利用方式与施氮对黄土高原无芒雀麦农艺性状、产量和品质的影响

罗晓宇，王顺霞，石 薇，常生华，贾倩民*, 侯扶江

(1.兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室，兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，兰州大学草地农业教育部工程研究中心，兰州大学草地农业科技学院, 甘肃 兰州 730020；2.宁夏回族自治区草原工作站, 宁夏 银川 750000)

黄土高原是我国最重要的草原分布区之一，由于气候干旱、降水不稳定、风沙频繁等原因，该地区水土流失严重，生态环境十分脆弱[1]。水土流失进而导致耕地面积减少和天然草地与旱作农业生产力低下，严重制约了当地的经济发展[2]。种植牧草有利于水土资源的恢复和保持，同时优质牧草还能够保证畜产品的产量和质量，推动草食畜牧业的可持续发展，保障食物安全[3-4]。由于受到特殊地貌的限制，加之黄土高原地区机械化起步较晚，发展速度缓慢，因此在该地区进行大规模机械化牧草收割具有一定的困难[5]。放牧作为传统、高效的草地利用方式，对维持草地生产能力发挥着重要作用[6]。研究表明，在一定的气候条件下，适当放牧会使牧草产生超补偿性生长，从而改善牧草品质、提高生产力[7-8]。这主要是由于在放牧条件下一些草本植物可通过补偿性生长从茎损伤中部分或完全恢复，植株能够更好的生长，产生更多的果实和种子[9-10]；另一方面家畜产生的粪便会增加土壤可利用氮，进而为植物生长提供养分，改善牧草营养品质[11-12]。

无芒雀麦(Bromusinermis)被誉为“禾草饲料之王”，具有耐干旱、抗寒能力强的特点，并且根茎发达、生长周期长、产量高、品质好，是广泛种植的禾本科优良牧草之一[13]。牧草在生长过程中需要从土壤中获取各种营养元素以满足自身的生长需求，其中氮元素的吸收与利用对牧草生长至关重要[14]。由于无芒雀麦没有根瘤因而不具备固氮能力，因此种植无芒雀麦时常常施用氮肥以提高其产量和品质[15]。研究表明，施用氮肥可以显著增加牧草的产量，提高牧草粗蛋白含量和饲用价值，同时促进牧草对氮、磷、钾等元素的吸收[16-19]，但当施氮量超过一定范围时，随着施氮量的增加反而会对牧草生长产生负面影响[20]。过量施氮会使牧草根系活力降低，从而影响牧草对养分的吸收，不利于粗蛋白含量的增加，并造成肥料浪费[21-22]。因此，确定适宜的施氮量是提高牧草产量和品质的重要管理措施之一。

放牧和施氮都是影响栽培草地产量和品质的管理措施，但这些措施是否适宜黄土高原地区以及在该地区对牧草农艺性状、产量和品质的影响效应仍不清晰。本研究以无芒雀麦为研究对象，设置放牧和常规刈割两种利用方式，每个利用方式下设3个施氮水平，探究放牧和施氮对牧草农艺性状、产量与品质的影响，以期为黄土高原地区牧草优质高产种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃庆阳兰州大学环县草地农业试验站(36°17′N，107°31′E，海拔高度1 218 m)，属于半干旱大陆性气候。该地区年均降水量430 mm，降水多集中在夏季，年均潜在蒸发量为1 850 mm，年均气温9.2℃，全年无霜期165 d，年平均日照时数2 596.2 h。2018年8月播种前试验地0～20 cm土层土壤理化性质见表1。

表1 试验地0～20 cm土层土壤理化性质

1.2 试验设计

本研究于2018年8月建植无芒雀麦草地，采用裂区试验设计，主区为放牧(G)和刈割(M)两种利用方式，副区为0(N1)，80和160(N3)kg·hm-2共3个施氮水平，6个处理，每个处理重复3次，共18个小区。小区之间设1 m保护行，小区面积为40 m2(5 m×8 m)，播种前各小区施用225 kg·hm-2磷酸氢二铵作为基肥，2019进行开沟条施氮肥处理，N1处理不施氮肥，N2处理在无芒雀麦返青期施氮80 kg·hm-2，N3处理在返青期和第一次刈割后分别施氮80 kg·hm-2。无芒雀麦品种为‘韦恩斯’(BromusinermisL.‘Vns’)，采用条播，播种行距为30 cm，无芒雀麦的播种量为45 kg·hm-2。放牧小区周围设置围栏，放牧采用轮牧方式进行，每个小区放置10只羊，每30 d左右进行一次，每次放牧约5 d，放牧后留茬高度约为5 cm。第一次放牧时间为2019年5月24日，最后一次放牧时间为10月25日。刈割处理按照当地管理方式在无芒雀麦每次抽穗期进行，全年共刈割3茬，刈割日期分别为5月23日、7月26日和9月26日。

1.3 测定项目与方法

每次刈割前在样地内随机选10株无芒雀麦，测量其绝对高度作为株高，并同时用叶绿素仪(SPAD-502，Konica Minolta)测量叶片的相对叶绿素含量(SPAD)。各茬次牧草的株高之和为累积生长高度，即株高累积量，各茬次牧草的SPAD之和为SPAD累积量。放牧处理在放牧前、刈割处理在无芒雀麦抽穗期，各小区随机选取3个1 m2的样地进行刈割(留茬高度5 cm)，称鲜重后于105℃烘箱中杀青15 min，65℃烘48 h以上至恒重，测定干草产量。总干草产量为全年各刈割茬次干草产量的总和。将烘干后的样品粉碎后采用近红外分析仪(F0SS-NIRSDS 2 500)测定粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)含量，所用数据库为自建的无芒雀麦数据库。使用以下公式计算相对饲用价值(Relative feeding value，RFV)：

RFV=(120/VNDF)×(88.90-0.779/VADF)/1.29

式中VNDF和VADF分别表示NDF和ADF的含量

1.4 数据处理与统计方法

采用Excel 2010 进行数据统计与制图，使用SPSS 24软件进行方差分析和相关性分析，采用图基-B法(Tukey＇s-B Method)在0.05水平对不同处理进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 农艺性状和产量

2.1.1株高 如表2所示，两年同一利用方式下，同一茬次同一利方式下，除2020第3，4茬次外，年无芒雀麦的株高表现为N3>N2>N1。同一施氮水平下，2019年M处理第1～3茬的株高显著高于G处理，而在2020年M处理仅第2茬的株高显著高于G处理。所有处理中，2019年第1～3茬均为M-N3处理的株高最高，其次是M-N2处理。2020年第1，3茬中G-N3处理的株高最高，而第2茬中M-N3处理最高。两年在放牧利用下，N2和N3的株高累积量显著高于N1(图1)。在刈割利用下，2020年N3的株高累积量显著高于N1和N2。两年在同一施氮水平下，放牧处理的株高累积量显著高于刈割。2019和2020年放牧处理的平均株高累积量较刈割分别增加38.18%(P<0.05)和73.82%(P<0.05)；2019年N2和N3处理的平均株高累积量较N1分别增加12.71%(P<0.05)和22.67%(P<0.05)，2020年分别增加17.60%(P<0.05)和32.06%(P<0.05)。

表2 不同茬次无芒雀麦的株高

图1 不同处理下无芒雀麦的株高累积量

2.1.2相对叶绿素含量 2019年和2020年，同一利用方式下，同一茬次无芒雀麦的SPAD表现为N3>N2>N1(表3)。同一施氮水平下，G处理无芒雀麦的SPAD与M处理无显著差异(除第2茬外)。所有处理中，两年1～3茬均为M-N3处理的SPAD最高，其次是G-N3处理(除第2茬外)。在放牧处理下，N3水平的SPAD累积量显著高于N1(图2)。然而，在刈割利用下，各施氮水平的SPAD累积量无显著差异。在同一施氮水平下，放牧处理的SPAD累积量显著高于刈割。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均SPAD累积量较刈割分别增加了88.65%(P<0.05)和47.51%(P<0.05)；2019年N2和N3处理的平均SPAD累积量较N1分别增加9.48%(P<0.05)和20.01%(P<0.05)，2020年分别增加9.94%(P<0.05)和21.48%(P<0.05)。

表3 不同茬次无芒雀麦的SPAD

图2 不同处理下无芒雀麦的SPAD累积量

2.1.3干草产量 两年同一利用方式下，大多数茬次无芒雀麦的干草产量表现为N3>N2>N1(表4)。同一施氮水平下，2019和2020年M处理的第2茬的干草产量显著高于G处理。所有处理中，2019年M-N3处理的干草产量最高(除第1茬外)，其次是M-N2处理。2020年在第2、3茬中M-N3处理的干草产量最高，而在第1茬中G-N3处理最高。两年在放牧利用下，N2和N3的总干草产量显著高于N1(图3)。在刈割利用下，2020年N3的总干草产量显著高于N1和N2。两年在同一施氮水平下，放牧处理的总干草产量显著高于刈割。平均值显示，2019和2020年放牧处理的总干草产量较刈割分别增加了85.16%(P<0.05)和84.88%(P<0.05)；2019年N2和N3处理的干草累积量较N1分别增加22.72%(P<0.05)和40.50%(P<0.05)，2020年分别增加12.65%(P<0.05)和31.62%(P<0.05)。

表4 不同茬次无芒雀麦的干草产量

图3 不同处理下无芒雀麦的总干草产量

2.2 营养品质

2.2.1粗蛋白含量 如表5所示，两年同一利用方式下，同一茬次无芒雀麦的粗蛋白含量表现为N3>N2>N1，尤其在2020年N3处理显著高于N1。同一施氮水平下，G处理大多数茬次的粗蛋白含量与M处理无显著差异。所有处理中，2019年第2,3茬G-N3处理的粗蛋白含量最高，其次是G-N2处理。2020年第1～3茬均为G-N3处理的粗蛋白含量最高。在放牧利用下，2020年N3的粗蛋白含量显著高于N1(图4a)。两年在刈割利用下，N3的粗蛋白含量显著高于N1。两年在同一施氮水平下，放牧与刈割处理的粗蛋白含量无显著差异。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均粗蛋白含量较刈割分别增加1.21%和4.67%。2019年N2和N3处理的平均粗蛋白含量较N1分别增加11.11%和16.05%(P<0.05)，2020年分别增加12.14%(P<0.05)和16.37%(P<0.05)。

表5 不同茬次无芒雀麦的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量

图4 不同处理下无芒雀麦的全年粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量

2.2.2粗脂肪含量 两年同一利用方式下，同一茬次无芒雀麦的粗脂肪含量表现为N3>N2>N1(表5)。同一施氮水平下，G处理大多数茬次的粗脂肪含量与M处理无显著差异。所有处理中，2019年第1,3茬G-N3处理的粗脂肪含量最高，其次是G-N2处理。2020年第1～3茬均为G-N3处理的粗脂肪含量最高，其次是G-N2处理。两年在放牧利用下，N2和N3水平的粗脂肪含量显著高于N1(图4b)。在刈割利用下，2019年N3水平的粗脂肪含量显著高于N1。两年在同一施氮水平下，放牧与刈割处理的粗脂肪含量无显著差异。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均粗脂肪含量较刈割分别增加9.21%(P<0.05)和1.89%。2019年N2和N3处理的平均粗脂肪含量较N1分别增加11.98%(P<0.05)和17.97%(P<0.05)，2020年分别增加2.35%和10.98%(P<0.05)。

2.2.3粗灰分含量 两年同一利用方式下，各茬次无芒雀麦的粗灰分含量表现为N3>N2>N1(表5)，尤其在2019年N3处理显著高于N1。同一施氮水平下，G处理大多数茬次的粗灰分含量与M处理无显著差异。所有处理中，2019年第1、3茬G-N3处理的粗灰分含量最高，其次是M-N3处理。2020年第2,3茬M-N3处理的粗灰分含量最高，而在第1茬G-N3处理最高。在同一利用方式下，2019年N3水平的粗灰分含量显著高于N1(图4c)。两年在同一施氮水平下，放牧与刈割处理的粗灰分含量无显著差异。平均值显示，2020年放牧处理的平均粗灰分含量较刈割增加2.36%。2019年N2和N3处理的平均粗灰分含量较N1分别增加15.17%(P<0.05)和20.32%(P<0.05)，2020年分别增加2.88%和11.26%(P<0.05)。

2.2.4酸性洗涤纤维含量 同一利用方式下，两年各茬次无芒雀麦的酸性洗涤纤维(ADF)含量表现为N1>N2>N3(表6)。同一施氮水平下，G处理大多数茬次的ADF含量与M处理无显著差异。所有处理中，2019年第1,3茬G-N3处理的ADF含量最低，其次是M-N3处理。2020年第1～3茬均为G-N3处理的ADF含量最低，其次是G-N2处理。在放牧利用下，2019年N3水平的ADF含量显著低于N1(图5a)。在刈割利用下，两年N3水平的ADF含量著低于N1。在同一施氮水平下，2020年放牧处理的ADF含量显著低于刈割。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均ADF含量较刈割分别减少3.60%和10.77%(P<0.05)。2019年N3处理的平均ADF含量较N1和N2分别减少12.80%(P<0.05)和4.80%，2020年分别减少11.09%(P<0.05)和2.43%。

表6 不同茬次无芒雀麦的酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量和相对饲用价值

图5 不同处理下无芒雀麦的全年ADF、NDF含量和相对饲用价值

2.2.5中性洗涤纤维含量 两年同一利用方式下，大多数茬次无芒雀麦的中性洗涤纤维(NDF)含量表现为N1>N2>N3(表6)。同一施氮水平下，G处理大多数茬次的NDF含量与M处理无显著差异。所有处理中，两年第1～3茬均为G-N3处理的NDF含量最低。在放牧利用下，两年N3水平的NDF含量低于N1(图5b)。在刈割利用下，2020年N3水平的NDF含量著低于N1。两年在同一施氮水平下，放牧与刈割处理的NDF含量无显著差异。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均NDF含量较刈割分别减少4.21%和5.34%。2019年N3处理的平均NDF含量较N1和N2分别减少9.36%(P<0.05)和2.73%，2020年分别减少11.50%(P<0.05)和7.06%。

2.2.6相对饲用价值 同一利用方式下，两年各茬次的相对饲用价值(RFV)表现为N3>N2>N1(表6)。在同一施氮水平下，G处理大多数茬次的RFV与M处理无显著差异。所有处理中，两年第1～3茬均为G-N3处理的RFV最高。两年在同一利用方式下，N3水平的RFV显著高于N1(图5c)。两年在同一施氮水平下，放牧与刈割处理的RFV无显著差异。平均值显示，2019和2020年放牧处理的平均RFV较刈割分别增加5.33%和8.78%(P<0.05)。2019年N2和N3处理的平均RFV较N1分别增加9.83%(P<0.05)和14.46%(P<0.05)，2020年分别增加9.50%(P<0.05)和17.89%(P<0.05)。

2.3 相关性分析

2.3.1各指标间的简单线性相关关系 放牧和刈割利用下各指标的相关性具有一定的差异(表7)。放牧利用下株高与SPAD无显著相关性，而在刈割利用下株高与SPAD呈极显著正相关。放牧利用下，SPAD与干草产量无显著相关性，而在刈割利用下SPAD与干草产量呈极显著正相关。放牧利用下，SPAD与粗蛋白、ADF和NDF含量无显著相关性，而在刈割利用下SPAD与粗蛋白含量极显著正相关，与ADF显著负相关。无论是在放牧还是刈割利用下，株高与干草产量、粗蛋白、粗脂肪含量均呈极显著正相关，与ADF含量呈极显著负相关。

表7 放牧和刈割利用下无芒雀麦各指标间的相关性分析

2.3.2株高、SPAD与干草产量的关系 放牧和刈割利用下，无芒雀麦的干草产量均随株高呈幂函数上升，且在刈割利用下方程的拟合效果优于放牧(图6)。在放牧利用下，无芒雀麦的干草产量随SPAD的增加而增加。在刈割利用下，无芒雀麦的干草产量随SPAD呈幂指数增加，且在刈割利用下方程的拟合效果优于放牧。

图6 无芒雀麦的株高和SPAD与干草产量的关系

2.3.2株高、相对叶绿素含量与相对饲用价值的关系 放牧和刈割利用下，无芒雀麦的相对饲用价值均随株高呈幂函数上升，且在放牧利用下方程的拟合效果优于刈割(图7)。放牧和刈割利用下，无芒雀麦的相对饲用价值均随SPAD呈幂函数上升，且在刈割利用下方程的拟合效果优于放牧。

图7 无芒雀麦的株高和SPAD与相对饲用价值的关系

3 讨论

徐智超等[23]研究表明，与传统刈割相比，合理放牧可以提高草地的生产能力。詹天宇等[24]研究指出，适度放牧可使草地地上生物量增加，提高草地生产力。本试验结果与上述研究结果一致，放牧处理下无芒雀麦的株高累积量和干草产量显著高于刈割；且与刈割相比，放牧处理下无芒雀麦的SPAD累积量也得到了显著提高。这可能是由于放牧条件下的家畜活动清除了枯草，改变了植物的冠层受光面积，从而增加了植物叶片的叶绿素合成[25]。另一方面，放牧对草地的影响主要表现为放牧家畜的采食和践踏行为[26]。放牧家畜所采食的大部分植物养分以排泄物的形式返还到草地土壤中，这些排泄物能够改善土壤氮含量，促进草地植物养分再分布，有助于维持土壤肥力和提高植被生产力[27-28]。放牧不仅能够提高草地生产力，还有助于改善牧草营养品质。研究表明，适当放牧强度下牧草的粗蛋白和粗灰分含量增加，随着放牧强度的增加酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量呈下降趋势，从而改善牧草营养品质并提高适口性[29-31]。本研究表明，与刈割相比，放牧提高了无芒雀麦的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量，同时降低酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量。其原因可能是在放牧刺激下牧草发生了补偿性生长，改变了营养物质分配方式，进而提高了营养价值[32]。放牧虽然能够获得较高的产草量，但本研究只进行了2年试验，对于草地利用的可持续性还需进一步研究。

氮素是植物生长必须元素之一，对作物产量形成和品质好坏有着重要影响[33]。由于无芒雀麦自身不具备固氮能力，因此氮素供给的多少是其产量和营养品质的决定性因素之一。Holub等[34]的盆栽实验表明，在一定的氮供应下无芒雀麦会表现出更密集的生长以及产生更多的生物量。徐瑞阳等[35]通过对无芒雀麦设置不同施氮浓度的试验表明，植株叶片的叶绿素含量随氮浓度的增加呈上升趋势，且不同施氮处理之间差异显著。本研究结果与上述研究一致，与不施氮相比，施氮条件下无芒雀麦的株高累积量、SPAD累积量以及干草产量均显著增加。这是由于适宜的氮肥添加能够促进牧草分蘖并增加叶片中的叶绿素含量，进而提高植物光合速率、增加光合产物，最终增加牧草生物量[36]。一般来讲，粗蛋白和粗纤维含量是衡量牧草品质的重要指标，牧草相对饲用价值和粗蛋白含量呈显著正相关关系，粗蛋白含量越高，牧草的营养价值越高[37]。施氮可以增加牧草的粗蛋白含量，同时降低酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量[38-39]。罗凤敏等[40]在水肥调控对无芒雀麦品质影响的研究中发现，施用氮肥能够促进无芒雀麦的蛋白质合成，并对无芒雀麦粗脂肪、粗灰分和粗纤维含量有显著影响。本试验中，无芒雀麦的粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量对施氮有显著响应，其中施氮160 kg·hm-2处理的两年平均粗蛋白含量比不施氮增加了15.93%，并且相对饲用价值显著高于不施氮和施氮80 kg·hm-2处理，这表明施氮有助于提高无芒雀麦的营养品质。本研究结果具有一定局限性，试验仅设置了3个施氮水平，其中施氮160 kg·hm-2为最大施氮量，该施氮量可能不是无芒雀麦获得最高产量的适宜水平，今后需细化施氮梯度试验，以确定该地区无芒雀麦草地的适宜施氮量。

传统测定牧草粗蛋白、粗脂肪、酸性和中性洗涤纤维等品质指标的方法较为复杂，需花费大量时间和人力。胡安等[41]通过构建基于株高等指标的产草量与营养品质预测模型，发现牧草农艺性状与产量和品质之间的相关性分析预测准确性较高、成本较低，具有可行性，能够为农户在牧草生产中提供指导。本研究分别建立了株高、SPAD与干草产量和相对饲用价值的线性回归模型，结果表明无论是在放牧还是刈割条件下，无芒雀麦的干草产量和相对饲用价值均随株高成幂指数上升；在刈割条件下干草产量和相对饲用价值与SPAD的相关性较强，而在放牧利用下干草产量和相对饲用价值与株高的相关性较强。可见，在不同利用方式下农艺性状与干草产量和相对饲用价值的相关性有所差异，研究结果可帮助该地区农户对无芒雀麦草地进行合理的田间管理，以节约时间和成本。然而，该结果具有一定局限性，本研究建立了株高或SPAD单一指标与产量和相对饲用价值的回归方程，拟合度较低，今后需进一步建立多个农艺性状与产量和品质的线性模型，以提高预测模型的准确性。

4 结论

与刈割相比，放牧可以提高无芒雀麦的株高累积量、SPAD及总干草产量，并增加粗蛋白、粗脂肪及粗灰分含量，降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，进而改善营养品质。无芒雀麦的株高累积量、SPAD及总干草产量随施氮量的增加而增高。施氮处理较不施氮显著提高了粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量及相对饲用价值，显著降低ADF和NDF含量。所有处理中，放牧条件下施氮160 kg·hm-2处理的干草产量最高，营养品质优良，是一种提高黄土高原地区无芒雀麦产量和品质的管理措施。