高寒地區燕麥人工草地生物量積累對施肥和箭筈豌豆混播水平的響應

劉文輝，張英俊，師尚禮，魏小星，張永超

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070； 2.青藏高原優良牧草種質資源研究省級重點實驗室，青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016； 3.中國農業大學，北京 100094)

高寒地區燕麥人工草地生物量積累對施肥和箭筈豌豆混播水平的響應

劉文輝1,2，張英俊1,3，師尚禮1，魏小星2，張永超2

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070； 2.青藏高原優良牧草種質資源研究省級重點實驗室，青海省畜牧獸醫科學院，青海 西寧 810016； 3.中國農業大學，北京 100094)

采用品種(青燕1號、青海444、青海甜燕麥、林納)、施肥水平(不施肥、尿素+磷酸二銨、尿素+磷酸二銨+有機肥、有機肥)和混播水平(0 kg/hm2、45 kg/hm2、60 kg/hm2、75 kg/hm2)3因素4水平正交試驗設計，探討3個因素影響下燕麥人工草地生物量季節動態。結果表明：3個因素顯著影響燕麥與箭筈豌豆混播人工草地各器官的生物量。品種在整個生育期影響燕麥莖和穗生物量的積累，并對燕麥生長前期地下和生長后期地上生物量的積累有影響；施肥水平在整個生育期影響葉生物量的積累，并對燕麥生長前期地上和后期地下生物量的積累有影響；混播水平在整個生育期主要影響箭筈豌豆地上生物量、莖和葉生物量的積累。燕麥和地上總生物量積累的關鍵時期在抽穗—開花期，箭筈豌豆地上生物量積累的關鍵時期在開花—乳熟期。燕麥莖在整個生育期生物量持續顯著增加，而葉和穗生物量增加較平緩；箭筈豌豆莖和葉生物量在生長前期(燕麥開花期前)增長比較平緩，而開花—乳熟期增長迅速。地下生物量顯著增加到開花期后基本趨于穩定。3個因素影響下，燕麥人工草地地上和地下生物量均以青海甜燕麥、尿素+磷酸二銨+有機肥施肥處理、75 kg/hm2混播水平下最高，平均分別為697.71，662.27、630.54 g/m2和82.27，82.08和81.25 g/m2。

高寒地區；品種；施肥水平；混播水平；生物量動態

建立優質、高產的人工草地是解決青藏高原高寒地區草畜季節性供求矛盾、保護生態環境和促進草地畜牧業可持續發展的關鍵措施之一[1]。燕麥(Avenasativa)是禾本科一年生飼料作物，具有抗寒、耐旱、耐瘠薄的特性，其根系發達，分蘗能力強、產量高，品質優良，可有效防止水土流失，減少無效蒸發和地表徑流[2]。青藏高原地區一年生燕麥人工草地建設主要以燕麥單播、燕麥與箭筈豌豆(Viciasativa)混播為主，人工草地不僅可提高單位面積的產量和品質，還能增加土壤有機質和氮素含量，提高土壤肥力，增加飼草產量和品質，緩解冷季草畜不平衡的矛盾[3]。豆科和禾本科牧草的混播草地，以其較高的生產力、較好的營養搭配和經濟有效的氮素來源而長期受到人們的重視。生物量是研究植被凈初級生產力的基礎，是植被碳庫的度量，是評價生態系統結構與功能的重要參數。生物量對研究生態系統的營養物質分配和碳循環具有重要意義[4]。同時，生物量是反映牧草生長發育的一個重要指標，是衡量草原生產力大小的標準之一[5]。開展牧草生物量動態變化的研究，對建植優質高產人工草地及其合理利用和退化草地補播改良等具有重要的理論和實踐意義?；觳ゲ莸氐纳L動態，尤其是生物量的積累和分配動態變化是草地群落內競爭力大小的具體參考指標[6]。在燕麥人工草地的研究方面，很多學者從燕麥與箭筈豌豆單播、品種選擇、混播組合、施肥水平、光能轉化效率、生產性能以及營養組成等方面進行的深入而細致的理論研究和生產實踐，有效促進了燕麥人工草地初級生產力的提高[7-10]。然而，以往研究多集中在總生物量積累規律的研究，缺乏對各器官生物量積累方面的研究，同時研究多考慮某一因素對生物量積累的影響，缺乏綜合因素下生物量動態變化的研究。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年在青海省海北州西海鎮進行。地理坐標E 36°59.36′，N 100°52.848′，海拔3 156 m，氣候寒冷潮濕，無絕對無霜期，年平均氣溫0.5℃，年降水量369.1 mm，且多集中在7、8、9月，年蒸發量1 400 mm，全年日照時數2 980 h。平均無霜期93 d。土壤為栗鈣土。試驗地土壤pH 8.43，全氮(N)1.56 g/kg，全磷(P2O5)1.39 g/kg，全鉀(K2O)22.06 g/kg，堿解氮88.77 mg/kg，速效磷2.15 mg/kg，速效鉀168.21 mg/kg，有機質32.48 g/kg。

1.2 材料和方法

供試材料燕麥品種為青燕1號(Avenasativacv.Qingyan No.1)、青海444(A.sativacv.Qinghai 444)、青海甜燕麥(A.sativacv.Qinghai)和林納(A.sativacv.Lena)，箭筈豌豆品種為西牧324(Viciasativacv.Ximu 324)，均為上年收獲種子。選用肥料為尿素(含N 46%)，磷酸二銨(含N 16%，P2O546%)，有機肥(有機質>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌數0.2億/g)。

試驗采用品種、施肥水平、箭筈豌豆混播水平3因素4水平正交試驗設計，共16個處理，完全隨機區組排列。小區面積4 m×5 m，小區間隔0.5 m，燕麥播量600萬株/hm2保苗數計算，根據千粒質量、發芽率、純凈度計算各品種的實際播量青燕1號燕麥154.5 kg/hm2、林納燕麥150.0 kg/hm2、青海444燕麥183 kg/hm2、青海甜燕麥216 kg/hm2，撒播，播深3～4 cm。燕麥品種為A1(青燕1號)、A2(青海444)、A3(青海甜燕麥)和A4(林納)；施肥水平為B1(CK0，不施任何肥料)、B2(尿素75 kg/hm2+磷酸二銨150 kg/hm2)、B3(尿素37.5 kg/hm2+磷酸二銨75 kg/hm2+有機肥750 kg/hm2)和B4(有機肥1 500 kg/hm2)；箭筈豌豆混播比例為C1(0 kg/hm2)、C2(45 kg/hm2)、C3(60 kg/hm2)和C4(75 kg/ hm2)。2015年5月14日播種，施肥在播前一次性施入。出苗后，人工除雜草1次，田間管理和觀測項目在同一工作日完成。

分別于播種后拔節期(6月15日)、抽穗期(7月15日)、開花期(8月15日)和乳熟期(9月15日)在各小區選取1 m×1 m的樣方，3次重復，連同地下部分挖出，按燕麥和箭筈豌豆根、莖、葉、穗(燕麥)分開，帶回實驗室，洗凈地下生物量，齊地剪斷，將各器官樣品置于85℃烘箱烘3 h后分別稱重。

1.3 數據處理

采用Excel 2003對試驗數據進行初步整理，用SPSS for Windows 11.5進行方差分析，用Sigmaplot 10.0進行繪圖。采用Duncan在0.05水平上進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 地上生物量

2.1.1 地上總生物量 各時期3個因素對地上總生物量影響的差異性分析(表1)，除混播水平在拔節和抽穗期外，3個因素在其余各時期對地上總生物量積累的影響均達到顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。其中，拔節期施肥水平影響最大，其余時期表現為品種>施肥水平>混播水平。3個因素影響下，地上總生物量隨生育期推進而顯著增加(P<0.05)，到乳熟期達最大，其中以青海甜燕麥、尿素+二銨+有機肥施肥處理、75 kg/hm2混播水平下，乳熟期地上總生物量最大，分別達到697.71 g/m2，662.27 g/m2和630.54 g/m2(圖1)。

表1 各因素對地上總生物量影響的 差異性分析(F值)Table 1 The difference analysis of aboveground biomass for different factors(F value)

注：**、*和ns分別表示顯著性檢驗達極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)和不顯著(P>0.05)水平，下同

圖1 各時期不同因素處理下的地上生物量Fig.1 The effects of different factors on aboveground biomass in different stages注：小寫字母表示同一時期不同處理間差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示同一處理不同時期間差異顯著(P<0.05)，下同

2.1.2 燕麥地上生物量 品種和施肥水平對各時期燕麥地上總生物量、莖、葉和穗生物量積累的影響均達到顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)，而混播水平對其的影響不顯著(P>0.05)。施肥水平在拔節期對燕麥地上生物量影響最大，品種在抽穗—乳熟期對其影響最大；各時期3個因素對莖和穗生物量積累影響的大小為品種>施肥水平>混播水平，對葉生物量積累的影響為施肥水平>品種>混播水平。燕麥地上總生物量、莖、葉和穗生物量均隨著生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，至乳熟期達最大。其中乳熟期地上總生物、莖、葉和穗均以青海甜燕麥(320.47 g/m2、291.86 g/m2、86.54 g/m2、143.57 g/m2)、尿素+二銨+有機肥施肥處理(305.86 g/m2、282.42 g/m2、87.07 g/m2、133.05 g/m2)和0 kg/hm2混播水平(260.73 g/m2、130.47 g/m2、74.36 g/m2、111.81 g/m2)下達到最大(圖2)。

2.1.3 箭筈豌豆地上生物量 各時期混播水平對箭筈豌豆地上生物量積累的影響均達顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)；拔節、開花和乳熟期混播水平以及開花期品種對莖生物量積累的效應達到顯著水平(P<0.05)?；觳ニ皆诟鲿r期對地上生物量的效應最大；混播水平在拔節、抽穗和開花期對莖生物量的積累的效應最大，品種在乳熟期對其的效應最大；各時期混播水平對葉生物量的積累效應均表現為最大(表2)。

箭筈豌豆地上生物量、莖和葉生物量在3個因素影響下均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，至乳熟期達到最大(圖1，表3)。從品種比較分析，箭筈豌豆總生物量、莖和葉生物量在乳熟期分別以青海甜燕麥(158.72 g/m2)、林納(77.66 g/m2)和青海甜燕麥(85.75 g/m2)最高；施肥水平以對照(不施肥)處理最高(154.83 g/m2、74.62 g/m2和80.21 g/m2)；從混播水平比較來看，以混播75 kg/hm2時最高(167.06 g/m2、76.42 g/m2和90.65 g/m2)。

圖2 各時期不同因素處理下的燕麥地上莖葉穗生物量Fig.2 The effects of different factors on aboveground organ biomass of oats in different stages

項目因素燕麥拔節期抽穗期開花期乳熟期箭筈豌豆拔節期抽穗期開花期乳熟期地上生物量品種9.642*33.929**102.950**44.442**0.700ns1.270ns3.437ns16.297*施肥水平11.999**19.163**80.710**29.568**0.188ns0.889ns2.461ns0.016ns混播水平0.312ns0.136ns3.381ns0.205ns19.094*29.956*97.042**21.904*莖品種10.159**25.299**83.075**53.083**2.946ns0.132ns3.905ns217.435**施肥水平8.615*9.486*52.988**32.346**0.498ns0.488ns0.808ns0.511ns混播水平0.026ns0.191ns1.304ns0.586ns17.865*4.759ns14.263*86.270**葉品種9.008*25.475**32.484**60.004**1.265ns5.118ns23.940*2.450ns施肥水平12.504**30.168**60.255**64.484**0.221ns3.054ns12.210*0.031ns混播水平0.457ns1.486ns3.014ns1.821ns6.115ns83.968**415.235**9.508*穗品種//17.910**24.943**施肥水平//10.345**13.831**混播水平//1.136ns0.277ns

圖3 各時期不同因素處理下箭筈豌豆地上莖葉穗生物量Fig.3 The effects of different factors on aboveground organ biomass of common vetch in different stages

2.2 不同措施對燕麥人工草地地下生物量的影響

2.2.1 地下總生物量 由3個因素對地下總生物效應的差異性分析結果可知(表3)，除品種在開花期、施肥水平在拔節期、混播水平在開花期外，其余時期各因素對地下總生物量的影響均達顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。各時期3個因素對地下總生物量積累的影響效應大小表現為，拔節期和抽穗期為品種>混播水平>施肥水平；開花期為施肥水平>混播水平>品種；乳熟期表現為混播水平>施肥水平>品種。3個因素影響下，地下總生物量均隨著生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，在開花期達最大。其中，開花期地下總生物量分別以青海甜燕麥(82.27 g/m2)、尿素+磷酸二銨+有機肥(82.08 g/m2)和75 kg/hm2混播水平(81.25 g/m2)最大，而林納、CK(不施肥)和0 kg/hm2混播下最低，分別為72.85 g/m2、68.45 g/m2和67.42 g/m2，前者是后者的1.13倍，1.20倍和1.21倍(圖4)。

2.2.2 燕麥地下生物量 燕麥地下生物量對3個因素相應的效果分析表明(表3)，除品種在開花期、施肥水平在拔節期和混播水平在拔節期、抽穗期和開花期外，其余時期3個因素對燕麥地下生物量的影響效應均達顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。各時期3個因素對燕麥地下總生物量積累的影響效應大小表現為：拔節期和抽穗期為品種>施肥水平>混播水平；開花期和乳熟期為施肥水平>品種>混播水平。3個因素影響下地下生物量均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，在開花期達最大(圖4)。其中，開花期燕麥地下生物量分別以青海甜燕麥(70.05 g/m2)、尿素+磷酸二銨+有機肥(71.99 g/m2)和0 kg/hm2混播水平(67.42 g/m2)最大，林納、CK(不施肥)和60 kg/hm2混播下最低，分別僅為60.77 g/m2、56.63 g/m2和63.49 g/m2，前者是后者的1.15倍，1.27倍和1.06倍。

表3 各因素對地下生物量影響的差異性分析(F值)Table 3 The difference analysis of different factors on underground biomass(F value)

2.2.3 箭筈豌豆地下生物量 品種在拔節期、乳熟期，混播水平在拔節期對箭筈豌豆地下生物量積累的影響效應達顯著水平(P<0.05)。各時期對箭筈豌豆地下總生物量積累的影響效應大小表現為，拔節期混播水平>品種>施肥水平；抽穗期混播水平>施肥水平>品種；開花期施肥水平>品種>混播水平；乳熟期品種>混播水平>施肥水平(表3)。3個因素影響下箭筈豌豆地下生物量均隨生育期的推進呈顯著增加(P<0.05)，并在開花期達最大(圖4)。開花期箭筈豌豆地下生物量分別以青海甜燕麥(16.29 g/m2)、對照(不施肥)(15.75 g/m2)和75kg/hm2混播水平(15.26 g/m2)下最高。

圖4 各時期不同因素處理下的地下生物量Fig.4 The effects of underground biomass on different factors in different stages

3 討論

不同燕麥品種在施肥和混播水平影響下，人工草地地上、地下生物量以及莖葉穗生物量隨季節表現出明顯的波動。燕麥、箭筈豌豆地上生物量和地上總生物量在各時期均表現為顯著增加，至乳熟期最大，而地下生物量在開花期達到最大。燕麥地上和地上總生物量在抽穗—開花期生物量增加迅速，箭筈豌豆地上生物量在燕麥開花—乳熟期增長迅速。燕麥莖生物量積累隨著生育期推進，在整個生育期表現為急劇顯著增加，而葉和穗生物量的增加較平緩。箭筈豌豆莖和葉生物量在混播草地生長前期(燕麥開花期前)增長比較平緩，而開花—乳熟期增長迅速。這與陳功等[2]、周川姣等[12]、紀亞君等[13]、柴繼寬等[14]的研究結果一致。

影響植物生物量積累的因素很多，研究中品種、施肥水平和混播水平均顯著影響了燕麥人工草地各器官生物量的積累，且不同時期各因素對其的影響效應不同。研究發現，品種在整個生育期主要影響燕麥莖和穗生物量的積累，施肥水平影響葉生物量的積累；施肥水平主要影響燕麥生長前期地上和后期地下生物量的積累，品種主要影響燕麥生長后期地上和前期地下生物量的積累；混播水平在整個生育期主要影響箭筈豌豆地上生物量、莖和葉生物量的積累，混播水平在生長前期、施肥水平在中期、品種在后期影響箭筈豌豆地下生物量的積累。

高產是牧草生產的主要目標，但其在品種間存在較大差異。有研究發現象草品種的構建生物量大小及結構有一定的差異；徐春明等[15]的研究發現，不同秋眠級苜蓿品種生物量積累潛力不同。燕麥品種影響下，燕麥和箭筈豌豆器官生物量積累間存在差異。利用青海甜燕麥建植的混播人工草地地上總生物量、燕麥莖、燕麥葉、燕麥穗生物量，以及箭筈豌豆地上生物量、葉生物量均達到最高；其次，為青燕1號和青海444，林納品種生物量最低。在青藏高原高寒地區建立燕麥單播和混播人工草地時，應首選生物量較高的青海甜燕麥。

施肥是提高作物產量的關鍵措施之一[16]。化學肥料的施用造成了土壤微生物活性降低、養分失調、酸化加劇等環境污染問題。研究表明，有機無機肥混施不僅能顯著提高飼草產量，而且在促進無機肥的吸收和改善土壤品質方面具有重要的作用[17]。潘大偉等[18]對小麥施肥的研究發現，有機肥與鉀肥的配施顯著提高了小麥的生物量和吸鉀量；胡瑋等[19]的研究報道有機肥和化肥混施提高了小麥產量和土壤肥力，且有機肥與化肥配施比單施化肥效果更好。在尿素+磷酸二銨+有機肥處理下，燕麥人工草地地上總生物、燕麥地上生物量、燕麥莖生物量、葉生物量和穗生物量，地下總生物量、燕麥地下生物量最高，而箭筈豌豆地上生物量、莖生物量和葉生物量及地下生物量均以不施肥處理下最高。有機肥和無機肥的混施顯著提高了混播人工草地的總生物量和燕麥地上生物量，混播群落中燕麥的競爭優勢明顯增強，抑制了箭筈豌豆的生長。

混播草地豆科、禾本科牧草種子所占比例直接影響種群的生長、產量和品質。種植密度對混播群落內光合有效輻射、CO2、風速、溫度、濕度等小氣候因子的分布有顯著影響，這種影響反饋到群體結構組成，最終反映在群體的有效貯積能量和產量上[20]。試驗以混播75 kg/hm2水平下燕麥與箭筈豌豆混播人工草地地上總生物量、箭筈豌豆地上生物量、箭筈豌豆莖生物量、箭筈豌豆葉生物量、地下總生物量最高，而在單播條件下燕麥地上生物量、燕麥莖生物量、葉生物量、穗生物量、燕麥地下生物量最高。與單播相比，混播抑制了另一種作物的生長，但有效提高了群體的總生物量積累。

4 結論

燕麥人工草地地上、地下生物量及各器官生物量隨季節表現出明顯的波動，燕麥莖在整個生育期持續顯著增加，而葉和穗生物量增加較平緩；箭筈豌豆莖和葉生物量在生長前期(燕麥開花期前)增長比較平緩，而開花-乳熟期增長迅速。地下生物量顯著增加到開花期后基本趨于穩定。

燕麥品種、施肥和箭筈豌豆混播水平均顯著影響了燕麥與箭筈豌豆混播人工草地各器官生物量。品種在整個生育期主要影響燕麥莖和穗生物量的積累，施肥水平影響葉生物量的積累；施肥水平主要影響燕麥生長前期地上和后期地下生物量的積累。

3個因素影響下，燕麥人工草地地上和地下生物量均以青海甜燕麥、尿素+磷酸二銨+有機肥施肥處理、75 kg/hm2混播水平下最高，平均分別為697.71、662.27、630.54 g/m2和82.27、82.08、81.25 g/m2。

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Effect of fertilization and mixture on biomass accumulation of oat pasture in alpine area

LIU Wen-hui1,2,ZHANG Ying-jun1,3,SHI Shang-li1,WEI Xiao-xing2,ZHANG Yong-chao2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.KeyLaboratoryofSuperiorForageGermplasmintheQinghai-TibetanPlateau,QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining,810016,China;3.ChineseAgriculturalUniversity,Beijing100094,China)

An orthogonality experiment with three factors and four levels was designed to understand the effect of fertilization (control,urea+(NH4)2HPO4,urea+(NH4)2HPO4+organic fertilizer,organic fertilizer) and mixture (0 kg/ha,45 kg/ha,60 kg/ha,75 kg/ha common vetch) on the pasture biomass with different varieties of oats (Avenasativacv.Qingyan No.1,Qinghai No.444,Qinghai,Lina).The results showed that the biomass allocation pattern of pasture withA.sativaand Vicia sativa mixture was affected by these three factors significantly.In the whole growth period,the leaf and stem biomass accumulation of oats was affected by different plant varieties,and the varieties influenced the accumulation of belowground biomass at the beginning of the growth stage and of aboveground biomass in the later period.Fertilization affected the leaf biomass accumulation in the whole growth period,and took a part in the accumulation the aboveground biomass at the beginning and the belowground biomass in the later of the growth stage.The level of mixtures affected the aboveground,stem and leaf biomass accumulation ofV.sativain the whole growth period.The key period of oats biomass accumulation was in the heading and flowering stages;while the key period ofV.sativabiomass accumulation was in the flowering and milking stages.The stem of oats increased constantly during the growth period,while the leaf and ear increased gently.The stem and leaf biomass of V.sativa increased rapidly in the flowering and milking stages,and the belowground biomass became steadily after the flowering stage.Among the effects of variety,fertilization and mixture,the above- and belowground biomass of cultivated pasture were much higher under the treatments with the variety ofAsativacv.Qinghai,urea+(NH4)2HPO4+organic fertilizer and the mixture level of 75 kg/ha,which were 697.71g/m2,662.27 g/m2,630.54 g/m2and 82.27 g/m2,82.08 g/m2,81.25 g/m2separately.

alpine area;variety;fertilization;mixture;biomass dynamics

2016-04-05；

2016-07-01

“現代農業產業技術體系建設專項資金”(CA RS-35-41)；農業部“青藏高原牧草種質資源保護利用”項目(070401)；青海省飼草產業科技創新平臺建設資助

劉文輝(1979-)，男，青海貴德人，副研究員，主要從事牧草栽培育種和人工草地建植方面的研究。 E-mail：qhliuwenhui@163.com

S 512.6；S 147.2

A

1009-5500(2017)02-0035-08

張英俊為通訊作者。