李強(qiáng)，黃迎新，鐘榮珍，孫海霞，周道瑋

豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例對(duì)其固氮效率的影響及潛在生理機(jī)制

李強(qiáng)，黃迎新，鐘榮珍，孫海霞，周道瑋

（中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130102）

【】通過研究豆草比例對(duì)紫花苜蓿-羊草混播草地豆科植物生物固氮的影響及其生理生態(tài)機(jī)制，深化對(duì)混播群落結(jié)構(gòu)和生物固氮功能關(guān)系的理解，輔助豆-禾混播草地的科學(xué)建植和管理，提高混播草地生物固氮和土壤肥力，提升草地資源生產(chǎn)和生態(tài)保障能力。2017年5月，利用紫花苜蓿和羊草為試驗(yàn)材料，采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，于中國科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站內(nèi)建植不同豆草比例（紫花苜蓿占比為25%、50%、75%、100%）的紫花苜蓿-羊草混播草地，4次重復(fù)。建植一年后，通過樣方取樣法調(diào)查混播草地群落結(jié)構(gòu)變化，測(cè)定紫花苜蓿葉片、枝條和根系生長(zhǎng)發(fā)育、光合和水分等生理代謝特征，在測(cè)定根系結(jié)瘤特征基礎(chǔ)上，采取15N同位素自然豐度法評(píng)估紫花苜蓿固氮效率，結(jié)合土壤水分動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析豆草比例對(duì)紫花苜蓿生物固氮的影響及其生理生態(tài)機(jī)制。（1）混播草地建植一年后，對(duì)應(yīng)25%、50%、75% 和100%設(shè)計(jì)的豆草混播比例，混播草地實(shí)際紫花苜蓿占比分別為11%、27%、53%和100%。（2）對(duì)比25%、75%和100%的初始豆草種植比例，50%的初始豆草比例下，生長(zhǎng)季平均土壤水分含量分別增加了21.4%、36.4%和51.7%。（3）50%豆草種植比例下，紫花苜蓿植株有更大的枝條和根系生物量、葉片數(shù)量、葉片面積、葉片厚度和葉片生物量，上述指標(biāo)最小值出現(xiàn)在100%的豆草播種比例。（4）50%豆草種植比例下，紫花苜蓿具有最大的光合速率，枝條和根系中淀粉含量最高，但枝條和根系中可溶性糖含量最低。（5）50%的初始豆草混播比例下，紫花苜蓿根瘤發(fā)育更完善，其生物固氮率較25%、75%和100%的豆草混播比例分別提高了13.5%、44.6%和79.2%?；貧w分析表明，隨豆草比例變化，紫花苜蓿生物固氮效率與土壤含水量呈正相關(guān)。紫花苜蓿-羊草混播草地中，紫花苜蓿生物固氮能力與豆草比例間存在非直線型變化關(guān)系。當(dāng)初始豆草種植比例為50%時(shí)，紫花苜蓿生物固氮率最大。豆草比例驅(qū)動(dòng)土壤水分變化，進(jìn)而通過調(diào)控葉片發(fā)育和光合等途徑改變了紫花苜蓿植株和根瘤發(fā)育，是其影響生物固氮的潛在機(jī)制。

紫花苜蓿；羊草；混播草地；生物固氮；土壤含水量；光合作用

0 引言

【研究意義】利用豆科植物固氮，是改良草地，培肥草地土壤的一條經(jīng)濟(jì)、有效的生態(tài)途徑[1]。草地豆科植物不僅可作優(yōu)質(zhì)飼草[2]，同時(shí)豆科-根瘤共生體的生物固氮對(duì)草地土壤具有培肥作用[3]。對(duì)比氮肥施用，豆科植物的氮素固定和轉(zhuǎn)移不僅降低了自身對(duì)土壤氮素的競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)提供了緩釋的氮源，可降低高氮素獲取能力物種的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，有益于草地物種多樣性維持[4-5]。此外，利用豆科植物固氮培肥也能有效降低土壤氮源溫室氣體排放[6]?；觳ス痰亩箍浦参镉袠O大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)潛力替代化學(xué)肥料培肥草地土壤，提高飼草產(chǎn)量和質(zhì)量。混播草地中，豆草比例是決定豆科植物功能的關(guān)鍵要素，研究豆草比例對(duì)混播草地豆科植物生物固氮的影響及其生理生態(tài)機(jī)制，對(duì)理解混合群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能關(guān)系，提高混播草地建植管理具有重要理論和實(shí)踐意義。【前人研究進(jìn)展】豆科植物氮素固定是決定豆-禾混播草地的土壤培肥和飼草生產(chǎn)的關(guān)鍵過程。針對(duì)豆科植物固氮，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就其量化方法[7]、生理過程[8-11]、環(huán)境和生物控制及其調(diào)控機(jī)制開展了系統(tǒng)研究[12-15]。針對(duì)豆-禾混播草地，重點(diǎn)研究了環(huán)境條件、物種組成，尤其豆草比例對(duì)混播群體生物固氮的影響[16-19]。王平等[18]研究發(fā)現(xiàn)相同的總播種密度下，羊草-紫花苜?；旌先郝漭^紫花苜蓿單一種群具有更高的生物固氮率和總固氮量。NYFELER等[20]通過白三葉（L.）、紅三葉（L.）與多年生黑麥草（L.）、鴨茅（L.）的混播試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)豆科植物的生物固氮率隨其比例的增加呈現(xiàn)單峰變化，總體上，在20%—40%的豆草生物量比例下，白三葉和紅三葉的生物固氮能力更高，相似的研究結(jié)果在世界其他地區(qū)的豆-禾混播試驗(yàn)中也被發(fā)現(xiàn)[4, 17]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】豆科植物的比例是草地中進(jìn)行豆科牧草補(bǔ)播和混播人工草地建植管理的一個(gè)重要問題[21]，也是影響混播草地群落結(jié)構(gòu)和功能（包括固氮）的關(guān)鍵因素[4,20]。盡管眾多研究發(fā)現(xiàn)豆草比例對(duì)混播草地氮素固定的非線性作用，但從機(jī)理上解釋這種現(xiàn)象的研究很少。前期在半干旱區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)豆草比例改變土壤水分，這可能是驅(qū)動(dòng)豆科植物生理發(fā)育和固氮功能變化的潛在因素[4]。然而，變化的豆草混播比例下，土壤水分的改變驅(qū)動(dòng)豆科植物生理、生態(tài)特征如何變化，這些變化與豆科植物氮素固定的關(guān)系還不清楚?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以松嫩平原退化草甸上不同豆草混播比例的人工恢復(fù)草地為研究對(duì)象，從豆科植物生長(zhǎng)發(fā)育、生態(tài)性狀、生理代謝等角度揭示豆草混播比例影響豆科植物根瘤固氮的生理、生態(tài)機(jī)制，及土壤水分的關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)。以提高豆科植物生物固氮為目的，輔助豆-禾混播草地的科學(xué)建植和管理，改善草地土壤肥力，提升退化草地資源生產(chǎn)和生態(tài)保障能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2017年5月至2018年8月在中國科學(xué)院長(zhǎng)嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站執(zhí)行（44°33′N，123°31′E，海拔145 m）。該實(shí)驗(yàn)站地處松嫩草地腹地，屬于半干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候。據(jù)實(shí)驗(yàn)站附近氣象站2010—2016年間氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，年均溫5.2—7.0℃（平均6℃），年降水量297—631 mm（平均444 mm），降水季節(jié)性分布明顯，春季降水較少（3—5月），3個(gè)月合計(jì)占年降水量的25%，降水主要集中在6—8月，6、7、8月降水分別占全年降水量的18.7%、18.8%和18.9%。土壤類型為草甸鹽堿土。原生植被類型為羊草（s）草甸，近年來，受人類活動(dòng)干擾，草甸開墾、退化現(xiàn)象嚴(yán)重，部分草甸經(jīng)長(zhǎng)期開墾種植后地力下降，棄耕成為撂荒地。本試驗(yàn)混播草地為2017年在棄耕地中人工建植。該樣地建植之初0—20 cm層土壤pH為8.9±0.3，土壤有機(jī)質(zhì)、總氮和總磷含量分別為（19.4±0.7）、（0.94±0.11）、（0.26±0.04）g·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和取樣

試驗(yàn)所用羊草種子采集自實(shí)驗(yàn)站附近的天然羊草草地，所用紫花苜蓿品種為敖漢紫花苜蓿（L. cv. Aohan），種子購自內(nèi)蒙古赤峰市弘揚(yáng)林牧種子有限公司?；觳ゲ莸亟ㄖ膊捎猛耆S機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4個(gè)重復(fù)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組隨機(jī)設(shè)置5個(gè)豆草混播比例處理，分別為0%L（單播羊草）、25%L（紫花苜蓿幼苗比例為25%）、50%L（紫花苜蓿幼苗比例50%）、75%L（紫花苜蓿幼苗比例75%）、100%L（單播紫花苜蓿），總計(jì)20個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積8 m×8 m。小區(qū)播種前平整土地、深翻土壤，于紫花苜蓿單播和混播小區(qū)預(yù)先埋入2個(gè)直徑30 cm，高40 cm（不封底）的PVC管。2017年5月初，進(jìn)行小區(qū)播種，設(shè)計(jì)出苗株數(shù)為640 株/m2（約為松嫩草地的平均植物密度）。種子采用條播方式播種，混播小區(qū)為間隔條播，行間距15 cm，播種前預(yù)先做種子發(fā)芽試驗(yàn)，摸清羊草和紫花苜蓿種子發(fā)芽率，指導(dǎo)播種量。紫花苜蓿播種前用砂紙對(duì)種子進(jìn)行打磨處理（發(fā)芽預(yù)實(shí)驗(yàn)同），以劃破種皮促進(jìn)發(fā)芽。然后依據(jù)馬霞等[22]報(bào)道的根瘤菌接種液制備和接種方法采用拌種的方式對(duì)種子進(jìn)行根瘤菌接種，根瘤菌為苜蓿中華根瘤菌（）ACCC17544，分離自新疆紫花苜蓿，由中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心提供，接種后立即播種。幼苗出土過程中，若連續(xù)4 d無有效降雨，通過噴灌補(bǔ)充約20 mm降水量，保證每個(gè)小區(qū)土壤水分充足，植物完全出土后，按照預(yù)設(shè)株數(shù)和豆-禾比例均勻間苗。試驗(yàn)期間定期去除小區(qū)內(nèi)雜草。植物出土后的整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)（包括試驗(yàn)第二年），小區(qū)未進(jìn)行澆灌管理。因此，在一致的自然降雨下，初始不同的植物建植比例是影響后續(xù)土壤水分的核心因素。

在羊草、紫花苜蓿一年齡植株經(jīng)歷越冬成功建植后，2018年5月中旬開始，每隔15—16 d采用重量法測(cè)定每個(gè)小區(qū)的0—20 cm土層的土壤含水量。2018年8月中旬，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和植物樣品收獲。首先在每個(gè)紫花苜蓿單播和混播小區(qū)中（PVC管之外），隨機(jī)選取3株紫花苜蓿，測(cè)量葉片數(shù)目、葉片厚度（YH-1葉片厚度測(cè)量?jī)x）、葉面積（每株隨機(jī)選取5片成熟完整葉片掃描測(cè)定）、葉綠素含量（SPAD-502手持葉綠素測(cè)定儀）、葉片光合速率（LI-6400光合測(cè)定儀）。植物葉片性狀測(cè)定后，于每個(gè)小區(qū)調(diào)查1 m×1 m樣方內(nèi)紫花苜蓿和羊草植株密度。最后，將預(yù)先布置在小區(qū)內(nèi)的1個(gè)PVC管從底部挖出，沿中間位置將管壁剖開移除，然后仔細(xì)沖洗掉泥土，將每株植物分開。PVC管中分離的每株紫花苜蓿植株按枝條、根系、根瘤分別收獲，查數(shù)每株紫花苜蓿植株的根瘤數(shù)目，然后所有收獲樣品烘干稱重。PVC管內(nèi)所有紫花苜蓿植株按枝條和根系樣品分類組合、粉碎，然后用于測(cè)定紫花苜蓿地上、根系樣品碳水化合物含量，并測(cè)定地上部15N豐度。作為紫花苜蓿固氮測(cè)量的對(duì)照，羊草單播處理的地上部樣品同期被取樣、烘干、粉碎用并測(cè)定5N豐度。其中，可溶性糖含量采用經(jīng)典的蒽酮比色法[23]，淀粉含量采用硝基水楊酸法利用紫外可見分光光度計(jì)（UV-1700，島津公司，日本）測(cè)定。采用同位素比質(zhì)譜儀（MAT 253，ThermoFisher，美國）測(cè)定紫花苜蓿和羊草單播處理的羊草地上部15N豐度。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算和分析

紫花苜蓿生物固氮率（BNF %）采用15N同位素自然豐度法估算[4,24]，具體計(jì)算公式如下：

式中，δ15N為植物地上部15N豐度相對(duì)于大氣15N豐度的變化，B為完全依賴大氣氮源生長(zhǎng)時(shí)紫花苜蓿地上部的δ15N值（-0.78, 前期研究已經(jīng)測(cè)得）[4]。

每個(gè)小區(qū)紫花苜蓿植株各項(xiàng)形態(tài)、生理指標(biāo)的平均值被用于進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)在分析前進(jìn)行正態(tài)分布和方差齊性檢驗(yàn)。采用重復(fù)測(cè)量方差分析（Repeated measures ANOVA）統(tǒng)計(jì)初始豆草種植比例對(duì)土壤水分季節(jié)動(dòng)態(tài)的影響。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）統(tǒng)計(jì)初始豆草種植比例對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，采用鄧肯多重檢驗(yàn)進(jìn)行均值比較。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)通過SPSS 16.0 軟件完成，所有統(tǒng)計(jì)的顯著性水平設(shè)置為=0.05。采用Sigmaplot10.0軟件完成數(shù)據(jù)作圖。

2 結(jié)果

2.1 混播草地群落結(jié)構(gòu)和土壤含水量

混播草地建植一年后，紫花苜蓿植株密度明顯低于建植初期的設(shè)計(jì)密度，對(duì)應(yīng)25% L、50% L、75% L和100% L的設(shè)計(jì)混播比例，混播草地實(shí)際紫花苜蓿密度分別為56、115、172和230 株/m2（圖1-a），實(shí)際紫花苜蓿占比分別為11%、27%、53%和100%（圖1-b）。

整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，土壤含水量總體上隨初始豆草比例增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。對(duì)比25%、75%和100%的初始豆草種植比例，50%的初始豆草比例下，生長(zhǎng)季平均土壤含水量分別增加了21.4%、36.4%和51.7%（圖2）。

2.2 紫花苜蓿固氮效率

比較4個(gè)混播處理，在50%的初始豆草混播比例下，紫花苜蓿植株具有顯著更大的根瘤數(shù)量和生物量，其次是25%的豆草混播比例（圖3）。與根瘤變化相似，50%的初始豆草混播比例下，紫花苜蓿生物固氮率較25%、75%和100%的豆草混播比例分別提高了13.5%、44.6%和79.2%（圖4-a）。線性回歸分析表明伴隨豆草種植比例的改變，紫花苜蓿生物固氮率與土壤含水量呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖4-b）。

圖1 不同初始豆草種植比例下紫花苜蓿密度和比例

圖2 初始豆草種植比例對(duì)土壤含水量的影響

圖3 豆草種植比例對(duì)紫花苜蓿根瘤數(shù)量和生物量的影響

2.3 紫花苜蓿固氮效率變化機(jī)制

紫花苜蓿植株枝條和根系生物量隨初始豆草種植比例的增加呈現(xiàn)“單峰”變化，50%豆草種植比例下，紫花苜蓿植株的枝條和根系生物量均顯著高于其他處理，而100%豆草種植比例下，紫花苜蓿植株枝條和根系生物量最?。▓D5）。

當(dāng)初始豆草種植比例從25%增加到50%，紫花苜蓿植株葉片數(shù)量、單個(gè)葉片面積、葉片厚度、單個(gè)葉片生物量小幅增加，隨豆草種植比例的進(jìn)一步增加，這些葉片性狀呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。增加豆草種植比例顯著降低葉片葉綠素含量?？傮w上，25%和50%的初始豆草種植比例下，紫花苜蓿葉片上述各性狀值顯著高于100%的豆草種植比例（圖6）。

當(dāng)初始豆草種植比例從25%增加到50%，紫花苜蓿葉片胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、葉片光合速率和水分利用效率小幅增加，隨豆草種植比例的進(jìn)一步增加，這些測(cè)量指標(biāo)呈現(xiàn)明顯降低趨勢(shì)。25%和50%的初始豆草種植比例下，紫花苜蓿葉片上述各性狀值顯著高于100%的豆草種植比例。然而，紫花苜蓿水分利用效率處理間差異并不顯著（圖7）。

圖4 紫花苜蓿生物固氮率對(duì)豆草種植比例的響應(yīng)及其與土壤水分含量關(guān)系

圖5 豆草種植比例對(duì)紫花苜蓿枝條和根系生物量的影響

對(duì)比25%、75%和100%的初始豆草混播比例，50%的豆草混播促使紫花苜蓿枝條淀粉含量分別增加3.7%、9.2%和14.8%，紫花苜蓿根系淀粉含量處理間變化趨勢(shì)與枝條相似（圖8-a）。初始豆草混播比例對(duì)紫花苜蓿根系可溶性糖含量無顯著影響，50%的初始豆草混播比例下，紫花苜蓿枝條可溶性糖含量最低，75%—100%的初始豆草混播比例下，紫花苜蓿枝條具有明顯更高的可溶性糖含量（圖8-b）。

3 討論

混播草地建植一年后，受植物-環(huán)境間相互作用影響，紫花苜蓿植株密度和比例較設(shè)計(jì)值明顯降低，表明在紫花苜蓿-羊草混播草地中，環(huán)境因素（包括植物間競(jìng)爭(zhēng)等生物環(huán)境要素）對(duì)紫花苜蓿建植生長(zhǎng)的限制作用更大。然而，對(duì)應(yīng)初始種植的豆草比例，混播群落中實(shí)際觀測(cè)到的豆草比例仍然維持了明顯的梯度變化，表明初始建植時(shí)的豆草比例對(duì)混播群落結(jié)構(gòu)演變有重要調(diào)控作用[4]。

圖6 豆草種植比例對(duì)紫花苜蓿葉片特征的影響

植物相對(duì)比例對(duì)混播群落的生態(tài)過程和功能有重要影響[1,4,19,20]。最初，在經(jīng)典的多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系（物種等比例混播）研究基礎(chǔ)上[25]，研究人員進(jìn)一步指出群落均勻度（群落內(nèi)部物種比例差異的綜合表現(xiàn)）對(duì)混播群落生產(chǎn)力及多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系有重要調(diào)控作用[26]。之后，研究人員就特異功能群物種，如豆科植物的比例對(duì)混播群落生產(chǎn)力的影響開展了研究，并發(fā)現(xiàn)在相同物種混播下，豆科植物比例變化將驅(qū)動(dòng)群落生產(chǎn)力的顯著改變[27]。更進(jìn)一步地，NYFELER等[20]混播群落中豆草比例對(duì)植物氮素利用的影響開展研究，研究發(fā)現(xiàn)混播群落中紅三葉的生物固氮隨其在群落中比例的增加呈非線性變化，在接近30%的豆草生物量比例下，其植株生物固氮率最高。本研究也發(fā)現(xiàn)了相似的變化規(guī)律，紫花苜蓿的生物固氮率在50%的初始豆草種植比例（實(shí)際植株比例27%）時(shí)最大。這些結(jié)果表明當(dāng)前試驗(yàn)中，混合群落中豆科植物固氮能力受其比例制約，過高或過低的豆科植物比例均會(huì)限制豆科植物固氮作用。盡管增加的豆草比例能提高混播群落中豆科植物的群體生物量，高豆草比例下生物固氮率的降低可能限制了總固氮量的增加。例如，前期的研究中，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)混播群落的總生物固氮量與豆草比例間同樣存在非線性的關(guān)系[4,20]?？偣痰康淖兓瘜⒅苯佑绊懟觳ゲ莸氐牡剌斎牒屯寥婪柿Γ虼嘶觳ゲ莸刂?，初始豆草的比例能對(duì)土壤肥力的培育及后續(xù)混播植物的氮素利用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[1,28]。事實(shí)上，群落內(nèi)植物的數(shù)量消長(zhǎng)、種間關(guān)系和功能受雨、熱等環(huán)境條件調(diào)控，而雨、熱條件極其協(xié)同關(guān)系可能存明顯的年際變異，尤其在干旱、半干旱區(qū)。因此，豆草比例與其固氮特征的關(guān)系在不同年際間可能存在差異。紫花苜蓿的生長(zhǎng)是高水分需求的，因此在更高的降雨年份，促使最大紫花苜蓿固氮效率的豆草比例可能高于本試驗(yàn)中的27%；反之，在更少降雨的年份，促使最大紫花苜蓿固氮效率的豆草比例可能要低于27%。

圖7 豆草種植比例對(duì)紫花苜蓿葉片光合和水分利用的影響

圖8 豆草種植比例對(duì)紫花苜蓿枝條、根系淀粉和可溶性糖含量的影響

豆草比例-生物固氮的非線性關(guān)系已經(jīng)被廣為發(fā)現(xiàn)和關(guān)注，然而，很少研究從機(jī)理上揭示其潛在機(jī)制。一些學(xué)者認(rèn)為過高的豆草比例導(dǎo)致混播群落中禾草植物數(shù)量過低，限制了禾草氮素利用對(duì)豆科植物生物固氮的刺激作用，進(jìn)而抑制了豆科植物固氮[8]。然而，這一結(jié)論無法解釋低豆草比例下豆科植物生物固氮率同樣下降的原因。本研究基于土壤水分變化提出另外的機(jī)理解釋。植物群落結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境間存在復(fù)雜的互饋?zhàn)饔?，本研究已?jīng)發(fā)現(xiàn)混播群落豆草比例的變化顯著影響土壤含水量。相較羊草，紫花苜蓿具有發(fā)育更好的根系和冠層結(jié)構(gòu)，因此，初始增加的豆草比例可能對(duì)降雨的滲透和土壤水分的保持起到了促進(jìn)作用，進(jìn)而增加土壤含水量。然而，紫花苜蓿同時(shí)為耗水型植物，高豆草比例下，高的紫花苜蓿生物量導(dǎo)致大量的水分經(jīng)植物蒸騰散失，導(dǎo)致了土壤含水量的降低。土壤水分的變化將對(duì)植物生理發(fā)育產(chǎn)生重要影響，尤其在干旱、半干旱區(qū)。植物組織可溶性糖被認(rèn)為是逆境下植物的生理保護(hù)物質(zhì)[24]。本研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在高豆草比例下，紫花苜蓿組織可溶性糖含量明顯增加，這表明土壤水分的下降和豆科植物水分競(jìng)爭(zhēng)的增加已經(jīng)顯著地驅(qū)動(dòng)了紫花苜蓿的生理響應(yīng)。紫花苜蓿對(duì)水分條件的響應(yīng)同時(shí)改變了其他形態(tài)特征和生理過程。當(dāng)前研究中，紫花苜蓿主要的葉片性狀及其光合特征和土壤水分具有相似的變化趨勢(shì)。因此，土壤水分的改變可能直接改變了葉片發(fā)育和植物光合能力。植物光合能力的變化導(dǎo)致光合產(chǎn)物，如淀粉等在植物體累積的改變，最終將影響植物枝條和根系生長(zhǎng)（圖3，6）。豆科根瘤的發(fā)育和功能依賴于寄主的碳水化合物供應(yīng)[8]。該研究中，由于樣本生物量過小，無法直接測(cè)定根瘤中碳水化合物含量，然而研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿根系碳水化物含量與土壤水分含量的協(xié)同變化，間接地表明豆草比例促使的土壤水分變化可能通過改變根系碳水化合物含量影響根瘤中碳水化合物的輸入，最終將決定根瘤發(fā)育和固氮功能。

基于既有研究結(jié)果，本文提出利于豆草固氮的最優(yōu)初始混播比例為50%。然而，實(shí)踐中混播群落植物比例、種間關(guān)系、植物功能等可能因氣候條件、群落建植時(shí)間、土壤肥力變化等發(fā)生改變[20]。因此，為更準(zhǔn)確的理解豆草比例-生物固氮間關(guān)系，對(duì)混播草地進(jìn)行長(zhǎng)期的群落結(jié)構(gòu)、生物固氮的監(jiān)測(cè)是必要的。此外，混播群落的功能及其穩(wěn)定性依賴于豆草的長(zhǎng)期穩(wěn)定建植，隨著豆草和禾草地上、地下的發(fā)育進(jìn)程，豆-禾植物間結(jié)構(gòu)和關(guān)系平衡可能發(fā)生變化甚至逆轉(zhuǎn)，因此在進(jìn)一步的研究中，需要著重探討豆-禾種間關(guān)系轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)因素和臨界效應(yīng)，并針對(duì)性地調(diào)整混播草地管理模式，提升混播草地功能及其穩(wěn)定性。

然而，無論混播群落結(jié)構(gòu)如何演變，土壤水分已經(jīng)被證實(shí)是本研究區(qū)豆科植物生物固氮的關(guān)鍵限制因子。一定比例的豆科混種雖然補(bǔ)充了氮素，但必須重視作為耗水型的物種，豆科植物的如果不能適時(shí)得到水分補(bǔ)充，其在混播群落中的比例也很難維持。因此，為提高混播人工草地中豆科植物的固氮數(shù)量和持續(xù)性，結(jié)合實(shí)際條件對(duì)混播草地進(jìn)行適當(dāng)灌溉是必要的。

4 結(jié)論

紫花苜蓿-羊草混播草地中，紫花苜蓿生物固氮能力與豆草比例間存在非直線型變化關(guān)系。當(dāng)初始豆草種植比例為50%（1年后實(shí)際觀測(cè)比例27%）時(shí)，紫花苜蓿生物固氮率最大?；诒狙芯康慕Y(jié)果，豆草比例驅(qū)動(dòng)的土壤水分變化對(duì)紫花苜蓿固氮能力具有重要調(diào)控作用。在較低（25%）或更高（75%—100%）的初始豆草比例下，降低的土壤水分有效性可能限制了紫花苜蓿的葉片發(fā)育，進(jìn)而影響其光合能力，導(dǎo)致光合產(chǎn)物在枝條和根系積累的下降，進(jìn)一步制約了植株和根瘤的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致其固氮能力的降低。

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Influence ofProportion on Its Individual Nitrogen Fixation Efficiency and Underlying Physiological Mechanism in Legume-Grass Mixture Grassland

LI Qiang, HUANG YingXin, ZHONG RongZhen, SUN HaiXia, ZHOU DaoWei

(Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences/Jilin Provincial Key Laboratory of Grassland Farming, Changchun 130102)

【】The introduction of Nitrogen-fixing legumes into grasslands is the economical and ecological measurement to improve soil fertility and to increase forage yield and quality in grasslands. In legume-grass mixture grasslands, the proportion of legume plants is the key factor to determine their N fixation function. This research studied the influence of legume proportion on nitrogen fixation efficiency ofmixture grassland and underlying physiological and ecological mechanism, aiming to improve our understanding to the relationship between community structure and biological N fixation in mixed grassland, and to assist the establishment and management of legume-grass mixture grassland for increasing the biological nitrogen fixation and soil fertility, and thus to improve the resources production and ecological stability of mixed grassland. 【】 In May 2017, usingandas experimental materials, a completely randomized block design with four repeats was applied to establishmixture grassland with different legume proportion (25%, 50%, 75%, and 100%) in the field in Changling grassland farming research station. One year after establishment, based on the quadrat survey procedure, the changes in community structure, and growth status of leaf, shoot and root, physiological and metabolic characteristics were measured. After measuring nodulation of root, nitrogen fixation efficiency ofwas measured using15N natural isotope abundance method in mixed grasslands. Finally, the effect of legume proportion on biological nitrogen fixation ofand its mechanism were analyzed in combination with monitoring soil moisture.【】(1) One year after sowing, the observed proportions of legume plants were 11%, 27%, 53% and 100%, corresponding to initially sowed legume proportion of 25%, 50%, 75% and 100% in mixed grasslands, respectively. (2) Compared with the initial legume sowing proportions of 25%, 75% and 100%, the initial legume sowing proportion of 50% increased the mean soil moisture content within growing season by 21.4%, 36.4% and 51.7%, respectively. (3)had greater shoot and root biomass, leaf number, leaf area, leaf thickness and leaf biomass under the legume sowing proportion of 50%. The minimum value of the above variables was found in the legume sowing proportion of 100%. (4)had the greatest photosynthetic rate and the greatest starch concentrations in shoot and root, but the lowest soluble sugar concentration in shoot and root when legume sowing proportion was 50%. (5) Under initial legume sowing proportion of 50%, root nodule development ofwas better and its biological nitrogen fixation capacity was increased by 13.5%, 44.6% and 79.2%, respectively, compared with initial legume sowing proportions of 25%, 75% and 100%. Regression analysis showed that the biological nitrogen fixation ofwas positively correlated with soil water content following change in legume proportion.【】Inmixture grassland, the relationship between biological nitrogen fixation and legume proportion was non-linear.had the highest nitrogen fixation efficiency when the initial legume sowing proportion was 50% in mixed grassland. Legume proportion drived change in soil water availability, thus to regulate the growth and development ofand its root nodulesmodification in leaf development and photosynthesis, which was the underlying mechanism for legume proportion to influence the biological nitrogen fixation. This study could help in determining the legume-grass ratio during establishment of mixed grasslands, and guiding the water management in mixed grasslands.

;mixed grassland; biological nitrogen fixation; soil water content; photosynthesis

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.13.013

2019-09-14；

2019-12-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0500606）、國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（31600318）

李強(qiáng)，E-mail：liqiang@neiae.ac.cn。通信作者周道瑋，E-mail：zhoudaowei@neiae.ac.cn

（責(zé)任編輯 林鑒非，李云霞）