半寒带栽培禾草-三叶草混播体系中深层氮获取、超产效应与垂直生态位分化研究

《Plant and Soil》：Deep N acquisition, overyielding and vertical niche differentiation in hemiboreal cultivated grass-clover mixtures

本研究针对高蛋白饲草生产与氮素高效利用的需求，探讨了禾草-三叶草混播体系对深层土壤氮素（15NH4+）的回收能力及其超产机制。结果表明，混播体系在生物量（+11%）、总氮量（+24%）及深层15N回收率（+17%）上均实现超产，尤其在秋季表现显著。研究证实了垂直生态位分化的存在，并揭示了物种特异性响应，为减少氮淋失、提升草地生态系统生产力提供了理论依据。

　　

在追求农业可持续发展的今天，如何生产出高品质、高蛋白含量的饲草，同时实现氮素的高效利用并减少其对环境的负面影响，是全球农业科学家面临的一大挑战。将不同物种进行组合，特别是将禾本科牧草与具有生物固氮能力的豆科三叶草进行混播，被认为是提高资源捕获效率、增强系统抗逆性的有效途径。这种生物多样性的积极效应，常常体现在混播草地的产量超过其各组分在单播时的加权平均产量，即所谓的“超产”现象。然而，这种超产现象背后的机制，尤其是植物根系在土壤中如何“分工合作”以获取不同深度的养分，特别是对易淋失的氮素的利用，仍然是一个有待深入探索的黑箱。理论上，将具有不同根系深度的物种组合在一起，可以促进“垂直生态位分化”，即不同物种的根系活动主要集中在不同土层，从而更充分地利用整个土壤剖面的养分。但这在真实的农田环境中是否发生？豆科植物为禾草提供的氮素营养，是会抑制还是促进禾草向深层土壤“探索”以获取氮素？这些问题在以往的研究中并未得到清晰的解答。

为了回答这些问题，由挪威大学生命科学学院的Erin Byers、Peter Dorsch、Susanne Eich-Greatorex和Marina Azzaroli Bleken组成的研究团队，在典型的半寒带气候区（挪威南部）进行了一项精细的田间试验。他们的研究成果以“Deep N acquisition, overyielding and vertical niche differentiation in hemiboreal cultivated grass-clover mixtures”为题，发表在植物与土壤科学领域的知名期刊《Plant and Soil》上。该研究创新性地使用了一种缓释的¹⁵NH₄⁺标记物，将其深施于土壤42厘米处，然后追踪了在两个禾草-三叶草混播组合以及相应物种单播草地中，一个生长季及次年春季共四次刈割期间，植物对这部分深层氮素的吸收情况，从而揭示了混播体系在氮素利用方面的优势及其内在机制。

本研究的关键技术方法主要包括：1) 田间试验设计：在挪威As的研究农场建立长期单播与混播草地小区，供试物种包括梯牧草（Phleum pratense）、多年生黑麦草（Lolium perenne）、高羊茅（Schedonorus arundinaceus）、草地羊茅（Schedonorus pratensis）、肯塔基蓝草（Poa pratensis）、红三叶草（Trifolium pratense）和白三叶草（Trifolium repens）等；2) ¹⁵N标记技术：在春季生长开始前，将吸附有高丰度（98 atom%）¹⁵NH₄⁺的斜发沸石缓释标记物深施（41-43厘米）于土壤中；3) 植物样品分析：按次刈割草地，分物种收集样品，测定干物质产量、全氮含量和¹⁵N丰度，计算氮素吸收与¹⁵N回收率；4) 数据分析：通过计算超产、多样性效应、相对干物质回收率（RDM）和相对深层吸收指数（RDUI）等指标，评估混播效应和生态位分化。

混播体系的超产表现

研究结果显示，在整个生长季（H1-H3），两个禾草-三叶草混播体系（Mix 4和Mix 10）在生物量干重、氮素总产量以及深层¹⁵N回收量上均表现出显著的正超产效应。具体而言，混播体系整体生物量比预期值高出约10%，氮产量高出约25%，而对深施¹⁵N的回收量更是高出预期16%。尽管混播体系未能超越当年表现最好的单播物种（例如梯牧草在¹⁵N回收上），但它们成功地将高生物量、高氮产量和高深层氮回收这三个优良特性结合于一体，这是任何单一物种都无法同时实现的。特别值得注意的是，超产效应具有明显的季节性变化。深层¹⁵N回收的超产在秋季（H3）达到顶峰，Mix 4和Mix 10分别比预期高出62%和47%，其超产幅度甚至超过了氮产量和生物量的超产幅度。这表明，随着生长季的推进，混播体系在回收深层氮素方面的优势愈发凸显。

物种多样性效应及其贡献

超产是混播中各物种“多样性效应”总和的结果。分析表明，不同物种对超产的贡献模式各异。多年生黑麦草和红三叶草对混播的生物量和氮产量超产贡献最大。然而，在深层¹⁵N回收方面，情况则有所不同：多年生黑麦草、高羊茅和草地羊茅表现出正的多样性效应，即它们在混播中吸收的深层¹⁵N超过了基于其单播表现的预期值；而红三叶草和梯牧草则表现出负的多样性效应，意味着它们在混播中对深层氮的回收相对减弱。肯塔基蓝草和白三叶草由于在混播中占比很小，其效应不显著。这种物种特异性的响应说明，不能简单地根据物种在单播中的表现来预测其在混播中对深层养分的利用行为。

垂直生态位分化的证据

为了探究深层氮吸收变化的内在机制，研究人员引入了相对深层吸收指数（RDUI），该指数反映了植物吸收的深层氮占其总氮吸收的比例变化。分析发现，高羊茅在混播中表现出明显的正向RDUI多样性效应，尤其是在夏季和秋季，这表明其氮吸收活动向更深层土壤偏移，即存在向更深层生态位分化的趋势。与之相反，梯牧草和肯塔基蓝草则表现出负向的RDUI效应，意味着它们的氮吸收更倾向于浅层土壤。多年生黑麦草和草地羊茅的RDUI响应则因生长季和混播组合而异。重要的是，对于多年生黑麦草和草地羊茅而言，深层¹⁵N吸收的增加往往伴随着植株全氮浓度的显著提升，这表明豆科植物带来的氮素营养改善并未抑制这些禾草对深层氮的获取，反而可能促进了其生长活力，从而增强了总的氮吸收能力，包括对深层氮的吸收。这一发现反驳了“改善氮营养会抑制深层氮吸收”的假设（假设3b），而支持了“垂直生态位分化促进深层氮回收”的假设（假设3a）。

讨论与结论

本研究通过精妙的田间¹⁵N示踪实验，有力地证实了在半寒带气候条件下，禾草-三叶草混播体系不仅能够实现生物量和氮产量的超产，还能显著提高对深层土壤氮素的回收能力。这种深层氮回收的超产效应在秋季尤为突出，对于减少生长季末期及冬季的氮素淋失风险、降低温室气体N₂O的排放潜力具有重要的环境意义。

研究的深入之处在于揭示了超产和深层氮吸收增强的物种特异性机制。豆科植物通过生物固氮为系统提供了大量氮素，显著提高了禾草的全氮浓度，但这种氮营养的改善并未普遍抑制禾草对深层氮的探索。相反，具有较强氮竞争能力的物种如多年生黑麦草，能够将增强的生长活力与深层氮吸收结合起来，成为混播体系超产的主要驱动力。而根系在单播中表现深扎的高羊茅，在混播竞争压力下确实显示出向更深层土壤获取氮素的生态位分化迹象。然而，在单播中深层氮回收能力很强的梯牧草，在混播中却表现出了对浅层氮源的偏好。这清楚地表明，物种在混播中的行为不能由其单播表现简单推断，种间相互作用（如竞争和促进）深刻地改变了植物的养分获取策略。

此外，研究还观察到混播对某些物种的“促进”作用，例如越冬性较差的多年生黑麦草在混播中存活得更好，这体现了生物多样性在增强系统恢复力方面的价值。

综上所述，这项研究强调了在禾草-三叶草混播体系中，通过选择恰当的物种组合，可以协同实现高产、优质（高蛋白）和环境友好（减少氮淋失）的多重目标。选择合适的物种和品种至关重要，其功能性状在混播中的表现可能与其在单播中截然不同。本研究为半寒带地区草地农业的可持续集约化管理提供了宝贵的科学依据，也展示了缓释¹⁵N标记技术在揭示地下生态过程方面的强大潜力。未来研究应进一步关注深层氮吸收动态的季节性规律及其对氮素循环全过程的影响。