豆-禾混播草地中紫花苜蓿比例对其固氮效率的影响及潜在生理机制

【目的】 通过研究豆草比例对紫花苜蓿-羊草混播草地豆科植物生物固氮的影响及其生理生态机制,深化对混播群落结构和生物固氮功能关系的理解,辅助豆-禾混播草地的科学建植和管理,提高混播草地生物固氮和土壤肥力,提升草地资源生产和生态保障能力。【方法】 2017年5月,利用紫花苜蓿和羊草为试验材料,采取随机区组设计,于中国科学院长岭草地农牧生态研究站内建植不同豆草比例（紫花苜蓿占比为25%、50%、75%、100%）的紫花苜蓿-羊草混播草地,4次重复。建植一年后,通过样方取样法调查混播草地群落结构变化,测定紫花苜蓿叶片、枝条和根系生长发育、光合和水分等生理代谢特征,在测定根系结瘤特征基础上,采取¹⁵N同位素自然丰度法评估紫花苜蓿固氮效率,结合土壤水分动态监测,分析豆草比例对紫花苜蓿生物固氮的影响及其生理生态机制。【结果】 （1）混播草地建植一年后,对应25%、50%、75% 和100%设计的豆草混播比例,混播草地实际紫花苜蓿占比分别为11%、27%、53%和100%。（2）对比25%、75%和100%的初始豆草种植比例,50%的初始豆草比例下,生长季平均土壤水分含量分别增加了21.4%、36.4%和51.7%。（3）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿植株有更大的枝条和根系生物量、叶片数量、叶片面积、叶片厚度和叶片生物量,上述指标最小值出现在100%的豆草播种比例。（4）50%豆草种植比例下,紫花苜蓿具有最大的光合速率,枝条和根系中淀粉含量最高,但枝条和根系中可溶性糖含量最低。（5）50%的初始豆草混播比例下,紫花苜蓿根瘤发育更完善,其生物固氮率较25%、75%和100%的豆草混播比例分别提高了13.5%、44.6%和79.2%。回归分析表明,随豆草比例变化,紫花苜蓿生物固氮效率与土壤含水量呈正相关。【结论】 紫花苜蓿-羊草混播草地中,紫花苜蓿生物固氮能力与豆草比例间存在非直线型变化关系。当初始豆草种植比例为50%时,紫花苜蓿生物固氮率最大。豆草比例驱动土壤水分变化,进而通过调控叶片发育和光合等途径改变了紫花苜蓿植株和根瘤发育,是其影响生物固氮的潜在机制。     

草地划区轮牧饲养原则及设计

为了推进北方草地可持续集约放牧饲养管理,促进完善划区轮牧实验设计及目的,本文总结了放牧国际划区轮牧的10条原则:单位时间的产草量确定载畜率,拔节期指示春季放牧开始时间,开始恢复再生的时间决定放牧时间天数,放牧间隔日数决定放牧频次,计算确定区块数及区块面积,满足牲畜采食行为,充分利用饲草质量和营养,保证牲畜饮水充足,环境友好、易执行、可操作、有弹性。在此基础上,设计了1个划区轮牧实践参考方案,并论述了划区轮牧目标及管理评价标准,讨论了1条北方草地可持续集约养羊畜牧业的发展途径。     

科尔沁沙地灌丛内外草本植物狗尾草叶性状的比较研究

对科尔沁沙地小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛内部和外部草本植物狗尾草(Setarria viridis)的主要叶性状比叶面积(SLA)、叶干物质含量(LDMC)、叶面积(AR)、叶干重(DM)、叶厚度(TH)、叶氮含量(LNC)以及叶磷含量(LPC)的变异特征进行了研究。结果表明,灌丛内外狗尾草叶性状各因子间差异较大,与灌丛外部相比,灌丛内部狗尾草的比叶面积、叶面积、叶干重和叶氮含量分别增加了47.9％,115.2％,56.3％和63.3％。而叶干物质含量、叶厚度和叶磷含量分别下降了22.1％,24.0％和34.6％,说明灌丛引起的微环境的改变影响了狗尾草的生长。所研究的叶性状因子中变异最大的是叶面积,说明狗尾草可能通过增加光合作用的叶面积以适应灌丛内部遮荫引起的光合速率的下降。叶氮含量和叶磷含量在灌丛内外的变化趋势完全相反,说明灌丛遮荫对狗尾草的养分吸收及分配产生影响,而叶氮含量在灌丛内部增加显著,可能是灌丛肥岛和遮荫的交互作用所导致。     

草地放牧饲养要素分析

饲养牲畜是草地放牧的目标,放牧饲养牲畜是草地饲草资源利用的最有效途径。放牧饲养要素包括草地生产率、适宜载畜率、饲草质量、牲畜生长需要和采食量及放牧方式。本文对这些要素进行了归纳分析,目的在于推进发展草地放牧饲养理论并推导草地生产和保护性利用的关键技术。本文介绍了草地生产率研究方法、适宜载畜率确定标准、划区轮牧区块数计算方法及间歇休牧期和放牧期确定方法。草地放牧饲养理论：基于土壤和气候,改善草地生产和饲草质量,制定适宜载畜率,确定合理放牧方式,满足放牧牲畜最佳生长需要,并维持草地健康,实现“双赢”或“三赢”。草地保护性利用关键技术：放牧场或割草场施肥,调整适宜的载畜率,延迟放牧及间歇休牧,确切的划区轮牧体系,放牧场和割草场等量配置,二时段饲养模式。     

不同苜蓿品种再生特性的研究

对4个苜蓿品种进行不同频次的刈割处理,结果表明,在我国北方地区,黄花苜蓿和杂花苜蓿每年适合刈割2次,此时,地上生物量和粗蛋白质产量均达到最大值;而紫花苜蓿刈割2或3次均可,地上生物量和粗蛋白质产量在刈割2和3次之间差别不大,但明显高于刈割1和4次处理;不同苜蓿品种的粗蛋白质含量与形态发育阶段之间均呈极显著的二次相关,均表现为先下降后上升的趋势。此外,通常认为的黄花苜蓿比紫花苜蓿粗蛋白质含量高,并非是由物种的差异引起的,而主要是由收获时生育阶段的差异引起的。     

三种一年生藜科沙生植物出苗对沙埋深度和水分条件的响应

通过盆栽控制试验,研究了沙米、大果虫实和长穗虫实3种一年生沙生植物在4个模拟降水水平(A、B、C和D)和6种埋深水平(0,10,20,30,40和50 mm)的出苗情况。结果表明,3种植物种子均没有休眠现象。沙米和长穗虫实均在10 mm埋深处的出苗率最大,而大果虫实在30 mm埋深处的出苗率最大,沙米、大果虫实和长穗虫实,各降水处理的平均出苗率分别为50.63％,77.29％和75.21％。在沙土表面的种子,沙米萌发受强烈抑制,而其余2种植物在降水较多的A、B和D处理下萌发较多但成苗较少。这3种植物耐埋深的大小依次为:大果虫实>沙米>长穗虫实。降水量越大,其出苗率越高,沙米和大果虫实单次强降水下其种子出苗率大于等量的多次少量降水的积累,但是长穗虫实相反。这表明在干旱半干旱沙地,降水是调节季节性种子出苗最重要的决定因素,种子在沙土中的垂直分布决定了降水后种子萌发的比例并有助于维持土壤种子库。     

灰绿藜叶特性对光照、营养和萌发时间的响应

研究了不同光照、营养、萌发时间下灰绿藜的比叶面积(specific leaf area,SLA)和叶干物质含量(leaf dry matter content,LDMC)的变化.结果表明,除营养对LDMC外,不同条件对SLA和LDMC都影响显著(P＜0.01);早萌发对灰绿藜生长更有利;与许多研究结果一样,低营养下SLA小,高营养下SLA大;叶片的SLA与LDMC之间呈显著负相关.     

种群密度对沙米异速生长的影响

植物各器官之间的异速生长关系决定了植物的生活史对策,进而影响种群内个体之间的共存和生物多样性的维持。传统方法无法区分植物性状对其的响应是环境造成的,还是由于个体大小差异造成的,而异速生长分析能够解决这一问题。为此,本研究利用异速生长分析方法,通过模拟沙米在退化草地恢复过程中不同的种群密度(16, 44.4, 100和400株/m²),研究其各器官之间的异速生长关系。结果表明,沙米各器官之间都具有显著的异速生长关系:其中根和地上、根和主茎、叶和根、主茎和地上等器官生物量之间的变化不随种群密度的变化而变化,属于表观可塑性;根和茎、茎和地上、叶和茎等器官生物量之间的异速生长及生物量比值均受种群密度的显著影响,属于真正可塑性,这表明种群密度变化的确影响了沙米的生长变化。研究同时发现,沙米叶和地上生物量之间的异速指数仅在44.4株/m²种群密度下接近于0.75,即叶生物量与个体大小呈3/4次幂关系,符合生态代谢理论,而在其他密度时异速指数与0.75有显著差异(P<0.001),表明环境变化可能会导致沙米生长策略发生改变。种群密度对沙米繁殖和其他器官之间的异速生长关系影响不显著,表明在不同种群密度下,沙米仍保持相同的繁殖策略;然而种群密度在沙米生育期对繁殖和其他器官之间的异速常数和个体大小均产生了极显著的影响。因此,在探讨繁殖器官与个体大小的关系时,还需要关注植物生育期的变化,只有生育期相同的时候,才能比较不同研究之间的差异。     

黄花苜蓿形态变异研究

通过对引进的3个俄罗斯黄花苜蓿品种(达菲、秋柳和雅酷)与国内的锡盟野生黄花苜蓿形态进行的比较分析表明,锡盟黄花苜蓿呈半直立生长,适合驯化栽培利用;而3个引进品种匍匐生长,适合与其他牧草混播或放牧利用。达菲、秋柳和雅酷具有极强的分枝能力,生长至第二年分枝平均可达每株73.7、88.6和88.1个,并且根系特别发达,其中表层土壤侧根数量是锡盟黄花苜蓿的1.5～2倍,侧根生物量是锡盟黄花苜蓿的3～4倍。