施氮对白三叶与黑麦草种间竞争的影响研究

2022-03-26王肇钧计阳晴范亚芹

东北师大学报（自然科学版） 2022年1期

王肇钧，张刚，2，王磊，计阳晴，范亚芹，韦冰

(1.东北师范大学环境学院，吉林长春 130117；2.东北师范大学草地科学研究所，吉林长春 130024)

种间竞争是目前生态学研究的重要领域，根据Grime的植被策略模型，植被的生长状况主要受竞争、压力(如温度、肥力、水分、光照等限制因子)和干扰(如放牧、刈割、践踏、病虫害、水土流失、人为影响等)的综合影响，植物竞争是决定群落性质的最主要因素，而植物的竞争能力又受到压力和干扰因子的制约.因此，研究植物间的竞争关系对系统分析植物群落的发展、演替规律和生产力的形成机制是十分重要的[1].

氮是植物生长发育需求量最大的营养元素，既是构成植物有机体的结构物质，也是植物生理代谢过程中起催化作用的物质.植物吸收的氮主要来源于土壤，而在自然条件下，土壤中的氮通常是有限的，因此土壤氮含量是植物生长生存的限制因子之一[2-5]，但随着全球范围内大气的氮沉降速率逐渐加快，使得土壤中的氮含量增加[6-7].土壤氮含量的增加已直接或间接地影响到了生态系统的结构和功能[8]，其中对植物个体的影响表现在植物种间关系和种间竞争能力的变化上，研究[9]发现，氮素增加会促进植物生物量增加，从而增强某一物种的竞争能力，对物种的种间竞争造成一定的影响.因此，开展在氮沉降背景下生物间的竞争关系变化研究对理解其对生物种群增长以及种间竞争能力的变化尤为重要，有利于预测氮沉降背景下不同生态系统结构的变化.

白三叶(Trifoliumrepens)和黑麦草(Loliumperenne)是世界温带地区2种重要的优良牧草[10-11]，它们在植株高度、根系深度、营养需求以及生产特性、形态生理特征等方面具诸多互补特性.一般认为，混播草地中多年生黑麦草与白三叶的适应性和生存性主要与其种内、种间竞争等密切相关.多年生黑麦草分蘖个体和白三叶生长点的生长特性及种群产量是其种内、种间竞争的最重要反映.其中，前者在植物横向体积和纵向光照竞争上具重要作用，而后者是其竞争的最终反映[12].多年生黑麦草与白三叶之间的竞争一般为光、水和各种土壤养分的竞争，表现为空间、土壤资源的竞争[13].空间资源竞争主要为二者地上茎叶的光竞争，土壤资源竞争则为根系间主要营养元素和水资源的竞争.在混播草地牧草生长季，存在多年生黑麦草与白三叶之间光、生境、水分和矿物营养的直接竞争，通过适当管理可使优势种群的竞争达平衡状态[14].

本文通过正常培养以及在施氮条件下对黑麦草和白三叶进行种间竞争模拟，测量了两物种竞争后的生物量、根长、叶长、叶数变化情况，以探究两物种在施氮及正常竞争条件下的竞争结果.本研究可为合理种植白三叶和黑麦草两种牧草以获得最大产量提供了一定的参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

进口白三叶种子，多年生黑麦草种子(购买自江苏省宿迁市沭阳县新河镇南街花卉市场)；硝酸铵固体药品(分析纯，北京化工厂)；种植盆(内径15 cm，外高19 cm)若干；沙土；无土栽培营养液(全营养素肥料，V(N) ∶V(P) ∶V(K)=2∶1∶2，氮素质量分数约为0.017 5%，北京绿怡园科技发展有限公司)；电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)；电子天平(0.000 1 g).

1.2 实验处理

采用水培实验法，设置白三叶与黑麦草种植比例分别为0∶1，1∶3，3∶1，1∶0，并在每种种植比例下分别设置正常组(即使用无土栽培营养液正常用量)和施氮实验组(即在正常配置的无土栽培营养液中加入0.9 g/L的硝酸铵固体，作为氮源[15]，施氮组培养液中氮含量约为正常组的600%)，详见表1.待所有植物发芽以及正常生长后，调整好比例，置于自然条件下培养，每组设置4个对照.培养周期为30 d.每7 d进行营养液添加，保持土壤湿润，以保证其正常生长.

表1 实验处理

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

收获植物后分离不同物种并清洗根系，去除杂质.洗净后，分别测量不同竞争比例及处理下白三叶和黑麦草的叶长、根长及叶片数，并置于80 °C烘箱中烘干，至质量不再发生变化，利用电子天平称量不同竞争比例及处理下白三叶与黑麦草的地上、地下生物量.

1.3.2 数据分析

相对产量(Relative yield，YR)按下列公式计算：

白三叶相对产量(YR白)：

YR白=Y混白/(pY单白)；

(1)

黑麦草相对产量(YR黑)：

YR黑=Y混黑/(qY单黑).

(2)

式中：Y混白为混播条件下白三叶的产量，Y混黑为混播条件下黑麦草的产量；p，q分别是白三叶和黑麦草的混播比例；Y单白为单播条件下白三叶的产量，Y单黑为单播条件下黑麦草的产量.

相对产量总值(YRT)按下列公式计算：

YRT=pYR1+qYR2.

(3)

式中：p，q分别是物种1和物种2的混播比例；YR1，YR2分别为两物种的相对产量.

采用单因素方差分析法检验不同混播比例下各参数的差异显著性；采用双因素方差分析法检验特定混播比例与特定氮水平对各参数的差异显著性；利用独立样本t检验法检验施氮对特定混播比例下两物种的影响显著性.

2 结果与讨论

2.1 不同竞争比例以及不同处理下生物量变化

由图1可以看出，整体上黑麦草的生物量明显高于白三叶生物量，施氮条件下总生物量反而有所下降，说明此时外源氮素水平高于其正常生长所需水平，使得生物量积累呈下降趋势[16].在白三叶/黑麦草混播比例=1∶3时，黑麦草生物量与总生物量达到最高值，此时氮素对该竞争的影响不明显.在加氮条件下，白三叶/黑麦草混播比例=1∶3和白三叶/黑麦草混播比例=3∶1时，白三叶与黑麦草的生物量均有下降.与单播相比，混播对白三叶和黑麦草的平均生物量无显著影响(P>0.05)，说明竞争并未对两者平均生物量积累产生影响.有研究[9]表明，物种共存与各个物种的生态位需求(如资源分离)和其相对竞争能力有关；此外，禾草和豆科牧草常被认为是不同的功能群，前者倾向于受到氮素的限制，后者因与固氮菌共生，倾向于受到磷的限制.由此可以说明，白三叶与黑麦草在竞争过程中可能发生了一定程度的生态位分离，从而使二者得以共存，对资源的竞争表现的不明显.

图1 不同竞争处理下的生物量

2.2 不同竞争比例以及不同处理下白三叶与黑麦草根茎比变化

由图2可以看出，豆科植物白三叶在根茎比上的能量投入侧重于地下竞争，而禾本科植物黑麦草则在地上与地下竞争间较均衡；豆禾种群根部的竞争比茎部的强烈，多年生黑麦草比白三叶根部竞争力强[12].有研究[17]显示，混播条件下两者根系形态对种间竞争的适应，是通过根系可塑性变化导致的资源配置模式变化实现的.在白三叶/黑麦草混播比例=1∶3时，白三叶的根茎比在高氮条件下明显增高，而黑麦草几乎未发生变化，说明此时白三叶在地下竞争上表现出比黑麦草更高的活力，白三叶在地下竞争上投入更大的能量，以增加自身获取养分的能力；此外白三叶的固氮作用也会促进黑麦草竞争力的提高[1].此时黑麦草与白三叶根部与茎部的竞争不平衡[18].在不同的混播比例下施氮对二者的根茎比无显著作用(P>0.05).有研究[17，19]表明，在豆科植物与禾本科植物间作体系中，地下根系间的相互作用在混播条件下形成的产量优势中起重要作用，体现在植物根系占据土壤空间的互补性和植物种间的根际效应上.

图2 不同竞争处理下的根茎比

2.3 不同竞争比例以及不同处理下白三叶与黑麦草叶片数量及长度变化

由图3可以看出，在竞争条件下，黑麦草叶片数量有增加趋势，白三叶则表现出减少趋势.在白三叶/黑麦草混播比例=3∶1时，黑麦草的叶数显著增加，白三叶变化较小；此外二者的叶片数均受到外源氮浓度与混播比例的显著影响(P<0.05).由此可以说明，黑麦草在地上光照资源竞争过程中占据较大优势，并通过增加叶片数量增加竞争能力.茎叶的竞争抑制了白三叶茎叶的生长，主要是由于黑麦草的叶层较高，对白三叶产生了遮蔽作用从而造成其茎叶生长受抑，不利于对光的竞争[12].由图4可以看出，竞争条件下混播对黑麦草的叶长存在显著影响(P<0.05)，其中白三叶/黑麦草混播比例为1∶3时，黑麦草叶片长显著增加，此时黑麦草叶片在竞争光资源上表现出更大的优势，使自身能够获得更多的光辐射.

图3 不同竞争处理下的叶片数量

图4 不同竞争处理下的叶片长度

2.4 不同竞争比例以及不同处理下白三叶与黑麦草相对产量及相对产量总值

根据(2)式、(3)式，当YR白=1时，表明白三叶种内竞争和与黑麦草的种间竞争相似，对白三叶来说，来自自身种群的竞争压力与来自黑麦草的竞争压力相同；YR白>1，表明白三叶对黑麦草的竞争力要大于对自身种群的竞争力，也就是白三叶的种内竞争大于种间竞争；YR白<1，表明白三叶对黑麦草的竞争力要小于对自身种群的竞争力，也就是当黑麦草存在时，白三叶的生物量会降低.YRT=1，表明两物种竞争相同的资源；YRT>1，表明两物种在一定程度上避免了部分竞争，该混生种群具有产量优势，这种产量优势可能来源于某种生态位分离；YRT<1，表明两物种间存在激烈的资源竞争.

由表2可以看出，当白三叶/黑麦草混播比例=3∶1时，YR白>1，表明白三叶对黑麦草的竞争力要大于对自身种群内的竞争力，也就是说白三叶的种内竞争大于种间竞争.而此时同样存在YR黑>1，也说明黑麦草对白三叶的竞争力要大于对自身种群内的竞争力，即黑麦草的种内竞争大于两者的种间竞争.此种比例下，YRT>1，表明两物种在一定程度上避免了部分竞争，该混生种群具有产量优势，这种产量优势可能来源于地上与地下的生态位分离，两物种各自占据特定的生态位，竞争压力较小.在白三叶/黑麦草混播比例=1∶3时，YR白<1，表明白三叶对黑麦草的竞争力要小于对自身种群的竞争力，也就是当黑麦草存在时，白三叶的生物量会降低，种间竞争强度增强，此时YR黑>1，YRT>1，表明多年生黑麦草趋向于种内竞争，但由于生态位分离该混生种群具有产量优势.在加氮处理后，白三叶/黑麦草混播比例=3∶1时，YR白>1，YR黑>1，YRT>1，两物种不仅仅在存在种内竞争，在物种间竞争强度明显增强，说明氮源在两者生长过程中具有重要作用，改变了两者原有的种间结构，存在种间资源竞争；加氮处理后白三叶/黑麦草混播比例=1∶3时，YR白<1，YR黑>1，YRT>1，对白三叶来说此时黑麦草为竞争优势者，白三叶仅能进行种内竞争来弥补在生长过程中的资源缺乏问题.

表2 相对产量及相对产量总值 g/盆

通过两物种竞争结果的模式图(见图5)可以看出，两种条件下均为黑麦草具有竞争优势[20].在白三叶/黑麦草混播比例=1∶3时均为白三叶受到限制；而当白三叶/黑麦草竞争比例=3∶1时，正常条件下两者均存在混播比单播条件下生长要好的情况，这与李亚娇等[21]的研究结果相符.

a为正常，b为施氮

在不同比例以及不同处理下的YR和YRT的t检验结果(见表3)表明，加氮处理对白三叶与黑麦草的相对产量及相对产量总值影响并不显著，仅在白三叶/黑麦草混播比例=3∶1条件下，YR黑较显著；在加氮处理白三叶/黑麦草混播比例=1∶3条件下，YR白与YR黑具有显著性差异，说明在此比例与处理下，竞争表现出显著性，这与前述结果相印证.