不同混播模式對播種當年牧草產量和營養價值的影響

孫伶俐,孟 翔,謝開云,顏 安,劉 偉,楊 龍,崔荷婷,趙 越,褚皓清

(1. 新疆農業大學草業學院/新疆草地資源與生態重點實驗室/西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052)

我國擁有近4.0×108hm2的天然草地,其中可利用草地面積約3.3×108hm2,占全國陸地面積近33.6%[1-2],在社會經濟發展和生態文明建設中發揮著重要作用,但受氣候變化和人類活動的影響,其生產力顯著下降,生態功能嚴重受限[2-3],難以支撐現代畜牧業高質量發展和生態文明建設的需求。在適宜區域建植優質高產的人工草地,是未來解決區域草畜不平衡問題,緩解天然草地退化的重要途徑[4]。

混播草地作為人工草地建植的主要方式,具有產量高、質量好、資源利用效率高等優點,在世界范圍內得到了廣泛應用[5]。當前國內外關于混播草地的研究主要集中在混播組合及比例[6-7]、種間關系[8]、刈割頻次[9]、留茬高度[10]以及改土培肥[11]等方面,而對于三種及三種以上牧草混播建植人工草地方面研究較少。多草種混播建植的人工草地可協同發揮各草種的適應性和抗逆性,通過增加物種多樣性,提高人工草地的生態穩定性[12]。其中,豆科牧草與禾本科牧草混播是最常見的混播模式[12]。研究表明適宜的混播草種和混播比例搭配對獲得混播草地較高的群落穩定性及產量等有著重要的影響[13-15]。本研究以雜花苜蓿(Medicagovaria)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、百脈根(Lotuscorniculatus)、披堿草(Elymusdahuricus)、無芒雀麥(Bromusinermis)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)6種牧草組合建植的混播草地為研究對象,通過研究不同牧草混播模式下牧草產量和營養價值,揭示三種及三種以上牧草混播建植方式下混播草地產量及營養價值的變化規律,為混播草地建植提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區位于新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州昭蘇馬場山前草地(80°59′ E,43°08′ N,海拔1 895 m),屬大陸性溫帶山區半干旱半濕潤冷涼氣候。該地年均溫度2.9℃,≥10℃年積溫2 318.3℃,無霜期85～100 d,年均降水量512 mm,降水主要集中于5—8月,約占全年總降水量68%,年均蒸發量1 261.6 mm,是降水量的2.5倍,積雪期158 d,積雪厚度20～60 cm。2023年6月7日至2023年9月22日研究區的總降雨量為223.34 mm,其中大于等于5 mm的有效降雨量為163.90 mm,最高日均溫達21℃,最低日均溫達8℃,平均氣溫16℃,試驗期間試驗地日平均氣溫及降水如圖1所示。研究區經2002年開墾為多年生人工割草地,2011年重建成多年生豆禾混播草地,植被物種組成主要有鴨茅(Dactylisglomerata)、無芒雀麥、黃花苜蓿(Medicagofalcata)、披堿草、鵝觀草(Roegneriasinkiangensis)、綠草莓(Fragariaviridis)、貓尾草(Phleumpratense)、草原糙蘇(Phlomispratensis)、草原老鸛草(Geraniumpratense)、短柄苔草(Carexpediformis)、紅豆草等。土壤類型為黑鈣土,耕層土壤有機質含量為58.031 g·kg-1,全氮含量為5.524 g·kg-1、全磷含量為2.015 g·kg-1、全鉀含量為15.516 g·kg-1、堿解氮含量為531.503 mg·kg-1、有效磷含量為95.347 mg·kg-1、有效鉀含量為381.822 mg·kg-1。

圖1 試驗期間研究區日平均氣溫及降水量Fig.1 Average daily temperature and precipitation of the study area during the test period

1.2 試驗設計

根據當地草地群落物種和氣候特點,選擇雜花苜蓿、紅豆草、百脈根、披堿草、無芒雀麥、扁穗冰草6種牧草為試驗材料,其中雜花苜蓿種子來源于內蒙古大學,其他草種均來源于新疆天博草業有限公司,草種來源及萌發情況詳見表1。

試驗采用完全隨機區組設計,設置4個豆科牧草混播模式(雜花苜蓿+紅豆草+百脈根3種牧草混播,混播比例分別為1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2,分別記為Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2),4個禾本科牧草混播模式(無芒雀麥+披堿草+扁穗冰草3種牧草混播,混播比例為1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2,分別記為W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2),3個豆科和禾本科牧草混播模式(雜花苜蓿+紅豆草+百脈根+披堿草+無芒雀麥+扁穗冰草6種牧草混播,豆禾混播比例設為3∶1,1∶1,1∶3,分別記為L75G25,L50G50,L25G75),共11個混播模式處理,每個處理重復3次,共計33個小區,小區面積為20 m2(4 m×5 m),每個小區間隔1 m。

試驗于2022年5月19日播種,紅豆草單播量為30.0 kg·hm-2,雜花苜蓿單播量為15.0 kg·hm-2,百脈根單播量為7.5 kg·hm-2,無芒雀麥單播量為22.5 kg·hm-2,披堿草單播量為37.5 kg·hm-2,扁穗冰草單播量為20.0 kg·hm-2,混播播種量按占單播的百分比計算,種子播種量詳見表2。播種方式為撒播,播種后不施肥,不灌溉,栽培期間人工除雜草兩次。

表2 試驗混播組合及播種量Table 2 Experimental mixing combination and seeding amount

1.3 測定指標和方法

1.3.1混播草地生產性能測定 (1)株高測定:取樣前,在每個小區內分種隨機選取牧草各10株,用卷尺測定植株基部到頂端的絕對高度記為牧草株高。

(2)分枝/蘗密度測定:取樣前,在每個小區內分種隨機選取牧草各10株進行分枝/蘗數統計。

(3)牧草干物質產量測定:試驗于2022年9月6日刈割,在各小區中隨機放置一個1 m×1 m的樣方,并將樣方內的所有牧草進行分種齊地刈割,分裝在牛皮紙袋中,做好記錄帶回實驗室,放置于105℃烘箱中殺青30 min,再設置65℃烘干48 h至恒重后,稱重計算各牧草干物質產量。

(4)混播中牧草產量占比=混播中各牧草產量/混播草地總牧草產量×100%[16]。

1.3.2混播草地牧草營養品質測定 將各小區測定牧草干物質產量的烘干樣品全部粉碎混合均勻用于測定牧草營養品質。牧草粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凱氏定氮法測定,粗脂肪(Ether extract,EE)含量采用索氏浸提法測定,粗灰分(Crude ash,Ash)含量采用灰化法測定,中性洗滌纖維(Neutral detergent fiberl,NDF)和酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)含量采用范氏洗滌纖維分析法測定。根據NDF和ADF計算相對飼喂價值(Relative feed value,RFV)。

RFV=(88.9—0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29[17]

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2019軟件對數據進行整理與處理,用Graphpad Prism 8.0繪圖軟件進行制圖,用SPSS 20.0統計分析軟件進行方差分析、多重比較、成組/配對T檢驗,結果均以平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 不同豆科/禾本科牧草混播模式對牧草株高的影響

雜花苜蓿和百脈根的株高在3種豆科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05)。無芒雀麥的株高在3種禾本科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05,圖2)。

圖2 不同混播模式對牧草株高的影響Fig.2 Effects of different mixed sowing patterns on plant height of forage注:雜花苜蓿+紅豆草+百脈根比例為1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2(Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2);無芒雀麥+披堿草+扁穗冰草比例為1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2(W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2);三種豆科和三種禾本科牧草混播,豆禾比為75∶25,50∶50,25∶75(L75G25,L50G50,L25G75);小寫字母表示不同混播模式處理水平間差異顯著(P<0.05),下圖同Note:The ratio of Medicago varia+Onobrychis viciaefolia+Lotus corniculatus was 1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2 (Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2);the proportions of Bromus inermis+Elymus dahuricus+Agropyron cristatum were 1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2 (W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2);three legumes and three gramineous forages were mixed,and the ratio of legume to forage was 75∶25,50∶50,25∶75 (L75G25,L50G50,L25G75);small letters indicate that there are significant differences among the treatment levels of different mixed sowing patterns (P<0.05),the same as the following figure

在3種豆科牧草混播模式下,紅豆草的株高在Z1H1B2處理時顯著高于其他混播處理(P<0.05),處理Z1H2B1紅豆草的株高顯著低于處理Z1H1B1和Z1H1B2(P<0.05,圖2a)。在3種禾本科牧草混播模式下,扁穗冰草的株高在各混播比例下無顯著差異,披堿草的株高在W1P1B1處理時顯著高于其他混播處理(P<0.05),無芒雀麥的株高在W1P1B1和W1P1B2處理時顯著高于處理W1P2B1和W2P1B1(P<0.05),且處理W2P1B1無芒雀麥的株高顯著低于其他混播處理(P<0.05,圖2b)。在6種牧草混播模式下,紅豆草的株高表現為處理L50G50>L25G75>L75G25,且各處理間差異顯著(P<0.05),披堿草的株高在L75G25處理時顯著低于處理L25G75(P<0.05),無芒雀麥的株高在L25G75處理時顯著高于處理L50G50和L75G25(P<0.05,圖2)。

2.2 不同豆科/禾本科牧草混播模式對牧草密度的影響

雜花苜蓿和百脈根密度在3種豆科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05)。披堿草、無芒雀麥和扁穗冰草密度在3種禾本科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05,圖3)。

圖3 不同混播模式對牧草分枝/蘗密度的影響Fig.3 Effects of different mixed sowing patterns on branches or tillers density of forage

在3種豆科牧草混播模式下雜花苜蓿的密度在Z1H1B2處理時顯著高于其他混播處理(P<0.05),百脈根的密度在3種豆科牧草混播模式下處理Z1H1B1顯著高于處理Z1H1B2顯著高于處理Z2H1B1,且各處理間差異顯著(P<0.05,圖3a)。在3種禾本科牧草混播模式下,披堿草的密度在W1P2B1處理時顯著高于處理W2P1B1(P<0.05),無芒雀麥的密度在W1P1B1和W1P2B1處理時顯著高于處理W1P1B2和W2P1B1(P<0.05),扁穗冰草的密度在W1P1B1和W1P1B2處理時顯著高于處理W1P2B1和W2P1B1(P<0.05,圖3b)。在6種牧草混播模式下雜花苜蓿的密度在L75G25處理時顯著高于處理L25G75和L50G50(P<0.05),百脈根的密度在L25G75處理時顯著低于處理L50G50和L75G25(P<0.05),無芒雀麥的密度在處理L50G50時顯著高于處理L25G75和L75G25(P<0.05,圖3)。

2.3 不同豆科/禾本科牧草混播模式對牧草產量的影響

雜花苜蓿和百脈根干物質產量在3種豆科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05)。披堿草、無芒雀麥、扁穗冰草干物質產量在3種禾本科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05,圖4)。

圖4 不同混播模式對牧草干物質產量的影響Fig.4 Effects of different mixed sowing patterns on dry matter yield of forage

在3種豆科牧草混播模式下,百脈根的干物質產量在Z1H1B1處理時顯著高于Z2H1B1處理(P<0.05,圖4a)。在3種禾本科牧草混播模式下,披堿草的干物質產量在W1P1B1和W1P1B2處理顯著高于W1P2B1和W2P1B1處理(P<0.05),無芒雀麥的干物質產量在W2P1B1處理顯著高于W1P2B1處理(P<0.05,圖4b)。在6種牧草混播模式下,雜花苜蓿的干物質產量在L25G75處理顯著高于L50G50和L75G25處理(P<0.05),無芒雀麥的干物質產量在L50G50處理顯著高于L25G75和L75G25處理(P<0.05,圖4)。

2.4 不同豆科/禾本科牧草模式對各牧草干物質產量占比的影響

雜花苜蓿和百脈根干物質產量占比變化表現為在3種豆科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05)。披堿草、無芒雀麥、扁穗冰草干物質產量占比變化表現為在3種禾本科牧草混播模式下顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05,圖5)。

圖5 不同混播模式對牧草干物質量所占比的影響Fig.5 Effects of different mixed sowing patterns on the proportion of dry matter yield of species

在3種豆科牧草混播模式下,雜花苜蓿的干物質產量占比在Z2H1B1處理時顯著高于Z1H1B1處理(P<0.05,圖5a)。在3種禾本科牧草混播模式下,披堿草的干物質產量占比在W2P1B1處理時顯著低于其他混播比例(P<0.05,圖5b)。在6種牧草混播模式下,紅豆草的干物質產量占比在L75G25處理時顯著高于處理L25G75和L50G50(P<0.05),雜花苜蓿的干物質產量占比在L25G75處理時顯著高于處理L50G50和L75G25(P<0.05),無芒雀麥的干物質產量占比在L50G50處理時顯著高于處理L25G75和L75G25(P<0.05,圖5)。

2.5 不同豆科/禾本科牧草模式對牧草干物質總量的影響

3種禾本科牧草混播模式與6種牧草混播模式間牧草干物質總量變化差異顯著(P<0.05);在3種禾本科牧草混播模式下,牧草干物質總量在W1P2B1處理時顯著低于其他混播處理(P<0.05);在混播6種牧草模式下,牧草干物質總量在L50G50處理時顯著高于其他混播處理(P<0.05,圖6)。

圖6 不同混播模式對草地干物質總量的影響Fig.6 Effects of different mixed sowing patterns on total dry matter of grassland

2.6 不同混播模式對混播草地牧草營養價值的影響

在3種豆科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量和相對飼喂價值極顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05),牧草粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著低于6種牧草混播模式(P<0.05)。在3種禾本科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05),牧草中性洗滌纖維含量顯著高于6種牧草混播模式(P<0.05,表3)。

表3 不同混播模式對牧草營養價值的影響Table 3 Effects of different mixed sowing patterns on forage nutritional value

在3種豆科牧草混播模式下,牧草粗蛋白在Z1H1B1處理下顯著高于Z2H1B1處理(P<0.05);在3種禾本科牧草混播模式下,牧草粗灰分含量在W2P1B1處理下顯著高于W1P1B1和W1P1B2處理(P<0.05,表3)。

3 討論

3.1 不同豆科/禾本科牧草混播模式對混播草地生物量的影響

選擇適宜的混播草種和混播比例可以充分發揮混播草地中各牧草的互補優勢,有利于混播草種合理利用水分、肥力、光照和空間等環境資源,可顯著提高混播草地生產力[14]。由于各牧草自身生理特性和對環境的適應性不同,同一栽培條件下各牧草的生產性能各不相同[18]。本研究表明,在3種豆科牧草混播模式和3種禾本科牧草混播模式下各牧草株高、密度、干物質產量均高于6種牧草混播模式,禾本科牧草株高均高于豆科牧草;牧草干物質總量表現為6種牧草混播模式均低于3種禾本科牧草混播模式,說明不同混播模式對混播草地生產力有顯著影響[19]。這可能是因為在建植當年禾本科牧草相較于豆科牧草葉片面積較大,葉片位置較高,對光照形成了激烈的競爭,特別是在禾本科牧草抽穗以后,其上部葉片遮蔽了下部的豆科牧草,導致豆科牧草缺乏光照[20],致使豆科牧草生長受限,進而影響豆科牧草生物量的積累。在6種牧草混播模式下豆科牧草和禾本科牧草混播比為1∶1時牧草干物質總量顯著高于其他混播比例[15,21],且隨豆科牧草混播比例的增加牧草總干物質產量呈先增后減的趨勢,在3種禾本科牧草混播模式下牧草干物質總量顯著高于其他混播模式,因此在不同混播模式下,禾本科牧草占比越大混播草地總干物質產量則越高[22],當豆科牧草比例超過50%時,隨著豆科牧草比例增加草產量下降[23-25],這可能是因為在3種豆科牧草與3種禾本科牧草混播下,當豆科與禾本科牧草混播比例為1∶1時可降低各牧草對光照和養分等資源的競爭,使混播物種雙方均受益[26-27]。因此,不同的混播比例對混播草地的生產力也具有重要影響[28-29],但觀測當年混播草地數據僅能體現不同混播比例對播種當年混播草地生產性能的影響,缺乏對多年生混播草地進行長期觀測的綜合評價。

在混播草地中可以采用各牧草地上生物量占總地上生物量的比例來反映混播草地中各牧草對混播草地總地上生物量的貢獻程度[30-31],其比值可直觀反映各牧草在草地群落中對環境的競爭能力[32-33]。同時在混播草地中各混播種比例的消長情況可用來預測混播草地未來的發展趨勢,從而間接反映混播草地群落的穩定性[16]。本研究中,雜花苜蓿與無芒雀麥在各混播模式下干物質產量占比分別在豆科類牧草和禾本科類牧草中最高(在6種牧草混播模式下雜花苜蓿占比達15%以上,無芒雀麥占比32%以上;在3種牧草混播模式下雜花苜蓿占比達48%以上,無芒雀麥可達78%以上),是對總干物質產量貢獻最多的成分。因此,通過各牧草干物質產量占比可預測在有雜花苜蓿和無芒雀麥的混播組合中,該兩種牧草在未來草地發展中占據絕對的優勢。

3.2 不同豆科/禾本科牧草混播模式對混播草地牧草營養價值的影響

通?；觳ゲ莸刂腥绻瘫究颇敛菟嫉谋壤^大,表明牧草產量越高,但飼草品質會有所降低;反之,隨著豆科飼草比例增加,飼草的粗蛋白含量呈增加趨勢[34-35],這與本研究的結果一致,在6種牧草混播模式下,隨著豆科類牧草混播比例的增加,牧草粗蛋白含量也隨之增加。本研究結果表明在3種豆科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量和相對飼喂價值極顯著高于6種牧草混播模式,牧草粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著高于6種牧草混播模式;在3種禾本科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量顯著高于6種牧草混播模式,牧草中性洗滌纖維含量顯著高于6種牧草混播模式,說明豆科與禾本科牧草混播有利于提高草地營養品質,牧草粗蛋白含量越高牧草相對飼喂價值則越高[36]。這可能是因為豆科飼草中含有較高的粗蛋白和較低的酸性洗滌纖維與中性洗滌纖維含量,而禾本科飼草則含碳水化合物和粗纖維含量較多,二者進行混播可有效提高飼草品質[37]。豆禾混播比例是影響混播草地營養品質的因素之一[13,38],會極顯著影響飼草的粗蛋白質含量、粗脂肪含量、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量[15]。在本研究中,3種豆科牧草混播組合與混播3種禾本科牧草混播組合和6種牧草混播組合相比具有較低的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量,牧草相對飼喂價值較高,與3種禾本科牧草混播組合相比豆科與禾本科牧草混播有利于降低牧草的纖維含量,提高牧草粗脂肪、粗灰分含量和相對飼喂價值,這可能與各牧草所處的生育期不同有關,研究表明牧草在不同生育期內其營養成分含量變化較大[39],這與牧草自身的遺傳學和對環境的適應性有關[40],本研究只觀測當年牧草營養指標的變化,僅能體現混播草地播種當年情況,缺乏對牧草生長發育的連續性觀測。

4 結論

3種豆科牧草混播模式和3種禾本科牧草混播模式下各牧草株高、密度、干物質產量均高于6種牧草混播模式;在6種牧草混播模式中豆禾混播比為1∶1(L50G50)時牧草干物質總量高于其他豆科與禾本科草混播處理,當豆禾混播比超過1∶1時牧草干物質總量隨之下降;6種牧草混播模式處理下牧草粗蛋白含量和相對飼喂價值均低于3種豆科牧草混播處理,但高于3種禾本科牧草混播處理。