干旱条件下氮磷添加对羊草干草产量及饲用品质的影响

李文晶， 王俊锋*， 高晓荻， 石玉杰， 穆春生

(1. 东北师范大学生命科学学院草地科学研究所植被生态科学教育部重点实验室，吉林松嫩草地生态系统国家野外科学观测研究站， 吉林 长春 130024；2. 吉林省气象台， 吉林 长春 130062)

化学合成肥料添加(尤其是氮磷肥)是提高作物产量和品质的重要措施。氮(Nitrogen,N)是限制草地生物量生产的营养物质之一，添加氮素不仅可以增加提高植物光合作用、提高植株总产量，还可以改变植物体内营养成分含量[1-4]，如增加植物的粗蛋白质含量等[5-6]。自然条件下，土壤中磷素(Phosphorus,P)主要来源于矿物岩石的矿化[7]。研究发现在植物关键的生长阶段，土壤中的速效磷含量与小麦等作物产量[8],狗牙根等多年生植物的地上净初级生产力[9]呈显著正相关关系。一般而言，生态系统中磷与氮具有功能耦合性，氮添加会提高土壤以及植物体内磷的活性，加快磷在陆地生态系统中的循环速率[10]，且这种耦合性对植物生长的促进作用往往依赖于土壤水分状况。当前，以降雨格局变化为代表的全球气候变化正在发生[11-14]，并对各国草牧业发展持续产生巨大影响。地处我国北方的农牧区降雨较少，且近年来干旱化趋势较为明显[15-16]。因此，探索未来草地在干旱条件下，氮磷添加对植物生长和品质的影响，不仅对人工草地的养分管理具有重要意义，而且可为天然草地生产力提升具有重要借鉴意义。

羊草(Leymuschinensis)属禾本科赖草属多年生根茎型植物，具有发达的根状茎，叶量大、营养丰富、适口性好，为牛羊等家畜所喜食，被广泛的作为优质牧草使用[17-18]。该草一般在4月中上旬返青、5月下旬抽穗、6月上旬开花、7月下旬到8月初种子成熟，是欧亚大陆草原区东端草甸草原的建群种，具有抗逆、耐牧、优质和高产等特点[19-20]。本试验以羊草为研究对象，研究不减雨及减雨条件下氮磷添加对其产量和品质的影响，以期阐明羊草草地在干旱化条件下的适应性施肥措施。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.2 试验设计

本试验于2018年6月3日开始进行，为随机区组试验。此时羊草正处于抽穗末期，生长发育速度逐渐加快。设置降水量(对照、减雨30%)，氮添加(N:0、纯氮100 kg·ha-1·a-1)、磷添加(P:0、纯磷100 kg·ha-1·a-1)3个因素，共计8个处理，每个处理6次重复。氮素类型为含氮量为35%的硝酸铵，磷素类型为含磷量为12%的过磷酸钙。氮、磷的添加量根据之前羊草草地的施肥结果进行添加。营养添加在6，7，8月份进行，每月每盆用天平分别称0.67 g氮肥和2.23 g磷肥，将肥料溶入水中(水量依据设计梯度计算)，每月共施3次。

以盆栽控制试验的方式进行，每盆30株羊草。试验开始前，统计东北师范大学松嫩草地生态研究站附近50年的降雨数据(来源于东北师范大学松嫩草地生态研究站气象站)，计算不同年份每月的平均降雨量，并将其设置为对照(D0)。以对照为基础，设置减雨量30%处理(D1)。依据过去50年的降雨量(6，7，8月平均降雨量为70.1 mm，145.8 mm，98.3 mm)和降雨量大于0.1 mm的降雨次数，本试验设计的每个月的模拟浇水次数和降水量见表1。

表1 降水量和浇水次数

1.3 取样与测定方法

2018年8月29日，羊草地上生物量达到稳定期时，将每盆中所有羊草齐地面刈割，分别放入信封中置于65℃烘箱烘干至恒重，获得羊草产量[21]。在测定羊草蛋白质含量时，首先用石墨消解仪对植物样品进行消解(SH420F,AMS,France)，然后利用全自动间断化学分析仪(SmartChem450,AMS,France)测定羊草含氮量，最后将含氮量折算为蛋白质含量[22]。中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维以及酸性洗涤木质素均利用M6纤维分析仪进行测定[23]。羊草灰分利用马弗炉在550℃条件下灼烧植物样品测定，粗脂肪含量利用索氏抽提法进行测定[24]。

1.4 数据处理

所有的试验数据均采用SPSS20.0(SPSS InstituteInc.,Chicago,IL,USA)软件进行统计分析。干旱、氮、磷处理以及交互作用对各指标的影响用一般线性模型三因素方差分析得出。D0和D1条件下，不同养分添加处理间的差异用Duncan多重比较得出。同一营养添加处理下，D0与D1间的差异用独立样本T检验得出。显著性检验均采用P=0.05水平。所有数据均采用SigmaPlot12.5做图。

2 结果与分析

2.1 不同营养添加对羊草产量的影响

羊草产量受到氮添加主效应的极显著影响(P<0.01)及干旱和氮×磷交互效应的显著影响(P<0.05)(表2)。对照降雨条件下，氮添加与氮磷同时添加分别使羊草产量显著增加79.86%，97.08%(P<0.05)(图1)；减雨条件下，氮添加与氮磷同时添加时分别使羊草产量显著增加56.35%，77.08%(P<0.05)。无论在对照还是减雨条件下，磷添加对羊草产量都没有显著影响。

表2 干旱、氮、磷添加以及3者交互作用对羊草饲用品质影响的方差分析

图1 营养添加与干旱对羊草干草产量的影响

2.2 不同营养添加对羊草饲用品质的影响

2.2.1粗蛋白含量羊草的粗蛋白含量受到氮、磷添加主效应的极显著影响(P<0.01)及干旱×氮交互效应的显著影响(P<0.05)(表2)。对照降雨条件下，氮添加处理下羊草粗蛋白含量最高，为9.6%，较不添加处理增加3.2%，氮磷同时添加时粗蛋白含量次之，为8.9%，较不添加处理增加2.5%，而单独磷添加对粗蛋白含量无明显影响(图2a)。减雨条件下，羊草粗蛋白含量的变化与对照降雨条件下的变化趋势相同。

2.2.2粗脂肪含量 羊草的粗脂肪含量受到氮添加和磷添加的极显著影响(P<0.01)(表2)。对照降雨条件下，氮添加、氮磷同时添加处理分别使羊草粗脂肪含量显著增加0.8%，1%(P<0.05)，而单独磷添加对粗脂肪含量无明显影响(图2b)。减雨条件下，氮磷同时添加时粗脂肪含量最高，为4.3%，较不添加处理增加1.3%。

2.2.3中性洗涤纤维含量 羊草的中性洗涤纤维含量受到干旱×磷显著影响(P<0.05)及干旱×氮×磷交互效应的极显著影响(P<0.01)(表2)。对照降雨条件下，氮添加使羊草中性洗涤纤维含量显著降低了5.0%(图3a)。减雨条件下，氮磷同时添加处理使羊草中性洗涤纤维含量显著降低6.1%。氮磷同时添加时，对照降雨和减雨处理之间差异显著，减雨并氮磷同时添加处理时中性洗涤纤维含量显著低于对照降雨并氮磷同时添加处理。

图2 营养添加与干旱对羊草粗蛋白和粗脂肪含量的影响

2.2.4酸性洗涤纤维含量 羊草的酸性洗涤纤维含量受到氮添加主效应的极显著影响(P<0.01)以及干旱、氮×磷、干旱×氮×磷交互效应的显著影响(P<0.05)(表2)。对照降雨条件下，单独磷添加对羊草酸性洗涤纤维含量有增加效应且含量最高，为37.2%，较不添加处理增加了3.6%(图3b)。减雨条件下，氮添加、磷添加和氮磷同时添加对酸性洗涤纤维含量均无明显影响。磷添加时，对照降雨比减雨时羊草酸性洗涤纤维含量显著增加4.1%。

2.2.5酸性洗涤木质素含量 羊草的酸性洗涤木质素含量受到磷添加主效应的极显著影响(P<0.01)(表2)。对照降雨条件下，单独磷添加时羊草酸性洗涤木质素含量最高，为22.2%，氮磷同时添加时酸性洗涤木质素含量最低，为2.9%，较不添加处理显著降低10%(图4)。减雨条件下，羊草酸性洗涤木质素含量的变化与对照降雨时的变化趋势相同。

图3 营养添加与干旱对羊草中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量的影响

图4 营养添加与干旱对羊草酸性洗涤木质素含量的影响

2.2.6灰分含量 羊草的灰分含量受到干旱、氮添加和磷添加的极显著影响(P<0.01)以及氮×磷交互效应显著影响(P<0.05)(表2)。对照降雨和减雨条件下，单独磷添加时羊草灰分含量最高分别为7.4%和6.8%，较不添加处理分别增加了1.1%和1.0%(图5)。其他处理对灰分含量没有显著影响。

图5 营养添加与干旱对羊草灰分含量的影响

3 讨论

3.1 营养添加对生物量生产的影响

在草地生态系统中，氮磷肥是影响牧草生产的重要因素。许多研究表明，氮磷肥添加在增加牧草产量的同时亦可提高牧草品质[25-26]。本试验结果表明，不论降雨量如何变化，氮添加和氮磷同时添加均可提高羊草产量，而磷添加时对羊草产量无明显影响，这与前人的研究结果不一致[27-28]，其原因可能是土壤对磷素具有强烈的固定作用，大部分磷肥以非活性形态累积在土壤中[29]，成为限制羊草产量提高的主要因素。从试验结果中可以看到，对照条件下，氮磷添加时羊草产量比减雨时的影响更明显，说明氮磷对羊草生产力的作用更依赖于土壤中水分的含量。

3.2 营养添加对牧草品质的影响

优质牧草一般都具有较高粗蛋白和粗脂肪等特点，粗蛋白反映了牧草能够满足动物蛋白质需求的能力，而粗脂肪不仅是热能的主要来源，还具有芳香气味，是衡量牧草适口性的重要参数[30-31]。与不添加营养相比，草地氮添加和氮磷同时添加时可以增加粗蛋白和粗脂肪含量，使饲草品质升高，这与前人研究结果一致[2,32]。合理的添加磷肥能够使植物茎枝坚韧，促使花芽形成，并能使植物生长发育良好、多发新根，提高对外界不良环境的抵抗能力。在本试验中，磷添加对粗蛋白和粗脂肪含量无显著影响，其原因可能与土壤水分相对不足，磷素在缺水的情况下对植物生长不起作用有关[33]。

牧草营养品质很大程度上取决于洗涤纤维的含量，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维主要包括纤维素、半纤维素、木质素和硅酸盐，其含量高低影响家畜采食量及家畜对牧草的消化率情况。中性洗涤纤维含量太高对干物质采食量产生负效应[34]，其含量越高适口性越差[35]；酸性洗涤纤维含量与养分消化率成负相关，直接影响家畜对牧草的消化率[36]。本试验结果表明无论干旱与否，施氮能明显改善羊草的产量和饲用品质。然而，在干旱情况下(即减雨时)添加氮磷元素并不影响羊草酸性洗涤纤维含量，而在正常降雨情况下(即对照)，添加磷素则会略微增加酸性洗涤纤维含量、酸性洗涤木质素及灰分含量，这说明磷对改善羊草饲用品质的作用更依赖于土壤中水分的含量。因此，在羊草草地施肥管理中，应少施磷肥，并注重水分管理，水肥的有效配合是提高羊草产量和品质的关键。

4 结论

氮添加和氮磷同时添加均能促进羊草地上生物量，并提高饲用品质。单独磷添加对羊草的生产力和饲用品质无明显影响。在实际生产中，考虑到草地土壤普遍较为干旱的情况，为了提高羊草生产力和营养品质，在施肥管理过程中，不建议单独添加磷肥，应重点考虑氮素管理。