全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2002) 03-0164-03
羊草草原豆科牧草生物固定量研究*
李玉中1, Redmann R. E. 2 , 祝廷成3 , 李建东3
( 1.中国农业科学院农业气象研究所, 北京 100081; 2.萨斯卡切温植物与土壤系, 加拿大; 3.东北师范大学草地研究所, 长春 130024)
摘要: 采用样线和样方相结合的方法测定东北羊草草原豆科牧草的频度、密度和生物量,用微量凯氏定氮法测定
豆科牧草和参照植物的氮浓度,用15N 同位素稀释法测定豆科牧草的氮素固定比例,并结合生物量测定结果, 计算
豆科牧草的年际生物固氮量为 1. 5kgN / hm 2。
关键词: 15N 同位素稀释法; 豆科牧草; 生物固氮
中图分类号: S812　　文献标识码: A
Nitrogen Fixation in Leymus chinensis Grassland in Northeast China
LI Yu-zhong
1
, Redmann R. E.
2
, ZHU Ting-cheng
3
, L I Jian-dong
3
( 1. Agrometeorology In st itute, CAAS, Beijin g 100081, China; 2. Plant an d S oil Department , U nivers ity of Saskatchew an, Canada;
3. Gr as sland Inst itute, Northeast Normal University, C han gchun 130024, China)
Abstract: A combined transect and quadrats measur e w as adopted to study on the frequency, density and
biomass o f legume forages in L eymus chinensi s grassland, the concentration of N 2 f ixing plant-L athyr us
quinquenervius and nonf ixing control plant-L . chinensis were measured by micro-Kjeldahl method, and the
15
N iso tope dilut ion method w as used to study the percentag e of by legumes of that grassland is 1. 5kgN/
hm2 .
Key words : Legume; Nit ro gen fix at ion; 15N isotope dilution
　　豆科牧草对氮素的生物固定是天然草原生态系
统氮素的一种重要输入方式, 是计算草原生态系统
氮平衡的重要参数。本文首先利用生态学方法对东
北羊草草原的生物量进行测定, 利用15N 同位素稀
释法测定豆科牧草氮素的固定比例,并根据所测数
据计算羊草草原氮素的生物固定量。
1　材料与方法
1. 1　样地自然概况
样地位于吉林省长岭腰井子羊草草原自然保护
区, 位于 东经 123°44′～ 123°47′, 北纬 44°40′～
44°44′。地处温带半湿润、半干旱季风气候区,具有
典型的大陆性气候特点。年均降水量 470. 6mm ,主
要集中在 6～ 8 月, 占全年的 70% , 年蒸发量
1600. 2mm,年均气温 4. 9℃,无霜期 136～163d。土
壤为淡黑钙土,有机质含量 3. 24% ,全氮 0. 15% ,容
重1. 41。样地为单一优势种群落, 伴生种有十几种,
羊草( L eymus chinensis)盖度达 80%左右,其地上生
物量占群落总量的 90%以上[ 5]。
1. 2　生物量测定
1995 年 7 月底, 在试验区, 沿南北走向, 每隔
50m 设置一条东西向样线,其中每隔 50m 设置一样
方( 1m×1m ) ,记录样方中豆科牧草的种类和株数。
随机选取 10个含有豆科牧草的样方,测定其地
上、地下生物量。将生物量换算为单株重量。
单位面积豆科牧草产草量计算。由前面的密度
值与单株豆科牧草的地上、地下干物重计算豆科牧
草生物量。
1. 3　固氮比值测定
1. 3. 1　15N同位素稀释法[ 1～3]　将具有一定丰度的
标记肥( 15NH4) 2SO 4施在既有豆科牧草也有参照植
收稿日期: 2001-12-13; 修回日期: 2002-01-27
基金项目:国家自然科学基金国际合作项目 9389009-1、社会公益研究项目、国家高技术研究发展计划项目( 2001AA242041)资助
作者简介: 李玉中( 1964-) ,男,内蒙古赤峰人,副研,主要从事生态学、农业减灾等方面的研究工作
第 10卷　第 3期
　Vo l. 10　　No. 3
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2002 年　9月
　Sept. 　2002
物的小区中, 所施标记肥的小区,固氮植物与非固氮
植物体内吸收的15N 就有了一定的差异,据此计算
固氮植物N 从空气中的固定量。
1. 3. 2　返青后,在羊草草原典型地段选取有五脉山
黧豆( L athyr us quinquenervius)聚集生长的区域,在
25cm×25cm 取样区内应有 3 株以上五脉山黧豆
(以保证有足够的测定样品) ,以羊草作为参照植物,
标记肥施用区为 1m×1m ,在施肥区的中心 25cm×
25cm 处生长着五脉山黧豆, 为取样区。
1. 3. 1. 2　称取 1200g 石英砂, 放在白瓷盘中,用分
析天平称 6. 000g 丰度为 10%的( 15NH 4) 2SO4 ,并溶
于 400mL 无离子水中,将此溶液浇到石英砂上,混
合均匀, 在 60℃的烘箱烘干,干后再充分混合后分
成 6份,均匀撒在样方内,不要粘在植株上。每个样
方的施 N量相当于2. 12kgN / hm 2。再在每个样方上
用 2L 无离子水均匀喷在石英砂上,使其标记肥渗
入土壤。
1. 3. 1. 3　两个月后( 7月 25日)在牧草产量最高
期,将 25cm×25cm 样方的植物连同根系一起挖出,
将地上地下分开, 地下部充分冲洗干净,地上部按种
类分开,将洗净的样品放在 60℃的烘箱烘干,粉碎,
称取 0. 1～0. 15g 干样。利用凯氏定氮法测定氮含
量[ 6] , 测后,将吸收瓶的溶液移至蒸发皿, 向溶液内
滴加 1滴 2%的硫酸酸化, 放在烘箱在 80℃的温度
下浓缩,浓缩至溶液剩下余量为 2mL 时,停止浓缩,
将浓缩液移到青霉素瓶内。用质谱仪测定15N丰度。
首先计算固氮植物与非固氮植物地上、地下15N
原子百分超:
植物不同部分原子百分超= 样品15N 丰度百分
数- 0. 3663% ( 1)
以下式计算豆科牧草地上地下生物量氮素固定
比值( The percentag e of total N that w as f ixed-%
Ndfa ) :
%Ndfa= ( 1-
固氮植物原子百分超
非固氮植物原子百分超)×100
( 2)
单位面积豆科牧草固氮量计算:
N 2固定量( kg N/ hm2 ) = %Ndfa×固氮植物总
N 量( kg N / hm 2) ( 3)
2　结果与分析
2. 1　豆科牧草分布及生物量
在 118个样方中(样线 7 和样线 9) , 共有 3 种
豆科牧草出现,即五脉山黧豆,兴安胡枝子,细叶米
口袋(见表 1、2)。
随机选取上述 3种豆科牧草各 50株,其中五脉
山黧豆的平均密度为 1. 92株/ m 2, 细叶米口袋为 0.
57株/ m 2,兴安胡枝子仅 0. 13株/ m2 ,说明五脉山黧
豆在生物固氮方面起主要作用。所以本研究将着重
对五脉山黧豆固氮量测定。在典型地段随机选取 6
个点,每点至少有 3株五脉山黧豆,将其与羊草连根
挖出,水洗后,烘干, 测定五脉山黧豆地上、地下生物
量比值,根据已测定五脉山黧豆地上生物量平均值,
换算地下生物量值。
表 1　羊草草原豆科牧草分布*
T able 1　The distribution of legum e species in L . chinensis gr assland
样方号
Quadrat
No.
样线 1
No. 1
t ransect
line
样线 2
No. 2
t ran sect
l ine
样线 3
No. 3
tr ans ect
lin e
样线 4
No. 4
t ransect
line
样线 5
No. 5
t ransect
line
样线 6
No. 6
t ran sect
l ine
样线 7
No. 7
t rans ect
lin e
样线 8
No. 8
t rans ect
line
样线 9
No. 9
t ransect
line
样线 10
No. 10
t ransect
l ine
1 0 0 0 0 0 1G 0 0 0 0
2 6G 0 0 0 36La 0 8G2L 0 0 0
3 0 0 2G 0 0 0 0 0 0 0
4 5G 1G 1G 2G 0 0 0 0 0 0
5 0 0 4G 5L 0 0 0 0 0 0
6 1G1L 0 2G 0 22La 0 6La 0 0 0
7 0 0 2G 0 0 3G 0 0 0 0
8 0 0 0 0 0 0 2G 3G 0 0
9 0 0 2G 0 0 0 2L 0 0 0
10 0 0 0 0 0 10G 1G5L 0 10La 0
11 0 0 9G 128La 0 10G 0 0 0 0
12 0 0 0 25La 0 0 0 0
　　* G:细米叶口袋( G. stenop hy lla) ; L :兴安胡枝子( L esp ed ez a d auri ca) ; La:五脉山黧豆(L athy rus quinquener v ius)
字母前的数字表示该种植物的株数　T he num ber before each let ter indicate the individu al num bers of th e species
165第 2期 李玉中等:羊草草原豆科牧草生物固定量研究
表 2　三种豆科牧草出现的样方数频度、密度和生物量
T able 2　The occurr ed number o f quadrat , fr equency , av erage densit y and biomass of the thr ee legumes
植物名称
Species
出现的样方数
No. of appeared quadrats
频度( % )
Frequ ency( % )
密度(株/ m 2)
Aver. dens ity( No. / m2)
生物量( g/ m2)
Biomass ( g/ m2)
细叶米口袋　G. stenop hy lla 20 17. 0 0. 57 0. 27
兴安胡枝子　L . daurica 5 4. 2 0. 13 0. 31
五脉山黧豆　L . quinquenerv ius 6 5. 1 1. 92 5. 72
总计　 T otal 31 26. 3 2. 62 6. 30
表 3　五脉山黧豆和羊草地上地下干物质 N 浓度和15N 丰度( 15N标记肥法)
T able 3　N concentr ation and 15N abundance o f above and underg r ound dry matter of
L . quinquenerv ius and L . chinensis ( 15N labeled fer tilizer met hod)
项　目
Items
N 浓度( % )
N concent ration ( % )
15N 丰度( % )
15N abundance( % )
15N 原子百分超
15N atom% excess
五脉山黧豆地上 2. 60 0. 3725 6. 2×10- 3
Aboveground of L . quinquenerv ius
五脉山黧豆地下 2. 94 0. 3713 5. 0×10- 3
Undergrou nd of L . qu inqu enerv ius
羊草地上 1. 35 0. 4037 37. 4×10- 3
Aboveground of L . chinensi s
羊草地下 1. 12 0. 3973 30. 9×10- 3
Undergrou nd of L . chinensis
　　100株五脉山黧豆地上干重为 90. 5g ,单株干重
为 0. 91g ,其地上与地下生物量比值为 0. 44,单株地
下干重为 2. 07g ,单株总干重为 2. 98g。由前面的密
度结果可得出每平方米五脉山黧豆的生物量干重为
5. 72g/ m
2
, 而细叶米口袋单株干物质重仅 0. 48g ,其
生物量为 0. 27g / m2 ,仅为五脉山黧豆的 4. 7%; 胡
枝子的单株干物质重为 2. 4g , 其生物量为 0. 31g/
m2 ,为五脉山黧豆的 5. 4%。
2. 2　15N标记肥法固氮量的测定
五脉山黧豆地上部 N 2固定率为 83. 5%, 地下
部 N 2固定率为 84. 0%。
五脉山黧豆的密度为 1. 92株/ m2 ,公顷株数为
1. 92×104株, 单株地上干重 0. 91g, 其地上生物量
为 17. 47kg / hm 2, 地上部 N 浓度 2. 6%, 地上 N 总
量 0. 45kg, 地下生物量为 39. 74kg/ hm2 , 地下部 N
总量为 1. 17kgN/ hm2。由 N 2的固定比率计算出五
脉山黧豆固定量为 1. 35kg N/ hm2。结合羊草草原其
它豆科牧草的生物量、含氮量,羊草草原豆科牧草年
固定量为 1. 5kgN / hm 2左右。
3　结论
3. 1　羊草草原为碱性草原,物种单一, 豆科牧草种
类及其密度不高, 在固氮作用起主要作用的是五脉
山黧豆。其年固定氮量为 1. 35kgN / hm 2, 并根据其
它豆科牧草的密度和产量及 N 浓度计算出该类型
草原豆科牧草年生物固氮量约为 1. 5kgN/ hm2。
3. 2　样线法结合15N 稀释法可基本准确测定草原
豆科牧草生物固定量,是测定天然草原豆科牧草生
物固氮量的理想方法。
参考文献
[ 1] 　Berger sen F J. Measurement of n itr ogen f ixat ion by direct
m eans [ A] . In: Bergers on F J. ( ed ) Meth od s for evaluat ion
b iological nit rogen f ixation [C ] . John Wiley and Sons , Chich-
ester , 1980. 65～110
[2]　Warembou rg F R. N 2 f ixat ion in soil and plant systems [ A] .
In : Roger Know les, Blackburn T Henry ( ed. ) . Nit rogen iso-
tope techniques[ C] . Academic Pres s, Inc. Calif or nia, 1993.
127～156
[3] 　Bu rris R H, Miller C E. Applicat ion of 15N to stud y nit rogen
f ixat ion[ J] . Science, 1941, 93: 114～115
[ 4] 　Fried M , Middleboe V. Measur ement of amoun t of nit rogen
f ixed by legum e crop[ J ] . Plant Soil, 1977, 47: 713～715
[5]　李建东.吉林省长岭种马场附近草原类型动物及其生态分布规
律[ J ] . 吉林农业科学, 1981, 2: 25～26
[6]　中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M ] .上海:上海科
学技术出版社. 1978. 62～93
166 草　地　学　报 第 10卷