Root and carbon-nitrogen metabolism characteristics of alfalfa-oat mixed stands under continuous intercropping

doi:10.11686/cyxb2023143

Abstract

Abstract:

This research investigated the root growth characteristics， carbon and nitrogen metabolism characteristics， and the long-term effects of their coupling mechanisms under continuous leguminous-gramineous forage intercropping. A field frame planting， soil culture experiment was conducted to study the root characteristics， carbon and nitrogen metabolism characteristics， and their mutual co-ordination of alfalfa （Medicago sativa）-oat （Avena sativa） intercropping for two consecutive years after planting. Alfalfa monoculture and oat monoculture crops were used as a reference. It was found that the biomass of intercropped oats was significantly higher than monoculture oats （P<0.05）. The root surface area and root average diameter of intercropped oats were significantly higher than monoculture oats （P<0.05）. The transpiration rate （T_r）， net photosynthetic rate（P_n）， stomatal conductance （G_s）， ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase （RuBPCase） activity， the activities of four nitrogen metabolism enzymes， and carbohydrate accumulation of intercropped oats were significantly higher than monoculture oats （P<0.05）， while alfalfa showed an opposite trend. Correlation analysis found that the biomass was positively correlated with photosynthetic gas exchange parameters， nitrogen metabolism enzyme activities and root characteristics. Root surface area and root average diameter were significantly positively correlated with T_r， P_n， G_s， nitrate reductase （NR） activity， nitrogen accumulation， and total protein content （P<0.05）. Root volume， root surface area， and root average diameter were highly significantly positively correlated with nitrate reductase activity and glutamate synthase activity （P<0.01）. Thus， the intercropping of alfalfa and oat is more conducive to optimizing the root morphology of oat， while also significantly increasing the net photosynthetic rate and transpiration rate of oat， enhancing the activities of carbon and nitrogen metabolism enzymes such as RuBPCase， NR， and glutamine synthetase in oat， thereby promoting the accumulation of carbohydrate and protein to improve oat biomass and quality. Continuous intercropping weakened the inhibition of root surface area and root volume of alfalfa within the system， and expanded the total root length of alfalfa， but overall， intercropping inhibited root growth and carbon-nitrogen metabolism， which was not conducive to the accumulation of its metabolites and biomass. Moreover， total root length， root surface area， and root volume significantly promote carbon-nitrogen metabolism， the improvement of root system and carbon-nitrogen metabolism in the alfalfa/oat intercropping system effectively increased the biomass and total protein content in the system.

Key words: alfalfa, oat, continuous intercropping, root characteristics, carbon and nitrogen metabolism characteristics

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Figures/Tables 10

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光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	年份 Years		光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	年份 Years
光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	2021	2022	光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	2021	2022
蒸腾速率 Transpiration rate （T_r，mmol·m^-2·s^-1）	DA	8.91±0.06ab	20.44±0.30a	净光合速率Net photosynthetic rate （P_n，μmol·m^-2·s^-1）	DA	30.97±0.40a	18.79±0.13a
	IA	8.52±0.17bc	15.47±0.13b		IA	25.52±0.26b	16.00±1.46b
	DO	7.93±0.31c	7.93±0.31d		DO	10.55±0.29c	10.55±0.29c
	IO	9.40±0.26a	8.81±0.16c		IO	11.24±0.17c	15.22±0.24b
胞间CO₂浓度 Intercellular CO₂ concentration （C_i，μmol·mol^-1）	DA	305.25±1.35b	356.45±1.21b	气孔导度Stomatal conductance （G_s，μmol·m^-2·s^-1）	DA	600.73±26.21a	753.06±15.87a
	IA	322.43±1.61a	429.02±6.09a		IA	419.63±28.30b	668.73±9.63b
	DO	280.15±4.25c	280.15±4.25c		DO	220.00±14.92d	220.00±14.92c
	IO	266.93±2.85d	274.50±5.71c		IO	341.15±7.73c	229.73±3.06c

光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	年份 Years		光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	年份 Years
光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	2021	2022	光合气体参数 Photosynthetic gas parameter	种植方式 Planting methods	2021	2022
蒸腾速率 Transpiration rate （T_r，mmol·m^-2·s^-1）	DA	8.91±0.06ab	20.44±0.30a	净光合速率Net photosynthetic rate （P_n，μmol·m^-2·s^-1）	DA	30.97±0.40a	18.79±0.13a
	IA	8.52±0.17bc	15.47±0.13b		IA	25.52±0.26b	16.00±1.46b
	DO	7.93±0.31c	7.93±0.31d		DO	10.55±0.29c	10.55±0.29c
	IO	9.40±0.26a	8.81±0.16c		IO	11.24±0.17c	15.22±0.24b
胞间CO₂浓度 Intercellular CO₂ concentration （C_i，μmol·mol^-1）	DA	305.25±1.35b	356.45±1.21b	气孔导度Stomatal conductance （G_s，μmol·m^-2·s^-1）	DA	600.73±26.21a	753.06±15.87a
	IA	322.43±1.61a	429.02±6.09a		IA	419.63±28.30b	668.73±9.63b
	DO	280.15±4.25c	280.15±4.25c		DO	220.00±14.92d	220.00±14.92c
	IO	266.93±2.85d	274.50±5.71c		IO	341.15±7.73c	229.73±3.06c

种植方式 Planting methods	碳水化合物含量Carbohydrate content （%）		碳水化合物积累量Carbohydrate accumulation （g）
种植方式 Planting methods	2021	2022	2021	2022
DA	5.11±0.01c	5.02±0.03c	1.52±0.01bc	1.79±0.17b
IA	4.87±0.01d	4.88±0.03c	1.30±0.07c	1.47±0.19c
DO	11.48±0.06b	11.48±0.06b	1.82±0.14b	1.82±0.14b
IO	12.44±0.06a	12.56±0.06a	2.50±0.32a	2.51±0.06a

种植方式 Planting methods	碳水化合物含量Carbohydrate content （%）		碳水化合物积累量Carbohydrate accumulation （g）
种植方式 Planting methods	2021	2022	2021	2022
DA	5.11±0.01c	5.02±0.03c	1.52±0.01bc	1.79±0.17b
IA	4.87±0.01d	4.88±0.03c	1.30±0.07c	1.47±0.19c
DO	11.48±0.06b	11.48±0.06b	1.82±0.14b	1.82±0.14b
IO	12.44±0.06a	12.56±0.06a	2.50±0.32a	2.51±0.06a

种植方式 Planting methods	氮积累量Nitrogen accumulation		蛋白总量Total protein content
种植方式 Planting methods	2021	2022	2021	2022
DA	1.05±0.01a	1.22±0.07a	6.57±0.05a	7.61±0.43a
IA	0.86±0.06b	0.89±0.07b	5.36±0.37b	5.54±0.44b
DO	0.36±0.03c	0.36±0.03c	2.25±0.16c	2.25±0.16c
IO	0.47±0.04c	0.49±0.00c	2.96±0.27c	3.09±0.02c