利用方式與施氮對黃土高原無芒雀麥農藝性狀、產量和品質的影響

羅曉宇，王順霞，石 薇，常生華，賈倩民*, 侯扶江

(1.蘭州大學草種創新與草地農業生態系統全國重點實驗室，蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室，蘭州大學草地農業教育部工程研究中心，蘭州大學草地農業科技學院, 甘肅 蘭州 730020；2.寧夏回族自治區草原工作站, 寧夏 銀川 750000)

黃土高原是我國最重要的草原分布區之一，由于氣候干旱、降水不穩定、風沙頻繁等原因，該地區水土流失嚴重，生態環境十分脆弱[1]。水土流失進而導致耕地面積減少和天然草地與旱作農業生產力低下，嚴重制約了當地的經濟發展[2]。種植牧草有利于水土資源的恢復和保持，同時優質牧草還能夠保證畜產品的產量和質量，推動草食畜牧業的可持續發展，保障食物安全[3-4]。由于受到特殊地貌的限制，加之黃土高原地區機械化起步較晚，發展速度緩慢，因此在該地區進行大規模機械化牧草收割具有一定的困難[5]。放牧作為傳統、高效的草地利用方式，對維持草地生產能力發揮著重要作用[6]。研究表明，在一定的氣候條件下，適當放牧會使牧草產生超補償性生長，從而改善牧草品質、提高生產力[7-8]。這主要是由于在放牧條件下一些草本植物可通過補償性生長從莖損傷中部分或完全恢復，植株能夠更好的生長，產生更多的果實和種子[9-10]；另一方面家畜產生的糞便會增加土壤可利用氮，進而為植物生長提供養分，改善牧草營養品質[11-12]。

無芒雀麥(Bromusinermis)被譽為“禾草飼料之王”，具有耐干旱、抗寒能力強的特點，并且根莖發達、生長周期長、產量高、品質好，是廣泛種植的禾本科優良牧草之一[13]。牧草在生長過程中需要從土壤中獲取各種營養元素以滿足自身的生長需求，其中氮元素的吸收與利用對牧草生長至關重要[14]。由于無芒雀麥沒有根瘤因而不具備固氮能力，因此種植無芒雀麥時常常施用氮肥以提高其產量和品質[15]。研究表明，施用氮肥可以顯著增加牧草的產量，提高牧草粗蛋白含量和飼用價值，同時促進牧草對氮、磷、鉀等元素的吸收[16-19]，但當施氮量超過一定范圍時，隨著施氮量的增加反而會對牧草生長產生負面影響[20]。過量施氮會使牧草根系活力降低，從而影響牧草對養分的吸收，不利于粗蛋白含量的增加，并造成肥料浪費[21-22]。因此，確定適宜的施氮量是提高牧草產量和品質的重要管理措施之一。

放牧和施氮都是影響栽培草地產量和品質的管理措施，但這些措施是否適宜黃土高原地區以及在該地區對牧草農藝性狀、產量和品質的影響效應仍不清晰。本研究以無芒雀麥為研究對象，設置放牧和常規刈割兩種利用方式，每個利用方式下設3個施氮水平，探究放牧和施氮對牧草農藝性狀、產量與品質的影響，以期為黃土高原地區牧草優質高產種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于甘肅慶陽蘭州大學環縣草地農業試驗站(36°17′N，107°31′E，海拔高度1 218 m)，屬于半干旱大陸性氣候。該地區年均降水量430 mm，降水多集中在夏季，年均潛在蒸發量為1 850 mm，年均氣溫9.2℃，全年無霜期165 d，年平均日照時數2 596.2 h。2018年8月播種前試驗地0～20 cm土層土壤理化性質見表1。

表1 試驗地0～20 cm土層土壤理化性質

1.2 試驗設計

本研究于2018年8月建植無芒雀麥草地，采用裂區試驗設計，主區為放牧(G)和刈割(M)兩種利用方式，副區為0(N1)，80和160(N3)kg·hm-2共3個施氮水平，6個處理，每個處理重復3次，共18個小區。小區之間設1 m保護行，小區面積為40 m2(5 m×8 m)，播種前各小區施用225 kg·hm-2磷酸氫二銨作為基肥，2019進行開溝條施氮肥處理，N1處理不施氮肥，N2處理在無芒雀麥返青期施氮80 kg·hm-2，N3處理在返青期和第一次刈割后分別施氮80 kg·hm-2。無芒雀麥品種為‘韋恩斯’(BromusinermisL.‘Vns’)，采用條播，播種行距為30 cm，無芒雀麥的播種量為45 kg·hm-2。放牧小區周圍設置圍欄，放牧采用輪牧方式進行，每個小區放置10只羊，每30 d左右進行一次，每次放牧約5 d，放牧后留茬高度約為5 cm。第一次放牧時間為2019年5月24日，最后一次放牧時間為10月25日。刈割處理按照當地管理方式在無芒雀麥每次抽穗期進行，全年共刈割3茬，刈割日期分別為5月23日、7月26日和9月26日。

1.3 測定項目與方法

每次刈割前在樣地內隨機選10株無芒雀麥，測量其絕對高度作為株高，并同時用葉綠素儀(SPAD-502，Konica Minolta)測量葉片的相對葉綠素含量(SPAD)。各茬次牧草的株高之和為累積生長高度，即株高累積量，各茬次牧草的SPAD之和為SPAD累積量。放牧處理在放牧前、刈割處理在無芒雀麥抽穗期，各小區隨機選取3個1 m2的樣地進行刈割(留茬高度5 cm)，稱鮮重后于105℃烘箱中殺青15 min，65℃烘48 h以上至恒重，測定干草產量。總干草產量為全年各刈割茬次干草產量的總和。將烘干后的樣品粉碎后采用近紅外分析儀(F0SS-NIRSDS 2 500)測定粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)含量，所用數據庫為自建的無芒雀麥數據庫。使用以下公式計算相對飼用價值(Relative feeding value，RFV)：

RFV=(120/VNDF)×(88.90-0.779/VADF)/1.29

式中VNDF和VADF分別表示NDF和ADF的含量

1.4 數據處理與統計方法

采用Excel 2010 進行數據統計與制圖，使用SPSS 24軟件進行方差分析和相關性分析，采用圖基-B法(Tukey＇s-B Method)在0.05水平對不同處理進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 農藝性狀和產量

2.1.1株高 如表2所示，兩年同一利用方式下，同一茬次同一利方式下，除2020第3，4茬次外，年無芒雀麥的株高表現為N3>N2>N1。同一施氮水平下，2019年M處理第1～3茬的株高顯著高于G處理，而在2020年M處理僅第2茬的株高顯著高于G處理。所有處理中，2019年第1～3茬均為M-N3處理的株高最高，其次是M-N2處理。2020年第1，3茬中G-N3處理的株高最高，而第2茬中M-N3處理最高。兩年在放牧利用下，N2和N3的株高累積量顯著高于N1(圖1)。在刈割利用下，2020年N3的株高累積量顯著高于N1和N2。兩年在同一施氮水平下，放牧處理的株高累積量顯著高于刈割。2019和2020年放牧處理的平均株高累積量較刈割分別增加38.18%(P<0.05)和73.82%(P<0.05)；2019年N2和N3處理的平均株高累積量較N1分別增加12.71%(P<0.05)和22.67%(P<0.05)，2020年分別增加17.60%(P<0.05)和32.06%(P<0.05)。

表2 不同茬次無芒雀麥的株高

圖1 不同處理下無芒雀麥的株高累積量

2.1.2相對葉綠素含量 2019年和2020年，同一利用方式下，同一茬次無芒雀麥的SPAD表現為N3>N2>N1(表3)。同一施氮水平下，G處理無芒雀麥的SPAD與M處理無顯著差異(除第2茬外)。所有處理中，兩年1～3茬均為M-N3處理的SPAD最高，其次是G-N3處理(除第2茬外)。在放牧處理下，N3水平的SPAD累積量顯著高于N1(圖2)。然而，在刈割利用下，各施氮水平的SPAD累積量無顯著差異。在同一施氮水平下，放牧處理的SPAD累積量顯著高于刈割。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均SPAD累積量較刈割分別增加了88.65%(P<0.05)和47.51%(P<0.05)；2019年N2和N3處理的平均SPAD累積量較N1分別增加9.48%(P<0.05)和20.01%(P<0.05)，2020年分別增加9.94%(P<0.05)和21.48%(P<0.05)。

表3 不同茬次無芒雀麥的SPAD

圖2 不同處理下無芒雀麥的SPAD累積量

2.1.3干草產量 兩年同一利用方式下，大多數茬次無芒雀麥的干草產量表現為N3>N2>N1(表4)。同一施氮水平下，2019和2020年M處理的第2茬的干草產量顯著高于G處理。所有處理中，2019年M-N3處理的干草產量最高(除第1茬外)，其次是M-N2處理。2020年在第2、3茬中M-N3處理的干草產量最高，而在第1茬中G-N3處理最高。兩年在放牧利用下，N2和N3的總干草產量顯著高于N1(圖3)。在刈割利用下，2020年N3的總干草產量顯著高于N1和N2。兩年在同一施氮水平下，放牧處理的總干草產量顯著高于刈割。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的總干草產量較刈割分別增加了85.16%(P<0.05)和84.88%(P<0.05)；2019年N2和N3處理的干草累積量較N1分別增加22.72%(P<0.05)和40.50%(P<0.05)，2020年分別增加12.65%(P<0.05)和31.62%(P<0.05)。

表4 不同茬次無芒雀麥的干草產量

圖3 不同處理下無芒雀麥的總干草產量

2.2 營養品質

2.2.1粗蛋白含量 如表5所示，兩年同一利用方式下，同一茬次無芒雀麥的粗蛋白含量表現為N3>N2>N1，尤其在2020年N3處理顯著高于N1。同一施氮水平下，G處理大多數茬次的粗蛋白含量與M處理無顯著差異。所有處理中，2019年第2,3茬G-N3處理的粗蛋白含量最高，其次是G-N2處理。2020年第1～3茬均為G-N3處理的粗蛋白含量最高。在放牧利用下，2020年N3的粗蛋白含量顯著高于N1(圖4a)。兩年在刈割利用下，N3的粗蛋白含量顯著高于N1。兩年在同一施氮水平下，放牧與刈割處理的粗蛋白含量無顯著差異。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均粗蛋白含量較刈割分別增加1.21%和4.67%。2019年N2和N3處理的平均粗蛋白含量較N1分別增加11.11%和16.05%(P<0.05)，2020年分別增加12.14%(P<0.05)和16.37%(P<0.05)。

表5 不同茬次無芒雀麥的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量

圖4 不同處理下無芒雀麥的全年粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量

2.2.2粗脂肪含量 兩年同一利用方式下，同一茬次無芒雀麥的粗脂肪含量表現為N3>N2>N1(表5)。同一施氮水平下，G處理大多數茬次的粗脂肪含量與M處理無顯著差異。所有處理中，2019年第1,3茬G-N3處理的粗脂肪含量最高，其次是G-N2處理。2020年第1～3茬均為G-N3處理的粗脂肪含量最高，其次是G-N2處理。兩年在放牧利用下，N2和N3水平的粗脂肪含量顯著高于N1(圖4b)。在刈割利用下，2019年N3水平的粗脂肪含量顯著高于N1。兩年在同一施氮水平下，放牧與刈割處理的粗脂肪含量無顯著差異。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均粗脂肪含量較刈割分別增加9.21%(P<0.05)和1.89%。2019年N2和N3處理的平均粗脂肪含量較N1分別增加11.98%(P<0.05)和17.97%(P<0.05)，2020年分別增加2.35%和10.98%(P<0.05)。

2.2.3粗灰分含量 兩年同一利用方式下，各茬次無芒雀麥的粗灰分含量表現為N3>N2>N1(表5)，尤其在2019年N3處理顯著高于N1。同一施氮水平下，G處理大多數茬次的粗灰分含量與M處理無顯著差異。所有處理中，2019年第1、3茬G-N3處理的粗灰分含量最高，其次是M-N3處理。2020年第2,3茬M-N3處理的粗灰分含量最高，而在第1茬G-N3處理最高。在同一利用方式下，2019年N3水平的粗灰分含量顯著高于N1(圖4c)。兩年在同一施氮水平下，放牧與刈割處理的粗灰分含量無顯著差異。平均值顯示，2020年放牧處理的平均粗灰分含量較刈割增加2.36%。2019年N2和N3處理的平均粗灰分含量較N1分別增加15.17%(P<0.05)和20.32%(P<0.05)，2020年分別增加2.88%和11.26%(P<0.05)。

2.2.4酸性洗滌纖維含量 同一利用方式下，兩年各茬次無芒雀麥的酸性洗滌纖維(ADF)含量表現為N1>N2>N3(表6)。同一施氮水平下，G處理大多數茬次的ADF含量與M處理無顯著差異。所有處理中，2019年第1,3茬G-N3處理的ADF含量最低，其次是M-N3處理。2020年第1～3茬均為G-N3處理的ADF含量最低，其次是G-N2處理。在放牧利用下，2019年N3水平的ADF含量顯著低于N1(圖5a)。在刈割利用下，兩年N3水平的ADF含量著低于N1。在同一施氮水平下，2020年放牧處理的ADF含量顯著低于刈割。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均ADF含量較刈割分別減少3.60%和10.77%(P<0.05)。2019年N3處理的平均ADF含量較N1和N2分別減少12.80%(P<0.05)和4.80%，2020年分別減少11.09%(P<0.05)和2.43%。

表6 不同茬次無芒雀麥的酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量和相對飼用價值

圖5 不同處理下無芒雀麥的全年ADF、NDF含量和相對飼用價值

2.2.5中性洗滌纖維含量 兩年同一利用方式下，大多數茬次無芒雀麥的中性洗滌纖維(NDF)含量表現為N1>N2>N3(表6)。同一施氮水平下，G處理大多數茬次的NDF含量與M處理無顯著差異。所有處理中，兩年第1～3茬均為G-N3處理的NDF含量最低。在放牧利用下，兩年N3水平的NDF含量低于N1(圖5b)。在刈割利用下，2020年N3水平的NDF含量著低于N1。兩年在同一施氮水平下，放牧與刈割處理的NDF含量無顯著差異。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均NDF含量較刈割分別減少4.21%和5.34%。2019年N3處理的平均NDF含量較N1和N2分別減少9.36%(P<0.05)和2.73%，2020年分別減少11.50%(P<0.05)和7.06%。

2.2.6相對飼用價值 同一利用方式下，兩年各茬次的相對飼用價值(RFV)表現為N3>N2>N1(表6)。在同一施氮水平下，G處理大多數茬次的RFV與M處理無顯著差異。所有處理中，兩年第1～3茬均為G-N3處理的RFV最高。兩年在同一利用方式下，N3水平的RFV顯著高于N1(圖5c)。兩年在同一施氮水平下，放牧與刈割處理的RFV無顯著差異。平均值顯示，2019和2020年放牧處理的平均RFV較刈割分別增加5.33%和8.78%(P<0.05)。2019年N2和N3處理的平均RFV較N1分別增加9.83%(P<0.05)和14.46%(P<0.05)，2020年分別增加9.50%(P<0.05)和17.89%(P<0.05)。

2.3 相關性分析

2.3.1各指標間的簡單線性相關關系 放牧和刈割利用下各指標的相關性具有一定的差異(表7)。放牧利用下株高與SPAD無顯著相關性，而在刈割利用下株高與SPAD呈極顯著正相關。放牧利用下，SPAD與干草產量無顯著相關性，而在刈割利用下SPAD與干草產量呈極顯著正相關。放牧利用下，SPAD與粗蛋白、ADF和NDF含量無顯著相關性，而在刈割利用下SPAD與粗蛋白含量極顯著正相關，與ADF顯著負相關。無論是在放牧還是刈割利用下，株高與干草產量、粗蛋白、粗脂肪含量均呈極顯著正相關，與ADF含量呈極顯著負相關。

表7 放牧和刈割利用下無芒雀麥各指標間的相關性分析

2.3.2株高、SPAD與干草產量的關系 放牧和刈割利用下，無芒雀麥的干草產量均隨株高呈冪函數上升，且在刈割利用下方程的擬合效果優于放牧(圖6)。在放牧利用下，無芒雀麥的干草產量隨SPAD的增加而增加。在刈割利用下，無芒雀麥的干草產量隨SPAD呈冪指數增加，且在刈割利用下方程的擬合效果優于放牧。

圖6 無芒雀麥的株高和SPAD與干草產量的關系

2.3.2株高、相對葉綠素含量與相對飼用價值的關系 放牧和刈割利用下，無芒雀麥的相對飼用價值均隨株高呈冪函數上升，且在放牧利用下方程的擬合效果優于刈割(圖7)。放牧和刈割利用下，無芒雀麥的相對飼用價值均隨SPAD呈冪函數上升，且在刈割利用下方程的擬合效果優于放牧。

圖7 無芒雀麥的株高和SPAD與相對飼用價值的關系

3 討論

徐智超等[23]研究表明，與傳統刈割相比，合理放牧可以提高草地的生產能力。詹天宇等[24]研究指出，適度放牧可使草地地上生物量增加，提高草地生產力。本試驗結果與上述研究結果一致，放牧處理下無芒雀麥的株高累積量和干草產量顯著高于刈割；且與刈割相比，放牧處理下無芒雀麥的SPAD累積量也得到了顯著提高。這可能是由于放牧條件下的家畜活動清除了枯草，改變了植物的冠層受光面積，從而增加了植物葉片的葉綠素合成[25]。另一方面，放牧對草地的影響主要表現為放牧家畜的采食和踐踏行為[26]。放牧家畜所采食的大部分植物養分以排泄物的形式返還到草地土壤中，這些排泄物能夠改善土壤氮含量，促進草地植物養分再分布，有助于維持土壤肥力和提高植被生產力[27-28]。放牧不僅能夠提高草地生產力，還有助于改善牧草營養品質。研究表明，適當放牧強度下牧草的粗蛋白和粗灰分含量增加，隨著放牧強度的增加酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量呈下降趨勢，從而改善牧草營養品質并提高適口性[29-31]。本研究表明，與刈割相比，放牧提高了無芒雀麥的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量，同時降低酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量。其原因可能是在放牧刺激下牧草發生了補償性生長，改變了營養物質分配方式，進而提高了營養價值[32]。放牧雖然能夠獲得較高的產草量，但本研究只進行了2年試驗，對于草地利用的可持續性還需進一步研究。

氮素是植物生長必須元素之一，對作物產量形成和品質好壞有著重要影響[33]。由于無芒雀麥自身不具備固氮能力，因此氮素供給的多少是其產量和營養品質的決定性因素之一。Holub等[34]的盆栽實驗表明，在一定的氮供應下無芒雀麥會表現出更密集的生長以及產生更多的生物量。徐瑞陽等[35]通過對無芒雀麥設置不同施氮濃度的試驗表明，植株葉片的葉綠素含量隨氮濃度的增加呈上升趨勢，且不同施氮處理之間差異顯著。本研究結果與上述研究一致，與不施氮相比，施氮條件下無芒雀麥的株高累積量、SPAD累積量以及干草產量均顯著增加。這是由于適宜的氮肥添加能夠促進牧草分蘗并增加葉片中的葉綠素含量，進而提高植物光合速率、增加光合產物，最終增加牧草生物量[36]。一般來講，粗蛋白和粗纖維含量是衡量牧草品質的重要指標，牧草相對飼用價值和粗蛋白含量呈顯著正相關關系，粗蛋白含量越高，牧草的營養價值越高[37]。施氮可以增加牧草的粗蛋白含量，同時降低酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量[38-39]。羅鳳敏等[40]在水肥調控對無芒雀麥品質影響的研究中發現，施用氮肥能夠促進無芒雀麥的蛋白質合成，并對無芒雀麥粗脂肪、粗灰分和粗纖維含量有顯著影響。本試驗中，無芒雀麥的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量對施氮有顯著響應，其中施氮160 kg·hm-2處理的兩年平均粗蛋白含量比不施氮增加了15.93%，并且相對飼用價值顯著高于不施氮和施氮80 kg·hm-2處理，這表明施氮有助于提高無芒雀麥的營養品質。本研究結果具有一定局限性，試驗僅設置了3個施氮水平，其中施氮160 kg·hm-2為最大施氮量，該施氮量可能不是無芒雀麥獲得最高產量的適宜水平，今后需細化施氮梯度試驗，以確定該地區無芒雀麥草地的適宜施氮量。

傳統測定牧草粗蛋白、粗脂肪、酸性和中性洗滌纖維等品質指標的方法較為復雜，需花費大量時間和人力。胡安等[41]通過構建基于株高等指標的產草量與營養品質預測模型，發現牧草農藝性狀與產量和品質之間的相關性分析預測準確性較高、成本較低，具有可行性，能夠為農戶在牧草生產中提供指導。本研究分別建立了株高、SPAD與干草產量和相對飼用價值的線性回歸模型，結果表明無論是在放牧還是刈割條件下，無芒雀麥的干草產量和相對飼用價值均隨株高成冪指數上升；在刈割條件下干草產量和相對飼用價值與SPAD的相關性較強，而在放牧利用下干草產量和相對飼用價值與株高的相關性較強。可見，在不同利用方式下農藝性狀與干草產量和相對飼用價值的相關性有所差異，研究結果可幫助該地區農戶對無芒雀麥草地進行合理的田間管理，以節約時間和成本。然而，該結果具有一定局限性，本研究建立了株高或SPAD單一指標與產量和相對飼用價值的回歸方程，擬合度較低，今后需進一步建立多個農藝性狀與產量和品質的線性模型，以提高預測模型的準確性。

4 結論

與刈割相比，放牧可以提高無芒雀麥的株高累積量、SPAD及總干草產量，并增加粗蛋白、粗脂肪及粗灰分含量，降低中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量，進而改善營養品質。無芒雀麥的株高累積量、SPAD及總干草產量隨施氮量的增加而增高。施氮處理較不施氮顯著提高了粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量及相對飼用價值，顯著降低ADF和NDF含量。所有處理中，放牧條件下施氮160 kg·hm-2處理的干草產量最高，營養品質優良，是一種提高黃土高原地區無芒雀麥產量和品質的管理措施。