景泰绿洲三种小谷物生长时间对牧草产量和营养品质的预测

段倩雯，成慧，侯扶江



景泰绿洲三种小谷物生长时间对牧草产量和营养品质的预测

段倩雯，成慧，侯扶江*

(兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

为了预测景泰绿洲春小麦、燕麦、黑麦的草产量和营养品质，通过2010年田间试验，获得3种小谷物的生长和产量等数据，测定样品中粗蛋白、粗脂肪、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗灰分、可溶性碳水化合物含量，分析各指标之间的相关性，以及牧草饲用价值等级。结果表明生长时间可以准确预测3种小谷物的牧草产量和营养品质,模拟轮牧的3种小谷物饲用价值等级、粗蛋白产量显著高于收获干草的利用方式。研究可为3种小谷物的营养体生产、粮经饲种植结构调整、粮改饲等提供科学依据。

燕麦；黑麦；春小麦；草产量；轮牧；干草；刈割；预测模型

小麦(Triticumaestivum)、燕麦(Arrhenatherumelatius)、黑麦(Secalecereale)是全球广泛种植的一年生禾本科作物，具有生长快、耐刈割、再生能力和适应性强等特点[1-3]，放牧利用时还表现出产量、粗蛋白和消化率高等优点[1,4]，因此发达国家常开展其营养体生产作物或转化为草食家畜的畜产品[5-12]。同时，小谷物用作营养体生产可以延长耕地的生产时间，提高降水、光能和土地利用率[4,15-16]。小谷物参与草田轮作体系[13]，丰富了农业系统的多样性，增强其稳定性[17]，提高经济和生态效益[13,18-19]。并且小谷物长期覆盖地表能有效防止水土流失。随着家畜生产的发展，我国小谷物用作饲草生产的研究已有大量的报道[1]。

小谷物的草产量和营养品质是其用于营养体生产的基础，国内外对饲草作物的产量和营养成分等预测有大量研究。在大尺度上，常建立饲草生育期主要气候因子与饲草产量的关系模型，以预测草产量[20-21]；或者使用遥感技术反演叶面积指数(LAI)间接获取生物量信息，建立遥感信息和饲草生育期各指标的关联性，预测牧草饲用成分[22-24]。在中小尺度上，一般通过饲草作物群体指标与氮营养状况预测牧草种子产量和品质[3]。也有研究利用灌溉模型模拟(CROPWAT模型)、农业技术转移决策支持系统(DSSAT模型)、AquaCrop模型等预测饲草产量[25-27]；或者，通过饲草的化学成分和体外发酵特点来预测饲草的营养成分[7,28-31]。但利用饲草作物生长时间预测牧草产量和品质的研究相对较少。为此，在景泰绿洲开展春小麦、燕麦、黑麦的模拟轮牧试验，建立预测其产量和品质的模型，可以为我国通过粮改饲、三元种植结构发展草牧业提供理论与技术[27,29,32-35]。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

景泰绿洲地处甘、宁、蒙三省区交汇处，是黄土高原、青藏高原与西北内陆干旱区的交汇地带，为引黄灌区。研究区设在兰州大学景泰草地农业试验站(E 103°33′，N 36°43′)，位于景泰绿洲中部，属典型温带大陆性季风气候，年平均气温8.6 ℃，昼夜温差大，年降水量185 mm，年平均蒸发量3081 mm，无霜期159 d，年日照时数2718.3 h，≥ 0 ℃年积温3300～3620 ℃，湿润度K值为0.51。在草原综合顺序分类法中属微温干旱温带半荒漠类[9,28]，优势农业系统为作物/天然草地—家畜综合生产系统[13]。

1.2 试验小区设置

3种小谷物分别为春小麦“永良四号”、燕麦“林娜”、黑麦“甘引一号”，是区域主栽品种。完全随机区组设计，每小区面积为4.5 m×9.0 m，小区间距1 m，4次重复，区组间距2 m。2010年3月23日播种，播种量375 kg/hm，行距25 cm，播深2.5 cm。2010年4月6日出苗。

每小区平均分成2个裂区。一个裂区每20 d刈割一次，以模拟家畜轮牧(simulated grazing，SG)，2010年5月23日首次刈割，留茬高度8 cm，7月21日最后1次齐地面刈割，整个生长期间共刈割4次。播种后、每次刈割后灌水，试验期间共计灌水7500 m3/hm2，每次灌水后追施尿素，总计225 kg/hm。另一裂区全株收获作为干草(making hay，MH)，灌水量与施肥量同模拟轮牧裂区，并且与模拟轮牧裂区每次刈割同步测定生长状况[18]。其他管理同当地农户。

1.3 测定指标

每次刈割时，在每个裂区做2个1 m×1 m样方，SG裂区刈割高度同上，MH裂区齐地面刈割。草样分为两份：1份105 ℃烘至恒重，测定草产量；另1份65 ℃烘48 h，粉碎后过0.425 mm 筛，分析中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗纤维(crude fiber,CF)、粗蛋白(crude protein,CP)、粗脂肪(ether extract,EE)、可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)、粗灰分(Ash)等品质指标[9]。

生长时间指从播种到测定时的天数(d)。

1.4 饲用价值综合评价

1.5 数据处理

用SPSS 21.0，对3种小谷物的生长时间、CP、EE、NDF、ADF、ASH、WSC进行相关性分析，以及回归方程斜率和截距的差异显著性比较，若无显著性差异，将春小麦、燕麦和黑麦的数据合并后拟合，用Microsoft Excel 2010软件绘图。

2 结果与分析

2.1 生长时间和产量、营养成分各指标之间的相关性

春小麦收获干草，生长时间与WSC的相关性不显著(P>0.05)，与其余指标均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)相关水平(表1)。春小麦模拟轮牧，生长时间与FY、ADF、CA的相关性不显著(P>0.05)，与其余指标的相关性均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。

燕麦收获干草和模拟轮牧两种利用方式下，生长时间与所有指标的相关性均呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平(表2)。

表1 两种利用方式下春小麦指标间相关性分析Table 1 Correlationship among the indices of spring wheat under condition of two kinds of using way

FY，草产量 Forage yield (kg/hm2).GT，生长时间 The growth time (d).CP，粗蛋白 Crude protein (%).EE，粗脂肪 Ether extract (%).NDF，中性洗涤纤维 Neutral detergent fiber (%).ADF，酸性洗涤纤维 Acid detergent fiber (%).CA，粗灰分Crude ash (%)。WSC，可溶性碳水化合物Water soluble carbohydrate (%)。*相关性达到显著水平(P<0.05)。Significance at theP<0.05 level.**相关性达到极显著水平(P<0.01)。Significance at theP<0.01 level.右上部分为收获干草Making hay (MH) in the upper right；左下半部分为模拟家畜轮牧Simulated rotational grazing (SG) in the lower left.下同The same below.

表2 两种利用方式下燕麦的各指标间相关性分析Table 2 Correlationship among the indices of oat under condition of two kinds of using way

黑麦收获干草，生长时间与WSC的相关性无显著水平(P>0.05)，与其余指标均呈极显著(P<0.01)相关水平(表3)；模拟家畜轮牧，生长时间与所有指标呈极显著(P<0.01)相关性(表3)。

表3 两种利用方式下黑麦的各指标间相关性分析Table 3 Correlationship among the indices of rye under condition of two kinds of using way

2.2 根据生长时间预测草产量和营养成分

2.2.1 根据生长时间预测草产量 随生长时间的延长，两种利用方式的3种小谷物草产量均呈对数上升趋势。收获干草的春小麦和燕麦升幅(斜率)差异不显著(P>0.05)，黑麦的升幅显著(P燕麦-黑麦<0.01，P春小麦-黑麦<0.05)小于春小麦和燕麦，3种牧草草产量均在122 d左右时达到最大，燕麦(13.48 tDM/hm2)>春小麦(9.89 tDM/hm2)>黑麦(9.27 tDM/hm2)；模拟轮牧，3种牧草草产量在最后一次刈割(122 d)达到最大值，燕麦(9.21 tDM/hm2)>黑麦(8.38 tDM/hm2)>春小麦(6.49 tDM/hm2)，春小麦和燕麦的升幅存在显著差异(P春小麦-燕麦<0.05)，其余两者间的升幅差异不显著(P>0.05)(图1)。

图1 生长时间与牧草产量之间的关系Fig.1 The relationship between the growth time and forage yield不同大、小写字母分别表示3种作物的斜率间差异极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)。若3种作物之间存在显著相关性且无斜率差异，则将3种作物数据合并后拟合。下同。Different capital and lower case letters indicate significant difference of slopes of three crops at P<0.01 and P<0.05 level,respectively.If there is significant correlation among three kinds of crops and slope has not difference,all data will be merged and fitted.The same below.

2.2.2 根据生长时间预测营养成分 3种小谷物收获的干草CP和EE随着生长时间的增加均呈幂函数减少，3者间降幅(斜率)差异不显著(P>0.05)；随着生长时间的延长，NDF呈对数上升趋势，燕麦NDF的升幅显著(P燕麦-春小麦<0.05，P燕麦-黑麦<0.05)高于春小麦和黑麦，ADF呈多项式规律变化，3种作物间升幅差异不显著(P>0.05)；Ash含量随生长时间呈对数下降趋势，燕麦的降幅显著高于春小麦和黑麦(P燕麦-春小麦<0.001，P燕麦-黑麦<0.05)，其余两者降幅差异不显著(P>0.05)(图2)。

图2 收获干草的小谷物(MH)生长时间与饲用成分的关系Fig.2 The relationship of the growth time and forage ingredient under condition of making hay (MH)

利用生长时间(d)预测3种牧草模拟轮牧的各饲用成分(图3)。牧草中CP和EE随着生长时间的延长呈对数减少趋势，3种牧草CP的降幅无显著差异(P>0.05)，燕麦和黑麦的EE降幅差异显著(P燕麦-黑麦<0.05)，其余两者之间降幅差异不显著(P>0.05)；NDF随生长时间增加呈显著对数上升，ADF两者之间的升幅斜率均无显著差异显著(P>0.05)；燕麦和黑麦的Ash随生长时间的延长显著呈线性下降趋势，降幅无显著差异(P>0.05)，春小麦的Ash随生长时间变化规律不显著，且其斜率与燕麦、黑麦存在显著性差异(P燕麦-春小麦<0.01，P春小麦-黑麦<0.001)；WSC呈幂函数上升，两者之间均无显著性差异(P>0.05)。

2.3 不同利用方式的饲用价值评级

用于收获籽实的3种作物，饲用价值总体呈下降趋势(图4)。春小麦、燕麦在生长至122 d左右降至最低，春小麦(1.25)<燕麦(1.38)，黑麦先下降后上升，春小麦、燕麦、黑麦平均饲用价值等级分别为：1.48、1.52、1.30，综合草产量和饲用价值考虑，春小麦和燕麦在生长到102 d左右收获，黑麦在生长至122 d左右收获，可将小谷物利用效率最大化；用于模拟家畜轮牧小谷物的饲用等级，春小麦、黑麦呈 “波浪形”变化趋势，先下降后增加再下降至最小值，分别为：1.62、1.34，燕麦则持续增加至1.90，3种作物平均饲用价值等级分别为：1.60、1.80、1.39。

图3 模拟轮牧的小谷物(SG)生长时间与牧草饲用成分关系Fig.3 The relationship of the growth time and forage ingredient under condition of stimulated rotational grzaing (SG)

图4 两种利用方式下3种作物的饲用价值评级Fig.4 Three crops of forage value rating under two utilization ways

3 讨论

3.1 饲用价值的评价

利用《草业科学研究方法》中饲用价值评级方法评价3种作物在不同利用方式下的饲用价值[35-37](图4)。在评级过程中将各饲用指标具体等级略做调整。由于二十多年前家畜大多以秸秆作为主要粗饲料，其粗纤维含量较高，营养价值低[38-44]，而现在随着草地农业不断发展，营养价值更高的饲料增多[45-48]，因此改进了牧草营养品质等指标对饲用价值评价方法[20,49-53]。

3.2 小谷物在草地农业系统中的作用

在作物尺度上，耕地农业系统中的粮食作物或经济作物发挥多功能性，小谷物的副产品和废弃物用于家畜生产，草地农业只是附庸于耕地农业[59]。在耕地(农户)尺度上，劣质耕地或季节性闲田种草，虽然以粮食生产为主，但粮草兼顾，草地农业在耕地农业的夹缝中获得一席之地，小谷物的饲用价值得以重现[12]。本项研究结果显示，在大尺度上(区域或国家)规模化的草地农业系统中，小谷物可以生产较多的干物质和粗蛋白(图1～3)[1]，为植物生产和动物生产的系统耦合提供物质基础，草地农业与耕地农业并存而互惠[54]。

3.3 小谷物在粮改饲中的作用

耕地农业转变为草地农业，这种结构转型可看作“粮改饲”。小谷物助力“粮改饲”有以下途径：秸秆的利用，将秸秆直接用于草食家畜，或者经过青贮等加工调制，改善饲用性状[55]，随着农业系统的不断进化，这种用途逐渐缩减为特定家畜或其特定生产阶段；粮饲两用，小谷物在生长的特定条件下用于家畜生产，最终生产粮食[56]，提高农业资源的利用效率；小谷物与豆科等其他作物草田轮作或复种，利用小谷物生长速度快、产量高的优点，提高耕地的生产力，也可以利用小谷物他感作用较强的特点，灭除耕地杂草，节约生产成本，提高经济效益[57-58]；或将小谷物直接作为饲草，通过放牧、刈割等方式利用[59]。这一定程度上可以看作农业系统的进化，本研究表明生产实践中，小谷物可以作为“粮改饲”的“先锋”。

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Using maturity to predict forage yield and nutritional quality of forage cereals in the Jingtai Oasis

DUAN Qian-Wen,CHENG Hui,HOU Fu-Jiang*

CollegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China

The yield and nutritional quality of spring wheat,oats and rye in the Jingtai Oasis was assessed in a trial planted in 2010.Measurements included calendar time and production data to harvest maturity,crude protein,crude fat,neutral detergent fiber,acid detergent fiber,ash and soluble carbohydrate content.The relationships among time to maturity and feeding value traits were also determined.The result showed that yield and nutritional quality of forage was able to be predicted by growth duration.Feed value and crude protein yield resulting from simulated grazing were assessed as significantly higher than making hay from the forage.The results provided a scientific basis for the production of cereal forages in an oasis environment.

oat(Arrhenatherumelatius);rye (Secalecereale);spring wheat (Triticumaestivum);forage yield;grazing;hay;cutting;prediction model

10.11686/cyxb2016311 http://cyxb.lzu.edu.cn

段倩雯,成慧,侯扶江.景泰绿洲三种小谷物生长时间对牧草产量和营养品质的预测.草业学报,2017,26(6):185-194.

DUAN Qian-Wen,CHENG Hui,HOU Fu-Jiang.Using maturity to predict forage yield and nutritional quality of forage cereals in the Jingtai Oasis.Acta Prataculturae Sinica,2017,26(6):185-194.

2016-08-18；改回日期：2016-11-28

教育部创新团队“草地农业系统耦合与管理”(IRT13019)，公益性行业(农业)科研专项(201403071-6)，甘肃省2016年草牧业试验试点和草业技术创新联盟科技支撑(GCLM2016001)和中央高校基本业务费(lzujbky-2014-82)资助。

段倩雯(1992-)，女，甘肃兰州人，在读硕士。E-mail:duanqw15@lzu.edu.cn

*通信作者Corresponding author.E-mail:cyhoufj@lzu.edu.cn