高寒区施肥和混播对燕麦栽培草地植物氮素储量的影响

刘文辉，张永超，梁国玲，马 祥

（青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室 / 青海大学畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016）

燕麦(Avena sativa)是一年生粮饲兼用作物，具有产量高、品质优良，抗寒、耐旱，喜冷凉气候等特点[1]，是青藏高原地区广泛种植的优良牧草之一，在缓解高寒地区冷地家畜饲草补给，维系草地畜牧业发展中发挥着重要作用[1]。随着我国“粮改饲”、“草牧业”等战略政策的实施，青藏高原燕麦种植面积呈增加趋势。在燕麦栽培草地的研究方面，国内外科研人员从燕麦与箭筈豌豆(Vicia sativa)混播草地建植[2]、施肥[3]、光能转化效率[4]、生产性能[5]、营养组成[6]以及草产品加工[7]等方面进行了深入而细致的理论研究和生产实践，有效促进了燕麦栽培草地初级生产力的提高。

氮素是植物生长发育所必需的元素之一，对作物产量的贡献率可达到40%～50%，是植物体内核酸、蛋白质和生长激素的重要组成部分[8]。植物体可吸收铵态氮、硝态氮等无机态氮，同时也可吸收如尿素等有机态氮。氮素进入植物体内，经过谷氨酸或谷氨酰胺的转化作用形成不同的氨基酸，进而合成蛋白质。植物体内碳、氮代谢相辅相成。氮同化通过影响碳同化过程中关键酶活性来影响碳同化的速率，碳同化为植物氮同化提供ATP和NADPH同化力[9]。目前有关作物氮素效率的研究多集中在小麦(Triticum aestivum)[10-11]、水稻(Oryza sativa)[12]、 油 菜 (Brassica chinensis)[13]等 作物，其他作物的研究报道较少。在农业生产中，通过优化耕作制度，可有效提高作物氮素积累，作物品种[14]、施肥[15-16]、密度[17]、播期[15]等农艺措施都对作物氮素储量具有显著影响。农田生态系统在不同生育期和区域上植被氮素储量的动态变化也不同，深入了解不同小尺度区域农田植被氮素储量的动态变化，对促进农业生产、调整农业产业结构都有重要意义。本研究开展青藏高原高寒地区燕麦栽培草地不同措施对氮素储量的影响、植物氮素储量潜力及其动态变化，补充青藏高原高寒地区燕麦栽培草地固氮方面的基础数据，为青藏高原燕麦栽培草地合理评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料燕麦品种为青燕1号(A. sativa ‘Qingyan No.1’)、青海 444(A. sativa ‘Qinghai 444’)、青海甜燕麦 (A. sativa ‘Qinghai’)和林纳 (A. sativa ‘Lena’)，箭筈豌豆品种为西牧 324(V. sativa ‘Ximu 324’)；均为上年收获种子。选用肥料为尿素(含N 46%)，磷酸二铵 (含 N 16%，P2O546%)，有机肥 (有机质 ＞40%，N + P2O5+ K2O 25%，有效活菌数 2×108个·g-1)。

1.2 试验地概况

试验地位于青海省海北州西海镇，地理坐标为 36°59.36′ N，100°52.848′ E，海拔 3 156 m，气候寒冷潮湿，无绝对无霜期，年均气温0.5 ℃，年降水量369.1 mm，且集中在7-9月，年蒸发量为1 400 mm，全年日照时数为 2 980 h，无霜期为 93 d左右。土壤为栗钙土，pH 8.43，全氮(N)含量1.56 g·kg-1，全磷 (P2O5)含量 1.39 g·kg-1，全钾 (K2O)含量 22.06 g·kg-1，碱解氮含量 88.77 mg·kg-1，速效磷含量 2.2 mg·kg-1，速效钾含量 168.2 mg·kg-1，有机质含量 32.48 g·kg-1。试验区 2014年日均温和降水量如图1所示。

1.3 试验设计

图1 试验地日均温和降水量Figure 1 The daily mean temperature and daily precipitation of the experimental field

表1 不同措施对地上总生物氮素储量影响的方差分析(F)Table 1 The variance analysis of aboveground biomass nitrogen stocks under the different treatments (F)

本试验为燕麦品种、施肥、箭筈豌豆混播3因素4水平正交试验设计[L16(45)]，共16个处理(表1)，3 次重复，随机区组排列。小区面积为 4 m × 5 m，小区间隔0.5 m。燕麦品种为A1(青燕1号，Qingyan No.1)、A2(林纳，Lena)、A3(青海 444，Qinghai 444)和A4(青海甜燕麦，Qinghai)；施肥水平为B1(CK0，不 施 任 何 肥 料 )、 B2(inorganic manure, IM， 尿 素75 kg·hm-2+ 磷酸二铵 150 kg·hm-2)、B3(organic manure,OM，有机肥 1 500 kg·hm-2)和 B4(inorganic manure and organic manure, IM + OM， 尿 素 37.5 kg·hm-2+磷酸二铵 75 kg·hm-2+ 有机肥 750 kg·hm-2)；箭筈豌豆混播水平为 C1(0 kg·hm-2)、C2(45 kg·hm-2)和 C3(60 kg·hm-2)和 C4(75 kg·hm-2)。 燕 麦 播 种 量 按600万株·hm-2保苗数计算，青燕1号、林纳、青海444和青海甜燕麦根据千粒重、发芽率和净度计算得各品种的实际播量分别为154.3、150.0、183.0和 216.0 kg·hm-2。 撒 播 ， 播 深 3～ 4 cm， 旱 作 。2014年5月14日播种，肥料作为底肥在播种前一次性施入。出苗后，人工除杂1次，田间管理和取样工作在同一天完成。

1.4 测定指标与方法

植物样品采集：分别于燕麦拔节期(6月15日)、抽穗期(7月15日)、开花期(8月15日)和乳熟期 (9 月 15 日)在各试验小区选取 1 m × 1 m 的样方，3次重复，连同地下部分挖出，按燕麦和箭筈豌豆根、茎、叶、花序(燕麦)分开，带回实验室。植物地下根经冲洗干净后，将植株各器官样品置于65 ℃烘箱，烘干至恒重。分别测定得到燕麦和箭筈豌豆各器官生物量，同时采用凯氏定氮法测定各器官氮含量，植物各器官和组分生物氮素储量根据以下公式计算：植物器官生物氮素储量 = 器官氮含量 × 器官生物量。

1.5 数据分析

采用Excel 2003对所得到的数据进行初步整理，用 SPSS for Windows 11.5 对品种、施肥和混播处理下各器官生物氮储量的影响进行方差分析，并采用Duncan法在0.05水平上进行多重比较；采用Sigmaplot 12.5对各处理水平下的差异比较进行绘图。

2 结果与分析

2.1 地上生物氮素储量

2.1.1 地上总生物氮素储量

从不同时期3个因素对地上总生物氮素储量影响的差异性分析结果来看(表1)，除拔节期混播对地上总生物氮素储量的影响未达显著水平外(P ＞0.05)，其余时期3个因素的影响均达显著水平(P ＜0.05)。拔节期和开花期3个因素对其的影响大小为施肥 ＞ 品种 ＞ 混播，抽穗期为品种 ＞ 施肥 ＞ 混播，乳熟期为混播 ＞ 品种 ＞ 施肥。

3个因素影响下，地上总生物氮素储量随生育期的推进呈持续增加(图2)，乳熟期达到最大。地上总生物氮素储量在各时期积累量速率相差不大，拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期、开花期—乳熟期日增速分别为0.98、0.77和0.86 kg·(hm2·d)-1。各处理下乳熟期分别以 A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥)和 C4(75 kg·hm-2)处理下最大，分别可达128.60、112.45和122.28 kg·hm-2，较地上总生物氮素储量最低的A2(林纳)、B1(CK)和C1处理高48%、32%和80%。

2.1.2 燕麦地上生物氮素储量

本文以总债务结构、短期债务结构和长期债务结构三个大类为一级指标建立债务结构指标评估体系，根据各类指标的定义及特征，下设7个二级指标进行第二维度展开分析。本文所选指标全部为比率这类相对值。具体评估体系见表1。

图2 不同措施下地上总生物氮素储量季节变化Figure 2 The seasonal change of the aboveground nitrogen stocks under the different treatments

从不同措施对燕麦地上总生物氮素储量影响的分析结果来看(表2)，除乳熟期混播对其的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素的影响均达显著 (P＜0.05)或极显著水平 (P＜0.01)。其中拔节期和开花期3个因素的影响大小为施肥 ＞ 品种 ＞ 混播，而在抽穗期和乳熟期表现为品种 ＞ 施肥 ＞ 混播。燕麦地上总生物氮素储量在3个因素影响下均随生育期的推进显著增加至开花期(P ＜0.05)(图 3)，随后无显著变化 (P ＞ 0.05)。燕麦地上总生物氮素储量在拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期日积累量较高，分别为 0.74 和 0.69 kg·(hm2·d)-1，而开花期—乳熟期日积累量较低，仅为0.06 kg·(hm2·d)-1。各处理下开花期燕麦地上总生物氮素储量分别以 A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 + 磷酸二铵 +有机肥)和C1(0 kg·hm-2)处理下最大，开花期分别达 81.32、82.70和 70.91 kg·hm-2，分别较氮素储量最 低的 A3(青海 444)、 B1(CK)和 C4(75 kg·hm-2)高51%、91%和20%。

燕麦茎生物氮素储量：燕麦茎生物氮素储量分析结果显示(表2)，除混播在拔节期、抽穗期和乳熟期对其的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余各时期3个因素的影响均达极显著水平(P＜0.01)。其中拔节期、抽穗期和乳熟期影响大小表现为品种 ＞ 施肥 ＞ 混播，开花期表现为施肥 ＞ 品种 ＞ 混播。在3个因素影响下燕麦茎生物氮素储量随着生育期推进增加至开花期(图3)，随后显著下降(P ＜0.05)或无显著变化(P ＞ 0.05)。拔节期—抽穗期燕麦茎生物氮素储量日增速高于抽穗期—开花期，分别为 0.49 和 0.25 kg·(hm2·d)-1，开花期—乳熟期日积累量呈负增长，为-0.17 kg·(hm2·d)-1。不同处理下开花期分别以 A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥)和 C1(0 kg·hm-2)处理燕麦茎生物氮素储量最高，分别达30.35、30.99 和26.59 kg·hm-2，较氮素储量最低的A3(青海444)、B1(CK)和C4(75 kg·hm-2)分别高63%、114%和35%。

表2 不同措施对燕麦地上各器官生物氮素储量影响的方差分析(F)Table 2 The variance analysis of the oat aboveground organ nitrogen stocks under the different treatments (F)

燕麦叶生物氮素储量：除混播在开花期对燕麦叶生物氮素储量的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素对其的影响均达到显著(P ＜0.05)或极显著水平 (P＜0.01)，各时期 3 个因素对叶生物氮素储量的影响大小均表现为施肥 ＞ 品种 ＞混播(表2)。燕麦叶生物氮素储量在3个因素影响下随生育期的推进增加至抽穗期(图3)，随后呈下降，至乳熟期最低。燕麦叶生物氮素储量在拔节期—抽穗期呈正增长，达到 0.25 kg·(hm2·d)-1，抽穗期—开花期和开花期—乳熟期呈负增长，分别为-0.14 和-0.18 kg·(hm2·d)-1。品种、施肥和混播影响下，抽穗期分别以A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 +磷酸二铵 + 有机肥)和 C4(75 kg·hm-2)叶生物氮素储量表现最高，分别为 33.14、35.43 和 29.82 kg·hm-2，较氮素储量最低的A3(青海444)、B1(CK)和C2(45 kg·hm-2)高44%、79%和10%

燕麦花序生物氮素储量：除混播在乳熟期对燕麦花序生物氮素储量的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)(表2)，其余时期3个因素对其的影响均达到极显著水平(P＜0.01)。开花期和乳熟期3个因素对其的影响效应均表现为品种 ＞ 施肥 ＞ 混播。乳熟期燕麦花序生物氮素储量显著高于开花期，乳熟期—开花期平均日积累量为 0.41 kg·(hm2·d)-1(图 3)。不同品种比较，以A4(青海甜燕麦)和A1(青燕1号)表现最高，分别为 37.48 和 33.67 kg·hm-2；不同施肥比较，施肥处理下燕麦花序生物氮素储量显著高于不施肥处理；不同混播对燕麦花序生物氮素储量无显著影响 (P ＞ 0.05)。

2.1.3 箭筈豌豆地上生物氮素储量

从不同时期3个因素对箭筈豌豆地上生物、茎和叶生物氮素储量影响的差异性分析结果来看(表3)，除拔节期施肥对箭筈豌豆茎生物氮素储量，开花期品种对地上总生物氮素储量和叶生物氮素储量的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素对箭筈豌豆地上总生物、茎和叶生物氮素储量的影响均达显著 (P＜0.05)或极显著水平 (P ＜0.01)。其中3个因素对箭筈豌豆地上总生物、茎和叶生物氮素储量的影响均表现为：拔节期和抽穗期为混播 ＞ 品种 ＞ 施肥，开花期为混播 ＞ 施肥 ＞品种，乳熟期为品种 ＞ 混播 ＞ 施肥。

图3 不同措施下燕麦各器官生物氮素储量季节变化Figure 3 The seasonal change of the oat different organ biomass nitrogen stocks under the different treatments

3个因素影响下箭筈豌豆地上总生物、茎和叶生物氮素储量均随生育期的推进持续增加至乳熟期(图4)。其中箭筈豌豆地上总生物氮素储量在拔节期—抽穗期积累较慢，平均日积累量仅为0.24 kg·(hm2·d)-1，抽穗期—开花期日积累量有所放缓，仅 为 0.08 kg·(hm2·d)-1， 开 花 期 — 乳 熟 期 增 加 迅速，达到 0.80 kg·(hm2·d)-1；箭筈豌豆茎生物氮素储量在拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期积累缓慢，平均日积累量分别为 0.07 和 0.02 kg·(hm2·d)-1，而在开花期—乳熟期日积累量迅速，达到0.22 kg·(hm2·d)-1；箭筈豌豆叶生物氮素储量在抽穗期—开花期日积累量表现最慢，仅为 0.06 kg·(hm2·d)-1，拔 节 期 — 抽 穗 期 积 累 居 中 ， 为 0.17 kg·(hm2·d)-1，开花期—乳熟期最高，达到 0.58 kg·(hm2·d)-1。

表3 不同措施对箭筈豌豆地上各器官生物氮素储量影响的方差分析(F)Table 3 The variance analysis of the vetch aboveground organs biomass nitrogen stocks under the different treatments (F)

2.2 地下生物氮素储量

2.2.1 地下总生物氮素储量

从不同时期3个因素对地下生物氮素储量影响的差异性分析结果来看(表4)，除开花期品种对其的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素对其影响均达极显著水平(P＜0.01)。3个因素对地下总生物氮素储量的影响表现为：拔节期和抽穗期以品种影响最大，开花期以施肥影响最大，乳熟期以混播影响最大。

3个因素影响下地下总生物氮素储量随生育期呈下降变化(图5)，至乳熟期最低。其中在拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期、开花期—乳熟期日积累均差异不大，平均日积累量分别为-0.06、-0.05和-0.03 kg·(hm2·d)-1。拔节期分别以 A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥)和 C4(75 kg·hm-2)最高，分别达 13.98、10.93 和 11.30 kg·hm-2，分别较氮素储量最低的 A2(林纳)、B1(CK)和 C1(0 kg·hm-2)高86%、31%和41%。

2.2.2 燕麦根生物氮素储量

除开花期品种和混播对燕麦根生物氮素储量的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素对其的影响均达极显著水平 (P＜0.01)(表 4)。3个因素对燕麦根生物氮素储量的影响表现为：拔节期和抽穗期以品种影响最大，开花期和乳熟期以施肥影响最大。

3个因素影响下燕麦根生物氮素储量随生育期呈下降变化(图5)，至乳熟期最低。其中在拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期、开花期—乳熟期平均日积累量分别为-0.08、-0.04 和-0.02 kg·(hm2·d)-1。拔节期分别以 A4(青海甜燕麦)、B4(尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥)和 C4(75 kg·hm-2)最高，分别达 13.20、10.08 和 10.01 kg·hm-2，分别较氮素储量最低的 A2(林纳)、B1(CK)和C1(0 kg·hm-2)高96%、34% 和25%。

2.2.3 箭筈豌豆根生物氮素储量

除施肥在抽穗期和乳熟期对箭筈豌豆根生物氮素储量的影响未达显著水平(P ＞ 0.05)外，其余时期3个因素对其的影响均达极显著水平(P＜0.01)(表4)。3个因素对其的影响表现为：拔节、抽穗和开花期均以混播影响最大，乳熟期以品种影响最大。

3个因素影响下箭筈豌豆根生物氮素储量随生育期呈先增后降变化(图5)，抽穗期最大，乳熟期最低。其中在拔节期—抽穗期、抽穗期—开花期、开花期—乳熟期日积累均差异不大，平均日积累量分别为 0.01、-0.01 和-0.01 kg·(hm2·d)-1。抽穗期箭筈豌豆根生物氮素储量分别以A1(青燕1 号 )、 B2(尿 素 + 磷 酸 二 铵 )和 C4(75 kg·hm-2)最高，分别达 1.86、1.72 和 1.84 kg·hm-2，分别较氮素储量最低的 A2(林纳)、B3(有机肥)和 C2(45 kg·hm-2)高26%、10%和23%。

图4 不同措施下箭筈豌豆地上器官生物氮素储量季节变化Figure 4 The seasonal change of the vetch aboveground organs biomass nitrogen stocks under the different treatments

3 讨论

3.1 影响植被各器官生物氮素储量主要因素的确定

很多研究表明，品种和农艺措施对植被各器官氮密度和氮素储量具有显著影响[18-20]，本研究中，也得出了一致的结论，且3个因素对植物各器官氮素储量的影响因生育时期而异。整个生育期燕麦茎和花序生物氮素储量主要受品种影响，燕麦叶生物氮素储量主要受施肥影响，燕麦根生物氮素储量在生长前期(拔节期—抽穗期)主要受品种影响，生长后期(开花期—乳熟期)主要受施肥影响；箭筈豌豆地上、茎、叶和根生物氮素储量在拔节期、抽穗期、开花期主要受混播影响，乳熟期受品种影响；群落地上生物总氮素储量、燕麦地上总生物氮素储量在拔节期和开花期主要受施肥影响，抽穗期受品种影响，乳熟期主要受混播影响；群落和燕麦地下氮素储量在拔节期和抽穗期受品种影响，开花期和乳熟期受施肥影响。因此，品种主要影响燕麦茎和花序生物氮素储量，施肥主要影响燕麦叶生物氮素储量，品种和施肥主要影响燕麦根生物氮素储量；混播主要影响箭筈豌豆茎、叶和根生物氮素储量。对燕麦混播栽培草地群落而言，地上和地下总生物氮素储量均受品种、施肥和混播共同作用影响。

表4 不同措施对地下生物氮素储量影响的方差分析(F)Table 4 The variance analysis of the vetch belowground organs biomass nitrogen stocks under the different treatments (F)

3.2 各因素对植被器官氮素储量的影响

自Harvey[21]首次对玉米(Zea mays)品种氮素吸收利用进行研究报道后，在玉米、小麦、大麦(Hordeum vulgare)、燕麦、水稻、高粱(Sorghum vulgare)等植物氮素利用率的研究发现品种(系)间均存在较大差异[20,22]。本研究发现，青海甜燕麦与箭筈豌豆混播，其群落乳熟期地上总生物氮素储量最高，燕麦地上、茎、叶、花序和根生物氮素储量均表现最高，同时有利于箭筈豌豆各器官氮素积累。叶利庭等[23]研究不同氮效率水稻品种时发现，在水稻齐穗期，高氮效品种的总根长、根表面积和根尖数显著高于低氮效品种。植物主要通过根系吸收土壤中的氮素，根系氮素储量的高低不仅取决于燕麦品种氮素吸收效率，还与作物产量密切相关。青海甜燕麦不仅具有较高的干物质产量，而且其根系发达，可显著提高栽培草地系统生物氮素储量。

氮素是陆地生态系统初级生产力的重要限制元素之一，而肥料所提供的矿质氮是植物生长所需氮素的主要来源。无机氮肥有效成分高，具有易于植物根系吸收的特点；有机肥养分全面但释放缓慢，具有改善土壤理化、生物学性质和培肥土壤的功能；有机肥与无机肥配合使用，可优势互补，缓急相济，有效发挥养分供应和培肥地力的功能。有机肥与无机肥配施可显著提高植株各器官氮素储量[24]。本研究发现，除各别时期施肥对燕麦和箭筈豌豆混播栽培草地各器官生物氮素储量的影响无显著差异外，多数时期对各器官的影响均具有显著影响，且均以尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥施肥处理下氮素储量最高。有机肥和无机肥混施提高了燕麦各器官氮素储量，但对箭筈豌豆各器官(除根)氮素储量无显著影响，一方面可能是由于肥料的添加抑制了箭筈豌豆根系的固氮作用[25]，另一方面则可能与禾本科发达的须根系的竞争能力有关。在豆禾混播系统，由于根瘤菌固氮需要消耗更多的能量，所以植物会优先吸收土壤中的无机态氮[26]。增加氮肥使用量能明显抑制豆科根系的生长和根瘤的生长发育[27]。

豆禾混播不仅可以提高单位面积的生物量和蛋白质含量，还有利于增加土壤有机质含量[28-30]。本研究中箭筈豌豆高混播水平(75 kg·hm-2)下，群落总生物氮素储量均表现最高，而在无混播水平(0 kg·hm-2)下，燕麦地上、燕麦茎生物氮素储量最高。高混播水平有利于豆禾混播系统总生物氮素储量，以及燕麦和箭筈豌豆叶、根生物氮素储量；单播有利于氮素在燕麦茎中的积累。

3.3 植被生物氮素储量季节动态

图5 不同措施对地下生物氮素储量季节变化Figure 5 The seasonal change of the belowground biomass nitrogen stocks under the different treatments

在品种、施肥和混播影响下，燕麦和箭筈豌豆各器官以及地上、地下总生物氮素储量随着生育期的推进呈现规律性变化，但各器官变化规律不同。群落地上总生物氮素储量随生育期呈增加变化，至乳熟期达到最大，而地下总生物氮素储量则呈下降变化，至乳熟期达到最低。燕麦地上、茎、叶和根生物氮素储量分别随生育期呈增加(开花期最大)、“先增后降”(开花期最大)、“先增后降”(抽穗期最大)和下降(乳熟期最低)的变化；箭筈豌豆地上、茎和叶生物氮素储量均随生育期呈显著增加，至乳熟期达到最大，而箭筈豌豆根生物氮素储量呈“先增后降”的变化，在抽穗期达到最大。

4 结论

品种、施肥和混播均显著影响了植物各器官生物氮素储量。地上和地下总生物氮素储量均受品种、施肥和混播共同作用影响。

选用青海甜燕麦、尿素 + 磷酸二铵 + 有机肥施肥处理、混播75 kg·hm-2箭筈豌豆处理下，乳熟期群落总生物碳储量最高，地上、地下生物氮素储量分别可达128.60和13.20、112.45和10.08、122.28和 11.30 kg·hm-2。

随着生育期推进，群落地上总生物氮素储量呈增加变化，地下总生物氮素储量则呈下降变化。