松嫩平原西部盐碱地紫花苜蓿产量和品质对刈割频次与施肥的响应

那佳，黄立华，晏益民，张璐，黄金鑫

（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院大安碱地生态试验站，吉林 大安 131317）

松嫩平原是我国东北地区重要的农牧业生产基地，其西部地区由于长期受干旱、风沙等自然因素影响，沙化和盐碱化耕地广泛分布[1-2]，种植作物主要为玉米、杂粮、杂豆，种植面积虽大但产量和种植效益偏低[3]。由于自然环境衰退[4]以及玉米全要素生产率下降，2015年农业部发布了《农业部关于“镰刀弯”地区玉米结构调整的指导意见》，鼓励在该地区实施“粮改饲”，增加土地产出效益[5]。人工种植牧草，特别是种植豆科牧草，成为当地种植结构调整的首选。

在豆科牧草中，紫花苜蓿（Medicago sativa）产量高、营养丰富、适口性好[6]，具有抗旱耐盐碱等优良特性。因此基于松嫩平原农牧交错区的地理位置以及草牧业的发展趋势，紫花苜蓿成为近年来我国北方地区广泛种植的饲草作物。刈割是苜蓿人工草地利用和管理的主要手段[7]，不同频次的刈割会影响其产量、持久性和营养价值[8]。有研究表明，由于紫花苜蓿较强的再生能力，多次刈割利用可提高紫花苜蓿产量和品质[9-12]。施肥则可通过补充土壤养分促进苜蓿根瘤菌生长[13]和养分吸收利用率[14]，提高紫花苜蓿产量，增加蛋白质和粗脂肪含量，降低粗纤维含量等[15-16]。也有研究指出，添加磷肥对苜蓿干草产量的影响最大，其次为氮肥和钾肥，而适宜的氮磷钾配比施肥时产量最高[17]。然而，对于不同地理区域和土壤环境而言，适宜的刈割频次和施肥策略需要通过必要的田间试验来逐步确定，刈割与施肥二者间的交互作用对盐碱地紫花苜蓿产量和品质的影响，目前也亟待开展相关的研究。

为此，结合国家种植结构调整的契机，本研究在松嫩平原西部轻度盐碱化旱地种植紫花苜蓿，并于第二年进行了紫花苜蓿的刈割和施肥试验。期望通过分析紫花苜蓿产量和品质对刈割频次和施肥的响应，找出该地区适宜的紫花苜蓿栽培管理模式，为当地人工草地建设提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验设在中国科学院大安碱地生态试验站（45°35′58″～45°36′28″N，123°50′27″～123°51′31″E），位于吉林省大安市境内，属松嫩平原西部典型苏打盐碱化草地和旱地分布区。气候为温带大陆性季风气候，春季干旱多大风；夏季炎热，雨量集中；秋季少雨，晴天多；冬季寒冷干燥。全年光照充足，无霜期高达137 d，日照时数达3 014 h，≥10 ℃的有效积温为2 935 ℃·d。该地区无河流经过，地表径流可利用量较少，但地下水资源丰富[18]。试验地前茬作物为玉米，土壤为轻度盐碱化草甸土，基本理化特性如表1所示。

表1 试验样地土壤基本理化性质Table 1 Soil basic physical and chemical properties in the experimental site

1.2 试验方法

1.2.1 供试材料

供试紫花苜蓿品种为“公农1 号”，由吉林省农业科学院培育，其具有耐寒耐旱、高产稳产等优良性状[19]。供试氮肥为尿素（N 46.2%），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%），复合肥为水溶性撒可富复合肥（N-PK=18-16-15）。

1.2.2 试验设计

田间试验采用裂区设计，主区为刈割频次，副区为施肥。主处理设为每年1 次（M1）、2 次（M2）、3 次（M3）和4 次刈割（M4），副处理设为无施肥对照（CK）、单施氮肥50 kg·hm-2（N）、单施磷肥50 kg·hm-2（P）和施复合肥50 kg·hm-2（NPK）4 个处理，各处理均3 次重复，主区与副区均随机排列，小区面积为13 m2（长5 m×宽2.6 m），各小区间筑0.65 m 的土埂后用塑料薄膜覆盖，以防土壤水肥互渗。2016 年春季统一进行人工播种，按垄撒播，播种量为10 kg·hm2，行距（即垄距）为0.65 m。出苗后统一水肥管理，保持试验期间苜蓿长势均匀，秋季进行统一刈割。2017 年春季苜蓿返青后开始试验处理。施肥处理的总施肥量固定，由于刈割频次不同，将总肥量均匀分为1、2、3、4份后分别于苜蓿返青期（5月15日）和每次刈割后进行添加（表2）。施肥时将各处理对应的小区施肥量预先称好，溶于等量的水中，并将其以喷洒的方式均匀浇于苜蓿根茬处，随后利用10 L 的水将容器洗净再次均匀喷洒，避免养分的流失和挥发损失，对照处理浇等量清水。从6月中旬至9月底按刈割频次分期进行刈割与施肥（表2），每次刈割留茬高度为4 cm，统一田间管理。

表2 紫花苜蓿田间试验刈割日期与施肥处理方案Table 2 The design of mowing date and fertilization of alfalfa in the field experiment

1.2.3 测定指标及方法

牧草产量：每次刈割后以小区为单元全部称取鲜质量，然后随机取2 份样品（约0.5 kg）放入105 ℃烘箱中杀青2 h，转为65 ℃烘干至恒质量，折算出整个小区的干草产量。

茎叶比：将烘干样品的植株茎叶分离后分别测定质量，计算茎叶比。

返青率：2018 年5 月30 日，以1 m×1 m 的样方统计样方内返青茬与未返青茬的数量，计算返青率[20]。

苜蓿品质分析：按照刈割次数等比例将烘干样品的茎叶混合粉碎，过200 目筛，消煮后测定。粗蛋白含量利用凯氏定氮法测定氮素含量并计算得出；粗脂肪含量利用于辉等[21]的干苜蓿粗脂肪改进方法测定；粗纤维含量根据《GB/T 6434—2006 饲料中粗纤维的含量测定：过滤法》测定[22]；粗灰分含量测定依据《GB/T 6438—2007 饲料中粗灰分的测定》[23]，矿质元素中K+、Na+、Ca2+和Mg2+的含量利用硝酸-高氯酸消煮后原子吸收法测定[24]。

1.3 数据分析

试验数据通过Microsoft Excel 软件整理，采用SPSS 25.0 进行数据分析。刈割频次及施肥对产量和品质性状的影响采用一般线性模型（Generalized linear models，GLM）双因素方差分析法进行分析，随后进行Duncan多重比较。同一刈割频次条件下不同施肥处理的影响利用单因素方差分析法分析后进行Duncan 多重比较。利用Sigmaplot 12.5 制图，图中的数据均以平均值±标准误的格式表示。

2 结果与分析

2.1 产量与品质性状的方差分析

对以区组为随机变量的一般线性模型进行方差分析，结果如表3 所示，刈割频次对全年干草产量、粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分、Ca2+、K+/Na+、Ca2+/Na+、茎叶比及返青率具有显著影响（P＜0.05）；施肥对粗蛋白、粗脂肪及粗纤维具有显著影响（P＜0.05）。此外，刈割频次与施肥的交互作用对全年干草产量和粗蛋白含量具有显著影响（P＜0.05）。

表3 刈割频次及施肥处理对紫花苜蓿产量与品质性状影响的方差分析（F值）Table 3 ANOVA of effect of mowing frequency and fertilization on alfalfa yield and quality traits（F value）

2.2 干草产量

随着刈割频次的增加，紫花苜蓿干草产量显著增加，M3 和M4 处理的苜蓿干草产量显著高于M1、M2（P＜0.05），但M3 和M4 处理间无显著差异（图1）。与M1 处理相比，M2、M3 和M4 处理的苜蓿干草产量分别提高了37.0%、123.8%和131.6%。但随着刈割频次的增加，每茬干草产量则呈现下降的趋势，如M3处理的第2 和第3 次刈割，苜蓿干草产量分别较第1 次刈割减少了3.0%和37.7%，M4处理的第2、第3和第4次刈割，苜蓿干草产量分别较第1 次刈割减少了35.9%、48.9%和69.8%。

施肥处理总体上对紫花苜蓿干草产量无显著影响（表3），施N 处理较CK 减产0.7%，P 和NPK 处理分别较CK 增产5.5%和9.0%，但差异均不显著。在不同的刈割频次下，各施肥处理对紫花苜蓿干草产量的影响具有较大差异（图1）。在M1、M2 和M4 处理中，三种不同施肥处理（N、P 和NPK）对干草产量的影响与对照（CK）没有显著差异，但在M3 处理中，NPK 处理的苜蓿干草产量显著高于CK 和N 处理（P＜0.05），较二者分别增产39.8%和32.1%。

图1 刈割频次与施肥对紫花苜蓿干草产量的影响Figure 1 The effect of mowing frequency and fertilization on hay yield of alfalfa

2.3 品质性状

随着刈割频次的增加，紫花苜蓿粗蛋白、粗灰分含量和K+/Na+表现出增加的趋势，粗脂肪与粗纤维含量整体表现出降低的趋势，Ca2+含量在M2 时达到最高值后逐渐下降，Ca2+/Na+在M2 时显著增加，之后保持稳定（表4）。与M1处理相比，M2、M3和M4处理的紫花苜蓿粗蛋白含量分别显著增加了3.06、4.65、5.41个百分点，粗灰分含量分别显著增加了0.76、0.64、1.44 个百分点（P＜0.05）。M3 与M4 处理的粗蛋白含量之间无显著差异，M2与M3处理的粗灰分含量之间无显著差异。M3 和M4 处理紫花苜蓿粗脂肪含量较M1 处理显著降低0.36、0.47 个百分点，M2、M3 和M4处理粗纤维含量较M1 处理分别显著减少了3.83、4.41、8.27 个百分点（P＜0.05）。M1 与M2 处理、M3 与M4 处理间粗脂肪含量无显著差异，M2 与M3 处理间粗纤维含量无显著差异。与M1 相比，M2、M3 和M4处理的Ca2+含量分别提高0.44、0.29、0.18 个百分点，其中M1 与M4 处理无显著差异（P≥0.05）；K+/Na+分别提高17.2%、40.3%和51.2%，其中M1 与M2 处理无显著差异（P≥0.05）；Ca2+/Na+分别提高了46.7%、41.6%、49.5%，与M1均具有显著差异（P＜0.05）。

施肥处理对紫花苜蓿粗蛋白、粗脂肪和粗纤维含量具有显著影响（P＜0.05），对其他品质性状无显著影响（表3）。与CK 相比，N、P 和NPK 处理的粗蛋白含量分别增加0.72、1.09、3.00 个百分点，粗脂肪含量分别增加0.17、0.22、0.49个百分点。N、P和NPK处理的粗纤维含量均显著低于CK，分别降低2.91、2.46、2.87个百分点。同一刈割频次下，各施肥处理对紫花苜蓿营养品质也具有不同程度的影响。M1、M3 及M4 处理中不同施肥处理的粗蛋白含量之间存在显著差异，M3处理不同施肥处理的粗纤维含量之间存在显著差异（P＜0.05，表4）。M1 和M4 处理条件下NPK 处理的粗蛋白含量显著高于N 和P 处理，而M3 处理下三者（N、P和NPK）无显著差异。与CK相比，M1处理下N、P 和NPK 处理的粗蛋白含量分别增加0.05、0.16、2.99个百分点，M3处理的粗蛋白含量分别增加2.10、2.39、2.73 个百分点，M4 处理的粗蛋白含量分别增加1.66、2.43、4.52个百分点。在M3处理条件下N、P与NPK处理的粗纤维含量之间无显著差异。与CK相比，N、P和NPK处理的粗纤维含量分别降低了3.69、1.73、3.40个百分点，其中CK与P处理无显著差异。

表4 刈割频次及施肥处理对紫花苜蓿品质性状的影响Table 4 The effect of mowing frequency and fertilization on quality of alfalfa

2.4 茎叶比和返青率

随着刈割频次的增加，紫花苜蓿平均茎叶比和返青率都呈现逐渐降低的趋势（图2），其中返青率在M4处理下降显著。相较于M1 处理，M2、M3 和M4 处理的茎叶比分别显著降低42%、51%和63%，返青率分别降低6.68、13.01、65.19个百分点。

施肥处理对紫花苜蓿茎叶比和返青率无显著影响（表3）。与CK 相比，N、P 和NPK 处理的茎叶比分别降低6.0%、17.2%和12.9%，返青率分别降低3.70、5.04、2.13 个百分点。在不同的刈割频次下，各施肥处理对紫花苜蓿平均茎叶比和返青率的影响也无显著差异（图2）。在M1、M2 和M4 处理下，施肥处理的茎叶比均较CK处理低，而M3条件下N处理的茎叶比相对CK 处理增加2.0%。在M2 和M3 条件下各施肥处理返青率均低于CK处理。

图2 刈割频次与施肥对紫花苜蓿茎叶比和返青率的影响Figure 2 The effect of mowing frequency and fertilization on the stem-leaf ratio and turning-green ratio of alfalfa

3 讨论

3.1 刈割、施肥及其交互作用对紫花苜蓿产量的影响

不同刈割制度和施肥措施是影响紫花苜蓿产量的主要管理因素[7]。由于苜蓿再生能力强，同一生长季内多次刈割是提高苜蓿产量最直接有效的方法。本试验中，每年进行3 次或4 次刈割显著提高了紫花苜蓿干草产量，这与前人的研究结果[9-10]一致。刈割频次的增加伴随着刈割时间间隔的逐渐缩短。从试验结果可看出，首次刈割后苜蓿的每茬干草产量随着刈割茬次的增加而减少，其中4 次刈割处理的最后1茬产量最低，对总产量贡献率仅有12%。MITCHELL等[25]认为刈割时间间隔（21 d）较短会扰乱苜蓿根系与茎的能量循环，导致苜蓿在快速生长期产量降低。ARANJUELO 等[26]的研究也指出苜蓿在刈割14 d 后，叶片和根瘤的性能才被重新建立。牧草刈割时留茬高度对产量也具有一定的影响，研究表明在灌溉和施肥条件下近地面刈割可以促进苜蓿产量[27]。所以除了刈割频次以外，刈割高度、刈割时间[28]、刈割时间间隔[29]都会影响苜蓿的再生生长和产量。

本试验发现，随着刈割次数的增加，第二年返青率显著降低（P＜0.05），其中4 次刈割处理第2 年返青率仅有12.5%，比3次刈割减少52.20个百分点。孙德智等[30]指出，随着刈割频次的增加返青率降低且降幅也会逐渐增大。王坤龙等[31]的研究结果也有相同的趋势。已有研究表明，过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性作为紫花苜蓿抗寒能力的标志，随着刈割次数的增加其酶活性及抗寒能力均会下降[32]。秋季休眠是苜蓿冬季抗寒性的影响因素之一，秋季休眠苜蓿的冬季存活率是非秋季休眠苜蓿的34 倍左右[33]。但是，与秋季休眠相比，刈割频次对苜蓿的生产力和存活更重要[34]。综上所述，虽然多次刈割可显著增加紫花苜蓿干草产量，但是对第二年返青率的影响较大。因此，合理的刈割频次是保证苜蓿多年可持续生长和高产的重要条件。

生产上，适当追肥是提高土壤表层养分进而促进苜蓿生长、增加产量的关键。本试验中，施肥的总体增产幅度最高为9.0%，增产效果不明显。BASSO等[35]的研究结果也显示含氮堆肥、粪肥以及无机肥等对玉米-苜蓿轮作时任一作物产量都没有显著影响。王洋等[36]发现，返青期一次性施肥的苜蓿全年干草产量比第1 次和第2 次刈割后同等肥量处理分别提高12.5%和18.4%。此外，施肥方法对产量也具有影响，有研究指出中心轴施肥方法下苜蓿产量和细根生物量比带状和广播法施肥要高[37]。因此，本试验施肥增产效果不明显的原因可能存在以下两方面：一是苜蓿返青期肥料的添加量较少，影响了前期生长和有机营养在根系中的积累；另一方面可能是肥料分多次追施情况下，每次施肥量不足[9，38]或者肥料的后效作用较长，导致此种施肥方法对增产的作用变小[39]。

本试验中，刈割频次与施肥处理的交互作用对紫花苜蓿干草产量也具有显著影响（P＜0.05）。1次刈割时仅N 肥具有正效应；2 次刈割时N 肥反而产生负效应，而P 肥和NPK 复合肥处理产量分别增加20.1%和6.4%；3 次刈割时N、P 和NPK 处理产量分别增加5.8%、22.7%和39.8%；4 次刈割时施肥处理对干草产量则无正效应。曾庆飞等[40]研究发现，不同施肥处理对苜蓿产量的影响具有差异，单施磷肥的效果高于单施氮肥，因为施磷肥后豆科植物的根瘤内豆血红蛋白含量增加，结瘤性和固氮活性提高，可达到以磷促氮的效果。随着刈割次数的增加紫花苜蓿固氮能力减弱[41]，主根和根冠中作为再生主要营养源的非结构性碳水化合物（NSC）的贮存量和利用效率对磷肥也具有高敏感性[42]。从试验结果可知，在松嫩平原西部的轻度盐碱地上，同一生长季内刈割3 次并追施氮磷钾复合肥料为紫花苜蓿最适宜的栽培管理模式。

3.2 刈割频次与施肥对紫花苜蓿品质的影响

利用刈割技术可以通过牧草的补偿性生长作用和均衡性生长特性获得高品质牧草[43]。有研究表明刈割会影响苜蓿茎叶比，刈割越晚，茎叶比越大[44]，即随着生长发育苜蓿茎叶比会降低[45-46]。本试验也证明，多次刈割的苜蓿茎叶比下降，品质提高，而全年仅刈割1次的茎叶比最大，品质也较差。

随着紫花苜蓿刈割频次的增加，粗蛋白与粗灰分含量呈现增加的趋势，粗脂肪与粗纤维含量持续降低，多次刈割对苜蓿品质的改善作用显著[47]。本试验中，3 次与4 次刈割的苜蓿粗蛋白含量可提高1.6～5.4个百分点，但二者之间无显著差异。有研究认为根系和枝条中蛋白质贮存量是苜蓿收割后恢复生长的主要有机养分来源[8]。随着刈割频次的增加，粗脂肪与粗纤维含量降低，这使得苜蓿热量减少，适口性提高，粗灰分的增加也使植物矿物质含量得到提升。从离子含量来看，Ca2+含量随着刈割频次的增加先增加后减少，差异显著（P＜0.05），其他矿质元素养分含量基本无变化，而K+/Na+显著提高（P＜0.05），M2、M3 和M4刈割处理的Ca2+/Na+无显著差异。在盐碱化土壤中，由大量Na+产生的渗透胁迫和离子毒害常常会抑制植物对K+、Ca2+及Mg2+等离子的吸收，从而影响各种生理功能[48-49]。从本试验结果可见，虽然Ca2+含量先增加后减少，但是Ca2+/Na+在多次刈割之间并无显著差异，总体上多次刈割在一定程度上会缓解苜蓿体内Na+离子的富集，促进养分吸收，提高营养品质。

本试验中，施肥处理降低了苜蓿全年平均茎叶比和粗纤维含量，但增加了粗蛋白与粗脂肪含量，其中氮磷钾复合肥处理时效果最好，这与多数研究结果[14，16-17]相同。陈香来等[50]认为应该合理配置N 肥和P 肥的施用量，防止以磷促氮引起的氮肥过量，反而降低苜蓿品质。在养分转化吸收过程中，土壤中微生物和真菌具有重要作用，研究指出根瘤菌和AM 真菌的接种可促进苜蓿生长，增加产量，提高品质[51]。所以土壤微生物以及施肥后养分的有效吸收和利用也会影响苜蓿品质。从离子含量来看，施肥时K+、Mg2+含量增加而Na+、Ca2+含量减少。这表示施肥有助于植物体内Na+的排出，在减缓渗透胁迫的同时增加K+、Mg2+等离子的含量。因此，N 肥及NPK 肥对K+、Mg2+的积累均具有促进作用。所以刈割频次与施肥的交互作用只对苜蓿粗蛋白含量具有显著影响，对其他品质指标的作用不显著。由此可见，施氮磷钾复合肥是有效提高紫花苜蓿营养品质的管理方式，但是多次刈割的同时在每次刈割后添加不同肥料对苜蓿品质提高没有显著效果。

4 结论

（1）同一生长季内，刈割3次和4次可显著提高紫花苜蓿全年干草产量123.8%和131.6%，但是刈割4次处理下第二年返青率比刈割1 次显著降低65.19 个百分点，刈割3次且添加NPK 复合肥的处理紫花苜蓿产量最高。

（2）同一生长季内，刈割频次对粗蛋白、粗脂肪、粗纤维、粗灰分、Ca2+含量、K+/Na+、Ca2+/Na+和茎叶比等品质指标具有显著影响，施肥处理仅对粗蛋白、粗脂肪和粗纤维含量具有显著影响，刈割频次与施肥的交互作用则仅对粗蛋白具有显著影响，其中4 次刈割且添加NPK复合肥的处理粗蛋白含量最高。

（3）综合干草产量和品质因素来看，在松嫩平原西部轻度盐碱地种植紫花苜蓿时，每年刈割3 次并施用NPK复合肥为最佳种植管理模式。