《Field Crops Research》：Red and white clover sustain high and stable yields in diversified perennial grasslands under low N input
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本研究针对多年生草地如何在低氮输入下维持高产稳定的核心问题，探讨了物种丰富度与豆科植物种类对生物量产量、氮产量的影响。通过田间试验对比，发现包含红三叶的豆科混播草地在施氮量仅75 kg N ha?1yr?1时，其干物质与氮产量即可媲美甚至超越年施氮450 kg N的高施肥禾草单作。研究表明，在集约化管理草地中，物种丰富度对产量的提升作用有限，而关键高产物种（如红三叶）的引入更具决定意义，这为建立高产、稳产、环境友好的草地系统提供了重要的理论与实践依据。
在现代农业追求高产高效的进程中，如何减少对化学氮肥的依赖，同时维持作物生产的稳定与高收益，是全球面临的重大挑战。集约化管理的多年生草地是畜牧业和生物炼制的重要饲料与原料基地，但它们常常依靠高氮投入来维持生产力，这不仅增加了生产成本，也带来了温室气体排放、硝酸盐淋失等环境问题。那么，能否“鱼与熊掌兼得”，既减少氮肥用量，又保持草地的高产与稳产呢？自然生态系统为我们提供了线索：多样化的植物群落通常具有更高的生产力和稳定性。然而，在集约化管理的人工草地中，增加物种多样性是否同样有效？在众多物种中，哪些是关键角色，特别是豆科植物，它们在固氮和供养同伴方面的表现有何不同？来自奥胡斯大学的研究团队针对这些问题，在丹麦开展了一项为期三年的田间试验，并将研究成果发表在《Field Crops Research》上。
为探究这些问题，研究人员设立了一个包含物种丰富度梯度（2、6、18种）的田间试验。核心物种包括两种豆科植物（红三叶草与白三叶草）、两种禾草（多年生黑麦草与高羊茅）以及两种牧草杂草（菊苣与长叶车前）。所有混播处理每年仅施用75 kg N ha?1，并与不同施氮水平（0至450 kg N ha?1）的多年生黑麦草单作进行对比。研究在2022年至2024年间，每年收割三次，测定总干物质产量、氮产量，并利用15N同位素稀释法量化了豆科植物的生物固氮量。此外，还评估了不同三叶草品种对群落生产力的影响。
3.1. 生物质干物质产量
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结论：所有包含豆科的混播草地产量均显著高于同施氮量（75 kg N）的禾草单作。在所有三年中，包含红三叶的混播（无论是2种、6种还是18种混播）其干物质产量均与最高施氮量（450 kg N）的禾草单作相当。相比之下，包含白三叶的2物种混播在第一年产量较低，但随后几年产量提升，缩小了与红三叶混播的差距。增加物种丰富度（从2种到6种、18种）并未带来总产量的进一步增加。
3.2. 生物质氮产量
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结论：氮产量的格局与干物质产量类似，但由于豆科植物生物量氮含量更高，混播草地在氮产量上的优势更为显著。所有红三叶混播的氮产量均与或高于年施450 kg N的禾草单作。尽管施肥量相同，红三叶混播的氮产量是禾草单作（75 kg N）的4-5倍。
3.3. 生物固氮
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结论：红三叶混播的生物固氮量高于白三叶混播，这主要源于其更高的豆科生物量，而非固氮效率（%Ndfa）。白三叶混播中，非豆科伴生植物的氮产量在第二、三年显著增加，表明白三叶向同伴转移了更多固氮。在18物种混播中，豆科植物的固氮效率在后期年份保持较高水平，表明其非豆科植物对土壤氮的竞争更强。
3.4. 三叶草品种选择对群落生产力的影响
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结论：不同的红三叶和白三叶品种对2物种混播的产量有影响，但差异相对较小且不稳定。红三叶品种‘Semperina’在第一年产量较低。白三叶品种‘Abercrest’在第三年通过支持更高的禾草产量，带来了更高的群落干物质产量。但总体而言，品种差异的影响远小于豆科物种本身（红 vs 白）的影响。
3.5. 伴生物种对群落生产力的影响
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结论：伴生植物的选择对混播的长期表现至关重要。禾草伴生（特别是高羊茅）总体表现优于牧草杂草。菊苣为二年生植物，在第三年从群落中消失。长叶车前则表现出良好的持久性。在与白三叶混播时，高羊茅在第三年形成了高产组合，但此时白三叶贡献比例已很低。
在集约化管理的多年生草地中，引入高产豆科植物是替代高量化肥、实现高产稳产的有效策略。本研究的关键结论在于澄清了“多样性”与“关键物种”的作用。与自然草地不同，在资源相对充足的集约管理系统中，物种丰富度本身对提升总产量的贡献有限；相反，物种身份，特别是高产豆科植物（如红三叶）的引入，是决定群落高产的关键。仅施用75 kg N ha?1的红三叶混播草地，其干物质和氮产量即可媲美年施450 kg N的禾草单作，这极大地证明了通过生物固氮替代化肥氮的可行性。
然而，高产的可持续性需要平衡的物种组成。红三叶虽初期高产，但倾向于在群落中占据主导地位，排挤伴生植物，这可能影响其长期（三年后）的持久性和产量稳定性。白三叶则表现出不同的策略：它虽初始产量较低，但能更好地与伴生植物共存，并通过其浅根系和匍匐茎生长方式，更有效地将固定的氮转移给同伴，从而在第二、三年维持了更高的非豆科植物产量和更平衡的群落结构。18物种的高多样性混播展现出了独特的价值：虽然总产量未超过最佳2物种混播，但它成功维持了豆科与非豆科植物之间更均衡的比例，这主要归因于一年生豆科植物（如绛三叶）在早期的竞争，为禾草等非豆科植物的建立赢得了空间。这种平衡对于延长草地的利用年限、减少翻耕更新频率、从而增加土壤碳固存和减少养分流失风险具有重要意义。
在技术层面，通过选择不同性状的三叶草品种可以微调群落动态，但其影响远小于选择红三叶还是白三叶这一根本决策。本研究从实践角度指出，管理者应根据目标（追求短期极高产 vs. 中长期稳产）来灵活选择豆科物种和混播配方。红三叶混播适合短期（2-3年）高产需求，而白三叶或高多样性混播（如18物种）则更有潜力维持更长期的高产稳产和生态平衡。
总之，这项研究为设计和优化低氮输入的可持续草地生产系统提供了坚实的科学依据。它表明，“以豆代肥”不仅可行，而且在氮产量和蛋白质产出方面更具优势。未来研究需延长观测年限，以明确不同混播组合在四年甚至更长时间尺度上的产量动态和土壤效应，从而为构建真正持久、高产、环境友好的农业生态系统提供更完整的蓝图。
