Effects of grass-legume sowing ratio and nitrogen application mode on yield and water and nitrogen use efficiency of alfalfa-Bromus inermis mixed stands on the Loess Plateau

doi:10.11686/cyxb2025377

Abstract

Abstract:

To determine the ideal mixed sowing ratio and nitrogen application mode for alfalfa （Medicago sativa）-Bromus inermis stands in the semi-arid area of the Loess Plateau in central Gansu， alfalfa monoculture （A₁₀S₀） and B. inermis monoculture （A₀S₁₀） plots were used as the control， and three mixed sowing ratios of 3∶7 （A₃S₇）， 5∶5 （A₅S₅）， and 7∶3 （A₇S₃） were set up. Four nitrogen application modes were also set up under each mixed sowing ratio： no nitrogen fertilizer （U₀）， standard urea nitrogen application of 100 kg N·ha^-1 （U₁₀₀）， standard urea nitrogen application of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer 3.75 t·ha^-1 （U₅₀+OF）， and slow-release urea nitrogen application of 50 kg N·ha^-1 （CU₅₀）. The yield， water and nitrogen utilization and interspecific competition of the mixed stands in the second year of planting were observed and analyzed. It was found that compared with the two monocultures， mixed sowing had several yield advantages. The hay yields of A₃S₇， A₅S₅ and A₇S₃ were， respectively， 44.2%， 35.4% and 43.8% higher （P<0.05） than that of A₀S₁₀. A₃S₇ and A₇S₃ were， respectively， 19.4% and 19.0% higher （P<0.05） than that of A₁₀S₀. The crude protein yields of A₃S₇， A₅S₅， A₇S₃ and A₁₀S₀ were， respectively， 69.1%， 54.6%， 68.9% and 56.8% higher （P<0.05） than that of A₀S₁₀. The dry matter water use efficiency and nitrogen partial factor productivity of mixed sowing treatments were significantly higher than those of monocultures. The dry matter water use efficiency of A₃S₇， A₅S₅ and A₇S₃ was， respectively， 58.3%， 44.9% and 55.5% higher （P<0.05） than that of A₀S₁₀. The partial factor productivity of nitrogen fertilizer in CU₅₀ was significantly increased （P<0.05） by 86.6% and 97.8%， respectively， compared with U₁₀₀ and U₅₀+OF. The land equivalent ratio， alfalfa competition rate， alfalfa relative yield and total relative yield of each mixed sowing treatment were all greater than 1. The alfalfa competition rate and relative yield of U₁₀₀ were significantly higher than those of A₀S₁₀ treatment. The land equivalent ratio and total relative yield of U₁₀₀ were significantly higher than those of U₀ and CU₅₀. Multi-trait radar map result analysis showed that the overall performance of the A₇S₃-U₁₀₀ treatment performed best in this experiment， and was therefore the recommended planting regime in the Longzhong semi-arid area of the Loess Plateau in central Gansu. This study systematically explored the production of different legume-grass mixed sowing ratios and nitrogen application modes， thereby providing technical support for efficient forage cultivation in this region.

Key words: the Loess Plateau, legume-grass mixtures, nitrogen application mode, yield, water and nitrogen utilization, interspecific competition

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Figures/Tables 13

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混播比例 Mixed sowing ratios	紫花苜蓿播种量 Alfalfa seeding rate （kg·hm^-2）	无芒雀麦播种量 B. inermis seeding rate （kg·hm^-2）	施氮模式 Nitrogen application modes	处理代号 Code of treatment
10∶0	22.5	0.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₁₀S₀-U₀
	22.5	0.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₁₀S₀-U₁₀₀
	22.5	0.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₁₀S₀-U₅₀+OF
	22.5	0.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₁₀S₀-CU₅₀
0∶10	0.0	30.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₀S₁₀-U₀
	0.0	30.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₀S₁₀-U₁₀₀
	0.0	30.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₀S₁₀-U₅₀+OF
	0.0	30.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₀S₁₀-CU₅₀
3∶7	6.8	21.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₃S₇-U₀
	6.8	21.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₃S₇-U₁₀₀
	6.8	21.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₃S₇-U₅₀+OF
	6.8	21.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₃S₇-CU₅₀
5∶5	11.3	15.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₅S₅-U₀
	11.3	15.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₅S₅-U₁₀₀
	11.3	15.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₅S₅-U₅₀+OF
	11.3	15.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₅S₅-CU₅₀
7∶3	15.8	9.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₇S₃-U₀
	15.8	9.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₇S₃-U₁₀₀
	15.8	9.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₇S₃-U₅₀+OF
	15.8	9.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₇S₃-CU₅₀

混播比例 Mixed sowing ratios	紫花苜蓿播种量 Alfalfa seeding rate （kg·hm^-2）	无芒雀麦播种量 B. inermis seeding rate （kg·hm^-2）	施氮模式 Nitrogen application modes	处理代号 Code of treatment
10∶0	22.5	0.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₁₀S₀-U₀
	22.5	0.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₁₀S₀-U₁₀₀
	22.5	0.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₁₀S₀-U₅₀+OF
	22.5	0.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₁₀S₀-CU₅₀
0∶10	0.0	30.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₀S₁₀-U₀
	0.0	30.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₀S₁₀-U₁₀₀
	0.0	30.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₀S₁₀-U₅₀+OF
	0.0	30.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₀S₁₀-CU₅₀
3∶7	6.8	21.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₃S₇-U₀
	6.8	21.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₃S₇-U₁₀₀
	6.8	21.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₃S₇-U₅₀+OF
	6.8	21.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₃S₇-CU₅₀
5∶5	11.3	15.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₅S₅-U₀
	11.3	15.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₅S₅-U₁₀₀
	11.3	15.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₅S₅-U₅₀+OF
	11.3	15.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₅S₅-CU₅₀
7∶3	15.8	9.0	不施氮肥No nitrogen fertilizer	A₇S₃-U₀
	15.8	9.0	普通尿素100 kg N·hm^-2 Common urea of 100 kg N·ha^-1	A₇S₃-U₁₀₀
	15.8	9.0	普通尿素50 kg N·hm^-2+有机肥3.75 t·hm^-2 Common urea of 50 kg N·ha^-1+organic fertilizer of 3.75 t·ha^-1	A₇S₃-U₅₀+OF
	15.8	9.0	缓释尿素50 kg N·hm^-2 Slow-release urea of 50 kg N·ha^-1	A₇S₃-CU₅₀

项目 Item	处理 Treatments	干物质采食量Dry matter intake （DMI）				相对饲喂价值Relative feeding value （RFV）				相对牧草质量Relative forage quality （RFQ）
项目 Item	处理 Treatments	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average
混播比例 Mixed sowing ratios （R）	A₀S₁₀	2.2±0.1d	2.4±0.1b	2.9±0.2b	2.5±0.2c	113.5±3.0d	117.8±7.4b	146.1±10.8b	125.8±11.4c	154.3±5.8d	162.6±14.5b	217.8±21.1b	178.2±22.2c
	A₃S₇	2.5±0.1c	2.8±0.2a	3.2±0.2ab	2.8±0.2b	136.8±7.2c	145.0±10.1a	181.8±14.3a	154.5±15.7b	199.6±14.0c	215.7±19.8a	287.4±27.9a	234.2±30.7b
	A₅S₅	2.4±0.1c	2.9±0.1a	3.2±0.3ab	2.8±0.3b	130.0±6.1c	148.4±9.4a	180.1±18.1a	152.8±17.1b	186.4±12.0c	222.3±18.3a	284.2±35.2a	231.0±33.4b
	A₇S₃	2.7±0.1b	2.8±0.1a	3.3±0.2a	2.9±0.2b	149.6±7.8b	145.6±7.2a	185.9±11.1a	160.4±13.7b	224.8±15.3b	216.9±14.0a	295.4±21.6a	245.7±26.7b
	A₁₀S₀	3.4±0.1a	2.9±0.1a	3.4±0.2a	3.2±0.2a	192.9±7.7a	153.3±8.2a	192.4±13.5a	179.5±14.7a	309.1±15.1a	232.0±16.0a	308.2±26.3a	283.1±28.8a
施氮模式 Nitrogen application modes （N）	U₀	2.7±0.2A	2.8±0.2A	3.1±0.2A	2.9±0.3A	144.5±15.7A	146.2±12.1A	170.7±16.0A	153.8±18.1A	214.7±30.7A	218.0±23.5A	265.9±31.3A	232.9±35.3A
	U₁₀₀	2.7±0.3A	2.8±0.2A	3.3±0.3A	2.9±0.3A	146.7±17.4A	140.8±10.8A	179.7±19.8A	155.7±18.1A	219.0±34.0A	207.5±21.0A	283.3±38.7A	236.6±35.3A
	U₅₀+OF	2.6±0.2A	2.7±0.1A	3.2±0.2A	2.8±0.2A	143.2±14.7A	140.9±8.8A	177.9±13.9A	154.0±16.1A	212.2±28.8A	207.7±17.1A	279.9±0.2A	233.3±31.5A
	CU₅₀	2.7±0.3A	2.7±0.2A	3.3±0.2A	2.9±0.3A	143.9±20.3A	140.2±11.5A	180.7±15.5A	154.9±18.9A	213.5±39.6A	206.3±22.5A	285.3±0.2A	235.0±36.8A
R		***	***	*	***	***	*	***	***	***	*	***	***
N		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns
R×N		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns

项目 Item	处理 Treatments	干物质采食量Dry matter intake （DMI）				相对饲喂价值Relative feeding value （RFV）				相对牧草质量Relative forage quality （RFQ）
项目 Item	处理 Treatments	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average
混播比例 Mixed sowing ratios （R）	A₀S₁₀	2.2±0.1d	2.4±0.1b	2.9±0.2b	2.5±0.2c	113.5±3.0d	117.8±7.4b	146.1±10.8b	125.8±11.4c	154.3±5.8d	162.6±14.5b	217.8±21.1b	178.2±22.2c
	A₃S₇	2.5±0.1c	2.8±0.2a	3.2±0.2ab	2.8±0.2b	136.8±7.2c	145.0±10.1a	181.8±14.3a	154.5±15.7b	199.6±14.0c	215.7±19.8a	287.4±27.9a	234.2±30.7b
	A₅S₅	2.4±0.1c	2.9±0.1a	3.2±0.3ab	2.8±0.3b	130.0±6.1c	148.4±9.4a	180.1±18.1a	152.8±17.1b	186.4±12.0c	222.3±18.3a	284.2±35.2a	231.0±33.4b
	A₇S₃	2.7±0.1b	2.8±0.1a	3.3±0.2a	2.9±0.2b	149.6±7.8b	145.6±7.2a	185.9±11.1a	160.4±13.7b	224.8±15.3b	216.9±14.0a	295.4±21.6a	245.7±26.7b
	A₁₀S₀	3.4±0.1a	2.9±0.1a	3.4±0.2a	3.2±0.2a	192.9±7.7a	153.3±8.2a	192.4±13.5a	179.5±14.7a	309.1±15.1a	232.0±16.0a	308.2±26.3a	283.1±28.8a
施氮模式 Nitrogen application modes （N）	U₀	2.7±0.2A	2.8±0.2A	3.1±0.2A	2.9±0.3A	144.5±15.7A	146.2±12.1A	170.7±16.0A	153.8±18.1A	214.7±30.7A	218.0±23.5A	265.9±31.3A	232.9±35.3A
	U₁₀₀	2.7±0.3A	2.8±0.2A	3.3±0.3A	2.9±0.3A	146.7±17.4A	140.8±10.8A	179.7±19.8A	155.7±18.1A	219.0±34.0A	207.5±21.0A	283.3±38.7A	236.6±35.3A
	U₅₀+OF	2.6±0.2A	2.7±0.1A	3.2±0.2A	2.8±0.2A	143.2±14.7A	140.9±8.8A	177.9±13.9A	154.0±16.1A	212.2±28.8A	207.7±17.1A	279.9±0.2A	233.3±31.5A
	CU₅₀	2.7±0.3A	2.7±0.2A	3.3±0.2A	2.9±0.3A	143.9±20.3A	140.2±11.5A	180.7±15.5A	154.9±18.9A	213.5±39.6A	206.3±22.5A	285.3±0.2A	235.0±36.8A
R		***	***	*	***	***	*	***	***	***	*	***	***
N		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns
R×N		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns

项目 Item	处理 Treatments	土地当量比 Land equivalent ratio （LER）				紫花苜蓿竞争率 Alfalfa competition rate （CR_A）				无芒雀麦竞争率 B. inermis competition rate （CR_S）
项目 Item	处理 Treatments	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第3茬 The third cut	平均 Average	第1茬 The first cut	第2茬 The second cut	第三茬The third cut	平均 Average
混播比例Mixed sowing ratios （R）	A₃S₇	1.2±0.1a	1.7±0.1a	1.3±0.2a	1.4±0.1a	1.4±0.2a	2.7±0.5a	2.2±0.5a	2.0±0.3a	1.1±0.3a	0.7±0.2a	0.6±0.1a	0.8±0.3a
	A₅S₅	1.2±0.1a	1.5±0.1a	1.3±0.1a	1.3±0.1a	1.6±0.4a	3.7±0.3a	3.2±0.7a	2.2±0.3a	1.1±0.2a	0.8±0.2a	0.4±0.1a	0.8±0.1a
	A₇S₃	1.2±0.1a	1.5±0.1a	1.4±0.2a	1.4±0.1a	2.5±0.4a	4.2±0.6a	3.4±0.8a	2.9±0.5a	0.6±0.1a	0.5±0.1a	0.4±0.1a	0.5±0.2a
施氮模式 Nitrogen application modes （N）	U₀	1.2±0.1A	1.5±0.1BC	1.2±0.1AB	1.3±0.1B	2.1±0.5A	1.7±0.3B	2.1±0.3B	2.0±0.3B	0.7±0.2A	0.8±0.2A	0.6±0.1A	0.7±0.1A
	U₁₀₀	1.3±0.1A	1.9±0.1A	1.7±0.3A	1.6±0.1A	1.9±0.4A	3.9±0.8A	4.8±0.3A	3.5±0.7A	0.7±0.1A	0.4±0.1A	0.3±0.1A	0.5±0.1A
	U₅₀+OF	1.1±0.1A	1.7±0.1AB	1.3±0.1AB	1.4±0.1AB	1.7±0.5A	1.5±0.2B	2.3±0.3B	1.8±0.2B	1.0±0.2A	1.0±0.3A	0.5±0.1A	0.8±0.2A
	CU₅₀	1.1±0.1A	1.2±0.1C	1.1±0.1B	1.1±0.1B	1.5±0.4A	2.0±0.3B	2.6±0.4AB	2.1±0.2B	1.3±0.4 A	0.6±0.1A	0.5±0.1A	0.8±0.1A
R		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns
N		ns	**	ns	*	ns	**	ns	*	ns	ns	ns	ns
R×N		ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns	ns