试验地位于兰州大学庆阳黄土高原草地农业试验站(107° 52' E、35° 39' N, 海拔1297 m), 属大陆性季风气候。年均降水量548 mm, 全年70%以上的降水集中在7-9月。年蒸发量1100~1500 mm, 年日照时数2300~2700 h, 年均温9.2 ℃, 无霜期150~190 d。试验地土壤类型为黑垆土, 养分基本情况见表1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 试验地土壤养分基本情况 Table 1 Basic nutritional status of soils at the experimental site 土层 Soil layer (cm) 硝态氮 Nitrate nitrogen (mg· kg-1) 铵态氮 Ammonium nitrogen (mg· kg-1) 速效磷 Available phosphorus (mg· kg-1) 有机碳 Organic carbon (g· kg-1) 0~10 14.81± 3.83 1.12± 0.07 18.85± 2.14 9.73± 0.56 10~20 13.03± 2.33 1.03± 0.17 22.13± 3.17 8.88± 0.33 20~30 13.99± 0.79 0.94± 0.07 17.28± 3.93 9.32± 0.52 30~60 7.79± 0.56 0.96± 0.05 13.95± 1.80 8.76± 0.70

表1 试验地土壤养分基本情况 Table 1 Basic nutritional status of soils at the experimental site

选用燕麦(A. sativa cv. Galileo)与箭筈豌豆(V. sativa cv. Lanjian 2)作为试验材料, 燕麦种子由甘肃省农业科学院提供, 箭筈豌豆种子由农业农村部牧草与草坪草种子质量监督检验测试中心(兰州)提供。燕麦与箭筈豌豆分别以1∶ 0、2∶ 1、1∶ 2、0∶ 1的比例播种, 4种播种模式的播量分别为燕麦90 kg· hm^-2(A)、箭筈豌豆30 kg· hm^-2和燕麦72 kg· hm^-2(VA₁₂)、箭筈豌豆60 kg· hm^-2和燕麦36 kg· hm^-2(VA₂₁)、箭筈豌豆75 kg· hm^-2(V)。氮肥梯度设置为0、50、100、150 kg N· hm^-24个水平, 分别记作N₀(不施氮肥)、N₅₀(低氮)、N₁₀₀(中氮)、N₁₅₀(高氮), 氮源为尿素(总氮≥ 46%, 低氮、中氮、高氮水平下每小区尿素施入量分别为130.43、260.87、391.30 g)。共16个处理, 每个处理3个重复, 共48个小区, 随机区组排列; 小区面积为12 m²(4 m× 3 m), 小区间距50 cm。试验地前茬为高粱(Sorghum bicolor), 2019年4月26日同行条播播种, 行间距为30 cm。播种前施60 kg P₂O₅· hm^-2作为基肥, 基肥和尿素在播种前均匀撒施地表。建植完成后不再进行施肥, 无灌溉, 定期除杂草、防治病虫害。

在2019年6月26日、7月13日即燕麦为花期和乳熟期时取样。每个小区内在行间和行内各取一点, 按深度为0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm用根钻(内径9 cm)取土样, 用孔径为0.25 mm的网兜收集土样, 自来水冲洗得到根样品。根据根的形态、颜色和柔韧程度, 挑选出具有生活力的根^{[15, 16]}, 吸干水分, 用EPSON Scan(Expression 11000XL, Canada)系统扫描, 保存成图片, 再用WinRHIZO软件分析, 得到根长度、根表面积、根体积等。将根样品在65 ℃条件下烘干至恒重, 得到根干重, 粉碎备用。

单位土壤体积内的根系参数的计算公式如下:

根生物量(g· m^-3)=根干重(g)/取样体积(m³)

根长(cm· cm^-3)=总根长(cm)/取样体积(cm³)

比根长(m· g^-1)=总根长(m)/根干重(g)

根表面积(cm²· cm^-3)=总根表面积(cm²)/取样体积(cm³)

比根面积(m²· g^-1)=总根表面积(m²)/根干重(g)

根体积(mm³· cm^-3)=总根体积(mm³)/取样体积(cm³)

式中:取样体积=钻筒体积× 6, 钻筒体积为635.85 cm³。

在距离样地边际50 cm以内随机用土钻法分层(0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~60 cm)取土壤样品, 放置于阴凉处, 自然风干后, 过筛(2 mm)待测。用全自动间断化学分析仪(Smartchem200, Italy)测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

使用Excel 2010进行数据整理和作图, 使用SPSS 21.0分析数据。采用双因素ANOVA分析施氮肥和混播比例对根性状特征的影响, 用单因素ANOVA比较不同氮肥水平和混播比例间的差异。用Pearson相关法分析土壤氮与根生物量、根性状的相关性。

在花期时, 混播比例或施氮肥对根生物量无显著影响, 根生物量仅受二者交互作用的显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, N₀下根生物量逐渐降低(P< 0.05); N₁₀₀下根生物量先降低后升高, 在箭筈豌豆单播时最高(P< 0.05); 而N₅₀和N₁₅₀下根生物量先升高后降低, 在VA₁₂时最高(P< 0.05)(图1)。在乳熟期时, 施氮肥及二者交互作用对根生物量无显著影响, 仅混播比例显著影响根生物量(表2)。A、VA₁₂、VA₂₁和V下根生物量均值分别为81.0、90.2、82.4和60.0 g· m^-3, 混播下根生物量大于单播(图1)。随箭筈豌豆比例的增大, 根生物量先升高后降低; 而施氮肥削弱了箭筈豌豆比例对根生物量的影响, 低氮下最高值出现在VA₁₂, 而中、高氮下在VA₂₁。

图1

Fig.1

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图1 不同施氮肥水平和混播比例下的根生物量 A、B分别表示花期和乳熟期; 不同大写字母表示同一施氮肥水平不同混播比例间差异显著(P< 0.05), 不同小写字母表示同一混播比例不同施氮肥水平间差异显著(P< 0.05)。下同。Fig.1 Root biomass under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios A, B shows flowering and milking, respectively; Different capital letters show significant difference among mixing ratios under the same N fertilization (P< 0.05); Different lowercase letters show significant difference among N fertilizing rates under the same mixing ratio (P< 0.05). The same below.

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 混播比例和施氮肥对不同物候期根生物量和根性状的影响 Table 2 Effects of N fertilization and mixing ratio on root biomass and root trait at different phenological periods (F value) 物候期 Phenological period 因素 Factor 根生物量 Root biomass 根长 Root length 比根长 Specific root length 根表面积 Root surface area 比根面积 Specific root area 根体积 Root volume 花期Flowering 混播比例Mixing ratio (M) 0.753 8.130* * * 7.204* * 6.194* * 7.311* * 5.258* * 施氮肥N fertilization (Fn) 0.475 3.281* 5.612* * 2.410 3.600* 6.482* * 混播比例× 施氮肥M× Fn 5.552* * * 2.843* 5.320* * * 3.353* * 3.577* * 9.527* * * 乳熟期Milking 混播比例Mixing ratio (M) 2.971* 1.977 5.007* * 5.047* * 18.018 26.360* * * 施氮肥N fertilization (Fn) 0.478 0.069 0.897 0.298 1.507 5.403* * 混播比例× 施氮肥M× Fn 1.086 3.520* * 3.881* * 5.001* * * 8.246* * * 21.484* * * 注:* 、* * 、* * * 分别表示在0.05、0.01、0.001水平上影响显著。下同。 Note: * , * * , * * * show significances at 0.05, 0.01, 0.001 level, respectively. The same below.

表2 混播比例和施氮肥对不同物候期根生物量和根性状的影响 Table 2 Effects of N fertilization and mixing ratio on root biomass and root trait at different phenological periods (F value)

在花期时, 根长受混播比例、施氮肥及二者交互作用的显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, 根长先降低后升高; 而施氮肥增强了箭筈豌豆比例对根长的影响, 低氮下最低值出现在VA₂₁, 而中、高氮下在VA₁₂; 与VA₂₁相比, 中、高氮下箭筈豌豆单播时根长较低。燕麦单播时根长最大(N₁₀₀例外)(图2)。在乳熟期时, 混播比例或施氮肥对根长无显著影响, 根长仅受二者交互的显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, 中、高氮下根长先升高后降低, 最高值出现在VA₂₁; 而低氮下根长变化与其不一致。此外, 在花期和乳熟期, 箭筈豌豆或燕麦单播下, 施氮肥均导致根长减小。

图2

Fig.2

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	图2 不同施氮肥水平和混播比例下的根长Fig.2 Root length under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios

在花期时, 比根长受施氮肥、混播比例及二者交互作用的显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, 比根长先降低后升高(N₁₀₀例外); N₁₀₀下箭筈豌豆单播时比根长显著(P< 0.05)小于燕麦单播及VA₂₁(图3); N₀下箭筈豌豆单播时比根长最大, 且显著(P< 0.05)大于VA₂₁。施氮肥导致箭筈豌豆单播及混播下比根长降低。在乳熟期时, 施氮肥对比根长无显著影响, 比根长受混播比例及其与施氮肥交互作用的显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, 比根长有升高趋势(N₀例外), N₀下VA₁₂的比根长显著(P< 0.05)小于其他混播比例(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 不同施氮肥水平和混播比例下的比根长Fig.3 Specific root length under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios

混播比例及其与施氮肥的交互作用对花期和乳熟期根表面积均有显著影响(表2)。在花期时, 随箭筈豌豆比例的增大, 低氮下根表面积降低; 而中、高氮下呈降低-升高-降低的趋势(图4)。在箭筈豌豆比例较低(A、VA₁₂)时, 施氮肥显著(P< 0.05)减小根表面积; 而在较高箭筈豌豆比例时, 施氮肥有提高根表面积的趋势。在乳熟期时, 随箭筈豌豆比例的增大, N₀下根表面积先降低后升高, VA₁₂时最低; 而中、高氮下根表面积先升高后降低, 最高值在VA₂₁。此外, 箭筈豌豆或燕麦单播时, 中、高氮下根表面积均小于不施氮肥和低氮下。

图4

Fig.4

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	图4 不同施氮肥水平和混播比例下的根表面积Fig.4 Root surface area under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios

在花期时, 混播比例、施氮肥及二者交互作用显著影响比根面积, 而在乳熟期时, 仅混播比例与施氮肥的交互作用对比根面积有显著影响(表2)。随箭筈豌豆比例的增大, 花期比根面积呈先降低后升高的趋势(N₁₀₀例外); N₁₀₀下表现相反趋势(图5)。施氮肥有减小比根面积的趋势。随箭筈豌豆比例的增大, 乳熟期比根面积逐渐升高(N₀例外); N₀下比根面积先降低后升高, VA₁₂显著(P< 0.05)低于其他混播比例。

图5

Fig.5

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	图5 不同施氮肥水平和混播比例下的比根面积Fig.5 Specific root area under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios

混播比例、施氮肥以及二者交互作用显著影响花期和乳熟期根体积(表2)。在花期时, 施氮肥减小A、VA₁₂的根体积, 提高VA₂₁、V的根体积。随箭筈豌豆比例的增大, N₀下根体积降低, 且燕麦单播时显著(P< 0.05)大于其他混播比例(图6); 中、高氮下VA₂₁最高而VA₁₂最低。在乳熟期时, 随箭筈豌豆比例的增大, N₀下根体积先降低后升高(VA₁₂时最低), N₅₀、N₁₀₀和N₁₅₀下根体积有逐渐升高的趋势, 但N₁₅₀下V的根体积显著(P< 0.05)小于VA₂₁。此外, 箭筈豌豆或燕麦单播时, 施氮肥均导致其根体积降低(P< 0.05)。

图6

Fig.6

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	图6 不同施氮肥水平和混播比例下的根体积Fig.6 Root volume under different nitrogen fertilizer levels and mixing ratios

在花期时, 混播比例、施氮肥及二者交互作用对10~20 cm土层土壤硝态氮含量有显著影响, 对0~10 cm和30~60 cm土层土壤硝态氮含量无显著影响, 而20~30 cm土层土壤硝态氮含量仅受施氮肥的显著影响; 在乳熟期时, 混播比例、施氮肥及二者交互作用对0~10 cm和20~30 cm土层土壤硝态氮含量有显著影响, 10~20 cm土层土壤硝态氮含量仅受施氮肥和二者交互作用的显著影响(表3)。在0~20 cm土层中, VA₁₂时花期土壤硝态氮含量最高; 而在乳熟期时, 0~30 cm土层中, 燕麦单播时土壤硝态氮含量最高(图7)。施氮肥均提高了各土层土壤硝态氮含量(图8)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 混播比例和施氮肥对土壤矿质氮含量的影响 Table 3 Effects of mixing ratio and N fertilization on soil mineral N contents (F value) 物候期 Phenological period 因素 Factor 土壤硝态氮Soil nitrate N 土壤铵态氮Soil ammonium N 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 30~60 cm 0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 30~60 cm 花期Flowering 混播比例Mixing ratio (M) 1.753 6.205* * 0.208 1.162 21.214* * * 28.840* * * 140.305* * * 39.008* * * 施氮肥N fertilization (Fn) 0.961 22.051* * * 3.384* 2.398 7.923* * * 10.608* * * 2.950* 2.022 混播比例× 施氮肥M× Fn 1.803 7.958* * * 1.914 1.618 5.958* * * 8.268* * * 10.411* * * 1.271 乳熟期Milking 混播比例Mixing ratio (M) 3.725* 1.921 7.523* * 0.130 128.754* * * 89.382* * * 58.206* * * 41.522* * * 施氮肥N fertilization (Fn) 4.708* * 4.089* 12.070* * * 0.635 10.672* * * 16.350* * * 9.218* * * 8.293* * * 混播比例× 施氮肥M× Fn 4.544* * 2.901* 4.262* * 0.493 17.899* * * 32.452* * * 19.962* * * 22.056* * *

表3 混播比例和施氮肥对土壤矿质氮含量的影响 Table 3 Effects of mixing ratio and N fertilization on soil mineral N contents (F value)

图7

Fig.7

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	图7 不同混播比例下草地各土层土壤硝态氮与铵态氮含量 不同小写字母表示同一土层不同混播比例间差异显著(P< 0.05)。Fig.7 Soil mineral N contents at various layers in the mixtures Different lowercase letters show significant difference among mixing ratios at the same soil layer (P< 0.05).

图8

Fig.8

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	图8 不同施氮肥水平下草地各土层土壤硝态氮与铵态氮含量 不同小写字母表示同一土层不同施氮肥水平间差异显著(P< 0.05)。Fig.8 Soil mineral N contents at various layers under N fertilization Different lowercase letters show significant difference among N fertilizing rates at the same soil layer (P< 0.05).

混播比例、施氮肥及二者交互作用对0~30 cm土层土壤铵态氮有显著影响(表3)。在花期时, 箭筈豌豆单播下土壤铵态氮含量最高(P< 0.05), VA₁₂下最低(图7)。在乳熟期时, 随箭筈豌豆比例的增大, 0~30 cm土层土壤铵态氮含量先升高后降低(P< 0.05), VA₂₁时最高; 在30~60 cm土层, 箭筈豌豆单播时显著高于其他混播比例(P< 0.05)。在花期时, 随施氮肥水平增高, 土壤铵态氮含量先升高后降低(30~60 cm土层例外), 在N₁₀₀最高; 而在乳熟期时其差异不明显(图8)。

根生物量与土壤硝态氮含量显著正相关(20~30 cm土层例外), 与土壤铵态氮含量无显著相关关系(表4)。根长与土壤矿质氮含量显著负相关(0~10 cm、30~60 cm土层铵态氮例外)。根表面积与土壤硝态氮含量显著负相关, 而土壤铵态氮含量与其仅在20~30 cm土层中有显著负相关关系; 比根长和比根面积与土壤矿质氮含量无显著相关关系。根体积与土壤硝态氮含量显著负相关, 与土壤铵态氮含量无显著相关关系。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 土壤硝态氮、铵态氮与根系特性的相关性 Table 4 Correlation of soil nitrate N content, ammonium N content and root characteristics 土壤矿质氮 Soil mineral N 土层 Soil layer (cm) 根生物量 Root biomass 根长 Root length 比根长 Specific root length 根表面积 Root surface area 比根面积 Specific root area 根体积 Root volume 硝态氮含量Nitrate N content 0~10 0.358* * * -0.512* * * 0.088 -0.426* * * 0.047 -0.348* * 10~20 0.423* * * -0.311* * 0.160 -0.254* 0.170 -0.225* 20~30 0.069 -0.263* * 0.100 -0.304* * -0.009 -0.386* * * 30~60 0.315* * -0.438* * * 0.119 -0.404* * * 0.025 -0.284* * 铵态氮含量Ammonium N content 0~10 0.061 -0.118 0.125 -0.103 0.105 -0.076 10~20 0.020 -0.225* -0.053 -0.186 -0.049 -0.093 20~30 -0.036 -0.224* 0.089 -0.212* -0.012 -0.158 30~60 -0.079 -0.077 0.102 -0.072 0.020 -0.060 注:* 、* * 、* * * 分别表示在0.05、0.01、0.001水平上显著相关。 Note: * , * * , * * * show a significant correlation at the 0.05, 0.01, 0.001 level, respectively.

表4 土壤硝态氮、铵态氮与根系特性的相关性 Table 4 Correlation of soil nitrate N content, ammonium N content and root characteristics

与单播草地相比, 豆科混播草地总生物量更高, 尤其是根生物量^[17]。在本研究中, 混播比例显著影响了乳熟期植株根系生物量, 且混播下草地根生物量显著大于单播。在混播草地中, 豆科、禾本科等不同物种在资源利用上具有较强的互补性, 土壤养分利用更充分、更高效, 因而牧草生长和草地生产更好^[17], 本研究与此一致的是混播比例显著影响了根性状。在VA₂₁下, 根长和根表面积在乳熟期时达最大, 而在花期时, 则是燕麦单播下达最大, 说明在生长后期, 混播优势更为明显。与VA₁₂相比, VA₂₁的根长、比根长、根表面积、比根面积、根体积分别增加16.0%、18.7%、25.8%、28.1%和33.8%, 说明随箭筈豌豆比例的增加, 草地根性状逐渐优化。

外源氮添加能显著引起根系生长及其在土壤中的分布的变化^[18], 根表面积、根体积等也会发生变化^[19]。本研究中, 在乳熟期时, 高氮肥处理下的平均根生物量低于低、中氮肥处理。这与郭海明等^[20]、谢云开等^[21]的研究结果一致。高浓度土壤氮素能影响植株光合产物的分配, 减少向根系的分配量, 从而影响根系生长, 并间接调节根系形态的变化^[22]。因此, 本研究还发现, 与高氮相比, 根长、比根长、根表面积和比根面积在花期都表现为在低氮肥处理下更高。在乳熟期施氮肥有减小燕麦和箭筈豌豆单播下根长、根表面积和根体积的趋势, 但这种趋势会随混播比例的变化而消失。根体积对施氮肥的响应很敏感, 但是, 不施氮肥下平均根体积却最大。

混播草地根生物量和根体积显著大于单播, 而根长、根表面积等变化趋势不一致, 混播比例对牧草根系特性的影响受到了施氮肥的调控。混播草地中不同物种(如豆科、禾本科牧草)根系生长对施氮肥的响应有所不同, 从而改变了混播效应。施氮肥能显著增加禾本科牧草的产量, 可能源于禾本科牧草对土壤矿质氮的竞争能力强于豆科^[23]。本研究中, VA₁₂的根生物量比VA₂₁在花期和乳熟期分别高16.6%、9.4%, 表明燕麦对土壤有效养分的竞争强于箭筈豌豆, 植物处于养分胁迫状态时, 消耗等量的同化物形成较长的根长是植物适应胁迫的一种表现^[24]。但是, VA₂₁的根长、比根长、表面积、比根面积和根体积均大于VA₁₂, 说明混播比例对根性状的影响受矿质氮含量的调控。

豆禾牧草混播后, 草地可利用氮含量较单播禾草增加^{[2, 25]}。一般认为, 增加豆科牧草的比例, 可以提高可转移到禾草的氮素的量, 从而减少植物对土壤原有氮素的利用, 增加氮素残留量^[25]。在本研究中, 燕麦和箭筈豌豆混播时, 在生长后期(乳熟期)土壤矿质氮含量在0~30 cm土层中表现出这种趋势, VA₂₁的硝态氮、铵态氮含量大于VA₁₂; 而在花期时, VA₁₂的硝态氮含量大于VA₂₁, 铵态氮含量小于VA₂₁, 硝态氮并没有随着混播中箭筈豌豆占比的增加而增加, 可能是因为在生长前期, 土壤氮素充足, 混播中燕麦和箭筈豌豆对氮素的竞争不明显。此外, 从花期到乳熟期, 土壤硝态氮含量呈减少的趋势, 而铵态氮含量受混播比例的影响比硝态氮明显, 其在不同混播比例下变化不一致, 铵态氮仅在单播下有减少的趋势, 而在VA₂₁下铵态氮含量呈增加的趋势, 在VA₁₂中土壤铵态氮含量几乎没变化。

施氮肥对土壤硝态氮、铵态氮含量有显著影响, 且与混播比例有显著的交互效应。在本研究中, N₁₀₀下土壤硝态氮含量最高, 其次是N₁₅₀、N₅₀, N₀下最小, 分别是17.8、16.4、14.1、12.3 mg· kg^-1。花期时, 在0~30 cm土层中, 随着施氮肥水平的提高, 土壤硝态氮含量呈先增加后减少的趋势, 铵态氮含量也是在N₁₀₀最大, 其次是N₁₅₀和N₅₀, N₀下最小, 分别是4.2、3.4、3.2、2.7 mg· kg^-1。总体来看, 施氮肥可提高各土层矿质氮的含量, 硝态氮和铵态氮含量在N₁₀₀水平下含量最高。整个生长期内, 硝态氮含量基本上随着土层深度的增加而减小, 而铵态氮仅在花期变化明显。浅层土壤的矿质氮含量高可能受根系生长的影响, 通过根系分泌物以及根脱落物返还有机质提高土壤养分。同时, VA₁₂和VA₂₁下两种矿质氮含量都高于A和V(花期时铵态氮除外), 这也是混播草地可持续利用的条件之一。

根生物量与土壤硝态氮含量间存在显著正相关关系, 可能是通过根系返还有机物而提高了土壤硝态氮含量。根长、根表面积、根体积与土壤硝态氮含量间存在显著负相关关系, 说明土壤有效养分含量高时, 根性状表达不佳, 相反, 根长、根表面积、根体积较大, 对土壤矿质氮的消耗更多。但是, 铵态氮仅在20~30 cm土层中表现出与根长和根表面积有显著负相关关系。比根长和比根面积在一定程度上可以反映土壤养分状况, 植物的比根长和比根面积越大, 表明其吸收土壤养分和水分的能力增强^[26]。当牧草生长到乳熟期时, 比根长和比根面积减少, 根系吸收土壤养分的能力减弱, 吸收范围也减小, 竞争力也变弱。在本研究中, 比根长和比根面积与土壤矿质氮含量没有显著的相关性, 而且到生长后期, 施氮肥对比根长和比根面积的影响也不显著, 说明土壤中矿质氮水平较高, 根系的养分吸收利用效率没有受到影响。