氮素添加对中国苜蓿产量与品质效应的Meta分析

2022-09-16银敏华马彦麟康燕霞贾琼齐广平汪精海

草业学报 2022年9期

银敏华，马彦麟，康燕霞，贾琼，齐广平，汪精海

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃兰州 730070）

中国草地畜牧业面临着天然草原三化严峻、草畜供需矛盾突出和草地生产力水平低下等瓶颈，建植人工草地是有效缓解这一系列问题的必要途径，也是一个国家畜牧业发展水平的重要标志［1］。目前，中国人工草地面积约5.8×105hm2，仅占天然草地的0.3%，而美国和新西兰的这一比例分别为15%和75%［2-3］。苜蓿（Medicago sativa）是全球栽培面积最大的优质豆科牧草，被誉为“牧草之王”，可通过根瘤菌固氮培肥地力，减少水土流失并改善土壤结构［4-5］，在推动农牧业供给侧结构性改革和改善区域生态环境等方面发挥着重要作用［6-7］。近年来，国家高度重视苜蓿产业发展，先后制定和实施了“统筹调整粮经饲种植结构”“扩大粮改饲试点，加快建设现代饲草料产业体系”等政策。苜蓿生产规模和生产水平得到了空前发展，种植面积由2012年的6.7×104hm2增加至2020年的6.3×105hm2，相应地，年产量由5×108kg增加至4×1010kg，但仍有近1/4依赖进口［8］。然而，受重农轻牧思想的影响，中国苜蓿生产大多沿用传统方法，主要种植在瘠薄地与盐碱地中，基本不施肥或少量施肥，田间管理粗放，使得苜蓿生产潜力未能充分发挥［9］。

苜蓿生产受遗传特性和环境条件的综合影响。在诸多环境因子中，肥料是限制苜蓿生产水平的关键，其中氮素作为植株生长必需的大量营养和结构性元素，直接影响植株的新陈代谢、物质循环与营养分配等过程［10］。与禾本科相比，苜蓿的氮素来源具有独特性，除能直接从土壤中获取固有氮素和外源氮素外，还可通过自身根瘤固氮供生长所需。为此，针对苜蓿生产中是否需要添加氮肥，如何添加氮肥以及添加多少氮肥存有争议。研究表明，每公顷苜蓿一年能固氮约270 kg，且残留在土壤中的根瘤菌和根系可增加土壤有机质含量，改善土壤团粒结构［11］。通过自身根瘤固定的氮素不仅可以满足苜蓿生长需要，还可为后茬作物提供可观的氮素营养，添加氮素反而会减少苜蓿株数、刺激杂草入侵，降低苜蓿的再生能力及在生态系统中的竞争力［12］。此外，添加氮素会抑制根瘤生长及结瘤数量，从而降低固氮酶活性与固氮量，形成“氮阻遏”［13］。也有研究发现，外源氮素在苜蓿生长发育中具有重要作用。苜蓿在建植当年及刈割后，根瘤固氮能力较弱，需要从土壤中摄取氮素维持生命活动［14］。添加氮素可调节草地营养元素比例、改善土壤养分循环并增强土壤酶活性［15］。合理添加氮素尤其是同时添加铵态氮和硝态氮可优化苜蓿根系外部形态与内部组织结构，增强对养分的摄取、吸收及运移能力［16］，并促进生物固氮贡献水平，从而提高苜蓿产量、品质和氮肥报酬率［17］。有机与无机氮肥配施能显著改善土壤供氮特性、促进生物固氮能力和减少氮素淋溶损失，在加强农业废弃物综合利用的同时可大幅度提高氮肥利用率［9］。

不同研究间关于氮素添加对苜蓿生产的效应存在很大差异，甚至相互矛盾。这说明氮素添加对苜蓿生产的效应非常复杂，受环境条件、土壤特征、种植管理等多方面因素影响，同时也给苜蓿高效生产带来了诸多不确定性。然而，研究之间结果出现分歧的缘由是什么？苜蓿不同生长指标对氮素添加的响应是否具有一致性？氮素添加对苜蓿生产的正效应是否存在特定条件？为了回答以上问题，本研究以综合衡量农业生产措施的指标—苜蓿产量与品质（粗蛋白含量、酸性和中性洗涤纤维含量）为出发点，通过收集已发表的关于氮素添加条件下苜蓿产量与品质的田间试验数据，采用Meta分析方法系统研究氮素添加对苜蓿产量与品质的效应及对该效应产生影响的因素，旨在获得高产优质的苜蓿氮素添加模式，并为进一步提高苜蓿生产水平及促进苜蓿产业绿色高质量发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

通过对中国知网和Web of Science等中英文数据库进行检索，收集截至2021年4月30日国内外公开发表的关于氮素添加对苜蓿产量与品质效应的田间试验研究论文。中文检索词包括“氮”“苜蓿”“产量”和“品质”等；英文检索词包括“nitrogen”“alfalfa”“yield”和“quality”等。为减小分析偏差，基于以下标准选择该研究的数据：1）试验区位于中国范围内，且试验开展于大田环境中；2）试验处理同时包含添加氮素和不添加氮素；3）文中列有2种处理的苜蓿产量、粗蛋白含量、酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量中的一个或多个，且其均值和标准差直接给出，或根据已有数据可计算获得；4）添加氮素的类型、数量、方式及播种量、灌溉情况和试验年份清晰。经以上标准筛选，共获得25篇文献，包含152组产量数据、82组粗蛋白含量数据、57组酸性和中性洗涤纤维含量数据。产量、品质数据或来源于表格和文本，或来源于图片（采用GetData Graph Digitizer软件提取）［18］。

1.2 数据分类

为了更精细地分析氮素添加对苜蓿产量与品质效应的主要影响因素，本研究在考虑数据量及分布的前提下，将所收集的指标按以下类型进行分组：1）研究区域共涉及9个省/自治区（甘肃、贵州、河北、吉林、内蒙古、宁夏、山东、新疆和江苏）；2）研究区的年平均降水量按照干湿区划分为4组，即＜200 mm、200～400 mm、400～800 mm和＞800 mm，分别代表干旱区、半干旱区、半湿润区和湿润区［19］；3）研究区的年平均气温分为5组（＜4℃、4～8℃、8～12℃、12～16℃和＞16℃）；4）氮肥类型分为3组（硝酸铵、牧草专用肥和尿素）；5）施氮量分为9组（0～30 kg·hm-2、30～60 kg·hm-2、60～90 kg·hm-2、90～120 kg·hm-2、120～150 kg·hm-2、150～180 kg·hm-2、180～210 kg·hm-2、210～240 kg·hm-2和＞240 kg·hm-2）；6）是否追肥（是或否，即分次施肥或一次性基施）；7）生长年限分为4组（1、2、3和4 a）；8）播种量分为6组（＜10 kg·hm-2、11～15 kg·hm-2、16～20 kg·hm-2、21～25 kg·hm-2、26～30 kg·hm-2和＞30 kg·hm-2）；9）灌溉情况（灌溉或雨养）。

1.3 数据分析

1.3.1 效应量计算效应量是衡量处理效应大小的指标，本研究采用反应比的自然对数计算效应量lnR［20］，即：

式中：R为反应比，XT为添加氮素的苜蓿产量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗涤纤维含量（%）或中性洗涤纤维含量（%），XC为不添加氮素的苜蓿产量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗涤纤维含量（%）或中性洗涤纤维含量（%）。

综合效应量采用加权计算法，即每个样本均有特定的权重w（即方差v的倒数）以补偿不同样本间精准性的差异。加权的效应量（lnR*）及其置信区间（confidence interval，CI）可通过lnR计算获得［21］。

式中：ST和SC分别为添加氮素和不添加氮素的苜蓿产量或粗蛋白含量或酸性洗涤纤维含量或中性洗涤纤维含量的标准差，nT和nC分别为添加氮素和不添加氮素的苜蓿产量或粗蛋白含量或酸性洗涤纤维含量或中性洗涤纤维含量的重复试验次数。

式中：K为样本数量，wi为第i个样本的权重，lnRi为第i个样本的效应量，S为标准差。

为了更加直观地反映氮素添加的增产与提质效应，将效应值lnR转化为提高率（产量和粗蛋白含量）Za或降低率（酸性和中性洗涤纤维含量）Zb［20］：

式中：Za（Zb）的95%置信区间若全部大于0，说明氮素添加对提高苜蓿产量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗涤纤维含量）具有显著正效应；若全部小于0，说明氮素添加对提高苜蓿产量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗涤纤维含量）具有显著负效应；若包含0，则说明氮素添加对提高苜蓿产量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗涤纤维含量）无显著影响。

1.3.2 异质性检验为分析不同研究结果是否存在统计学意义上的差异，本研究采用异质性分析进行检验。异质性检验Q统计量计算公式［22］如下：

式中：当PQ（Q统计量显著性检验P值）＜0.05时，选用随机效应模型；当PQ≥0.05时，选用固定效应模型。

1.3.3 发表偏倚检验发表偏倚是常见的小样本效应，会降低分析结果的精度。现采用回归检验法和倒漏斗图进行发表偏倚检验，公式［23］为：

式中：ti为t检验统计量，β0和β1分别为回归截距和系数，εi为残差，νi为残差与效应量之比。

1.3.4 影响因素分析按照1.2部分将各指标进行分组，分别进行Meta分析以寻找不同研究结果存在差异的主要原因。

1.4 数据处理

采用R（v.4.1.0）编程软件分析数据，使用Origin 9.0软件作图，显著性水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 数据分布及概况

受气候条件及管理措施等影响，添加氮素与不添加氮素的苜蓿产量和品质存在较大变幅，且呈现出较好的正态分布（图1）。具体表现为，添加氮素的苜蓿产量、粗蛋白含量、酸性与中性洗涤纤维含量分别为1.0×103～4.9×104kg·hm-2（平均1.2×104kg·hm-2）、13.8%～23.8%（平均18.9%）、22.7%～41.1%（平均29.3%）和31.4%～55.4%（平均39.4%）；不添加氮素的苜蓿产量、粗蛋白含量、酸性与中性洗涤纤维含量分别为1.1×103～4.0×104kg·hm-（2平均1.0×104kg·hm-2）、12.4%～23.1%（平均17.7%）、24.7%～42.3%（平均30.9%）和31.1%～54.2%（平均40.6%）。由图2可知，添加与不添加氮素条件下，产量在9个省（自治区）的中位数区间分别为1.4×103～1.8×104kg·hm-2和1.8×103～1.6×104kg·hm-2；粗蛋白含量在7个省（自治区）的中位数区间分别为15.8%～22.4%和15.4%～21.5%；酸性和中性洗涤纤维含量在6个省（自治区）的中位数区间分别为25.5%～38.9%和27.3%～40.9%及31.1%～54.2%和34.6%～54.2%。

图1 添加与不添加氮素条件下苜蓿产量和品质的频率分布Fig.1 Frequency distribution of alfalfa yield and quality with or without nitrogen application

图2 苜蓿产量和品质的区域变化Fig.2 Regional changes of alfalfa yield and quality

2.2 氮素添加对苜蓿产量与品质的综合效应量

对氮素添加的苜蓿产量和品质分别计算综合效应量发现（表1），4个指标的异质性检验结果均达到显著水平（PQ＜0.001），因此采用随机效应模型。总体上，与不添加氮素相比，添加氮素的苜蓿产量和粗蛋白含量分别平均提高12.6%（置信区间9.0%～16.2%）和7.3%（置信区间4.1%～10.6%），酸性和中性洗涤纤维含量分别平均降低5.6%（置信区间3.5%～7.8%）和3.0%（置信区间1.0%～4.9%）。可见，氮素添加能显著提高苜蓿产量与品质。经发表偏倚检验，4个指标的PB值均大于0.05，且样本数据点均匀地分布在漏斗两侧（图3），即均不存在发表偏倚。

图3 发表偏倚检验的倒漏斗Fig.3 Inverted funnel by publication bias test

表1 氮素添加对苜蓿产量与品质的综合效应量Table 1 Comprehensive effect size of nitrogen application on yield and quality of alfalfa

2.3 氮素添加对苜蓿产量的影响因素分析

试验区域、施氮模式及种植管理等因素显著影响氮素添加的苜蓿产量效应（图4）。在区域因素方面，新疆和甘肃的产量提高率较高，分别为30.7%（置信区间20.6%～40.8%）和23.6%（置信区间17.0%～30.2%），山东、贵州和宁夏次之，河北、吉林、内蒙古和江苏的提高效应不显著；随年平均降水量的增加，产量提高率呈先升高后降低的趋势，当年平均降水量为200～400 mm时，产量提高率最高（平均17.1%）；随年平均气温的升高，产量提高率呈降低趋势，当年平均气温＞16℃时，产量提高效应不显著。在施氮因素方面，施用硝酸铵和牧草专用肥的产量提高率分别为26.5%（置信区间9.6%～43.4%）和22.4%（置信区间18.4%～26.4%），均高于施用尿素（平均11.9%，置信区间8.2%～15.6%）；随施氮量的增加，产量提高率呈先升高后降低的趋势，当施氮量为120～150 kg·hm-2时，产量提高率最高（平均17.1%），当施氮量＞150 kg·hm-2后，产量提高效应不显著；分次施肥的产量平均提高率为13.8%，而一次性基施的产量提高效应不显著（平均5.2%，置信区间-3.7%～14.1%）。在种植因素方面，随生长年限的延长，产量提高率呈先增加后降低的趋势，生长1、2和3 a的平均产量提高率分别为8.2%、16.3%和16.7%，而生长4 a的产量提高效应不显著；不同播种量条件下，氮素添加均能显著提高苜蓿产量，但提高效应随播种量的增加呈先升高后降低的趋势，当播种量为26～30 kg·hm-2时，提高效应最明显（平均42.8%）。氮素添加的增产效应在灌溉条件下（平均20.4%，置信区间15.3%～25.5%）显著高于雨养条件（平均2.1%，置信区间-1.7%～5.9%），且雨养条件下，氮素添加的增产效应不显著。可见，低年均气温或低年降水量的地区，适宜的施氮量、播种量和生长年限及分次施肥和灌溉有利于提高添加氮素的苜蓿增产效应。

图4 氮素添加对苜蓿产量的影响因素分析Fig.4 Analysis of factors affecting alfalfa yield with nitrogen application

2.4 氮素添加对苜蓿品质的影响因素分析

2.4.1 粗蛋白含量试验区域、施氮模式及种植管理等因素显著影响氮素添加对苜蓿粗蛋白含量的效应（图5）。在区域因素方面，甘肃的粗蛋白含量提高率最高（平均27.8%，置信区间18.4%～37.2%），贵州、山东和新疆次之，河北、吉林和内蒙古的提高效应不显著；随年平均降水量和年平均气温的增加，粗蛋白含量提高率均呈降低趋势，且当年平均降水量＞800 mm和年平均气温＞12℃时，提高效应不显著。在施氮因素方面，随施氮量的增加，粗蛋白含量提高率呈先升高后降低的趋势，当施氮量为180～210 kg·hm-2时，提高率最高（平均14.3%），而当施氮量＞210 kg·hm-2后，提高效应不显著；分次施肥的粗蛋白含量平均提高率为7.5%，而一次性基施的粗蛋白含量提高效应不显著（平均2.1%，置信区间-7.3%～11.5%）。在种植因素方面，生长1和2 a的苜蓿粗蛋白含量平均提高率分别为7.0%（置信区间2.2%～11.8%）和8.8%（置信区间4.4%～13.2%），而生长3 a的苜蓿粗蛋白含量平均降低6.4%；随播种量的增加，粗蛋白含量提高率呈增加趋势，当播种量为26～30 kg·hm-2时，提高率最高（平均23.9%）。灌溉和雨养条件下，氮素添加的粗蛋白含量提高率分别为7.7%～19.1%和-0.5%～4.7%，前者显著高于后者。可见，低年均气温或低年降水量的地区，适宜的施氮量、播种量和生长年限及分次施肥和灌溉可促进添加氮素对苜蓿粗蛋白含量的提高效应。

图5 氮素添加对苜蓿粗蛋白含量的影响因素分析Fig.5 Analysis of factors affecting crude protein content of alfalfa with nitrogen application

2.4.2 酸性洗涤纤维含量试验区域、施氮模式及种植管理等因素显著影响氮素添加对苜蓿酸性洗涤纤维含量的效应（图6）。在区域因素方面，甘肃的酸性洗涤纤维含量降低率最高（平均9.8%，置信区间5.4%～14.2%），贵州、吉林和山东次之，河北和新疆的降低效应不显著；随年平均降水量和年平均气温的增加，酸性洗涤纤维含量降低率均呈降低趋势，且当年平均降水量＞800 mm和年平均气温＞12℃时，酸性洗涤纤维含量降低效应不显著。在施氮因素方面，随施氮量的增加，酸性洗涤纤维含量降低效应呈增加趋势，当施氮量为210～240 kg·hm-2时，降低率最高（平均13.6%，置信区间7.2%～20.0%）；分次施肥的酸性洗涤纤维含量降低率平均为6.3%，而一次性基施的酸性洗涤纤维含量降低效应不显著（平均2.1%，置信区间-2.3%～6.5%）。在种植因素方面，生长1 a的苜蓿酸性洗涤纤维含量平均降低率为7.2%（置信区间3.4%～11.0%），略高于生长2 a（平均5.7%，置信区间3.3%～8.1%），而生长3 a的降低效应不显著；随播种量的增加，酸性洗涤纤维含量降低率呈增加趋势，当播种量为26～30 kg·hm-2时，降低率最高（平均9.3%）。灌溉条件下，氮素添加的平均酸性洗涤纤维含量降低率为9.3%，而雨养条件下，平均降低率仅为3.1%。可见，低年均气温或低年降水量的地区，适宜的施氮量、播种量和生长年限及分次施肥和灌溉可促进添加氮素对苜蓿酸性洗涤纤维含量的降低效应。

图6 氮素添加对苜蓿酸性洗涤纤维含量的影响因素分析Fig.6 Analysis of factors affecting acid detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

2.4.3 中性洗涤纤维含量试验区域、施氮模式及种植管理等因素显著影响氮素添加对苜蓿中性洗涤纤维含量的效应（图7）。在区域因素方面，甘肃的中性洗涤纤维含量降低率最高（平均6.5%，置信区间3.3%～9.7%），贵州次之，河北、吉林和山东的降低效应不显著，在新疆则表现为氮素添加会显著提高苜蓿的中性洗涤纤维含量；随年平均降水量和年平均气温的增加，中性洗涤纤维含量降低率呈降低趋势，且当年平均降水量＞800 mm和年平均气温＞12℃时，降低效应不显著。在施氮因素方面，当施氮量为210～240 kg·hm-2时，中性洗涤纤维含量降低率最高（平均8.6%，置信区间3.4%～13.8%），在其他施氮量条件下，降低效应不显著；分次施肥的中性洗涤纤维含量平均降低率为4.0%，而一次性基施的中性洗涤纤维含量降低效应不显著（平均1.1%，置信区间-2.1%～4.3%）。在种植因素方面，生长1和2 a的苜蓿中性洗涤纤维含量平均降低率分别为3.7%（置信区间0.5%～6.9%）和3.6%（置信区间1.1%～6.1%），而生长3 a的降低效应不显著；随播种量的增加，中性洗涤纤维含量降低率呈增加趋势，当播种量为26～30 kg·hm-2时，降低率最高（平均5.7%）。灌溉条件下，氮素添加的中性洗涤纤维含量平均降低率为5.7%，而雨养条件下，氮素添加的中性洗涤纤维含量降低效应不显著。可见，低年均气温或低年降水量的地区，适宜的施氮量、播种量和生长年限及分次施肥和灌溉可促进添加氮素对苜蓿中性洗涤纤维含量的降低效应。

图7 氮素添加对苜蓿中性洗涤纤维含量的影响因素分析Fig.7 Analysis of factors affecting neutral detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

3 讨论

3.1 氮素添加对苜蓿生产的重要性

苜蓿属豆科牧草，可利用自身根瘤固定大气中的游离氮以供生长需要。传统观念认为，苜蓿属养地作物，在其生长过程中无需额外施肥，尤其是氮肥。然而，作为高蛋白牧草，每1000 kg苜蓿干草的含氮量约为27 kg，而根瘤固氮量仅占其中的43%～62%［24］。在幼苗期及刈割后的再生期，苜蓿根瘤发育不完善，固氮能力较弱，需要从土壤中吸收氮素以满足生长［25］。随着生长年限的增加，苜蓿的固氮能力趋于衰退，会大量消耗土壤中储存的矿质氮素［14］。此外，为了避免与粮争地，中国苜蓿主要种植在土壤肥力低、盐碱重的干旱低温气候区及保肥能力弱的砂性土壤中，这不利于根瘤固氮潜力的充分发挥。高产且优质是苜蓿生产的目标，其中优质苜蓿的标准为粗蛋白含量高于20%，酸性和中性洗涤纤维含量分别低于30%和40%。本研究通过整合已发表的关于氮素添加对苜蓿产量与品质效应的研究得出，与不添加氮素相比，添加氮素可显著促进苜蓿生产，其中产量和粗蛋白含量分别平均提高12.6%和7.3%，酸性和中性洗涤纤维含量分别平均降低5.6%和3.0%。可见，添加外源氮素是苜蓿高产优质的必要保证，也是维持土壤肥力及草地生态系统营养平衡，实现苜蓿产业持续健康发展的迫切需求［9-10，26］。

3.2 氮素添加提高苜蓿产量与品质的影响因素

3.2.1 试验区域在各级政府大力支持及养殖企业投资带动下，中国逐渐形成了甘肃河西走廊，宁夏引黄灌区，内蒙古赤峰、通辽及鄂尔多斯高原，甘宁黄土高原，陕北榆林，山东东营及河北沧州沿海地区等适宜苜蓿生长的多个商品草集群产业基地［8］。本研究也充分体现了这一布局，样本数由多到少依次为甘肃、河北、宁夏和贵州、内蒙古、新疆和吉林、山东、江苏，其中新疆和甘肃的氮素添加增产效应较明显，其次为山东、贵州和宁夏，而河北、吉林、内蒙古和江苏的增产效应不显著。此外，与其他省（自治区）相比，氮素添加对甘肃苜蓿的粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗涤纤维含量降低率较为明显，这与不同区域的气候条件及土壤特性等密切相关。新疆和甘肃是典型的内陆干旱区，光热资源丰富、昼夜温差大、地势平坦，且具备灌溉条件，种植苜蓿具有得天独厚的优势，目前已成为中国重要的高端商品苜蓿生产基地［27］。尤其是甘肃，更是享有“中国苜蓿看甘肃，甘肃苜蓿看河西”的美誉。宁夏引黄灌区土质良好，日照充足，是最适宜种植苜蓿的区域之一，该地区添加氮素的增产提质效应低于甘肃的可能原因是土壤本身肥力较好。在吉林和内蒙古，苜蓿主要种植在苏打型盐碱地中，土壤含盐量高、碱性强、肥力弱，添加氮素后增产效应不显著可能与灌溉条件不配套、灌水不及时等有关［28］。

降水和气温等气候条件是农业生产的基本保障［18］，也是影响氮素添加效果的重要因素。苜蓿喜温暖半干燥气候且对水分需求较大，但生长期间又忌土壤积水，年降水量较多或地下水位偏高会限制苜蓿生长［12］。本研究表明，在年平均气温＜8℃和年平均降水量200～400 mm的地区，有利于添加氮素对苜蓿产量和粗蛋白含量的提高效应及对酸性和中性洗涤纤维含量的降低效应。这可能是由于在年平均气温较低的地区，低温会造成根瘤固氮酶活性降低，固氮能力减弱，从而增加对外源氮素的需求量，使得添加氮素的增产提质效应明显加大。在年降水量较高的地区，一方面，过高的土壤含水率会抑制苜蓿主根伸长，影响根系对氮素的吸收利用；另一方面，过高的土壤含水率会使氮素淋溶在根区以下，从而降低外源氮素的有效性［29］。因此，在不同气候区应因地制宜地选择适宜的氮素添加模式，以充分发挥外源氮素的添加效果。

3.2.2 氮素供应氮素形态影响植物的氮同化、光合过程及离子平衡，从而对植物生长产生不同的效应［30］。铵态氮和硝态氮是植物吸收氮素的主要形态，铵态氮促进植物吸收阴离子，消耗有机酸；硝态氮促进植物吸收阳离子，有利于有机阴离子的合成［10］。一般而言，旱地植物具有“喜硝性”，而水生植物或强酸性土壤中生长的植物具有“喜铵性”。本研究发现，施用硝酸铵（平均26.5%）的苜蓿产量提高效应优于施用尿素（平均11.9%）。这与王玉强等［10］研究得出与单施硝态氮和铵态氮相比，混合氮肥更有利于苜蓿生长及其对氮素的吸收，和刘晓静等［30］研究得出硝态氮和铵态氮均能促进苜蓿生长，但二者混合使用时效果更佳的结论一致。然而，由本研究可知，现阶段在苜蓿生产中，仍大部分以单一尿素作为外源氮素。今后应通过进一步研究明确苜蓿对铵态氮和硝态氮的需求量及比例，以最大限度地发挥外源氮素的增产提质效应。

氮素添加不足，不能充分体现添加效果；添加过量，则会限制植株生长，降低氮素利用率，甚至导致环境污染，如水体富营养化、温室气体排放等［31］。适量添加氮素可调节氮代谢强度、提高氮代谢酶活性，使作物生产效益最大化。何峰等［32］通过对中国苜蓿主产区土壤养分与植株营养进行调研发现，苜蓿组织中氮素营养处于充足水平，而磷素、钾素与微量元素普遍缺乏，建议在苜蓿生产中控制氮肥，注重磷肥和钾肥，并有针对性地施用微肥。魏志标等［1］利用食物链系统养分流动（nutrient flows in food chains，environment and resources use，NUFER）模型研究中国栽培草地氮磷空间特征得出，全国苜蓿土壤氮磷累积量分别为50 kg·hm-2和46 kg·hm-2，均处于盈余状态，应适当减少氮磷肥的投入量。本研究综合近20 a的田间试验结果表明，当施氮量为120～150 kg·hm-2时，苜蓿产量的提高率最高，但处于该区间的样本数仅为5，远低于施氮量偏低与偏高的样本数。可见，现阶段苜蓿施氮量不合理的现象较为普遍。此外，针对不同的生产目标，存在不同的适宜施氮量。本研究发现，苜蓿粗蛋白含量在施氮量为180～210 kg·hm-2时，提高效应最优；酸性和中性洗涤纤维含量则在施氮量为210～240 kg·hm-2时，降低效应最明显。然而，文雅等［27］在河西走廊研究发现，随施氮量增加，苜蓿粗蛋白和酸性洗涤纤维含量表现为先增加后降低的趋势，中性洗涤纤维含量则呈增加趋势，这可能与苜蓿品种、生长年限及土壤基础养分状况等有关。在生产实践中，应兼顾苜蓿产量与品质，采用适宜的施氮量。

按照作物的需求规律添加氮素是促进作物生长并提高氮素利用的另一重要因素。苗期是苜蓿的氮营养关键期，此时根瘤尚未形成，不具备固氮能力，需要吸收外源氮素。另外，苗期添加氮素可促进苜蓿根系发育，一方面提高根系的养分吸收能力；另一方面，可为根瘤菌侵染和结瘤提供物质保障。从现蕾期到初花期，苜蓿处于营养生长快速期及氮营养吸收旺盛期，及时补充外源氮素，有助于提升苜蓿产量和品质［30］。苜蓿再生能力强，通常一个生长季内可刈割2～4次。因此，在苜蓿生长期内一次性施肥会导致生育期间、茬次间肥力不均衡及养分流失等现象［33］。本研究基于多样本研究发现，与一次性基施相比，分次施肥的苜蓿产量和粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗涤纤维含量降低率明显增加。这与王洋等［34］和肖知新等［35］的研究结果一致。

在保证苜蓿产量与品质的同时提高氮素吸收利用率，除了适时适量添加合理的氮素形态外，还应从挖掘生物自身潜力出发，研发培育高氮效率苜蓿品种，以同时从环境因子和自身遗传方面实现苜蓿氮营养的高效吸收、同化、传输与利用［29］。

3.2.3 种植管理苜蓿为多年生草本植物，根系发达、蒸散强烈，长期连续种植会导致土壤水分过度消耗，造成草地生态系统退化、苜蓿生产力下降［36］。本研究通过探索氮素添加对苜蓿生产效应的影响发现，随生长年限的延长，氮素添加对产量和粗蛋白含量的提高效应呈先增加后降低的趋势，对酸性和中性洗涤纤维含量的降低效应则呈降低趋势，对应的较优生长年限分别为2～3 a、1～2 a、1～2 a和1～2 a。受样本中生长年限分布的影响，该结论可能存在一定的局限性，但一定程度上也反映出产量与品质对氮素添加的响应在生长年限间存在差异。就产量而言，持续种植苜蓿2～3 a后土壤干层会逐渐出现，适当添加氮素可在一定程度上减少土壤水分不足对产量造成的负效应［37］。就品质而言，养分在改善苜蓿品质中的贡献高于水分［38］，苜蓿建植初期，根瘤固氮能力较弱，添加氮肥和较充足的土壤水分更有利于改善苜蓿品质。

播种量是调控作物密度的重要指标，合理的播种量有助于协调个体与群体间的关系，充分利用光、热、空间和水肥等资源，是提高农田生产力的重要措施［39］。本研究表明，不同播种量条件下，添加氮素基本均可显著提高苜蓿产量和粗蛋白含量，并降低酸性和中性洗涤纤维含量，当播种量为26～30 kg·hm-2时，提高或降低效应最明显。然而，王彦华等［40］在河南开展研究发现，播种量对苜蓿产量无显著影响，但随着播种量的增加，粗蛋白含量呈升高趋势，酸性和中性洗涤纤维含量呈降低趋势，当播种量为22.5～30.0 kg·hm-2时，苜蓿产量与品质均较高。产生这一现象的原因可能是，苜蓿能通过增加分枝数来调节因播种量较小导致的群体数量不足问题，降低对产量的不利影响；当播种量较高时，由于资源有限，个体发育受限，因此不能显著提高产量。相反，就品质而言，较高的播种量会抑制个体生长发育，使得茎秆纤细、机械组织减少而叶片占比增大，从而改善苜蓿营养价值。

苜蓿属强耗水作物，年需水量高达500～900 mm。然而，现阶段中国苜蓿主要种植在年平均降水量不足400 mm的干旱、半干旱地区［41］。因此，在苜蓿生长期间进行灌溉是保障苜蓿生产及促进区域农业持续健康发展的重要措施。此外，水和肥是一对联动因子，适宜的土壤水分状况会促进作物对养分的吸收和利用；适当增加养分投入可在一定程度上减小土壤水分不足对作物生长造成的负效应，达到“以肥补水、以水调肥”的效果［27，42］。类似地，本研究基于大尺度研究发现，与雨养相比，灌溉可大幅度提高氮素添加对苜蓿产量与品质的提升效应。可见，在苜蓿生产中，当具备灌溉条件或农业水资源量允许的情况下，应适度进行灌溉，以充分发挥添加氮素对苜蓿生产的促进作用。

除生长年限、播种量与是否灌溉外，当土壤供氮能力较高、杂草防治不及时及其他营养元素受限时，也会影响氮素添加对苜蓿产量与品质的提升效应。此外，将苜蓿与粮食作物、经济作物轮作或与禾本科牧草混播，也有利于氮素添加条件下草地的持续利用及高产稳产［17，43］。