免耕补播对北方退化草地生产力及营养品质的影响

岳丽楠， 师尚礼， 祁 娟， 杨培志， 刘 刚， 刘文辉， 张英俊， 荆晶莹*

(1. 中国农业大学草业科学与技术学院, 北京 100193；2.甘肃农业大学草业学院, 甘肃 兰州 730000；3.西北农林科技大学草业与 草原学院, 陕西 杨凌 712100； 4.四川省草原科学研究院, 四川 成都 611731； 5.青海省畜牧兽医科学院, 青海 西宁 810016)

近年来在气候的不断变化以及人类各种生产活动的影响下，草地生产力下降、草地退化日益严重。我国有90%以上的草原处于不同程度退化，主要表现为生物多样性减少、毒杂草增多、土壤侵蚀严重等[1]，当前草原生态修复和生产力提升已成为区域生态文明建设和乡村振兴的重大需求。合理放牧、施肥、围封禁牧是几种常用的改良措施，但对于退化较为严重的草地，以上措施恢复年限较长且恢复效果不明显。补播改良是在退化草地土壤中播种一些适应性强、营养价值高的优良植物物种，以此来增加退化草地植被盖度、物种多样性,从而提升草原生产力与草场质量[2]。免耕补播对土壤扰动最小，对原生植被破坏极小，因此免耕补播利于退化草地的修复以及提高草原碳汇功能[3]。

我国补播工作大致从60年代初开始，近些年来天然草原补播改良技术研究逐渐增多，通过补播改良来恢复退化草地已取得了显著的成果[7-10]。草种的选择是补播成功与否的关键，首先应考虑生态适应性好的草种,其次应选择对退化草地土壤呈中性或正反馈的营养价值高的优质豆科或禾本科植物[4]。另外，应选择抗逆性较强的物种,使补播后的植物能成功建植。补播物种的根系分泌物也会影响土壤微生物区系,与土壤中有益微生物形成共生体[4]，已有研究证实在以羊草为优势种的退化草原上补播黄花苜蓿(MedicagofalcataL.)，其根系分泌的化学物质能够增强植物对有害微生物的抵抗能力,同时土壤溶磷细菌含量增加促进补播植物对磷素吸收，对补播物种在野生环境中生长产生促进作用[5]，因此可选择黄花苜蓿作为退化草原的补播物种。

补播对天然草地有积极的影响，能增加草地覆盖度、增加优质牧草比例，尤其是补播豆科牧草[6]。植物地上生物量是衡量补播改良效果的重要指标之一，通过不同补播方式如条播、穴播、撒播可提高地上生物量[7-8]，还可明显改善草地的群落结构[9]。前人的研究也已经充分表明[10]补播能够增加草地物种数目即物种丰富度进而改变群落的组成，所以补播改良是恢复草地生产力的有效方式。近年来也有研究表明补播改良不仅可以提高草产量还可以提高牧草的营养品质[11]。已有大量研究表明在退化天然草地补播营养价值高且适应性强的物种可以增加草原植被覆盖度、提升草原生产力[4]。为此本试验在不同退化草原，选择满足生态适应性的乡土禾本科植物与豆科植物进行免耕补播，探究补播后草地地上生物量和营养品质的变化，为提升退化草地生产力和牧草品质，提高草原生态系统稳定性提供实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验区自然条件

试验在四川若尔盖、甘肃夏河、青海祁连、陕西榆林4个试点开展。试验点1(32°56′ N,102°08′ E)位于四川省若尔盖，试验地受鼠害影响较小；试验点2(34°32′ N,101°54′ E)位于甘肃夏河，试验地受鼠害影响较大；试验点3(37°25′ N,98°05′ E)位于青海祁连，试验地不受鼠害影响；试验点4(36°57′ N,107°28′ E)位于陕西榆林，试验地不受鼠害影响。4个试点的海拔、气候等试验条件如表1所示。

表1 试点信息Table 1 Sites information

1.2 研究方法

1.2.1试验材料 试验使用的种子材料为黄花苜蓿(MedicagofalcataL.，种子发芽率为98%)，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)‘龙牧806’(种子发芽率为90%)，无芒雀麦(BromusinermisLeyss.，种子发芽率为85%)以及垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.，种子发芽率为90%)。

1.2.2试验设计 在进行补播前,根据国家标准《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标GB19377-2003》[12]的分级确定补播地草原退化的程度。选择四川省若尔盖县、甘肃省夏河县、青海祁连县、陕西榆林市中度退化草地为研究对象，四个试验地均于2020年5月中旬进行补播，采用补播机械为9BM-3.0型免耕补播机，条播行距为20 cm，采用“倒T”型开沟器,开沟深度5 cm，覆土深度1～2 cm，补播当年休牧。试验采用单因素随机区组设计，在各个试点补播紫花苜蓿/黄花苜蓿与当地主要禾本科物种，因此在陕西榆林补播草种为黄花苜蓿/紫花苜蓿与无芒雀麦，在四川省若尔盖县、甘肃省夏河县、青海祁连补播草种为黄花苜蓿/紫花苜蓿与垂穗披碱草，处理1(CK)为未补播的对照试验地；处理2(ZW)为补播紫花苜蓿与无芒雀麦/垂穗披碱草以行数比为1∶1混合补播，播种量为15 kg·ha-1；处理3(HW)为补播黄花苜蓿与无芒雀麦/垂穗披碱草，以行数比为1∶1混合补播，播种量为15 kg·ha-1,每个处理设置4个重复。磷酸二铵(P2O5≥46 %)施用量均为75 kg·ha-1。

1.2.3野外取样和样品处理 补播草地于2020年8月下旬取样，在每种处理的试验小区选6个1 m×1 m样方，将样方内的植物分功能群齐地面剪取并分别装入信封袋，地上植物样品在75℃烘箱内烘至恒重[13]，将地上植物分为3类不同的功能群(禾本科植物、豆科植物、其他植物)，用天平称量草地主要功能群落的地上生物量，用于分析补播对不同功能群的影响。

地上部样品于2020年10月将样品粉碎，进行近红外检测，根据标准近红外光谱和采集的样品的近红外光谱，输入已经建立的模型，计算混合草样的粗蛋白、脂肪、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber NDF)、灰分以及镁、磷元素含量，分析经补播处理后地上混合草样的营养品质，探究补播对牧草营养品质的影响。最后通过比较牧草的相对饲喂价值(Relative feed value,RFV)来探究补播后牧草饲用价值的变化。

1.3 数据处理

用Excel 2016整理统计各小区测定值,并用SPSS 19.0进行数据检验，并用One-way ANOVA进行方差分析。通过公式计算混合草样的相对饲喂价值(RFV)：

RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29；

DMI与DDM的预测模型为：

DMI(%BW)=120/NDF(%DM)

DDM(%DM) =88.9-0.77×ADF(% DM)

其中：DMI(Dry matter intake)为粗饲料干物质的随意采食量，单位为%BW；DDM(Digestible dry matter)为可消化的干物质，单位为%DM。

2 结果与分析

2.1 补播对草地生物量的影响

通过对四个试验地的补播草地与未补播草地的地上生物量进行方差分析(图1)，发现补播处理对天然草地主要功能群地上生物量有显著性影响(P<0.05)。在四川若尔盖试点和青海祁连试验点的试验结果表明，与对照相比，HW,ZW处理均会增加豆科牧草的地上生物量，且HW处理下豆科牧草生物量比ZW处理高。在甘肃夏河与陕西榆林试验地HW,ZW也会增加豆科和禾本科牧草的地上生物量，且ZW处理下豆科牧草生物量较高。各个试验点补播处理与对照相比，ZW,HW两种补播处理也会增加草地的总地上生物量，在若尔盖和夏河试点ZW处理地上总生物量与对照相比显著增加(P<0.05)，其余两个试点地上总生物量也高于对照，但差异不显著(图2)。

2.2 补播对草地植被营养品质的影响

通过对四个试验地的补播草地与未补播草地的营养品质指标进行方差分析(表2)，发现在补播处理的草地中，地上混合草样的粗蛋白含量显著增加(P<0.05)，在四川若尔盖ZW处理粗蛋白含量高于其他处理(P<0.05)，而在甘肃、陕西、青海三个试点HW处理粗蛋白更高。除榆林外各处理混合草样的脂肪含量无明显变化。四个试验地补播处理后中性洗涤纤维含量(NDF)、酸性洗涤纤维含量(ADF)的变化不一致，青海祁连试验结果表明与未补播草地相比，补播处理后草地的混合草样的NDF，ADF含量显著降低(P<0.05)，与之相同在陕西榆林试验地经HW处理后地上混合草样的NDF，ADF含量也显著降低(P<0.05)，与之相反在甘肃夏河、四川若尔盖试验地数据结果表明补播处理后地上混合草样的NDF，ADF含量显著增加(P<0.05)。在若尔盖试点HW处理使地上混合草样的干物质含量显著增加(P<0.05)，而在甘肃夏河和青海祁连试点ZW处理使地上混合草样的干物质含量显著增加(P<0.05)，而陕西榆林试点两种补播处理地上混合草样干物质含量则无明显变化。

图1 补播对退化草地不同功能群地上生物量的影响Fig.1 Effect of reseeding on aboveground biomass of different functional groups in degraded grassland注：不同字母表示不同处理间之间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significant different among treatments at the 0.05 level,the same as below

图2 补播对退化草地地上总生物量的影响Fig.2 Effect of reseeding on total aboveground biomass in degraded grassland

表2 不同处理下牧草的营养物质品质Table 2 Forge quality under different treatments

HW，ZW处理后，混合牧草中镁、磷元素的含量也发生了明显的变化(表3)，与未补播样地相比，HW，ZW处理在四个试点的地上部混合草样磷元素含量均显著增加(P<0.05)。在甘肃夏河ZW处理后植物地上部镁元素显著增加(P<0.05)，其他试验点在经补播处理后镁元素的含量与未补播草地相比无显著变化。

对不同补播试点地上部植株的各个营养指标进行相关性分析。结果表明：各个试点混合草样的地上部干物质含量均与粗蛋白、粗脂肪、灰分含量呈正相关关系，而与NDF，ADF含量呈负相关关系，通过补播豆科、禾本科牧草使退化草地中营养价值高的牧草比例增加，干物质含量均与粗蛋白含量呈增加趋势，相反NDF，ADF含量减少(图3)。

2.3 补播对牧草相对饲喂价值的影响

四个试验地在不补播处理下，地上混合草样的RFV在青海祁连试验地最低，在甘肃夏河试验地最高。与未补播样地相比，HW，ZW的试验地，地上混合草样RFV均显著增加(P<0.05)，且在祁连和榆林补播HW处理RFV更高，在若尔盖和夏河ZW处理RFV更高(表4)。

表3 不同处理下牧草镁和磷的含量Table 3 The content of Mg and P in forage under different treatments

图3 各试点补播草地各个营养指标的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of various nutritional indicators of reseeding grassland in each site

表4 补播对牧草相对饲喂价值(RFV)的影响Table 4 The effect of reseeding on the relative feeding value (RFV) of forage

3 讨论

3.1 补播豆科与禾本科牧草对草地地上生物量和主要功能群的影响

豆科牧草在草地生长建植会对土壤养分有效性产生影响，如增加土壤中的氮素含量，同时已有研究表明豆科牧草的建植在促进土壤有益微生物方面也起着重要作用[5]。补播的目的是增加草地优良牧草比例并提高产量[14]，从试验结果可以看出经过补播处理后的草地豆科和禾本科牧草的地上生物量显著增加(P<0.05)。已有研究也表明补播豆科牧草可显著提升草地生物量[15，17]。补播后的豆科植物能够在天然草地建植成功是因为苜蓿具有发达的根系，在天然草地中能够与当地原生物种竞争生长所需的资源，或根系与有益微生物形成共生体来汲取土壤中的养分[5]。此外，补播豆科牧草可提高植物群落中豆科牧草比例[16]，补播增加了草地的新物种，这些植物适应性强、生长状况良好，从而提高了植被盖度和地上生物量[20]。李飞等[18]也指出补播改善了群落组成，大大提高了群落生产力。补播对不同类型退化草地都有比较好的恢复效果，通过对高寒草甸退化的“黑土滩”进行补播改良，退化草甸植被地上生物量也显著增加[8]。除在退化严重的“黑土滩”外，补播改良也适用于气候恶劣的高寒地区，在高寒草地进行免耕补播试验的结果表明退化草地植被的地上生物量显著增加，群落组成发生了变化，提高了可食用牧草的比例[19-20]。不同苜蓿品种的补播效果也有所不同，已有试验证实在高寒地区种植苜蓿其不同品种的抗寒性有明显差异[21]，本试验的结果也发现黄花苜蓿和紫花苜蓿在不同地区的生长存在差异，在若尔盖与祁连地区黄花苜蓿长势较好，而在榆林与夏河地区紫花苜蓿长势较好。总体而言，本研究的结果表明通过补播优良牧草可提高退化草地生产力，增加优质牧草所占比例。

3.2 补播豆科与禾本科对草地营养品质与养分含量的影响

为提高农场种植粗饲料的蛋白质含量，研究者在德国南部农场补播三种豆科植物，结果表明豆科植物长势较好，可以提高干物质产量，豆科植物通过固定大气中的氮可以代替氮肥的投入，进而在氮元素贫瘠的草地中提供氮素用于合成蛋白质[22]。本试验通过分析四个试验地的补播草地与未补播草地地上混合草样的营养品质指标发现，两种补播处理牧草的粗蛋白含量显著增加，除若尔盖试点外其他试验点补播黄花苜蓿与无芒雀麦/垂穗披碱草后地上混合草样的粗蛋白含量更高，因为黄花苜蓿的茎叶比高于紫花苜蓿，茎叶比越小，则其含叶量越丰富，粗蛋白含量越高[26]。粗蛋白含量是评价牧草营养价值的指标之一，其含量高表明牧草营养品质较高[25]，因此对天然草地进行补播处理有利于牧草营养品质的提高。有研究证明混播无芒雀麦与苜蓿的粗脂肪、粗纤维、粗灰分含量均高于单播[24]，由于补播增加了禾草或者豆科等优质牧草比例，降低了杂类草的比例，因此使牧草的品质得到改善[23]。但也有研究选择沙蒿、羊柴、沙打旺和小叶锦鸡儿对草地补播，发现补播处理区的植物营养成分含量较低[27]，因此在补播改良过程中品种的选择至关重要。补播豆科和禾本科植物能够提高牧草的营养品质，主要得益于豆科牧草含有丰富的蛋白以及较少的纤维。影响牧草营养价值的最主要因素是牧草中的粗蛋白和粗纤维含量[28]，牧草的粗蛋白质含量高，粗纤维含量低表明牧草的营养价值越高。

在本试验中补播豆科与禾本科处理在四个试点的地上部混合草样磷元素含量均显著增加。已有研究表明补播紫花苜蓿处理的土壤磷浓度最低，这说明了豆科植物消耗更多的磷[29]，同时丛枝菌根真菌(AMF)可以与豆科植物形成互利共生体，根外菌丝扩大植物吸收养分的面积，进一步促进磷等养分的获取。即豆科植物从土壤中吸收无机磷元素运输到植物地上部，进而增加地上部磷的含量[5]。从本试验数据结果可以看出补播草地中混合草样中磷含量有所增加，有益于植物对磷等微量元素的吸收。

通过试验数据的进一步分析得出两种补播处理(即HW，ZW处理)后牧草的RFV均高于未补播的草地。RFV同时考虑牧草的NDF和ADF 2个指标，能够全面对饲草的干物质采食量和消化率进行评价[31]。已有研究将4种苜蓿、禾本科间作牧草的混合样品进行了反刍家畜的饲喂效果试验和模拟消化试验，从青贮营养品质来说豆科和禾本科间作最适宜用于青贮[30]。但对苜蓿和禾本科混合补播后地上植被的RFV研究较少。通过本试验可以看出补播豆科、禾本科牧草提高了草地植被的RFV。

4 结论

在退化的天然草地上补播豆科与禾本科牧草使天然草地豆科优良牧草在草地中的比重增加，从而改善了退化草地的群落结构。同时经过补播处理后牧草的粗蛋白含量也显著提升，牧草的相对饲喂价值与未补播地相比也显著提高，因此补播改良对恢复退化草地生产力以及提高牧草营养品质有重要作用。