氮肥对盘江白刺花和王草不同种植模式下根茎叶中氮磷钾生态化学计量特征的影响

张宇君， 王普昶， 龙忠富， 丁磊磊， 张 文

(贵州省农业科学院草业研究所，贵州 贵阳 550006)

生态化学计量学在植物生态学领域研究中应用广泛，是1门融合了生态学、化学、土壤学等多学科，主要用于探究生命系统不同层次能量及多重化学元素平衡的科学[1，2]。生态化学计量比主要用于限制性元素的判断和养分利用效率的分析，反映不同营养元素在植物各组织器官中的分配状况，而化学元素的变化对植物群落结构、养分利用率及生产力等会产生影响[3～7]。氮(N)、磷(P)、钾(K)不仅是植物生长发育过程中不可或缺的营养元素，而且其含量分布及生态化学计量特征可以有效反映植物对不同器官营养元素的分配和相互作用关系，对于判断限制性营养元素、养分利用情况等具有重要作用[8～10]，是当前生态学研究的热点。本研究以饲用植物盘江白刺花和王草为研究对象，对其单作和间作模式下采取不施氮、中氮、高氮3个施氮浓度处理，比较根、茎、叶的N、P、K含量及生态化学计量比，分析不同种植模式下根、茎、叶的养分含量、变化特征和分配规律，揭示其限制性营养元素，以期为灌草间作模式和大田管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况试验区在贵州省黔南布依族苗族自治州独山县贵州草业研究所试验基地，位于东经107°33′33″～107°33′39″，北纬25°51′33″～25°51′51″，平均海拔980 m，属亚热带季风湿润气候，年平均气温15 ℃，年降雨量1 429.9 mm，无霜期297 d，日照充足(年日照时数1 100～1 300 h)，四季分明，具有高原冷凉型气候特点。土壤类型属于黄壤土，理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质

1.2 试验材料盘江白刺花为贵州省草业研究所选育的野生栽培品种(2016年通过全国草品种审定委员会审定，登记号：510)，王草为“热研4号王草”，均来源于贵州省草业研究所。

1.3 方法

1.3.1 分组与采样2019年4月，在试验区分别设置不施氮(0 kg/hm2)、中氮(150 kg/hm2)、高氮(300 kg/hm2)3种施氮处理，以及盘江白刺花单作、王草单作、盘江白刺花与王草间作3种种植模式，每个处理组设置3次重复，共计27块试验田，每块试验田面积33 m2。单作和间作的种植密度均为1株/m2，各处理组的生态条件及田间管理措施均一致。 2020年11月初，在各试验田内各选择3个面积为2 m×2 m的样方，在每个样方中采集3株生长良好、大小一致的同类植物的根、茎、叶作为检测样品。其中根系取样以植株为中心，0.5 m为半径，挖取深度为50 cm、宽度为50 cm的土壤剖面，采集剖面中的所有根系，清理土壤和杂物。

1.3.2 样品处理与测定将新鲜植物样品进行称重并记录，用去离子水洗净，放置于105 ℃烘箱中杀青30 min，75 ℃烘干至恒重，用高速粉碎机粉碎，过孔径0.15 mm筛，分别装袋编号。干样经H2SO4-H2O2处理，分别采用凯氏定氮法测定全N，采用钼锑抗比色法测定全P，采用火焰分光光度法测定全K[11]。各指标重复测定3次，取平均值。

1.3.3 数据统计采用Excel 2019进行数据统计，根、茎、叶的N、P、K含量及其化学计量比[氮磷比(N∶P)、氮钾比(N∶K)、钾磷比(K∶P)]采用K-S检验进行单因素方差分析，LSD检验差异显著性。变异系数(CV)=标准差÷平均值×100%。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式各处理组的N、P、K含量由图1 A、B、C可见：盘江白刺花根、茎、叶的N含量在不施氮及高氮处理下间作高于单作，但差异不显著(P>0.05)，中氮处理下则相反；王草根、茎、叶的N含量在不施氮与中氮处理下间作显著高于单作(P<0.05)，高氮处理下则相反。由图1 D、E、F可见：盘江白刺花根、茎、叶的P含量在不施氮、中氮、高氮处理下间作显著高于单作(P<0.05)，不施氮处理下茎的P含量除外；王草根、茎、叶的P含量在不施氮、中氮、高氮处理下间作显著高于单作(P<0.05)，中氮和高氮处理下根的P含量除外。由图1 G、H、I可见：盘江白刺花根、茎、叶的K含量在中氮及高氮处理下间作显著高于单作(P<0.05)，不施氮处理下则相反；王草茎的K含量在不施氮与中氮处理下以及叶的K含量在高氮处理下均为间作低于单作，其余处理间作均高于单作。盘江白刺花间作与王草间作相比较，除中氮、高氮处理下叶的P含量及高氮处理下K的含量外，根、茎、叶的N、P、K含量均为：盘江白刺花间作>王草间作。

图1 不同种植模式各处理组的N、P、K含量注：各图柱上字母相同表示差异不显著(P>0.05)，字母不同表示差异显著(P<0.05)。下图同

2.2 不同种植模式各处理组的生态化学计量特征由图2 A、B、C可见：在3种不同施氮处理下，盘江白刺花单作、盘江白刺花间作、王草单作、王草间作根、茎、叶的N∶P差异较大，盘江白刺花单作和盘江白刺花间作根、叶的N∶P均显著高于王草单作和王草间作(P<0.05)。不施氮处理下，盘江白刺花间作茎的N∶P显著高于其他种植模式(P<0.05)；中氮处理下，盘江白刺花单作茎的N∶P显著高于其他种植模式(P<0.05)；高氮处理下，王草单作茎的N∶P 显著高于其他种植模式(P<0.05)。从总体上看，盘江白刺花间作和单作根、茎、叶的N∶P均显著高于王草。由图2 D、E、F、G、H、I可见：不施氮处理下，盘江白刺花间作根、茎、叶的N∶K显著高于其他种植模式(P<0.05)；中氮处理下，盘江白刺花单作根、茎、叶的N∶K显著高于其他种植模式(P<0.05)；高氮处理下，盘江白刺花单作与间作根、茎、叶的 N∶K 差异不显著(P>0.05)，但二者根、叶的N∶K 均显著高于王草(P<0.05)。从总体上看，盘江白刺花间作和单作根、茎、叶的N∶K均高于王草。不施氮处理下，王草单作根、茎、叶的K∶P差异均显著(P<0.05)；中氮和高氮处理下，不同种植模式K∶P差异不显著(P>0.05)。

图2 不同种植模式各处理组的生态化学计量特征

2.3 各处理组测定指标的变异系数由表2可见：盘江白刺花单作、盘江白刺花间作、王草单作、王草间作根、茎、叶的N、P、K含量及其生态化学计量比的变异特征不同。相同施氮处理下，根、茎、叶的N含量变异系数均低于10%，P含量变异系数均低于22%，K含量变异系数均低于7%。从整体上看，根、茎、叶的P含量变异系数高于N、K的变异系数，其中高氮处理下盘江白刺花间作茎的P含量变异系数高达21.24%。相同施氮处理下，根、茎、叶的N∶P变异系数均低于22%，N∶K变异系数均低于9%，K∶P变异系数均低于22%，其中高氮处理下盘江白刺花间作茎的N∶P变异系数高达21.84%。说明该试验区的盘江白刺花和王草不受K限制。

表2 各处理组测定指标的变异系数

3 结论

盘江白刺花根、茎、叶的N含量在不施氮及高氮处理下间作显著高于单作，中氮处理下则相反；王草根、茎、叶的N含量在不施氮与中氮处理下间作显著高于单作，高氮处理下则相反。盘江白刺花和王草的生长主要受N元素限制，在盘江白刺花与王草间作的大田管理中可适当增施氮肥。

4 讨论

4.1植物根、茎、叶中的N、P、K含量可用于判断植物的营养状况及其养分利用情况[8，12～14]。本研究发现，盘江白刺花根、茎、叶的N含量在不施氮及高氮处理下间作显著高于单作，中氮处理下则相反；王草根、茎、叶的N含量在不施氮与中氮处理下间作显著高于单作，高氮处理下则相反。分析原因是由于盘江白刺花作为豆科植物，其根瘤菌具有较强的固氮能力，在高氮情况下能够充分利用土壤中的N元素，从而增加植株体内的N含量[15]。而王草是禾本科植物，不具备固氮功能，自身不能大量利用土壤中的N肥，因此在高氮处理下表现出相反的变化趋势。叶片是植物重要的营养储存和同化器官，通过根、茎转移运输流动性N元素以满足生长需要，故叶片中N的贮量较充足[16～19]。根是吸收外界营养物质和水分的主要器官，通过由下至上的疏导作用将营养物质及水分运输到植物的各个组织，以保证植物正常的生长需要，因此根中的N、P、K元素含量相对稳定[20～22]。

4.2N、P、K是影响植物生长发育的主要限制性元素，N∶P、N∶K、K∶P则是植物营养元素是否受到限制的判断指标[23，24]。植物组织器官的N∶P既可判断植物受土壤养分限制的阈值，又可反映土壤对植物的养分供应情况，是决定植物群落结构和功能的重要指标。N∶P<14，表明植物生长主要受N限制；N∶P>16，表明植物生长主要受磷限制；N∶P=14～16，表明植物受N和P的共同限制[25～29]。本试验表明，盘江白刺花单作、盘江白刺花间作、王草单作、王草间作的根、茎、叶在不同施氮水平下绝大部分数据表现为N∶P<14，说明盘江白刺花和王草生长主要受N元素限制。因此，在盘江白刺花与王草间作的大田管理中可适当增施氮肥。另外，盘江白刺花根、茎、叶的N∶P、N∶K也显著高于王草，表明在土壤N限制的处理下，其根系(因根瘤菌的存在)具有更强的N吸收能力。