多物种草地可持续生产研究：减氮施肥下维持牧草产量与品质的农场实证

《Plant and Soil》：Multispecies grasslands sustain on-farm forage productivity and quality while reducing nitrogen fertilizer inputs

本期推荐一篇来自《Plant and Soil》的前沿研究。为解决集约化草地管理依赖高氮肥导致的生态问题，研究团队在12个农场对比了永久草地、多物种草地和半自然草地三种管理方式。结果表明，多物种草地在减施50%氮肥(150 vs 300 kg N ha-1)条件下，通过豆科植物固氮作用可实现与高氮永久草地相当的干物质产量和饲用品质，同时增强干旱年际稳定性，为可持续畜牧业提供了实践方案。

　　

在全球畜牧业持续集约化的背景下，温带草地管理日益依赖多年生黑麦草（Lolium perenne L.）单作体系，这种模式虽然能获得高产，但需要大量施用氮肥（N）来维持生产力。过度依赖氮肥不仅增加农业生产成本，更导致一系列环境问题：化肥生产消耗化石能源、排放温室气体氧化亚氮（N₂O）和氨气（NH₃

一种被广泛探讨的解决方案是增加草地植物多样性。理论上，多样化种植可通过物种间的互补效应提升资源利用效率，例如豆科植物能够通过生物固氮作用为系统提供天然氮源。目前主要的多样化路径包括两种：一种是退化为半自然草地，虽生物多样性高，但产量和饲用品质较低；另一种是播种多物种草地（含禾本科、豆科和杂类草），试图兼顾生态功能与生产目标。然而，多数现有研究是在试验站控制条件下进行，难以反映真实农场的异质性与管理差异。尤其缺乏在不同氮肥水平下，系统比较永久草地、多物种草地和半自然草地的长期实证。

为此，来自瓦赫宁根大学与路易斯波克研究所的研究团队在荷兰东部12个农场开展了为期两年（2021–2022）的实地试验。研究团队选取三种典型草地管理类型：以多年生黑麦草为主的永久草地（PG）、播种不少于8种禾草、豆科与杂类草的多物种草地（MSG），以及高度多样化但不施肥的半自然草地（SNG）。每种类型设不同氮肥处理（0、150、300 kg N ha^-1），系统监测其植物组成、干物质产量、氮产量、粗蛋白含量和有机物消化率等指标。

主要关键技术方法包括：在农场现有草地上设置围栏试验小区，进行分区氮肥梯度处理；使用割草机按农事习惯刈割，测定干物质产量与氮含量；采用植物盖度等级法调查物种组成与功能群比例；通过无氮区氮产量与土壤氮供应关系模型估算生物固氮量；利用线性混合模型分析管理类型、氮肥与年份的交互效应。

植物组成差异显著

试验初期植被调查显示，半自然草地物种丰富度（29种）和有效物种数（19种）显著高于多物种草地与永久草地。多物种草地豆科植物盖度最高，主要以白三叶草（Trifolium repens）和红三叶草（T. pratense）为主；永久草地则以多年生黑麦草为绝对优势种。这一背景为后续产量与品质差异提供了植物群落基础。

多物种草地实现“半氮等高产”

在正常气候的2021年，多物种草地在150 kg N ha^-1氮肥水平下干物质产量与永久草地在300 kg N ha^-1处理下无显著差异；而在干旱炎热的2022年，多物种草地在各氮肥水平下产量均高于永久草地。这表明多物种草地在减施50%氮肥的情况下仍能维持目标产量，其主要机制在于较高的豆科比例与生物固氮量。据估算，多物种草地无氮区的生物固氮量是永久草地的7倍，每吨豆科干物质可固定约53 kg氮。

氮肥抑制豆科比例与固氮能力

随着氮肥用量从0增至300 kg N ha^-1，多物种草地中豆科植物比例下降约40%（2021年）和20%（2022年），杂类草比例也显著降低，禾草比例上升。这表明高氮环境不利于豆科植物持久存在，进而影响系统自供氮能力。优化氮肥用量以维持豆科比例成为多物种草地管理的关键挑战。

饲用品质表现优异

在多物种草地中，粗蛋白浓度在无氮条件下比永久草地高10%–20%，在150–300 kg N ha^-1处理下与永久草地持平；有机物消化率两者无显著差异。这表明引入豆科和精选杂类草（如菊苣Cichorium intybus、长叶车前Plantago lanceolata）不仅能维持，甚至能提升饲草营养价值。相比之下，半自然草地因延迟刈割和低养分供应，粗蛋白和消化率均显著较低。

抗旱稳定性凸显优势

2022年高温干旱导致所有草地类型减产，但多物种草地的干物质产量降幅（3.2±0.3 Mg/ha）显著小于永久草地（4.3±0.3 Mg/ha），氮产量降幅也仅为后者的一半。这表明多物种草地在年际气候波动中表现更稳定，其物种互补与深根植物（如菊苣、车前）的存在可能提升水分利用效率，为应对极端气候提供缓冲机制。

生物多样性与生产效益的权衡

半自然草地虽具有最高物种多样性，但其干物质产量不及多物种草地的三分之一，粗蛋白和消化率也最低。这说明在农业景观中，单纯追求物种数量最大化会牺牲生产性能；而多物种草地则在多样性、产量和品质间取得较好平衡，更适宜作为生产性农场的生态集约化选择。

本研究通过农场尺度实证表明，从永久草地转向多物种草地是一种可行的可持续集约化路径。该体系能在减少50%氮肥用量条件下保持高产优质，并提升系统对干旱胁迫的抵抗能力。研究也指出，多物种草地需定期更新以维持豆科比例，未来应重点研究如何通过钾肥调控、刈割制度与品种选配延长豆科与杂类草的持久性。这一成果为畜牧业农场在维持生产的同时提升生态系统服务提供了实践依据，对推动农业绿色转型具有重要参考价值。