河西走廊多年生豆禾混播对牧草产量和品质的影响

王小军，曹文侠，王世林，李小龙，李 文，刘玉祯，王辛有

（1.甘肃农业大学草业学院/ 草业生态系统教育部重点实验室/ 中−美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070；2.青海省畜牧兽医科学院(青海大学畜牧兽医科学院) / 青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室，青海西宁 810016）

我国西部重要生态安全屏障祁连山与河西走廊构成了独特的山地牧业系统与绿洲农牧业耦合系统，成为我国重要的农牧业生产基地[1]。近年来，随着过度放牧和不合理的开发利用，使天然草地生态环境加剧退化，严重地制约和影响了畜牧业生产的持续稳定发展[2]。随着禁牧、休牧政策的实施，短期内一定程度上加剧了区域草畜矛盾，多样化优质饲草的严重缺乏也制约着河西走廊草地畜牧业的高质量发展。此外，河西走廊生态严酷，水资源日益紧缺[3]，长期种植高耗水农作物，加之冬春季地面裸露，蒸发量大，土壤盐碱化、沙化严重，出现土地撂荒。结合河西走廊自然生态条件和经济利用目标，选择适宜草种建植多年生栽培草地[4]，形成群落结构稳定的高产混播草地，可解决河西走廊荒漠绿洲区草食畜牧业优质饲草料缺乏的问题，承接天然草地退牧还草和家畜冬季补饲。同时，高产混播草地还可发挥冬春季地面覆盖作用，降低土地盐碱化。

豆科和禾本科牧草的混播草地以其较高的生产力和均衡的营养品质而备受重视[5]。豆禾混播不仅可以提高土壤肥力[6]，减少工业氮肥的施用，降低生产成本，也可以在一定程度上遏制土壤的进一步盐碱化[7]，是预防及治理土壤沙化及盐碱化的有效途径之一，在提高土地资源高效利用的同时，兼顾生态功能。混播草地是发展现代草牧业的物质基础[5]，不仅可大幅度提高产草量和改善牧草品质[8]，还可以缓解当地天然牧场的放牧压力，使天然草地得到休养生息。豆禾混播草地可解决豆科牧草不易制作青贮饲料的难题，既能提高牧草产量和营养价值，又有利于牧草贮藏和利用[9]。

目前，关于豆禾混播草地的研究主要集中在品种搭配、混播比例、群落特征及土壤理化性质等方面，牧草产量及营养物质产量仍是混播草地的核心问题[8-11]。有研究认为，选择合适的混播组合能够有效提高草地光能利用率，保证豆禾混播草地达到优质、高产的目的[12-14]。Lithourgidis等[15]研究认为，牧草混作产量一般较单作提高14%；郑伟等[6]发现豆禾牧草混播有利于改善土壤速效氮、磷养分的供应；苜蓿与禾草混播对盐碱地还有较好的改良作用[7]。但豆禾混播栽培草地存在着草种单一、混作草种组合不科学[16-17]、草地生产力不高、稳定性差[18]等问题，在内陆荒漠绿洲区盐碱地的混播仍少有研究。基于此，本研究在河西走廊荒漠绿洲盐碱地，探索了多年生豆禾混播牧刈兼用型栽培草地建植的可行性，通过对不同组合多年生豆禾混播栽培草地的产量和饲草品质特征的比较研究，以期为该区域建植优质高产的多年生豆禾混播草地提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于酒泉市肃州区铧尖乡漫水滩(98°48′81.80″E，39°40′12.05″N)。该地区属典型的大陆性气候，年最高气温为38 ℃，最低气温为−31.6℃，年均温为7.9℃，昼夜温差大。年均降水量87.7 mm，雨量季节分配不均，夏季降水量为48.4 mm，占全年降水量的56.7%，年均蒸发量为2 148.8 mm[19]。年均日照时数为3 033.4 h，平均每天可照射时数8.3 h。无霜期短，平均130 d，最长151 d，最短105 d。试验前土 壤基况：总盐含量 为7.82 g·kg−1，pH 为7.83，有机质含量为3.13 g·kg−1，碱解氮含量为24.87 mg·kg−1，速效磷含量为57.67 mg·kg−1，速效钾含量为118.12 mg·kg−1。

1.2 试验设计

1.2.1试验材料

试验材料为不同豆科和禾本科栽培草种。豆科牧草为紫花苜蓿(Medicago sativa)和红豆草(Onobrychis viciifolia)，由甘肃农业大学草业学院师尚礼教授提供，紫花苜蓿“清水”(‘Qingshui’)根茎发达，适合建植放牧型草地[20]；禾本科牧草为长穗偃麦草(Elytrigia elongata)和无芒雀麦(Bromus inermis)，由北京正道种业有限公司提供。

1.2.2试验设计

2016年9月，采用中型耕地机翻耕，翻耕深度为30 cm，翻耕后采用中型平地机平地。于2017年4月21日–27日建植栽培草地，试验共设9个处理(4个单播，5个混播)，各处理4个重复。各处理及播种量如表1 所列。采用随机区组试验设计，设4 个区组，每个区组9个小区，共36个小区，小区面积为5 m×5 m，小区间距为1 m。播种方式为人工开沟条播(混播为同行条播)，播深为3 cm，行距为20 cm。播种前进行种子的筛选和发芽试验，测定发芽率均在90%以上。各区组四周均设保护行(1.5 m宽，条播紫花苜蓿)。播前底肥选用磷酸二铵(18% N，46%P)，施肥量为150 kg·hm−2。灌溉采用播前漫灌(以充分浸湿0–30 cm 土壤为宜)，播后喷灌(土壤含水量下降至田间持水量的30%时开始喷灌，灌溉量约为600 m3·hm−2)。建植初对杂草进行拔除，新建草地全年禁牧。

表1 单播混播组合及播种量Table 1 Sowing combinationsand quantities

1.3 测定指标与方法

1.3.1草产量

从牧草出苗(以豆科牧草子叶和禾本科牧草胚芽出土为基准)开始，每个小区随机选取3个1 m 长条播样段并做标记。通过观察发现，在豆科牧草初花期进行刈割，研究区栽培草地每年刈割3茬(分别在5月底、7月中旬、9月中旬)。为保障牧草能够顺利越冬，保证建植成功率，建植当年(2017年)仅在8月底刈割一次(留茬高度6～8 cm)。而在建植第2年后，于豆科牧草初花期进行刈割，每年刈割3次(留茬高度6～8 cm)。每次刈割前，在上述各小区标记处随机选取各牧草10株，测定株高、分枝数/分蘖数、叶片数、叶长和叶宽，然后刈割，测定总地上生物量。将所有植物样品带回实验室，在105℃杀青30 min 后于65℃烘干至恒重。然后将烘干草样置于粉样机中粉碎，测定牧草品质。

1.3.2产量稳定性与可持续产量指数

式 中：Y¯ 和σ分别代表豆禾混播群落各茬次实测禾豆总产量平均值和标准差，YTS表示混播群落产量稳定性。YTS值越大，产量稳定性越好。当产量为相同年份不同处理组合的产量时，YTS表示混播群落产量的混播组合稳定性；当产量为不同年份的产量时，YTS表示混播群落产量的时间稳定性。

式中：Ymax为一年中产量的最大值，Y¯和σ分别代表混播群落禾豆总产量平均值和标准差，SYI表示混播群落可持续产量指数。可持续产量指数越高，则说明该混播群落的产量稳定性和可持续性越好[21]。

1.3.3土地当量比

式 中：Yi j代 表种i同种j混播时 种i的产量，Yji代表种j同种i混播时种j的产量，Yii代表种i的单播产量，Yj j代表种j的单播产量，LER表示土地当量比。LER值越大，混播效果越好。当LER>1时，表示混播有产量优势和资源利用优势；当LER< 1时，则无产量优势和资源利用优势[21]。

1.3.4半纤维素含量

半纤维素含量= 中性洗涤纤维含量−酸性洗涤纤维含量[22]。

1.4 统计分析

TOPSIS模型是系统工程中有限方案多目标决策分析的一种决策技术，为距离综合评价法[23]。该模型通过定义混播组合选择问题的理想解和负理想解，计算被评价混播组合与理想解和负理想解之间的欧式距离，从而确定被评价混播组合与理想混播组合的贴近程度，最后选择最贴近理想解的混播组合作为最优决策[24]。

采用Excel 2010进行数据整理，牧草产量及营养物质产量为一年中牧草所有刈割茬次的总和，株高、分蘖数/分枝数、叶面积指数、蛋白含量、粗脂肪含量及粗灰分含量取一年中牧草所有刈割茬次的平均值，用SPSS 17.0对各处理进行采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性水平设定为P<0.05。图表数据为“平均值 ±标准误”，用Origin 8.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同混播组合对牧草产量构成因素的影响

混播组合是牧草高度的重要影响因素。各组合中，紫花苜蓿和红豆草的高度无显著差异(P>0.05)，但“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合提高了草地建植第2年和第3年的无芒雀麦的高度，且该组合长穗偃麦草的高度从第3年开始出现不同程度地降低。与“红豆草+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合相比，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”第2年和第3年的无芒雀麦高度分别显著提高了6.22%和21.18%(P< 0.05)(图1)。

图1 不同混播组合的牧草高度Figure 1 Height of forage obtained with different mixed sowings

如图2所示，“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合较“无芒雀麦+ 紫花苜蓿”和“紫花苜蓿+ 红豆草+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合分别显著提高了草地建植第1年和第3年紫花苜蓿的分枝数(P<0.05)；较单播而言，除长穗偃麦草单播与建植第1年的“红豆草+无芒雀麦+长穗偃麦草”无显著差异外，无芒雀麦和长穗偃麦草单播的分枝数显著高于其余处理(P<0.05)。“红豆草+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合显著提高了草地建植第2年红豆草的分枝数(P< 0.05)。

图2 不同混播组合的牧草分枝数/分蘖数Figure 2 Number of tillers/branchesof forageobtained with different mixed sowings

“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的叶面积指数最高，在建植当年显著高于所有单播处理(P<0.05)，在第2年显著高于两种牧草混播组合和单播(P<0.05)，在第3年除“红豆草+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合外，显著高于其他所有混播组合(P<0.05)。随着混播组分的增加，牧草群落叶面积指数呈先增后降的单峰型变化趋势，且在“紫花苜蓿 + 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合中，叶面积指数达到最大值。在草地建植当年，该混播组合较其他播种处理叶面积指数提高了19.3%～286.3%，在第2年提高了3.4%～409.1%，在第3年提高了12.7%～172.8% (图3)。

图3 不同混播组合的牧草叶面积指数Figure 3 Leaf area index of forage obtained with different mixed sowings

2.2 不同混播组合对草产量、产量稳定性、可持续产量指数和土地当量比的影响

“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的年总产量在2017– 2019年均最高，建植当年为8114.49 kg·hm−2，第2年 达21218.10 kg·hm−2，第3年 达20 819.64 kg·hm−2。建植第1年“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合较其他播种组合产量提高了4.8%～92.5%，第2年提高了7.9%～134.9%，第3年提高了11.0%～313.6%(图4)。

图4 不同混播组合的牧草产量Figure4 Yield of forageobtained with different mixed sowings

如图5所示，在草地建植当年，两种牧草混播的牧草产量稳定性大于3种牧草混播和4种牧草混播；在草地建植第2年，“红豆草+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的牧草产量稳定性和牧草可持续产量指数最高。在草地建植第3年，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦 + 长穗偃麦草”组合的牧草产量稳定性和牧草可持续产量指数均大于其他所有混播组合。随着播种

年份的增加，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的牧草产量稳定性相对逐渐提高，产量逐渐趋于稳定。

在草地建植当年，“无芒雀麦+红豆草”组合的土地当量比最高，但在草地建植第2年与第3年，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的土地当量比最高。随着时间的增加，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的土地当量比逐渐增大。说明随着时间的增加，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的土地利用效率逐渐提高，对自然资源的利用效能逐渐增大(图5)。

图5 不同混播组合的产量稳定性、可持续产量指数和土地当量比Figure 5 Yield stability,sustainable yield index,and land equivalent ratio values for forage obtained with different mixed sowings

2.3 不同混播组合对牧草品质的影响

2.3.1粗蛋白含量与粗脂肪含量

试验结果表明，“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的紫花苜蓿蛋白含量均最高，第1年为19.2%，较其他播种组合提高了36.9%～56.2%；第2年为15.1%，较其他播种组合提高了22.1%～37.1%；第3年为13.9%，较其他播种组合提高了21.1%～50.9% (图6)。

试验结果表明，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的长穗偃麦草脂肪含量均最高，第1年为9.8%，较其他播种组合提高了17.7%～255.4%；第2年为9.9%，较其他播种组合提高了14.5%～211.5%；第3年为8.5%，较其他播种组合提高了19.5%～242.5%(图6)。

图6 不同混播组合的粗蛋白含量与脂肪含量Figure 6 Crudeprotein and fat contentsof forage obtained with different mixed sowings

2.3.2粗灰分含量与半纤维含量

在草地建植当年，“无芒雀麦+红豆草”组合的无芒雀麦灰分含量最高，为31.23%，较其他播种组合提高了21.1%～91.5%。在草地建植第2年和第3 年，“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的紫花苜蓿灰分含量均最高，第2年为13.4%，较其他播种组合提高了4.8%～67.4%；第3年为13.3%，较其他播种组合提高了9.4%～73.9%(图7)。

在草地建植第2年和第3年，半纤维含量禾本科均高于豆科牧草；在草地建植第1年和第2年，混播一定程度上提高了禾本科牧草的半纤维含量(图7)。

图7 不同混播组合的粗灰分含量与半纤维含量Figure 7 Ash and hemicellulose contents of forage obtained with different mixed sowings

2.3.3粗蛋白产量、粗脂肪产量、粗灰分产量与半纤维产量

“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的紫花苜蓿蛋白产量最高，第1年为1 383.48 kg·hm−2，较其他播种组合提高了15.1%～215.9%；第2年为2 904.68 kg·hm−2，较其他播种组合提高了29.6%～189.2%；第3年为2192.58 kg·hm−2，较其他播种组合提高了42.6%～169.7%(图8)。

草地建植第2年和第3年“紫花苜蓿+ 无芒雀麦 + 长穗偃麦草”组合的粗脂肪产量显著高于其他所有混播组合(P<0.05)。第2年为1217.18 kg·hm−2，较其他播种组合显著提高了28.09%～144.84%；第3年为1014.80 kg·hm−2，较其他播种组合显著提高了50.60%～464.94%(图8)。

3年灰分产量数据显示，在草地建植第2年和第3年，“紫花苜蓿+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的灰分产量最高，第2年灰分产量为2 793.42 kg·hm−2，较其他播种组合提高了40.9%～147.7%；第3年灰分产量为2 581.16 kg·hm−2，较其他播种组合提高了38.3%～439.4%(图8)。

“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的半纤维产量在草地建植第1年和第3年最高，该组合第1年半纤维产量为972.56 kg·hm−2，较其他组合提高了30.2%～131.9%；第3年为1 617.52 kg·hm−2，较其他组合提高了1.0%～114.9%(图8)。

图8 不同混播组合的粗蛋白产量、粗脂肪产量、粗灰分产量与半纤维产量Figure 8 Crude protein,fat,hemicellulose,and ash yields of forage obtained with different mixed sowings

2.4 多准则决策模型TOPSIS评价

通过熵权法建立TOPSIS模型对不同混播组合下牧草产量和品质的多个指标进行综合分析评价得出，各混播组合的贴近度由高到低排序为“紫花苜蓿+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”>“无芒雀麦+紫花苜蓿”>“无芒雀麦+红豆草”>“紫花苜蓿+红豆草+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”>“红豆草+无芒雀麦+长穗偃麦草”，值分别为0.68、0.62、0.51、0.41和0.27。表明“紫花苜蓿+无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合优于其他混播组合，是在河西走廊荒漠绿洲区建植的理想混播组合。

3 讨论

3.1 豆禾混播组合对牧草产量的影响

生产力是建植栽培草地的直接价值体现和核心目标[25]，牧草地上部分形成了草地生态系统的重要碳库[26]。在自然条件下，影响牧草产量的因素通常与干旱、盐分、pH、播种深度以及草食动物的啃食等有关，牧草产量受到生物和非生物因素的综合影响[27-28]。河西走廊荒漠绿洲区水资源匮乏，夏季温度较高，土壤水分蒸发较大[3]，对牧草产量的影响也相对较大，而豆禾混播因豆科牧草和禾本科牧草的生物学特性不同，牧草高度不一致，几种牧草地上和地下部分均出现不同程度的生态位分离，能充分发挥组分内各牧草的优点，相互之间补偿协同，实现水、肥、气、热、光照、空间等生态因子的利用互补，使资源利用达到最大化，同时也降低了混播牧草间的竞争强度，较单播可获得更高[29-31]且更稳定的生产力[32-34]。有研究表明，紫花苜蓿的高度与产量呈极显著正相关关系，即株高越高，其产量就越大，且分蘖数、株高是决定禾本科牧草单株生物量的主要因子[35-36]。其次，禾本科牧草的叶片集中分布在下部，豆科牧草的叶片集中分布在上部，混播显著提高了群落叶面积指数，从垂直空间上实现了生态位分离，可充分利用地上空间提高光合效率[37]，增加了牧草干物质产量。但在群落叶面积达到一定程度后牧草群落光合达到饱和状态，牧草叶片的过度叠加，也会使牧草群落下部叶片得不到光照而无法进行光合作用，而因呼吸作用消耗部分营养物质。因此，虽然部分混播处理的叶面积指数较高，但其产量未必会有提升。本研究表明，混播较单播牧草产量大幅提升且“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的产量最高，混播的土地当量比显著提高，建植第3年提高了11.0%～313.6%，这与张庆昕[38]在内蒙古通辽市科尔沁区的混播试验研究结果基本一致。

此外，混播草地由于播种组分不同，混播群落出现相应的竞争。一般来说，生态位重叠程度越大，竞争越激烈，则稳定性越不好[21]。有学者认为，影响草地群落稳定性及草地生产力的主要因素是种间竞争作用[38]，种间相容性是混播群落长期稳定性的重要决定因素[39]。也有学者认为，苜蓿和禾草混播群落的种间竞争走向受控于苜蓿种群，在生长第1年因各种群未成型而种间竞争不大，在第2 年各种群因竞争群落优势生态位致使种间竞争激烈，在第3年各种群因各自生态位就位使得种间竞争趋于平稳[40]，这与本研究结果基本一致。从整个混播群落来看，上繁草在垂直空间上的竞争力强于下繁草，在竞争中占优势。在混播群落中，牧草对土壤养分的竞争能力也在一定程度上决定了群落优势物种的组成，对牧草的产量和牧草的营养成分也有极大的促进作用[41]，同时，也决定了混播群落中各牧草的密度。本研究中，在“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合中紫花苜蓿和无芒雀麦属于上繁草，长穗偃麦草也分布较低，同时在竞争力较强的紫花苜蓿和无芒雀麦的竞争压力下，主要占据混播群落下部生态位，该混播群落形成生态位分离，降低了竞争，进而互补相容，提高了产量。此外，随着混播年限的增加，混播群落中每一种牧草的生态位逐渐趋于稳定，进一步降低了群落的种间竞争，混播群落逐渐趋于稳定。因此，在混播群落中形成一个资源共享、互利共生的良性循环生境，对于群落的稳定发展和优质高产具有重要意义。

3.2 豆禾混播能有效提高牧草品质

牧草品质的高低是衡量牧草优质程度的重要指标，其养分也是草食动物不可或缺的营养物质。在豆禾混播草地中，豆科牧草高效的固氮能力为禾本科牧草的生长发育提供了有利条件。同时，豆科牧草本身也是高蛋白牧草，因而能够增加混播草地的蛋白含量，豆科牧草的加入也使得禾本科牧草的质量得以提升[42]。本研究表明，混播后禾草的蛋白含量均高于单播禾草的蛋白含量，这与刘敏等[25]的研究结果基本一致。本研究结果还表明“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的群落牧草蛋白产量最高，显著提高了长穗偃麦草的粗脂肪含量。有文献表明，牧草茎叶比与牧草品质呈负相关关系[43]。本研究中，“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+长穗偃麦草”组合的叶面积指数最高，一定程度降低了牧草的茎叶比。牧草品质的高低一定程度上取决于牧草对自然资源的捕获能力[44]。本研究结果显示，“紫花苜蓿+无芒雀麦+长穗偃麦草”组合拥有较高的土地当量比，且该组合的紫花苜蓿分枝数较多，无芒雀麦株高较高，说明该组合使资源得到相对充分的利用，有效提高了自然资源的利用效率，提高了牧草群落对自然资源的捕获能力。

4 结论

在河西走廊绿洲边缘区盐碱地建植不同组合的多年生豆禾混播草地，可不同程度提高牧草产量，其中“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合的产量最高。混播有效提高了群落对自然资源的利用效率，建植前3年，随建植年限的增加，混播产量提高并趋于稳定。豆禾混播不同程度提高了牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分和半纤维的含量与单位面积产量，以“紫花苜蓿+ 无芒雀麦+ 长穗偃麦草”组合混合草的综合品质相对最优。