油菜━冬小麦轮作系统中冬小麦的粮饲兼用性能

刘渊博，田莉华，张清平，沈禹颖

（兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州730020）

黄土高原地区冬春季节优质饲草存在极大的缺口，严重影响当地草食畜牧业的发展。冬小麦（Triticumaestivum）是该区主要的粮食作物，种植面积占当地粮食播种面积的60%～70%。作为被普遍应用于粮饲兼用的籽粒作物，冬小麦刈割提供青饲草能在一定程度上弥补饲草季节缺口，同时籽粒生产与家畜生产的双赢可提高整个系统的经济产出［1-3］，因此，冬小麦粮饲兼用在黄土高原地区有巨大的应用和推广潜力，深入开展冬小麦粮饲兼用研究以探究其应用规律及内在机制对挖掘其利用潜力、充分发挥其生产优势意义重大。然而，该地区年降水量的60%以上集中在冬小麦收获后至下季冬小麦播种前的7-9月［4］，常规土地休闲弱化了小麦粮饲兼用的效益，且大量降水未得到高效利用，并易引起水土流失，从而造成经济和环境的双重损失。饲用型油菜生长快速，可充分利用休闲期间的降水资源生产大量优质饲草，是小麦休闲期可种植作物的最佳选择之一。

然而，油菜（Brassicacampestris）前茬对后茬冬小麦的生长和利用有明显影响。研究表明，与休闲地后茬冬小麦相比，油菜后茬冬小麦平均减产29%；与休闲后冬小麦刈割处理相比，油菜后茬冬小麦刈割处理后冬小麦平均减产20%［5］，这可能与油菜利用土壤水分过多、对后茬冬小麦的生长和粮饲兼用有负面影响有关。也有研究表明，种植油菜能减小后茬冬小麦发生以禾本科为主要寄主的土壤病原菌的发生率［6］，增加冬小麦对深层水分的吸收利用［7］，提高籽粒产量［6，8-10］。此外，油菜残留物能刺激冬小麦幼苗的生长，促进其前期营养生长［9-10］，进而增加冬小麦前期的地上生物产量。但是，油菜种植对后茬冬小麦粮饲兼用的影响还不明确。本研究在田间条件下，对油菜-冬小麦轮作系统中冬小麦粮饲兼用性能展开了研究，测定了冬小麦不同刈割时间所得饲草产量和品质，分析了刈割后冬小麦收获期籽粒产量的变化及其构成因素，明确油菜前茬对冬小麦粮饲兼用的影响，以期为“饲油1号”饲用油菜引入陇东黄土高原轮作系统提供科学依据，也为拓宽黄土高原农区优质饲草料资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地与试验设计

研究地点位于兰州大学黄土高原试验站（35°40′N，107°51′E，海拔1 298m），属雨养农业区。多年平均年降水量561mm，70%的降水出现在7-9月，年平均温度8～10℃，生长季255d。

前茬冬小麦收获后，设置两种后续耕作处理：饲用油菜-冬小麦（BW）轮作；休闲-冬小麦（FW）。每处理各一个样地，样地面积1 334m2。2011年7月22日，在其中一个样地撒播饲用油菜“饲油1号”，播量15kg·hm-2，播种深度2cm。播种时施尿素37.5kg·hm-2。2011年9月24日，齐地面刈割饲用油菜，饲草移出试验田。另一个样地在前茬冬小麦收获后休闲。2011年9月25日，在两个小区同时机械条播冬小麦“陇育216”，播量225 kg·hm-2，行距15cm。播种时施有机肥600 kg·hm-2。

分别对BW和FW下冬小麦进行冬季刈割（2011年11月29日，Cut1）、春季刈割（2012年4月16日，Cut2）和不刈割（Uncut）处理。采用完全随机区组设计，每个刈割处理4个重复，小区面积为3m×3m。

1.2 观测项目及方法

1.2.1 气象数据采集 使用气象自动记录系统记录试验地逐日降水量，计算冬小麦全生育期（2011年9月-2012年6月）的月降水量，并与多年平均月降水量对比。

1.2.2 土壤贮水量 土壤贮水量［11］采用v＝ρ×h×w×10计算。式中，v为不同深度的土壤贮水量（mm），ρ为土壤平均容重（g·cm-3），h为土层深度（cm），w为土壤相对含水量（占干土质量的比例），土壤含水量用烘干法（在105℃下烘48h至质量恒定不变）测定，土壤容重用环刀法测定。

1.2.3 冬小麦饲草产量及品质测定 刈割处理（Cut1和Cut2）时，齐地面刈割6行1m的样段，取样面积为1m×0.15m×6m。鲜植物样在65℃下烘干48h，测定饲草产量。干样品粉碎后，测定粗蛋白（GB／T5511-2008／ISO20483：2006）、中性洗涤纤维（NDF，GB／20806-2006）及酸性洗涤纤维（ADF，NY／T1459-2007），植物样品用浓 H2SO4-HClO4消化，使用原子吸收法［12］测定微量元素Fe、Mn、Zn和Cu含量，利用 Horrocks和 Vallentine［13］的方法计算可消化干物质（DDM）、干物质采食量（DMI）和相对饲喂价值（RFV）：

1.2.4 籽粒产量及其构成因素 冬小麦再生籽粒成熟后，齐地面刈割处理小区中心6行1m的样段（1m×0.15m×6＝6.9m2），记录穗数后于65℃烘干48h后测定籽粒和秸秆产量、穗粒数和千粒重。

1.3 数据处理

采用Genstat 2.0统计分析软件进行统计分析，最小显著差异检验法（LSD）比较轮作、刈割处理下各生长指标均值的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 冬小麦全生育期降水量

2011年12月至次年3月的降水量与同期多年平均降水量（1961-2002年）接近，其他月份的降水量与同期多年平均降水量差异较大（图1）。2011年9月份的月降水量显著减少90mm，10月份和11月份的月降水量则分别显著高于同期的多年平均降水量18和61mm。2012年小麦返青后的4、5月份降水量仅为28和26mm，较同期多年平均降水量分别减少26%和50%；6月份小麦灌浆期的降水量较同期多年平均降水量减少97%；全生育期总降水量（2011年9月-2012年6月）仅为233mm，较同期多年平均降水量减少31%。由此可见，该生长季小麦在早期营养生长阶段的降水条件较好，尽管后期的籽粒灌浆阶段降水较少，但前期充足的水分积累可缓解后期降水较少而造成的水分亏缺。

图1 2011年9月－2012年6月冬小麦生长季各月降水量及其多年平均值Fig.1 Monthly precipitation and long-term average during winter wheat growth from September 2011to June 2012

2.2 不同处理下播种期与收获期土壤水分

在冬小麦播种期与收获期，油菜-冬小麦轮作中冬小麦0-60和60-120cm土壤贮水量与休闲后冬小麦间无显著差异（P＞0.05），但冬小麦收获期120-200cm土壤贮水量显著降低（P＜0.05）（表1）。油菜-冬小麦轮作下冬小麦播种期深层120-200cm土壤贮水量较休闲地-冬小麦低1.5 mm，收获期不刈割、冬季刈割和春季刈割分别较前茬休闲的冬小麦低8.4、9.5和14.6mm，油菜-冬小麦轮作系统中收获期土壤春季刈割较冬季刈割低4.1mm，贮水量最少。以上结果表明，油菜种植后，能够有效利用该区季节性降水，生产大量饲草，对后茬冬小麦播种期土壤水分无明显影响，且油菜的种植刺激了冬小麦对深层土壤水分的利用。

2.3 不同处理下冬小麦粮饲兼用的饲草产量及营养价值

不同轮作处理下冬小麦刈割所得饲草的中性洗涤纤维含量差异显著（P＜0.05），饲草产量、粗蛋白含量、酸性洗涤纤维含量和相对饲喂价值差异不显著（P＞0.05），刈割处理下饲草各指标含量均表现出极显著差异（P＜0.01），轮作×刈割互作下，饲草粗蛋白有显著差异，其余各指标均无显著性差异（表2）。油菜-冬小麦轮作下冬小麦刈割所得饲草产量冬季刈割、春季刈割分别较休闲地-冬小麦轮作下高21.8%和6.4%，蛋白质含量冬季刈割较休闲-冬小麦轮作下高12.7%，春季刈割低5.0%，冬季刈割酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量分别较休闲-冬小麦轮作下低4.7%和6.9%，相对饲喂价值高7.4%和8.4%，春季刈割酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量分别较休闲-冬小麦轮作下低9.9%和9.0%，相对饲喂价值高8.4%，均未表现出显著差异（P＞0.05）。油菜-冬小麦轮作系统中春季刈割饲草产量为冬季刈割的4倍多，中性洗涤纤维较冬季刈割增加6 4.8%，酸性洗涤纤维增加63.7%，相对饲喂价值减少40%，均表现出极显著差异（P＜0.01），但油菜后茬冬小麦春季刈割所得饲草相对饲喂价值远大于151%，仍旧保持极高的营养价值。以上结果表明，油菜-冬小麦轮作下前茬油菜的种植促进了后茬冬小麦的营养生长，能够生产更多的饲草，冬小麦最佳刈割时间为春季。轮作处理对冬小麦饲草的Fe、Mn、Zn和Cu含量均无显著影响（P＞0.05），刈割处理效应则明显大于轮作效应，刈割效应对饲草的Fe含量无明显差异，但Mn含量存在显著差异（P＜0.05），Zn和Cu含量均存在极显著差异（P＜0.01），轮作×刈割互作对Fe、Mn、Zn和Cu含量均无显著影响（表3）。在油菜-冬小麦轮作系统中，春季刈割中Mn含量较冬季刈割高13.1%，Cu含量较冬季刈割高7.2%，均未表现出显著差异；Fe含量较冬季刈割低29.4%，表现出显著差异（P＜0.05），春季刈割中Zn含量较冬季刈割高75%，表现出极显著差异（P＜0.01），冬小麦刈割所得饲草中Mn、Zn和Cu含量均低于动物日粮微量元素最低要求。因此，油菜-冬小麦轮作下，冬小麦刈割所得饲草微量元素含量无法满足动物的生产需求，用于饲喂时，需要结合动物种类与生长阶段，适当添加微量元素。

表1 轮作和刈割处理下冬小麦播种期与收获期土壤贮水量Table 1 Soil water content of 0－200cm soil depth under different treatments

表2 轮作和刈割处理下的饲草产量和营养价值Table 2 Forage yield and nutritive value under different treatments

表3 轮作和刈割处理下的饲草微量元素含量Table 3 Microelement content in the forage under different treatments mg·kg-1

2.4 不同轮作处理下冬小麦粮饲兼用的籽粒产量及产量构成

轮作处理对小麦籽粒产量和千粒重的影响显著（P＜0.05），对秸秆产量、收获指数、单位面积穗数及穗粒数均无显著影响（P＞0.05），刈割处理除对籽粒产量和千粒重有显著影响外，对收获指数亦有显著影响，而刈割-轮作互作主要表现在籽粒产量、秸秆产量和单位面积穗数上（表4）。其中，油菜-冬小麦轮作下，不刈割籽粒产量和秸秆产量分别较休闲-冬小麦轮作下高4.1%和15.3%，但差异均不显著。冬小麦刈割后籽粒和秸秆产量均低于休闲-冬小麦轮作下，冬季刈割籽粒及秸秆产量分别减产7.8%和5.0%，但未达到显著水平；春季刈割籽粒及秸秆产量分别减产20.9%和22.9%，均达到极显著水平（P＜0.01）。油菜后茬冬小麦春季刈割单位面积穗数比对照显著减少24.6%，冬季刈割穗粒数较对照减少23.2%，但未达到显著性水平。油菜-冬小麦轮作系统中，与不刈割相比，冬小麦粮饲兼用后籽粒和秸秆产量均有所降低，冬季刈割籽粒产量及秸秆产量分别降低21%和16.3%；春季刈割籽粒及秸秆产量分别降低6.6%和22%，均未达到显著水平。结果表明，与不刈割相比，冬季刈割、春季刈割的籽粒和秸秆产量均有降低，冬季刈割的籽粒减产主要归因于单位面积穗数的降低，春季刈割则主要归因于穗粒数的下降，说明油菜-冬小麦轮作对冬小麦粮饲兼用有负面影响，油菜前茬降低了冬小麦粮饲兼用的潜力。在油菜-冬小麦轮作系统中，冬小麦粮饲两用后籽粒减产并不显著，春季刈割减产幅度相对冬季刈割较小，说明油菜-冬小麦轮作系统中，春季刈割处理能够在收获饲草的同时，确保更高的籽粒产量，为最佳利用方式。

3 讨论

黄土高原农业以旱作农业为主，传统的草田轮作也主要以生产粮食为目的，之前多以水分为主要促因研究不同耕作方式对粮食产量的影响［14-15］，本研究针对该区饲草产量较低、难以满足当前草食畜牧业发展需要的问题，以水分为主要研究因素，旨在不影响粮食产量的前提下增加系统的饲草生产，提高系统的产出。

表4 轮作和刈割处理下的籽粒产量及其构成要素Table 4 Grain yield and its components under different treatments

研究表明，油菜-冬小麦轮作下冬小麦营养生长前期地上生物量高于休闲-冬小麦轮作下，这与前人研究得到的油菜前茬能促进小麦前期营养生长［6，9-10］的结果相一致，可能是油菜种植改善了土壤结构，降低了后茬谷类作物病虫草害的发生率［6，16-17］。油菜-冬小麦轮作下冬小麦刈割所得饲草粗蛋白含量同休闲-冬小麦轮作下无显著差异，可能是油菜-冬小麦轮作在一定程度上降低了冬小麦播种时土壤的储水量，后茬冬小麦前期的营养生长优势又加剧了对水分的消耗［7］，一定程度的干旱胁迫降低了饲草的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量［16］，故而酸性、中性洗涤纤维含量均低于休闲-冬小麦轮作下。油菜前茬对饲草的微量元素含量影响较小，庆阳黄土土壤质地较粗，粘粒少，微量元素缺乏，同时土壤富含钙和碳酸根等离子，因而对植物的微量元素的供给有一定限制［18-19］，所以冬小麦刈割所得饲草微量元素较低。油菜-冬小麦轮作系统中冬小麦春季刈割所得饲草产量极显著高于冬季刈割，刈割所得饲草均具有极高的营养价值。

油菜作为小麦前茬作物具有一系列优点。大量研究表明油菜后茬种植小麦其产量较小麦连作下有所增产［17，20-21］，但是油菜的高耗水特点使得在雨养农业地区降水的波动性成为影响冬小麦产量和粮饲兼用性能的重要因素［5］。本研究表明，油菜-冬小麦轮作下冬小麦单一籽粒生产收获期籽粒产量高于休闲-冬小麦轮作下，但是小麦灌浆期水分缺乏，前期的生长优势受灌浆期水分状况影响，未能明显转化为后期的籽粒产量优势［9］，增产效果并不显著。油菜-冬小麦轮作下，冬小麦粮饲兼用后的籽粒产量均低于休闲-冬小麦轮作下，冬季刈割下表现为穗粒数的降低，春季刈割下表现为穗数的减少，可能是由于冬小麦生长前期降水量较大，冬季刈割后冬小麦能够快速进行次生分蘖，因而刈割处理对穗数的影响较不刈割不显著，但刈割后再生对水分的消耗以及花期后较低的降水量，最终影响到籽粒的灌浆，造成穗粒数减少，产量降低；同时，由于春季刈割后4-6月降水量均低于多年平均降水量，冬小麦的再生分蘖受到抑制，最终造成收获期单位面积穗数减少，籽粒产量显著降低。油菜后茬冬小麦各处理对深层土壤的水分利用增加这也从反面印证了水分可能是该轮作下冬小麦粮饲兼用的瓶颈。油菜-冬小麦轮作系统中冬小麦冬季刈割和春季刈割处理收获期籽粒产量均低于不刈割，且春季刈割减产程度小于冬季刈割处理，但与不刈割处理间差异不显著。

4 结论

油菜-冬小麦轮作对于冬小麦前期的营养生长具有一定的促进作用，表现为油菜后茬冬小麦两次刈割所得饲草产量均高于休闲-冬小麦处理；油菜-冬小麦轮作系统中，春季刈割所得青饲草产量极显著地高于冬季刈割，两次刈割所得饲草均具有极高的营养价值。油菜-冬小麦轮作降低了冬小麦粮饲兼用的潜力，但油菜的高产足以弥补这部分损失，系统中油菜后茬冬小麦粮饲兼用对收获期籽粒减产影响不显著，春季刈割减产程度小于冬季刈割。综上所述，油菜-冬小麦轮作下冬小麦进行粮饲兼用能够带来更多的收益，用于饲用的最佳方式为春季刈割。

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