化肥減施配合有機肥對高寒區燕麥營養品質和土壤養分的影響

李 文， 魏廷虎， 阿保地， 永措巴占， 才仁塔次， 周玉海， 李文浩， 郭衛興， 張雁平*

(1青海省畜牧獸醫科學院,青海大學畜牧獸醫科學院， 青海 西寧 810016； 2.青海省青藏高原優良牧草種質資源利用重點實驗室， 青海 西寧 810016； 3.青海省玉樹市畜牧獸醫工作站， 青海 玉樹 815000)

青藏高原是我國重要的生態安全屏障和草牧業生產基地。受惡劣自然條件的影響，青藏高原生長季短，植物生長緩慢，草地承載力低，草畜供需矛盾突出[1]。近年來，受全球氣候變化和過度放牧等人為干擾的影響，青藏高原高寒草地退化嚴重，草地生產力降低，進而導致草畜供需矛盾加劇，嚴重制約著草牧業可持續發展[2]。建植高產、優質的人工草地是緩解青藏高原高寒牧區草畜季節性供求矛盾的有效措施[3]。燕麥(Avenasativa)因其耐寒、抗逆性強、易于栽培等優勢而成為青藏高原高寒牧區建植高產優質人工草地的首選牧草[4]。目前，燕麥已成為高寒牧區冬春季家畜補飼的最主要飼草，有效緩解了草畜季節性供應矛盾。但目前青藏高原高寒牧區燕麥人工草地生產力較低。合理施肥是提高燕麥產量和品質的有效措施之一[5]。但目前我國化肥施用量已達到國際安全標準上限[6]，過量施用化肥不但會降低肥料利用率，而且會導致土壤酸化和板結，造成生態環境污染，威脅農業可持續發展[7]。因此，如何在保持農作物增產的同時，減少化肥施用量，提高肥料利用效率，解決好資源與環境問題，是一項亟待解決的科學問題[7]。

適當減少化肥施用量，既能保證作物產量、提高肥料利用率，又能減少對環境的危害，從而實現農業高產、高效、持續健康的發展[8-9]。然而，純粹的化肥減量并不能滿足植物對肥料的需求。生物有機肥含有大量的有機物質和有益微生物，能改善土壤微環境，增強土壤酶活性，促進土壤難溶性礦物養分的釋放，提高土壤肥力，從而提高農作物產量[10]。生物有機肥雖能長效提供植物所需養分，但其養分釋放比較緩慢，而化學肥料的肥效雖快，卻易被植物吸收利用。因此，化學肥料和生物有機肥配施不但能有效調控養分釋放速率，提高植物對土壤養分的利用率，而且能有效改良土壤[11-12]。目前，有關生物有機肥對植物生長的研究主要集中在蔬菜和作物[13-17]，研究結果表明生物有機肥和化學肥料配施不但能夠有效降低化肥使用量，而且能通過改善根際土壤微生物群落的組成和結構來提高土壤肥力。然而關于燕麥種植中施用生物有機肥的研究較少，且主要集中在種子產量及飼草產量方面[11,18]，目前尚不明確化肥減施配合有機肥對高寒牧區燕麥營養品質和土壤養分含量的影響。

因此，本研究通過設置單施化肥、單施生物有機肥、減施50%化肥+50%生物有機肥、不施任何肥料4個處理來探討化肥減施配合有機肥對高寒區燕麥營養品質和土壤養分含量的影響，以期為燕麥生產中合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于青藏高原腹地的青海省玉樹州玉樹市藏霸喇種畜場(33°03′25″ N，96°51′13″ E)，海拔4 050 m，年均氣溫—3.8℃，年降水量513 mm，主要集中在7—9月。該地氣候寒冷潮濕，晝夜溫差較大，太陽輻射強，雨熱同期，無絕對無霜期，冬季漫長寒冷；草地類型為高寒草甸，土壤類型為高山黑鈣土，0～10 cm層土壤有機質含量為74.52 g·kg-1，全氮含量為5.64 g·kg-1，全磷含量為4.51 g·kg-1。

1.2 試驗設置

采用隨機區組試驗設計，設4個處理，分別為單施化肥(尿素75 kg·hm-2+磷酸二銨150 kg·hm-2，為單施化肥最佳施肥量，CF)，單施生物有機肥(1 200 kg·hm-2，為單施生物有機肥最佳施肥量，OF)，50%化肥+50%生物有機肥(尿素37.5 kg·hm-2+磷酸二銨75 kg·hm-2+有機肥600 kg·hm-2，COF)，不施任何肥料(CK)，各處理3個重復，共12個小區，小區面積10 m×10 m，小區間距1 m。尿素含氮量46.65%，磷酸二銨含氮量18%，含五氧化二磷46%。生物有機肥為青海省湟中縣海寧合資化肥廠生產，有效活菌數≥108·g-1，有機質≥40%。供試燕麥品種為‘青海444’，由青海省畜牧獸醫科學院草原所提供，種子純凈度和發芽率分別為98.9%和94%。于2019—2020年，每年5月中旬播種，播量為220 kg·hm-2(600 × 104株·hm-2保苗數計算)，撒播，播深3～4 cm。肥料在播種前一次性施入，出苗后再無任何施肥、灌溉、除雜等田間管理措施。

1.3 野外觀測及樣品采集

于2019和2020年9月底，燕麥蠟熟期進行野外觀測及取樣。在各小區隨機設置6個0.5 m × 0.5 m的樣方用于燕麥高度、莖粗和生物量測定。各處理18個樣方，共計72個樣方。用鋼卷尺測燕麥的自然高度，用游標卡尺在第三莖節中部測量莖粗，然后齊地面進行刈割。植物地上樣品帶回實驗室后將莖葉分開。所有植物樣品先在105℃殺青30 min，然后在70℃烘干，稱重，計算莖葉比和干草產量。將植物樣品粉碎，用于粗蛋白(Crude protein,CP)、粗脂肪(Crude fat,CF)、粗灰分(Crude ash,CA)、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)和中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber,DNF)含量測定。

在上述刈割后的樣方內用內徑3.5 cm的土鉆采集0～10 cm層土樣，各樣方內2鉆混合為一個土樣，各小區6個土樣，各處理18個土樣。土樣帶回實驗室后，在陰涼處自然陰干，碾碎并過篩，用于土壤有機質(Soil organic matter,SOM)、全氮(Total nitrogen,TN)、全磷(Total phosphorus,TP)、全鉀(Total potassium,TK)、速效氮(Available nitrogen,AN)、速效磷(Available phosphorus,AP)和速效鉀(Available potassium,AK)含量測定。

1.4 指標測定

CP含量采用凱氏定氮法測定；CF含量采用索氏脂肪抽提法測定；CA含量采用灰化法測定；ADF和NDF含量采用全自動纖維分析儀測定；SOM含量采用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測定；TN含量采用凱氏定氮法測定；TP含量采用鉬銻抗比色法測定；TK含量采用火焰光度計法測定；AN含量采用堿解擴散法測定；AP含量采用高錳酸鉀氧化-葡萄糖還原法測定；AK含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定[19]。

1.5 統計分析

相對飼用價值(Relative feeding value,RFV)計算[20]：

DDM(%)=88.9-ADF(%)

式中，DMI(Dry matter intake)為干物質采食量，DDM(Digestible dry matter)為可消化干物質。

采用Microsoft Excel 2010整理數據，采用SPSS 19.0(SPSS for Windows,Version 19.0,Chicago,USA)單因素方差分析(One-way ANOVA)中的多重比較(LSD)對不同施肥處理燕麥生產性能、牧草養分、土壤養分和經濟效益在0.05水平上進行顯著性分析。采用R 4.0.2(R Development Core Team)hmisc數據包對生產性能、牧草營養和土壤養分進行相關性分析，采用plyr數據包進行多準則決策模型-TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)分析。采用Origin 2021作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對燕麥生產性能的影響

不同施肥處理顯著提高了燕麥干草產量、高度和莖粗(P<0.05，圖1a，b，c)。2019和2020年，COF處理干草產量最高，分別為1 358.4和1 344.5 g·m-2。與CK相比，CF，OF和COF處理干草產量在2019年分別提高了23.5%，14.7%和23.6%，在2020年分別提高了21.4%，11.0%和21.9%。2019年燕麥植株高度在CF處理中最高，而2020年在CF和COF處理最高(圖1b)。莖粗在CF，OF和COF處理中無顯著差異，但均顯著高于CK(P<0.05，圖1c)。OF和COF處理顯著降低了莖葉比(圖1 d)，與CK相比，CF，OF和COF處理莖葉比在2019年分別降低了3.8%，9.1%和24.8%，2020年分別降低了1.8%，6.8%和18.7%。

圖1 不同施肥處理燕麥生產性能變化

2.2 不同施肥處理對燕麥營養品質的影響

不同施肥處理顯著提高了燕麥粗蛋白、粗脂肪和相對飼喂價值(P<0.05，圖2a，b，f)。與CK相比，CF，OF和COF處理粗蛋白含量在2019年分別提高了9.4%，6.4%和12.9%，在2020年分別提高了8.0%，4.7%和11.9%。粗脂肪含量在2019年分別提高了18.2%，14.5%和30.9%，在2020年分別提高了25.4%，10.2%和35.6%。OF和COF處理相對飼喂價值無顯著差異，但均顯著高于CF和CK處理(P<0.05)。與CK相比，CF，OF和COF處理相對飼喂價值在2019年分別提高了9.4%，34.6%和28.8%，2020年分別提高了12.9%，34.7%和25.5%。不同施肥處理顯著降低了燕麥粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量(除2020年酸性洗滌纖維和2019年中性洗滌纖維，圖2c，d，e)。在連續兩年的觀測期內，粗灰分含量均在COF處理最低，酸性洗滌纖維含量均在OF處理最低，中性洗滌纖維含量在OF和COF處理間無顯著差異，但均顯著低于CF處理(P<0.05)。

圖2 不同施肥處理燕麥營養品質變化

2.3 不同施肥處理對燕麥草地土壤養分含量的影響

不同施肥處理顯著提高了土壤有機質、全氮和全磷含量(P<0.05)，其中有機質含量在OF處理顯著高于CF和COF處理(P<0.05，圖3a)。與CK相比，CF，OF和COF處理有機質含量在2019年分別提高了33.4%，45.9%和33.6%，在2020年分別提高了13.8%，41.5%和22.4%；全氮含量在2019年分別提高了38.2%，27.4%和34.4%，在2020年分別提高了28.8%，9.4%和17.1%；全磷含量在2019年提高了44.2%，24.8%和26.5%，2020年提高了50.9%，31.4%和40.2%。不同施肥處理對土壤全鉀含量無顯著影響，但顯著提高了土壤速效氮、速效磷和速效鉀含量(除2020年速效鉀含量)，均在COF處理顯著高于CF和OF處理(圖3e，f，g)。與CK相比，CF，OF和COF處理速效氮含量在2019年分別提高了23.8%，29%和34.8%，在2020年分別提高了7.7%，12.6%和18%；速效磷含量在2019年分別提高了32%，38%和55.6%，在2020年分別提高了14.3%，20.8%和36.4%；速效鉀含量在2019年分別提高了14.4%，18.3%和26.3%，在2020年分別提高了4.7%，9.6%和18.8%。

圖3 不同施肥處理燕麥人工草地0～10 cm層土壤養分

2.4 牧草營養與土壤養分相關性分析

如圖4所示，2019年，速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、莖粗、干草產量和粗蛋白含量相互呈顯著正相關關系(P<0.05)。全氮含量和全磷含量均與有機質含量、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、莖粗、干草產量、粗蛋白含量呈顯著正相關關系。高度與全氮含量、全磷含量、莖粗、干草產量和粗蛋白含量呈顯著正相關(P<0.05)。粗灰分含量和莖葉比均與粗蛋白含量、干草產量、莖粗、速效鉀含量、速效磷含量、速效氮含量、粗脂肪含量和相對飼喂價值呈顯著負相關關系。酸性洗滌纖維含量和中性洗滌纖維含量均與速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、粗脂肪含量和相對飼喂價值呈顯著負相關關系。2020年，干草產量、高度、莖粗、全氮含量、全磷含量和速效磷含量相互呈顯著正相關關系(P<0.05)。粗蛋白含量和粗脂肪含量均與速效鉀含量、速效氮含量、速效磷含量、全磷含量、全氮含量、莖粗、高度和干草產量呈顯著正相關關系。中性洗滌纖維含量與酸性洗滌纖維含量、粗灰分含量和莖葉比呈顯著正相關關系(P<0.05)。粗灰分含量與相對飼喂價值、有機質含量、干草產量、高度、莖粗、全磷含量、速效磷含量、速效氮含量、速效鉀含量、粗蛋白含量和粗脂肪含量呈顯著負相關關系(P<0.05)。

圖4 牧草營養與土壤養分相關性

2.5 不同施肥處理經濟效益分析

以研究區燕麥青干草2.1元·kg-1、尿素2.0元·kg-1、磷酸二銨3.6元·kg-1、生物有機肥3.5元·kg-1計算不同施肥處理后凈經濟效益(凈經濟效益=總經濟效益—成本)。結果表明，CF和COF處理總經濟效益無顯著差異，但均顯著高于OF處理(圖5)。而成本在OF處理最高，COF次之，CF處理最低。CF處理凈經濟效益顯著高于OF和COF處理(P<0.05)，OF處理經濟效益最低。CF，OF和COF處理2019年凈經濟效益分別為4 736.4，—817.0和3 009.4元·hm-2，2020年分別為4 266.0，—1 663.2和2 623.0 元·hm-2。

圖5 不同施肥處理燕麥人工草地經濟效益

2.6 多準則決策模型-TOPSIS評價

采用熵權法TOPSIS綜合評價模型對各施肥處理燕麥生產性能、營養品質、土壤養分含量和經濟效益進行綜合評價(圖6)，結果表明，2019和2020年CK貼合度均最低，分別為0.22和0.31。施肥處理的貼合度均超過0.5，其中COF處理貼合度最高，2019和2020年分別為0.76和0.72。因此，從生產性能、牧草營養品質、土壤養分和經濟效益等角度來看，化肥減施配合有機肥是適宜于高寒牧區燕麥人工草地的理想施肥選擇。

圖6 燕麥人工草地不同施肥處理綜合評價

3 討論

植物生物量是衡量施肥效果的一個重要指標。本研究表明，單施化肥、單施生物有機肥和化肥減施配合有機肥在連續兩年的觀測期內均顯著提高了燕麥干草產量。這與馬祥等[18]在青藏高原燕麥人工草地上的研究結果一致。此外，本研究中，燕麥干草產量在單施化肥和化肥減施配合有機肥處理中較高。本研究所施的化肥是尿素和磷酸二銨，可有效提高土壤中可利用氮素和磷素含量，從而增強了植物對碳的同化，加速了燕麥的生長。然而，氮肥是一種速效養分，極易在短時間內被具有較高氮素利用率的燕麥吸收利用。而生物有機肥主要通過改變土壤微生物群落功能多樣性來提高燕麥的產量[21]。但生物有機肥營養釋放較慢，在燕麥生長前期有機肥所提供的養分不能滿足植物的需要[22]。而化肥配施生物有機肥可使土壤養分平穩釋放，在燕麥生長過程可持續供應養分。前人研究表明，化學肥料和生物有機肥對植物的增產效果基本一致[11]。本研究發現，燕麥產量在單施化肥、單施生物有機肥和化肥減施配合有機肥處理分別提高了21.4%～23.5%，11%～14.7%和21.9%～23.6%，說明生物有機肥對高寒區燕麥的增產效果低于化肥的增產效果。這可能是因為研究區海拔高、溫度低，降低了生物有機肥中微生物的活性所致。

土壤有機質是土壤的重要組成物質，不僅是植物的養分來源和土壤微生物的能量來源，還是評價土壤肥力和土壤質量的一個重要指標[23]。本研究表明，在連續兩年的觀測期內，單施化肥、單施生物有機肥和化肥減施配合有機肥處理均顯著提高了燕麥人工草地0～10 cm層土壤有機質含量，但有機質含量在化肥減施配合有機肥處理最高。這和Jiang等[17]的研究結果一致。土壤微生物，特別是細菌，是土壤有機質積累轉化和養分循環過程的重要調節者。而生物有機肥中含有大量的功能菌，在促進細菌、放線菌繁殖的同時能夠有效抑制真菌的生長[17]。因此，施用生物有機肥能夠改善土壤環境質量、提高土壤有機質含量。化肥與生物有機肥配施既能提供氮和磷元素，又能提供功能菌，能在燕麥生長過程中持續供應養分。此外，生物有機肥本身含有大量的有機物質，而單施化肥基本沒有外源有機物的輸入，土壤有機質主要來源于少量根系、土壤中小動物及土壤微生物。因此，化肥減施配合有機肥處理土壤有機質顯著高于其他施肥處理。本研究表明，不同施肥處理顯著提高了表層土壤的全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，其中速效養分均在化肥配施生物有機肥處理最高。這和康勇建等[11]在內蒙古燕麥人工草地上的研究結果一致。這可能是因為化肥配施生物有機肥在提供大量功能菌的同時也能滿足微生物對碳氮磷的需求，從而使得微生物數量和活性增加，進而促進了土壤有機質的分解和土壤中有效養分的轉化[13]。此外，有機肥含有的較易分解的部分釋放到土壤中，直接進入土壤的速效養分庫，使得土壤中的速效養分含量顯著增加[21-24]。

牧草的營養價值是評價牧草品質的重要指標，主要取決于所含營養成分的種類(粗蛋白，粗脂肪，中性洗滌纖維，酸性洗滌纖維)和數量。提高粗蛋白含量，降低粗纖維含量是提高牧草營養價值的主要手段[25]。前人研究表明，施用氮肥能顯著提高牧草粗蛋白含量和相對飼喂價值，顯著降低酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量[26-28]。本研究表明，施用化學肥料和生物有機肥均顯著提高了燕麥的粗蛋白含量、粗脂肪和相對飼喂價值，而顯著降低了粗灰分、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維的含量，其中以化肥減施配合有機肥效果最佳。這主要是因為氮素是合成氨基酸的重要物質，促進粗蛋白合成[25]。而化肥配施有機肥可有效調控肥料養分釋放速率，并提高植物對土壤養分的利用率，從而使植物在各生育期都能獲得穩定的養分供給[29]。

4 結論

施肥處理顯著提高了燕麥干草產量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和相對飼喂價值，且均在化肥減施配合有機肥處理中最高；施肥處理顯著降低了粗灰分、酸性和中性洗滌纖維的含量，但顯著提高了0～10 cm層土壤的有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀含量，有機質在單施生物有機肥處理中最高，而速效養分均在化肥減施配合有機肥處理最高；凈經濟效益在單施化肥處理最高，化肥減施配合有機肥次之，在單施生物有機肥處理最低；TOPSIS模型綜合分析表明，化肥減施配合有機肥處理不但可保持較高的生產力和牧草營養品質，還可顯著提高土壤的養分含量和凈經濟效益，是適宜于高寒區燕麥人工草地的理想施肥選擇。