銀敏華，馬彥麟，康燕霞，賈瓊，齊廣平，汪精海

（甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

中國草地畜牧業(yè)面臨著天然草原三化嚴峻、草畜供需矛盾突出和草地生產力水平低下等瓶頸，建植人工草地是有效緩解這一系列問題的必要途徑，也是一個國家畜牧業(yè)發(fā)展水平的重要標志［1］。目前，中國人工草地面積約5.8×105hm2，僅占天然草地的0.3%，而美國和新西蘭的這一比例分別為15%和75%［2-3］。苜蓿（Medicago sativa）是全球栽培面積最大的優(yōu)質豆科牧草，被譽為“牧草之王”，可通過根瘤菌固氮培肥地力，減少水土流失并改善土壤結構［4-5］，在推動農牧業(yè)供給側結構性改革和改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用［6-7］。近年來，國家高度重視苜蓿產業(yè)發(fā)展，先后制定和實施了“統(tǒng)籌調整糧經飼種植結構”“擴大糧改飼試點，加快建設現(xiàn)代飼草料產業(yè)體系”等政策。苜蓿生產規(guī)模和生產水平得到了空前發(fā)展，種植面積由2012年的6.7×104hm2增加至2020年的6.3×105hm2，相應地，年產量由5×108kg增加至4×1010kg，但仍有近1/4依賴進口［8］。然而，受重農輕牧思想的影響，中國苜蓿生產大多沿用傳統(tǒng)方法，主要種植在瘠薄地與鹽堿地中，基本不施肥或少量施肥，田間管理粗放，使得苜蓿生產潛力未能充分發(fā)揮［9］。

苜蓿生產受遺傳特性和環(huán)境條件的綜合影響。在諸多環(huán)境因子中，肥料是限制苜蓿生產水平的關鍵，其中氮素作為植株生長必需的大量營養(yǎng)和結構性元素，直接影響植株的新陳代謝、物質循環(huán)與營養(yǎng)分配等過程［10］。與禾本科相比，苜蓿的氮素來源具有獨特性，除能直接從土壤中獲取固有氮素和外源氮素外，還可通過自身根瘤固氮供生長所需。為此，針對苜蓿生產中是否需要添加氮肥，如何添加氮肥以及添加多少氮肥存有爭議。研究表明，每公頃苜蓿一年能固氮約270 kg，且殘留在土壤中的根瘤菌和根系可增加土壤有機質含量，改善土壤團粒結構［11］。通過自身根瘤固定的氮素不僅可以滿足苜蓿生長需要，還可為后茬作物提供可觀的氮素營養(yǎng)，添加氮素反而會減少苜蓿株數(shù)、刺激雜草入侵，降低苜蓿的再生能力及在生態(tài)系統(tǒng)中的競爭力［12］。此外，添加氮素會抑制根瘤生長及結瘤數(shù)量，從而降低固氮酶活性與固氮量，形成“氮阻遏”［13］。也有研究發(fā)現(xiàn)，外源氮素在苜蓿生長發(fā)育中具有重要作用。苜蓿在建植當年及刈割后，根瘤固氮能力較弱，需要從土壤中攝取氮素維持生命活動［14］。添加氮素可調節(jié)草地營養(yǎng)元素比例、改善土壤養(yǎng)分循環(huán)并增強土壤酶活性［15］。合理添加氮素尤其是同時添加銨態(tài)氮和硝態(tài)氮可優(yōu)化苜蓿根系外部形態(tài)與內部組織結構，增強對養(yǎng)分的攝取、吸收及運移能力［16］，并促進生物固氮貢獻水平，從而提高苜蓿產量、品質和氮肥報酬率［17］。有機與無機氮肥配施能顯著改善土壤供氮特性、促進生物固氮能力和減少氮素淋溶損失，在加強農業(yè)廢棄物綜合利用的同時可大幅度提高氮肥利用率［9］。

不同研究間關于氮素添加對苜蓿生產的效應存在很大差異，甚至相互矛盾。這說明氮素添加對苜蓿生產的效應非常復雜，受環(huán)境條件、土壤特征、種植管理等多方面因素影響，同時也給苜蓿高效生產帶來了諸多不確定性。然而，研究之間結果出現(xiàn)分歧的緣由是什么？苜蓿不同生長指標對氮素添加的響應是否具有一致性？氮素添加對苜蓿生產的正效應是否存在特定條件？為了回答以上問題，本研究以綜合衡量農業(yè)生產措施的指標—苜蓿產量與品質（粗蛋白含量、酸性和中性洗滌纖維含量）為出發(fā)點，通過收集已發(fā)表的關于氮素添加條件下苜蓿產量與品質的田間試驗數(shù)據(jù)，采用Meta分析方法系統(tǒng)研究氮素添加對苜蓿產量與品質的效應及對該效應產生影響的因素，旨在獲得高產優(yōu)質的苜蓿氮素添加模式，并為進一步提高苜蓿生產水平及促進苜蓿產業(yè)綠色高質量發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

通過對中國知網和Web of Science等中英文數(shù)據(jù)庫進行檢索，收集截至2021年4月30日國內外公開發(fā)表的關于氮素添加對苜蓿產量與品質效應的田間試驗研究論文。中文檢索詞包括“氮”“苜?！薄爱a量”和“品質”等；英文檢索詞包括“nitrogen”“alfalfa”“yield”和“quality”等。為減小分析偏差，基于以下標準選擇該研究的數(shù)據(jù)：1）試驗區(qū)位于中國范圍內，且試驗開展于大田環(huán)境中；2）試驗處理同時包含添加氮素和不添加氮素；3）文中列有2種處理的苜蓿產量、粗蛋白含量、酸性洗滌纖維含量和中性洗滌纖維含量中的一個或多個，且其均值和標準差直接給出，或根據(jù)已有數(shù)據(jù)可計算獲得；4）添加氮素的類型、數(shù)量、方式及播種量、灌溉情況和試驗年份清晰。經以上標準篩選，共獲得25篇文獻，包含152組產量數(shù)據(jù)、82組粗蛋白含量數(shù)據(jù)、57組酸性和中性洗滌纖維含量數(shù)據(jù)。產量、品質數(shù)據(jù)或來源于表格和文本，或來源于圖片（采用GetData Graph Digitizer軟件提?。?8］。

1.2 數(shù)據(jù)分類

為了更精細地分析氮素添加對苜蓿產量與品質效應的主要影響因素，本研究在考慮數(shù)據(jù)量及分布的前提下，將所收集的指標按以下類型進行分組：1）研究區(qū)域共涉及9個省/自治區(qū)（甘肅、貴州、河北、吉林、內蒙古、寧夏、山東、新疆和江蘇）；2）研究區(qū)的年平均降水量按照干濕區(qū)劃分為4組，即＜200 mm、200～400 mm、400～800 mm和＞800 mm，分別代表干旱區(qū)、半干旱區(qū)、半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)［19］；3）研究區(qū)的年平均氣溫分為5組（＜4℃、4～8℃、8～12℃、12～16℃和＞16℃）；4）氮肥類型分為3組（硝酸銨、牧草專用肥和尿素）；5）施氮量分為9組（0～30 kg·hm-2、30～60 kg·hm-2、60～90 kg·hm-2、90～120 kg·hm-2、120～150 kg·hm-2、150～180 kg·hm-2、180～210 kg·hm-2、210～240 kg·hm-2和＞240 kg·hm-2）；6）是否追肥（是或否，即分次施肥或一次性基施）；7）生長年限分為4組（1、2、3和4 a）；8）播種量分為6組（＜10 kg·hm-2、11～15 kg·hm-2、16～20 kg·hm-2、21～25 kg·hm-2、26～30 kg·hm-2和＞30 kg·hm-2）；9）灌溉情況（灌溉或雨養(yǎng)）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 效應量計算 效應量是衡量處理效應大小的指標，本研究采用反應比的自然對數(shù)計算效應量lnR［20］，即：

式中：R為反應比，XT為添加氮素的苜蓿產量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗滌纖維含量（%）或中性洗滌纖維含量（%），XC為不添加氮素的苜蓿產量（kg·hm-2）或粗蛋白含量（%）或酸性洗滌纖維含量（%）或中性洗滌纖維含量（%）。

綜合效應量采用加權計算法，即每個樣本均有特定的權重w（即方差v的倒數(shù)）以補償不同樣本間精準性的差異。加權的效應量（lnR*）及其置信區(qū)間（confidence interval，CI）可通過lnR計算獲得［21］。

式中：ST和SC分別為添加氮素和不添加氮素的苜蓿產量或粗蛋白含量或酸性洗滌纖維含量或中性洗滌纖維含量的標準差，nT和nC分別為添加氮素和不添加氮素的苜蓿產量或粗蛋白含量或酸性洗滌纖維含量或中性洗滌纖維含量的重復試驗次數(shù)。

式中：K為樣本數(shù)量，wi為第i個樣本的權重，lnRi為第i個樣本的效應量，S為標準差。

為了更加直觀地反映氮素添加的增產與提質效應，將效應值lnR轉化為提高率（產量和粗蛋白含量）Za或降低率（酸性和中性洗滌纖維含量）Zb［20］：

式中：Za（Zb）的95%置信區(qū)間若全部大于0，說明氮素添加對提高苜蓿產量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）具有顯著正效應；若全部小于0，說明氮素添加對提高苜蓿產量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）具有顯著負效應；若包含0，則說明氮素添加對提高苜蓿產量和粗蛋白含量（降低酸性和中性洗滌纖維含量）無顯著影響。

1.3.2 異質性檢驗 為分析不同研究結果是否存在統(tǒng)計學意義上的差異，本研究采用異質性分析進行檢驗。異質性檢驗Q統(tǒng)計量計算公式［22］如下：

式中：當PQ（Q統(tǒng)計量顯著性檢驗P值）＜0.05時，選用隨機效應模型；當PQ≥0.05時，選用固定效應模型。

1.3.3 發(fā)表偏倚檢驗 發(fā)表偏倚是常見的小樣本效應，會降低分析結果的精度。現(xiàn)采用回歸檢驗法和倒漏斗圖進行發(fā)表偏倚檢驗，公式［23］為：

式中：ti為t檢驗統(tǒng)計量，β0和β1分別為回歸截距和系數(shù)，εi為殘差，νi為殘差與效應量之比。

1.3.4 影響因素分析 按照1.2部分將各指標進行分組，分別進行Meta分析以尋找不同研究結果存在差異的主要原因。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用R（v.4.1.0）編程軟件分析數(shù)據(jù)，使用Origin 9.0軟件作圖，顯著性水平為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 數(shù)據(jù)分布及概況

受氣候條件及管理措施等影響，添加氮素與不添加氮素的苜蓿產量和品質存在較大變幅，且呈現(xiàn)出較好的正態(tài)分布（圖1）。具體表現(xiàn)為，添加氮素的苜蓿產量、粗蛋白含量、酸性與中性洗滌纖維含量分別為1.0×103～4.9×104kg·hm-2（平均1.2×104kg·hm-2）、13.8%～23.8%（平均18.9%）、22.7%～41.1%（平均29.3%）和31.4%～55.4%（平均39.4%）；不添加氮素的苜蓿產量、粗蛋白含量、酸性與中性洗滌纖維含量分別為1.1×103～4.0×104kg·hm-（2平均1.0×104kg·hm-2）、12.4%～23.1%（平均17.7%）、24.7%～42.3%（平均30.9%）和31.1%～54.2%（平均40.6%）。由圖2可知，添加與不添加氮素條件下，產量在9個?。ㄗ灾螀^(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為1.4×103～1.8×104kg·hm-2和1.8×103～1.6×104kg·hm-2；粗蛋白含量在7個?。ㄗ灾螀^(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為15.8%～22.4%和15.4%～21.5%；酸性和中性洗滌纖維含量在6個?。ㄗ灾螀^(qū)）的中位數(shù)區(qū)間分別為25.5%～38.9%和27.3%～40.9%及31.1%～54.2%和34.6%～54.2%。

圖1 添加與不添加氮素條件下苜蓿產量和品質的頻率分布Fig.1 Frequency distribution of alfalfa yield and quality with or without nitrogen application

圖2 苜蓿產量和品質的區(qū)域變化Fig.2 Regional changes of alfalfa yield and quality

2.2 氮素添加對苜蓿產量與品質的綜合效應量

對氮素添加的苜蓿產量和品質分別計算綜合效應量發(fā)現(xiàn)（表1），4個指標的異質性檢驗結果均達到顯著水平（PQ＜0.001），因此采用隨機效應模型?？傮w上，與不添加氮素相比，添加氮素的苜蓿產量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%（置信區(qū)間9.0%～16.2%）和7.3%（置信區(qū)間4.1%～10.6%），酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%（置信區(qū)間3.5%～7.8%）和3.0%（置信區(qū)間1.0%～4.9%）。可見，氮素添加能顯著提高苜蓿產量與品質。經發(fā)表偏倚檢驗，4個指標的PB值均大于0.05，且樣本數(shù)據(jù)點均勻地分布在漏斗兩側（圖3），即均不存在發(fā)表偏倚。

圖3 發(fā)表偏倚檢驗的倒漏斗Fig.3 Inverted funnel by publication bias test

表1 氮素添加對苜蓿產量與品質的綜合效應量Table 1 Comprehensive effect size of nitrogen application on yield and quality of alfalfa

2.3 氮素添加對苜蓿產量的影響因素分析

試驗區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加的苜蓿產量效應（圖4）。在區(qū)域因素方面，新疆和甘肅的產量提高率較高，分別為30.7%（置信區(qū)間20.6%～40.8%）和23.6%（置信區(qū)間17.0%～30.2%），山東、貴州和寧夏次之，河北、吉林、內蒙古和江蘇的提高效應不顯著；隨年平均降水量的增加，產量提高率呈先升高后降低的趨勢，當年平均降水量為200～400 mm時，產量提高率最高（平均17.1%）；隨年平均氣溫的升高，產量提高率呈降低趨勢，當年平均氣溫＞16℃時，產量提高效應不顯著。在施氮因素方面，施用硝酸銨和牧草專用肥的產量提高率分別為26.5%（置信區(qū)間9.6%～43.4%）和22.4%（置信區(qū)間18.4%～26.4%），均高于施用尿素（平均11.9%，置信區(qū)間8.2%～15.6%）；隨施氮量的增加，產量提高率呈先升高后降低的趨勢，當施氮量為120～150 kg·hm-2時，產量提高率最高（平均17.1%），當施氮量＞150 kg·hm-2后，產量提高效應不顯著；分次施肥的產量平均提高率為13.8%，而一次性基施的產量提高效應不顯著（平均5.2%，置信區(qū)間-3.7%～14.1%）。在種植因素方面，隨生長年限的延長，產量提高率呈先增加后降低的趨勢，生長1、2和3 a的平均產量提高率分別為8.2%、16.3%和16.7%，而生長4 a的產量提高效應不顯著；不同播種量條件下，氮素添加均能顯著提高苜蓿產量，但提高效應隨播種量的增加呈先升高后降低的趨勢，當播種量為26～30 kg·hm-2時，提高效應最明顯（平均42.8%）。氮素添加的增產效應在灌溉條件下（平均20.4%，置信區(qū)間15.3%～25.5%）顯著高于雨養(yǎng)條件（平均2.1%，置信區(qū)間-1.7%～5.9%），且雨養(yǎng)條件下，氮素添加的增產效應不顯著?？梢姡湍昃鶜鉁鼗虻湍杲邓康牡貐^(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長年限及分次施肥和灌溉有利于提高添加氮素的苜蓿增產效應。

圖4 氮素添加對苜蓿產量的影響因素分析Fig.4 Analysis of factors affecting alfalfa yield with nitrogen application

2.4 氮素添加對苜蓿品質的影響因素分析

2.4.1 粗蛋白含量 試驗區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對苜蓿粗蛋白含量的效應（圖5）。在區(qū)域因素方面，甘肅的粗蛋白含量提高率最高（平均27.8%，置信區(qū)間18.4%～37.2%），貴州、山東和新疆次之，河北、吉林和內蒙古的提高效應不顯著；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，粗蛋白含量提高率均呈降低趨勢，且當年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時，提高效應不顯著。在施氮因素方面，隨施氮量的增加，粗蛋白含量提高率呈先升高后降低的趨勢，當施氮量為180～210 kg·hm-2時，提高率最高（平均14.3%），而當施氮量＞210 kg·hm-2后，提高效應不顯著；分次施肥的粗蛋白含量平均提高率為7.5%，而一次性基施的粗蛋白含量提高效應不顯著（平均2.1%，置信區(qū)間-7.3%～11.5%）。在種植因素方面，生長1和2 a的苜蓿粗蛋白含量平均提高率分別為7.0%（置信區(qū)間2.2%～11.8%）和8.8%（置信區(qū)間4.4%～13.2%），而生長3 a的苜蓿粗蛋白含量平均降低6.4%；隨播種量的增加，粗蛋白含量提高率呈增加趨勢，當播種量為26～30 kg·hm-2時，提高率最高（平均23.9%）。灌溉和雨養(yǎng)條件下，氮素添加的粗蛋白含量提高率分別為7.7%～19.1%和-0.5%～4.7%，前者顯著高于后者。可見，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長年限及分次施肥和灌溉可促進添加氮素對苜蓿粗蛋白含量的提高效應。

圖5 氮素添加對苜蓿粗蛋白含量的影響因素分析Fig.5 Analysis of factors affecting crude protein content of alfalfa with nitrogen application

2.4.2 酸性洗滌纖維含量 試驗區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對苜蓿酸性洗滌纖維含量的效應（圖6）。在區(qū)域因素方面，甘肅的酸性洗滌纖維含量降低率最高（平均9.8%，置信區(qū)間5.4%～14.2%），貴州、吉林和山東次之，河北和新疆的降低效應不顯著；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，酸性洗滌纖維含量降低率均呈降低趨勢，且當年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時，酸性洗滌纖維含量降低效應不顯著。在施氮因素方面，隨施氮量的增加，酸性洗滌纖維含量降低效應呈增加趨勢，當施氮量為210～240 kg·hm-2時，降低率最高（平均13.6%，置信區(qū)間7.2%～20.0%）；分次施肥的酸性洗滌纖維含量降低率平均為6.3%，而一次性基施的酸性洗滌纖維含量降低效應不顯著（平均2.1%，置信區(qū)間-2.3%～6.5%）。在種植因素方面，生長1 a的苜蓿酸性洗滌纖維含量平均降低率為7.2%（置信區(qū)間3.4%～11.0%），略高于生長2 a（平均5.7%，置信區(qū)間3.3%～8.1%），而生長3 a的降低效應不顯著；隨播種量的增加，酸性洗滌纖維含量降低率呈增加趨勢，當播種量為26～30 kg·hm-2時，降低率最高（平均9.3%）。灌溉條件下，氮素添加的平均酸性洗滌纖維含量降低率為9.3%，而雨養(yǎng)條件下，平均降低率僅為3.1%?？梢?，低年均氣溫或低年降水量的地區(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長年限及分次施肥和灌溉可促進添加氮素對苜蓿酸性洗滌纖維含量的降低效應。

圖6 氮素添加對苜蓿酸性洗滌纖維含量的影響因素分析Fig.6 Analysis of factors affecting acid detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

2.4.3 中性洗滌纖維含量 試驗區(qū)域、施氮模式及種植管理等因素顯著影響氮素添加對苜蓿中性洗滌纖維含量的效應（圖7）。在區(qū)域因素方面，甘肅的中性洗滌纖維含量降低率最高（平均6.5%，置信區(qū)間3.3%～9.7%），貴州次之，河北、吉林和山東的降低效應不顯著，在新疆則表現(xiàn)為氮素添加會顯著提高苜蓿的中性洗滌纖維含量；隨年平均降水量和年平均氣溫的增加，中性洗滌纖維含量降低率呈降低趨勢，且當年平均降水量＞800 mm和年平均氣溫＞12℃時，降低效應不顯著。在施氮因素方面，當施氮量為210～240 kg·hm-2時，中性洗滌纖維含量降低率最高（平均8.6%，置信區(qū)間3.4%～13.8%），在其他施氮量條件下，降低效應不顯著；分次施肥的中性洗滌纖維含量平均降低率為4.0%，而一次性基施的中性洗滌纖維含量降低效應不顯著（平均1.1%，置信區(qū)間-2.1%～4.3%）。在種植因素方面，生長1和2 a的苜蓿中性洗滌纖維含量平均降低率分別為3.7%（置信區(qū)間0.5%～6.9%）和3.6%（置信區(qū)間1.1%～6.1%），而生長3 a的降低效應不顯著；隨播種量的增加，中性洗滌纖維含量降低率呈增加趨勢，當播種量為26～30 kg·hm-2時，降低率最高（平均5.7%）。灌溉條件下，氮素添加的中性洗滌纖維含量平均降低率為5.7%，而雨養(yǎng)條件下，氮素添加的中性洗滌纖維含量降低效應不顯著?？梢姡湍昃鶜鉁鼗虻湍杲邓康牡貐^(qū)，適宜的施氮量、播種量和生長年限及分次施肥和灌溉可促進添加氮素對苜蓿中性洗滌纖維含量的降低效應。

圖7 氮素添加對苜蓿中性洗滌纖維含量的影響因素分析Fig.7 Analysis of factors affecting neutral detergent fiber content of alfalfa with nitrogen application

3 討論

3.1 氮素添加對苜蓿生產的重要性

苜蓿屬豆科牧草，可利用自身根瘤固定大氣中的游離氮以供生長需要。傳統(tǒng)觀念認為，苜蓿屬養(yǎng)地作物，在其生長過程中無需額外施肥，尤其是氮肥。然而，作為高蛋白牧草，每1000 kg苜蓿干草的含氮量約為27 kg，而根瘤固氮量僅占其中的43%～62%［24］。在幼苗期及刈割后的再生期，苜蓿根瘤發(fā)育不完善，固氮能力較弱，需要從土壤中吸收氮素以滿足生長［25］。隨著生長年限的增加，苜蓿的固氮能力趨于衰退，會大量消耗土壤中儲存的礦質氮素［14］。此外，為了避免與糧爭地，中國苜蓿主要種植在土壤肥力低、鹽堿重的干旱低溫氣候區(qū)及保肥能力弱的砂性土壤中，這不利于根瘤固氮潛力的充分發(fā)揮。高產且優(yōu)質是苜蓿生產的目標，其中優(yōu)質苜蓿的標準為粗蛋白含量高于20%，酸性和中性洗滌纖維含量分別低于30%和40%。本研究通過整合已發(fā)表的關于氮素添加對苜蓿產量與品質效應的研究得出，與不添加氮素相比，添加氮素可顯著促進苜蓿生產，其中產量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%和7.3%，酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%和3.0%?？梢?，添加外源氮素是苜蓿高產優(yōu)質的必要保證，也是維持土壤肥力及草地生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)平衡，實現(xiàn)苜蓿產業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的迫切需求［9-10，26］。

3.2 氮素添加提高苜蓿產量與品質的影響因素

3.2.1 試驗區(qū)域 在各級政府大力支持及養(yǎng)殖企業(yè)投資帶動下，中國逐漸形成了甘肅河西走廊，寧夏引黃灌區(qū)，內蒙古赤峰、通遼及鄂爾多斯高原，甘寧黃土高原，陜北榆林，山東東營及河北滄州沿海地區(qū)等適宜苜蓿生長的多個商品草集群產業(yè)基地［8］。本研究也充分體現(xiàn)了這一布局，樣本數(shù)由多到少依次為甘肅、河北、寧夏和貴州、內蒙古、新疆和吉林、山東、江蘇，其中新疆和甘肅的氮素添加增產效應較明顯，其次為山東、貴州和寧夏，而河北、吉林、內蒙古和江蘇的增產效應不顯著。此外，與其他省（自治區(qū)）相比，氮素添加對甘肅苜蓿的粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗滌纖維含量降低率較為明顯，這與不同區(qū)域的氣候條件及土壤特性等密切相關。新疆和甘肅是典型的內陸干旱區(qū)，光熱資源豐富、晝夜溫差大、地勢平坦，且具備灌溉條件，種植苜蓿具有得天獨厚的優(yōu)勢，目前已成為中國重要的高端商品苜蓿生產基地［27］。尤其是甘肅，更是享有“中國苜蓿看甘肅，甘肅苜蓿看河西”的美譽。寧夏引黃灌區(qū)土質良好，日照充足，是最適宜種植苜蓿的區(qū)域之一，該地區(qū)添加氮素的增產提質效應低于甘肅的可能原因是土壤本身肥力較好。在吉林和內蒙古，苜蓿主要種植在蘇打型鹽堿地中，土壤含鹽量高、堿性強、肥力弱，添加氮素后增產效應不顯著可能與灌溉條件不配套、灌水不及時等有關［28］。

降水和氣溫等氣候條件是農業(yè)生產的基本保障［18］，也是影響氮素添加效果的重要因素。苜蓿喜溫暖半干燥氣候且對水分需求較大，但生長期間又忌土壤積水，年降水量較多或地下水位偏高會限制苜蓿生長［12］。本研究表明，在年平均氣溫＜8℃和年平均降水量200～400 mm的地區(qū)，有利于添加氮素對苜蓿產量和粗蛋白含量的提高效應及對酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應。這可能是由于在年平均氣溫較低的地區(qū)，低溫會造成根瘤固氮酶活性降低，固氮能力減弱，從而增加對外源氮素的需求量，使得添加氮素的增產提質效應明顯加大。在年降水量較高的地區(qū)，一方面，過高的土壤含水率會抑制苜蓿主根伸長，影響根系對氮素的吸收利用；另一方面，過高的土壤含水率會使氮素淋溶在根區(qū)以下，從而降低外源氮素的有效性［29］。因此，在不同氣候區(qū)應因地制宜地選擇適宜的氮素添加模式，以充分發(fā)揮外源氮素的添加效果。

3.2.2 氮素供應 氮素形態(tài)影響植物的氮同化、光合過程及離子平衡，從而對植物生長產生不同的效應［30］。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是植物吸收氮素的主要形態(tài)，銨態(tài)氮促進植物吸收陰離子，消耗有機酸；硝態(tài)氮促進植物吸收陽離子，有利于有機陰離子的合成［10］。一般而言，旱地植物具有“喜硝性”，而水生植物或強酸性土壤中生長的植物具有“喜銨性”。本研究發(fā)現(xiàn)，施用硝酸銨（平均26.5%）的苜蓿產量提高效應優(yōu)于施用尿素（平均11.9%）。這與王玉強等［10］研究得出與單施硝態(tài)氮和銨態(tài)氮相比，混合氮肥更有利于苜蓿生長及其對氮素的吸收，和劉曉靜等［30］研究得出硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均能促進苜蓿生長，但二者混合使用時效果更佳的結論一致。然而，由本研究可知，現(xiàn)階段在苜蓿生產中，仍大部分以單一尿素作為外源氮素。今后應通過進一步研究明確苜蓿對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的需求量及比例，以最大限度地發(fā)揮外源氮素的增產提質效應。

氮素添加不足，不能充分體現(xiàn)添加效果；添加過量，則會限制植株生長，降低氮素利用率，甚至導致環(huán)境污染，如水體富營養(yǎng)化、溫室氣體排放等［31］。適量添加氮素可調節(jié)氮代謝強度、提高氮代謝酶活性，使作物生產效益最大化。何峰等［32］通過對中國苜蓿主產區(qū)土壤養(yǎng)分與植株營養(yǎng)進行調研發(fā)現(xiàn)，苜蓿組織中氮素營養(yǎng)處于充足水平，而磷素、鉀素與微量元素普遍缺乏，建議在苜蓿生產中控制氮肥，注重磷肥和鉀肥，并有針對性地施用微肥。魏志標等［1］利用食物鏈系統(tǒng)養(yǎng)分流動（nutrient flows in food chains，environment and resources use，NUFER）模型研究中國栽培草地氮磷空間特征得出，全國苜蓿土壤氮磷累積量分別為50 kg·hm-2和46 kg·hm-2，均處于盈余狀態(tài)，應適當減少氮磷肥的投入量。本研究綜合近20 a的田間試驗結果表明，當施氮量為120～150 kg·hm-2時，苜蓿產量的提高率最高，但處于該區(qū)間的樣本數(shù)僅為5，遠低于施氮量偏低與偏高的樣本數(shù)。可見，現(xiàn)階段苜蓿施氮量不合理的現(xiàn)象較為普遍。此外，針對不同的生產目標，存在不同的適宜施氮量。本研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿粗蛋白含量在施氮量為180～210 kg·hm-2時，提高效應最優(yōu)；酸性和中性洗滌纖維含量則在施氮量為210～240 kg·hm-2時，降低效應最明顯。然而，文雅等［27］在河西走廊研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量增加，苜蓿粗蛋白和酸性洗滌纖維含量表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，中性洗滌纖維含量則呈增加趨勢，這可能與苜蓿品種、生長年限及土壤基礎養(yǎng)分狀況等有關。在生產實踐中，應兼顧苜蓿產量與品質，采用適宜的施氮量。

按照作物的需求規(guī)律添加氮素是促進作物生長并提高氮素利用的另一重要因素。苗期是苜蓿的氮營養(yǎng)關鍵期，此時根瘤尚未形成，不具備固氮能力，需要吸收外源氮素。另外，苗期添加氮素可促進苜蓿根系發(fā)育，一方面提高根系的養(yǎng)分吸收能力；另一方面，可為根瘤菌侵染和結瘤提供物質保障。從現(xiàn)蕾期到初花期，苜蓿處于營養(yǎng)生長快速期及氮營養(yǎng)吸收旺盛期，及時補充外源氮素，有助于提升苜蓿產量和品質［30］。苜蓿再生能力強，通常一個生長季內可刈割2～4次。因此，在苜蓿生長期內一次性施肥會導致生育期間、茬次間肥力不均衡及養(yǎng)分流失等現(xiàn)象［33］。本研究基于多樣本研究發(fā)現(xiàn)，與一次性基施相比，分次施肥的苜蓿產量和粗蛋白含量提高率及酸性和中性洗滌纖維含量降低率明顯增加。這與王洋等［34］和肖知新等［35］的研究結果一致。

在保證苜蓿產量與品質的同時提高氮素吸收利用率，除了適時適量添加合理的氮素形態(tài)外，還應從挖掘生物自身潛力出發(fā)，研發(fā)培育高氮效率苜蓿品種，以同時從環(huán)境因子和自身遺傳方面實現(xiàn)苜蓿氮營養(yǎng)的高效吸收、同化、傳輸與利用［29］。

3.2.3 種植管理 苜蓿為多年生草本植物，根系發(fā)達、蒸散強烈，長期連續(xù)種植會導致土壤水分過度消耗，造成草地生態(tài)系統(tǒng)退化、苜蓿生產力下降［36］。本研究通過探索氮素添加對苜蓿生產效應的影響發(fā)現(xiàn)，隨生長年限的延長，氮素添加對產量和粗蛋白含量的提高效應呈先增加后降低的趨勢，對酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應則呈降低趨勢，對應的較優(yōu)生長年限分別為2～3 a、1～2 a、1～2 a和1～2 a。受樣本中生長年限分布的影響，該結論可能存在一定的局限性，但一定程度上也反映出產量與品質對氮素添加的響應在生長年限間存在差異。就產量而言，持續(xù)種植苜蓿2～3 a后土壤干層會逐漸出現(xiàn)，適當添加氮素可在一定程度上減少土壤水分不足對產量造成的負效應［37］。就品質而言，養(yǎng)分在改善苜蓿品質中的貢獻高于水分［38］，苜蓿建植初期，根瘤固氮能力較弱，添加氮肥和較充足的土壤水分更有利于改善苜蓿品質。

播種量是調控作物密度的重要指標，合理的播種量有助于協(xié)調個體與群體間的關系，充分利用光、熱、空間和水肥等資源，是提高農田生產力的重要措施［39］。本研究表明，不同播種量條件下，添加氮素基本均可顯著提高苜蓿產量和粗蛋白含量，并降低酸性和中性洗滌纖維含量，當播種量為26～30 kg·hm-2時，提高或降低效應最明顯。然而，王彥華等［40］在河南開展研究發(fā)現(xiàn)，播種量對苜蓿產量無顯著影響，但隨著播種量的增加，粗蛋白含量呈升高趨勢，酸性和中性洗滌纖維含量呈降低趨勢，當播種量為22.5～30.0 kg·hm-2時，苜蓿產量與品質均較高。產生這一現(xiàn)象的原因可能是，苜蓿能通過增加分枝數(shù)來調節(jié)因播種量較小導致的群體數(shù)量不足問題，降低對產量的不利影響；當播種量較高時，由于資源有限，個體發(fā)育受限，因此不能顯著提高產量。相反，就品質而言，較高的播種量會抑制個體生長發(fā)育，使得莖稈纖細、機械組織減少而葉片占比增大，從而改善苜蓿營養(yǎng)價值。

苜蓿屬強耗水作物，年需水量高達500～900 mm。然而，現(xiàn)階段中國苜蓿主要種植在年平均降水量不足400 mm的干旱、半干旱地區(qū)［41］。因此，在苜蓿生長期間進行灌溉是保障苜蓿生產及促進區(qū)域農業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要措施。此外，水和肥是一對聯(lián)動因子，適宜的土壤水分狀況會促進作物對養(yǎng)分的吸收和利用；適當增加養(yǎng)分投入可在一定程度上減小土壤水分不足對作物生長造成的負效應，達到“以肥補水、以水調肥”的效果［27，42］。類似地，本研究基于大尺度研究發(fā)現(xiàn)，與雨養(yǎng)相比，灌溉可大幅度提高氮素添加對苜蓿產量與品質的提升效應。可見，在苜蓿生產中，當具備灌溉條件或農業(yè)水資源量允許的情況下，應適度進行灌溉，以充分發(fā)揮添加氮素對苜蓿生產的促進作用。

除生長年限、播種量與是否灌溉外，當土壤供氮能力較高、雜草防治不及時及其他營養(yǎng)元素受限時，也會影響氮素添加對苜蓿產量與品質的提升效應。此外，將苜蓿與糧食作物、經濟作物輪作或與禾本科牧草混播，也有利于氮素添加條件下草地的持續(xù)利用及高產穩(wěn)產［17，43］。

4 結論

1）與不添加氮素相比，添加氮素的苜蓿產量和粗蛋白含量分別平均提高12.6%和7.3%，酸性和中性洗滌纖維含量分別平均降低5.6%和3.0%；

2）在甘肅、新疆，年平均氣溫＜8℃和年平均降水量200～400 mm的地區(qū)，采用硝酸銨、分次施肥、施氮量120～150 kg·hm-2及灌溉、生長年限≤3 a和播種量26～30 kg·hm-2時，有利于提高添加氮素的苜蓿增產效應；

3）在甘肅，年平均氣溫＜12℃和年平均降水量＜800 mm的地區(qū)，分次施肥、施氮量180～210 kg·hm-2及灌溉、生長年限≤2 a和播種量26～30 kg·hm-2時，有利于添加氮素對苜蓿粗蛋白含量的提高效應；

4）在甘肅，年平均氣溫＜12℃和年平均降水量＜800 mm的地區(qū)，分次施肥、施氮量210～240 kg·hm-2及灌溉、生長年限≤2 a和播種量16～30 kg·hm-2時，有利于添加氮素對苜蓿酸性和中性洗滌纖維含量的降低效應。

綜上，氮素添加可顯著提高苜蓿產量與品質，且在低年均氣溫、降水量的地區(qū)，分次施肥、灌溉和26～30 kg·hm-2播種量時，更能突顯氮素添加的優(yōu)越性，但適宜的施氮量及生長年限因產量與品質而異。