勢地位,而這種合作關系增加了土壤溫度、水分和氮素的有效性[6,25],從而促進垂穗披堿草的地上生物量逐漸增加；當植株密度過高時,雖然植物群體的葉面積指數較大,但植株個體間互相遮蔭,透光效果差[25- 26],下層葉片接收不到光照,整體光合作用下降[23],導致垂穗披堿草個體間對有限資源的高度競爭、抵消并最終壓倒了促進作用[6],從而導致垂穗披堿草的地上生物量下降,因此垂穗披堿草只有維持在合理植株密度范圍內時[5],其地上生物量才會最優。株高和分蘗數是垂穗披堿草地上產量的主要構成要素,兩者共同決定地上生物量的高低[1]。垂穗披堿草株高隨植株密度增加先增加后降低,主要與植株個體間競爭關系的變化有關[2,6]。當植株密度從低到高增加時,植株個體為獲取光資源維持光合作用[1],對光資源競爭加劇[10,27],每個植株個體均會努力向上競爭生長[26],以獲取更多光照資源[5,21],客觀上形成植株高度逐漸增加的局面[16,28]。當植株密度過大后,植株個體之間競爭極強烈,資源的有限性導致植株個體能夠獲取的資源量減少[6,24- 25],從而抑制植株生長[27],此時則會形成植株株高反而有所降低的現象,這與植株密度與植株高度關系的研究結果一致[10]。垂穗披堿草單株分蘗數隨植物密度增加表現為逐漸降低,這與已有垂穗披堿草密度與分蘗數的研究結果趨同[2,7],主要原因是隨植株密度增大,植株個體占據的資源量減少,光截獲量下降[25- 27],一方面減弱了光照對單株分蘗數的正向增加作用,另一方面資源對營養繁殖的投入下降所致[2,21,27],這與個體間種內競爭不利于單株分蘗數增加的觀點一致[2]。研究結果表明,垂穗披堿草根系體積和地下生物量隨植株密度增加表現為先增加后保持相對穩定的過程,是由于植株密度增大時,植株獲取資源時受到鄰株在物理和幾何上的擁擠效應[24,26],促使植物主動調整狀態[1],此時植物個體需要獲取并利用更多地下資源,植物根系的覓食行為會促使根系伸長生長加強,并構建“擴散型”根系系統,降低內部根系擁擠程度以充分利用資源,提高自身生境適應度[1],因此垂穗披堿草的根系體積和生物量逐漸增加。但隨植株密度持續增大,垂穗披堿草個體間競爭加劇[2,6],個體根系生長減弱,但群體根系優勢依然不斷增大[1]。高植株密度時,植物根系依然存在覓食效應,但由于花盆空間限制,植株的根系密度和根系深度達到飽和狀態[19],此時根系體積和生物量會維持在相對穩定的狀態,不再增加。研究表明,垂穗披堿草地上地下生物量比隨植株密度增加先增加后降低,這與植物獲取資源的能力和根系生物量分配的權衡有關[1,28]。植株密度開始增加時,由于植物的權衡特性會將有限的資源進行分配以維持各個器官的生理機能[2,7]。垂穗披堿草為獲取更多光資源生產更多有機物質,一般優先將光合產物分配于地上生長[1,26],此時垂穗披堿草地上地下生物量比值增大；而當植株密度超過一定閾值后,植物個體間地上部分相互遮蔭,整體光合產物有所減少[26],但地下生物量卻一直維持在較高水平(表 2),此時表現為地上地下生物量比值降低。

土壤氮素變化對垂穗披堿草產量具有明顯影響,主要原因是垂穗披堿草喜嗜氮,因此其生物量對土壤氮素變化反應敏感[1]。垂穗披堿草單株分蘗數和地上生物量隨氮素添加量增加而先增加后降低,這與玉米(Zeamays)和狼尾草(Pennisetumalopecuroides)地上生物量響應氮素變化的結果一致[18,26]。氮素添加量較低時,一定程度上改善了土壤整體營養狀況,植物所需養分得到及時補充[4,13,20,24,27]；同時氮素刺激了植物生長和分蘗發生[1,5,7,15],有利于植物葉面積增加[1,24,27],延緩葉片衰老[14,27],延長葉片光合作用時間增加光合產物[9- 10,24,27],地上生物量隨之增加,這一過程在玉米和棉花(Gossypiumspp)上也到了驗證[15,18]。隨氮素添加量增加,垂穗披堿草分蘗能力繼續增加,但增加速率有所降低,此時單株分蘗數和地上生物量依然處于緩慢增加狀態。當氮素添加過量時,垂穗披堿草生長旺盛,植物個體捕獲的光資源減少且葉片光合速率在高氮下會顯著降低[1,9,25,27]；在擁擠脅迫下,葉片作為吸收氮素的主要貯藏器官,葉片氮濃度會有所下降[25],影響植物氮素吸收利用[13- 14,16,18,29],植物分蘗受到約束[5],導致單株分蘗數降低；同時土壤高氮能夠刺激植物體內硝酸鹽富集,抑制植物生長減緩葉片中光合產物的有效運輸[1],最終表現為地上生物量降低,這一現象與狼尾草對過量氮素的響應趨同[29]。然而,垂穗披堿地下生物量隨氮素添加量增加卻逐漸降低,一方面是由于土壤氮素添加量的升高,影響了植株光合產物的分配,根系的分配量降低[17]；一方面是高氮素使分配到植株根系的碳素主要用于轉運氮素,便于植物吸收利用,從而導致植株根系生長受阻[30]。垂穗披堿草地上地下生物量比隨氮素添加量增加表現為逐漸增加,是由于隨氮素添加量增加,植物群體生長的限制因素從土壤礦物質資源變為光資源[30],依據最優分配原理和植物的生活史策略[31],植物有獲得最大適合度的適應性行為[2,7,30],此時植物會將更多光合產物優先分配于獲取限制性資源的地上器官[1,7,27],最大限度地獲取光資源,保證群體健康生長,客觀上形成了地下生物量維持在較低水平,表現為地上生物量降低。

植株密度和氮素變化不僅明顯影響垂穗披堿草的產量和物質分配,兩者的互作更會影響垂穗披堿草的產量和物質分配。研究結果表明,植株密度和氮素添加量互作對垂穗披堿草不同指標的影響存在分異特征,雖然植株密度與氮素添加互作對單株分蘗數和根系體積沒有顯著影響,但兩者互作卻顯著影響了垂穗披堿草株高、地上生物量、地下生物量、地上地下生物量比。不論是株高和地上生物量,還是地下生物量和地上地下生物量比,與植株密度和氮素添加量的關系均表現為一個開口向下的拋物面,說明垂穗披堿草株高、地上生物量、地下生物量、地上地下生物量比響應植株密度和氮素添加量互作時,理論上存在最佳組合,并不是植株密度越大越好,也不是氮素添加量越大越好。只有當植株密度和氮素添加量處于合適狀態時,兩者間關系則會表現為耦合狀態,此時垂穗披堿草產量和地上地下生物量分配最佳,既能實現高產目標,又能節約氮素、降低建植成本,而且適量施氮會使收獲期土壤硝態氮與銨態氮含量相對較低,減少環境污染[18],過度施氮則會導致養分過度代謝、光合速率降低、同化物積累,降低氮肥的生理和農藝效率[9]。本研究設計的 9 個組合處理中,植株密度為 102 株/m2和氮素添加量為 200 mg/kg時,垂穗披堿草的地上和地下生物量最大,且最有利于生物量向地上配置,此組合下垂穗披堿草的株高較氮素添加量為 0 mg/kg和 400 mg/kg 時分別增加了 13% 和 12%,地上生物量增加 116% 和 65%,地下生物量增加 5% 和 28%,地上地下生物量比增加 49% 和 60%。同時最佳組合時株高(102 株/m2和氮素添加量為 200 mg/kg)較 20 株/盆和 50 株/盆時的株高,分別增加了 10% 和 38%,地上生物量分別增加了 104% 和 123%,地下生物量分別增加 37% 和 18%,地上地下生物量比分別增加 41% 和 0。雖然本研究證實了植株密度和氮素添加量互作理論上存在最佳組合,此組合會維持垂穗披堿草的高產,而且會優化生物量的配置,然而結果僅為一年盆栽試驗所得,田間試驗條件下植物密度和氮素添加量的互作可能受多種因素綜合作用,因此未來需要采用田間試驗繼續驗證植株密度和氮素添加量互作存在最佳組合的可靠性。同時,不同地區土壤基礎氮素含量存在差異,且適宜的植株密度可能不同,生產實踐中應該根據區域環境和氣候特征,確定適宜的植株密度和氮素添加量,從而實現兩者的互作協同,以適宜的植株密度和氮素添加量作為當地垂穗披堿草管理的基準,提高栽培草地的管理水平,維持垂穗披堿草栽培草地的高產和穩產。

致謝：感謝文雅、馮甘霖等同學幫助取樣,感謝龐曉攀、張靜和王倩博士幫助數據分析。