暖季与冷季牧草物种多样性增加促进亚热带混播牧草地表与根系碳、氮积累

背景与目的 本研究评估牧草物种多样性提高如何影响牧草(herbage)和根生物量、相关的碳(C)和氮(N)积累及土壤颗粒有机质(particulate organic matter, POM)。 方法 研究人员进行了为期三年的田间试验，将暖季多年生巴哈雀稗(Paspalum notatum)每年补播黑燕麦(Avena strigosa)的基线系统与8种含3～6个物种（包括豆科与禾本科，具不同季节生长型——暖季vs.冷季——及生活型——一年生vs.多年生）的混播处理进行比较。新增豆科为暖季牧草花生(Arachis pintoi)和冷季白三叶草(Trifolium repens)；新增禾本科为暖季平头草/赖母草(Hemarthria altissima)和冷季意大利黑麦草(Lolium multiflorum)。 结果 物种数由两物种基线增至3–6物种混播后，冷季与暖季的地表牧草积累量、根生物量及相应的C和N积累均提高。添加豆科物种一致提高了牧草和根的N积累；添加暖季物种提高年牧草积累量，而冷季物种提高冷季期间牧草与根生物量。三年后仅意大利黑麦草(Lolium multiflorum)显著提高了土壤POM-C和POM-N。 结论 在巴西南部亚热带环境中，牧草混播物种数由2种增至3–6种对牧草、根系及C、N积累具正向效应。各物种贡献因其为冷季/暖季物种及是否属豆科而异，故依据功能性状选择互补物种是获取多样化牧草草层(sward)效益的关键。

论文解读——《Increasing diversity of warm- and cool-season species enhances aboveground and root carbon and nitrogen accumulation in subtropical forage mixtures》发表于《Plant and Soil》

研究背景

草原储存了全球约三分之一的土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)，是生物地球化学碳循环的关键组分，但集约化放牧常导致SOC流失。通过增加植物功能多样性——尤其是引入具互补时空生态位的物种——可提升净初级生产力、根生物量及根系沉积物(rhizodeposition)，从而促进SOC固存。亚热带地区暖季多年生草地常在冷季休眠，造成季节性饲草空缺，生产上多采用暖季草地补播(overseeding)冷季一年生牧草以延长供应。已有研究表明豆科与禾本科混播可通过生物固氮(biological N fixation, BNF)改善草丛产量与品质，且不同根系构型可增强养分与空间生态位互补(niche complementarity)，促进深层根生物量与土壤结构改良。然而，关于具不同功能性状（固氮能力、生活周期、季节生长节律）的暖/冷季物种组合如何协同影响亚热带牧草混播系统的地上/地下生产力、C/N积累及土壤颗粒有机质(particulate organic matter, POM)的研究仍较有限。为此，研究人员在巴西南部亚热带条件下，设置从两物种基线逐步增加具对比功能性状物种的混播梯度，探究物种多样性及特定功能群添加对牧草生产、根系C/N积累及土壤POM的影响。

材料与方法概要

试验于巴西库里蒂巴（25°24′47″S, 49°14′59″W，海拔916 m，Köppen Cfb气候）粘质 Cambisol 土壤上进行，随机区组设计，9个处理（2～6物种混播组合），4次重复。暖季基准物种为巴哈雀稗(Paspalum notatum)，冷季基准为黑燕麦(Avena strigosa)；逐步添加暖季豆科牧草花生(Arachis pintoi)、冷季豆科白三叶草(Trifolium repens)、暖季禾本科平头草/赖母草(Hemarthria altissima)及冷季禾本科意大利黑麦草(Lolium multiflorum)。2020–2023年分6个生长季（3个冷季+3个暖季）评估。主要测定指标与方法包括：（1）牧草积累量(herbage accumulation)：每季定期刈割0.25 m²样方，烘干称重；（2）根生物量(root mass)：每年末用土钻取0–30 cm分层根样，过筛冲洗、烘干称重；（3）植株C、N浓度：干样研磨后元素分析仪(Vario EL III Elementar®)干燃烧法测定，计算C/N积累量＝生物量×浓度；（4）土壤有机C(SOC)、全N及POM-C/POM-N：物理分馏法（六偏磷酸钠分散过53 µm筛）获POM组分并测定；（5）土壤矿质N(NH₄⁺-N、NO₃⁻-N)：KCl浸提–流动注射分析法；（6）土壤穿透阻力和容重。数据统计采用R语言线性模型拟合，正交对比(orthogonal contrasts)检验混播效应及各物种添加效应（P＜0.05为显著）。

研究结果

Herbage accumulation（牧草积累量）

三年平均，3–6物种混播比两物种基线(B-O)年牧草积累量提高15.3％(P＜0.001)，冷、暖季均有提升。添加牧草花生使冷季牧草积累量提高6.4％、暖季提高11.6％，年总量提高9.0％；添加白三叶草仅提高冷季牧草积累量(+4.9％)；添加平头草(Hemarthria altissima)提高暖季牧草积累量(+13.1％)和年总量(+7.3％)；添加意大利黑麦草(Lolium multiflorum)仅提高冷季牧草积累量(+10.7％)。

Root mass（根生物量）

混播(3–6物种)使年均根生物量(0–30 cm)较基线提高12.2％(P＝0.004)，冷季+8.6％、暖季+16.3％。牧草花生和平头草对根量无显著影响；白三叶草提高冷季根量(+6.4％)；意大利黑麦草提高冷季根量(+9.0％)和年根量(+5.5％)。

Carbon and nitrogen concentration and accumulation in diversified forage mixtures（多样化牧草混播中C、N浓度与积累量）

植株C浓度受混播影响小，N浓度因混播组成变化——豆科添加（牧草花生、白三叶草）提高牧草及根N浓度，禾本科添加略降低N浓度但被生物量增益抵消。混播显著提高牧草和根的C积累量(P＜0.001)及N积累量(P≤0.009)。牧草花生提高牧草与总C积累及根N积累；白三叶草提高根N积累；平头草主要提高C积累（源于牧草C增加）；意大利黑麦草对C/N积累无显著影响。

Soil mineral nitrogen（土壤矿质氮）

0–5 cm土层，混播提高季末NH₄⁺-N（冷、暖季末）及季初NO₃⁻-N（冷、暖季初）。牧草花生偶尔提高NH₄⁺，且显著提高NO₃⁻；平头草提高暖季初NO₃⁻；意大利黑麦草降低暖季初NO₃⁻但提高暖季末NO₃⁻。5–30 cm深层无一致差异。

Carbon and nitrogen in whole soil and particulate organic matter fraction（全土及颗粒有机质POM中C、N）

全土SOC和全N浓度两年或三年后未受混播显著影响。混播提高第2暖季末0–5 cm POM-C和POM-N浓度，但未持续至第3年。仅意大利黑麦草添加在第3暖季末显著提高0–5 cm POM-C和POM-N（以全土计，P＝0.022和P＝0.019）。

Soil physical characteristics（土壤物理性状）

两年后土壤穿透阻力(penetration resistance, PR)及三年末土壤容重(bulk density, BD)均不受混播处理或物种添加影响。

讨论与结论总结

讨论指出，物种多样性增加通过时间生态位互补（暖/冷季物种交替生长）和功能互补（豆科BNF供N、不同冠层与根系构型增强资源捕获）提升了年生产力与N积累，并非单纯物种丰富度越高越好，而是功能互补的关键物种（如豆科+晚熟暖季禾草或冷季密丛禾草）驱动效益。豆科特别是牧草花生通过BNF及残体归还提升后续季节N有效性；白三叶草浅根系与匍匐茎促进表层根量。平头草延长暖季光合期，意大利黑麦草靠细根快速周转和较多根系输入提升表层POM。三年试验期内全土SOC未变，但根C/N积累增加及意大利黑麦草促POM提示长期可能推动MAOM(mineral-associated organic matter)形成，需更长研究验证。未来需在放牧系统中评估动物生产响应及微生物功能。

结论（翻译）

这项为期三年的田间研究表明，在结合暖季与冷季物种的亚热带牧草系统中，将物种多样性由两物种基线提升至3–6物种混播，一致增强了牧草积累量、根生物量及相应的C和N积累。多样化混播跨季节提高了生产力，表明引入具对比功能性状的物种可减少时间性生产缺口并全年增强资源利用。这些发现突显了在设计中策略性选择物种对优化农艺表现和土壤健康的重要性。在此类多样化系统中，具对比功能性状的物种对系统响应贡献不同——牧草花生一致提高牧草量和N积累，白三叶草亦有较小但正向效应（与其BNF能力相符）；附加禾本科如平头草主要影响暖季牧草积累，意大利黑麦草提升根生物量并提高POM-C与POM-N。上述格局说明固氮能力、季节生长动态及根系特征塑造混播内特定的地上/地下结果。尽管多数混播中根C、N积累增加，三年后土壤POM大体未变，显著增幅主要在含意大利黑麦草混播的表层，未出现跨深度一致变化可能反映试验期较短及初始SOM较高；但部分混播中根C、N积累增加暗示若长期维持可能引致土壤C、N库变化。总之，本研究结果可为朝向更具韧性与生产力的牧草生态系统选择双赢混播组合提供依据。