唐仲霞，銀敏華，齊廣平，康燕霞，馬彥麟，汪精海，賈 瓊，汪愛霞，姜淵博

（甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅蘭州 730070）

近年來，由于人類活動引起的天然草地“三化”問題日益凸顯[1]。建植人工草地已成為實現(xiàn)草牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[2]，但現(xiàn)有飼草生產(chǎn)管理方式粗放，水氮投入的隨意性導致水氮資源優(yōu)勢未能充分發(fā)揮，牧草生產(chǎn)效率低下，氮沉降生態(tài)問題日益嚴重等[3–4]。水分調(diào)控和氮素添加是模擬自然水分變化和氮沉降增加對草地生態(tài)系統(tǒng)影響的重要手段[5]。因此，研究水氮調(diào)控對牧草產(chǎn)量及養(yǎng)分化學計量特征的影響，對實現(xiàn)草地“生產(chǎn)生態(tài)有機結(jié)合”具有重要意義。

牧草產(chǎn)量是衡量草地生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的重要指標，發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)牧草產(chǎn)業(yè)可有效保障草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及緩解國內(nèi)持續(xù)增加的牧草剛性需求[3]。氮、磷、鉀作為植物生長的必需元素，積極參與細胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)合成以及能量代謝等生理過程[6]，其含量可反映植物養(yǎng)分狀態(tài)及植株對環(huán)境變化做出的養(yǎng)分調(diào)整策略[7–8]；其比值可反映植物對生長環(huán)境的適應(yīng)能力，是有效預測草地生態(tài)系統(tǒng)變化和評定初級生產(chǎn)力限制性元素類型[9–11]的重要指標。施肥是保障牧草養(yǎng)分獲取及產(chǎn)量提升的有效途徑。研究表明，草地養(yǎng)分會隨著降水、刈割等方式流失或輸出[12]，通過施肥可及時補充土壤養(yǎng)分，以維持草地生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分平衡及調(diào)節(jié)土壤營養(yǎng)元素比例[13]。氮、磷、鉀作為牧草生長過程中需求量較大的營養(yǎng)元素，國內(nèi)外學者對其多有研究。蘇富源等[14]發(fā)現(xiàn)，施用氮肥140 kg/hm2可使羊草產(chǎn)量及氮、磷、鉀吸收量達到峰值。孫艷梅等[15]發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下施磷100 kg/hm2可使苜蓿干草產(chǎn)量及各器官磷含量達到最大。劉文輝等[16]對缺鉀地區(qū)燕麥草的研究發(fā)現(xiàn)，施鉀40 kg/hm2可獲得最高牧草產(chǎn)量及粗蛋白含量。然而，德科加等[17]對高寒草甸植物的研究表明，施肥可以顯著影響植物生長，相較于磷素和鉀素，氮素是大多數(shù)草本植物的限制因子。此外，禾本科牧草較豆科牧草對氮素更為敏感[18]。

目前，針對氮素添加、水分調(diào)控等單一因子對草地生態(tài)系統(tǒng)的研究已有很多。氮素添加可間接提高土壤中可利用氮素含量，為植物生長提供氮素來源[19]。在氮水平較低的草地生態(tài)系統(tǒng)中，施加氮肥對系統(tǒng)生產(chǎn)力具有正效應(yīng)，當?shù)亻L期作用于系統(tǒng)時，會使氮含量持續(xù)增加直至飽和，致使生產(chǎn)力逐漸降低，即氮素添加對草地生產(chǎn)力存在氮臨界負荷[20–21]。此外，添加氮素可以顯著提升土壤有效氮含量以及速效鉀含量，促進植物體對N、K的吸收，但引起的土壤酸化問題，有可能會加劇土壤鋁離子的溶出，使得植物體P吸收受到抑制[22–23]；也有研究認為土壤酸化可緩解堿性土壤Ca-P沉淀現(xiàn)象[24]，從而提高土壤有效磷含量，促進植物體P吸收。氮素添加在時間跨度上對植物組織的N/P影響不同，短期施用氮肥會增大N/P，而長期施用氮肥則對植物體N/P沒有顯著影響[19]。同時，水分對干旱半干旱地區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)的限制，隨著全球變暖的趨勢日益突出。據(jù)研究降水量的增加可以直接提高土壤水分和養(yǎng)分有效性[25]，因此，可以推測在干旱半干旱地區(qū)進行適當?shù)乃盅a償將對草地生產(chǎn)力及植物營養(yǎng)狀況產(chǎn)生積極作用。研究表明，水分調(diào)控對人工草地生產(chǎn)力影響很大，在一定范圍內(nèi)，牧草初級生產(chǎn)力隨水分補償力度的增加而線性增加，當水分添加即將達到土壤水分飽和時，增幅減小，其后隨著水分補償?shù)倪M一步增加出現(xiàn)不增反降的趨勢[26]。此外，水分補償可通過凋落物分解[27]和氮素礦化[28]等途徑有效刺激土壤氮代謝酶活性，促進礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，從而改變植物組織中N/P、K/P等。綜上可知，氮素添加能夠帶動整個草地生態(tài)系統(tǒng)的水分及養(yǎng)分應(yīng)答效應(yīng)[29]，水分補償有助于改善牧草利用養(yǎng)分的環(huán)境條件[30]。然而水氮互作是否會充分調(diào)動植物吸收征調(diào)能力，優(yōu)化水資源獲取，提高植物生產(chǎn)力，以彌補水氮虧缺產(chǎn)生的負面效應(yīng)還有待進一步研究。

河西走廊是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，草地面積廣闊、四季分明、光熱充足、牧草生長條件優(yōu)越[31]，但多年來降水稀少、蒸發(fā)強烈、氮肥施用過量，嚴重影響了該區(qū)草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[32]及草地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)元素的供應(yīng)狀況[33]。無芒雀麥具有葉量大、適口性好、營養(yǎng)豐富和適應(yīng)能力強等特點，被廣泛應(yīng)用于牧草產(chǎn)業(yè)化和人工草地建設(shè)，是當前我國重要的栽培牧草之一[34]。因此，本研究開展不同水氮處理對無芒雀麥產(chǎn)量和氮、磷、鉀化學計量特征的影響，探討水氮互作對無芒雀麥產(chǎn)量和養(yǎng)分含量及比例的影響機制，旨在為當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)評價、草地生產(chǎn)力限制評定及牧草水氮管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年在甘肅省張掖市肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)前灘村牧草基地 (E 98°47′，N 39°67′，海拔1387 m)進行。試驗區(qū)氣候?qū)俚湫偷膬?nèi)陸干旱性氣候，日照強烈，年均氣溫7.3℃，7月最高，1月最低，年均日照時數(shù)3014 h，無霜期平均為130天，年均降水量為85 mm，年均蒸發(fā)量為2149 mm，降水主要集中在6—9月份。2020年試驗期間氣象數(shù)據(jù)由距離試驗地50 m的農(nóng)業(yè)氣象站測定，試驗階段降水量為50.86 mm，平均氣溫為20.08℃，具體如圖1所示。試驗地土壤類型為砂壤土，田間持水量和凋萎點分別為33.98%和8.8% (均為體積含水量)，0—120 cm 土層容重 1.51 g/cm3，pH 7.4，有機質(zhì)3.16 g/kg，土壤全氮(N)、全磷(P)和全鉀(K)含量分別為0.22、0.24和7.6 g/kg，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷和速效鉀含量分別為7.65、8.49、3.18和257.66 mg/kg。

圖1 試驗期間氣象條件Fig. 1 Meteorological condition during experiment

1.2 試驗設(shè)計

試驗在噴灌條件下進行，以無芒雀麥(Bromus inermis) (卡爾頓無芒雀麥，甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院提供)為試驗材料，于2018年5月8日人工條播，播種量 30 kg/hm2，播深 2 cm，間距 30 cm，各小區(qū)鋪設(shè)PE材質(zhì)熱熔管道，正中心布設(shè)噴頭(蝶形噴頭，大禹節(jié)水集團提供)，圓形噴射，噴射半徑2～4 m。

本試驗始于2020年，采取灌水下限和施氮量雙因素完全隨機區(qū)組設(shè)計，參考當?shù)厣a(chǎn)實踐和其他學者研究，設(shè)置4個灌水水平和4個施氮水平(表1)。其中灌水水平按照田間持水量(θf)范圍進行設(shè)置，分別為：75%～85% θf(W0，充分灌水)、45%～85% θf(W1，重度水分虧缺)、55%～85%θf(W2，中度水分虧缺)、65%～85% θf(W3，輕度水分虧缺)。選擇計劃濕潤層深度為80 cm，當計劃濕潤層含水量達到下限時開始灌水，直至土壤水分達到田間持水量的85%停止灌水，各小區(qū)獨立安裝閥門和水表(精度0.0001 m3)進行嚴格控水。每個灌溉水平下設(shè)置 0、60、120 和 180 kg/hm24 個施氮梯度，依次記為 N0(不施氮)、N1(低氮)、N2(中氮)和N3(高氮)，選擇N0施氮水平為對照，且于第1茬返青期及第2、3茬再生期(4月中旬、6月上旬和8月初)采取撒施措施施入氮肥，三茬占比為5∶3∶2，氮肥選擇尿素(N≥46%)，且以上氮肥用量均指純氮。試驗期間除灌水、施氮外，其余田間管理均按照當?shù)啬敛莞弋a(chǎn)田進行。本次試驗共計16個處理，每處理設(shè)置3個重復，共48個小區(qū)，小區(qū)面積25 m2(5 m×5 m)，小區(qū)間間隔 1 m，試驗地周圍設(shè)置 1 m的保護行，處理前統(tǒng)一灌水至田間持水量，然后開始試驗。

表1 每個處理不同生育期灌溉土壤水分控制下限和施氮量Table 1 The lower limit of soil moisture and nitrogen application rate at different growth periods of each treatment

1.3 測定指標及方法

1.3.1 土壤含水率 采用便攜式時域反射儀TDR(德國IMKO公司產(chǎn)PICO-BT)測定土壤含水率，于每個試驗小區(qū)距離中央1.25 m處隨機布設(shè)1根測管，監(jiān)測根區(qū)0—120 cm土層體積含水率。每隔7天測定1次，灌水前后和降水后加測，每隔15天用取土烘干法對土壤含水率進行校正。土壤水分數(shù)據(jù)主要用來判斷土壤是否達到設(shè)計灌水下限，并計算土壤所需灌水量。

1.3.2 牧草產(chǎn)量 在無芒雀麥抽穗期結(jié)束后，各小區(qū)隨機選取2個1 m×1 m的樣方進行刈割，殘茬高5 cm，將所取樣品放入紙袋后稱其鮮重，然后放入烘箱，于 105℃ 殺青30 min，75℃ 恒溫烘 48 h，冷卻后稱其干重。

1.3.3 牧草養(yǎng)分含量 植物樣品經(jīng)烘干后粉碎成末用H2SO4–H2O2消煮—凱氏定氮法測全氮含量；鉬銻抗比色法測全磷含量；火焰光度計法測全鉀含量。氮磷鉀的化學計量比為植物組織中全氮磷鉀含量的質(zhì)量比。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)在 Microsoft Excel 2010 中進行整理運算。采用 IBM Spss Statistics 23.0 軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不同處理間產(chǎn)量、氮磷鉀含量及化學計量比采用單因素(One-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(P<0.05)；采用雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗水分補償、施用氮肥及其交互作用(P<0.05)；采用非線性回歸模型擬合水氮與產(chǎn)量、養(yǎng)分含量的二元非線性回歸預測方程(P<0.05)。采用相關(guān)性雙變量分析產(chǎn)量、N、P、K、N/P、K/P、N/K之間的相關(guān)關(guān)系(P<0.05為差異顯著)。采用Origin 9.0 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮調(diào)控下無芒雀麥的產(chǎn)量

由圖2和表2可知，無芒雀麥干物質(zhì)產(chǎn)量表現(xiàn)為第1茬>第2茬>第3茬，且水分補償和施用氮肥對各茬次產(chǎn)量影響規(guī)律表現(xiàn)一致。水分補償和施用氮肥對無芒雀麥3茬產(chǎn)量影響均達到極顯著水平，水分補償使無芒雀麥第1、2、3茬產(chǎn)量依次提高25.52%～70.07%、18.40%～61.60%和13.39%～51.05%(P<0.0 1)，施用氮肥后則分別提高2 3.7 1%～7 6.2 1%、2 4.1 9%～8 3.9 8%和26.65%～86.95% (P<0.01)。其中，水氮對第1茬產(chǎn)量有極顯著交互作用，N1W2、N2W3和N3W0較N0W1處理產(chǎn)量分別提高60.61%、161.78%和146.79%；對第2、3茬產(chǎn)量交互作用不顯著。

圖2 不同水氮組合下無芒雀麥的產(chǎn)量Fig. 2 Yield ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

表2 水氮及其交互作用對無芒雀麥產(chǎn)量的方差分析(F值)Table 2 Anova analysis of irrigation, nitrogen application,and their interaction onBromus inermis yield (F-value)

水分補償和施用氮肥對無芒雀麥總產(chǎn)量有極顯著交互作用，N1W2、N2W3和N3W0較N0W1處理產(chǎn)量分別提高66.65%、157.95%和144.72%。隨著施氮量的增加，無芒雀麥總產(chǎn)量顯著增加，但施氮量120 kg/hm2與180 kg/hm2處理牧草產(chǎn)量差異不顯著，施用氮肥使無芒雀麥總產(chǎn)量提高31.10%～88.88%；隨著灌水下限的提高，無芒雀麥總產(chǎn)量顯著增加，充分灌溉與輕度水分脅迫無顯著性差異，水分補償使無芒雀麥總產(chǎn)量顯著提高21.96%～58.09%；且無芒雀麥總產(chǎn)量在N2W3處理下達到峰值12259.54 kg/hm2。

通過以上分析可知，適宜的水氮組合不僅可以節(jié)約成本，還能獲得較高的牧草產(chǎn)量。以施氮量(X1)和灌水量(X2)為自變量，無芒雀麥總產(chǎn)量(Y)為因變量進行回歸分析，擬合得出方程：0.000353X1X2+74.731X1+96.226X2?18924.016，對其進行顯著性檢驗，得P<0.001，且R2=0.919，說明所建立回歸方程擬合度良好，具有較高的生產(chǎn)預測可信度。從方程中還可看出，一次項系數(shù)為正，二次項系數(shù)為負，說明無芒雀麥總產(chǎn)量隨施氮量和灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢，交互項系數(shù)為負，說明水氮之間存在耦合，兩者共同作用有助于無芒雀麥產(chǎn)量的提高。產(chǎn)量最高可達13308.03 kg/hm2，對應(yīng)施氮和灌水量分別為152.30 kg/hm2和552.11 mm(圖 3)。

圖3 水氮調(diào)控與無芒雀麥產(chǎn)量的回歸模型Fig. 3 Regression model of irrigation and nitrogen application onBromus inermis yield

2.2 水氮調(diào)控下無芒雀麥的氮磷鉀含量

由圖4和表3可知，第1茬無芒雀麥氮磷鉀含量略低于第2茬，但均顯著高于第3茬。施用氮肥和水分補償對各茬次牧草氮磷鉀含量均有極顯著影響(P<0.01)。施用氮肥處理使第1、2、3茬無芒雀麥氮含量分別提高9.35%～39.55%、15.97%～39.47%和9.41%～60.36%，水分補償則分別提高5.2 2%～3 6.8 3%、8.8 3%～3 7.3 9%和9.07%～54.55%。與不施氮處理相比，施用氮肥處理顯著降低了牧草磷含量，表現(xiàn)為第1茬降低4.96%～23.01%，第2茬降低6.31%～30.21%，第3茬降低2.50%～26.47%；與重度水分虧缺相比，水分補償顯著提高牧草磷含量，表現(xiàn)為第1茬提高8.57%～34.52%，第2茬提高8.33%～37.31%，第3茬提高0%～34.48%。施用氮肥和水分補償對無芒雀麥鉀含量的影響趨勢與對氮含量影響一致，N2與N3處理無顯著性差異，W0與W3處理無顯著性差異。水氮對3茬牧草氮磷鉀含量均無顯著交互作用，但N1W2、N2W3和N3W0處理各養(yǎng)分含量均較N0W1有所提升，以N含量為例，其值依次提高了32.67%、67.63%和53.55%（3茬加權(quán)平均值）。

圖4 不同水氮組合下無芒雀麥的氮磷鉀含量Fig. 4 N, P, and K contents ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

表3 水氮及其交互作用對無芒雀麥氮磷鉀含量的方差分析(F值)Table 3 Anova analysis of irrigation, nitrogen application rate, and their interaction on N, P and K content ofBromus inermis (F-value)

通過以上分析可知，無芒雀麥N、K含量均隨施氮量和灌水量的增加先增加后減小，各茬次N、K含量均在N2W3處理下達到最大值；而無芒雀麥P含量則隨施氮量的增加而減小，隨灌水量的增加而增加。因此，為了進一步探究施用氮肥和水分補償對無芒雀麥氮、磷、鉀含量的影響，以施氮量和灌水量為自變量，以無芒雀麥氮、磷、鉀含量的加權(quán)平均數(shù)為因變量進行回歸分析，得出擬合方程(表4)。

表4 無芒雀麥氮磷鉀含量與水氮組合之間的回歸方程Table 4 Regression equation of combined irrigation and nitrogen application rate and N, P and K contents inBromus inermis

分析回歸模型(圖5)可知，擬合方程均達到極顯著水平，決定系數(shù) 在0.824～0.895，說明施氮量與灌水量對無芒雀麥氮、磷、鉀含量影響顯著。根據(jù)無芒雀麥氮、鉀含量回歸模型可知，一次項系數(shù)為正，二次項系數(shù)為負，說明無芒雀麥氮、鉀含量隨施氮量和灌水量的增加呈先增加后減小的趨勢，而水氮交互項系數(shù)為負，同時兩者交互作用不顯著(表3、表4)，說明水氮與無芒雀麥氮、鉀含量之間的耦合效應(yīng)不明顯。氮、鉀含量最高為23.6和23.1 mg/g，對應(yīng)點分別是施氮136.84 kg/hm2、灌水546.34 mm 和施氮 139.26 kg/hm2、灌水 552.48 mm。

圖5 水氮調(diào)控與無芒雀麥氮磷鉀含量的回歸模型Fig. 5 Regression model of irrigation and nitrogen application rate onBromus inermis N, P, and K contents

根據(jù)無芒雀麥磷含量模型可知，一次項系數(shù)為R2正，二次項系數(shù)為負，這與磷含量隨施氮量的增加而減小，隨灌水量的增加而增加不一致，實際應(yīng)為施氮量一次項系數(shù)為負，二次項系數(shù)為正，灌水量一次項系數(shù)為正，二次項系數(shù)為負，其原因可能是加權(quán)平均過程中產(chǎn)量對無芒雀麥的影響遠大于磷，導致模型建立有所偏差；其次，所構(gòu)建的模型未能尋優(yōu)成功，其主要原因可能是試驗設(shè)置施氮量與灌水量未達到無芒雀麥磷含量的轉(zhuǎn)折點。

2.3 水氮調(diào)控下無芒雀麥的氮磷鉀化學計量比

由表5和圖6可知，施用氮肥和水分補償對各茬次無芒雀麥N/P、N/K和K/P均無顯著交互作用。氮素添加對第1、2、3茬無芒雀麥N/P、K/P均有極顯著影響(P<0.01)，以第2茬為例，具體表現(xiàn)為：N1、N2和N3處理分別較N0處理N/P提高16.73%～25.35%、54.14%～84.82%和61.20%～88.45%，K/P提高24.47%～36.49%、63.24%～85.37%和70.98%～89.42%。水分補償對無芒雀麥N/P、K/P的影響則與茬次有關(guān)，第1茬和第2茬表現(xiàn)為無顯著影響，第3茬則表現(xiàn)為顯著影響(P<0.05)，但是N/P、K/P總體趨勢均表現(xiàn)為隨著灌水量的增加先增后減，W0水平下其值最低；N/K對氮素添加和水分補償?shù)捻憫?yīng)均表現(xiàn)為不顯著。不同茬次間無芒雀麥N/P、N/K、K/P取值范圍存在差異。其中，第1茬N/P、N/K、K/P的取值范圍分別為4.57%～8.28%、0.95%～1.16%、4.62%～8.26%；第2茬取值范圍分別是5.01%～9.26%、0.96%～1.20%、4.60%～9.12%；第3茬則為4.48%～9.60%、0.75%～1.03%、5.48%～9.21%。

表5 不同水氮組合對無芒雀麥氮磷鉀化學計量比的影響(F值)Table 5 N, P, and K stoichiometry ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate (F-value)

圖6 不同水氮組合下無芒雀麥的氮磷鉀化學計量比Fig. 6 N, P and K stoichiometry ofBromus inermis under different combinations of irrigation and N application rate

2.4 水氮調(diào)控下無芒雀麥各指標相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表6)表明，試驗范圍內(nèi)產(chǎn)量與P含量相關(guān)不顯著，與N/K相關(guān)不顯著，與其余各指標均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；N含量與P含量相關(guān)不顯著，與N/K相關(guān)性不顯著，與其余各指標極顯著正相關(guān)(P<0.01)；P含量與N/P和K/P極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與K含量和N/K相關(guān)性不顯著；K含量與N/P和K/P極顯著正相關(guān)，與N/K相關(guān)不顯著；N/P與N/K相關(guān)不顯著，與K/P極顯著正相關(guān)(P<0.01)；N/K與K/P相關(guān)不顯著。

表6 無芒雀麥各指標相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of various indexes ofBromus inermis

3 討論

3.1 水氮調(diào)控對無芒雀麥產(chǎn)量的影響

水分和氮素是制約河西走廊地區(qū)牧草產(chǎn)量提升的主要因子[26,31–32]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分補償和氮素添加均顯著提高了無芒雀麥各茬次產(chǎn)量，其中第1茬產(chǎn)量顯著高于其余兩茬，這與徐舶[35]的研究結(jié)果一致。水分補償可以促進植物有機物的合成，同時植物細胞的分裂和延伸生長需要一定的膨壓，而水分的增加可以調(diào)動細胞膨壓積極性，從而影響細胞分裂和擴展，使得植物生長有效提升，進而提高牧草產(chǎn)量[30]；氮素添加可以增加土壤有效氮含量，間接彌補水分不足對植株生長發(fā)育造成的負效應(yīng)[36]。沙栢平等[37]在紫花苜蓿的研究中發(fā)現(xiàn)：低水低肥對牧草增產(chǎn)效應(yīng)較小，高水高肥增產(chǎn)明顯。與此相同，本研究中水氮互作對無芒雀麥總產(chǎn)量的影響存在明顯的耦合效應(yīng)，其效應(yīng)的表現(xiàn)結(jié)果與土壤干旱程度和施肥量多少有關(guān)。當土壤處于嚴重干旱程度時，施加氮肥增產(chǎn)效果較低，這是因為植物受到嚴重干旱脅迫時會抑制根系的生長，不利于植物對養(yǎng)分的吸收利用，甚至過多的氮肥可能還會引起“燒苗”現(xiàn)象[30]；當土壤處于適宜水分條件時，施氮有利于土壤氨化細菌的生長繁殖，能使土壤中銨態(tài)氮顯著增多，且不易流失，對牧草產(chǎn)量的累積起到積極作用；而過多的水分和過量的氮肥則會抑制植物根系呼吸的敏感性，降低土壤微生物數(shù)量及活性，進而影響土壤呼吸速率[38]，導致植物生長緩慢甚至死亡。本研究通過回歸分析得出，無芒雀麥產(chǎn)量峰值點為施氮 152.30 kg/hm2、灌水 552.11 mm，最高可達13308.03 kg/hm2，這也進一步說明無芒雀麥產(chǎn)量對氮素和水分的響應(yīng)存在閾值。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)施氮量對產(chǎn)量的增加效果要顯著高于灌水，這與胡優(yōu)[39]的研究結(jié)果相反。造成這種差異的原因可能有：1)試驗區(qū)土壤貧瘠，牧草生長受到氮素的嚴重限制。試驗區(qū)在建植人工草地前，屬于廢棄荒地，多年荒廢使得原本有生產(chǎn)能力的土地逐漸退化。2)供試的無芒雀麥為三年生，設(shè)置施氮處理前均只進行灌水處理，而水分的添加會在一定程度上導致土壤養(yǎng)分淋溶，使得土壤越發(fā)貧瘠。3)牧草物種差異。紫花苜蓿屬豆科牧草，其本身具有一定的固氮能力，而無芒雀麥屬于禾本科牧草，在單播情況下其氮素來源只能為外源氮素；而且苜蓿的根系生長較無芒雀麥發(fā)達，對土壤養(yǎng)分的吸收利用更強。

3.2 水氮調(diào)控對無芒雀麥氮磷鉀含量的影響

植物養(yǎng)分含量能反映植物對外界環(huán)境變化的響應(yīng)[6]。水分和氮素作為影響植物體的兩大因子，其變化會在很大程度上引起植株體內(nèi)元素波動。本研究中，水分補償和氮素添加顯著提高了無芒雀麥各茬次N、K含量，對于P含量：水分補償對其有顯著增加效果，氮素添加反而降低其含量。水分補償對無芒雀麥N、P、K含量的顯著增加可以表明河西走廊地區(qū)可利用水資源短缺，有必要針對當?shù)厝斯げ莸剡M行水分調(diào)控，這是因為只有在植物可利用水分較少時水分補償才會對植物養(yǎng)分含量產(chǎn)生明顯影響[40]。通常，當植株處于干旱脅迫時，土壤中參與養(yǎng)分循環(huán)的轉(zhuǎn)化酶活性受到抑制，而水分添加可以有效緩解干旱脅迫，活化土壤中的可利用元素[41]，從而提高植株體內(nèi)的N、P、K含量以及對環(huán)境條件的適應(yīng)能力，孫彩麗等[19]的研究同樣證明了這點。此外，氮素添加對無芒雀麥N、P、K含量的影響可以說明試驗區(qū)“缺氮少磷富鉀”的特點，通過外源氮素的添加，既可以緩解土壤的氮素限制，還能刺激土壤養(yǎng)分活性，改善試驗區(qū)土壤養(yǎng)分供應(yīng)狀況，調(diào)整植株對環(huán)境變化的適應(yīng)方式[33]，以有效應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)變化。而施加氮素使得無芒雀麥P含量不增反降，究其原因可能有：1)施氮大幅提升了無芒雀麥地上部生物量，使得植株體內(nèi)P濃度被稀釋[42]；2)供試無芒雀麥為3年生，土壤中有效磷可能已被消耗，而不易溶解的磷則已轉(zhuǎn)化，使得植株體內(nèi)磷含量供應(yīng)短缺[13]；3)試驗區(qū)土壤鹽堿化造成的Ca-P沉淀現(xiàn)象，使得土壤有效磷活性降低，盡管氮素添加可以通過增加土壤銨態(tài)氮含量的方式來酸化無芒雀麥根系土壤[24]，但單靠增施氮肥不足以向植物提供足夠的有效磷含量，因此，可以推測該區(qū)土壤受到嚴重的磷限制。

此外，本研究中水氮互作對無芒雀麥N、P、K含量均無顯著交互作用，但N1W2、N2W3和N3W0處理各養(yǎng)分含量均較N0W1有所提升，以N含量為例，其值依次提高了32.67%、67.63%和53.55%，說明水氮對無芒雀麥N、P、K含量在數(shù)學統(tǒng)計意義上雖未產(chǎn)生明顯耦合效應(yīng)，但兩者在一定程度上仍互相作用。與之相反，水氮互作對產(chǎn)量有顯著耦合效應(yīng)，導致這種差異的原因可能與牧草所處生育時期有關(guān)。馬曉東等[43]研究表明，營養(yǎng)元素主要集中于植物生長活躍部位。本研究中無芒雀麥刈割于生長后期(抽穗期)，此時根系代替葉片作為牧草生長活躍部位，大量營養(yǎng)物質(zhì)從葉中重新分配到根系組織中，作為貯藏養(yǎng)分用于次茬牧草新生器官生長發(fā)育。因此，地上部分牧草N、P、K含量對水氮耦合響應(yīng)不顯著；而牧草干物質(zhì)產(chǎn)量是通過光合作用產(chǎn)生的地上部分各生物量之和[32]，它會隨著生育進程的發(fā)展不斷累積，因此，水氮互作對其有明顯的耦合效應(yīng)。

通過回歸方程分析發(fā)現(xiàn)，水氮互作可使氮、鉀含量最高達到23.6和23.1 mg/g，對應(yīng)點分別是施氮136.84kg/hm2、灌水546.34mm和施氮139.26 kg/hm2、灌水552.48mm，而P含量在試驗范圍內(nèi)未尋求到最大值。綜上，在土壤貧瘠的河西走廊地區(qū)，水分補償和氮素添加會協(xié)同促進多年生無芒雀麥的養(yǎng)分吸收利用，磷含量的變化規(guī)律再一次說明該區(qū)土壤磷素嚴重虧缺，水氮添加不足以滿足植物磷含量的需求，而這需要進一步分析化學計量比進行佐證。

3.3 水氮調(diào)控對無芒雀麥氮磷鉀化學計量比的影響

植物化學計量比作為判斷植物生長受限的重要指標，對于評定生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力的限制性元素類型具有重要指導意義[44–45]。近年來，隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)植物化學計量比隨地域的差異、生態(tài)系統(tǒng)的不同、植物物種的區(qū)別以及不同的功能種群而有所變化[9]。Koerselman等[46]在1966年提出當植物N/P<14時，植物生長受N元素限制，當N/P介于14和16之間時，植物生長受N和P元素共同限制，當N/P>16時，植物生長受P元素限制；Olde等[47]在2003年提出當N/P<14.5、N/K<2.1時，植物受N限制，當N/P>14.5、K/P>3.4時，受P限制或P和N共同限制，當N/K>2.1、K/P<3.4時，受K限制或K和N共同限制。而Güsewell[48]在2010年提出當N/P<10時，植物生長主要受N限制，當N/P在10到20之間時，植物生長受N和P元素共同限制，當N/P>20時，植物生長受P元素限制。

本研究中，不同水氮處理無芒雀麥第1茬N/P、N/K、K/P取值范圍分別是：4.57%～8.28%、0.95%～1.16%、4.62%～8.26%，第2茬N/P、N/K、K/P取值范圍分別是：5.01%～9.26%、0.96%～1.20%、4.60%～9.12%，第3茬則分別為：4.48%～9.60%、0.75%～1.03%、5.48%～9.21%。以上N/P均小于前人所研究的N/P臨界值，且N/K<2.1、K/P>3.4，說明河西走廊地區(qū)無芒雀麥生長的確受N限制以及P限制，而K素供應(yīng)充足。一般來說，在半干旱草地添加氮素會顯著提高植物N/P，但同時添加水分會降低N/P[27]。在本試驗中N/P隨施氮水平的提高表現(xiàn)為增加的趨勢，但水分添加后N/P卻先增后降，具體表現(xiàn)在N0和N1水平下，水分添加至W2水平后N/P下降，在N3和N4水平下水分添加至W3水平后下降。N/P的上升可能與氮素添加后N含量的增加和P含量的降低有關(guān)，水氮互作使得無芒雀麥生長在中高肥處理下顯著緩解了其受N限制的狀態(tài)，而N/P的下降可能是因為水分添加減弱了氮素對植物磷酸酶活性的刺激，這些都可以認為是植物為適應(yīng)環(huán)境變化所做出的養(yǎng)分調(diào)整策略[5]。此外，N/P在氮素持續(xù)增加的情況下，其值逐漸增大，說明氮素添加在一定程度上可以緩解植物生長受氮限制的問題，然而這也進一步加劇了磷素的限制[49]。因此，可以大膽推測在全球氮沉降問題逐漸嚴重的情況下，河西走廊地區(qū)無芒雀麥生長將由主要受N限制轉(zhuǎn)變?yōu)槭躊限制。

4 結(jié)論

水分補償和施用氮肥對多年生無芒雀麥的提產(chǎn)增養(yǎng)效果明顯，且水氮交互對牧草產(chǎn)量有顯著的耦合效應(yīng)，但對氮磷鉀化學計量特征無顯著影響。河西走廊地區(qū)無芒雀麥的生長主要受N、P限制，不受K限制。灌溉和施氮可有效緩解氮素對牧草生長的限制，但對磷素需求無顯著效果，因此施用磷肥對無芒雀麥生長十分必要。在河西走廊地區(qū)，產(chǎn)量養(yǎng)分雙贏的適宜灌溉量為546.3～552.5 mm，施氮量為 136.8～152.3 kg/hm2。