有机肥对羊草营养生长期功能性状变化的影响

代景忠,闫瑞瑞,张小英,吕光萍

(1 铜仁学院 农林工程与规划学院,贵州铜仁 554300;2 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所,北京 100081;3 呼伦贝尔市农牧业技术推广中心,内蒙古海拉尔 021008;4 呼伦贝尔市农畜产品质量安全中心,内蒙古海拉尔 021008)

目前,关于有机肥作用下羊草功能性状变化的报道,仅见茎长、叶长、茎氮含量、叶氮含量[9]、株高[10]及地上或地下生物量等方面[11],虽然施用有机肥确实可以明显提升羊草种群的产量,但有学者认为其产量的增加更多地源于种群密度的增加[9],至于羊草个体质量对有机肥的响应机制仍不清楚。同时,植物功能性状是一个动态变化的过程,有机肥作用下其功能属性和彼此关系是否会随时间而发生明显变化仍不得而知。因此,本试验通过考察有机肥调控下羊草主要营养生长期功能性状变化探寻其变化规律和彼此差异,以及影响羊草单株质量变化的主要表型性状驱动因子,以期为资源环境与植物功能性状的动态研究和草地生态系统的恢复提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

试验地位于中国农业科学院呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站(49.39°N,120.05°E,海拔627～635 m)附近。该地区属于中温带半干旱大陆性气候,年平均气温-2.4 ℃,极端高温和低温分别为36.17 ℃和-48.5 ℃,年积温1 580～1 800 ℃,无霜期110 d;年降水量约350 mm,多集中在7-9月,且变率较大。土壤为暗栗钙土,植被为羊草草甸草原,主要建群种和优势种为羊草,亚优势种为狼针草(Stipabaicalensis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa),伴生种有寸草(Carexduriuscula)、山野豌豆(Viciaamoena)、细叶白头翁(Pulsatillaturczaninovii)等。

1.2 试验设计

选取割草利用超过20年的固定草场作为试验场地,于2013 年8 月进行围封并划分若干试验小区,每个小区面积为60 m2(6 m×10 m),中间设置2 m 的缓冲带。试验地为天然割草场,试验以前当地牧民并没有施用过肥料,参考其他草地化肥施用量试验设计[12],根据化肥含氮量等量换算成有机肥的施用量。施肥试验采用单因素随机区组设计,以氮元素作为标准,共设置4个施肥水平,分别为对照(CK)、低水平施肥(LF)、中水平施肥(MF)和高水平施肥(HF),有效养分用量(纯氮)为0,63,127,190 kg/hm2,每处理3次重复。于2014年5月1日使用9QP-830型草地破土切根机对小区进行切根处理,随后在处理过的草地上进行施肥试验,有机肥选用吉林华中绿色生态农业开发有限公司生产的千代田牌有机肥[N+P2O5+K2O(干基)≥7%,有机质≥45%],施肥时间分别为2014 年、2015 年的6月1日,每年1次。

1.3 测定指标与方法

在羊草主要营养生长时期进行样品采集,采集时间从2015年7月1日至8月30日。期间每隔15 d 对4种处理12个小区的羊草地上数据进行1次采集,共5次。为便于描述,将7月1日至7月15日定义为生长前期,7月15日至8月15日定义为生长中期,8 月15 至8 月30 日定义为生长后期。数据收集方式:在每个小区均匀随机地选取15株羊草样品,齐地面刈割,放入冰盒带回实验室。每次收集样本180 株。用分析天平称取每株羊草鲜质量(PFM,g),用直尺测量株高(PH,cm)。随后用剪刀将羊草分解(保留枯黄叶片),用直尺测量每株羊草所有叶片长度之和,然后取平均值,即平均叶长,简称“叶长”(LL,cm)。有研究表明,羊草营养生长时期自然叶宽和展开叶宽差异显著,且它们对羊草单株质量的影响较大[13],因此本研究分别对羊草叶片自然宽度和实际宽度进行测量,用电子游标卡尺测量羊草自然叶宽(最宽部位,NLW,mm)、展开叶宽(最宽部位,ALW,mm)、茎宽(茎最粗和最细部位的平均值,SW,mm)。然后用直尺测量茎长(剪下所有叶片之后茎的长度,SL,cm),称取总叶鲜质量,取平均值,即叶鲜质量(LFM,g)、茎鲜质量(SFM,g)。最后将茎、叶分株整理放入65 ℃下烘干至恒质量后测定单叶质量(LWM,g)、总叶质量(TLM,g)、茎质量(SM,g)、单株质量(即地上生物量,AB=TLM+SM,g)。

其他功能性状指标:展开叶叶面积,简称“展叶面积”(LA=ALW×LL×6.555[14],cm2)、叶干物质含量(LDMC=LWM/LFM,g/g)、茎干物质含量(SDMC=SM/SFM,g/g)、比叶面积(SLA=LA/LWM,cm2/g)。根据研究目的,将与羊草形态有关的叶长、自然叶宽、展开叶宽、叶面积、茎长、茎宽、株高等定义为表型性状;将与质量有关的叶质量、茎质量、叶干物质含量、茎干物质含量、单株质量等定义为质量性状。

1.4 数据分析

采用DPS v19.05统计软件进行数据分析。选择二次曲线方程拟合羊草营养生长期内各功能性状的变化,标注决定系数(R2)及显著性水平;采用单因素多元方差分析方法比较不同处理间各功能性状的差异性,标注显著水平;采用Pearson相关分析不同处理下羊草营养生长期各功能性状的相关性;采用积分(逐步)回归方法计算羊草表型性状与单株质量的影响系数,用以表示它们对单株质量的影响程度(贡献率);采用Excel 2019软件绘图。

2 结果与分析

2.1 羊草叶功能性状的动态变化

羊草营养生长时期叶功能性状变化趋势明显。如图1所示,除叶干物质含量外,所有处理内叶长、叶面积、自然叶宽、展开叶宽和比叶面积曲线拟合均达显著性水平,符合二次曲线变化规律。从整体上看,羊草叶长、叶面积、自然叶宽、展开叶宽、比叶面积在对照(CK)处理下随着生育期先升后降,而在低水平施肥(LF)、中水平施肥(MF)和高水平施肥(HF)处理下均逐渐升高。与CK 相比,施肥处理羊草叶长、叶面积、自然叶宽、展开叶宽和比叶面积在生长前期和中期降低,却在生长后期增加。从施肥效果上看,羊草生长后期的叶长、叶面积表现为LF＞MF＞HF＞CK;羊草自然叶宽、展开叶宽表现为HF＞MF＞LF＞CK;施肥对比叶面积无显著性影响。

图1 不同施肥处理下羊草叶功能性状的变化趋势LL.叶长;LA.展叶面积;ALW.展开叶宽;NLW.自然叶宽;SLA.比叶面积;LDMC.叶干物质含量。R2 为决定系数;P 表示显著水平;ns表示拟合效果不显著。*和**分别表示同一时期不同处理间指标在0.05和0.01水平上差异显著。下同。Fig.1 Dynamics of leaf functional traits of L.c hinensis under different fertilization treatmentsLL,average leaf length.LA,leaf area.NLW,natural leaf width.ALW,unfolded leaf width.SLA,specific leaf area.LDMC,leaf dry matter fraction.R2 is the coefficient of determination.P indicates the significant level.ns indicates that the fitting effect is not significant.* and ** indicate significant differences between different treatments in the same period at the 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same as below.

从图1还可知,施肥后(LF、MF、HF)羊草叶干物质含量变化趋势与对照(CK)相反,即羊草叶干物质含量在对照内呈逐渐上升的趋势,而在施肥后呈先升后降的变化趋势。

在前期研究中，首先以日语假名为序，抽取了原始词汇库中所有IT领域新词。根据“硬件类”“软件类”“一般技术类(操作与使用)”“专业技术类”等进行内容分类，建立日语词库。然后逐一核对并确认日语词库中各词所对应的汉语词汇，建立汉语词库。最后通过数据处理统合为“汉日语IT领域新词对比词库”(下称：“对比词库”)。本文所探讨的“IT领域新词”，只限于计算机应用与信息技术层面的新词，不包括网络传播及网络交流层面的各种“网络语言”及“网络流行语”。

2.2 羊草茎功能性状的动态变化

羊草营养生长时期茎功能性状变化趋势明显。图2显示,除低水平施肥(LF)内茎宽外,所有处理内茎长和茎宽的曲线拟合均达显著性水平。从整体上看,施肥使羊草茎长、茎质量从先升后降的变化趋势转变为逐渐升高的趋势(LF、MF、HF),而施肥对茎宽的影响较小,所有处理内茎宽均呈先升后降的变化趋势。

图2 不同施肥处理下羊草茎功能性状的变化趋势SL.茎长;SW.茎宽;SM.茎质量;SDMC.茎干物质含量。Fig.2 Dynamics of stem functional traits of L.c hinensis under different fertilization treatmentsSL,stem length.SW,stem width.SM,stem mass.SDMC,stem dry matter fraction.

施肥仅对羊草生长前期的茎宽有一定影响,对茎长、茎质量、茎干物质含量(图2,D)的影响主要发生在生长后期。施肥显著提高了羊草生长后期的茎长和茎质量,同时降低了茎干物质含量。

2.3 羊草植株功能性状的动态变化

羊草营养生长时期植株功能性状变化趋势明显。从图3来看,除CK 内单株质量外,所有处理内株高和单株质量曲线拟合均达显著性水平。从整体上看,施肥使羊草株高和单株质量从先升后降的变化趋势(CK)转变为逐渐升高的趋势(LF、MF、HF)。施肥略微降低了羊草生长前期和中期的株高和单株质量,却使他们在后期增加。

图3 不同施肥处理下羊草植株功能性状的变化趋势PH.株高;AB.单株质量。Fig.3 Dynamics of plant functional traits of L.c hinensis under different fertilization treatmentsPH,plant height.AB,aboveground biomass.

其中,施肥对单株质量的提升效果尤为明显,羊草单株质量在施肥后(LF、MF、HF)总体呈直线上升的趋势。与其他功能性状的表现相似,施肥对羊草株高和单株质量的显著性影响主要发生在其营养生长后期,即施肥处理的株高和单株质量在生长前期和中期不及对照,而在生长后期比对照有大幅提升,但不同施肥水平处理间并无显著性差异。

2.4 不同施肥水平下羊草功能性状之间的关系

羊草营养生长时期各功能性状之间存在协同变化的关系,而且它们的相关性会因施肥水平发生改变。

如表1所示,在对照(CK)条件下,叶面积与茎宽、株高呈显著的正相关关系;单叶质量与茎宽、茎质量、单株质量呈显著的正相关关系;茎宽与株高呈显著的正相关关系;茎质量与株高、单株质量呈显著正相关关系。

表1 不同施肥处理下羊草功能性状之间的相关性Table 1 Correlation between functional traits of L.chinensis under different fertilization treatments

在低水平施肥(LF)处理下,叶面积与茎质量、株高、单株质量、比叶面积呈显著的正相关关系;叶质量与株高呈显著的正相关关系;原本在对照内与其他性状相关性较低的茎长表现出与茎质量、单株质量、比叶面积呈显著的相关关系,而原本在对照内与株高显著正相关的茎宽变得不再显著。

同理,通过中水平施肥(MF)、高水平施肥(HF)与对照(CK)对比可以看出,施肥明显加强了羊草部分功能性状之间的相关性,如叶面积与比叶面积,茎长与茎质量、单株质量的相关性等。同时,施肥也降低了部分性状之间的相关性,如单叶质量与单株质量、茎宽与株高的相关性等。值得注意的是,无论施肥与否,羊草营养生长时期叶干物质含量和茎干物质含量与其他功能性状之间的相关性始终较低。

2.5 羊草表型性状对单株质量的影响

羊草表型性状对单株质量的影响程度随生长时期而变化,而且它们与单株质量的相关性也随之改变(图4)。在对照(CK)条件下,从影响程度大小(影响系数的绝对值)变化看,羊草营养生长期内展开叶宽和叶面积影响系数整体较大,它们对单株质量的贡献率较高,株高和叶长略次之,而自然叶宽、茎长、茎宽则相对较小(影响系数整体在0轴上下浮动);从表型性状与单株质量相关性变化看(影响系数的正负值),展开叶宽和叶面积影响系数整体呈正负交替式的“N”形变化,且彼此变化方向相反,叶长呈负向的“W”形变化,而株高整体呈相对平滑的正向“M”形变化(CK)。可见,羊草营养生长期内各表型性状与单株质量的相关性是时刻变化的,有时正相关,有时负相关。同理,在施肥条件下(LF、MF、HF),羊草表型性状对单株质量的影响程度和相关性也有不同变化。

图4 不同施肥处理下羊草表型性状对单株质量的影响度Fig.4 Influence of phenotypic traits on aboveground biomass of L.chinensis under different fertilization treatments

通过对比可看出,所有处理(CK、LF、MF、HF)内羊草叶长、叶面积、展开叶宽和株高的影响系数一直较大,可见它们都是羊草营养生长时期影响单株质量变化的主要驱动因子。虽然叶长、叶面积、展开叶宽对单株质量的影响程度较高,但它们与单株质量的相关性多呈正负交替式变化,并不稳定,而株高则与单株质量多呈正相关,表现最为稳定。从影响系数大小范围看(图4),施肥水平增加整体上降低了羊草营养生长内表型性状对单株质量的影响系数(贡献率),尤其在中水平施肥(MF)和高水平施肥(HF)内表现更明显(各指标影响系数逐渐向0轴靠拢)。可见,施肥水平越高,羊草表型性状对单株质量的贡献率越均衡。

3 讨论

3.1 有机肥对羊草营养生长期功能性状的影响

株高和比叶面积通常是植物施肥研究的重要指标,因为它们对土壤养分变化比较敏感[15],反映了植物对光资源的获取能力和竞争活力[16-17]。一般株高和比叶面积越高的生境中资源越丰富,越低则越能适应干旱等资源贫瘠的环境[18],研究表明,施肥可以显著增加羊草的株高和比叶面积[19-20],本研究也得出相同的结论。只是虽然最终结果相同,但是他们的变化过程却略有差异,代景忠等[21]研究显示,施化肥后羊草营养生长前期和中期的比叶面积整体低于未施肥处理,而本研究中施肥后羊草的比叶面积在营养生长前期和中期却明显高于对照处理,分析产生这一现象的原因可能与肥料种类和羊草的生育期有关。因为化肥与有机肥对植物产生不同影响的直接原因是两者所提供养分的有效性不同。化肥所提供的养分几乎全部为矿质状态,可以被植物直接吸收;而有机肥中有机氮释放缓慢,且氮素的当季利用率低,很难提供足够的养分供作物利用[22]。虽然本研究中有机肥含有较高的氮、磷养分,但它们多以有机结合态存在,而大分子有机养分必须经矿化、分解作用转化为无机态或小分子后才能被植物吸收利用[23]。同时有研究认为,有机肥的加入会导致土壤碳氮比过高,容易引起植物生长早期与微生物争氮现象[24],土壤微生物会将过多的无机氮固定在微生物体内,导致土壤中可利用氮素出现短期的匮乏,直至土壤中可利用的能量和物质减少,微生物大量死亡释放出体内的氮素时这一现象才能得到缓解,因此才会出现羊草营养生长前期施用有机肥降低羊草比叶面积的现象。可以看出,植物功能性状适应环境变化是一个不断变化的过程,同一功能性状对土壤养分的响应和适应存在时间上的差异。

有研究表明,氮素添加的正向调控作用可以增加植物同化物向地上部的分配,最终使植物的干物质产量明显提高,本研究中有机肥添加同样使羊草单株质量有显著的增加,只是增加效果并未因施肥水平而不同,而且低水平的施肥效果整体高于其他处理,前人其他研究[11]也有类似结果。一方面可能与有机肥养分低释放率有关,正如上文所述,无机氮是植物生长的基础,它的多少会直接影响羊草地上生物量的大小,有机肥中有机氮转化为无机氮需要一个长期的过程。唐继伟等[25]研究显示,虽然施用有机肥后土壤的无机氮呈现逐年增长的趋势,但土壤无机氮含量全面达到并超过无机肥处理至少需要5年时间,本研究2年的有机肥添加时间可能并未使高水平的施肥效果显现;另一方面更可能是高水平施肥抑制了羊草单株质量的积累,因为许多研究表明,与无机肥一样,过量的有机肥会抑制植物的生长[26],张楚等[10]6年的等量有机肥试验结果表明,羊草地上生物量并非一直随施肥水平的增加而显著提高,中等水平的施肥量就可以产生最大的生产效益。

3.2 有机肥对羊草功能性状间相关关系的影响

在资源梯度下植物许多功能性状都会呈现一定的协同变化关系和权衡关系[27],这一观点在本研究中同样有所体现。另外,本研究发现有机肥在强化羊草部分功能性状相关性的同时会弱化其他性状之间的相关性,如茎长与茎质量,对照处理内两者呈正相关但不显著,而施肥后两者相关性达到显著性水平,且施肥水平越高,相关系数越大。分析其原因可能与氮素的传输路径有关,因为有机肥会使土壤溶液中无机氮含量增加,然后无机氮会被羊草根茎吸收并运输到其他组织。Liu等[28]研究表明,无机氮最先积累的组织并不是根部而是羊草地上部分,茎部作为连接根部与叶片的重要组织会优先吸收途经的无机氮素来维持自身生长发育,氮素供应水平越高,可供茎部细胞利用的养分也越多,最终使茎长与茎质量的相关关系越发明显。又如叶面积与比叶面积,两者相关性也在施肥后呈现出从不显著到显著水平的变化。比叶面积作为一个综合性状受叶面积和单叶质量的共同影响,从本研究对照内叶面积与比叶面积变化曲线可以推测出羊草自然生长过程中叶面积和单叶质量一直处于异速生长,而施肥后两者整体呈等速生长变化,施肥使它们的关系更加紧密。与之相反,羊草部分功能性状的相关性由显著变为不显著,如单叶质量与单株质量,变化原因可能与羊草叶、茎资源分配的不均衡有关,因为在资源胁迫(养分匮乏)环境条件下,植物将会增加地上叶片构建投入和叶片光合器官的分配[28],胡静等[29]、代景忠等[13]的研究表明,羊草自然生长过程中基本处于异速生长阶段,总叶质量整体高于茎质量,本试验区经过多年刈割土壤养分相对贫瘠,羊草叶片会通过增大捕获光资源的能力,提高光合速率,增加叶片质量的积累,此时羊草单株质量与叶质量关系密切,而施肥则一定程度上解除了土壤养分条件的限制,羊草通过调整其碳氮代谢化合物的分配策略[30],将部分资源投入到茎部的发育之中,从而打破了单叶质量与单株质量之间的平衡,最终使两者关系不再明显。实际上,受性状功能的相似性和协同变化的影响,其他功能性状的相关性也有相应变化[31-32]。可见,羊草功能性状相关性之间同样存在着一定的平衡关系,施肥在改变羊草部分功能性状相关性的同时也会通过调整表型性状或质量性状之间的关系来建立新的平衡。

3.3 有机肥对羊草单株质量的表型驱动因子的影响

通常植物的表型性状与单株产量之间具有很强的相关性,而且表型性状对单株产量还具有一定的指示作用,当植物形态发生变化时,单株质量也必然会随之改变。有研究认为,表型性状中叶长[13]、叶宽、茎长[33]、株高[34]是驱动羊草单株质量变化的主要因子,而本研究表明,羊草表型性状对单株质量的影响是一个动态过程,会随生长时期而变化,同时还受土壤养分的影响,施肥量越大,表型性状对单株质量的贡献率越趋于平均化。不过从整体上看,羊草各表型性状对单株质量的影响程度依然有大小之分,整体顺序为叶性状＞株高＞茎性状,这与无机肥对比试验结果(株高＞叶性状＞茎性状)略有不同[21],究其原因可能有两点:一是有机肥肥效的即时性低于无机肥;二是有机肥的供肥能力远高于无机肥。研究表明,土壤氮素会直接影响植物的伸长生长[34],土壤有效氮含量又与羊草株高呈正相关关系[35],当土壤中加入相对充足的无机氮时,羊草高度在短时间内会有明显增加[19-20],因此添加无机肥会使羊草株高对单株质量的贡献率高于其他功能性状。虽然有机肥有效氮释放的即时性不及无机肥,但它却扩大了土壤的供肥容量,除可以为土壤提供氮、磷等元素以外,有机肥也可以提高土壤总碳和有机质的含量,还可以增加土壤中有益微生物群落的多样性及其代谢活力,加速有机质的分解、转化和养分释放速率,显著增加羊草的地上生物量[36],尤其对羊草的叶片生物量比例的提升效果明显[11]。通过以上分析可以发现,添加无机肥会增加株高对单株质量的贡献率,而添加有机肥则会增加羊草叶性状对单株质量的贡献率。

4 结论

短期施用有机肥对羊草功能性状变化影响显著,且作用效果主要发生在羊草营养生长后期;同时,施肥水平的高低改变了羊草功能性状之间的相关性,在增加部分功能性状相关性的同时也会减弱某些性状的相关性,整体上呈现一定的平衡关系。有机肥添加可以显著增加羊草单株质量,低水平施肥(有效养分用量 63 kg/hm2)对单株质量提升效果较好;另外,羊草表型性状(叶、茎、株高)对单株质量的贡献率同样受施肥水平影响,随施肥水平的提高,叶性状对单株质量的影响程度逐渐下降,而茎性状所占比重相应增加,最后逐渐趋于均衡,其中株高是驱动羊草单株质量变化的稳定因子。