施肥对黄土高原紫花苜蓿产量及品质的影响

陈香来，潘 佳，陈利军，袁 祯，胡小文

（兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室 / 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室 /兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

紫花苜蓿(Medicago sativa)是一种重要的多年生豆科草本植物，其产草量高，草质优良，营养含量高，适口性好，具有较高的饲用价值，被广泛用作饲料与牧草[1-2]。紫花苜蓿是全球种植面积最大的多年生作物之一，也是世界分布最广、栽培历史最悠久的饲草作物之一。

施肥是保证苜蓿田持续利用和高产的有效手段[3]。氮、磷、钾的合理施用量及配比是提高苜蓿对肥料利用率，增加苜蓿产量，提高苜蓿品质的重要因素[4]。施肥对苜蓿产量及品质的影响已被广泛研究。尚晨等[5]通过在黑龙江对苜蓿进行施肥研究表明，刈割后施肥可以显著提高苜蓿产量，但对苜蓿粗蛋白含量无显著影响。胡华锋等[6]在河南通过研究氮、磷、钾配施对苜蓿饲草产量与微量元素营养的影响，结果表明，氮、磷、钾肥配施效果显著优于单施，且能提高苜蓿草产量及铁、锰等微量元素的含量。在宁夏的研究结果显示，施氮肥可达到明显的增产效果，施磷肥效果不显著，过量施钾肥导致草产量降低[7]。Jone 等[8]研究表明，施加磷肥可提高苜蓿产量，然而添加微量元素则不会增加苜蓿产量。Berg 等[9]研究发现，磷肥和钾肥通过改善苜蓿本身的生产性能和其生长的持久性，进而达到增产的效果。Hakl 等[10]研究表明，在磷肥和钾肥施量不变的条件下，苜蓿产量随氮肥的添加呈现减产趋势。综合国内外研究表明，施肥对苜蓿产量和品质的影响因其栽培区域与土壤环境不同而表现各异。因而，针对特定区域，开展施肥对苜蓿产量和品质的影响对于其栽培利用具有重要的生产实践价值。

紫花苜蓿在我国黄土高原地区具有1 000 多年的种植历史[11-12]。但长期以来，在黄土高原地区特别是传统农区，紫花苜蓿通常只是作为一种辅助性的饲草来源在边际土地上进行种植，苜蓿栽培普遍存在管理粗放、单产不高、品质差、经济效益低等问题[13-14]，这在一定程度限制了苜蓿这一优质饲草资源在当地的利用。基于此，本研究通过连续3 年的试验探讨不同氮、磷、钾施肥配比对苜蓿产量及品质的影响，以期为黄土高原区苜蓿生产提供最佳施肥方案和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于兰州大学庆阳黄土高原试验站(35°40′ N，107°52′ E)，属于典型的大陆性气候，海拔1 146 m，年均降水量562 mm，全年降水的70%集中于7 月- 9 月，年均潜在蒸发量1 504 mm，≥10 ℃年平均积温为3 446 ℃·d，极端最高气温39.6 ℃，极端最低气温为-22.4 ℃，无霜期161 d，生长季225 d[15]。试验地土壤全氮含量0.6 g·kg-1，速效磷含量23.0 mg·kg-1，速效钾含量179.4 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1 供试材料

供试苜蓿品种为甘农3 号。2015 年9 月8 日播种，自2016 年开始测定苜蓿干草产量和品质，连续测定3 年。施用肥料：尿素，含N 46%；过磷酸钙，含P2O516%；硫酸钾，含K2O 51%。

1.2.2 试验设计

施肥设置氮、磷、钾3 个因子，每个因子4 个水平，其中N：0、50、100 和50 kg·hm-2，分别记为N0、N1、N2和N3；P2O5：0、60、120 和180 kg·hm-2，分 别 记 为P0、P1、P2和P3；K2O：0、60、120 和180 kg·hm-2，分别记为K0、K1、K2和K3。共30 个处理(表1)，每个处理重复3 次，共90 个小区。田间试验采用随机区组设计，小区面积为4 m × 5 m，小区间隔0.5 m。

1.2.3 栽培与施肥管理

于2015 年9 月8 日条播，行距30 cm，播量为22.5 kg·hm-2。播 种 当 年 不 施 肥，于2016、2017、2018 年进行施肥处理，1/2 的氮肥、全部的磷肥和钾肥混合，在返青时一次性施入，第1 次刈割后追肥1/2 的氮肥，开沟条施。整个试验期不进行人工灌水处理。每年头茬在初花期进行刈割，而后每45 d 刈割1 茬，共3 茬。

1.2.4 测定项目及方法

鲜、干重测定：在初花期开花数为10%时刈割，各小区收割面积为9 m2，留茬5 cm 左右，称鲜重，并随机称取各处理的鲜草300 g 左右，试验室杀青后置于65 ℃烘箱烘干至恒重，测其干重，得到鲜干比，进而换算出其干草产量。最后将干草样用粉草机粉碎，置于自封袋中，用作牧草品质分析。

品质测定：2016、2017 年使用KDN-103F 半自动凯氏定氮仪采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量[16]；用ANKOM2000 纤维分析仪测定中、酸性洗涤纤维含量[17]；用干灰分法测定粗灰分含量[18]。研究表明，国标法与NIR 光谱测定品质，相对误差小于5%[19]。2018 年 使 用FOSS 公 司 的NIR System 5000近红外光谱分析仪扫描分析品质。工作参数：波长范围1 100-2 500 nm，波长间隔2 nm，每个样品重复装样及扫样3 次，取平均值，并转化为lg1/R形式记录光谱数据。定标软件为 WinI-SIⅢ，工作条件室温25 ℃稳定[20]。

表 1 各处理施肥量Table 1 Fertilizer treatment

1.3 数据分析

将2016、2017、2018 年干草产量直接相加得出3 年干草产量，运用SPSS 21.0 软件对数据进行统计分析，对氮、磷、钾肥的主效应和互作效应进行方差分析，采用LSD 法进行多重比较，利用Excel 2010 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 施肥对紫花苜蓿产量的影响

2.1.1 不同施肥处理对紫花苜蓿草产量的影响

2016、2017、2018 各年以及3 年干草产量，施肥处理均高于对照处理(N0P0K0)，不同年份间施肥影响效果各异(表2)。2016 年产量数据显示，施肥处理均显著提高了苜蓿干草产量(P＜0.05)，增产幅度为9.6%～44.0%，其中，N2P3K2处理干草产量最高，为14.66 t·hm-2，对照处理干草产量最低，为10.18 t·hm-2。2017 年产量数据显示，23 个施肥处理显著高于对照处理(P＜0.05)，增产幅度为13.4%～57.5%。N1P2K1处理干草产量最高，为13.70 t·hm-2，对 照 处 理 产 量 最 低，为8.70 t·hm-2。2018 年 产量 数 据 显 示，N0P1K0、N0P2K0、N1P0K1、N1P1K0、N1P2K1、N1P2K2等10 个处理干草产量显著高于对照(P＜0.05)，增产幅度为10.1%～37.5%。其中，对照处理干草产量为8.85 t·hm-2，N1P2K1处理干草产量最高，为12.16 t·hm-2。

2.1.2 主效应和互作效应的差异显著性分析

氮、磷、钾肥的主效应和互作效应方差分析结果显示(表3)，钾肥对苜蓿干草产量无显著影响(P ＞0.05)，而氮肥和磷肥能显著增加苜蓿干草产量(P ＜0.05)。施氮肥显著增加了2016 年和2017 年干草产量，施磷肥显著增加了2016 年和2018 年干草产量。氮肥和磷肥的互作对对2016 年干草产量有显著影响(P＜0.05)，对3 年干草产量无显著影响(P ＞0.05)。

氮肥各水平间的多重比较显示(表4)，当氮肥水平为50 和100 kg·hm-2时，3 年干草产量均显著高于0 和150 kg·hm-2水平(P＜0.05)。磷肥各水平间的多重比较显示，当磷肥水平为120 kg·hm-2时，3 年干草产量显著高于0 kg·hm-2水平(P＜0.05)，与60 和180 kg·hm-2水平接近(表5)。

表 2 氮、磷、钾配比施肥对紫花苜蓿干草产量的影响Table 2 Effects of combinations of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer on hay yield of alfalfa

2.1.3 不同施肥处理对3 年紫花苜蓿干草总产量的影响

利用3 年总干草产量与施肥处理进行二次肥料效应函数的拟合，建立了氮、磷、钾3 种肥料用量与产量的回归方程Y = 3.312 + 2.596 N + 2.513 P +2.546 K + 1.168 N2+ 3.106 P2+ 1.554 K2-2.895 NP -1.836 NK + 1.364 PK。经过F 检验，3 年产量F 值为4.60，达到极显著水平(P＜0.01)，表明上述模型拟合性好，可用于决策苜蓿的合理施肥。通过对肥料效应函数进行求解，获得不同函数类型下的最高产量与适宜施肥量。可获得的最高年产量(Y)为41.18 t·hm-2，其相应施肥方案为N 68.3 kg·hm-2、P2O5130.7 kg·hm-2、K2O 55.0 kg·hm-2。

2.2 施肥对紫花苜蓿品质的影响

从3 年苜蓿品质的均值分析可得，随年际增加，粗蛋白含量和相对饲用价值呈先上升后下降趋势，中性洗涤纤维含量呈下降趋势，酸性洗涤纤维含量呈先下降后上升趋势，粗灰分含量无明显变化(表6、表7)。施肥处理对2016、2017、2018 年苜蓿干草粗蛋白含量均有显著影响(P＜0.05)，且各施肥处理影响效果各异。2016 年，N2P2K0处理粗蛋白含量最高，为19.18%，较对照增加了39%；2017 年，N1P2K1处理粗蛋白含量最高，为19.54%，较对照增加了47%；2018 年，N2P1K2处理粗蛋白含量最高，为19%，较对照增加了31%。施肥处理显著影响了中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量(P ＜0.05)，与对照相比，2016、2017 和2018 年中性洗涤纤维含量最大降幅分别为21%、22%和22%，酸性洗涤纤维含量最大降幅分别为24%、23%和22%。施肥显著提高了苜蓿相对饲用价值(P＜0.05)，相对饲用价值因施肥处理不同表现各异，2016、2017和2018 年最大增幅分别为27%、23%和26%。粗灰分含量随年际增加无明显变化，且各施肥处理间无显著差异(P ＞ 0.05)。

表 3 氮、磷、钾配比施肥对紫花苜蓿干草产量影响的方差分析Table 3 Variance analysis of the hay yield of alfalfa fertilized with various combinations of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer

表 4 氮肥各水平间的多重比较Table 4 Multi-comparison of the hay yield of alfalfa among different nitrogen levels

表 5 磷肥各水平间的多重比较Table 5 Multi-comparison of the hay yield of alfalfa among different phosphorus levels

3 讨论

草产量是衡量牧草生产性能的重要指标。本研究中，3 年苜蓿干草产量具有一定的差异，这说明年限差异会对产量造成一定影响[21]。温洋[22]通过研究磷、钾施肥配比对苜蓿产量的影响，发现第1 年与第2 年具有基本一致的生长规律，且第2 年较第1 年增产34.6%。但在本研究中，苜蓿干草产量随年际增加呈下降趋势，且3 年氮、磷、钾配比施肥造成的产量变化规律不一致，造成这一结果的原因可能与施肥的苜蓿地土壤肥力高低有关。研究表明，在低肥供应能力的土壤上施加适量的氮、磷、钾肥有利于苜蓿增产，而在土壤肥力较高的土壤上施肥则会导致草产量降低[23]。本研究显示，2016 年首次施肥显著提高了干草产量(P ＜0.05)，这说明该试验地在施肥前，土壤肥力相对较低，不能够满足苜蓿正常生长所需。在2017 年和2018 年施肥后，干草产量呈下降趋势，这说明在施肥第2 年，该试验地的土壤肥力已经达到苜蓿生长的需要，过量的施肥则会导致干草产量下降。此外，苜蓿受年降水量的影响，产草量波动较大[24]。庆阳地区年降水量数据显示，2016 年降水量为577 mm，2017 年降水量为522 mm，2018 年降水量为497 mm，这说明降水量的减少影响了苜蓿生长，这有可能是导致苜蓿干草产量随年际增加呈下降趋势的原因。

表 7 不同施肥处理对紫花苜蓿相对饲用价值和粗灰分含量的影响Table 7 Effects of fertilizer treatment on relative feeding value of alfalfa

氮肥可以提高苜蓿草产量[25-26]。施氮肥显著提高了苜蓿3 年的干草产量(P＜0.05)，其中对2016年和2017 年干草产量具有显著影响(P＜0.05)，这一结果与成红等[27]的研究结果相似，然而对2018 年干草产量无显著影响(P ＞ 0.05)，这说明苜蓿在生长发育过程中可以形成根瘤菌，并进行固氮作用，对根瘤菌已经形成的苜蓿地过量施氮肥，这并不能显著提高干草产量甚至产生负效应[28-29]。随着氮肥施入量的增加，苜蓿干草产量呈先上升后下降趋势，这说明氮肥施量过高，导致根系产量减少，根系形态发育改变，进而影响到幼苗生长而减产[30]。施磷肥能够增加苜蓿根重、增加根瘤菌数，有效提高苜蓿鲜干草产量[31]。本研究中，在土壤缺磷时施适量的磷肥可显著提高苜蓿干草(P＜0.05)，施磷量为180 kg·hm-2时，干草产量降低，这说明干草产量随施磷量增加而增加，超出范围后产量呈下降趋势[32]。研究表明，高氮、高磷、高钾条件则会导致草产量大幅度下降[33]，说明过量施氮、磷、钾肥不能提高干草产量，而且造成肥料的浪费。综上所述，在黄土高原区，氮肥的施肥量不宜超过100 kg·hm-2, 磷肥的施肥量不宜超过180 kg·hm-2。

本研究表明，不同年际间苜蓿品质差异不大，这与苗福泓等研究结果相似[34]。牧草蛋白质含量是评价饲草质量的重要指标，粗蛋白含量越高，中性洗涤纤维含量越低，适口性高，易消化，故营养价值越高[35]。本研究结果基本反映了上述研究观点，施肥显著增加粗蛋白含量，降低中性洗涤纤维与酸性洗涤纤维含量，提高相对饲用价值，但对粗灰分含量无明显影响。不施氮肥条件下，粗蛋白含量随磷肥和钾肥的增加而增加，原因可能是磷肥能增加根瘤菌数，进而增强固氮作用[36]，钾肥能增加苜蓿生物产量，进而增加了粗蛋白含量[37]。施氮量为100 和150 kg·hm-2，粗蛋白含量随磷肥增加而降低，这可能是因为已经形成了以磷促氮的效果，过量的氮肥反而降低了苜蓿品质[38]。粗蛋白含量随钾肥的增加无明显变化，这可能是由于黄土高原区土壤钾含量较高，足以满足紫花苜蓿的正常生长，过高的钾含量则会抑制紫花苜蓿生长[39]。综合前人研究与本研究结果，适当施用氮、磷、钾肥能够提高紫花苜蓿的品质。

4 结论

合理的配比施肥可有效提高黄土高原区紫花苜蓿产量与品质。年际不同，则各施肥处理对苜蓿干草产量和品质的影响效果亦表现各异。随年际增加，苜蓿干草产量整体呈下降趋势，首次施肥苜蓿产量最高为14.66 t·hm-2，第2 年为13.70 t·hm-2，第3 年为12.16 t·hm-2。基于3 年干草总产量与施肥处理的函数关系得出，施氮肥68.3 kg·hm-2、磷肥130.7 kg·hm-2、钾肥55.0 kg·hm-2，可获得最高年产量41.18 t·hm-2。综合3 年的苜蓿品质数据，施肥能增加粗蛋白含量，降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，提高相对饲用价值，而粗灰分含量无明显变化，其中，N2P2K0处理下粗蛋白含量最高。