李强, 黄迎新, 钟荣珍, 孙海霞, 周道玮^,中国科学院东北地理与农业生态研究所/吉林省草地畜牧重点实验室,长春 130102

Influence of Medicago sativa Proportion 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

通讯作者: 周道玮,E-mail: zhoudaowei@neiae.ac.cn

责任编辑: 林鉴非, 李云霞
收稿日期:2019-09-14接受日期:2019-12-20网络出版日期:2020-07-01

基金资助:

国家重点研发计划.2016YFC0500606 国家自然科学基金青年基金项目.31600318

Received:2019-09-14Accepted:2019-12-20Online:2020-07-01
作者简介 About authors
李强,E-mail: liqiang@neiae.ac.cn。







摘要
【目的】 通过研究豆草比例对紫花苜蓿-羊草混播草地豆科植物生物固氮的影响及其生理生态机制,深化对混播群落结构和生物固氮功能关系的理解,辅助豆-禾混播草地的科学建植和管理,提高混播草地生物固氮和土壤肥力,提升草地资源生产和生态保障能力。【方法】 2017年5月,利用紫花苜蓿和羊草为试验材料,采取随机区组设计,于中国科学院长岭草地农牧生态研究站内建植不同豆草比例（紫花苜蓿占比为25%、50%、75%、100%）的紫花苜蓿-羊草混播草地,4次重复。建植一年后,通过样方取样法调查混播草地群落结构变化,测定紫花苜蓿叶片、枝条和根系生长发育、光合和水分等生理代谢特征,在测定根系结瘤特征基础上,采取¹⁵N同位素自然丰度法评估紫花苜蓿固氮效率,结合土壤水分动态监测,分析豆草比例对紫花苜蓿生物固氮的影响及其生理生态机制。【结果】 （1）混播草地建植一年后,对应25%、50%、75% 和100%设计的豆草混播比例,混播草地实际紫花苜蓿占比分别为11%、27%、53%和100%。（2）对比25%、75%和100%的初始豆草种植比例,50%的初始豆草比例下,生长季平均土壤水分含量分别增加了21.4%、36.4%和51.7%。（3）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株有更大的枝条和根系生物量、叶片数量、叶片面积、叶片厚度和叶片生物量,上述指标最小值出现在100%的豆草播种比例。（4）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿具有最大的光合速率,枝条和根系中淀粉含量最高,但枝条和根系中可溶性糖含量最低。（5）50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿根瘤发育更完善,其生物固氮率较25%、75%和100%的豆草混播比例分别提高了13.5%、44.6%和79.2%。回归分析表明,随豆草比例变化,紫花苜蓿生物固氮效率与土壤含水量呈正相关。【结论】 紫花苜蓿-羊草混播草地中,紫花苜蓿生物固氮能力与豆草比例间存在非直线型变化关系。当初始豆草种植比例为50%时,紫花苜蓿生物固氮率最大。豆草比例驱动土壤水分变化,进而通过调控叶片发育和光合等途径改变了紫花苜蓿植株和根瘤发育,是其影响生物固氮的潜在机制。
关键词： 紫花苜蓿;羊草;混播草地;生物固氮;土壤含水量;光合作用

Abstract
【Objective】 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 of Medicago sativa-Leymus chinensis mixture 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. 【Method】 In May 2017, using M. sativa and L. chinensis as experimental materials, a completely randomized block design with four repeats was applied to establish Medicago sativa-leymus chinensis mixture 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 of M. sativa was measured using ¹⁵N natural isotope abundance method in mixed grasslands. Finally, the effect of legume proportion on biological nitrogen fixation of M. sativa and its mechanism were analyzed in combination with monitoring soil moisture. 【Result】 (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) M. sativa 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) M. sativa 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 of M. sativa was 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 of M. sativa was positively correlated with soil water content following change in legume proportion. 【Conclusion】 In Medicago sativa-leymus chinensis mixture grassland, the relationship between biological nitrogen fixation and legume proportion was non-linear. M. sativa 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 of M. sativa and its root nodules via modification 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.
Keywords：Medicago sativa; Leymus chinensis;mixed grassland;biological nitrogen fixation;soil water content;photosynthesis


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本文引用格式
李强, 黄迎新, 钟荣珍, 孙海霞, 周道玮. 豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例对其固氮效率的影响及潜在生理机制[J]. 中国农业科学, 2020, 53(13): 2647-2656 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.13.013
LI Qiang, HUANG YingXin, ZHONG RongZhen, SUN HaiXia, ZHOU DaoWei. Influence of Medicago sativa Proportion on Its Individual Nitrogen Fixation Efficiency and Underlying Physiological Mechanism in Legume-Grass Mixture Grassland[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2020, 53(13): 2647-2656 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.13.013

0 引言

【研究意义】利用豆科植物固氮,是改良草地,培肥草地土壤的一条经济、有效的生态途径^[1]。草地豆科植物不仅可作优质饲草^[2],同时豆科-根瘤共生体的生物固氮对草地土壤具有培肥作用^[3]。对比氮肥施用,豆科植物的氮素固定和转移不仅降低了自身对土壤氮素的竞争,同时提供了缓释的氮源,可降低高氮素获取能力物种的竞争优势,有益于草地物种多样性维持^[4,5]。此外,利用豆科植物固氮培肥也能有效降低土壤氮源温室气体排放^[6]。混播固氮的豆科植物有极大的经济和生态潜力替代化学肥料培肥草地土壤,提高饲草产量和质量。混播草地中,豆草比例是决定豆科植物功能的关键要素,研究豆草比例对混播草地豆科植物生物固氮的影响及其生理生态机制,对理解混合群落结构和生态功能关系,提高混播草地建植管理具有重要理论和实践意义。【前人研究进展】豆科植物氮素固定是决定豆-禾混播草地的土壤培肥和饲草生产的关键过程。针对豆科植物固氮,国内外****已经就其量化方法^[7]、生理过程^[8,9,10,11]、环境和生物控制及其调控机制开展了系统研究^{[12,13,14,15]}。针对豆-禾混播草地,重点研究了环境条件、物种组成,尤其豆草比例对混播群体生物固氮的影响^{[16,17,18,19]}。王平等^[18]研究发现相同的总播种密度下,羊草-紫花苜蓿混合群落较紫花苜蓿单一种群具有更高的生物固氮率和总固氮量。NYFELER等^[20]通过白三叶（Trifolium repens L.）、红三叶（Trifolium pratense L.）与多年生黑麦草（Lolium perenne L.）、鸭茅（Dactylis glomerata L.）的混播试验发现豆科植物的生物固氮率随其比例的增加呈现单峰变化,总体上,在20%—40%的豆草生物量比例下,白三叶和红三叶的生物固氮能力更高,相似的研究结果在世界其他地区的豆-禾混播试验中也被发现^{[4, 17]}。【本研究切入点】豆科植物的比例是草地中进行豆科牧草补播和混播人工草地建植管理的一个重要问题^[21],也是影响混播草地群落结构和功能（包括固氮）的关键因素^[4,20]。尽管众多研究发现豆草比例对混播草地氮素固定的非线性作用,但从机理上解释这种现象的研究很少。前期在半干旱区的研究发现豆草比例改变土壤水分,这可能是驱动豆科植物生理发育和固氮功能变化的潜在因素^[4]。然而,变化的豆草混播比例下,土壤水分的改变驱动豆科植物生理、生态特征如何变化,这些变化与豆科植物氮素固定的关系还不清楚。【拟解决的关键问题】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复草地为研究对象,从豆科植物生长发育、生态性状、生理代谢等角度揭示豆草混播比例影响豆科植物根瘤固氮的生理、生态机制,及土壤水分的关联驱动。以提高豆科植物生物固氮为目的,辅助豆-禾混播草地的科学建植和管理,改善草地土壤肥力,提升退化草地资源生产和生态保障能力。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2017年5月至2018年8月在中国科学院长岭草地农牧生态研究站执行（44°33′N,123°31′E,海拔145 m）。该实验站地处松嫩草地腹地,属于半干旱温带大陆性季风气候。据实验站附近气象站2010—2016年间气象数据统计,年均温5.2—7.0℃（平均6℃）,年降水量297—631 mm（平均444 mm）,降水季节性分布明显,春季降水较少（3—5月）,3个月合计占年降水量的25%,降水主要集中在6—8月,6、7、8月降水分别占全年降水量的18.7%、18.8%和18.9%。土壤类型为草甸盐碱土。原生植被类型为羊草（Leymus chinensis）草甸,近年来,受人类活动干扰,草甸开垦、退化现象严重,部分草甸经长期开垦种植后地力下降,弃耕成为撂荒地。本试验混播草地为2017年在弃耕地中人工建植。该样地建植之初0—20 cm层土壤pH为8.9±0.3,土壤有机质、总氮和总磷含量分别为（19.4±0.7）、（0.94±0.11）、（0.26±0.04）g·kg^-1。

1.2 试验设计和取样

试验所用羊草种子采集自实验站附近的天然羊草草地,所用紫花苜蓿品种为敖汉紫花苜蓿（Medicago sativa L. cv. Aohan）,种子购自内蒙古赤峰市弘扬林牧种子有限公司。混播草地建植采用完全随机区组设计,4个重复区组,每个区组随机设置5个豆草混播比例处理,分别为0%L（单播羊草）、25%L（紫花苜蓿幼苗比例为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（单播紫花苜蓿）,总计20个试验小区,每个小区面积8 m×8 m。小区播种前平整土地、深翻土壤,于紫花苜蓿单播和混播小区预先埋入2个直径30 cm,高40 cm（不封底）的PVC管。2017年5月初,进行小区播种,设计出苗株数为640 株/m²（约为松嫩草地的平均植物密度）。种子采用条播方式播种,混播小区为间隔条播,行间距15 cm,播种前预先做种子发芽试验,摸清羊草和紫花苜蓿种子发芽率,指导播种量。紫花苜蓿播种前用砂纸对种子进行打磨处理（发芽预实验同）,以划破种皮促进发芽。然后依据马霞等^[22]报道的根瘤菌接种液制备和接种方法采用拌种的方式对种子进行根瘤菌接种,根瘤菌为苜蓿中华根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）ACCC17544,分离自新疆紫花苜蓿,由中国农业微生物菌种保藏管理中心提供,接种后立即播种。幼苗出土过程中,若连续4 d无有效降雨,通过喷灌补充约20 mm降水量,保证每个小区土壤水分充足,植物完全出土后,按照预设株数和豆-禾比例均匀间苗。试验期间定期去除小区内杂草。植物出土后的整个试验期内（包括试验第二年）,小区未进行浇灌管理。因此,在一致的自然降雨下,初始不同的植物建植比例是影响后续土壤水分的核心因素。

在羊草、紫花苜蓿一年龄植株经历越冬成功建植后,2018年5月中旬开始,每隔15—16 d采用重量法测定每个小区的0—20 cm土层的土壤含水量。2018年8月中旬,进行数据收集和植物样品收获。首先在每个紫花苜蓿单播和混播小区中（PVC管之外）,随机选取3株紫花苜蓿,测量叶片数目、叶片厚度（YH-1叶片厚度测量仪）、叶面积（每株随机选取5片成熟完整叶片扫描测定）、叶绿素含量（SPAD-502手持叶绿素测定仪）、叶片光合速率（LI-6400光合测定仪）。植物叶片性状测定后,于每个小区调查1 m×1 m样方内紫花苜蓿和羊草植株密度。最后,将预先布置在小区内的1个PVC管从底部挖出,沿中间位置将管壁剖开移除,然后仔细冲洗掉泥土,将每株植物分开。PVC管中分离的每株紫花苜蓿植株按枝条、根系、根瘤分别收获,查数每株紫花苜蓿植株的根瘤数目,然后所有收获样品烘干称重。PVC管内所有紫花苜蓿植株按枝条和根系样品分类组合、粉碎,然后用于测定紫花苜蓿地上、根系样品碳水化合物含量,并测定地上部¹⁵N丰度。作为紫花苜蓿固氮测量的对照,羊草单播处理的地上部样品同期被取样、烘干、粉碎用并测定⁵N丰度。其中,可溶性糖含量采用经典的蒽酮比色法^[23],淀粉含量采用硝基水杨酸法利用紫外可见分光光度计（UV-1700,岛津公司,日本）测定。采用同位素比质谱仪（MAT 253,ThermoFisher,美国）测定紫花苜蓿和羊草单播处理的羊草地上部¹⁵N丰度。

1.3 数据计算和分析

紫花苜蓿生物固氮率（BNF %）采用¹⁵N同位素自然丰度法估算^[4,24],具体计算公式如下:

$\text{BNF}\%=100\times \left( \frac{\text{ }\delta {}^{\text{15}}\text{N单播羊草}\text{-}\delta {}^{\text{15}}\text{N豆科}}{\delta {}^{15}\text{N单播羊草}-\text{B}} \right)$

式中,δ¹⁵N为植物地上部¹⁵N丰度相对于大气¹⁵N丰度的变化,B为完全依赖大气氮源生长时紫花苜蓿地上部的δ¹⁵N值（-0.78, 前期研究已经测得）^[4]。

每个小区紫花苜蓿植株各项形态、生理指标的平均值被用于进一步统计分析。数据在分析前进行正态分布和方差齐性检验。采用重复测量方差分析（Repeated measures ANOVA）统计初始豆草种植比例对土壤水分季节动态的影响。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）统计初始豆草种植比例对各项指标的影响,采用邓肯多重检验进行均值比较。数据统计通过SPSS 16.0 软件完成,所有统计的显著性水平设置为P=0.05。采用Sigmaplot10.0软件完成数据作图。

2 结果

2.1 混播草地群落结构和土壤含水量

混播草地建植一年后,紫花苜蓿植株密度明显低于建植初期的设计密度,对应25% L、50% L、75% L和100% L的设计混播比例,混播草地实际紫花苜蓿密度分别为56、115、172和230 株/m²（图1-a）,实际紫花苜蓿占比分别为11%、27%、53%和100%（图1-b）。

图1

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图1不同初始豆草种植比例下紫花苜蓿密度和比例

Fig. 1Density and proportion of M. sativa under different initial legume sowing proportions



整个生长季内,土壤含水量总体上随初始豆草比例增加呈现先增加后降低的变化规律。对比25%、75%和100%的初始豆草种植比例,50%的初始豆草比例下,生长季平均土壤含水量分别增加了21.4%、36.4%和51.7%（图2）。

图2

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图2初始豆草种植比例对土壤含水量的影响

Fig. 2The effect of initial legume sowing proportion on soil water content

2.2 紫花苜蓿固氮效率

比较4个混播处理,在50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿植株具有显著更大的根瘤数量和生物量,其次是25%的豆草混播比例（图3）。与根瘤变化相似,50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿生物固氮率较25%、75%和100%的豆草混播比例分别提高了13.5%、44.6%和79.2%（图4-a）。线性回归分析表明伴随豆草种植比例的改变,紫花苜蓿生物固氮率与土壤含水量呈显著正相关关系（图4-b）。

图3

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图3豆草种植比例对紫花苜蓿根瘤数量和生物量的影响

Fig. 3The effect of initial legume sowing proportion on root nodule number and biomass M. sativa

图4

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图4紫花苜蓿生物固氮率对豆草种植比例的响应及其与土壤水分含量关系

Fig. 4Response of BNF% for M. sativa to legume sowing proportion, and relationship between BNF% of M. sativa and soil water content

2.3 紫花苜蓿固氮效率变化机制

紫花苜蓿植株枝条和根系生物量随初始豆草种植比例的增加呈现“单峰”变化,50%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株的枝条和根系生物量均显著高于其他处理,而100%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株枝条和根系生物量最小（图5）。

图5

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图5豆草种植比例对紫花苜蓿枝条和根系生物量的影响

Fig. 5The effects of initial legume sowing proportion on shoot and root biomass of M. sativa



当初始豆草种植比例从25%增加到50%,紫花苜蓿植株叶片数量、单个叶片面积、叶片厚度、单个叶片生物量小幅增加,随豆草种植比例的进一步增加,这些叶片性状呈现明显降低趋势。增加豆草种植比例显著降低叶片叶绿素含量。总体上,25%和50%的初始豆草种植比例下,紫花苜蓿叶片上述各性状值显著高于100%的豆草种植比例（图6）。

图6

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图6豆草种植比例对紫花苜蓿叶片特征的影响

Fig. 6The effect of initial legume sowing proportion on leaf properties of M. sativa



当初始豆草种植比例从25%增加到50%,紫花苜蓿叶片胞间CO₂浓度、气孔导度、叶片光合速率和水分利用效率小幅增加,随豆草种植比例的进一步增加,这些测量指标呈现明显降低趋势。25%和50%的初始豆草种植比例下,紫花苜蓿叶片上述各性状值显著高于100%的豆草种植比例。然而,紫花苜蓿水分利用效率处理间差异并不显著（图7）。

图7

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图7豆草种植比例对紫花苜蓿叶片光合和水分利用的影响

Fig. 7The effect of initial legume sowing proportion on leaf photosynthesis and water use of M. sativa



对比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条淀粉含量分别增加3.7%、9.2%和14.8%,紫花苜蓿根系淀粉含量处理间变化趋势与枝条相似（图8-a）。初始豆草混播比例对紫花苜蓿根系可溶性糖含量无显著影响,50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿枝条可溶性糖含量最低,75%—100%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿枝条具有明显更高的可溶性糖含量（图8-b）。

图8

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图8豆草种植比例对紫花苜蓿枝条、根系淀粉和可溶性糖含量的影响

Fig. 8The effect of initial legume sowing proportion on starch and soluble sugar of M. sativa shoot and root

3 讨论

混播草地建植一年后,受植物-环境间相互作用影响,紫花苜蓿植株密度和比例较设计值明显降低,表明在紫花苜蓿-羊草混播草地中,环境因素（包括植物间竞争等生物环境要素）对紫花苜蓿建植生长的限制作用更大。然而,对应初始种植的豆草比例,混播群落中实际观测到的豆草比例仍然维持了明显的梯度变化,表明初始建植时的豆草比例对混播群落结构演变有重要调控作用^[4]。

植物相对比例对混播群落的生态过程和功能有重要影响^[1,4,19,20]。最初,在经典的多样性-生态系统功能关系（物种等比例混播）研究基础上^[25],研究人员进一步指出群落均匀度（群落内部物种比例差异的综合表现）对混播群落生产力及多样性-生产力关系有重要调控作用^[26]。之后,研究人员就特异功能群物种,如豆科植物的比例对混播群落生产力的影响开展了研究,并发现在相同物种混播下,豆科植物比例变化将驱动群落生产力的显著改变^[27]。更进一步地,NYFELER等^[20]混播群落中豆草比例对植物氮素利用的影响开展研究,研究发现混播群落中红三叶的生物固氮随其在群落中比例的增加呈非线性变化,在接近30%的豆草生物量比例下,其植株生物固氮率最高。本研究也发现了相似的变化规律,紫花苜蓿的生物固氮率在50%的初始豆草种植比例（实际植株比例27%）时最大。这些结果表明当前试验中,混合群落中豆科植物固氮能力受其比例制约,过高或过低的豆科植物比例均会限制豆科植物固氮作用。尽管增加的豆草比例能提高混播群落中豆科植物的群体生物量,高豆草比例下生物固氮率的降低可能限制了总固氮量的增加。例如,前期的研究中,研究人员已经发现混播群落的总生物固氮量与豆草比例间同样存在非线性的关系^[4,20]。总固氮量的变化将直接影响混播草地的氮素输入和土壤肥力,因此混播草地中,初始豆草的比例能对土壤肥力的培育及后续混播植物的氮素利用产生深远影响^[1,28]。事实上,群落内植物的数量消长、种间关系和功能受雨、热等环境条件调控,而雨、热条件极其协同关系可能存明显的年际变异,尤其在干旱、半干旱区。因此,豆草比例与其固氮特征的关系在不同年际间可能存在差异。紫花苜蓿的生长是高水分需求的,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试验中的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%。

豆草比例-生物固氮的非线性关系已经被广为发现和关注,然而,很少研究从机理上揭示其潜在机制。一些****认为过高的豆草比例导致混播群落中禾草植物数量过低,限制了禾草氮素利用对豆科植物生物固氮的刺激作用,进而抑制了豆科植物固氮^[8]。然而,这一结论无法解释低豆草比例下豆科植物生物固氮率同样下降的原因。本研究基于土壤水分变化提出另外的机理解释。植物群落结构和土壤环境间存在复杂的互馈作用,本研究已经发现混播群落豆草比例的变化显著影响土壤含水量。相较羊草,紫花苜蓿具有发育更好的根系和冠层结构,因此,初始增加的豆草比例可能对降雨的渗透和土壤水分的保持起到了促进作用,进而增加土壤含水量。然而,紫花苜蓿同时为耗水型植物,高豆草比例下,高的紫花苜蓿生物量导致大量的水分经植物蒸腾散失,导致了土壤含水量的降低。土壤水分的变化将对植物生理发育产生重要影响,尤其在干旱、半干旱区。植物组织可溶性糖被认为是逆境下植物的生理保护物质^[24]。本研究中已经发现在高豆草比例下,紫花苜蓿组织可溶性糖含量明显增加,这表明土壤水分的下降和豆科植物水分竞争的增加已经显著地驱动了紫花苜蓿的生理响应。紫花苜蓿对水分条件的响应同时改变了其他形态特征和生理过程。当前研究中,紫花苜蓿主要的叶片性状及其光合特征和土壤水分具有相似的变化趋势。因此,土壤水分的改变可能直接改变了叶片发育和植物光合能力。植物光合能力的变化导致光合产物,如淀粉等在植物体累积的改变,最终将影响植物枝条和根系生长（图3,6）。豆科根瘤的发育和功能依赖于寄主的碳水化合物供应^[8]。该研究中,由于样本生物量过小,无法直接测定根瘤中碳水化合物含量,然而研究结果已经发现紫花苜蓿根系碳水化物含量与土壤水分含量的协同变化,间接地表明豆草比例促使的土壤水分变化可能通过改变根系碳水化合物含量影响根瘤中碳水化合物的输入,最终将决定根瘤发育和固氮功能。

基于既有研究结果,本文提出利于豆草固氮的最优初始混播比例为50%。然而,实践中混播群落植物比例、种间关系、植物功能等可能因气候条件、群落建植时间、土壤肥力变化等发生改变^[20]。因此,为更准确的理解豆草比例-生物固氮间关系,对混播草地进行长期的群落结构、生物固氮的监测是必要的。此外,混播群落的功能及其稳定性依赖于豆草的长期稳定建植,随着豆草和禾草地上、地下的发育进程,豆-禾植物间结构和关系平衡可能发生变化甚至逆转,因此在进一步的研究中,需要着重探讨豆-禾种间关系转化的驱动因素和临界效应,并针对性地调整混播草地管理模式,提升混播草地功能及其稳定性。

然而,无论混播群落结构如何演变,土壤水分已经被证实是本研究区豆科植物生物固氮的关键限制因子。一定比例的豆科混种虽然补充了氮素,但必须重视作为耗水型的物种,豆科植物的如果不能适时得到水分补充,其在混播群落中的比例也很难维持。因此,为提高混播人工草地中豆科植物的固氮数量和持续性,结合实际条件对混播草地进行适当灌溉是必要的。

4 结论

紫花苜蓿-羊草混播草地中,紫花苜蓿生物固氮能力与豆草比例间存在非直线型变化关系。当初始豆草种植比例为50%（1年后实际观测比例27%）时,紫花苜蓿生物固氮率最大。基于本研究的结果,豆草比例驱动的土壤水分变化对紫花苜蓿固氮能力具有重要调控作用。在较低（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叶片发育,进而影响其光合能力,导致光合产物在枝条和根系积累的下降,进一步制约了植株和根瘤的生长发育,导致其固氮能力的降低。

参考文献 View Option 原文顺序
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被引期刊影响因子

[1] LI Q, YU P J, LI G D, ZHOU D W. Grass-legume ratio can change soil carbon and nitrogen storage in a temperate steppe grassland
Soil and Tillage Research, 2016,157:23-31.
[本文引用: 3]

[2] MORTENSON M C, SCHUMAN G E, INGRAM L J. Carbon sequestration in rangelands interseeded with yellow-flowering alfalfa (
Medicago sativa ssp . falcata). Environment Management, 2004,33(1):475-481
[本文引用: 1]

[3] HERIDGE D F, PEOPLES M B, BODDEY R M. Global inputs of biological nitrogen fixation in agricultural systems
Plant and Soil, 2008,311(1/2):1-8.
[本文引用: 1]

[4] LI Q, SONG Y T, LI G D, YU P J, WANG P, ZHOU D W. Grass-legume mixtures impact soil N, species recruitment, and productivity in temperate steppe grassland
Plant and Soil, 2015,394(1):271-285.
[本文引用: 9]

[5] WU G L, LIU Y, TIAN F P, SHI Z H. Legumes functional group promotes soil organic carbon and nitrogen storage by increasing plant diversity
Land Degradation Development, 2017,28:1336-1344.
[本文引用: 1]

[6] GREGORICH E G, ROCHETTE P, VANDEBBYGAART A J, ANGERS D. Greenhouse gas contributions of agricultural soils and potential mitigation practices in Eastern Canada
Soil and Tillage Research, 2005,83(1):53-72.
[本文引用: 1]

[7] PEOPLES M B, CRASWELL E T. Biological nitrogen fixation: investments, expectations and actual contributions to agriculture
Plant and Soil, 1992,141(1/2):13-39.
[本文引用: 1]

[8] LEDGARD S F, STEELE K W. Biological nitrogen fixation in mixed legume/grass pastures
Plant and Soil, 1992,141(1/2):137-153.
[本文引用: 3]

[9] RAMOS M L G, GORDON A J, MINCHIN F R, SPRENT J I, PARSONS R. Effect of water stress on nodule physiology and biochemistry of a drought tolerant cultivar of common bean (
Phaseolus vulgaris L.). Annals of Botany, 1999,83(1):57-63.
[本文引用: 1]

[10] 王卫卫, 胡正海. 几种生态因素对西北干旱地区豆科植物结瘤固氮的影响
西北植物学报, 2003,23(7):1163-1168.
[本文引用: 1]

WANG W W, HU Z H. Characteristics related to symbiotic nitrogen fixation of legumes in northwest arid zone of China
Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2003,23(7):1163-1168. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[11] DIVITO G A, SADRAS V O. How do phosphorus, potassium and sulphur affect plant growth and biological nitrogen fixation in crop and pasture legumes
A meta-analysis. Field Crops Research, 2014,156:161-171.
[本文引用: 1]

[12] WU L, MCGEHAN M B. Simulation of nitrogen uptake, fixation and leaching in a grass/white clover mixture
Grass and Forage Science, 1999,54(1):30-41.
[本文引用: 1]

[13] GALVEZ L, GONZALEZ E M, ARRESE-IGOR C. Evidence for carbon flux shortage and strong carbon/nitrogen interactions in pea nodules at early stages of water stress
Journal of Experimental Botany, 2005,56(419):2551-2561.
[本文引用: 1]

[14] ARANJUELO I, MOLERO G, ERICE G, AVICCE J C, NOGUES S. Plant physiology and proteomics reveals the leaf response to drought in alfalfa (Medicago sativa L.)
Journal of Experimental Botany, 2011,62(1):111-123.
[本文引用: 1]

[15] ARANJUELO I, ARRESE-IGOR C, MOLERO G. Nodule performance within a changing environmental context
Journal of Plant Physiology, 2014,171(12):1076-1090.
[本文引用: 1]

[16] LEDGARD S F, BRIER G J, LITTLER R A. Legume production and nitrogen fixation in hill pasture communities
New Zealand Journal of Agricultural Research, 1987,30(4):413-421.
[本文引用: 1]

[17] CARLSSON G, PALMBORG C, JUMPPONEN A, SCHERER- LORENZEN M, HOGBERG P, HUSS-DANELL K. N₂ fixation in three perennial trifolium species in experimental grasslands of varied plant species richness and composition
Plant Ecology, 2009,205(1):87-104.
[本文引用: 2]

[18] 王平, 周道玮, 姜世成. 半干旱地区禾-豆混播草地生物固氮作用研究
草业学报, 2010,19(6):276-280.
[本文引用: 2]

WANG P, ZHOU D W, JIANG S C. Research on biological nitrogen fixation of grass-legume mixtures in a semi-arid area of China
Acta Prataculturae Sinica, 2010,19(6):276-280. (in Chinese)
[本文引用: 2]

[19] SUTER M, CONNOLLY J, FINN J A, LOGES R, KIRWAN L, SEBASTIA MT, LUSCHER A. Nitrogen yield advantage from grass- legume mixtures is robust over a wide range of legume proportions and environmental conditions
Global Change Biology, 2015,21(6):2424-2438.
[本文引用: 2]

[20] NYFELER D, HUGUENIN-ELIE O, SUTER M, FROSSARD E, LUSCHER A. Grass-legume mixtures can yield more nitrogen than legume pure stands due to mutual stimulation of nitrogen uptake from symbiotic and non-symbiotic sources
Agriculture, Ecosystem and Environment, 2011,140(1):155-163.
[本文引用: 6]

[21] 任继周, 蒋文兰. 多年生混播草地豆禾比例演变規律的探讨
中国草业科学, 1987,4(4):2-5, 30.
[本文引用: 1]

REN J Z, JIANG W L. Research on evolvement rule of legume/grass ratio in perennial mixed grassland
Pratacultural Science in China,, 1987,4(4):2-5, 30. (in Chinese)
[本文引用: 1]

[22] 马霞, 王丽丽, 李卫军, 宋江平, 何媛, 罗明. 不同施氮水平下接种根瘤菌对苜蓿固氮效能及种子生产的影响
草业学报, 2013,22(1):95-102.
[本文引用: 1]

MA X, WANG L L, LI W J, SONG J P, HE Y, LUO M. Effects of different nitrogen levels on nitrogen fixation and seed production of alfalfa inoculated with rhizobia
Acta Prataculturae Sinica, 2013,22(1):95-102.
[本文引用: 1]

[23] HEWITT B R. Spectrophotometric determination of total carbohydrate
Nature, 1958,182(4630):246.
[本文引用: 1]

[24] UNKOVICH M, HERRIDGE D, PEOPLES M, CADISCH G, BODDEY B, GILLER K, ALVES B, CHALK P. Measuring Plant-associated Nitrogen Fixation in Agricultural Systems
Australian Centre for International Agricultural Research (ACIAR), Canberra. 2008.
[本文引用: 2]

[25] LOREAU M, NAEEM S, INCHAUSTI P, BENGTSSON J, GRIME J P, HECTOR A, HOOPE U, HUSTON M A, RAFFAELLI D, SCHMID B, TILMAN D, WARDLE D A. Biodiversity and ecosystem functioning: current knowledge and future challenges
Science, 2001,294:804-808.
[本文引用: 1]

[26] WILSEY B J, POTVIN C. Biodiversity and ecosystem functioning: Importance of species evenness in an old field
Ecology, 2000,81:887-892.
[本文引用: 1]

[27] NYFELER D, HUGUENIN-ELIE O, SUTER M, FROSSARD E, CONNOLLY J, LUSCHER A. Strong mixture effects among four species in fertilized agricultural grassland led to persistent and consistent transgressive overyielding
Journal of Applied Ecology, 2009,46:683-691.
[本文引用: 1]

[28] LI Q, ZHANG H X, HUANG Y X, ZHOU D W. Forage nitrogen yield and soil nitrogen in artificial grasslands with varied medicago seedling proportion
Archives of Agronomy and Soil Science, 2020,66:110-125.
[本文引用: 1]