不同混播方式下燕麦+箭筈豌豆混播草地的生产性能及土壤养分特征

关正翾，娜尔克孜，朱亚琼，郑 伟,2，刘岳含，艾丽菲热

（1. 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052；

2. 新疆维吾尔自治区草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052）

燕麦 (Avena sativa) + 箭筈豌豆 (Vicia sativa)型混播草地在高寒地区[1-2]、山地冷凉地区[3-4]和草田轮作[5]中都得到了广泛应用，是一种在世界上都广泛种植的栽培草地模式[6-7]。其生产性能的高低是该型混播草地可否大面积推广的重要决定因素，对土壤肥力的改善作用则是能否种植该型混播草地的重要因素。现有研究表明，燕麦 + 箭筈豌豆型混播草地中的箭筈豌豆可依靠燕麦作为攀附支撑物，有利于提高其光合作用面积和改善其光照条件[5, 8]，并促进牧草产量和品质[1, 9]，提高籽粒产量[10]；箭筈豌豆还可以利用生物固氮增加土壤养分供应，提高土壤酶活性[11]，并促进混播燕麦生长[12]，甚至有利于后茬作物产量和品质的提高[13]。因此，燕麦 + 箭筈豌豆型混播草地具有生产高产、优质牧草的潜力。研究发现，增加箭筈豌豆混播比例，有利于牧草质量的提高；合适的混播比例，则可以取得牧草产量与质量俱佳的效果[2]。赵彩霞等[9]发现，以生产饲草为目的，异行混播 +豆禾比1∶1可取得燕麦 + 箭筈豌豆混播牧草产量与质量均较好的结果。

在豆禾牧草混播草地系统中，一方面豆科牧草通过对土壤硝态氮吸收的减少，节约了土壤硝态氮，使土壤肥力得到明显的改善，为其他牧草提供养分；另一方面豆科牧草的残留物释放养分为其他牧草提供持续的氮素营养，使土壤肥力得到改善。15N同位素标记试验表明，豆科与禾本科植物混播 || 间作系统中豆科植物氮素转移量的大致范围为 25～155 kg·hm-2[14]，占禾草氮产量的 5%～24%[15]，甚至更高[16]。张小明等[17]发现在燕麦 || 箭筈豌豆间作系统中，作物总吸氮量比燕麦单作提高了26.2%～79.8%，比箭筈豌豆单作提高了9.0%～55.4%。另外，混播系统还可以改善磷养分的供应状况。研究发现，磷高效植物与磷低效植物间混作能显著改善磷低效植物的磷营养状况，提高整个间混作体系的生产性能[18]。Yahuza[19]则发现增加豆科植物比例和植物种类均可使土壤中难溶的PO4-P转变为植物可吸收的磷，增加植物群落磷吸收量。单播/单作系统与混播/混作系统相比，往往会出现土壤养分消耗严重的现象，单播禾本科牧草的草地土壤表层(0-20 cm)碱解氮含量下降明显，单播豆科牧草则速效磷含量下降明显[20]。因而，燕麦 + 箭筈豌豆混播草地是否存在氮磷高效利用、土壤养分积累或消耗增加等现象，值得深入研究。

目前有关箭筈豌豆 + 燕麦型混播草地的研究，主要关注的是该混播草地的牧草产量与质量[2, 9, 21]，以及对土壤的改善作用[3, 22]，二者相对独立，但不同混播方式下土壤养分与牧草生产性能关系的研究较少。燕麦 + 箭筈豌豆型混播草地具有通过合理的混播方式(混播比例、同行混播、异行混播)实现牧草产量、质量和土壤肥力均改善的潜力。因此，本研究以不同混播方式为调控手段，

利用牧草产量、营养物质产量和种子产量等指标分析混播方式对生产性能优势的影响，将土壤养分特征与生产性能优势内在联系作为关键证据，综合分析土壤养分与牧草生产性能的关系，以及播种方式对该关系的影响，以探讨冷凉气候牧区燕麦 + 箭筈豌豆混播体系改良土壤并提高生产性能的技术手段。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于新疆伊犁哈萨克自治州昭苏县的昭苏马场，地理位置 81°03′-81°05′ E，42°38′-43°15′ N，海拔 1 650 m。该区属于温带山区半湿润易干旱冷凉类型，冬长无夏，春秋相连，没有明显的四季之分。根据国家气象数据网的数据(站点号51437)，2013-2015年研究区年均温为4.44 ℃，年最高温均值为31.38 ℃，年最低温均值为-22.98 ℃，年均降水量为482.73 mm，生长季(5-10月)降水量均值为358.20 mm，占年降水量的74.20%，全年日照时长 2 499.53 h，≥ 10 ℃ 年积温 2 765.2 ℃·d。

1.2 试验设计

混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能影响试验在固定播量(箭筈豌豆120 kg·hm-2和燕麦180 kg·hm-2)下设置不同混播比例(箭筈豌豆与燕麦的 混 播 比 例 分 别 为 50∶50、 67∶33、 75∶25、80∶20)和混播群体结构(分别为同行混播和异行混播)。其中异行混播以行数控制混播比例，每行播种种子数相同，即 1行∶1行 = 豆禾比 50∶50，2 行∶1 行 = 豆禾比 67∶33，3 行∶1 行 = 豆禾比75∶25，4行∶1行 = 豆禾比 80∶20。试验以单播燕麦和箭筈豌豆为对照，播量分别为180和120 kg·hm-2。试验共10个处理，每个处理3次重复(n= 3)，完全随机区组设计，30个小区，混播比例按种子占单播重量的实际用价来计算，混播与单播密度相同。每个小区面积均为 4.5 m × 5 m。具体处理设计如表1所列。2017年4月下旬土壤解冻时进行试验地准备工作，包括翻耕、平整、小区设置等。2017年5月1日播种，在箭筈豌豆种子成熟时(2017年9月中旬)进行收获。试验期间不施用任何肥料，不灌溉，中耕松土1次，每年人工除杂草2次。

表 1 箭筈豌豆 + 燕麦混播草地的播量、播种方式和混播比例Table 1 Sowing quantity, sowing patterns and mixed sowing ratios in common vetch-oat mixtures

1.3 测定项目与方法

种子产量：箭筈豌豆和燕麦种子成熟后，各小区分别收获，晾干，脱粒，去杂，风干，测定种子产量。

牧草产量及其营养元素含量的测定：在箭筈豌豆豆荚膨胀期和燕麦乳熟期(均在8月中旬)进行测定。各小区取样面积 1 m × 1 m，3 个重复，留茬高度5 cm。收获样品按混播牧草种类分开，置于70 ℃ 烘箱至恒重后记录各组成物种干重。每个小区按“十”字法随机取500 g混匀样，将样品烘干后进行粉碎，过0.4 mm筛，利用奈氏(Nessler)比色法测定牧草粗蛋白 (crude protein, CP)含量，利用索氏提取法测定粗脂肪含量 (ether extract, EE)，利用范氏(Van Soest)洗涤纤维分析法测定牧草酸性洗涤纤维(acid detergent fiber, ADF)含 量 以 及 NDF(neutral detergent fiber, NDF)含量[23]。

土壤样品采集及其养分含量的测定：以“S”形取样法在每个小区内用土钻按0-10和10-20 cm分层采集5个样点的混合土样，3次重复，采用重铬酸钾容量法测定有机质含量，开氏法测定全氮含量，HClO4-H2SO4法测定全磷含量，碱解扩散法测定速效氮含量，0.5mol·L-1NaHCO3法测定速效磷含量[23]。

1.4 数据处理

牧草营养物质产量：牧草营养物质产量 = 营养物质含量 × 牧草产量。

相对产量总和 (relative yield total, RYT)：利用相对产量总和测度箭筈豌豆 + 燕麦混播草地牧草产量的混播优势。

式中:Yij为种i与种j混播时种i的草产量；Yii为种i单播时的草产量；Yji为种j同种i混播时种j的草产量；Yjj为种j单播时的草产量。RYT=1，说明在该组分下种间和种内干扰相等；RYT＜1，说明在该组分下种间干扰大于种内干扰，环境资源没有得到充分利用；RYT＞ 1说明种间干扰小于种内干扰，各个竞争种可能有某种程度的生态位分化，环境资源得到充分利用[24]。

土地当量比 (land equivalent ratio, LER)：利用土地当量比衡量燕麦 + 箭筈豌豆混播草地种子产量的混播优势。

式中：LO= 混播燕麦种子产量/单播燕麦种子产量；LP= 混播箭筈豌豆种子产量/单播箭筈豌豆种子产量。当LER＞1 时，表示有混播优势；当LER＜1时则无混播优势[25]。

采用 Excel 2010、SPSS 20.0 对所有数据进行统计分析。采用q检验法(SNK)和最小差异显著法(LSD)进行不同处理间生产性能及土壤养分的差异显著性检验(P＜0.05)，采用Pearson相关分析对草地生产性能与土壤养分间的关系进行分析。

2 结果与分析

2.1 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能的影响

不同混播方式下燕麦 + 箭筈豌豆混播草地牧草产量在BT75处理下具有较大值(表2)，但与BT50和BY50处理间无显著差异(P＞0.05)，而与其他混播处理以及单播处理间差异显著(P＜0.05)，各混播处理中除BY80处理与CKY之间无显著差异外，其他混播处理均显著高于单播处理(P＜0.05)；CP产量以BT75处理下最大，虽与BT50、BY75和BT80处理之间差异不显著(P＞0.05)，但显著高于其他混播处理以及单播处理 (P＜0.05)；EE产量在BY50处理中达到较大值，虽与BT50、BT75和BT80处理之间差异不显著(P＞0.05)，但显著高于其他混播处理以及单播处理(P＜0.05)；ADF和NDF产量均在BT75处理下具有较大值，但与BT50和BY50处理无显著差异(P＞0.05)，而与其他混播处理以及单播处理间差异显著(P＜0.05)；CKJ的箭筈豌豆种子产量显著高于各混播处理(P＜0.05)，BT80和BY80的箭筈豌豆种子产量显著高于其他混播处理(P＜0.05)；BT50和 BY50处理燕麦种子产量较高，显著高于其他混播处理以及单播处理(P＜0.05)；各混播处理的相对产量总和均大于1，其中BT75处理较大，虽与BT50处理之间差异不显著(P＞0.05)，但显著高于其他混播处理 (P＜0.05)；各处理的土壤当量比均大于1，其最大值出现在BY50处理中，显著大于BY67处理，但与其他处理之间差异不显著 (P＞0.05)。由此可见，在箭筈豌豆 +燕麦混播草地中，混播方式对牧草产量、营养物质产量、种子产量以及资源利用优势均有明显影响。

2.2 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地土壤养分特征的影响

0-10 cm土壤有机质含量在BY80处理下较大

?

(表 3)，显著高于 BY50处理 (P＜0.05)，但与其他混播处理及单播处理间无显著差异(P＞0.05)；10-20 cm土层各处理之间土壤有机质含量无显著差异(P＞0.05)。0-10 cm 土层土壤全氮含量在 BT75处理下较大，显著高于各单播处理和除BT50、BY50外其他混播处理 (P＜0.05)；10-20 cm 土层土壤全氮含量较大值则出现在BY75处理中，与BT67、BT75、BT80和 BY80处理间差异显著 (P＜0.05)，但与其他混播处理及单播处理无显著差异(P＞0.05)。0-10和10-20 cm土层土壤全磷含量在各处理间无显著差异 (P＞0.05)。0-10 cm 土层，CKJ处理的土壤碱解氮含量显著高于各混播处理以及燕麦单播处理(P＜0.05)；BT67处理的土壤碱解氮含量显著高于BY50、 BY67、 BY75、 BT80和 BY80处 理 (P＜0.05)，但与其他处理之间差异不显著 (P＞0.05)。10-20 cm土层，CKJ处理的土壤碱解氮含量较高，与CKY和BT50处理之间差异不显著(P＞0.05)，但显著高于其他混播处理 (P＜0.05)；BT50和 BT67处理的土壤碱解氮含量较高，且显著高于其他混播处理。0-10 cm土层，CKY处理的土壤速效磷含量较高，与 CKJ和 BY67处理之间差异不显著 (P＞0.05)，但显著高于其他混播处理 (P＜0.05)；0-10 cm 土层各混播处理之间土壤速效磷含量差异不显著(P＞0.05)；10-20 cm土层土壤速效磷含量的较大值出现在 BT67处理，显著高于 CKY处理 (P＜0.05)，但与其他处理之间差异不显著 (P＞0.05)。

表 3 不同混播方式下土壤浅层养分的比较Table 3 Comparison of soil shallow nutrient content under different mixed patterns

由此可见，单播箭筈豌豆可增加浅层土壤(0-10 cm)速效氮养分含量，单播燕麦则可增加其有效磷养分含量，混播方式对土壤速效与全量养分影响比较复杂。

2.3 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能和土壤养分关系的影响

在不同播种方式下，将燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能指标(牧草产量、粗蛋白产量、相对产量总和、土地当量比)与土壤养分指标(土壤全氮、土壤碱解氮、土壤速效磷)作相关性分析(表4)，结果表明，在单播群体结构中，土壤碱解氮含量与牧草产量、粗蛋白产量呈极显著正相关关系(P＜0.01)；同行混播群体结构中土壤全氮含量与粗蛋白产量呈显著正相关关系(P＜0.05)；异行混播群体结构中粗蛋白产量与土壤速效磷含量呈显著负相关关系(P＜0.05)。由此可见，燕麦与箭筈豌豆混播可以解除土壤速效氮、磷养分的限制，从而提高其生产性能。

牧草产量、粗蛋白产量、相对产量总和、土地当量比与土壤养分指标(土壤全氮、土壤碱解氮、土壤速效磷)在不同混播比例下，将燕麦 + 箭筈豌 豆混播草地生产性能指标与土壤养分指标作相关性分析(表5)。当箭筈豌豆单播时，土壤碱解氮与牧草产量、粗蛋白产量均呈负相关关系；土壤速效磷与牧草产量呈极显著的负相关关系(P＜0.01)，但与粗蛋白产量呈显著的正相关关系(P＜0.05)。与土地当量比呈正相关关系。当豆禾比为75∶25时，土壤全氮和土壤碱解氮含量与牧草产量、粗蛋白产量、相对产量总和均呈正相关关系，土壤碱解氮含量与土地当量比呈显著负相关关系(P＜0.05)；土壤速效磷含量与土地当量比呈显 著 正 相 关 关 系 (P＜ 0.05)。 当 豆 禾 比 为67∶33时，土壤全氮和土壤碱解氮含量与粗蛋白产量、相对产量总和均呈正相关关系；土壤速效磷含量与牧草产量、粗蛋白产量、土地当量比均呈显著负相关关系(P＜0.05)。当豆禾比为50∶50时，土壤碱解氮含量与牧草产量、粗蛋白产量、相对产量总和均呈正相关关系，与土地当量比呈显著负相关关系(P＜0.05)；土壤速效磷含量与粗蛋白产量呈显著负相关关系(P＜0.05)，与土地当量比呈显著正相关关系(P＜0.05)。燕麦单播时，土壤全氮含量与牧草产量、粗蛋白产量呈极显著正相关关系(P＜0.01)；土壤速效磷含量与牧草产量、粗蛋白产量呈显著负相关关系(P＜0.05)。由此可见，当提高箭筈豌豆混播比例时，土壤氮素养分对草地生产性能(牧草产量、粗蛋白产量)的限制作用解除，而对土壤速效磷养分与草地生产性能的关系影响较小。

表 4 不同播种方式下燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能指标与土壤养分间的关系Table 4 Relationship between grassland productivity and soil nutrients under different sowing methods

3 讨论

3.1 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能的影响

在混播/间作体系中，植物种之间的竞争和互补提高了产量和品质，使得生产性能提高，主要原因包括混播 || 间作植物根系间作用对养分吸收的促进、养分高效利用植物对非高效植物养分的有效化、地上光资源高效利用等[26-28]。郑伟等[29]研究进一步指出，栽培草地生产性能应包含产量、品质、种间相容性及群落稳定性等多个方面，不是单项因素的比较，而是综合评价。本研究进一步明确了收获目的的差异可导致评价混播草地生产性能的不同。以收获牧草为目的，各混播组合牧草产量、粗脂肪产量均高于单播，各混播组合粗蛋白产量均高于单播燕麦，各混播组合的牧草产量优势(相对产量总和均大于1)明显，同行混播牧草产量大于相同豆禾混播比例的异行混播组合；以收获牧草种子为目的，燕麦混播比例为50%时，燕麦种子产量显著增加，但箭筈豌豆种子产量在各个混播组合均显著下降，各混播组合的种子产量优势(土地当量比均大于1)明显；以具体混播方式来看，BT50、BY50和BT75具有较高的牧草产量、营养物质产量、牧草产量优势和种子产量优势(表2)。因此，不同的生产目的对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地的混播方式要求不同。

3.2 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地土壤养分的影响

从土壤养分高效利用与积累方面考虑，豆禾混播/间作能促使植物根系构型和根系空间结构发生变化[30-31]，这种根系的变化不但能增加植物根系面积，使植物对土壤养分的汲取能力增强，而且能促使豆科和禾本科作物根系生态位分离[32]，以利用不同土层养分，避免土壤养分竞争，这样更有利于土壤养分的积累，土壤养分再通过根系反作用于地上部分[33]，实现豆禾混播/间作系统的增产。然而并不是所有的混播方式都有利于混播草地营养元素积累[34]。因此，选择适宜的混播方式是豆禾混播草地混播优势获得以及土壤养分积累量提高的关键所在。在本研究中，混播方式对土壤有机质和土壤全磷的影响较小；单播箭筈豌豆具有较高的碱解氮含量，单播燕麦具有较高的土壤浅层速效磷含量；BT50、BY50和BT75具有较高的土壤全氮含量，BT50、BT67和BT75的碱解氮含量显著高于相对应混播比例的异行混播组合(图2)。现有研 究[16, 28, 34]表明，一年生混播/间作体系，主要对土壤速效/有效养分产生影响，对土壤全量养分和土壤有机质含量影响较小，这与本研究结果类似。综合上述研究结果来看，箭筈豌豆的生物固氮作用及同行混播方式则有利于增加土壤氮素养分的供应与积累[35]，燕麦的须根系则有利于浅层土壤有效磷的活化，增强向植物供应磷养分的能力。

表 5 不同混播比例下箭筈豌豆 + 燕麦混播草地生产性能指标与土壤养分间的关系Table 5 Relationship between grassland productivity and soil nutrients under different mixed sowing ratio

3.3 混播方式对燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能与土壤养分内在联系的影响

植物产量和品质与土壤养分密切相关，特别是土壤有效/速效养分的变化直接影响了植物对养分的吸收利用情况，而植物通过根系汲取的土壤速效养分主要来自于土壤微生物分解的全量养分。豆禾混播/间作体系中，豆科牧草通过生物固氮作用增加的氮素，一方面被自身生长所消耗，另一方面通过根接触转移或生物体死亡分解后释放到土壤中，再由相邻禾草吸收利用[36-37]。与此同时，豆禾混播还能促进了土壤微生物活动，提高土壤微生物数量和多种酶活性[11, 38-39]，进而使土壤全量养分更多的转化为速效养分为植物吸收，提高产量。在本研究中，混播方式(单播、同行和异行混播)影响了牧草产量、粗蛋白产量与土壤碱解氮、全氮和有效磷含量间的关系；其他土壤养分含量则与生产性能关系不紧密(表2)。而豆禾比较高时可负向影响土壤氮素养分与牧草产量、粗蛋白产量和混播牧草产量优势间的关系；反之，则为正向影响。土壤速效磷可负向影响牧草产量、粗蛋白产量和混播牧草产量优势，正向影响种子产量优势，与豆禾比无关(表3)。土壤养分含量与植物功能性状(包括与植物生产力相关的性状)的相关关系可表征土壤养分对植物群落的调控作用，正相关关系往往表征着植物性状对土壤养分的依赖程度，而负相关关系表征着土壤养分限制因子与稳定因子的内在联系[40]。因而，燕麦 + 箭筈豌豆混播草地的牧草生产性能及混播优势依赖于土壤氮素养分的供应，混播群体结构(同行混播、异行混播)对这种依赖关系影响较小，而混播比例(特别是箭筈豌豆的混播比例)能显著影响上述依赖关系；土壤磷素养分是燕麦 + 箭筈豌豆混播草地生产性能提高的主要限制因子。

4 结论

燕麦 + 箭筈豌豆混播体系在冷凉牧区(如新疆昭苏盆地)具有生产高产优质牧草和改良土壤肥力的巨大潜能，同行混播 + 豆禾比50∶50、异行混播 + 豆禾比 50∶50 和同行混播 + 豆禾比 75∶25 混播草地的混播优势明显。单播燕麦可提高土壤速效磷养分积累；混播体系生产性能的显著提升主要表现为箭筈豌豆提高了土壤当季氮素养分和同行混播方式增加了土壤氮素养分的供应与积累。混播比例显著影响了牧草生产性能和混播优势与土壤氮素养分的相互关系。因此，同行混播 + 豆禾比50∶50和同行混播 + 豆禾比75∶25的混播方式可作为优质牧草生产兼顾改善土壤肥力的较佳方案；异行混播 + 豆禾比50∶50则可作为生产冷季饲用种子的较佳方案。