新疆半干旱地區不同種類混播草地的牧草產量和營養價值研究

謝開云， 孟 翔， 徐珍珍， 張力文， 萬江春， 顏 安*， 李陳建

(1.西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室， 新疆農業大學草業與環境科學學院， 新疆 烏魯木齊 830052；2. 阜康市林業與草原局， 新疆 阜康 831500)

新疆作為我國主要牧區之一，長期以來過度強調草地的生產功能，忽視其生態功能，再加上氣候變化等因素，導致該地草地嚴重退化，生態環境惡化[1-2]。高度重視草原生態保護建設和草業發展是新疆全面貫徹“綠水青山就是金山銀山”理念，把生態文明建設融入發展全過程的重要舉措。在生態環境保護的大背景下，未來新疆畜牧業的重心也將由草原畜牧業向農區舍飼畜牧業轉移，然而飼草料短缺一直是制約新疆畜牧業現代化、規模化發展的重要因素[3]。在適宜區域建植高產優質的人工草地并維持其較高的牧草生產力和營養價值對提高當地放牧家畜生產力和畜牧業發展水平具有重要意義。

豆禾混播草地因其牧草生產力和營養價值方面具有優勢成為雨養地區建植草地的首選。國內外開展了大量的關于豆禾混播草地不同混播種類、混播比例[4]和混播方式[5]下草地生產力[6-7]、群落穩定性[8]、營養價值[9-10]、種間關系[11-12]、土壤理化性質[13-14]等方面的研究，研究成果的積累有效促進了混播草地生產力、建植和管理水平的提高。混播草地能夠發揮較高生產力和維持較高營養價值的前提是維持群落的穩定性，而環境條件、品種組合、建植方法和管理措施等都是影響混播草地群落穩定性的重要因素[15]。與環境條件相比，品種組合、建植方法和管理措施對草地生物量的積累影響更大[16]。新疆烏魯木齊市謝家溝地區，屬于典型的山地草原，是哈薩克族牧民定居地，建植混播草地進行割草和放牧利用是當地牧民畜牧業生產的主要方式。然而該地區混播草地建植、利用和管理中存在建植水平低、粗放管理和不合理利用制度等問題[3]，導致混播草地牧草產量和品質較低，難以保證家畜的冬季飼草料及營養供給。提高并維持該地區混播草地的生產力和牧草較高的營養價值對于促進該地區畜牧業發展具有重要意義。本研究選擇4個牧草種類，以單播為對照，設置豆禾兩種牧草和3種牧草進行混播，通過比較不同年份及不同種類混播草地牧草的產量和營養價值，來探討該地區混播草地建植模式和管理措施，以期為新疆干旱半干旱區人工草地建植和畜牧業生產提供技術及理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2016年6月在新疆烏魯木齊市謝家溝地區(43°31′4″ E，87°03′4″ N，海拔為1 675 m)建植不同種類的混播草地，并于2016，2017和2018年連續觀測混播草地牧草的營養價值。研究區屬典型中溫帶大陸性氣候，年均氣溫2.1～3.3℃，年均降水量100～400 mm，降水季節性分布不均，主要集中在4—10月份；年蒸發量為1 141.7～1 283.3 mm，生長期短，無霜期僅113～130 d。2016年、2017年和2018年該地實測降雨量分別為389.6，250.1和282.5 mm，為半干旱區[17]。試驗區建植混播草地前屬于退化草地，主要建群植物為藍花棘豆(Oxytropiscoerulea)、西伯利亞蓼(Polygonumsibiricum)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等，鼠害嚴重，牧用價值已近喪失。該地土壤為沙質土，含有較多的砂礫質，肥力較低，試驗地0～30 cm土層土壤基礎理化性狀為pH值8.11，全效養分中全氮含量為0.62 g·kg-1，全磷含量為0.52 g·kg-1，全鉀含量為17.46 g·kg-1，速效養分中堿解氮含量為36.08 mg·kg-1，速效磷含量為7.46 mg·kg-1，速效鉀含量為231.54 mg·kg-1。

1.2 試驗方案設計

本試驗采用隨機區組設計，以無芒雀麥(Bromusinermis)、鴨茅(Dactylisglomerata)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、紅三葉(Trifoliumpratense)4種牧草單播為對照，設置無芒雀麥/紅豆草，無芒雀麥/紅三葉，鴨茅/紅豆草，鴨茅/紅三葉，紅三葉/無芒雀麥/紅豆草，無芒雀麥/紅豆草/鴨茅混播。共10個處理，每個處理4次重復，小區面積15 m2(3 m×5 m)。無芒雀麥，鴨茅，紅豆草，紅三葉單播的理論播種量分別為：37.5 kg·hm-2，22.5 kg·hm-2，30 kg·hm-2，22.50 kg·hm-2。兩種牧草混播時，播種量為單播的1/2，3種牧草混播時，播種量為單播的1/3。實際播種量根據牧草實際發芽率計算，4種牧草的實測發芽率為84%，61%，50%，86%。試驗地于2016年6月8日播種，播種方式為均勻撒播。在牧草整個生育期內進行人工控制雜草，整個試驗期間無灌溉。

1.3 測定指標與方法

本試驗區建植的混播草地主要利用方式為割草和放牧，在割草和放牧前分別對混播草地牧草干物質產量進行測定。割草時間分別為2017年7月1日和2018年6月28日，割草前測定各小區牧草產量，記為第一茬牧草產量(刈割利用牧草產量)。割草后對所有的試驗小區施用相同量的磷酸二銨120 kg·hm-2(P2O546%)和硫酸鉀100 kg·hm-2(K2O 50%)。牧草再生后于2016年9月26日、2017年9月28日和2018年9月22日測定混播草地的牧草產量，記為第二茬牧草產量(放牧利用牧草產量)。隨后開始為期一個月的放牧，放牧家畜為綿羊和肉牛混合放牧。

(1)牧草干物質產量(Dry matter yield，DMY)測定：試驗小區隨機選取1 m×1 m的樣方框內齊地面刈割，分種裝紙袋稱其鮮重，并在65℃烘箱內烘至恒重，用于計算其牧草干物質產量。

(2)粗蛋白產量(Crude protein yield，CPY)測定[18]：選擇2016年、2017年和2018年第二茬牧草的烘干樣品，用植物粉碎機(FZ102)粉碎后測定牧草含氮量(采用凱氏定氮法)。草地粗蛋白產量=草地牧草產量(kg·hm-2)×牧草氮含量(%)×6.25。豆禾混播草地牧草的營養品質指標是以豆科牧草和禾本科牧草營養指標值分別乘以各自的產量在混播草地中所占比例得出，代表混播草地牧草的整體營養品質水平。如禾草的氮含量A、豆科牧草的氮含量B，混播草地中禾本科牧草產量占比為C、豆科牧草占比為D，則混播草地牧草氮含量為A×C+B×D。

(3)酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)含量：用測定按照范氏法(Van Soest)測定[18]。

(4)干物質消化率(Digestibility dry matter，DDM)：飼草中干物質能夠被家畜消化吸收利用的那部分物質所占的百分含量，反映了飼草干物質的有效程度。其計算公式為[18]：DDM(%DM)=88.9-0.779×ADF(%DM)，式中ADF為飼草干草的酸性洗滌纖維含量。

(5)干物質采食量(Dry matter intake，DMI)：飼草干物質中能夠被家畜采食的部分所占的百分量，反映了家畜對該飼草的喜食程度。其計算公式為[18]：DMI(%DM)=120/NDF，式中NDF為飼草干草的中性洗滌纖維含量。

(6)相對飼喂價值(Relative feeding value，RFV)：飼草被家畜采食后能夠消化吸收利用的有效含量，反映了飼草營養成分的相對效率。其計算公式為[18]：RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29，式中DDM為干物質消化率，DMI為干物質采食率。

1.4 數據統計

所有數據采用Office Excel 2013軟件匯總，SAS 9.1.3軟件統計分析。

2 結果與分析

2.1 混播草地的牧草產量

從2016年到2018年，隨著生長年限的增加，混播草地牧草DMY,CP含量、CPY，ADF，NDF，DDM，DMI和RFV都發生了極顯著變化(表1，P<0.01)。不同混播組合的牧草DMY，CPY，CP含量、NDF含量、DMI和RFV存在極顯著差異(表1，P<0.01)，而ADF和DDM沒有顯著差異(表1)。除DDM外，年份和混播組合交互效應對其它指標的影響均達到顯著水平(表1，P<0.05)。

表1 混播草地牧草產量與營養價值的方差分析Table 1 Variance analysis of forage biomass and nutritional value in mixed grassland

對于放牧利用的牧草生物量，隨著生長年限的增加，不同牧草的單播和混播草地牧草的DMY均顯著增加。如2018年DMY極顯著高于2016年(|t|=3.75，P=0.0045)和2017年(|t|=4.325，P=0.0019)，但2016年和2017年間差異不顯著(|t|=0.7015，P=0.5007)。與單播相比，混播的生物量具有明顯的優勢。如在2016年、2017年和2018年，4種單播牧草的均值為分別為1 589.51，1 460.11和2 729.00 kg·hm-2，兩種牧草混播的生物量均值為1 651.35，1 764.86和3 679.56 kg·hm-2，3種牧草混播的生物量均值分別為1 779.26，2 236.58和4 420.05 kg·hm-2(表2)。

對于刈割利用的牧草生物量，2017年DMY顯著高于2018年(|t|=5.945，P=0.0002)。同樣，與單播相比，混播的生物量也具有明顯的優勢。如在2017年和2018年，4種單播牧草的均值分別為4 361.77 kg·hm-2和2 383.32 kg·hm-2，兩種牧草混播的生物量均值為5 048.55 kg·hm-2和3 623.36 kg·hm-2，3種牧草混播的生物量均值分別為7 239.95 kg·hm-2和4 793.74 kg·hm-2。

2.2 牧草的粗蛋白含量和產量

隨著生長年限的增加，牧草的粗蛋白含量顯著下降(表3)。如2018年牧草粗蛋白含量顯著低于2016年(|t|=4.568，P=0.0014)和2017年(|t|=4.006，P=0.0031)，2016年和2017年之間差異不顯著(|t|=0.165，P=0.8726)。隨著生長年限的增加，粗蛋白產量顯著增加(表2)。如2018年粗蛋白平均產量455.71 kg·hm-2，高于2017年的397.02 kg·hm-2(|t|=0.3496，P=0.7347)和2016年的261.36 kg·hm-2(|t|=2.626，P=0.0275)，2017年和2016年之間無顯著差異(|t|=1.092，P=0.3034)。混播草地牧草的粗蛋白含量主要取決于豆科牧草的種類和其在混播草地的所占的比例。豆科的粗蛋白含量在14.20%～19.44%之間，禾本科牧草粗蛋白產量在8.33%～14.15%之間，而豆禾混播草地(2種牧草)牧草的粗蛋白含量介于其中，為10.56%～18.07%。3種牧草混播時，紅三葉/無芒雀麥/紅豆草混播草地的牧草粗蛋白含量顯著高于無芒雀麥/紅豆草/鴨茅混播草地(P<0.05)。

表2 不同物種混播草地牧草干物質產量及粗蛋白產量Table 2 DMY and CPY in mixed grassland of different forages species

2.3 牧草的飼喂價值

在混播草地建植當年(2016年)，牧草的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維相對較低，隨后顯著增加(表3)。如2017年(|t|=11.81，P<0.0001)和2018年的ADF(|t|=14.81，P<0.0001)均顯著高于2016年，但2017年和2018年無顯著差異(|t|=0.2694，P=0.7937)。2018年的NDF顯著高于2017年(|t|=5.648，P=0.0003)和2016年(|t|=5.327，P=0.0005)，但2017年和2016年無顯著差異(|t|=0.2502，P=0.808)。

表3 不同物種混播草地牧草粗蛋白、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量Table 3 CP,ADF and NDF content in mixed grassland of different forages species

相反，隨著生長年限的增加，牧草的DDM和DMI顯著降低(表4)。如2017年(|t|=4.987，P=0.0008)和2018年的DDM(|t|=5.574，P=0.0003)顯著低于2016年，2017年和2018年無顯著差異(|t|=0.0833，P=0.9354)。2018年的DMI顯著低于2016年(|t|=5.059，P=0.0007)和2017年(|t|=5.346，P=0.0005)，2016年和2017年無顯著差異(|t|=0.4032，P=0.6962)。隨著生長年限的增加，混播草地的牧草的相對飼喂價值顯著下降(表4)。如2018年牧草的相對飼喂價值顯著低于2017年(|t|=4.932，P=0.008)，2017年顯著低于2016年(|t|=3.987，P=0.0032)。另外，CP含量與NDF之間呈顯著的負相關關系(圖2，F(2,28)=7.832，P=0.0092)。

圖2 混播草地牧草粗蛋白與酸(中)性洗滌纖維之間的關系Fig.2 The relationship between crude protein and acid (neutral) detergent fiber in mixed grassland

表4 不同混播草地牧草干物質消化率、干物質采食量和相對飼喂價值Table 4 DDM,DMI and RFV in mixed grassland of different forages species

3 討論

在本研究中，混播草地建植于2016年6月，只對當年形成的草地進行了放牧。在2017年和2018年6月底對不同混播草地進行刈割(刈割干物質產量)，收獲的牧草主要用于晾曬干草以備家畜過冬。刈割后再生的牧草干物質產量(第二茬)主要進行秋冬季(10月開始)用于綿羊和肉牛混合放牧利用。研究結果表明：牧草單播、兩種牧草混播和3種牧草混播的刈割干物質產量均表現出2017年顯著高于2018年，放牧平均干物質產量在年際之間均表現出2018年顯著高于2016和2017年，這可能和2018年牧草生長期間相對較高的降雨量有關(圖1)[3]。

圖1 試驗期間試驗地月平均氣溫和降雨量Fig.1 Precipitation distribution and air temperature in the experimental field during 2016 to 2018

牧草的生物量和營養價值是評價草地生產力的兩個重要方面[19]，其中粗蛋白含量、中性洗滌劑纖維和酸性洗滌劑纖維是牧草的營養價值評價的重要指標[18]，不僅直接關系到牧草的品質和消化率，也關系到動物對飼草的利用效率，對動物的生產力至關重要。維持草地較高的蛋白質和較低的纖維含量是提高牧草消化率的前提[18]。一般認為，草地牧草的粗蛋白含量越高則營養價值越高，而粗纖維含量越高則營養價值越差[20]。與單播相比，混播草地不僅具有明顯的生物量優勢，而且也具有更低的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量，具有更高的粗蛋白含量、干物質消化率、干物質采食量和相對飼喂價值。在混播草地中，主要是因為豆科牧草的存在而提高了牧草的品質[21]。因此，與禾本科牧草單播草地相比，禾本科牧草與豆科牧草混播后草地牧草的粗蛋白含量均顯著增加[22]。如在本研究中鴨茅與紅豆草混播草地中，再添加無芒雀麥時，混播草地牧草粗蛋白含量顯著下降，在紅三葉+無芒雀麥混播草地中，再添加紅豆草后，混播草地牧草粗蛋白含量顯著增加。說明在混播草地中不同物種以及所占比例都會影響所獲得的牧草的質量[23]，特別是豆科牧草所占的比例。在本研究中，隨著生長年限的增加(2016年到2018年)，不論是單播草地，還是兩種牧草混播和三種牧草混播草地，牧草的粗蛋白顯著下降，而ADF和NDF均顯著增加。這與前人對紅豆草[24-25]、高羊茅[26]和鴨茅[27]的研究結果一致，即隨著牧草生育期的推進和利用年限的增加，牧草的品質下降，主要表現為粗蛋白下降，粗纖維增加。

混播草地(豆/禾)牧草產量要比單播草地牧草產量高(即使是施用氮肥)[28]。但是，要達到這種效果，混播中豆科牧草需占50%～70%的比例。另外，在混播中豆科牧草的干物質占35%～40%時，混播草地中的可持續牧草產量最高[29]。紅豆草是一種相對比較耐旱的多年生豆科牧草[30]，其不僅牧草產量高，粗蛋白含量高，適口性好，營養價值高，而且含有較高的濃縮單寧(20～40 g·kg-1干物質)和多酚，不會引起放牧家畜臌脹病而非常適合使用于放牧利用草地[31]。在本研究中，4種牧草單播草地中，紅豆草具有最高的牧草產量和粗蛋白含量，以及較低的ADF和NDF含量，兩種牧草混播中，紅豆草參與的混播草地具有較高的牧草產量和粗蛋白含量以及較低的ADF和NDF含量。這個可能與紅豆草本身具備高產和優質的生物學基礎，以及對半干旱環境較強的適應性有關。在本研究中不論是單播草地，還是豆禾混播草地牧草粗蛋白含量隨著生長年限的增加而下降，說明在干旱半干旱區依靠豆科牧草的生物固氮來維持其生產力和較高的營養價值是不夠的，因為干旱可能是限制混播草地生產力[29]和豆科牧草的生物固氮重要因素[32]，因此在牧草生產管理中施一定量的氮肥是必要的。

人工草地的牧草產量與營養價值之間存在一定程度的負相關關系。如White等[33]通過對禾本科和豆科牧草的研究結果指出，牧草產量每增加1 000 kg·ha-1，牧草的粗蛋白含量則下降0.80%～1.25%，同時酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量都逐漸升高[34-35]。另外，石岳研究了不同類型的天然草地牧草的營養成分與產草量相關性，結果表明：草地的粗蛋白含量與產草量存在顯著但弱的負相關關系(R2=0.271，P<0.001)，粗纖維與產草量之間呈現顯著但弱的正相關關系(R2=-0.129，P<0.01)[36]。但在本研究中通過分析發現不同單播和混播草地的DMY與CP之間無顯著的相關關系(R2=-0.020，P=0.916)，與ADF之間也無顯著的相關關系(R2=0.295，P=0.114)，但與DNF之間具有顯著的正相關關系(R2=0.464，P=0.001)。產生不同結果的主要原因可能是在石岳的研究中測定產草量及牧草品質的樣品均采集于7月末至8月初的生長季盛期，而本研究中測定牧草的產草量和牧草的營養價值的樣品采集于9月底(第二茬牧草)，在牧草的不同生長階段，牧草品質與產草量的關系及其影響因素可能是不同的，具體的動態變化規律和其影響因素尚需要進一步的研究。

由于不同牧草的生物學特性及對環境的適應能力不同，牧草在與不同的其他牧草進行混播時，會表現出不同的生產性能。如Elgersma比較了具有不同屬性的伴生禾本科牧草和豆科牧草組合的7種二元混播草地中在9個收獲期的表現，發現它們在生產力、產量穩定性和營養質量方面存在較大的差異[37]。主要是因為牧草的生產力和營養價值一方面取決于自身生理特性等，另一方面也受到生長環境條件的制約[38]。因此，牧草的生產力和營養價值的形成必然與環境因子的作用有著密切的關系。在本研究中隨著生長年限的增加(2016年到2018年)，單播和混播草地牧草的干物質產量、粗蛋白產量、牧草酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量均顯著增加，但粗蛋白含量、干物質消化率、干物質采食量和相對飼喂價值均顯著下降。這可能是因為干旱和半干旱環境下多年生草地的牧草產量和質量很大程度上取決于環境因素，特別是土壤養分狀況，不僅影響著牧草產量，而且對于牧草的品質具有重要的影響。如石岳研究結果認為環境因子對牧草品質有顯著的影響，其中粗蛋白含量受到有機碳含量和土壤容重的顯著影響(P<0.01)；粗纖維含量受到年均溫和年降水、全氮和全磷的顯著影響(P<0.05)[36]。在本研究中，試驗區草地由于常年粗放管理導致土壤貧瘠，再加上半干旱區土壤缺乏水分，總體上影響了混播草地的生產力與牧草營養價值。

4 結論

在本研究中，與單播相比，混播草地不僅具有明顯的生物量優勢，而且具有更低的酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量，更高的粗蛋白含量、干物質消化率、干物質采食量和相對飼喂價值。隨著生長年限的增加(2016年到2018年)，單播和混播草地牧草的干物質產量、粗蛋白產量、牧草酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量均顯著增加，但粗蛋白含量、干物質消化率、干物質采食量和相對飼喂價值均顯著下降。