水磷供应对柳枝稷和达乌里胡枝子生物量、水分利用效率及种间关系的影响

刘金彪， 王世琪， 康继月， 徐炳成,*

(1. 西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室， 陕西 杨凌 712100；2. 中国科学院水利部水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100)

在黄土丘陵半干旱区，建立人工草地不仅可弥补天然草地供应家畜饲料产量的不足，也是恢复退化生态系统功能和改善生态环境的重要措施之一[1-2]。然而人工草地的生态与经济效益受到土壤水分和养分条件的制约。降水量低且时空分布不均是黄土丘陵半干旱区生态环境的一个重要特点，频繁的干旱不仅会限制人工草地生产力，还影响群落中植物种间关系[1-2]。此外，由于长期的淋溶、径流和风蚀等，该区土壤有效氮、磷含量低[3]。人工草地建立后，土壤氮的有效性随着腐殖质的积累而逐渐提高，而土壤有效磷含量增加缓慢甚至呈减少趋势，导致该区土壤有效磷含量长期处于较低水平[4-5]。适当施磷是缓解土壤磷缺乏的主要措施，有利于提高人工草地牧草的产量与品质和促进稳定人工草地建设与可持续发展[1,5-6]。但磷肥有效性与土壤水分条件有关，因此研究水磷供应水平及其交互作用对黄土丘陵半干旱区植物生长的影响具有重要意义[7]。

除环境因素外，黄土丘陵区人工草地建设存在多年生禾本科草种较少以及群体配置不合理等问题，迫切需要增强对优良引进禾草的选育与合理利用方面的研究[1,8]。柳枝稷(PanicumvirgatumL.)是原产北美的多年生C4禾草[9]，与栽培种红豆草(OnobrychisviciaefoliaScop.)和沙打旺(AstragalusadsurgensPall.)混播后表现出较强的竞争能力，而2种豆科饲草在竞争压力下表现出较弱的生长可塑性，导致2种豆科饲草在混播中逐年消退[10-12]；与乡土禾草白羊草(BothriochloaischaemumL.)混播后，在干旱环境中具有混播生物量优势，并能形成相对稳定的混播群体[13]。可见，选择合适的物种是混播草地可持续发展的必要条件，然而关于柳枝稷与乡土豆科草本植物混播下的表现未见相关报道。达乌里胡枝子(LespedezadavuricaS.)是黄土丘陵区天然草地群落的主要伴生种，抗旱能力强，是具有良好水土保持能力的优良牧草[14]。研究表明，达乌里胡枝子与沙打旺、红豆草等相比，建植成功后生物量更稳定[12]。作为忍耐型伴生种，达乌里胡枝子在种间竞争中表现出较强的形态和生理特征的调节能力，同时具有促进生殖生长以维持稳定种群数量的特性[14-17]。这种对种间竞争较强的适应能力使其广泛分布并长期存在于群落中[14,16]。本研究在盆栽条件下，选取柳枝稷和达乌里胡枝子为试验材料，通过设置不同水分和磷素供应水平，主要比较研究了二者在不同组合比例下的生物量、水分利用效率及种间关系，以期为利用二者建植合理的豆禾混播草地提供生物学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

柳枝稷和达乌里胡枝子种子均于2014年10月采自陕西安塞农田生态系统国家野外科学观测研究站山地试验场(36°51′60″ N,109°19′23″ E)，海拔1 068～1 309 m。柳枝稷品种为“Alamo”，种源美国。达乌里胡枝子种子采自天然草地。种子晒干后在自然状态下储藏，试验前种子发芽率均在90%以上。

1.2 试验设计

1.2.1试验条件 采用盆栽试验，盆体为底部封堵的PVC桶，高30 cm，内径20 cm。土壤采自安塞退耕地的耕层土壤(0～20 cm)，退耕后无施肥历史。试验前测定土壤养分含量分别为：有机质2.60 g·kg-1，速效氮2.80 mg·kg-1，速效磷6.67 mg·kg-1，全氮0.97 g·kg-1，全磷0.61 g·kg-1，土壤田间持水量(Field capacity,FC)为20%，每桶装干土9 kg。沿桶内壁安置一根内径为2 cm、长30 cm的PVC管作为灌水管，为防止土壤堵塞灌水管，装桶前在桶底铺碎石子。

试验地点位于陕西杨凌的黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室室外防雨棚下(34°12′ N,108°7′ E,海拔530 m)，年平均气温为13.0℃，最冷月(1月)平均气温为—1℃，最热月(7月)平均气温为26.7℃，年均降雨量为650 mm。

1.2.2试验处理 有研究表明，黄土丘陵区草地0～60 cm和60～120 cm土层的土壤含水量均介于6.8%～7.5%之间[18]，因此，本研究设置75%±5% FC (充分供水，High water,HW)和35%±5% FC (干旱处理，Low water,LW) 2个土壤水分水平，即实际含水量的15%±1%和7%±1%。前人对针对该区草地建设进行的盆栽试验表明，施磷0.05～0.1 g P2O5·kg-1干土可提高草地的生物量和水分利用效率，超出后呈下降趋势[19-20]，因此，本研究设置P0(未施磷)，P0.05(0.05 g P2O5·kg-1干土)和P0.1(0.1 g P2O5·kg-1干土) 3个磷处理。采用生态替代法[21]，设置5个组合比例(柳枝稷∶达乌里胡枝子：12∶0,8∶4,6∶6,4∶8,0∶12)。2个水分水平，3个磷处理，5个组合比例，共30个处理，6个重复，共180盆。磷肥为过磷酸钙(P2O5含量为15%)，装桶时随土一次混入。试验于2016年4月17日开始，采用种子播种，穴距4 cm，每穴约5粒种子，穴深1 cm，每盆12穴，播种方式如图1所示。

图1 柳枝稷与达乌里胡枝子播种示意图(黑、白点分别代表2种植物)Fig.1 Schematic diagram of the experimental design of switchgrass and bushclover (The white and black circles represent the two species, respectively)

苗期充足供水，控水前间苗2次。播种13天后(柳枝稷出苗期)第1次间苗至每穴2株，播种33天后(柳枝稷三叶一心)第2次间苗，每穴留壮苗一株。播种86天后(柳枝稷拔节期)开始控水，控水前每盆覆盖2 cm厚珍珠岩以减少土壤水分蒸发。同时，每个水分水平分别设置3桶无植株对照，以核算土壤蒸发量。土壤含水量采用称重法控制，于每日18:00称重和记录，水从桶内灌水管加入。试验期间随时收集枯落物，及时拔除杂草。

1.3 测定指标与方法

1.3.1生物量 2016年10月10—17日统一收获，每桶分别收获柳枝稷和达乌里胡枝子地上部分，然后将桶内根系和土壤一起倒入孔径为2 mm尼龙网袋，用自来水缓慢洗去土壤后得到2种植物根系，根据颜色和形态在水中将2种植物根系仔细分开[22]。地上和地下部分于105℃杀青15 min后，80℃烘干至恒重，得到每桶柳枝稷和达乌里胡枝子生物量。总生物量(Total biomass,TB,g·pot-1)为每桶柳枝稷和达乌里胡枝子生物量之和。

1.3.2水分利用效率 根据日耗水量和土壤蒸发量，计算实际蒸腾耗水量。水分利用效率(Water use efficiency,WUE,g·kg-1)为总生物量与蒸腾耗水量的比值，即蒸腾效率。

1.3.3种间关系指数 根据柳枝稷和达乌里胡枝子生物量，计算相对总生物量(Relative yield total,RYT)、竞争攻击力系数(Aggressivity,A)和相对竞争强度(Relative competition intensity,RCI)。

(1) 相对总生物量(RYT)：用于评价间作体系中生物学效益的竞争系数，用下式计算[21]：

RYT=Yab/Yaa+Yba/Ybb

(1)

式中，Yaa(Ybb)表示单播下物种a(b)的生物量，Yab(Yba)表示混播下物种a(b)的生物量。下同。

若RYT>1.0，说明2个物种占据不同生态位，存在共生关系；若RYT=1.0，说明2个物种利用相同的资源；若RYT<1.0，则2个物种存在竞争关系。

(2) 竞争攻击力系数(A)：是混播体系中物种a和b的产量相对增加程度，是评价物种竞争能力的重要指标之一，采用如下公式计算[23]：

Aa=Yab/(Yaa×Zab)-Yba/(Ybb×Zba)

(2)

式中，Zab(Zba)代表混播条件下物种a(b)所占比例，Zab+Zba=1.0。下同。

若Aa>0，说明物种a竞争能力大于物种b；若Aa=0，说明2个物种竞争能力相同；若Aa<0，说明物种a竞争能力小于物种b。

(3) 相对竞争强度(RCI)：指某物种受伴生种的影响程度，用下式计算[24]：

RCIab=(Yaa×Zab-Yab)/(Yaa×Zab)

(3)

若RCIab>0，说明物种a的种间竞争强度大于种内竞争；若RCIab=0，说明物种a的种间和种内竞争强度相等；若RCIab<0，说明物种a的种间竞争强度小于种内竞争。

1.4 数据分析

采用Office Excel 2007 (Microsoft Corporation,Wash,USA)整理数据，用Sigmaplot 12.0 (Systat,USA)绘图，用Genstat19.1 (VSN international Ltd.,UK)统计分析。采用三因素方差分析(Three-way ANOVA)检验水分水平、磷处理和组合比例及其交互作用对生物量、水分利用效率和种间关系指数的影响，并用最小显著差异法(LSD)进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物量

水分水平、磷处理和组合比例及两两交互作用对柳枝稷和达乌里胡枝子的总生物量有显著影响(P<0.01)(图2)。不论供磷与否，LW下2个物种总生物量均显著低于HW(P<0.05)。2种水分水平下，与P0处理相比，施磷提高2个物种的总生物量，其中单播下柳枝稷总生物量随施磷量增加而显著增加(P<0.05)，混播下柳枝稷总生物量在P0.05和P0.1处理间无显著差异，达乌里胡枝子总生物量在单播和混播下均表现为P0.05和P0.1处理间无显著差异。不同水分和磷处理下，柳枝稷对混播下整桶总生物量的贡献大于达乌里胡枝子，除HW下P0.1处理的2个物种的总生物量折线无交点外，其余处理下交点均出现在4∶8比例。根据混播下2个物种各自总生物量与所占比例得出，柳枝稷单株生物量随其比例的降低而增加，达乌里胡枝子相反。

图2 不同水分水平、磷处理和组合比例下柳枝稷与达乌里胡枝子总生物量Fig.2 Total biomass production of two species (S:switchgrass;B:bushclover) and their combinations in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment注：HW：充分供水，LW：干旱处理，WR：水分水平，PT：磷处理，MR：组合比例。*表示P<0.05，**表示P<0.01，n.s.表示无显著差异。括号内数字为最小显著性值(LSD)。下同Note:HW:high water,LW:low water,WR:water regime,PT:phosphorus treatment,MR:mixture ratio. * means P<0.05,** means P<0.01,n.s. means no significant difference. Numbers in parentheses are the least significance values (LSD). The same as below

2.2 水分利用效率(WUE)

水分水平、磷处理和组合比例及其两两交互作用对WUE均有显著影响(P<0.01)(图3)。HW下，柳枝稷单播的WUE随施磷量的增加而显著提高(P<0.05)，达乌里胡枝子单播以及2个物种混播下的WUE在不同磷处理间无明显变化；LW下，施磷显著提高各组合比例的WUE(P<0.05)，且P0.05和P0.1处理间均无显著差异。不同组合比例下，HW下的WUE均值随柳枝稷比例降低而显著降低(P<0.05)；LW下柳枝稷单播的WUE均值显著高于其余组合比例(P<0.05)，达乌里胡枝子单播显著低于其余组合比例(P<0.05)，混播下以4∶8和8∶4比例的WUE均值显著大于6∶6(P<0.05)，4∶8和8∶4之间无显著差异。

图3 不同水分水平、磷处理和组合比例下柳枝稷与达乌里胡枝子水分利用效率Fig.3 Water use efficiency of two species (S:switchgrass;B:bushclover) and their combinations in their various mixtureproportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.3 相对总生物量(RYT)

水分水平、磷处理和组合比例单因素对2个物种混播的RYT有显著影响(P<0.05)，3个因素间的交互作用对RYT均无显著影响(图4)。RYT在HW下介于1.01～1.34之间，LW下介于0.91～1.11之间，且HW下的RYT均值显著大于LW(P<0.05)。RYT在P0，P0.05和P0.1处理下分别介于0.96～1.34，1.07～1.34和0.91～1.14之间，且RYT均值在不同磷处理间均有显著差异(P<0.05)，在P0.05下最高，其次为P0处理，P0.1处理下最低。不同组合比例间的RYT均值在4∶8比例下显著高于其余比例(P<0.05)，6∶6和8∶4比例间无显著差异。

图4 不同水分水平、磷处理和组合比例下柳枝稷和达乌里胡枝子混播下的相对总生物量Fig.4 Relative yield total of switchgrass (S) and bushclover (B) mixtures in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.4 柳枝稷竞争攻击力系数(A)

水分水平、磷处理和组合比例以及水分和组合比例的交互作用对柳枝稷A值有显著影响(P<0.01)(图5)。柳枝稷A值在不同处理下均大于0，且HW下均显著大于LW(P<0.05)。不同磷处理间的柳枝稷A值平均在P0.1处理下显著低于P0.05和P0处理(P<0.05)，而P0.05和P0处理间无显著差异。柳枝稷A值在HW下随柳枝稷占比例的降低而显著提高(P<0.05)；LW下，柳枝稷A值平均在6∶6比例显著高于其余组合比例(P<0.05)，4∶8和8∶4比例间无显著差异。

图5 不同水分水平、磷处理和组合比例下柳枝稷竞争攻击力系数Fig.5 Aggressivity values of switchgrass (S) to bushclover (B) in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

2.5 相对竞争强度(RCI)

水分水平、磷处理和组合比例以及水分和组合比例的交互作用对柳枝稷相对竞争强度RCIS有显著影响(P<0.01)。RCIS在—1.43～0.03之间，且HW下均值显著低于LW(P<0.05)(图6)。RCIS均值在不同磷处理间均有显著差异(P<0.05)，在P0.05下最低，其次为P0处理，P0.1处理下最高。HW下，RCIS随柳枝稷所占比例的降低而显著降低(P<0.05)；LW下，RCIS在8∶4比例显著高于其余组合比例(P<0.05)，6∶6和4∶8间无显著差异。

水分水平和组合比例单因素对达乌里胡枝子相对竞争强度(RCIB)有显著影响(P<0.05)，磷处理及其与水分水平和组合比例的交互作用对RCIB均无显著影响。RCIB在—0.05～0.41之间，且在HW下均值显著大于LW(P<0.05)。RCIB均值在不同组合比例间均有显著差异(P<0.05)，在6∶6比例下最高，其次为8∶4比例，4∶8比例下最低。

3 讨论

生物量是衡量草地生产力和植物竞争能力最重要的标准之一[19]。当混播物种具有相同竞争能力时，在绘制的生物量折线图中(图2)，2个物种生物量的交点应出现在二者均占1/2的比例[19]。若实际生物量和此预期不同，则表明种内与种间竞争强度不均衡[16,19]。本研究中，2个物种生物量的交点出现在6∶6以右或无交点，柳枝稷单株生物量随其比例的降低而增加，达乌里胡枝子相反，说明柳枝稷种内竞争强度大于种间竞争，达乌里胡枝子则受到较强种间竞争的约束(图5)[16,19]。当混播中某物种受到较强种间竞争约束时，增加该物种初始组合比例可使其形成种群优势，降低种间竞争压力[16]。这有助于不同物种利用不同的环境资源，从而提高群体产量优势并形成稳定共存的局面[16]。本研究中，在4∶8组合比例(柳枝稷∶达乌里胡枝子)时，柳枝稷种内竞争和达乌里胡枝子种间竞争减小，有助于提高混播群体生物量(图2，4)[16,25]。由于多年生牧草在年际间的生长差异，混播物种的种内和种间竞争存在动态变化，初始组合比例的选择还需考虑草地的可持续发展与利用[10,26]。研究表明，柳枝稷与其它牧草混播多年中均表现为种内竞争对其生物量的限制大于种间竞争[10-11]；达乌里胡枝子则表现出种间竞争限制其生物量形成，但其在较高组合比例下随种植年限增加可逐步从混播中受益[15-16]。这可能使二者以4∶8的组合比例(柳枝稷∶达乌里胡枝子)建植多年中维持较高的生物量优势。

图6 不同水分水平、磷处理和组合比例下柳枝稷和达乌里胡枝子的相对竞争强度Fig.6 Relative competition intensity of switchgrass (S) and bushclover (B) in their various mixture proportions within the replacement series for each water and phosphorus treatment

相对总生物量(RYT)是反映混播下资源利用率的重要指标[21]。柳枝稷和达乌里胡枝子混播的RYT介于0.91～1.34之间(图4)，若混播下RYT为1.34则说明单播下需要多利用34%的土地才能达到与此混播相同的产量，表明二者混播具有一定的互惠关系和较高的土地利用率[19]。豆禾混播物种对土壤磷的有效利用有助于减轻环境压力并提高产量[25,27]。2种水分水平下，P0.05处理显著提高RYT(图4)，说明适当施磷(P0.05处理)可增强二者混播的互惠作用[25]。P0.1处理显著降低RYT值，可能是P0.1处理的施磷量对单播柳枝稷生物量的提升作用大于混播(图2)，混播下柳枝稷生物量积累对磷肥需求较少[25]。也可能是达乌里胡枝子能通过分泌有机酸提高土壤有效磷含量[20]，表明二者混播有助于促进柳枝稷对磷素的吸收，减少磷肥施用量，为混播群体的生物量优势奠定基础[25,27]。

除了提高生产力，提高水分利用效率(WUE)也是半干旱区农业生产的重点[19]。混播下WUE显著低于柳枝稷单播，但显著大于达乌里胡枝子单播(图3)，表明在达乌里胡枝子草地群落适当配置柳枝稷可提高草地的WUE[19]。施磷肥也是提高WUE的有效措施[28-29]。一方面，施磷对生物量的提升作用大于蒸腾耗水量[28]，另一方面施磷可降低植物在低磷环境中为吸收磷素而蒸腾损失的水分[29]；但植物的WUE不会因磷肥的增加而无限升高[28]。本研究中，干旱处理下施磷可显著提高各组合比例的WUE，但在P0.05和P0.1处理之间均无显著差异(图3)，表明P0.05的施磷量可在较少磷肥投入的条件下提高WUE，是更加经济的施磷量。由于多年生人工草地是黄土丘陵区畜牧业的重要饲料来源之一，生物量的收获将导致土壤磷和植株体内磷含量的逐年降低[1,28]。因此，可定期追施适量的磷肥以维持较高的年度群体生物量和WUE。

竞争攻击力系数(A)可用来衡量混播体系中物种的竞争能力，相对竞争强度(RCI)可用来衡量种内和种间竞争强度的大小[19,24]。不同处理下的柳枝稷A值和达乌里胡枝子RCI均大于0，且在干旱处理下均显著降低，而柳枝稷RCI在干旱处理下显著增加，表明柳枝稷在二者混播体系中占居优势地位，但在干旱处理下其竞争能力降低，达乌里胡枝子竞争能力则增加(图5，6)[13,19]。可能因为达乌里胡枝子为乡土种，长期适应较低的土壤水分水平，在干旱环境中其竞争能力将提高[12-13]。磷添加对豆禾混播物种竞争能力影响的研究结论不一致[25,27]。有研究表明，施磷虽不会增加豆科植物的竞争能力，但可降低与其混播物种的竞争能力和对磷素的竞争强度，从而提高混播体系的稳定性[6,30]。本研究中，P0.1处理显著降低柳枝稷A值，显著增加柳枝稷RCI，磷处理及其与水分和组合比例的交互作用对达乌里胡枝子RCI均无显著影响(图6)，说明施磷虽降低柳枝稷竞争能力，但达乌里胡枝子在不同磷处理下能维持稳定的竞争能力，这可能是达乌里胡枝子广泛分布于不同立地条件下的原因之一[14,16,19]。

4 结论

综上，不同水分和磷供应条件下，柳枝稷和达乌里胡枝子间虽存在竞争作用，但二者混播下RYT > 1.0，表明二者混播具有生物量优势。不论施磷与否，干旱处理下柳枝稷竞争能力降低，达乌里胡枝子竞争能力增加。2种水分水平下，施磷0.1 g·kg-1处理下柳枝稷竞争能力降低，而不同磷处理下达乌里胡枝子能持稳定竞争能力。干旱处理下，4∶8组合比例(柳枝稷∶达乌里胡枝子)下具有最高的RYT和较高的WUE，施磷0.05 g·kg-1干土可显著提高混播下总生物量、RYT和WUE，说明在半干旱黄土丘陵区，采用4∶8组合比例(柳枝稷∶达乌里胡枝子)并施磷0.05 g·kg-1有利于提高二者混播下生物量和水分利用效率。