免耕補播對北方退化草地生產力及營養品質的影響

岳麗楠， 師尚禮， 祁 娟， 楊培志， 劉 剛， 劉文輝， 張英俊， 荊晶瑩*

(1. 中國農業大學草業科學與技術學院, 北京 100193；2.甘肅農業大學草業學院, 甘肅 蘭州 730000；3.西北農林科技大學草業與 草原學院, 陜西 楊凌 712100； 4.四川省草原科學研究院, 四川 成都 611731； 5.青海省畜牧獸醫科學院, 青海 西寧 810016)

近年來在氣候的不斷變化以及人類各種生產活動的影響下，草地生產力下降、草地退化日益嚴重。我國有90%以上的草原處于不同程度退化，主要表現為生物多樣性減少、毒雜草增多、土壤侵蝕嚴重等[1]，當前草原生態修復和生產力提升已成為區域生態文明建設和鄉村振興的重大需求。合理放牧、施肥、圍封禁牧是幾種常用的改良措施，但對于退化較為嚴重的草地，以上措施恢復年限較長且恢復效果不明顯。補播改良是在退化草地土壤中播種一些適應性強、營養價值高的優良植物物種，以此來增加退化草地植被蓋度、物種多樣性,從而提升草原生產力與草場質量[2]。免耕補播對土壤擾動最小，對原生植被破壞極小，因此免耕補播利于退化草地的修復以及提高草原碳匯功能[3]。

我國補播工作大致從60年代初開始，近些年來天然草原補播改良技術研究逐漸增多，通過補播改良來恢復退化草地已取得了顯著的成果[7-10]。草種的選擇是補播成功與否的關鍵，首先應考慮生態適應性好的草種,其次應選擇對退化草地土壤呈中性或正反饋的營養價值高的優質豆科或禾本科植物[4]。另外，應選擇抗逆性較強的物種,使補播后的植物能成功建植。補播物種的根系分泌物也會影響土壤微生物區系,與土壤中有益微生物形成共生體[4]，已有研究證實在以羊草為優勢種的退化草原上補播黃花苜蓿(MedicagofalcataL.)，其根系分泌的化學物質能夠增強植物對有害微生物的抵抗能力,同時土壤溶磷細菌含量增加促進補播植物對磷素吸收，對補播物種在野生環境中生長產生促進作用[5]，因此可選擇黃花苜蓿作為退化草原的補播物種。

補播對天然草地有積極的影響，能增加草地覆蓋度、增加優質牧草比例，尤其是補播豆科牧草[6]。植物地上生物量是衡量補播改良效果的重要指標之一，通過不同補播方式如條播、穴播、撒播可提高地上生物量[7-8]，還可明顯改善草地的群落結構[9]。前人的研究也已經充分表明[10]補播能夠增加草地物種數目即物種豐富度進而改變群落的組成，所以補播改良是恢復草地生產力的有效方式。近年來也有研究表明補播改良不僅可以提高草產量還可以提高牧草的營養品質[11]。已有大量研究表明在退化天然草地補播營養價值高且適應性強的物種可以增加草原植被覆蓋度、提升草原生產力[4]。為此本試驗在不同退化草原，選擇滿足生態適應性的鄉土禾本科植物與豆科植物進行免耕補播，探究補播后草地地上生物量和營養品質的變化，為提升退化草地生產力和牧草品質，提高草原生態系統穩定性提供實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然條件

試驗在四川若爾蓋、甘肅夏河、青海祁連、陜西榆林4個試點開展。試驗點1(32°56′ N,102°08′ E)位于四川省若爾蓋，試驗地受鼠害影響較小；試驗點2(34°32′ N,101°54′ E)位于甘肅夏河，試驗地受鼠害影響較大；試驗點3(37°25′ N,98°05′ E)位于青海祁連，試驗地不受鼠害影響；試驗點4(36°57′ N,107°28′ E)位于陜西榆林，試驗地不受鼠害影響。4個試點的海拔、氣候等試驗條件如表1所示。

表1 試點信息Table 1 Sites information

1.2 研究方法

1.2.1試驗材料 試驗使用的種子材料為黃花苜蓿(MedicagofalcataL.，種子發芽率為98%)，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)‘龍牧806’(種子發芽率為90%)，無芒雀麥(BromusinermisLeyss.，種子發芽率為85%)以及垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.，種子發芽率為90%)。

1.2.2試驗設計 在進行補播前,根據國家標準《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標GB19377-2003》[12]的分級確定補播地草原退化的程度。選擇四川省若爾蓋縣、甘肅省夏河縣、青海祁連縣、陜西榆林市中度退化草地為研究對象，四個試驗地均于2020年5月中旬進行補播，采用補播機械為9BM-3.0型免耕補播機，條播行距為20 cm，采用“倒T”型開溝器,開溝深度5 cm，覆土深度1～2 cm，補播當年休牧。試驗采用單因素隨機區組設計，在各個試點補播紫花苜蓿/黃花苜蓿與當地主要禾本科物種，因此在陜西榆林補播草種為黃花苜蓿/紫花苜蓿與無芒雀麥，在四川省若爾蓋縣、甘肅省夏河縣、青海祁連補播草種為黃花苜蓿/紫花苜蓿與垂穗披堿草，處理1(CK)為未補播的對照試驗地；處理2(ZW)為補播紫花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草以行數比為1∶1混合補播，播種量為15 kg·ha-1；處理3(HW)為補播黃花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草，以行數比為1∶1混合補播，播種量為15 kg·ha-1,每個處理設置4個重復。磷酸二銨(P2O5≥46 %)施用量均為75 kg·ha-1。

1.2.3野外取樣和樣品處理 補播草地于2020年8月下旬取樣，在每種處理的試驗小區選6個1 m×1 m樣方，將樣方內的植物分功能群齊地面剪取并分別裝入信封袋，地上植物樣品在75℃烘箱內烘至恒重[13]，將地上植物分為3類不同的功能群(禾本科植物、豆科植物、其他植物)，用天平稱量草地主要功能群落的地上生物量，用于分析補播對不同功能群的影響。

地上部樣品于2020年10月將樣品粉碎，進行近紅外檢測，根據標準近紅外光譜和采集的樣品的近紅外光譜，輸入已經建立的模型，計算混合草樣的粗蛋白、脂肪、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber NDF)、灰分以及鎂、磷元素含量，分析經補播處理后地上混合草樣的營養品質，探究補播對牧草營養品質的影響。最后通過比較牧草的相對飼喂價值(Relative feed value,RFV)來探究補播后牧草飼用價值的變化。

1.3 數據處理

用Excel 2016整理統計各小區測定值,并用SPSS 19.0進行數據檢驗，并用One-way ANOVA進行方差分析。通過公式計算混合草樣的相對飼喂價值(RFV)：

RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29；

DMI與DDM的預測模型為：

DMI(%BW)=120/NDF(%DM)

DDM(%DM) =88.9-0.77×ADF(% DM)

其中：DMI(Dry matter intake)為粗飼料干物質的隨意采食量，單位為%BW；DDM(Digestible dry matter)為可消化的干物質，單位為%DM。

2 結果與分析

2.1 補播對草地生物量的影響

通過對四個試驗地的補播草地與未補播草地的地上生物量進行方差分析(圖1)，發現補播處理對天然草地主要功能群地上生物量有顯著性影響(P<0.05)。在四川若爾蓋試點和青海祁連試驗點的試驗結果表明，與對照相比，HW,ZW處理均會增加豆科牧草的地上生物量，且HW處理下豆科牧草生物量比ZW處理高。在甘肅夏河與陜西榆林試驗地HW,ZW也會增加豆科和禾本科牧草的地上生物量，且ZW處理下豆科牧草生物量較高。各個試驗點補播處理與對照相比，ZW,HW兩種補播處理也會增加草地的總地上生物量，在若爾蓋和夏河試點ZW處理地上總生物量與對照相比顯著增加(P<0.05)，其余兩個試點地上總生物量也高于對照，但差異不顯著(圖2)。

2.2 補播對草地植被營養品質的影響

通過對四個試驗地的補播草地與未補播草地的營養品質指標進行方差分析(表2)，發現在補播處理的草地中，地上混合草樣的粗蛋白含量顯著增加(P<0.05)，在四川若爾蓋ZW處理粗蛋白含量高于其他處理(P<0.05)，而在甘肅、陜西、青海三個試點HW處理粗蛋白更高。除榆林外各處理混合草樣的脂肪含量無明顯變化。四個試驗地補播處理后中性洗滌纖維含量(NDF)、酸性洗滌纖維含量(ADF)的變化不一致，青海祁連試驗結果表明與未補播草地相比，補播處理后草地的混合草樣的NDF，ADF含量顯著降低(P<0.05)，與之相同在陜西榆林試驗地經HW處理后地上混合草樣的NDF，ADF含量也顯著降低(P<0.05)，與之相反在甘肅夏河、四川若爾蓋試驗地數據結果表明補播處理后地上混合草樣的NDF，ADF含量顯著增加(P<0.05)。在若爾蓋試點HW處理使地上混合草樣的干物質含量顯著增加(P<0.05)，而在甘肅夏河和青海祁連試點ZW處理使地上混合草樣的干物質含量顯著增加(P<0.05)，而陜西榆林試點兩種補播處理地上混合草樣干物質含量則無明顯變化。

圖1 補播對退化草地不同功能群地上生物量的影響Fig.1 Effect of reseeding on aboveground biomass of different functional groups in degraded grassland注：不同字母表示不同處理間之間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significant different among treatments at the 0.05 level,the same as below

圖2 補播對退化草地地上總生物量的影響Fig.2 Effect of reseeding on total aboveground biomass in degraded grassland

表2 不同處理下牧草的營養物質品質Table 2 Forge quality under different treatments

HW，ZW處理后，混合牧草中鎂、磷元素的含量也發生了明顯的變化(表3)，與未補播樣地相比，HW，ZW處理在四個試點的地上部混合草樣磷元素含量均顯著增加(P<0.05)。在甘肅夏河ZW處理后植物地上部鎂元素顯著增加(P<0.05)，其他試驗點在經補播處理后鎂元素的含量與未補播草地相比無顯著變化。

對不同補播試點地上部植株的各個營養指標進行相關性分析。結果表明：各個試點混合草樣的地上部干物質含量均與粗蛋白、粗脂肪、灰分含量呈正相關關系，而與NDF，ADF含量呈負相關關系，通過補播豆科、禾本科牧草使退化草地中營養價值高的牧草比例增加，干物質含量均與粗蛋白含量呈增加趨勢，相反NDF，ADF含量減少(圖3)。

2.3 補播對牧草相對飼喂價值的影響

四個試驗地在不補播處理下，地上混合草樣的RFV在青海祁連試驗地最低，在甘肅夏河試驗地最高。與未補播樣地相比，HW，ZW的試驗地，地上混合草樣RFV均顯著增加(P<0.05)，且在祁連和榆林補播HW處理RFV更高，在若爾蓋和夏河ZW處理RFV更高(表4)。

表3 不同處理下牧草鎂和磷的含量Table 3 The content of Mg and P in forage under different treatments

圖3 各試點補播草地各個營養指標的相關性分析Fig.3 Correlation analysis of various nutritional indicators of reseeding grassland in each site

表4 補播對牧草相對飼喂價值(RFV)的影響Table 4 The effect of reseeding on the relative feeding value (RFV) of forage

3 討論

3.1 補播豆科與禾本科牧草對草地地上生物量和主要功能群的影響

豆科牧草在草地生長建植會對土壤養分有效性產生影響，如增加土壤中的氮素含量，同時已有研究表明豆科牧草的建植在促進土壤有益微生物方面也起著重要作用[5]。補播的目的是增加草地優良牧草比例并提高產量[14]，從試驗結果可以看出經過補播處理后的草地豆科和禾本科牧草的地上生物量顯著增加(P<0.05)。已有研究也表明補播豆科牧草可顯著提升草地生物量[15，17]。補播后的豆科植物能夠在天然草地建植成功是因為苜蓿具有發達的根系，在天然草地中能夠與當地原生物種競爭生長所需的資源，或根系與有益微生物形成共生體來汲取土壤中的養分[5]。此外，補播豆科牧草可提高植物群落中豆科牧草比例[16]，補播增加了草地的新物種，這些植物適應性強、生長狀況良好，從而提高了植被蓋度和地上生物量[20]。李飛等[18]也指出補播改善了群落組成，大大提高了群落生產力。補播對不同類型退化草地都有比較好的恢復效果，通過對高寒草甸退化的“黑土灘”進行補播改良，退化草甸植被地上生物量也顯著增加[8]。除在退化嚴重的“黑土灘”外，補播改良也適用于氣候惡劣的高寒地區，在高寒草地進行免耕補播試驗的結果表明退化草地植被的地上生物量顯著增加，群落組成發生了變化，提高了可食用牧草的比例[19-20]。不同苜蓿品種的補播效果也有所不同，已有試驗證實在高寒地區種植苜蓿其不同品種的抗寒性有明顯差異[21]，本試驗的結果也發現黃花苜蓿和紫花苜蓿在不同地區的生長存在差異，在若爾蓋與祁連地區黃花苜蓿長勢較好，而在榆林與夏河地區紫花苜蓿長勢較好。總體而言，本研究的結果表明通過補播優良牧草可提高退化草地生產力，增加優質牧草所占比例。

3.2 補播豆科與禾本科對草地營養品質與養分含量的影響

為提高農場種植粗飼料的蛋白質含量，研究者在德國南部農場補播三種豆科植物，結果表明豆科植物長勢較好，可以提高干物質產量，豆科植物通過固定大氣中的氮可以代替氮肥的投入，進而在氮元素貧瘠的草地中提供氮素用于合成蛋白質[22]。本試驗通過分析四個試驗地的補播草地與未補播草地地上混合草樣的營養品質指標發現，兩種補播處理牧草的粗蛋白含量顯著增加，除若爾蓋試點外其他試驗點補播黃花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草后地上混合草樣的粗蛋白含量更高，因為黃花苜蓿的莖葉比高于紫花苜蓿，莖葉比越小，則其含葉量越豐富，粗蛋白含量越高[26]。粗蛋白含量是評價牧草營養價值的指標之一，其含量高表明牧草營養品質較高[25]，因此對天然草地進行補播處理有利于牧草營養品質的提高。有研究證明混播無芒雀麥與苜蓿的粗脂肪、粗纖維、粗灰分含量均高于單播[24]，由于補播增加了禾草或者豆科等優質牧草比例，降低了雜類草的比例，因此使牧草的品質得到改善[23]。但也有研究選擇沙蒿、羊柴、沙打旺和小葉錦雞兒對草地補播，發現補播處理區的植物營養成分含量較低[27]，因此在補播改良過程中品種的選擇至關重要。補播豆科和禾本科植物能夠提高牧草的營養品質，主要得益于豆科牧草含有豐富的蛋白以及較少的纖維。影響牧草營養價值的最主要因素是牧草中的粗蛋白和粗纖維含量[28]，牧草的粗蛋白質含量高，粗纖維含量低表明牧草的營養價值越高。

在本試驗中補播豆科與禾本科處理在四個試點的地上部混合草樣磷元素含量均顯著增加。已有研究表明補播紫花苜蓿處理的土壤磷濃度最低，這說明了豆科植物消耗更多的磷[29]，同時叢枝菌根真菌(AMF)可以與豆科植物形成互利共生體，根外菌絲擴大植物吸收養分的面積，進一步促進磷等養分的獲取。即豆科植物從土壤中吸收無機磷元素運輸到植物地上部，進而增加地上部磷的含量[5]。從本試驗數據結果可以看出補播草地中混合草樣中磷含量有所增加，有益于植物對磷等微量元素的吸收。

通過試驗數據的進一步分析得出兩種補播處理(即HW，ZW處理)后牧草的RFV均高于未補播的草地。RFV同時考慮牧草的NDF和ADF 2個指標，能夠全面對飼草的干物質采食量和消化率進行評價[31]。已有研究將4種苜蓿、禾本科間作牧草的混合樣品進行了反芻家畜的飼喂效果試驗和模擬消化試驗，從青貯營養品質來說豆科和禾本科間作最適宜用于青貯[30]。但對苜蓿和禾本科混合補播后地上植被的RFV研究較少。通過本試驗可以看出補播豆科、禾本科牧草提高了草地植被的RFV。

4 結論

在退化的天然草地上補播豆科與禾本科牧草使天然草地豆科優良牧草在草地中的比重增加，從而改善了退化草地的群落結構。同時經過補播處理后牧草的粗蛋白含量也顯著提升，牧草的相對飼喂價值與未補播地相比也顯著提高，因此補播改良對恢復退化草地生產力以及提高牧草營養品質有重要作用。