汪雪，劉曉靜，王靜，吳勇，童長春

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

間作是指在同一地塊、同一時期以成行或成帶（多行）的形式種植2 種及以上相似生長期作物的種植方式，不同作物在生長過程中可通過對資源的利用差異來實現(xiàn)光、肥、水、氣、熱等有限農(nóng)業(yè)資源的高效利用[1］，以提高經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會效益。種間根系分布的優(yōu)化是形成間套作系統(tǒng)優(yōu)勢效應(yīng)的主要機制之一[2］，間作體系內(nèi)作物會通過調(diào)整根系形態(tài)的策略來有效吸收和利用土壤養(yǎng)分資源。豆/禾間作時，作物會調(diào)控其根系通過空間錯位回避鄰近根系以減少與鄰近根系的重合以降低競爭作用，進(jìn)而優(yōu)化間作作物的整體狀況。李金婷等[3］在大豆（Glycine max）/玉米（Zea mays）間作的研究中指出，間作系統(tǒng)內(nèi)玉米根系長度、根體積和根尖數(shù)等根系形態(tài)的變化是顯著促進(jìn)玉米對氮、磷營養(yǎng)元素吸收量增加的重要原因之一。邵澤強等[4］在紫花苜蓿（Medicago sativa）/玉米間作的研究中發(fā)現(xiàn)，間作改善了玉米根長、根表面積、根體積等根系形態(tài)指標(biāo)，提高了其吸氮量，使玉米增產(chǎn)了72.90%。Sekiya 等[5］研究表明，玉米/木豆（Cajanus cajan）間作促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)作物根系空間生態(tài)位的優(yōu)化和分離，改善了系統(tǒng)內(nèi)作物的種間競爭，提高了作物對水分的吸收利用。間作除了地下部根系的分布狀況外，對光能的截獲和利用也同樣影響著作物對有限農(nóng)業(yè)資源的高效利用，尤其是以光合作用所產(chǎn)生的能量及其中間產(chǎn)物為運行條件的碳、氮代謝，其作為植物體內(nèi)最重要的兩大生理代謝過程，運行的強度和質(zhì)量直接關(guān)乎作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[6］，其中，核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase，RuBPCase）、硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）和亞硝酸還原酶（nitrate reductase，NiR）等相關(guān)酶活性的高低對碳、氮代謝過程起關(guān)鍵調(diào)控作用[7］。鄧小燕等[8］在“麥（Triticum aestivum）/玉/豆”套作模式中發(fā)現(xiàn)，套作提高了玉米穗位葉硝酸還原酶和谷氨酰胺酶活性，從而提高了作物的氮素利用。本團(tuán)隊前期研究也發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿與玉米間作有利于提高玉米的NR 和GS 等氮代謝酶活性及氮積累量[7，9］。在豆/禾間作系統(tǒng)內(nèi)，不同作物種間既會發(fā)生互利促進(jìn)作用，也會存在養(yǎng)分及空間資源的種間競爭，這種相互作用同時存在于地上部與地下部，進(jìn)而共同決定間作系統(tǒng)的生產(chǎn)力。然而，目前有關(guān)豆/禾間作系統(tǒng)內(nèi)根系特性、碳氮代謝特性及二者相互協(xié)調(diào)對其系統(tǒng)生產(chǎn)性能的影響研究多集中在糧食作物/糧食作物間作和糧食作物/牧草間作上，而在豆科牧草/禾本科牧草間作上進(jìn)行的研究較少。

紫花苜蓿作為多年生豆科牧草，因其特有的固氮方式能增強其對氮素的高效利用[10］，故而成為了供家畜轉(zhuǎn)化利用的優(yōu)質(zhì)植物性蛋白飼料；燕麥（Avena sativa）屬一年生糧飼兼用型禾本科作物，是我國西北干旱地區(qū)家畜冬春補飼的重要飼草[11］。大量研究發(fā)現(xiàn)[12-15］，多年生豆科牧草與一年生禾本科牧草間作不僅會更有利于改變作物根系在土壤中的單一化分布范圍，增加土壤氮養(yǎng)分供應(yīng)和土壤節(jié)肢動物，還能直接混收混貯以降低青貯成本、減少污染浪費及解決豆科牧草單一青貯效果不佳等問題。通過紫花苜蓿與燕麥間作不但能提高間作體系的氮吸收及氮互補利用優(yōu)勢[16］，而且還能改善群體作物地上部光合性能[17］，獲得良好的生態(tài)效益[18］。此外，也有研究表明[9］，單作和間作種植模式下作物的根系形態(tài)參數(shù)均與碳、氮代謝關(guān)鍵酶呈正相關(guān)關(guān)系，尤其是根長和根表面積與RuBPCase 和NR 呈極顯著正相關(guān)，可見，作物地下部的根系活動與其地上部光合作用、碳氮代謝及物質(zhì)轉(zhuǎn)運等過程是一個不可分割的有機整體，作物的根系會起到承上啟下的關(guān)鍵作用，其將吸收的土壤養(yǎng)分及水分運輸?shù)降厣喜?，供地上部碳、氮代謝合成有機物質(zhì)并部分輸送到根部，進(jìn)而形成一個完整的良性循環(huán)體系以維持植物體正常的生長與發(fā)育[19］，目前相關(guān)研究主要是針對根系分布特征、根系間相互作用及碳代謝、氮代謝單一特性孤立地解析豆/禾間作的優(yōu)勢效應(yīng)，而多年生豆科牧草與禾本科牧草間作系統(tǒng)中根系與碳、氮代謝相互耦聯(lián)機制及其長期效應(yīng)仍然未知。為此，本研究以框栽土培的方法模擬生產(chǎn)實踐中的間作方式，以紫花苜蓿/燕麥間作種植后第2、3 年（高產(chǎn)期）連續(xù)兩年開展研究，旨在揭示紫花苜蓿/燕麥間作模式下根系與碳、氮代謝的協(xié)調(diào)機制及其持續(xù)效應(yīng)，為提升牧草間作系統(tǒng)生產(chǎn)潛力提供理論依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

紫花苜蓿品種為LW6010，由北京猛犸種業(yè)有限公司提供；燕麥品種為海威，由北京克勞沃公司提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2020-2022 年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校園內(nèi)進(jìn)行。采用框栽土培法，即以紫花苜蓿和燕麥為供試材料種植于高為80 cm，直徑為63 cm 的PVC 框內(nèi)，該框所用的土樣均為過2.5 mm 篩的甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草試驗基地風(fēng)干土。試驗設(shè)紫花苜蓿/燕麥間作、紫花苜蓿單作、燕麥單作3 種種植模式，每個處理重復(fù)9 次。種植時，先將空PVC 框埋入地下，使框頂端與周圍地面齊平，框底端與土壤相通，隨后將準(zhǔn)備好的風(fēng)干土裝入PVC 框內(nèi)，最后采用穴播的種植方式將挑選好的顆粒飽滿的紫花苜蓿和燕麥種子分別均勻地種植于預(yù)先埋好的PVC 框內(nèi)，間作種植時則將紫花苜蓿均勻地栽植于PVC 框一側(cè)，燕麥栽植于另一側(cè)，播種密度為10 穴·框-1，每穴3～5 粒，出苗前每天澆3 次水，保持土壤正常濕度，待出苗后約3～5 d 澆一次水。播種14 d 后間苗，單作種植下的紫花苜蓿和燕麥每框各留10 株，間作種植下的紫花苜蓿和燕麥每框各留5 株。紫花苜蓿均于初花期[2021 年第1 茬（4 月30 日）、第2 茬（6 月4 日）、第3 茬（7 月10 日）；2022 年第1 茬（5 月2 日）、第2 茬（6 月10 日）、第3 茬（7 月14 日）］ 進(jìn)行刈割取樣；燕麥于抽穗期進(jìn)行刈割取樣，燕麥取樣同時進(jìn)行紫花苜蓿第3 茬刈割取樣，其中，碳、氮代謝關(guān)鍵酶活性和碳水化合物含量的測定位點與光合位點相同，均需在紫花苜蓿和燕麥功能葉片上進(jìn)行。試驗于2020 年3 月7 日播種 紫 花 苜 蓿；于2020 年3 月14 日、2021 年3 月8 日 和2022 年3 月10 日 播 種 燕 麥。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 生長特性 地上生物量：紫花苜蓿于初花期（10%開花）刈割取樣，燕麥于抽穗期刈割取樣，刈割的留茬高度為5 cm；取樣時紫花苜蓿和燕麥于每個框里隨機選取5 株稱其地上鮮重，每個處理重復(fù)3 次。

1.3.2 根系特性 根系總長度（root length，RL）、根表面積（root surface area，RSA）、根系平均直徑（root average diameter，RAD）和根體積（root volume，RV）：挖出種植框后用水洗法將完整的根系從土壤中分離出來，紫花苜蓿和燕麥于每個框里隨機選取5 株，迅速用吸水紙吸干，然后將根系放入Epson 根系掃描儀（GXY-A，中國）進(jìn)行掃描并存入電腦，再用WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)軟件獲得根系總長度、根表面積、根系平均直徑和根體積數(shù)據(jù)，每個處理重復(fù)3 次。

1.3.3 碳代謝特性 氣體交換參數(shù)[凈光合速率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、胞間CO2濃度（intercellular CO2concentration，Ci）和氣孔導(dǎo)度（stomatal conductance，Gs）］：在紫花苜蓿（初花期）、燕麥（抽穗期）取樣前選擇晴天，采用GFS-3000 便攜式光合儀（Walz，德國）于早上9：00 至11：30 快速測定紫花苜蓿和燕麥功能葉片的光合氣體交換參數(shù)等指標(biāo)，紫花苜蓿選取頂葉向下第3 片完全展開的健康完整葉片，燕麥選擇旗葉，每個處理每種牧草隨機測定5 片功能葉，重復(fù)3 次。

核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（ribulose-1，5-bisphosphate carboxylase，RuBPCase）活性：用上海杰美科技有限公司生產(chǎn)的RuBP ELISA 試劑盒測定。

碳水化合物：采用Somogyi 法測定[20］。

碳水化合物積累量：為干物質(zhì)重與碳水化合物含量的乘積。

1.3.4 氮代謝特性 硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）：參照鄒琦[21］的方法對植株葉片進(jìn)行測定。

亞硝酸還原酶（nitrate reductase，NiR）：參照Rajasekhar 等[22］的方法對植株葉片進(jìn)行測定。

谷氨酸合酶（glutamate synthase，GOGAT）：參考鄭朝峰等[23］的方法對植株葉片進(jìn)行測定。

氮積累量：為干物質(zhì)重與氮含量的乘積。

蛋白總量：為干物質(zhì)重與粗蛋白含量的乘積。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22 統(tǒng)計軟件Duncan 法對數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較，利用Excel 2010 軟件繪圖，P＜0.05 為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫花苜蓿/燕麥間作下的地上生物量

由圖1 可知，在2021 年，紫花苜蓿地上生物量表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了5.22%，而燕麥地上生物量表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），提高了20.78%。在2022 年，紫花苜蓿地上生物量表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了11.91%，而燕麥地上生物量表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），提高了28.27%。

圖1 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的地上生物量Fig. 1 Aboveground biomass of alfalfa and oat under different planting methods

2.2 紫花苜蓿/燕麥間作下的根系特征

2.2.1 總根長、根表面積 由圖2 可知，在2021年，紫花苜?？偢L和根表面積均表現(xiàn)為間作顯著低于單作，分別降低了2.58%和6.53%，而燕麥總根長和根表面積均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了8.94%和19.45%。在2022 年，紫花苜蓿和燕麥總根長均表現(xiàn)為間作顯著大于單作，分別提高了27.43%和1.19%，而紫花苜蓿根表面積表現(xiàn)為間作顯著低于單作（P＜0.05），降低了5.60%，燕麥根表面積表現(xiàn)為間作顯著大于單作，提高了13.07%。

圖2 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的總根長和根表面積Fig.2 Total root length and root surface area of alfalfa and oat under different planting methods

2.2.2 根平均直徑、根體積 由圖3 可知，在2021 年，紫花苜蓿根平均直徑和根體積均表現(xiàn)為間作顯著低于單作，分別降低了3.54%和4.44%，而燕麥根平均直徑和根體積均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了12.69%和9.47%。在2022 年，紫花苜蓿根平均直徑和根體積均表現(xiàn)為間作顯著低于單作，分別降低了12.94%和4.38%，而燕麥根平均直徑表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），提高了10.30%，燕麥根體積表現(xiàn)為單作和間作之間無顯著性差異。

圖3 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的根平均直徑和根體積Fig.3 Root average diameter and root volume of alfalfa and oat under different planting methods

2.3 紫花苜蓿/燕麥間作下的碳代謝特性

2.3.1 光合氣體交換參數(shù) 由表1 可知，在2021 年，紫花苜凈光合速率（Pn）和氣孔導(dǎo)度（Gs）均表現(xiàn)為間作顯著低于單作，分別降低了17.60%和30.15%，燕麥Tr和Gs均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了18.54%和55.07%，而紫花苜蓿胞間CO2濃度（Ci）表現(xiàn)為間作顯著大于單作，提高了5.63%。在2022 年，紫花苜蓿Tr、Pn和Gs均表現(xiàn)為間作顯著低于單作，分別降低了24.32%、14.85%和11.20%，燕麥Tr和Pn均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了11.10%和44.27%，而紫花苜蓿Ci表現(xiàn)為間作顯著大于單作，提高了20.36%。

表1 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的光合氣體交換參數(shù)Table 1 Photosynthetic gas exchange parameters of alfalfa and oat under different planting methods

2.3.2 核 酮 糖-1，5-二 磷 酸 羧 化 酶（RuBPCase）由圖4 可知，在2021 年，紫花苜蓿核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（RuBPCase）活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了6.09%，而燕麥RuBPCase 活性表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），提高了18.56%。在2022 年，紫花苜蓿RuBPCase 活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了4.54%，而燕麥RuBPCase 活性表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），提高了20.64%。

圖4 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶活性Fig. 4 RuBPCase activities of alfalfa and oat under different planting methods

2.3.3 碳水化合物含量及積累量 由表2 可知，在2021 年，紫花苜蓿碳水化合物含量表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了4.70%，而燕麥碳水化合物含量和碳水化合物積累量均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了8.36%和37.36%。在2022 年，紫花苜蓿碳水化合物積累量表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了17.88%，而燕麥碳水化合物含量和碳水化合物積累量均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了9.41%和37.91%。

表2 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的碳水化合物含量及積累量Table 2 Carbohydrate content and accumulation of alfalfa and oat under different planting methods

2.4 紫花苜蓿/燕麥間作下的氮代謝特性

2.4.1 硝酸還原酶（NR）、亞硝酸還原酶（NiR） 由圖5 可知，在2021 年，紫花苜蓿硝酸還原酶（NR）活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了7.90%，而燕麥NR 和亞硝酸還原酶（NiR）活性均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了13.97%和7.04%。在2022 年，紫花苜蓿NR 活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了7.50%，而燕麥NR 和NiR 活性均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了20.65%和12.30%。

圖5 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性Fig.5 NR and NiR activities of alfalfa and oat under different planting methods

2.4.2 谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT） 由圖6 可知，在2021 年，紫花苜蓿谷氨酸合酶（GOGAT）活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了1.07%，而燕麥谷氨酰胺合成酶（GS）和GOGAT 活性均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了17.81%和4.97%。在2022 年，紫花苜蓿GS 活性表現(xiàn)為間作顯著低于單作，降低了6.73%，而燕麥GS 和GOGAT 活性均表現(xiàn)為間作顯著大于單作（P＜0.05），分別提高了16.88%和3.46%。

圖6 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的谷氨酰胺合成酶和谷氨酸合酶活性Fig.6 GS and GOGAT activities of alfalfa and oat under different planting methods

2.4.3 氮積累量及蛋白總量 由表3 可知，在2021 年，紫花苜蓿氮積累量和蛋白總量均表現(xiàn)為間作顯著低于單作（P＜0.05），分別降低了18.10%和18.42%，而燕麥氮積累量和蛋白總量均表現(xiàn)為單作和間作差異不顯著。在2022 年，紫花苜蓿氮積累量和蛋白總量均表現(xiàn)為間作顯著低于單作（P＜0.05），分別降低了27.05% 和27.20%，而燕麥氮積累量和蛋白總量均表現(xiàn)為單作和間作差異不顯著。

表3 不同種植方式下紫花苜蓿與燕麥的氮積累量和蛋白總量Table 3 N accumulation and total protein content of alfalfa and oat under different planting methods（g）

2.5 根系與碳、氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性

由表4 可知，地上生物量與光合氣體交換參數(shù)、氮代謝特性、根系特性呈正相關(guān)。根長（RL）與Pn、NR、NiR、GS、GOGAT 活性呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）。根表面積（RSA）與Tr、Pn和Gs、NR 活性、氮積累量、蛋白總量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與NiR、GS、GOGAT 活性呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。根平均直徑（RAD）與Tr、Pn和Gs、NR 活性、GS 活性、氮積累量、蛋白總量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與NiR、GOGAT 活性呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。根體積（RV）與Pn、Gs、NR、GS 活性、氮積累量、蛋白總量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與NiR、GOGAT 活性呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表4 根系與碳、氮代謝指標(biāo)的相關(guān)性Table 4 The correlation between root system and carbon-nitrogen metabolism indicators

3 討論

間作體系內(nèi)作物根系構(gòu)型的調(diào)整或重塑是土壤養(yǎng)分及空間資源獲取和利用的重要特征[24］。本研究中，與單作相比，間作顯著提高了燕麥的總根長、根表面積和根平均直徑，而顯著降低了紫花苜蓿根表面積、根平均直徑和根體積，邵澤強等[4］在紫花苜蓿/玉米間作對根系形態(tài)影響的研究中也有此結(jié)果，說明紫花苜蓿與燕麥間作中存在種間競爭關(guān)系，在此間作體系內(nèi)禾本科牧草燕麥?zhǔn)莾?yōu)勢作物[25］，間作能顯著改善燕麥根系形態(tài)以拓展和延伸其根系侵占鄰近作物紫花苜蓿的養(yǎng)分和空間資源，加強其對自身及紫花苜蓿周圍環(huán)境氮素的競爭和利用[16］，而處于空間分布和氮素競爭劣勢的紫花苜蓿根系形態(tài)參數(shù)會減小。但是，紫花苜蓿/燕麥間作體系內(nèi)存在種間競爭的同時也存在種間促進(jìn)，尤其是種間氮營養(yǎng)互饋，燕麥對氮素強烈的競爭會刺激紫花苜蓿增強結(jié)瘤固氮，進(jìn)而加強間作系統(tǒng)內(nèi)種間氮營養(yǎng)的互饋以改善燕麥根系形態(tài)[26］，促使紫花苜蓿增加根長以獲取深層土壤中的養(yǎng)分。也有研究表明[27-28］，間作系統(tǒng)內(nèi)根系特性的優(yōu)化也取決于根系分泌物的化感促進(jìn)作用及土壤中難溶性磷的活化等。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著種植年份的增加，無論單作還是間作下，紫花苜?？偢L、根表面積和根體積均隨之增加，且間作中紫花苜蓿根長提升幅度增大，燕麥對紫花苜蓿根表面積和根體積的抑制逐漸減弱，燕麥在第2 和第3 年間作下的根系形態(tài)參數(shù)均高于單作，可見，隨著年份的增加，根系互作越來越緊密，越有利于間作系統(tǒng)內(nèi)紫花苜蓿根系在淺層土壤中向水平方向擴(kuò)展，根系生物量重心下移至深層土壤，紫花苜蓿與燕麥實現(xiàn)根系空間互補，進(jìn)而形成資源“互利互補”。另外，在紫花苜蓿/燕麥間作體系中，間作燕麥地上生物量和蛋白總量較單作明顯提高，其很重要的一方面在于燕麥根系構(gòu)型的調(diào)整和重塑，同時燕麥根系形態(tài)的優(yōu)化也加強了其對碳氮代謝的顯著促進(jìn)作用，進(jìn)而形成了一個完整的良性循環(huán)體系，而紫花苜蓿根系生長及碳、氮代謝在間作模式下受到了抑制，致使其生物量和蛋白總量較單作低，這也從另一個側(cè)面證實了間作可通過重塑根系構(gòu)型、優(yōu)化根系空間分布以及協(xié)調(diào)碳氮代謝以提高牧草生物量和蛋白總量的結(jié)論[8，29］。

光合作用是碳、氮代謝的主要能源物質(zhì)獲取渠道，碳代謝為氮代謝提供能量和碳骨架，RuBPCase、NR 等均為碳氮代謝運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵酶[26，30］。本研究中，紫花苜蓿與燕麥間作顯著提高了燕麥的Pn、Tr、Gs和RuBPCase 活性，顯著增加了其體內(nèi)碳水化合物的合成及積累，而對紫花苜蓿有抑制作用，這在玉米/紫花苜蓿間作[31］、紫花苜蓿/燕麥間作[32］和燕麥/馬鈴薯（Solanum tuberosum）間作[33］的研究中也得到了相似結(jié)論，可能是紫花苜蓿與燕麥間作有利于地上部形成良好的“傘狀”冠層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)豆/禾間作系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢主導(dǎo)作物禾本科牧草燕麥截獲和利用更多有效光能，提高其光合RuBPCase 活性和光合速率，增強燕麥光合作用為碳、氮代謝提供能量保障，而受到燕麥遮陰的紫花苜蓿雖提高了中下層對光能的截獲和利用[34-35］，但獲取的弱光會降低其碳同化酶活性，最終導(dǎo)致其光合能力降低，不利于其碳代謝及物質(zhì)積累。同時，RuBPCase 活性的提升也會加速燕麥合成碳水化合物，使得燕麥在間作下的碳水化合物含量及積累量顯著高于單作。另外，本研究中氮代謝特征表現(xiàn)為，間作能顯著提高燕麥的NR、NiR、GS、GOGAT 氮代謝酶活性，加速其氮代謝運轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高其體內(nèi)氮積累量和蛋白含量，改善燕麥品質(zhì)，而間作不利于紫花苜蓿氮代謝產(chǎn)物及氮代謝酶活性的增加，在袁洋等[36］玉米/花生（Arachis hypogaea）間作和宋艷霞等[37］玉米套作大豆的研究中也有類似發(fā)現(xiàn)，可能是由于間作提升了燕麥旗葉的有效光能利用和光合速率，加速了燕麥功能葉片NR轉(zhuǎn)錄翻譯及GS表達(dá)以加強其對NO3

--N 的還原和NH4+-N 同化[32］，并 且GS 與GOGAT，NR 與NiR 之間皆具有顯著的耦合關(guān)系，燕麥氮代謝水平的提升也會刺激其根系競爭吸收紫花苜蓿根區(qū)氮養(yǎng)分，增強紫花苜蓿結(jié)瘤固氮以促進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)氮營養(yǎng)的互補利用，進(jìn)而顯著增加燕麥氮代謝酶活性和氮代謝產(chǎn)物積累。此外，本團(tuán)隊前期研究已證實，豆/禾間作中隨著地上及地下完全互作，禾本科牧草的氮代謝酶活性以及氮代謝產(chǎn)物積累會加強[7］。可見，作物地下部的根系活動與其地上部光合作用、碳氮代謝及物質(zhì)轉(zhuǎn)運等過程是一個不可分割的有機整體，合理搭配的豆/禾間作系統(tǒng)會更有利于發(fā)揮其地上、地下互作正效應(yīng)，加強系統(tǒng)內(nèi)禾本科牧草光合作用，增強其碳、氮代謝酶活性和加速代謝產(chǎn)物形成，進(jìn)而提高禾本科牧草的生物量和蛋白總量。

間作系統(tǒng)內(nèi)作物地上部對光熱資源的利用和競爭，地下部根系在空間上的交叉和重疊以及對地下部水分及養(yǎng)分資源的競爭和互補的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是形成間作優(yōu)勢效應(yīng)的關(guān)鍵[38］。在本研究紫花苜蓿/燕麥間作體系中，生物量與光合氣體交換參數(shù)、氮代謝酶活性、根系特性呈正相關(guān)；蛋白總量與光合氣體交換參數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與4個氮代謝酶活性、根表面積等呈顯著正相關(guān)，說明無論紫花苜蓿還是燕麥，地上部與地下部對資源的獲取和分配均存在較強相關(guān)性，根系及碳、氮代謝的改善是其獲得較高生物量和蛋白總量的重要基礎(chǔ)。此外，作物的根系活動與碳、氮代謝過程是一個相互協(xié)調(diào)且不可分割的有機整體[9］，本研究的紫花苜蓿/燕麥間作中，根長與凈光合速率和4個氮代謝酶活性呈顯著正相關(guān)；根表面積、根平均直徑與NiR、GOGAT 活性呈極顯著正相關(guān)，充分說明改善間作系統(tǒng)內(nèi)作物根長和根表面積等根系形態(tài)參數(shù)會對碳、氮代謝起顯著促進(jìn)作用，進(jìn)而形成一個完整的良性循環(huán)體系，汪順義等[39］對甘薯（Ipomoea batatas）和王佳等[40］對小麥的研究中也證實了根系與碳、氮代謝變化具有協(xié)調(diào)一致性。由此可見，在紫花苜蓿/燕麥間作體系內(nèi)，無論紫花苜蓿還是燕麥，其根長、根表面積和根體積等根系特性直接決定了碳、氮代謝運轉(zhuǎn)的強度和質(zhì)量，協(xié)調(diào)好根系與碳、氮代謝連續(xù)體之間的相互關(guān)系是提高燕麥和紫花苜蓿生物量和品質(zhì)的重要基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

與單作相比，紫花苜蓿與燕麥間作顯著改善了燕麥的根系形態(tài)參數(shù)，提高了其光合作用及碳、氮代謝酶活性，促進(jìn)了其體內(nèi)碳水化合物及蛋白質(zhì)積累以改善其生物量和品質(zhì)，而降低了紫花苜蓿根表面積及碳、氮代謝水平，不利于其代謝產(chǎn)物及生物量的積累；隨著種植年份的增加，無論單作還是間作下，紫花苜蓿根系特性均隨之增加，連續(xù)間作促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)紫花苜?？偢L的拓展，逐漸減弱了燕麥對紫花苜蓿根表面積和根體積的抑制，且燕麥在第2 和第3 年間作下的根系形態(tài)參數(shù)均高于單作。

在紫花苜蓿/燕麥間作體系內(nèi)，總根長、根表面積和根體積對碳、氮代謝起顯著促進(jìn)作用，根系特征與碳、氮代謝特性的協(xié)調(diào)一致可有效地提高間作體系的生物量和蛋白總量。