禾-豆混播比例影响紫花苜蓿氮素固定的机制及土壤水分的调控作用

Legume introducing in grassland to utilize its nitrogen fixation is an effective measure for increasing soil fertility and improving forage production. Many previous studies found that grass-legume ratio and soil moisture were two key factors to influence nitrogen fixation of legume in mixture grassland. However, mechanism of the influence of grass-legume ratio on nitrogen fixation of legume is still unclear. Moreover, it is not known how soil moisture regulates nitrogen fixation of legume influenced by grass-legume ratio. In this study, through establishing Leymus chinensis-Medicago ruthenica mixture grasslands with different grass-legume ratios in the field, the influence of grass-legume ratio in mixture on soil moisture and nitrogen fixation of M. ruthenica will be examined. The physiological and ecological processes for grass-legume ratio to influence root nodule nitrogen fixation of M. ruthenica, and the regulating effect of soil moisture in these processes will be revealed systematically, based on the data on the growth, physiological metabolism and nutrient supply of M. ruthenica. In mixtures with different grass-legume ratios, the effect of varied soil moisture on nitrogen fixation of M. ruthenica further will be studied by a pot experiment. The results of this study can strengthen our understanding on biological features and nitrogen fixation function of M. ruthenica, and provide scientific basis for habitat selection, grass-legume ratio setting and irrigation practices of L. chinensis-M. ruthenica mixture grasslands.

混播豆科植物，利用其固氮作用是实现草地土壤培肥，改善饲草生产的有效途径。以往研究发现禾-豆混播比例和土壤水分是影响混播草地豆科植物氮素固定的两个重要因素。然而，禾-豆混播比例影响豆科植物氮素固定的机制未被揭示，同时，土壤水分对禾-豆混播比例影响的豆科植物氮素固定的调控作用不清楚。本研究拟在田间构建不同禾-豆混播比例的羊草-紫花苜蓿混播草地，研究禾-豆混播比例影响的土壤水分和紫花苜蓿氮素固定。从紫花苜蓿生长发育、生理代谢、营养供应角度系统阐释禾-豆混播比例影响紫花苜蓿根瘤氮素固定的生理、生态机制，及土壤水分在其中的调控角色；进一步通过盆栽控制实验研究土壤水分变化对不同禾-豆混播比例下紫花苜蓿氮素固定的调控作用。本研究能深化我们对紫花苜蓿生物学特征和固氮功能的认识，也为羊草-紫花苜蓿混播草地建植的生境选择、混播比例设置、灌溉管理等提供科学依据。

前期研究中，禾-豆混播比例对混播草地豆科植物氮素固定影响的生理、生态机制不清楚，土壤水分对禾-豆混播比例影响的氮素固定的调控作用有待揭示。为回答上述理论问题，田间种植不同豆草比例的羊草-紫花苜蓿混播草地，检验豆草比例影响的土壤水分和紫花苜蓿氮素固定，从生长发育、光合代谢、营养供应角度系统分析豆草比例影响紫花苜蓿根瘤固氮的生理、生态机制，及土壤水分的调控角色；进一步通过温室控制实验研究土壤水分改变对不同禾-豆混播比例下紫花苜蓿氮素固定的调控作用。研究表明(1)豆草比例显著影响土壤水分含量，50%的豆草种植比例下，土壤水分含量显著高于其他豆草比例。(2)在影响土壤水分含量同时，豆草比例对应改变光合相关的生理性状，如随土壤水分含量的降低，叶片数量、叶片面积、叶绿素含量下降，直接导致植株光合能力和根系、根瘤碳水化合物累积的降低。土壤水分含量的减少也促使豆草矿质元素吸收和根瘤矿质营养的下降。(3)豆草比例改变土壤水分，并通过上述生理途径，影响豆草植株和根瘤营养，进一步影响根系结瘤和固氮。因更高的土壤水分含量，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%（4）温室实验表明增加水分通过改善豆草光合代谢和矿质营养吸收，有效提高豆草固氮率，这种作用在高豆草比例下尤为明显，导致不同豆草比例下固氮率差异减小。通过该项目研究，一方面深化我们对紫花苜蓿生理、生态特征和固氮功能的认识，另一方面也为羊草-紫花苜蓿混播草地建植的生境选择、混播比例设置、灌溉管理等提供科学依据。