景泰綠洲三種小谷物生長時間對牧草產量和營養品質的預測

段倩雯，成慧，侯扶江

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景泰綠洲三種小谷物生長時間對牧草產量和營養品質的預測

段倩雯，成慧，侯扶江*

(蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020)

為了預測景泰綠洲春小麥、燕麥、黑麥的草產量和營養品質，通過2010年田間試驗，獲得3種小谷物的生長和產量等數據，測定樣品中粗蛋白、粗脂肪、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、粗灰分、可溶性碳水化合物含量，分析各指標之間的相關性，以及牧草飼用價值等級。結果表明生長時間可以準確預測3種小谷物的牧草產量和營養品質,模擬輪牧的3種小谷物飼用價值等級、粗蛋白產量顯著高于收獲干草的利用方式。研究可為3種小谷物的營養體生產、糧經飼種植結構調整、糧改飼等提供科學依據。

燕麥；黑麥；春小麥；草產量；輪牧；干草；刈割；預測模型

小麥(Triticumaestivum)、燕麥(Arrhenatherumelatius)、黑麥(Secalecereale)是全球廣泛種植的一年生禾本科作物，具有生長快、耐刈割、再生能力和適應性強等特點[1-3]，放牧利用時還表現出產量、粗蛋白和消化率高等優點[1,4]，因此發達國家常開展其營養體生產作物或轉化為草食家畜的畜產品[5-12]。同時，小谷物用作營養體生產可以延長耕地的生產時間，提高降水、光能和土地利用率[4,15-16]。小谷物參與草田輪作體系[13]，豐富了農業系統的多樣性，增強其穩定性[17]，提高經濟和生態效益[13,18-19]。并且小谷物長期覆蓋地表能有效防止水土流失。隨著家畜生產的發展，我國小谷物用作飼草生產的研究已有大量的報道[1]。

小谷物的草產量和營養品質是其用于營養體生產的基礎，國內外對飼草作物的產量和營養成分等預測有大量研究。在大尺度上，常建立飼草生育期主要氣候因子與飼草產量的關系模型，以預測草產量[20-21]；或者使用遙感技術反演葉面積指數(LAI)間接獲取生物量信息，建立遙感信息和飼草生育期各指標的關聯性，預測牧草飼用成分[22-24]。在中小尺度上，一般通過飼草作物群體指標與氮營養狀況預測牧草種子產量和品質[3]。也有研究利用灌溉模型模擬(CROPWAT模型)、農業技術轉移決策支持系統(DSSAT模型)、AquaCrop模型等預測飼草產量[25-27]；或者，通過飼草的化學成分和體外發酵特點來預測飼草的營養成分[7,28-31]。但利用飼草作物生長時間預測牧草產量和品質的研究相對較少。為此，在景泰綠洲開展春小麥、燕麥、黑麥的模擬輪牧試驗，建立預測其產量和品質的模型，可以為我國通過糧改飼、三元種植結構發展草牧業提供理論與技術[27,29,32-35]。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然概況

景泰綠洲地處甘、寧、蒙三省區交匯處，是黃土高原、青藏高原與西北內陸干旱區的交匯地帶，為引黃灌區。研究區設在蘭州大學景泰草地農業試驗站(E 103°33′，N 36°43′)，位于景泰綠洲中部，屬典型溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫8.6 ℃，晝夜溫差大，年降水量185 mm，年平均蒸發量3081 mm，無霜期159 d，年日照時數2718.3 h，≥ 0 ℃年積溫3300～3620 ℃，濕潤度K值為0.51。在草原綜合順序分類法中屬微溫干旱溫帶半荒漠類[9,28]，優勢農業系統為作物/天然草地—家畜綜合生產系統[13]。

1.2 試驗小區設置

3種小谷物分別為春小麥“永良四號”、燕麥“林娜”、黑麥“甘引一號”，是區域主栽品種。完全隨機區組設計，每小區面積為4.5 m×9.0 m，小區間距1 m，4次重復，區組間距2 m。2010年3月23日播種，播種量375 kg/hm，行距25 cm，播深2.5 cm。2010年4月6日出苗。

每小區平均分成2個裂區。一個裂區每20 d刈割一次，以模擬家畜輪牧(simulated grazing，SG)，2010年5月23日首次刈割，留茬高度8 cm，7月21日最后1次齊地面刈割，整個生長期間共刈割4次。播種后、每次刈割后灌水，試驗期間共計灌水7500 m3/hm2，每次灌水后追施尿素，總計225 kg/hm。另一裂區全株收獲作為干草(making hay，MH)，灌水量與施肥量同模擬輪牧裂區，并且與模擬輪牧裂區每次刈割同步測定生長狀況[18]。其他管理同當地農戶。

1.3 測定指標

每次刈割時，在每個裂區做2個1 m×1 m樣方，SG裂區刈割高度同上，MH裂區齊地面刈割。草樣分為兩份：1份105 ℃烘至恒重，測定草產量；另1份65 ℃烘48 h，粉碎后過0.425 mm 篩，分析中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)、粗纖維(crude fiber,CF)、粗蛋白(crude protein,CP)、粗脂肪(ether extract,EE)、可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)、粗灰分(Ash)等品質指標[9]。

生長時間指從播種到測定時的天數(d)。

1.4 飼用價值綜合評價

1.5 數據處理

用SPSS 21.0，對3種小谷物的生長時間、CP、EE、NDF、ADF、ASH、WSC進行相關性分析，以及回歸方程斜率和截距的差異顯著性比較，若無顯著性差異，將春小麥、燕麥和黑麥的數據合并后擬合，用Microsoft Excel 2010軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 生長時間和產量、營養成分各指標之間的相關性

春小麥收獲干草，生長時間與WSC的相關性不顯著(P>0.05)，與其余指標均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關水平(表1)。春小麥模擬輪牧，生長時間與FY、ADF、CA的相關性不顯著(P>0.05)，與其余指標的相關性均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。

燕麥收獲干草和模擬輪牧兩種利用方式下，生長時間與所有指標的相關性均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平(表2)。

表1 兩種利用方式下春小麥指標間相關性分析Table 1 Correlationship among the indices of spring wheat under condition of two kinds of using way

FY，草產量 Forage yield (kg/hm2).GT，生長時間 The growth time (d).CP，粗蛋白 Crude protein (%).EE，粗脂肪 Ether extract (%).NDF，中性洗滌纖維 Neutral detergent fiber (%).ADF，酸性洗滌纖維 Acid detergent fiber (%).CA，粗灰分Crude ash (%)。WSC，可溶性碳水化合物Water soluble carbohydrate (%)。*相關性達到顯著水平(P<0.05)。Significance at theP<0.05 level.**相關性達到極顯著水平(P<0.01)。Significance at theP<0.01 level.右上部分為收獲干草Making hay (MH) in the upper right；左下半部分為模擬家畜輪牧Simulated rotational grazing (SG) in the lower left.下同The same below.

表2 兩種利用方式下燕麥的各指標間相關性分析Table 2 Correlationship among the indices of oat under condition of two kinds of using way

黑麥收獲干草，生長時間與WSC的相關性無顯著水平(P>0.05)，與其余指標均呈極顯著(P<0.01)相關水平(表3)；模擬家畜輪牧，生長時間與所有指標呈極顯著(P<0.01)相關性(表3)。

表3 兩種利用方式下黑麥的各指標間相關性分析Table 3 Correlationship among the indices of rye under condition of two kinds of using way

2.2 根據生長時間預測草產量和營養成分

2.2.1 根據生長時間預測草產量 隨生長時間的延長，兩種利用方式的3種小谷物草產量均呈對數上升趨勢。收獲干草的春小麥和燕麥升幅(斜率)差異不顯著(P>0.05)，黑麥的升幅顯著(P燕麥-黑麥<0.01，P春小麥-黑麥<0.05)小于春小麥和燕麥，3種牧草草產量均在122 d左右時達到最大，燕麥(13.48 tDM/hm2)>春小麥(9.89 tDM/hm2)>黑麥(9.27 tDM/hm2)；模擬輪牧，3種牧草草產量在最后一次刈割(122 d)達到最大值，燕麥(9.21 tDM/hm2)>黑麥(8.38 tDM/hm2)>春小麥(6.49 tDM/hm2)，春小麥和燕麥的升幅存在顯著差異(P春小麥-燕麥<0.05)，其余兩者間的升幅差異不顯著(P>0.05)(圖1)。

圖1 生長時間與牧草產量之間的關系Fig.1 The relationship between the growth time and forage yield不同大、小寫字母分別表示3種作物的斜率間差異極顯著(P<0.01)或顯著(P<0.05)。若3種作物之間存在顯著相關性且無斜率差異，則將3種作物數據合并后擬合。下同。Different capital and lower case letters indicate significant difference of slopes of three crops at P<0.01 and P<0.05 level,respectively.If there is significant correlation among three kinds of crops and slope has not difference,all data will be merged and fitted.The same below.

2.2.2 根據生長時間預測營養成分 3種小谷物收獲的干草CP和EE隨著生長時間的增加均呈冪函數減少，3者間降幅(斜率)差異不顯著(P>0.05)；隨著生長時間的延長，NDF呈對數上升趨勢，燕麥NDF的升幅顯著(P燕麥-春小麥<0.05，P燕麥-黑麥<0.05)高于春小麥和黑麥，ADF呈多項式規律變化，3種作物間升幅差異不顯著(P>0.05)；Ash含量隨生長時間呈對數下降趨勢，燕麥的降幅顯著高于春小麥和黑麥(P燕麥-春小麥<0.001，P燕麥-黑麥<0.05)，其余兩者降幅差異不顯著(P>0.05)(圖2)。

圖2 收獲干草的小谷物(MH)生長時間與飼用成分的關系Fig.2 The relationship of the growth time and forage ingredient under condition of making hay (MH)

利用生長時間(d)預測3種牧草模擬輪牧的各飼用成分(圖3)。牧草中CP和EE隨著生長時間的延長呈對數減少趨勢，3種牧草CP的降幅無顯著差異(P>0.05)，燕麥和黑麥的EE降幅差異顯著(P燕麥-黑麥<0.05)，其余兩者之間降幅差異不顯著(P>0.05)；NDF隨生長時間增加呈顯著對數上升，ADF兩者之間的升幅斜率均無顯著差異顯著(P>0.05)；燕麥和黑麥的Ash隨生長時間的延長顯著呈線性下降趨勢，降幅無顯著差異(P>0.05)，春小麥的Ash隨生長時間變化規律不顯著，且其斜率與燕麥、黑麥存在顯著性差異(P燕麥-春小麥<0.01，P春小麥-黑麥<0.001)；WSC呈冪函數上升，兩者之間均無顯著性差異(P>0.05)。

2.3 不同利用方式的飼用價值評級

用于收獲籽實的3種作物，飼用價值總體呈下降趨勢(圖4)。春小麥、燕麥在生長至122 d左右降至最低，春小麥(1.25)<燕麥(1.38)，黑麥先下降后上升，春小麥、燕麥、黑麥平均飼用價值等級分別為：1.48、1.52、1.30，綜合草產量和飼用價值考慮，春小麥和燕麥在生長到102 d左右收獲，黑麥在生長至122 d左右收獲，可將小谷物利用效率最大化；用于模擬家畜輪牧小谷物的飼用等級，春小麥、黑麥呈 “波浪形”變化趨勢，先下降后增加再下降至最小值，分別為：1.62、1.34，燕麥則持續增加至1.90，3種作物平均飼用價值等級分別為：1.60、1.80、1.39。

圖3 模擬輪牧的小谷物(SG)生長時間與牧草飼用成分關系Fig.3 The relationship of the growth time and forage ingredient under condition of stimulated rotational grzaing (SG)

圖4 兩種利用方式下3種作物的飼用價值評級Fig.4 Three crops of forage value rating under two utilization ways

3 討論

3.1 飼用價值的評價

利用《草業科學研究方法》中飼用價值評級方法評價3種作物在不同利用方式下的飼用價值[35-37](圖4)。在評級過程中將各飼用指標具體等級略做調整。由于二十多年前家畜大多以秸稈作為主要粗飼料，其粗纖維含量較高，營養價值低[38-44]，而現在隨著草地農業不斷發展，營養價值更高的飼料增多[45-48]，因此改進了牧草營養品質等指標對飼用價值評價方法[20,49-53]。

3.2 小谷物在草地農業系統中的作用

在作物尺度上，耕地農業系統中的糧食作物或經濟作物發揮多功能性，小谷物的副產品和廢棄物用于家畜生產，草地農業只是附庸于耕地農業[59]。在耕地(農戶)尺度上，劣質耕地或季節性閑田種草，雖然以糧食生產為主，但糧草兼顧，草地農業在耕地農業的夾縫中獲得一席之地，小谷物的飼用價值得以重現[12]。本項研究結果顯示，在大尺度上(區域或國家)規?；牟莸剞r業系統中，小谷物可以生產較多的干物質和粗蛋白(圖1～3)[1]，為植物生產和動物生產的系統耦合提供物質基礎，草地農業與耕地農業并存而互惠[54]。

3.3 小谷物在糧改飼中的作用

耕地農業轉變為草地農業，這種結構轉型可看作“糧改飼”。小谷物助力“糧改飼”有以下途徑：秸稈的利用，將秸稈直接用于草食家畜，或者經過青貯等加工調制，改善飼用性狀[55]，隨著農業系統的不斷進化，這種用途逐漸縮減為特定家畜或其特定生產階段；糧飼兩用，小谷物在生長的特定條件下用于家畜生產，最終生產糧食[56]，提高農業資源的利用效率；小谷物與豆科等其他作物草田輪作或復種，利用小谷物生長速度快、產量高的優點，提高耕地的生產力，也可以利用小谷物他感作用較強的特點，滅除耕地雜草，節約生產成本，提高經濟效益[57-58]；或將小谷物直接作為飼草，通過放牧、刈割等方式利用[59]。這一定程度上可以看作農業系統的進化，本研究表明生產實踐中，小谷物可以作為“糧改飼”的“先鋒”。

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Using maturity to predict forage yield and nutritional quality of forage cereals in the Jingtai Oasis

DUAN Qian-Wen,CHENG Hui,HOU Fu-Jiang*

CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

The yield and nutritional quality of spring wheat,oats and rye in the Jingtai Oasis was assessed in a trial planted in 2010.Measurements included calendar time and production data to harvest maturity,crude protein,crude fat,neutral detergent fiber,acid detergent fiber,ash and soluble carbohydrate content.The relationships among time to maturity and feeding value traits were also determined.The result showed that yield and nutritional quality of forage was able to be predicted by growth duration.Feed value and crude protein yield resulting from simulated grazing were assessed as significantly higher than making hay from the forage.The results provided a scientific basis for the production of cereal forages in an oasis environment.

oat(Arrhenatherumelatius);rye (Secalecereale);spring wheat (Triticumaestivum);forage yield;grazing;hay;cutting;prediction model

10.11686/cyxb2016311 http://cyxb.lzu.edu.cn

段倩雯,成慧,侯扶江.景泰綠洲三種小谷物生長時間對牧草產量和營養品質的預測.草業學報,2017,26(6):185-194.

DUAN Qian-Wen,CHENG Hui,HOU Fu-Jiang.Using maturity to predict forage yield and nutritional quality of forage cereals in the Jingtai Oasis.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):185-194.

2016-08-18；改回日期：2016-11-28

教育部創新團隊“草地農業系統耦合與管理”(IRT13019)，公益性行業(農業)科研專項(201403071-6)，甘肅省2016年草牧業試驗試點和草業技術創新聯盟科技支撐(GCLM2016001)和中央高?；緲I務費(lzujbky-2014-82)資助。

段倩雯(1992-)，女，甘肅蘭州人，在讀碩士。E-mail:duanqw15@lzu.edu.cn

*通信作者Corresponding author.E-mail:cyhoufj@lzu.edu.cn