紫云英生物固氮对土壤肥力及根瘤菌的响应特征

doi:10.11686/cyxb2024229

草业学报 ›› 2025, Vol. 34 ›› Issue (5): 51-63.DOI: 10.11686/cyxb2024229

紫云英生物固氮对土壤肥力及根瘤菌的响应特征

张磊¹(), 杜锦涛¹(), 范倩玉¹, 李顺¹, 高嵩涓¹(), 曹卫东²()

^1.南京农业大学资源与环境科学学院，海岸带盐土资源利用与生态保育江苏省重点实验室，江苏南京 210095
^2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北方干旱半干旱耕地高效利用全国重点实验室，北京 100081

收稿日期:2024-06-11 修回日期:2024-07-18 出版日期:2025-05-20 发布日期:2025-03-20
通讯作者: 高嵩涓,曹卫东
作者简介:caoweidong@caas.cn
E-mail： gaosongjuan@njau.edu.cn
张磊（1997-），女，安徽安庆人，硕士。E-mail： zhanglei_ahnu@163.com
杜锦涛（2003-），男，湖北荆州人，在读本科。E-mail： 9211310612@stu.njau.edu.cn。第一联系人：（张磊、杜锦涛并列第一作者）
基金资助:
现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-22);国家重点研发计划(2021YFD1700200)

Response of biological nitrogen fixation by milk vetch to soil fertility and rhizobium inoculation

Lei ZHANG¹(), Jin-tao DU¹(), Qian-yu FAN¹, Shun LI¹, Song-juan GAO¹(), Wei-dong CAO²()

^1.College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Jiangsu Provincial Key Laboratory of Coastal Zone Saline Soil Resource Utilization and Ecological Conservation，Nanjing 210095，China
^2.Institute of Agricultural Resources and Agricultural Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，National Key Laboratory of Efficient Utilization of Arid and Semi-Arid Cropland in the North，Beijing 100081，China

Received:2024-06-11 Revised:2024-07-18 Online:2025-05-20 Published:2025-03-20
Contact: Song-juan GAO,Wei-dong CAO

摘要/Abstract

摘要：

紫云英是我国最重要的豆科绿肥作物之一，高效生物固氮是其典型特征。适宜的环境条件和根瘤菌接种能增强紫云英固氮能力。选取主栽紫云英品种弋江籽、湘紫1号和闽紫7号，采用¹⁵N同位素示踪技术设置盆栽试验，研究了两种土壤肥力条件下接种根瘤菌（菌株7563R）后的生物固氮效应与机制。结果表明，高肥力下的紫云英平均生物量、吸氮量与生物固氮量分别比低肥力下提高了77.5%、52.6%和22.0%。高肥力下紫云英平均固氮效率为44.7%，相比低肥力下的55.1%降低了10.4%。与不接种根瘤菌相比，接种根瘤菌下紫云英平均吸氮量和固氮效率分别增加13.5%和4.3%。不同紫云英品种间生物量、固氮效率和固氮量无显著差异，弋江籽的磷、钾吸收量高于湘紫1号和闽紫7号。随机森林分析结果表明，土壤速效钾、有效磷、pH对紫云英固氮量具有显著影响，贡献率分别达到10.03%、9.38%和8.28%。综上，土壤肥力和根瘤菌对紫云英生物固氮的影响存在显著的互作效应，在合适的土壤环境下种植紫云英并接种根瘤菌，是促进紫云英生物固氮作用、提高吸氮量的重要措施。

关键词: 紫云英, 土壤肥力, 根瘤菌, 互作效应, 生物固氮

Abstract:

Milk vetch （Astragalus sinicus） is one of the most important leguminous green manure crop in China， and high-efficiency biological nitrogen fixation is its key feature. Suitable environmental conditions and rhizobial inoculation can enhance the nitrogen-fixing ability of milk vetch. In this study， we selected three widely used cultivars of milk vetch， Yijiangzi， Xiangzi No.1， and Minzi No.7， and conducted pot trials using ¹⁵N-isotope tracing technology to investigate the effects and mechanisms of biological nitrogen fixation after inoculation with rhizobia （strain 7563R） under two soil fertility conditions. The results showed that， under high fertility conditions， the average biomass， nitrogen uptake， and biological nitrogen fixation of milk vetch were increased by 77.5%， 52.6%， and 22.0%， respectively， compared with their values under low fertility conditions. However， the average nitrogen fixation efficiency of milk vetch under high fertility conditions was 44.7%， which was 10.4% lower than that under low fertility conditions （55.1%）. Compared with uninoculated milk vetch， the rhizobia-inoculated milk vetch showed higher average nitrogen uptake and nitrogen fixation efficiency （increased by 13.5% and 4.3%， respectively）. There were no significant differences in biomass， nitrogen fixation efficiency， and nitrogen fixation among the different cultivars of milk vetch， but phosphorus and potassium uptake were higher in Yijiangzi than in Xiangzi No.1 and Minzi No.7. Random forest analysis indicated that soil available potassium， available phosphorus， and pH significantly influenced the nitrogen fixation of milk vetch， with contribution rates of 10.03%， 9.38%， and 8.28%， respectively. In conclusion， our results show that there is a significant interactive effect of soil fertility and rhizobia on the biological nitrogen fixation of milk vetch. The inoculation of milk vetch with rhizobia and its cultivation in suitable soil environments are important measures to promote nitrogen fixation and increase nitrogen uptake.

Key words: milk vetch, soil fertility, rhizobia, interactive effect, biological nitrogen fixation

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图/表 10

图1 不同处理下的紫云英地上部生物量Y、X和M分别代表弋江籽、湘紫1号和闽紫7号品种，H和L分别代表高肥力和低肥力土壤，I和N分别代表接种根瘤菌与不接种根瘤菌处理，柱状图中不同小写字母表示相同肥力基础土下不同紫云英品种处理间差异显著（P<0.05），不同大写字母表示不同土壤肥力处理间差异显著（P<0.05），箱型图中不同小写字母表示不同处理组间存在显著差异（P<0.05）。下同。Y， X and M represent Yijiangzi， Xiangzi No.1 and Minzi No.7 varieties， respectively； H and L represent high and low fertility soils， respectively； I and N represent rhizobium inoculation and no rhizobium inoculation treatment， respectively； different lowercase letters in the bar graph indicate significant differences among treatments of different milk vetch varieties under the same fertility base soil （P<0.05）， and different uppercase letters indicate significant differences between soil fertility treatments （P<0.05）， different lowercase letters in the box plots indicate significant differences between treatment groups （P<0.05）. The same below.

Fig.1 Aboveground biomass of milk vetch under different treatments

图2 不同处理下的紫云英全氮含量

Fig.2 Total nitrogen content of milk vetch under different treatments

图3 不同处理下的紫云英吸氮量

Fig.3 Nitrogen absorption of milk vetch under different treatments

图4 不同处理下的紫云英固氮效率

Fig.4 Nitrogen fixation efficiency of milk vetch under different treatments

图5 不同处理下的紫云英固氮量

Fig.5 Nitrogen fixation by milk vetch under different treatments

表1 不同处理因素对紫云英固氮效率和固氮量的交互影响

Table 1 Interaction effect of different treatment factors on nitrogen fixation efficiency and nitrogen fixation in milk vetch

处理因素 Treatment factors	F
处理因素 Treatment factors	固氮效率 Nitrogen fixation efficiency	固氮量 Nitrogen fixation
SF	49.71***	10.23***
MV	0.84ns	0.87ns
RI	8.35**	6.19*
SF×MV	5.24**	2.24ns
SF×RI	1.37ns	5.75*
MV×RI	1.98ns	7.88**
SF×MV×RI	2.49ns	5.49**

图6 不同处理下的紫云英植株磷含量和吸收量

Fig.6 Phosphorus content and absorption of milk vetch plants under different treatments

图7 不同处理下的紫云英钾含量和吸收量

Fig.7 Potassium content and absorption of milk vetch under different treatments

表2 不同处理下的土壤基础肥力性状

Table 2 Soil basic fertility properties of different treatments

处理 Treatment	pH	有机碳 Organic carbon （g·kg^-1）	全氮 Total N （g·kg^-1）	有效磷 Available P （mg·kg^-1）	速效钾 Available K （mg·kg^-1）	铵态氮 Ammonium N（mg·kg^-1）	硝态氮 Nitrate N（mg·kg^-1）
IHY	5.50±0.02a	10.70±0.69b	1.02±0.054b	31.4±3.7a	114.7±9.3a	2.2±0.9b	2.2±0.6b
IHM	5.42±0.06b	12.23±1.24a	1.27±0.014a	33.3±2.7a	111.9±7.2a	3.4±0.8a	2.5±0.4ab
IHX	5.41±0.07b	10.60±0.52b	1.04±0.055b	30.8±1.3a	105.2±4.1b	3.9±1.2a	2.9±0.7a
IH	5.44±0.07A	11.28±1.24A	1.11±0.136A	31.84±2.9A	110.6±8.0A	2.5±0.6A	3.2±1.2A
NHY	5.50±0.04ab	11.03±0.56b	1.04±0.048b	31.7±2.4b	104.3±6.2c	3.0±1.6a	2.2±0.7b
NHM	5.38±0.08b	13.46±3.26a	1.29±0.231a	35.1±1.6a	123.3±8.2a	2.7±0.9a	3.1±0.9a
NHX	5.44±0.05a	11.82±0.40ab	1.25±0.360a	30.9±2.4b	111.6±6.0b	3.2±0.5a	2.6±0.9ab
NH	5.40±0.06B	12.10±2.12A	1.19±0.231A	32.59±2.8A	113.1±11.2A	2.6±1.2A	3.0±1.1A
ILY	6.08±0.04a	8.85±0.39a	0.82±0.038a	14.6±0.4c	81.5±6.2a	2.8±0.5a	2.9±0.4a
ILM	5.74±0.05c	9.19±0.82a	0.82±0.034a	16.8±0.8a	77.2±7.2a	3.0±0.5a	2.0±0.5b
ILX	5.84±0.04b	8.98±0.43a	0.83±0.024a	15.4±0.8b	81.4±5.1a	2.6±0.6a	1.9±0.2b
IL	5.89±0.15A	9.01±0.58A	0.82±0.032A	15.6±1.2A	80.0±6.3A	2.8±0.5A	2.3±0.6A
NLY	5.94±0.02a	8.73±0.38a	0.81±0.039a	14.5±0.6c	79.4±3.6a	2.7±0.4a	2.1±0.5a
NLM	5.76±0.03c	8.80±0.42a	0.79±0.047a	17.7±1.1a	65.4±8.8b	2.6±0.4ab	2.0±0.3ab
NLX	5.81±0.03b	8.82±0.25a	0.82±0.021a	15.7±1.0b	75.7±7.9a	2.3±0.4b	1.7±0.3b
NL	5.84±0.08A	8.78±0.34A	0.81±0.037A	16.0±1.6A	73.5±9.2B	2.5±0.4B	1.9±0.4B

图8 土壤性状和不同处理因素对地上部生物量、吸氮量和固氮量的贡献SOC：土壤有机碳Soil organic carbon； pH：土壤pH Soil pH； TN：土壤全氮Soil total nitrogen； AK：土壤速效钾Soil available K； AP：土壤有效磷Soil available P； NO3--N：土壤硝态氮Soil nitrate N； NH4+-N：土壤铵态氮Soil ammonium N； SF：土壤肥力Soil fertility； MV：紫云英品种Milk vetch varieties； RI：根瘤菌Rhizobium. ns：无显著差异No significant difference； *： P<0.05； **： P<0.01.

Fig.8 Contribution of soil properties and different treatment factors to aboveground biomass， nitrogen absorption and nitrogen fixation

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紫云英生物固氮对土壤肥力及根瘤菌的响应特征

Response of biological nitrogen fixation by milk vetch to soil fertility and rhizobium inoculation

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