球果三叶草与一年生黑麦草二元混播体系中的播种量及再播潜力

《Crop, Forage & Turfgrass Management》：Seeding rate and reseeding potential of ball clover in binary mixtures with annual ryegrass

　　

豆科植物可与根瘤菌（rhizobia）形成共生联合体，并固定大气氮（N），在与非固氮物种混播时可向饲草系统提供氮。球果三叶草（BC；Trifolium nigrescens Viv.）是一种冷季一年生豆科植物，因其产生硬实种子而具有较强的再播潜力。研究人员评估了球果三叶草在与一年生黑麦草（RG；Lolium multiflorum Lam.）混播条件下的播种量〔2、4 或 6 lb ac^?1〕，以确定适用于牧草生产体系的最佳播种量，并将这些混播处理与施氮量为 0 或 45 lb N ac^?1 的一年生黑麦草单播进行比较（RG + N）。播种量在建植期及次年均未影响牧草积累量。然而，在建植期，BC + RG 混播的牧草积累量低于 RG + N（1280 vs. ≥2800 lb ac^?1）；而在再播后，BC + RG 混播的牧草积累量高于 RG + N（2900 vs. 1720 lb ac^?1）。混播中生长的 RG 表现出介于 RG 与 RG + N 之间的 δ¹⁵N 值（平均 1.62‰），表明其同时吸收了来源于土壤的氮以及由 BC 固氮转移而来的氮。以 4 或 6 lb ac^?1 的播种量播种 BC，可将草地中豆科比例提高至约 50%，增强生物固氮（BNF；平均 24.8 lb N ac^?1），并使地上部总氮产量与 RG + N 相当。因此，以 4 lb ac^?1 播种 BC 能以较低成本获得与 6 lb ac^?1 相近的效益；而 2 lb ac^?1 则是最具经济性的选择，但其在建植年的三叶草比例较低（30%），生物固氮量也较低（16 lb N ac^?1）。

该研究发表于《Crop, Forage》。研究聚焦于冷季豆科—禾本科混播草地中播种量优化与自我更新能力评价问题。豆科牧草因可与根瘤菌共生并通过生物固氮（BNF，biological nitrogen fixation）向体系输入氮素，常被用于降低化学氮肥投入、改善草地营养价值和维持可持续生产。然而，在实际生产中，禾本科组分尤其是一年生黑麦草（RG）竞争力较强，可能抑制三叶草在群落中的比例，从而削弱豆科贡献的固氮和营养增益。球果三叶草（BC）因其硬实种子比例高、暖季不易萌发、冷季再播能力强，在美国东南部牛肉生产体系中具有潜在应用价值，但其在与 RG 二元混播时，何种播种量最有利于兼顾建植期生产、豆科占比、固氮效应与次年再播后的产量表现，仍不明确。因此，开展该研究旨在为低投入牧草系统提供兼顾生产力与经济性的播种策略依据。

研究人员围绕 BC 与 RG 二元混播体系，比较了 BC 3 个播种量水平，即 2、4 和 6 lb ac^?1，并设置一年生黑麦草单播不施氮和施氮 45 lb N ac^?1 两个对照处理，以系统评估建植期牧草积累量、群落植物学组成、氮素营养特征、生物固氮水平、地上部氮产量以及暖季休眠后再播表现。研究结果表明，BC 播种量并不影响建植期和再播后的总牧草积累量，但显著影响草地中豆科比例和固氮量。与氮肥处理相比，混播体系在建植期产草量较低，但在再播后表现出更高的牧草积累量，显示出豆科基础低投入体系的恢复力与持续性。进一步地，4 和 6 lb ac^?1 的 BC 播种量可将豆科比例提高至约 50%，增强 BNF，并使总地上部氮产量达到与施氮 RG 相当的水平。综合生产表现与成本，4 lb ac^?1 是较优方案，而若目标是较低成本下维持约 30% 豆科比例，则 2 lb ac^?1 亦可接受。该研究的重要意义在于，证实了 BC 在 RG 混播中不仅具有替代部分矿质氮肥的潜力，而且依靠再播能力可在次年维持甚至提升牧草产出，为美国东南部低投入草地管理提供了依据。

研究方法方面，研究人员在美国佛罗里达州 Marianna 的 North Florida Research and Education Center 设置 2 个试验地，于已建植的百喜草地上采用随机完全区组设计，设置 5 个处理、4 次重复。所有处理 RG 播种量均为 20 lb ac^?1，混播处理中 BC 播种量分别为 2、4、6 lb ac^?1。通过样方刈割测定建植期及 Site 1 次年再播后的牧草积累量；通过样品分拣测定植物学组成；采用元素分析仪联用同位素比质谱仪测定氮浓度与稳定氮同位素比值 δ¹⁵N；基于自然丰度法估算大气来源氮比例（%Ndfa，percentage N derived from the atmosphere）与 BNF；并使用 SAS 中 PROC GLIMMIX 进行统计分析。

在结果部分，论文首先以“3.1 Herbage accumulation increased with N fertilization but was unaffected by BC seeding rate”为题，指出建植期牧草积累量受处理和年份显著影响，但不受 BC 播种量影响。RG + N 的积累量最高，达到 2800 lb ac^?1，显著高于其余所有处理；而无论 BC 播种量高低，所有 BC + RG 混播之间均无显著差异，平均仅为 1280 lb ac^?1，且与不施氮 RG 单播相近。年份效应同样显著，2014 年积累量高于 2015 年。研究人员据此指出，矿质氮肥供氮具有更快和更直接的效应，而豆科供氮依赖 BNF 及其后续间接转移过程，因此短期内往往难以满足黑麦草的高峰需氮，从而导致建植期混播处理产量低于施氮单播。

在“3.2 Seeding BC at 4 lb ac^?1 optimizes legume proportion in RG mixtures”部分，研究人员表明虽然不同 BC 播种量并未改变总牧草积累量，但显著影响了群落植物学组成。2 lb ac^?1 处理下，BC 在草地中的比例仅为 32.4%，明显低于 4 和 6 lb ac^?1 的约 47%–48%；相应地，RG 比例在 2 lb ac^?1 处理中更高。杂草比例在各处理中均较低且无差异。该结果说明，提高 BC 播种量有助于克服 RG 在混播中的竞争优势，增加豆科占比；但由于 4 与 6 lb ac^?1 的效果相近，4 lb ac^?1 更具成本效益，且约 50:50 的草豆比例也符合避免反刍动物臌胀风险的管理要求。

在“3.3 Lower BC seeding rate reduced BNF”部分，研究人员分析了 BC 的氮素固定特征。不同播种量下，BC 的氮浓度、δ¹⁵N、地上部氮产量和 %Ndfa 均无显著差异，表明其单位组织氮积累及固氮来源特征基本稳定，平均 %Ndfa 高达 95%。但 BNF 显著受播种量影响，2 lb ac^?1 处理的 BNF 为 16.3 lb N ac^?1，低于 4 和 6 lb ac^?1 处理的约 24.5–25.1 lb N ac^?1。研究人员指出，BNF 是 %Ndfa 与豆科地上部氮产量的乘积，因此较低播种量导致的豆科比例下降，是其固氮总量较低的主要原因，而非豆科固氮能力本身下降。

在“3.4 RG benefited from BC's BNF”部分，论文讨论了 BC 固氮对伴生 RG 的影响。RG 氮浓度在处理间无显著差异，但 δ¹⁵N 和地上部氮产量存在显著差异。混播中 RG 的 δ¹⁵N 处于施氮单播与不施氮单播之间，说明其氮源同时来自土壤和由 BC 固氮转移而来的氮。这一结果基于稳定同位素示踪证实了混播体系中豆科向禾本科的氮转移。尽管如此，RG + N 的地上部氮产量仍约为其他处理的 3 倍，说明来自 BC 的氮贡献不足以在建植年达到 90 lb ac^?1 矿质氮肥的供氮水平，且混播中 BC 占据一定群落比例，也相对降低了 RG 组分本身的氮产出。

在“3.5 Total shoot N yield”部分，研究人员进一步比较了总地上部氮产量。结果显示，不施氮 RG 单播最低；RG + 2 lb BC 处于中间水平；而 RG + N、RG + 4 lb BC 与 RG + 6 lb BC 三者最高且彼此无差异，均约为 44 lb N ac^?1。这意味着尽管 BC + RG 混播在建植期的干物质积累量低于 RG + N，但由于 BC 的氮浓度较高，混播特别是 4 和 6 lb ac^?1 处理在单位面积总氮产出上能够与施氮处理相当，从饲草粗蛋白供给角度看具有显著替代价值。由此再次支持 4 lb ac^?1 作为提高单位面积氮产出的经济适宜播种量。

在“3.6 Post-reseeding herbage accumulation of BC-RG mixtures”部分，研究人员评估了 Site 1 暖季休眠后次年的再播表现。结果显示，不同 BC 播种量之间再播后的牧草积累量仍无显著差异，平均为 2900 lb ac^?1；但与建植年不同，所有 BC-RG 混播处理的产量均显著高于两种 RG 单播处理，后者平均仅为 1620 lb ac^?1。论文特别指出，再播年 RG + N 未追加施氮，因此混播体系更高的积累量可能与前期固氮残效以及 BC 持续存在有关。这表明 BC 的再播特性能够增强草地系统在低投入条件下的持续生产能力。由于 2、4、6 lb ac^?1 在再播后产量无差别，若仅以再播后产量最大化和种子成本最小化为目标，则 2 lb ac^?1 已足够。

论文讨论部分总体强调，BC 与 RG 混播的优势并不主要体现在建植期干物质快速积累，而是体现在豆科提高群落氮素输入、增加总地上部氮产量以及依赖硬实种子实现再播后的高产与韧性。研究人员认为，RG 在混播中的中间 δ¹⁵N 特征清晰表明了豆科向禾本科的氮转移存在；同时，BC 播种量增加虽未提高总干物质产量，却提高了豆科比例和 BNF，使 4–6 lb ac^?1 的处理在总氮产量上达到施氮水平。论文也指出，关于 BC 在放牧条件下的群落持久性和再播频率，仍需长期研究加以验证。

研究结论部分可译为：当球果三叶草与一年生黑麦草混播时，球果三叶草播种量不会影响建植期或再播后的牧草积累量。然而，与 RG + N 相比，BC + RG 混播在建植期的牧草积累量较低，而在再播后更高，表明其在低投入豆科型饲草系统中具有较强韧性。尽管所有混播处理中 RG 均可从豆科获得氮转移，这一点已由其 δ¹⁵N 特征所证实，但以 4 或 6 lb ac^?1 播种 BC 可将豆科比例提高至约 50%，增强 BNF，并在建植年获得与施用 45 lb N ac^?1 矿质氮肥的 RG 相当的总地上部氮产量。虽然这些差异并未转化为再播后牧草积累量的差异，但 4 lb ac^?1 的播种量已足以优化三叶草比例与 BNF。总体而言，在 RG 混播体系中，以 2–4 lb ac^?1 播种 BC 是兼具效率与经济性的方案；若目标是使豆科在草层中占比约 30%，则 2 lb ac^?1 已可满足要求。未来仍需长期研究，以评估放牧条件下 BC 草地的持久性与补播频率。