全 文 ：文章编号 :100028551 (2000) 0220104206
用15N 同位素稀释法研究牧草的氮素营养
韦东普　白玲玉　华　珞　姚允寅
(中国农业科学院原子能利用研究所　北京　100094)
摘要 :利用同位素示踪技术研究不同施肥处理对黑麦草单播及黑麦草与白三叶混播
条件下不同时期牧草茎叶 N %与对白三叶的共生固氮的影响。结果表明 : (1)混播或
单播黑麦草的 N %在施肥后 67d 达到最高值 ,其后随时间的推移逐渐降低 ; (2) 混播
白三叶的 N %在施肥后 67d 达到最高 ,随后稍有降低 ,其后又有所增加 ,这与白三叶
固氮活性逐步提高有关 ; (3)施 N 水平较低时 (164kg 硫铵/ hm2) ,不同时期刈割的混
播黑麦草的 N %均高于单播黑麦草的 N % ,显然是由于白三叶共生固氮所产生的 N
素为黑麦草提供了新的氮源 ; (4)混播白三叶中 N 素的主要来源是共生固氮 ,混播黑
麦草和单播黑麦草中 N 素的主要来源是土壤 ; (5) 施 N 处理对黑麦草和白三叶 N %
的影响差异显著。
关键词 :白三叶 　黑麦草 　豆禾混播 　15N 同位素稀释法 　共生固氮 　N %
收稿日期 :1999212202
资金项目 :国家自然科学基金 (3987017)和中国农业科学院院长基金资助
作者简介 :韦东普 (1969～) ,女 ,北京人 ,中国农业科学院原子能利用研究所助理研究员 ,从事土壤环境生态方面的研究
工作。
豆科牧草与非豆科牧草混播是提高人工草地产量及质量的重要方法之一。在豆禾混播草
地中 ,豆科牧草的共生固氮不但为其自身的正常生长提供氮素来源 ,而且部分氮素可被与之混
种的非豆科牧草吸收利用[1 ] 。影响牧草共生固氮的因子较多[2 ,3 ] ,包括土壤无机 N、酸度、养
分 ( P、K、Ca、Mo、Zn) 、水分、温度等。
湖北省宜昌县百里荒示范牧场是典型的南方亚热带中高山人工草地 ,主要草种为黑麦草
和白三叶混种。土壤为酸性山地黄壤 ,养分含量较低 ,因此 ,施肥也是当地提高牧草产量和质
量的重要措施之一。本盆栽试验利用同位素示踪技术 ,研究不同施肥处理对黑麦草单播及黑
麦草与白三叶混播条件下不同时期牧草茎叶 N %及白三叶共生固氮的影响。
1 　材料与方法
111 　供试土壤
盆栽试验用土取自湖北省宜昌县百里荒示范牧场 ,该草地为多年生黑麦草 ( L oli um
perenne L . )和白三叶 ( T rif oi um repens L . )混种草地 ,系亚热带中高山山地黄棕壤。取去除表
面草皮的 0～20cm 土壤 ,风干过筛 ,进行盆栽试验 ,每盆装土 815kg。土壤化学性状见表 1。
401　 核 农 学 报　2000 ,14 (2) :104～109Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
表 1 　供试土壤化学性状
Table 1 　Chemical properties of soil used
p H 有机质 ( %) 全 N ( %) 全 P( P2O5 %) 全 K( K2O %) 速效氮 (mg/ kg) 速效磷 (mg/ kg) 速效钾 (mg/ kg)
O. M. total N total P total K available2N olsen2P NH4Ac2K
516 21482 01150 01038 21093 16217 11512 11417
112 　供试作物
供试牧草 :非豆科牧草为多年生黑麦草 (品种为 APM ,由中国农业科学院畜牧所提供) ,豆
科牧草为白三叶 (品种为胡依阿 ,由湖北省农科院畜牧所提供) 。豆科与禾本科混播为每盆白
三叶 4 株和黑麦草 16 株 ,禾本科单播为每盆 20 株黑麦草。
113 　施肥处理
试验采用正交设计 ,单播与混播试验处理相同。1997 年 4 月 22 日播种 ,施 171kg 三料磷
酸/ hm2 作基肥 ,4 月 28 日出苗 ,6 月 2 日分别施入 164、328、492kg 15N H4SO4/ hm2 作为氮肥 ;
分别施入 0、0175、3175kg Zn/ hm2/ ZnSO4·7H2O) 作为锌肥 ;分别施入 0、0115、0175kg Se/ hm2
(Na2Se2O3)作为硒肥 ,肥料处理见表 2。
表 2 　试验设计
Table 2 　Experiment design
处理
treatment
15HN4SO4
(kg/ hm2)
Zn
(mg/ kg)
Se
(mg/ kg)
N164Zn0Se1 164 0 1
N164Zn5Se5 164 5 5
N164Zn25Se0 164 25 0
N328Zn0Se0 328 0 0
N328Zn5Se1 328 5 1
N328Zn25Se5 328 25 5
N492Zn0Se5 492 0 5
N492Zn5Se0 492 5 0
N492Zn25Se1 492 25 1
114 　分析测定
于 1997 年 8 月 8 日 (施肥后 67d) 、9 月 2
日 (施肥后 92d) 、10 月 17 日 (施肥后 137d) 分
别刈割 ,并称鲜重、干重。
全部植物样品经烘干、磨碎、过筛 ,供全 N
及15 N 分析测定。样品用改良凯氏法消化 ,测
定全氮量 ,并进行质谱分析。用全 N 差值法、
15N同位素稀释法计算牧草的 %Ndfa、%Ndff
和 %Ndfs。全部数据经过正交方差分析处理 ,
不同处理用单因素随机区组方差分析进行处
理 ,并用 Duncan’s 复全距测验进行差异显著性
测定。
2 　结果与讨论
211 　不同施肥处理对不同时期牧草茎叶 N %的影响
从表 3 中可以看出 ,单播或混播的黑麦草的 N %在施肥 67d 后达到最高值 ,在 31935 %～
41454 %之间 ,其后逐渐降低 ,施肥后 137d 刈割的黑麦草的 N %处于最低水平 ,在 11779 %～
21215 %之间。从表 3 中还可以看出 ,混播白三叶也在施肥后 67d 刈割时 N %达到最高 ,这一
点与黑麦草相同 ,这一时期的 N %在 31128 %～31928 %之间 ,较同期刈割的黑麦草的 N %低。
但白三叶的 N %并不随时间的推移而下降 ,在施肥后 137d 刈割的比 92d 刈割的有所增加 ,在
21928 %～31349 %之间 ,比同期刈割的黑麦草有很大的提高。
值得注意的是 ,在 N 肥施用水平为 164kg 硫铵/ hm2 时 ,前 2 次刈割的混播黑麦草的 N %
均高于单播黑麦草 ,如 N164Zn0Se1 处理 ,施肥后 67d 刈割的混播黑麦草的含 N 量为
501　2 期 用15N 同位素稀释法研究牧草的氮素营养
41443 % ,单播的为 41062 % ,这是白三叶固定的 N 素为与之混种的黑麦草利用的结果 ,表明在
豆禾混播的草地中 ,固氮作物不仅能提高土壤的 N 素水平 ,且其固氮产物似乎更容易为与之
混种的非固氮作物所吸收利用 ,当 N 肥水平为 492kg 硫铵/ hm2 时 ,前 2 次刈割的混播黑麦草
的 N %均低于单播黑麦草 ,而 N 肥水平为 328kg 硫铵/ hm2 时 ,规律不明显。试验结果表明 ,
土壤中施入大量化合态氮对豆科植物的根瘤形成及固氮有抑制作用 ,施入少量化合态氮却有
一定的促进作用 ,这与 Dart 等人的试验结果一致[4 ,5 ] 。
表 3 　不同施肥处理对不同时期牧草 N %的影响
Table 3 　Effect of different levels of fertilizer on N % of pasture at different cutting time ( %)
牧草
pasture
刈割时间
cutting time (d)
N164Zn0
Se1
N164Zn5
Se5
N164Zn25
Se0
N328Zn0
Se0
N328Zn5
Se1
N328Zn25
Se5
N492Zn0
Se5
N492Zn5
Se0
N492Zn25
Se1
混播白三叶 67d 31128a 31376abc 31223ab 31624bcd 31928d 31493abcd 31671bcd 31750cd 31641bcd
white clover in 92d 21933a 21849a 31080a 21894a 31035a 31454b 21648a 31281b 31193a
mixed culture 137d 31251a 21904a 31092a 31113a 21928a 31275a 31137a 31349a 31240a
混播黑麦草 67d 41443b 41454b 41381b 41257ab 41396b 41450b 41098ab 31935a 41110ab
ryegrass in 92d 31542abc 31737bc 31240a 31453abc 31793c 31365ab 31364ab 31184a 31332ab
mixed culture 137d 11968a 11967a 21050ab 21197ab 21215b 11984ab 21090ab 21014ab 11972a
单播黑麦草 67d 41062a 41231a 41112a 41226a 41146a 41382a 41274a 41376a 41237a
ryegrass in 92d 31296a 31413a 31248a 31985a 31411a 31978a 31988a 31926a 31779a
mono culture 137d 11833ab 21011ab 11779a 11926ab 11969ab 11991ab 11865ab 21121b 11826a
注 :11 刈割时间指施肥到刈割牧草的时间 (表 4、5、6 相同) 。
21 相同刈割时间的不同施肥处理的数据进行差异显著性比较 ,同类具有相同英文字母的数值为 Duncan’s 复全距测验
5 %水平上差异不显著。
11Cutting time means the time from fertilizing to cutting (the same as table 4 ,5 ,6) .
21The data from the same cutting time and different fertilizer treatment should be compared difference.
The values with the same letter in a line do not significantly different ( P < 0105) by Duncan’s multiple range test .
正交方差分析表明 ,施 N 水平对施肥后 67d 刈割的黑麦草与白三叶的 N %的影响差异显
著 ,在施肥后 67d ,施 N 量为 328kg、492kg 硫铵/ hm2 的混播白三叶的均值分别为 31682 %和
31687 % ,与施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的 31242 %相比差异极显著。在施肥后 67d ,施 N 量为
328kg、492kg 硫铵/ hm2 的混播黑麦草的均值分别为 41426 %和 41368 % ,与施 N 量为 164kg
硫铵/ hm2 的 41048 %相比差异显著。施 Zn 和 Se 对牧草的 N %影响差异不显著。
212 　不同施肥处理对不同时期牧草固氮百分率的影响
试验结果表明 (表 4) ,混播白三叶的固氮百分率 ( %Ndfa) 随生长时间的延长而逐渐增高。
施肥后 137d 刈割的混播白三叶的 %Ndfa 达到最高 ,除了 N328Zn5Se1 处理为 5011 % ,其它施
肥处理的 %Ndfa 都在 8314 %～9914 %之间 ,这说明混播白三叶生长约 4 个月以后 ,所获取的
N 主要来自牧草固定的空气中的 N2 。显然表 3 中 137 天刈割的白三叶 N %的增高趋势与此
有关。从表 4 可以看出 ,施肥后 67d 刈割的混播黑麦草的 %Ndfa 就有所表现 ,这说明混播白
三叶从空气中固定的 N 素已经开始部分转移到混播黑麦草 ,67d 和 92d 刈割的混播黑麦草大
部分处理都有来自于混播白三叶固定的 N 素。但在混播白三叶固氮活性最高的 137d ,刈割的
混播黑麦草的 %Ndfa 只有 2 个处理达到最高值 ,其余 5 个处理为 0。从表 4 中还可以看出 ,混
播黑麦草不施 Zn 肥的处理 N164Zn0Se1、N492Zn0Se5 和 N328Zn0Se0 的 %Ndfa 较其它施 Zn
601 核　农　学　报 14 卷
肥处理高 ,如 N328Zn0Se0 在 67d、92d、137d 的 %Ndfa 分别为 2016 %、3011 %、1910 % ,处理
N328Zn5Se1 的 %Ndfa 相应为 113 %、1917 %、010 % ,施 Zn 肥处理的 %Ndfa 明显低于不施 Zn
处理 ,这说明施 Zn 抑制了混播黑麦草对混播白三叶固氮产物的吸收。
表 4 　不同施肥处理对不同时期混播牧草 %Ndfa 的影响
Table 4 　Effect of different levels of fertilizer on %Ndfa of pasture at different cutting time ( %)
牧草
pasture
刈割时间
cutting time (d)
N164Zn0
Se1
N164Zn5
Se5
N164Zn25
Se0
N328Zn0
Se0
N328Zn5
Se1
N328Zn25
Se5
N492Zn0
Se5
N492Zn5
Se0
N492Zn25
Se1
混播白三叶 67d 6510cd 5311abc 6311bcd 4712abc 3716a 5811bcd 4615a 7119d 3912a
white clover in 92d 7916d 7019cd 7818d 5418a 4317a 8010d 5016a 6817bcd 5110a
mixed culture 137d 9914b 9618b 8711b 8314b 5011a 9316b 9219b 9516b 9313a
混播黑麦草 67d 017a 010 010 2016b 113a 1114ab 1118ab 014a 116a
ryegrass in 92d 1511ab 010 010 3011c 1917bc 1214ab 318a 811ab 010
mixed culture 137d 6016c 010 010 1910b 010 010 1418ab 311a 010
　　正交方差分析表明 ,施 N 水平对混播黑麦草与混播白三叶的 %Ndfa 影响差异显著 ,施 N
量为 164kg 硫铵/ hm2 与施 N 量为 328kg、492kg 硫铵/ hm2 的混播白三叶的均值相比差异显
著 ,如在施肥后 92d ,施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的混播白三叶的 %Ndfa 的均值为 75140 % ,施
N 量为 328kg、492kg 硫铵/ hm2 的混播白三叶的均值为 51128 %和 56109 % ,这也说明低水平
N 素对白三叶的共生固氮的促进作用[5 ] 。施 Zn 水平对混播黑麦草 %Ndfa 的影响差异显著 ,
Zn 肥处理使施肥 67d 以后收获的混播黑麦草的 %Ndfa 的均值有所降低 ,如施肥后 92d ,不施
Zn 肥的 %Ndfa 的均值为 161140 % ,与施 Zn 量为 0175、3175kg/ hm2 的混播黑麦草的 %Ndfa
的均值 81886 %、41097 %相比差异显著。施 Se 对牧草的 %Ndfa 影响差异不显著。
213 　不同施肥处理对不同时期牧草吸收肥料 N的影响
从表 5 中可以看出 ,混播白三叶和混播或单播黑麦草的 %Ndfa 都随牧草生长时间的推移
而逐渐下降。前 2 次刈割的混播白三叶大部分处理的 %Ndff 保持在 0189 %～16178 %之间。
施肥后 137d ,白三叶从肥料中获取的 N 已经非常少 ,在 0106 %～3117 %之间。正交方差分析
表明 ,施 N 水对白三叶和黑麦草的 %Ndff 的影响差异极显著 ,施 N 量高的处理的 %Ndff 较
高 ,如施肥后 67d 刈割的混播黑麦草 ,施 N 量为 492kg 和 328kg 硫铵/ hm2 的 %Ndff 的均值分
别为 261496 %和 161992 % ,而施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的 %Ndff 的均值为 91324 % ;施肥后
67d刈割的混播白三叶 , 施 N 量为 492kg 和 328kg 硫铵/ hm2 的 % Ndff 的均值分别为
151082 %和 101090 % ,而施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的 %Ndff 的均值为 31635 %。混播或单
播黑麦草从肥料中获取的 N %在每个时期都高于白三叶 ,如处理 N164Zn0Se1 ,白三叶在不同
刈割时间的 %Ndff 分别为 3130 %、1103 %和 0106 % ,混播黑麦草的 %Ndff 相应为 9136 %、
4129 %和 4118 %。施 Zn 和 Se 对牧草的 %Ndff 影响差异不显著。
214 　不同施肥处理对不同时期牧草吸收土壤 N的影响
从表 6 中可以看出 ,白三叶的 %Ndfs 随牧草生长时间的推移而逐渐降低 ,说明随固氮活
性的增高白三叶对土壤 N 的依赖性逐渐降低 ,前 2 次刈割的混播白三叶的 %Ndfs 基本都保持
在 17196 %～ 51118 %之间 ,到 137d 时 ,除 N328Zn5Se1 外 ,其它处理的 % Ndfs 分别降至
0154 %～1517 %。
701　2 期 用15N 同位素稀释法研究牧草的氮素营养
表 5 　不同施肥处理对不同时期牧草 %Ndff 的影响
Table 5 　Effect of different levels of fertilizer on %Ndff of pasture at different cutting time ( %)
牧草
pasture
刈割时间
cutting time (d)
N164Zn0
Se1
N164Zn5
Se5
N164Zn25
Se0
N328Zn0
Se0
N328Zn5
Se1
N328Zn25
Se5
N492Zn0
Se5
N492Zn5
Se0
N492Zn25
Se1
混播白三叶 67d 3130a 3196ab 3126a 10191bc 11122bc 7177ab 15105c 7165ab 16178c
white clover in 92d 1103a 1126a 0189a 5112b 5182b 2104a 6155b 5124b 7125b
mixed culture 137d 0106a 0111a 0140a 1139a 3117a 0152a 0175a 0156a 0178a
混播黑麦草 67d 9136a 8183a 9141a 16139b 17175b 16141b 24180c 27108d 27113d
ryegrass in 92d 4129a 4155a 4183a 7193b 8129b 8191b 12175c 15136cd 16160d
mixed culture 137d 4118a 3147a 3161a 6181ab 6135ab 9181bc 9103bc 12114c 12168c
单播黑麦草 67d 20164c 27119d 8183a 9143a 17198b 27158d 28111d 8145a 18153b
ryegrass in 92d 11133bc 16171c 4120a 5105a 10133ab 14182bc 13125bc 4135a 10118ab
mono culture 137d 8141ab 12152b 3106a 10162b 6135ab 11165b 10161b 3136a 8114ab
表 6 　不同施肥处理对不同时期牧草 %Ndfs 的影响
Table 6 　Effect of different levels of fertilizer on %Ndfs of pasture at different cutting time ( %)
牧草
pasture
刈割时间
cutting time (d)
N164Zn0
Se1
N164Zn5
Se5
N164Zn25
Se0
N328Zn0
Se0
N328Zn5
Se1
N328Zn25
Se5
N492Zn0
Se5
N492Zn5
Se0
N492Zn25
Se1
混播白三叶 67d 31170a 42193ab 33164a 41192ab 51118b 34114a 38149ab 20148a 44106ab
white clover in 92d 19135a 27180ab 20128a 40106bc 50151c 17196a 42185bc 26111ab 41170bc
mixed culture 137d 0154a 3108ab 12154ab 15117b 46174c 5192ab 6132ab 3189ab 5193ab
混播黑麦草 67d 89195df 91117f 90159f 63101a 81100cd 72114bc 63142a 72152bc 71124ab
ryegrass in 92d 80164bc 95145c 95117c 62102a 72100ab 78167ab 83145bc 76156ab 83140bc
mixed culture 137d 35118a 96153d 96139d 74121b 93165d 90119d 76112bc 84178bcd 87132cd
单播黑麦草 67d 79136b 72181a 91117d 90157d 82102c 72142a 71189a 91155d 81147c
ryegrass in 92d 88167df 83129a 95180h 94195gh 89167f 85118b 86175c 95165h 89182f
mono culture 137d 91159df 87148a 96194g 89138b 93165f 88135ab 89139h 96164g 91186df
　　与白三叶相反 ,混播与单播黑麦草的 %Ndfs 随生长时间的推移而逐渐增加。如处理
N328Zn25Se5 ,在 67d、92d、137d 的混播黑麦草的 % Ndfs 值分别为 72114 %、78167 %和
90119 %。在施用相同 N 肥水平的条件下 ,不施 Zn 肥的混播黑麦草的 %Ndfs 值低于其它施
Zn 肥处理的 %Ndfs 值。如 92d 刈割的混播黑麦草 ,施 N 量为 164 硫铵/ hm2 的 %Ndfs 值分别
为 80164 %、95145 %和 95117 %。这说明施 Zn 肥促进了混播黑麦草对土壤中 N 的吸收。
正交方差分析表明 :施 N 水平对黑麦草的 %Ndfs 的影响差异极显著 ,施 N 水平对混播白
三叶的 %Ndfs 的影响差异不显著。随着 N 量的增加黑麦草的 %Ndfs 反而降低 ,如施肥后 67d
刈割的混播黑麦草 ,施 N 量为 492kg 和 328kg 硫铵/ hm2 的 %Ndfs 均值分别为 681306 %和
731209 % ,而施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的 %Ndfs 均值为 891889 % ;施肥后 67d 刈割的单播黑
麦草 ,施 N 量为 492kg 和 328kg 硫铵/ hm2 的 %Ndfs 的均值分别为 721212 %和 801804 % ,而
施 N 量为 164kg 硫铵/ hm2 的 %Ndfs 的均值为 901972 %。施 Zn 和 Se 对牧草的 %Ndfs 影响
差异不显著。
3 　结论
11 混播或单播黑麦草的 N %在施肥后 67d 达到最高值 ,其后随时间的推移而逐渐降低。
21 混播白三叶的 N %在施肥后 67d 达到最高 ,随后稍有降低 ,其后又有所增加 ,这与白三
801 核　农　学　报 14 卷
叶固氮活性逐步提高有关。
31 施 164kg 硫铵/ hm2 不同是时期刈割的混播黑麦草的 N %均高于单播黑麦草的 N %。
41 混播白三叶中的 N 素的主要来源是共生固氮 ,混播黑麦草和单播黑麦草 N 素的主要
来源是土壤。
51 施 N 处理对黑麦草与白三叶的 N %的影响差异显著。
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THE EFFECT OF DIFFERENT L EVELS OF FERTIL IZER ON NITROGEN
NUTRIENT OF PASTURE USING 15 N2ISOTOPE DIL UTION METHOD
WEI Dong2pu 　BAI Ling2yu 　HUA Luo 　YAO Yun2yin
( Instit ute f or A pplication of A tomic Energy , CA A S , Beiji ng 　100094)
ABSTRACT :A pot experiment was carried out to study the effect of different levels of fertil izer
on N % of ryegrass in monoculture or mixed culture with white clover and symbiotic dinitrogen
f ixation of white clover by using 15 N2isotope dilution method. It showed that( 1) N % of ryegrass
in monoculture or mixed culture was the highest at 67 days after fertil izing ( DAF) and decreased
with time ;( 2) N % of white clover was the greatest at 67 DAF,sl ightly decreased at 92 DAF,and
then increased at 137 DAF,related to the increasing of nitrogen f ixation by white clover ;( 3) At
164kg 15 NH4SO4/ hm2 , N % of ryegrass in mixed culture at different cutting time was greater
than that in monoculture. It obviously occurred that f ixed nitrogen was transferred from white
clover to ryegrass in mixed; ( 4) During the whole growth period , the main nitrogen resource of
white clover was symbiotic dinitrogen f ixation and that of ryegrass was soil nitrogen ;( 5) Effect
of different levels of applied N on N % of ryegrass and white clover was signif icant.
Key words :white clover , ryegrass , 15 N2isotope dilution method , symbiotic dinit rogen fixation ,
legume/ ryegrass mixtures , N %
901Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
2000 ,14 (2) :104～109