甘南高寒牧区甘农2号小黑麦与箭筈豌豆的混播效果

史志强，裴亚斌，徐 强，刘汉成，田新会，杜文华

（甘肃农业大学草业学院 / 草业生态系统教育部重点实验室 / 甘肃省草业工程实验室 /中–美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070）

甘南高寒牧区地处青藏高原东北部，是甘肃省重要的畜牧业生产基地，也是全国主要草原牧区之一[1]。该区海拔高，年积温低，牧草生长季节短，草地初级生产力水平低下，枯草季难以满足放牧家畜对饲草需求，草畜矛盾突出，严重制约着该区草地畜牧业的发展[2-3]。加上气候变化和过度放牧，该区的天然草地已出现严重退化现象[4-5]。栽培草地在解决高寒地区草畜季节性供求矛盾、保护生态环境等方面发挥着重要作用。但适宜甘南高寒牧区栽培的优良牧草品种极少，大多为燕麦(Avena sativa)，当地燕麦常年连作，养分内循环失调，导致土壤肥力逐渐降低[6]。因此，寻找一种新的生产模式改善这一现状显得尤为重要。禾–豆混播可充分利用土地空间和资源，提高饲草产量和品质[5]，减少土壤侵蚀、降低病虫草害[7]，减少化肥农药的使用。

小黑麦(× TriticosecaleWittmack) 是由小麦属(Triticum)和黑麦属(Secale)植物经有性杂交和杂种染色体数加倍形成的新物种[8]。甘农2 号小黑麦为国审品种，具有高产优质、抗锈病、抗寒抗旱等优势。箭筈豌豆(Vicia sativa)为豆科巢菜属一年生草本，具有营养价值高、适应性广等优良特性。其茎叶柔软，当株高达到50 cm 以上时，极易倒伏，不利于收割[9]。甘农2 号小黑麦与箭筈豌豆混播时小黑麦起支撑作用，而箭筈豌豆能弥补小黑麦蛋白含量低的缺点，二者建植的混播草地高产优质。小黑麦相比燕麦而言，在高寒牧区种植时其株高和草产量高于燕麦，且其营养品质优于黑麦[10]，可作为抗灾保畜首选饲草料品种[11]。针对禾–豆混播草地，重点研究其固氮机理[12]、种间关系[13]、混播比例[14]、生产性能和营养品质[15]等方面。谢开云等[16]研究了豆 – 禾混播草地种间关系，分析深根系豆科牧草与浅根系禾草的共存机制，提出可通过建植技术提高草地生产力。在川西平原一年生牧草禾 – 豆混播群落生产力特征的研究中得出50%多花黑麦草 + 50%箭筈豌豆可有效提高禾–豆混播草地的生产力水平[17]。在江淮地区对燕麦和豆科牧草混播的生产性能进行研究，结果表明燕麦 + 箭筈豌豆(67 ꞉ 33)和燕麦 +箭筈豌豆(50 ꞉ 50)混播草地的综合生产性能表现最好[18]。禾 – 豆混播草地中豆科植物的比例是进行栽培草地建植需解决的一个重要问题，影响着混播草地的结构和功能[19]。目前，青藏高寒牧区禾 – 豆混播主要集中在燕麦、黑麦和箭筈豌豆、毛苕子(Vicia villosa)的混播上。但关于甘农2 号小黑麦与箭筈豌豆混播草地的混播效果(生产性能和营养价值)的研究鲜见报道。因此，拟通过对其混播效果的研究，以提高草产量和营养价值为目的，选出最佳混播组分及混播比例，为甘南高寒牧区禾 – 豆混播草地的建植与管理提供参考，为抗灾保畜提升草地生产力和生态保障能力提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省甘南藏族自治州合作市兰州大学干旱与草地教育部重点实验室高寒草甸生态系统定位站(34°57′14″ N，102°53′54″ E)，属高寒阴湿气候类型，海拔2 954 m，年均温3.2 ℃，无霜期113 d，年有效积温1 231.1 ℃·d，年均降水量550～680 mm，土壤类型为亚高山草甸土。试验地无灌溉条件。

1.2 试验材料

甘农2 号小黑麦(以下简称小黑麦)和箭筈豌豆的3 个品种绿箭1 号、绿箭2 号、绿箭431 种子均由甘肃农业大学草业学院提供。

1.3 试验设计

裂区设计。主区为混播组分，设3 个水平，分别为A1：绿箭1 号与甘农2 号小黑麦混播；A2：绿箭2 号与甘农2 号小黑麦混播，A3：绿箭431 与甘农2 号小黑麦混播；副区为箭筈豌豆和甘农2 号小黑麦的混播比例，设9 个水平，分别为箭筈豌豆 ꞉ 甘农2 号小黑麦比为 0 ꞉ 100 (B1)、20 ꞉ 80 (B2)、30 ꞉ 70 (B3)、40 ꞉ 60 (B4)、50 ꞉ 50 (B5)、60 ꞉ 40 (B6)、70 ꞉ 30 (B7)、80 ꞉20 (B8)、100 ꞉ 0 (B9)。各处理箭筈豌豆的播种密度B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8和B9分别为0、70万、105万、140 万、175 万、210 万、245 万、280 万 和218 万株·hm−2；各处理小黑麦的播种密度B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8和B9分别为 750 万、960 万、840 万、720 万、600 万、480 万、360 万、240 万和0 株·hm−2。小区面积8.4 m2(4 m × 2.1 m)，各小区种7 行，条播，行距30 cm。重复3 次，共81 个小区。基肥施磷酸二铵250 kg·hm−2，分别在分蘖期和拔节期追施尿素157 kg·hm−2(尿素：N ≥ 46.4%)。播期为2018年5月6日。

1.4 测定指标及方法

株高：刈割前进行。每小区随机选取10 株箭筈豌豆和小黑麦，分别测量从地面至最高点的自然高度，并将10 株的平均值分别作为该小区小黑麦和箭筈豌豆的株高。

枝条数：刈割前进行。每个小区内随机选取1 m样段(边行除外)，数取样段内株高高于20 cm 的小黑麦和箭筈豌豆的枝条数量。

草产量：于小黑麦开花期[20](2018年8月27日)刈割各小区内所有植株的地上部分，留茬高度约5 cm，称重后得到鲜草产量。同时分别取样500 g，自然风干至恒重，计算鲜干比，并根据鲜干比计算出干草产量。再取500 g 草样用于测定营养价值。

营养价值：粗蛋白(CP) 含量用凯氏定氮法测定，酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)含量用范式纤维法测定[21]。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 22.0 软件对所测数据(小黑麦株高、箭筈豌豆株高、枝条数、干草产量、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和粗蛋白) 进行统计分析和作图，表中数据用平均值 ± 标准误表示，并用Duncan法对上述存在显著差异的指标进行多重比较。

综合评价采用灰色关联度法，选取所有混播方式各项指标的最优值为参考列，记为{X0(k)}(k = 1，2，3，…，n)，各项指标作为评价指标为比较数列，即参评指标观测值集合，记为{Xi(k)}(i = 1，2，3…m；k =1，2，3，…，n)。选择干草产量、粗蛋白含量、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维4 项指标进行权重比较，以此为基础构建综合评价模型，做灰色关联度分析，进行综合评价。参试混播方式以X 表示，性状以k 表示，各混播方式X 在性状k 处的值构成比较数列Xi，X0为构建的理想参考混播方式。

采用初值法[22]对原始数据进行无量纲化处理，即所有指标数值除以相应的X0，再根据标准化处理的结果求出X0与对应Xi的绝对差值，然后计算出参试混播方式与性状之间的关联系数 [ξi(k)]。

式中：|X0(k)－Xi(k)|为k 点的绝对值，Xi(k)|为两极度差最小值，|为两极度差最大值， ρ为分辨系数(取值为0.5)，再由以下公式计算出所有参试混播方式与“理想混播方式”之间的关联度(ri)。Wk表示第k 个指标的权重值。

2 结果与分析

方差分析表明，混播组分间除粗蛋白含量差异不显著外，其余各指标间均存在显著(P < 0.05)或极显著(P < 0.01)差异(表1)；混播比例间、混播组分 ×混播比例交互作用间均存在极显著(P < 0.01)差异。

表1 混播组分、混播比例及其交互作用的方差分析(F 值)Table 1 Analysis of variance on the mixed component, mixed sowing ratios, and the interaction between the mixed component and sowing ratios

2.1 混播组分间生产性能和营养价值的差异

2.1.1 混播组分间生产性能的差异

对于小黑麦的株高而言(表2)，3 个混播组分中，A3的小黑麦株高显著高于A1和A2，A1与A2间无显著差异(P > 0.05)，A1的小黑麦株高最低；对于箭筈豌豆的株高而言，A3处理的箭筈豌豆株高最高，显著高于A1和A2(P < 0.05)，A1处理的箭筈豌豆株高最低。对于枝条数而言，不同混播组分的枝条数A1> A3> A2。A1与A2处理间差异显著，但A1和A2与A3处理间均无显著差异。对于混播组分的干草产量而言，A3处理的干草产量(8.18 t·hm−2)显著高于A1和A2，A1与A2处理间无显著差异。

2.1.2 混播组分间营养价值的差异

3 个混播组分中，A1、A2、和A3处理间的CP 含量均无显著差异(P > 0.05) (表2)；A2处理的NDF 含量显著低于A1和A3处理(P < 0.05)，A1与A3处理间无显著差异；A2的ADF 含量与A3处理无显著差异，但与A1处理差异显著。

表2 混播组分间生产性能和营养价值的差异Table 2 Difference on the production performance among the mixed components

2.2 混播比例间生产性能和营养价值的差异

2.2.1 混播比例间生产性能的差异

对于小黑麦和豌豆的株高而言，不同混播比例的小黑麦的株高与单播小黑麦(B1) 间无显著差异(P> 0.05) (图1)，箭筈豌豆的株高均显著高于单播(B9) (P< 0.05)；随着箭筈豌豆比例的增加，小黑麦的平株高呈现波浪形变化，B5处理小黑麦的株高最高(111.44 cm)，显著高于B6(88.44 cm) ，其余处理间差异均不显著；箭筈豌豆株高的变化与小黑麦相似，B5处理的株高最高(97.56 cm)，显著高于B2(77.89 cm) ，其余处理无显著差异。对于枝条数而言，不同混播比例间的枝条数均显著高于箭筈豌豆单播处理(B9)，但均显著低于小黑麦单播处理(B1)。其中，B2除与B5无显著差异外，B2显著高于其他处理，B4显著高于B6和B8处理，B8显著低于其他各混播处理，其余混播处理间的枝条数差异均不显著。对于干草产量而言，不同混播比例的干草产量均显著高于箭筈豌豆单播(B9)。B3、B4、B5和B7处理的干草产量显著高于小黑麦单播(B1)。随着箭筈豌豆比例的增加，混播处理的干草产量呈现波浪形变化趋势，其中B5处理的平均干草产量最高，为10.09 t·hm−2，显著高于其他处理；B7、B4和B3处理显著高于B2、B6和B8处理，其余处理间无显著差异。

图1 不同混播比例间生产性能和营养价值的差异Figure 1 Production performance and nutritional value among the mixed sowing ratios

2.2.2 混播比例间营养价值的差异

不同小黑麦与箭筈豌豆混播比例的CP、NDF和ADF 最高值和最低值分别在两种作物的单播B1和B9处理中，除去单播，随着箭筈豌豆混播比例增加，CP 含量逐渐升高，NDF、ADF 含量逐渐降低。不同混播比例中，B8处理的CP 含量(15.17%)显著高于除B7(14.91%) 外的其他处理，B2、B3、B4和B5处理间，B6和B7间的平均CP 含量均无显著差异(P> 0.05)；除B3和B4的NDF 含量(49.37%)无显著差异外，其他处理均存在显著差异(P< 0.05)；各混播比例间B8的ADF 含量(33.64%) 显著低于B5、B4、B3、B2。B5显著低于B4、B3、B2和B4显著低于B2，其余处理均无显著差异。

2.3 混播组分 × 混播比例交互作用间生产性能和营养价值的差异

2.3.1 混播组分 × 混播比例交互作用间生产性能差异

混播组分 × 混播比例交互作用间的株高有差异(表3)。所有混播处理的箭筈豌豆株高均高于箭筈豌豆单播处理。A1混播处理，各处理间的小黑麦和箭筈豌豆株高均无显著差异(P> 0.05)。A2混播处理，A2B4和A2B5的小黑麦株高显著高于A2B6处理(P< 0.05)，其余混播处理间无显著差异；各混播处理的箭筈豌豆株高均无显著差异。A3混播处理，各处理间小黑麦株高无显著差异；A3B7的箭筈豌豆株高显著高于A3B2处理，其余混播处理间无显著差异。3 个混播组分中，A3B7处理小黑麦株高(127.67 cm)最高， A2B6处理最低；A3B7处理箭筈豌豆株高(117.33 cm)最高，A2B2处理最低。

从枝条数来看，枝条数在每个混播组分间呈波浪形变化，所有混播处理的枝条数低于小黑麦单播，高于箭筈豌豆单播。A1混播组分间，A1B3的枝条数显著高于除A1B2、A1B5外的各混播处理，A1B2显著高于A1B7处理，A1B8显著低于除A1B6外的各混播处理(P< 0.05)，A1B6与A1B7无显著差异(P>0.05)，其他处理间无显著差异；A2混播组分间，A2B2的枝条数显著高于其他混播处理，A2B8低于其他混播处理，其他混播处理间无显著差异；A3混播组分间，A3B5的枝条数显著高于除A3B2、A3B7外的其他混播处理，A3B8显著低于A3B7，其他混播处理间无显著差异。

对于干草产量而言，交互作用表明(表3)，3 个混播组分中，所有混播处理的干草产量均显著高于箭筈豌豆单播，混播处理A2B5、A3B3、A3B4、A3B5和A3B7的干草产量显著高于小黑麦单播。A3B5的干草产量最高，除与A2B5、A3B7、A3B4和A3B3无显著差异外，显著高于其他处理。A1混播组分中，A1B5的干草产量最高，但混播处理间干草产量无显著差异。A2混播组分中，A2B5的干草产量显著高于除A2B7外的其他混播处理，其他混播处理间无显著差异(P< 0.05)。A3混播组分中，A3B5的干草产量除与A3B3、A3B4和A3B7无显著差异外，显著高于其他各处理。

表3 混播组分 × 混播比例间交互作用间生产性能和营养价值的差异Table 3 Production performance and nutritional value for each mixed component and mixed sowing ratio treatment

2.3.2 混播组分 × 混播比例交互作用间营养价值的差异

3 种箭筈豌豆单播的CP 含量均显著高于混播处理及小黑麦单播(P< 0.05)；箭筈豌豆单播NDF和ADF 含量均低于混播处理及小黑麦单播。从CP含量来看，A1混播组分中，A1B3的CP 含量显著低于A1B7、A1B8处理，A1B8除与A1B7和A1B6无显著差异(P> 0.05)外，显著高于其他混播处理，其他混播处理间差异不显著；A2混播组分中，A2B2的CP含量显著低于A2B8处理，A2B8除与A2B7处 理无显著差异外，显著高于其他混播处理；A3混播组分中，A3B2的CP 含量显著低于A3B6、A3B7、A3B8处理，A3B7除与A3B6和A3B8处理无显著差异外，显著高于其他混播处理。

从NDF 含量来看，A1混播组分间，A1B2的NDF含量除与A1B3无显著差异(P> 0.05)外，显著高于其他混播处理(P< 0.05)，A1B8除与A1B7无显著差异外，显著低于其他各混播处理；A2混播组分间，A2B2的NDF 含量显著高于其他混播处理，A2B8的NDF 含量除与A2B7无显著差异外，显著低于其他混播处理；A3混播组分间，A3B2的NDF含量除与A3B3无显著差异外，显著高于其他混播处理，A3B7的NDF 含量除与A3B8无显著差异外，显著低于其他混播处理。

从ADF 含量来看，A1混播组分间，A1B2的AD F 含量除与A1B3、A1B4无显著差异(P> 0.05)外，显著高于其他混播处理(P< 0.01)；A1B8的ADF 含量除与A1B7、A1B6无显著差异外，显著低于其他混播处 理。A2混播组分间，A2B2的NDF含量除与A2B3无显著差异外，显著高于其他混播处理，A2B8除与A2B7、A2B6、A2B5无显著差异外，显著低于其他混播处理。A3混播组分间，A3B2的ADF 含量除与A3B3、A3B4无显著差异外，显著高于其他混播处理，A3B7除与A3B8和A3B6无显著差异外，显著低于其他混播处理。

2.4 灰色关联度分析

利用灰色关联分析的方法研究混播方式的干草产量、粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维与理想混播方式之间的灰色关联度，计算出混播方式与理想混播方式灰色关联度。由于干草产量、粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维对牧草重要性不同，干草产量是牧草生产性能重要的体现，CP 含量是决定牧草品质的重要因素，ADF、NDF 含量是决定牧草适口性及消化率的重要因素，因此有必要根据各指标的重要性赋予权重值，并计算加权关联度，从而更客观地评价不同混播方式之间生产性能与营养价值[23]。各指标的权重值分别为干草产量为0.6，CP 为0.2，NDF 为0.1，ADF 为0.1，最后根据加权关联度的大小对不同混播处理进行排序(表4)。根据关联度分析原则，关联度越大，则混播方式越接近参考组分，其综合性状评价表现越优；关联度越小，表明混播方式越远离参考组合，综合性状表现越差[24]。可以看出，本研究中A3B5混播方式的加权关联度最大(0.832 1)，综合性状最优。

表4 关联系数及关联度排名Table 4 Association coefficient and relevance ranking

3 讨论

3.1 混播组分间生产性能和营养品质差异分析

牧草的株高、枝条数由其遗传特性和外界环境条件共同决定，株高是反映其竞争力和繁殖力的重要性状[24]，枝条数是衡量牧草分蘖能力的一个重要指标，株高和枝条数是影响草产量高低的重要因素。混播组分较多时不同品种间农艺性状差异较大[25]。本研究的3 个混播组分中，虽然A3处理的枝条数居中，但A3处理的小黑麦和绿箭431 箭筈豌豆平均株高均显著高于A1和A2，所以干草产量较高；A1处理混播组分的平均枝条数最多，A2最少，但干草产量A2比A1高，这可能是因为A1的小黑麦与箭筈豌豆株高较A2低，混播时协同效应差的原因。豆科牧草具有较高的营养品质，使得其可以在禾–豆混播中改善牧草品质，营养品质高低是评价牧草饲用价值的重要因素。牧草CP 含量越高，NDF 和ADF含量越低，牧草的饲用价值越高[26]。3 个混播组分的平均CP 含量无显著差异，但A2处理的NDF、ADF含量最低，说明混播时A2的营养价值较好。

3.2 混播比例间生产性能和营养品质差异分析

混播比例影响牧草的产量和品质[27]。研究表明，选择适宜的混播组分不仅可以提高栽培草地的生态适应性，还可因混播组分间的互作提高对环境资源(水、热、光)的利用效率[28]。本研究表明，随着箭筈豌豆混播比例的增加，小黑麦和箭筈豌豆株高均呈现先升高后降低的趋势，混播比例为B5时最高，这可能是因为箭筈豌豆为了获得生存所需光资源以小黑麦直立茎为攀援体向上生长，增强植物顶端对光资源的竞争所导致的。箭筈豌豆株高的增加促进小黑麦向更高处生长，因此，株高较各自单播时高，说明适宜的混播比例能促进牧草的生长[29-30]；小黑麦播种比例最大时，枝条数不是最多，这可能是因为资源和空间限制，种内和种间竞争激烈，导致小黑麦分蘖数减少造成的[31]；混播枝条数在B5时较B3和B4有所增加，可能是由于种间组分适宜，促进了牧草分蘖[32]；B5处理下干草产量最高，该处理下各自株高高、枝条数较多，这可能是因为禾–豆牧草间协同效应较好所导致的[33-34]，。也有研究认为，混播比例为8 ꞉ 2[35]、4 ꞉ 6[15]时，混播草地的草产量最高。这可能与不同的牧草品种、试验地区水热条件、土壤肥力状况等有密切关系。CP、NDF 和ADF 是决定饲草品质的重要条件[36]。豆科与禾本科牧草混播比禾本科牧草单播的粗蛋白质含量和牧草产量高，可消化有机物质的值也增高[37-38]。本研究表明，随着箭筈豌豆比例的增加，混播牧草CP 含量显著升高，NDF 含量和ADF 含量显著降低，牧草的营养品质得到了提高[39]。

3.3 混播组分 × 混播比例交互作用间生产性能和营养品质差异分析

研究表明，箭筈豌豆在混播中的比例占到30%～50%时，产量均较单播有明显提高[40-41]。交互作用结果表明，A3B5时，混播牧草的干草产量最高，说明该混播处理生产性能最好，A2B9处理干草产量最低，说明箭筈豌豆单播时不利于收获较多的干草，混播A2B6的干草产量较低，这与混播比例不适宜、株高较低有关，石永红等[42]研究表明，当禾–豆混播组合不当，常出现牧草生长不良、草群结构稳定性差、产量及品质下降等现象。代寒凌[43]研究甘南高寒牧区小黑麦、黑麦和燕麦单播的生产性能和饲用品质比较(播期为4月15日)，得出小黑麦干草产量为12.96 t·hm−2，本研究中干草产量最高时为11.15 t·hm−2，这可能是因为本研究混播牧草播期较晚(5月6日)，而且牧草生长前期杂草较多，影响了混播草地的生长，导致混播草地草产量整体偏低。CP 是牧草中含氮物质的总和，是决定牧草营养品质的重要指标，NDF 含量与干物质的采食量呈负相关，ADF 含量直接影响饲草的消化率[44]。本研究中，混播处理的CP 含量介于小黑麦单播与箭筈豌豆单播之间，混播比例间NDF 和ADF 含量随着箭筈豌豆播种比例的增加显著降低，说明混播可以明显改善牧草品质，提高营养价值[45]。

4 结论

1)箭筈豌豆和小黑麦混播，草产量和营养价值均提高，可在高寒牧区采取混播的种植模式来提高经济效益。

2)比较混播组分：甘农2 号小黑麦与绿箭1 号的混播效果较差，不推荐甘南高寒牧区种植；甘农2 号小黑麦与绿箭2 号混播时，虽然其草产量低，但其营养价值较高，因此牧草生产有营养价值要求时，可采用此种混播组分。比较混播比例：甘农2 号小黑麦与箭筈豌豆混播比例为50 ꞉ 50 时，混播效果较好，这说明该混播比例下混播组分间的协调性较好。

3)甘农2 号小黑麦与绿箭431 箭筈豌豆混播比例为50 ꞉ 50 时，混播草地的干草产量(11.15 t·hm−2)最高，相比小黑麦单播时增产40.62%，CP 含量为13.25%，综合评价值最高，适宜在甘南高寒牧区及类似区域种植推广。