禾豆組合與間作方式對牧草產量及產量穩定性的影響

張永亮，張麗娟，于鐵峰，潘 東

(內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028042)

豆禾混播可提高牧草產量與品質[1-4]，發展豆禾混播草地是增加牧草產量和質量的可行途徑[4]。豆禾混播草地牧草產量和品質高于單播禾草[3,5-7]，略高于或接近單播苜蓿[8-11]。豆禾混播組合與混播比例(或混播方式)是影響混播牧草產量和品質[3-5]的主要因素，同時也對混播草地產量穩定性[12-14]和土地資源利用效率[15-16]產生明顯影響。Diriba等[4]研究表明，50%的光頭黍(Panicumcoloratum)與50%柱花草(Stylosanthesguianensis)間作其土地當量比(Land equivalent ratio，LER)顯著大于25%光頭黍+75%柱花草，而25%的光頭黍與75%柱花草混播比例間作能提高飼草粗蛋白質含量和干物質消化率，降低中性洗滌纖維含量。老芒麥(ElymusSibiricus)與草原2號苜蓿(Medicagovaria)以3∶1混播其產量和粗蛋白質含量明顯高于單播老芒麥[3]，苜蓿與無芒雀麥(Bromusinermis)混播產量高于苜蓿與老芒麥(ElymusSibiricus)混播[17]。鄭偉等[13]報道豆禾比5∶5和3∶7的混播草地群落穩定性高于豆禾比4∶6。由此可見，禾豆組合與間作(混播)方式不僅對混播草地產量和品質有影響，而且對群落穩定性和土地資源利用效率也有明顯影響。為了探討禾豆組合與間作方式對科爾沁沙地豆禾混播草地產量及其穩定性，本文采用牧草產量高、品質好的紫花苜蓿(M.sativa)、無芒雀麥、通草1號虉草(Phalaris.arundinaceacv.Tong cao No.1)和垂穗披堿草(E.nutans)建植了豆禾兩組分不同間作方式的混播草地，分析了禾豆組合與間作方式對禾豆混播草地牧草產量、禾草產量比、產量時間穩定性(Yield temporal stability,YTS)、產量可持續性(Sustainable yield index,SYI)以及土地當量比等的影響，旨在為科爾沁沙地苜蓿-禾草混播草地建植提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況[18]

試驗地位于西遼河平原內蒙古民族大學農牧業科技示范園區(43°3′N，122°2′E)。試驗地區為典型的溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫6.4℃，極端最低溫—30.9℃，≥10℃積溫3 184℃，無霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生長季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤為風沙土，土壤有機質含量4.86 g·kg-1，速效鉀94.65 mg·kg-1，速效磷10.46 mg·kg-1，堿解氮11.15 mg·kg-1，pH值為8.2。具有噴灌條件，干旱時灌水。

1.2 試驗設計[18]

試驗設混播禾豆組合(A因素)和間作方式(B因素)二個因素。禾豆組合有紫花苜蓿-無芒雀麥、紫花苜蓿-垂穗披堿草和紫花苜蓿-通草1號虉草等三種，分別用A1，A2，A3表示；間作方式(苜行數∶禾草行數)為1∶1(B1)，2∶2(B2)，1∶2(B3)和2∶1(B4)4個處理。苜蓿單播量15 kg·hm-2，無芒雀麥和垂穗披堿草單播量30 kg·hm-2，虉草單播量15 kg·hm-2?；觳ソM分中苜蓿單位面積播種量分別占單播量的50%(B1)，50%(B2)，33%(B3)和67%(B4)；禾草單位面積播種量分別占單播量的50%(B1)，50%(B2)，67%(B3)和33%(B4)。采用隨機區組設計，小區面積5m×4 m，苜蓿與禾草間行種植，行距30 cm，每小區12行，3次重復。試驗地于2016年5月22日播種，當年刈割2次。2017-2018年全年施氮160 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2和K2O 100 kg·hm-2，其中返青期(4月22日)氮鉀肥各施50%，磷肥全部施入，第1次刈割后施氮鉀肥各20%，第2茬刈割后施氮鉀肥30%，施肥后澆水。

1.3 測定指標與方法

1.3.1產草量 頭茬草在苜蓿盛花期測定(播種年8月3日、第2年6月4日、第3年6月3日)，二茬草在苜蓿初花期(播種年10月15日)和盛花期(第2年7月15日、第3年7月6日)測定，三茬草在苜蓿盛花期(第3年9月15日)和結莢期(第2年10月14日)測定。留茬高度5 cm。測產面積根據混播組合確定∶單播、1∶1，2∶2組合每小區測定1m長4行，1∶2和2∶1組合每小區測定1m 長3行(1個完整的混播組合)。苜蓿、禾草分種測定稱鮮重，再取200～500 g鮮樣帶回實驗室烘干稱干重，然后根據干鮮比和測產面積換算成單位面積干草產量。

1.3.2平均產量及禾草產量比 禾豆(苜蓿、禾草)平均產量=2016～2018年全年禾豆(苜蓿、禾草)總產量之和/3；禾草產量比=禾草平均產量/禾豆平均產量×100%。

1.3.3產量時間穩定性：

1.3.4可持續產量指數：

1.3.5土地當量比：

LER=Yij/Yii+Yji/Yjj

其中，Yij代表種i同種j混播時種i的產量，Yji代表種j同種i混播時種j的產量，Yii代表種i的單播產量，Yjj代表種j的單播產量。LER值越大混播效果越好，當LER>1，表示混播有產量優勢和資源利用優勢，當LER<1時，則無產量優勢和資源利用優勢[16]。

1.4 數據處理

采用Excel 2007進行數據處理和繪圖，用DPS數據處理系統軟件進行兩因素隨機區組方差分析，差異顯著性采用Duncan多重比較。

2 結果與分析

2.1 禾豆組合與間作方式對牧草產量及禾草產量比的影響

三種禾草與苜蓿混播后對苜蓿產量影響不顯著，而對禾草產量及禾豆總產量影響顯著(圖1a)。

苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-虉草處理禾草產量極顯著高于苜蓿-垂穗披堿草處理(P<0.01)。禾豆總產量以苜蓿-虉草處理最高，苜蓿-垂穗披堿草處理最低，差異極顯著。禾草產量占禾豆總產量的比例受禾豆組合影響顯著(圖1b)。苜蓿-無芒雀麥處理禾草產量比極顯著高于苜蓿-垂穗披堿草，顯著高于苜蓿-虉草(P<0.05)。表明苜蓿-無芒雀麥混播可獲得較高的禾草產量比。間作方式對禾草、苜蓿、禾豆總產量及禾草產量比均有顯著影響(圖2a，圖2b)。豆禾1∶2處理禾草產量與產量比極顯著高于1∶1和2∶1處理。豆禾1∶2處理苜蓿產量最低，與其他間作比例間差異極顯著。禾豆總產量順序為1∶1>2∶1>2∶2>1∶2，不同間作比例間禾豆總產量差異均達極顯著水平。

由表1可知，苜蓿-無芒雀麥2∶2組合禾草產量最高，其次是1∶2組合，二者顯著(P<0.05)高于苜蓿-虉草1∶2之外的其他組合。苜蓿-無芒雀麥1∶2組合禾草產量比顯著高于2∶2組合和苜蓿-虉草1∶2組合，與其余組合差異極顯著(P<0.01)。苜蓿-無芒雀麥1∶1組合苜蓿產量及禾豆總產量最高，禾豆總產量與其他組合(苜蓿-虉草1∶1除外)差異極顯著。

圖1 禾豆組合對牧草產量及禾草產量比的影響

圖2 間作方式對牧草產量及禾草產量比的影響

混播組合Mixedsowingcombination牧草產量Forageyield/t·hm-2禾草Grass苜蓿Alfalfa禾草+苜蓿Grass+alfalfa禾草產量比/%GrassyieldratioA1B11.57±0.26cAB9.17±0.32aA10.35±1.11aA15.20±1.99deBCA1B21.92±0.07aA5.39±0.52eF7.28±0.54dDEF26.47±2.40bAA1B31.89±0.07aAB4.06±0.47fG6.15±0.47efFG30.72±1.83aAA1B40.98±0.08dC8.68±0.38abAB8.95±1.59bcBC11.10±1.36eCDA2B11.10±0.15dC7.76±0.37cBC8.57±0.99cBC12.78±0.56deCA2B21.08±0.28dC6.49±0.51dDE7.05±0.71deEF15.32±3.09deBCA2B31.07±0.15dC5.04±0.43eFG5.38±0.90fG20.51±5.71cBA2B40.49±0.03eD8.66±0.62abAB8.37±1.78cBCD6.08±1.37fDA3B11.56±0.36cB8.41±0.40abcAB9.62±1.19abAB16.08±2.34dBCA3B21.63±0.09bcAB6.73±0.33dCD8.16±0.69cCDE20.03±1.10cBA3B31.86±0.20abAB5.48±0.32eEF6.94±0.57deEF26.82±2.74bAA3B40.98±0.10dC8.08±0.64bcAB8.39±1.26cBCD11.88±2.26eC

注：同列中不同大寫字母表示不同混播組合間數據差異極顯著(P<0.01)，同列中不同小寫字母表示不同混播組合間數據差異顯著(P<0.05)。A1B1，A1B2，A1B3，A1B4分別表示無芒雀麥與紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播組合；A2B1，A2B2，A2B3，A2B4分別表示垂穗披堿草與紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播組合；A3B1，A3B2，A3B3，A3B4分別表示虉草與紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播組合，下表同

Note∶Different capital and lowercase letters within the same column indicate significant difference between different mixed sowing treatment at the 0.01 and 0.05 levels,respectively. A1B1，A1B2，A1B3and A1B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofB.inermisandM.sativa,respectively,A2B1，A2B2，A2B3and A2B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofE.nutansandM.sativa,respectively,A3B1，A3B2,A3B3and A3B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofP.arundinaceaandM.sativa,respectively,the same as below

2.2 禾豆組合與間作方式對牧草產量時間穩定性(YTS)的影響

播種年苜蓿-無芒雀麥處理YTS顯著高于苜蓿-垂穗披堿草處理，第二年顯著高于苜蓿-垂穗披堿草和苜蓿-虉草處理(P<0.05)，苜蓿-垂穗披堿草與苜蓿-虉草處理間差異不顯著(圖3a)。第三年禾豆組合對混播草地YTS影響不顯著。間作方式對不同年齡混播草地YTS均有顯著影響(圖3b)。播種年和第三年豆禾1∶1處理YTS最高，顯著高于其余間作比例(P<0.05)；第二年1∶2處理顯著高于1∶1和2∶1處理。

不同年份YTS差異顯著(表2)。播種年和第三年苜蓿-無芒雀麥1∶1組合YTS最高，當年極顯著高于苜蓿-無芒雀麥2∶2和苜蓿-垂穗披堿草1∶2組合，顯著高于苜蓿-無芒雀麥1∶2、苜蓿-垂穗披堿草2∶2，1∶2和苜蓿-虉草2∶2組合；第二年苜蓿-無芒雀麥1∶2和2∶2組合YTS極顯著高于苜蓿-無芒雀麥1∶1、苜蓿-垂穗披堿草1∶1，2∶2，1∶2和苜蓿-虉草1∶1組合；第三年苜蓿-無芒雀麥1∶1組合顯著高于苜蓿-無芒雀麥1∶2，苜蓿-垂穗披堿草1∶1，苜蓿-虉草1∶1和1∶2之外的其他混播組合(P<0.05)。表明苜蓿-無芒雀麥1∶1混播第一年和第三年產量時間穩定性較好，1∶2和2∶2混播第二年產量時間穩定性較好。

圖3 禾豆組合與間作方式對產量時間穩定性的影響

混播組合Mixedsowingcombination第1年Firstyear第2年Secondyear第3年ThirdyearA1B14.87±1.78aA2.03±0.17bcBC6.18±3.03aAA1B22.43±0.36cdBC5.05±2.26aAB2.53±0.59cABA1B34.06±0.81abcABC5.42±2.78aA3.77±1.60abcABA1B42.86±0.40bcdABC3.61±0.54abcABC3.14±0.27bcABA2B13.49±1.01abcABC1.31±0.15cC5.33±2.25abABA2B22.80±0.79bcdABC2.17±0.36bcBC3.29±1.62bcABA2B31.77±0.13dC3.79±1.32abABC1.88±0.06cBA2B42.78±0.81cdABC2.09±0.43bcBC3.06±1.05bcABA3B13.90±0.68abcABC1.57±0.18bcC4.21±0.33abcABA3B22.89±0.31bcdABC2.63±0.52bcABC2.88±0.53bcABA3B33.33±0.26abcdABC3.83±1.27abABC2.82±0.30bcABA3B44.51±1.27abAB3.24±0.36abcABC4.31±1.38abcAB

2.3 禾豆組合與間作方式對混播草地土地當量比(LER)的影響

禾豆組合對播種年和第三年混播草地LER有顯著影響，第二年不同禾豆組合間LER無顯著差異(圖4a)。播種年苜蓿-垂穗披堿草處理LER顯著高于苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-虉草，且苜蓿-虉草處理顯著高于苜蓿-無芒雀麥；第三年苜蓿-虉草處理顯著高于苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-垂穗披堿草。間作方式對播種年LER影響不顯著(圖4b)，而對第二年和第三年LER有顯著影響。第二年和第三年LER分別以豆禾1∶1和1∶2處理最高，與其他處理間差異均達顯著水平(P<0.05)。播種年，苜蓿-垂穗披堿草1∶1和苜蓿-垂穗披堿草1∶2組合LER較高，且LER>1，具有混播優勢。第二年，苜蓿-無芒雀麥1∶1，2∶1、苜蓿-垂穗披堿草1∶1，2∶2和苜蓿-虉草1∶1組合LER極顯著(P<0.01)高于其他混播組合，且LER>1，具有明顯的混播優勢；第三年，苜蓿-無芒雀麥1∶1，2∶1，苜蓿-垂穗披堿草2∶1，苜蓿-虉草1∶1和2∶1組合極顯著(P<0.01)高于苜蓿-無芒雀麥2∶2，1∶2，苜蓿-垂穗披堿草1∶1，2∶2和苜蓿-虉草1∶2組合。

2.4 禾豆組合與間作方式對可持續產量指數(SYI)的影響

禾豆組合和間作方式對混播草地SYI有顯著影響。苜蓿-虉草處理SYI顯著高于苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-垂穗披堿草(圖5a)。豆禾1∶2處理SYI顯著(P<0.05)高于1∶1和2∶2處理(圖5b)，1∶1處理SYI顯著低于其他處理(P<0.05)。在苜蓿-無芒雀麥、苜蓿-垂穗披堿草和苜蓿-虉草處理中，SYI最大的混播組合分別為苜蓿-無芒雀麥1∶1，苜蓿-垂穗披堿草1∶2和苜蓿-虉草2∶1組合(圖6)，苜蓿-無芒雀麥1∶1，苜蓿-垂穗披堿草1∶1，苜蓿-虉草1∶1組合SYI最小，表明其產量時間變異較大，產量可持續性較差。

圖4 禾豆組合與間作方式對土地當量比的影響

混播組合Mixedsowingcombination第1年Firstyear第2年Secondyear第3年ThirdyearA1B10.70±0.12bcBC1.49±0.17aA1.03±0.01abABCA1B20.71±0.14bcBC0.91±0.07defCDE0.89±0.10cdBCDEFA1B30.48±0.08cC0.84±0.03efDE0.75±0.09eFA1B40.76±0.11bcABC1.14±0.04cBC1.02±0.07abABCDA2B11.18±0.26aAB1.37±0.15abAB0.86±0.05deDEFA2B20.99±0.27abAB1.18±0.12bcBC0.83±0.07deEFA2B31.21±0.23aA0.72±0.14fE0.95±0.07bcdABCDEA2B41.03±0.15abAB1.03±0.08cdeCD1.05±0.12abABA3B10.94±0.26abABC1.36±0.05abAB1.01±0.08abABCDA3B20.80±0.19bcABC1.09±0.16cdCD0.99±0.05abcABCDEA3B30.93±0.17abABC0.99±0.11cdeCDE0.87±0.07dCDEFA3B40.86±0.11abABC0.99±0.14cdeCDE1.11±0.02aA

圖5 禾豆組合與間作方式對混播草地可持續產量指數的影響

圖6 混播組合對可持續產量指數的影響

3 討論

3.1 禾豆組合與間作方式對混播牧草產量的影響

牧草種類及其種間競爭力是影響混播系統生產力的重要因素。不同植物種類其種間競爭力存在明顯差異，種間競爭差異不僅影響種群數量，也影響混播草地產量[22-23]，因此禾豆組合對豆禾混播草地產量有顯著影響[18,24-25]。紫花苜蓿與三種禾草混播后對苜蓿產量影響不顯著，而對禾草產量及禾豆總產量影響顯著。苜蓿-無芒雀麥混播禾草產量最高，其次是苜蓿-虉草混播，苜蓿-垂穗披堿草混播當年禾草產量較高，以后二年禾草產量顯著下降。播種年垂穗披堿草生長較旺盛，能形成較多的生殖枝，而無芒雀麥和虉草均無生殖枝，垂穗披堿草產量較高[18]，以后二年因垂穗披堿草的再生性和抗病性弱于無芒雀麥和虉草，禾草產量明顯下降[24]，而無芒雀麥頭茬和3茬生長發育較好，因此苜蓿-無芒雀麥混播草地禾豆總產量顯著高于其余2種禾豆混播草地。有研究表明，苜蓿與無芒雀麥、鴨茅(Dactylisglomerata)、草地羊茅(Festucapratensis)按豆禾1∶3混播，禾豆總產量以苜蓿-無芒雀麥混播草地最高[25]；劉敏等[11]試驗表明紫花苜蓿與無芒雀麥混播產量顯著高于單播紫花苜蓿，而紫花苜蓿與垂穗披堿草混播產量與單播紫花苜蓿差異不顯著。豆禾間作方式對混播草地總產量和組分產量均有明顯影響，豆禾1∶1混播三年平均禾豆總產量最高，但禾草產量比較低，混播組分穩定性較差。

3.2 禾豆組合與間作方式對LER的影響

土地當量比大小可表明混播與單播對環境資源利用效率的高低[4,16,26]。禾豆組合對混播草地LER有明顯影響。播種年苜蓿-垂穗披堿草混播草地LER最高，與其他混播種類差異顯著，且LER>1，具有混播優勢；第三年苜蓿-虉草混播草地LER最高，與其他混播播種間差異顯著，且LER>1，具有混播優勢；第二年3種禾草與苜?；觳ER無顯著差異，但LER均大于1，具有混播優勢。第2-3年垂穗披堿草-苜?；觳ゲ莸豅ER最低，且LER均小于1，表明在科爾沁沙地，垂穗披堿草與紫花苜蓿混播效果較差?；谏锪康姆N群穩定性在不同植物種類之間差異很大[12 ]。不同禾豆間作方式草地第二年和第三年LER差異顯著，而播種年差異不顯著。苜蓿與3種禾草1∶1混播第二年LER均大于1，具有混播優勢；第三年苜蓿與3種禾草2∶1混播LER均大于1，具有混播優勢。研究表明，在大麥(hordeumvulgare) 與長柔毛野豌豆(Viciavillosa) 和山黧豆(Lathyrussativus)按播種量比75∶25，50∶50和25∶75混播草地，混播產量均高于單播產量，25%大麥+75%山黧豆混播其LER最高[16]。50%的光頭黍與50%柱花草混播其LER顯著大于25%光頭黍+75%柱花草[4]。在玉米與大豆間作系統中，4行玉米(Zeamays)+2行大豆(Glycinemax)間作其LER顯著高于2行玉米+2行大豆間作[26]；而蠶豆(Viciafaba)與燕麥(Avenasativa)25∶75，50∶50和75∶25間行混播其LER均小于單播蠶豆和單播燕麥，二者混播顯著提高了干物質產量和蛋白質產量，但并沒有顯著提高土地利用效率[28]。由此可見，禾豆組合與間作方式不僅影響混播草地產量，而且影響混播草地的土地利用效率。

3.3 禾豆組合與間作方式對產量穩定性的影響

播種年和第三年禾豆組合對混播產量穩定性無顯著影響，而對第二年混播產量穩定性影響顯著。因為第二年混播禾草和苜蓿產量變幅最大，播種年和第三年禾草和苜蓿產量變幅較第二年小。在播種年不同禾草的種間競爭力和再生力差異不明顯，第二年垂穗披堿草種間競爭力和再生力明顯弱于無芒雀麥和虉草，第三年3種禾草在混播群落中種群數量和產量顯著下降，苜蓿產量占絕對優勢，使混播產量穩定性差異不顯著。因為在混播植物群落中，優勢物種往往比次優勢物種更穩定，不受群落物種豐富程度的影響[12]。禾豆組合對混播系統產量可持續能力有顯著影響。苜蓿-虉草混播草地可持續產量指數顯著高于苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-垂穗披堿草混播草地。在混播群落中虉草種群數量衰減程度小于其余兩種禾草，因此苜蓿-虉草混播草地可持續產量指數較高。這可能是因為二茬草后苜蓿生長較快，苜蓿與禾草種間存在較激烈的光資源競爭[23,27]，同時夏季禾草處于高溫脅迫，而虉草的耐熱性和無性繁殖能力強于垂穗披堿草和無芒雀麥，因此虉草種群的持續性較好。豆禾1∶1混播播種年和第三年產量穩定性最高。因為豆禾1∶1混播草地在播種年苜蓿與禾草種間競爭力較小，均能充分利用環境資源，因此產量變異較小，產量時間穩定性較好；第三年因禾草種群數量較低，年內不同茬次禾草產量變化對禾豆總產量影響較小，因此產量時間穩定性較好。豆禾1∶2混播可持續產量指數最大，因為1∶2混播草地苜蓿種群數量相對較低，對禾草的種間競爭影響相對較小，不同年份間產量變異低于其他間作方式。

4 結論

苜蓿-無芒雀麥和苜蓿-虉草混播牧草產量及產量穩定性強于苜蓿-垂穗披堿草混播。豆禾1∶1和2∶1混播禾豆總產量較高，但禾草組分穩定性較差。豆禾1∶2混播禾草組分穩定性和產量可持續性較好，但禾豆總產量較低。苜蓿-無芒雀麥或苜蓿-虉草2∶2混播禾豆總產量、產量穩定性、產量可持續性、土地當量及禾草產量比居中，是本試驗條件下比較適宜的混播組合。