高寒地区燕麦人工草地生物量积累对施肥和箭筈豌豆混播水平的响应

刘文辉，张英俊，师尚礼，魏小星，张永超

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070； 2.青藏高原优良牧草种质资源研究省级重点实验室，青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016； 3.中国农业大学，北京 100094)

高寒地区燕麦人工草地生物量积累对施肥和箭筈豌豆混播水平的响应

刘文辉1,2，张英俊1,3，师尚礼1，魏小星2，张永超2

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070； 2.青藏高原优良牧草种质资源研究省级重点实验室，青海省畜牧兽医科学院，青海 西宁 810016； 3.中国农业大学，北京 100094)

采用品种(青燕1号、青海444、青海甜燕麦、林纳)、施肥水平(不施肥、尿素+磷酸二铵、尿素+磷酸二铵+有机肥、有机肥)和混播水平(0 kg/hm2、45 kg/hm2、60 kg/hm2、75 kg/hm2)3因素4水平正交试验设计，探讨3个因素影响下燕麦人工草地生物量季节动态。结果表明：3个因素显著影响燕麦与箭筈豌豆混播人工草地各器官的生物量。品种在整个生育期影响燕麦茎和穗生物量的积累，并对燕麦生长前期地下和生长后期地上生物量的积累有影响；施肥水平在整个生育期影响叶生物量的积累，并对燕麦生长前期地上和后期地下生物量的积累有影响；混播水平在整个生育期主要影响箭筈豌豆地上生物量、茎和叶生物量的积累。燕麦和地上总生物量积累的关键时期在抽穗—开花期，箭筈豌豆地上生物量积累的关键时期在开花—乳熟期。燕麦茎在整个生育期生物量持续显著增加，而叶和穗生物量增加较平缓；箭筈豌豆茎和叶生物量在生长前期(燕麦开花期前)增长比较平缓，而开花—乳熟期增长迅速。地下生物量显著增加到开花期后基本趋于稳定。3个因素影响下，燕麦人工草地地上和地下生物量均以青海甜燕麦、尿素+磷酸二铵+有机肥施肥处理、75 kg/hm2混播水平下最高，平均分别为697.71，662.27、630.54 g/m2和82.27，82.08和81.25 g/m2。

高寒地区；品种；施肥水平；混播水平；生物量动态

建立优质、高产的人工草地是解决青藏高原高寒地区草畜季节性供求矛盾、保护生态环境和促进草地畜牧业可持续发展的关键措施之一[1]。燕麦(Avenasativa)是禾本科一年生饲料作物，具有抗寒、耐旱、耐瘠薄的特性，其根系发达，分蘖能力强、产量高，品质优良，可有效防止水土流失，减少无效蒸发和地表径流[2]。青藏高原地区一年生燕麦人工草地建设主要以燕麦单播、燕麦与箭筈豌豆(Viciasativa)混播为主，人工草地不仅可提高单位面积的产量和品质，还能增加土壤有机质和氮素含量，提高土壤肥力，增加饲草产量和品质，缓解冷季草畜不平衡的矛盾[3]。豆科和禾本科牧草的混播草地，以其较高的生产力、较好的营养搭配和经济有效的氮素来源而长期受到人们的重视。生物量是研究植被净初级生产力的基础，是植被碳库的度量，是评价生态系统结构与功能的重要参数。生物量对研究生态系统的营养物质分配和碳循环具有重要意义[4]。同时，生物量是反映牧草生长发育的一个重要指标，是衡量草原生产力大小的标准之一[5]。开展牧草生物量动态变化的研究，对建植优质高产人工草地及其合理利用和退化草地补播改良等具有重要的理论和实践意义。混播草地的生长动态，尤其是生物量的积累和分配动态变化是草地群落内竞争力大小的具体参考指标[6]。在燕麦人工草地的研究方面，很多学者从燕麦与箭筈豌豆单播、品种选择、混播组合、施肥水平、光能转化效率、生产性能以及营养组成等方面进行的深入而细致的理论研究和生产实践，有效促进了燕麦人工草地初级生产力的提高[7-10]。然而，以往研究多集中在总生物量积累规律的研究，缺乏对各器官生物量积累方面的研究，同时研究多考虑某一因素对生物量积累的影响，缺乏综合因素下生物量动态变化的研究。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2014年在青海省海北州西海镇进行。地理坐标E 36°59.36′，N 100°52.848′，海拔3 156 m，气候寒冷潮湿，无绝对无霜期，年平均气温0.5℃，年降水量369.1 mm，且多集中在7、8、9月，年蒸发量1 400 mm，全年日照时数2 980 h。平均无霜期93 d。土壤为栗钙土。试验地土壤pH 8.43，全氮(N)1.56 g/kg，全磷(P2O5)1.39 g/kg，全钾(K2O)22.06 g/kg，碱解氮88.77 mg/kg，速效磷2.15 mg/kg，速效钾168.21 mg/kg，有机质32.48 g/kg。

1.2 材料和方法

供试材料燕麦品种为青燕1号(Avenasativacv.Qingyan No.1)、青海444(A.sativacv.Qinghai 444)、青海甜燕麦(A.sativacv.Qinghai)和林纳(A.sativacv.Lena)，箭筈豌豆品种为西牧324(Viciasativacv.Ximu 324)，均为上年收获种子。选用肥料为尿素(含N 46%)，磷酸二铵(含N 16%，P2O546%)，有机肥(有机质>40%，N+P2O5+K2O 25%，有效活菌数0.2亿/g)。

试验采用品种、施肥水平、箭筈豌豆混播水平3因素4水平正交试验设计，共16个处理，完全随机区组排列。小区面积4 m×5 m，小区间隔0.5 m，燕麦播量600万株/hm2保苗数计算，根据千粒质量、发芽率、纯净度计算各品种的实际播量青燕1号燕麦154.5 kg/hm2、林纳燕麦150.0 kg/hm2、青海444燕麦183 kg/hm2、青海甜燕麦216 kg/hm2，撒播，播深3～4 cm。燕麦品种为A1(青燕1号)、A2(青海444)、A3(青海甜燕麦)和A4(林纳)；施肥水平为B1(CK0，不施任何肥料)、B2(尿素75 kg/hm2+磷酸二铵150 kg/hm2)、B3(尿素37.5 kg/hm2+磷酸二铵75 kg/hm2+有机肥750 kg/hm2)和B4(有机肥1 500 kg/hm2)；箭筈豌豆混播比例为C1(0 kg/hm2)、C2(45 kg/hm2)、C3(60 kg/hm2)和C4(75 kg/ hm2)。2015年5月14日播种，施肥在播前一次性施入。出苗后，人工除杂草1次，田间管理和观测项目在同一工作日完成。

分别于播种后拔节期(6月15日)、抽穗期(7月15日)、开花期(8月15日)和乳熟期(9月15日)在各小区选取1 m×1 m的样方，3次重复，连同地下部分挖出，按燕麦和箭筈豌豆根、茎、叶、穗(燕麦)分开，带回实验室，洗净地下生物量，齐地剪断，将各器官样品置于85℃烘箱烘3 h后分别称重。

1.3 数据处理

采用Excel 2003对试验数据进行初步整理，用SPSS for Windows 11.5进行方差分析，用Sigmaplot 10.0进行绘图。采用Duncan在0.05水平上进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 地上生物量

2.1.1 地上总生物量 各时期3个因素对地上总生物量影响的差异性分析(表1)，除混播水平在拔节和抽穗期外，3个因素在其余各时期对地上总生物量积累的影响均达到显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)。其中，拔节期施肥水平影响最大，其余时期表现为品种>施肥水平>混播水平。3个因素影响下，地上总生物量随生育期推进而显著增加(P<0.05)，到乳熟期达最大，其中以青海甜燕麦、尿素+二铵+有机肥施肥处理、75 kg/hm2混播水平下，乳熟期地上总生物量最大，分别达到697.71 g/m2，662.27 g/m2和630.54 g/m2(图1)。

表1 各因素对地上总生物量影响的 差异性分析(F值)Table 1 The difference analysis of aboveground biomass for different factors(F value)

注：**、*和ns分别表示显著性检验达极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)和不显著(P>0.05)水平，下同

图1 各时期不同因素处理下的地上生物量Fig.1 The effects of different factors on aboveground biomass in different stages注：小写字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)；大写字母表示同一处理不同时期间差异显著(P<0.05)，下同

2.1.2 燕麦地上生物量 品种和施肥水平对各时期燕麦地上总生物量、茎、叶和穗生物量积累的影响均达到显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)，而混播水平对其的影响不显著(P>0.05)。施肥水平在拔节期对燕麦地上生物量影响最大，品种在抽穗—乳熟期对其影响最大；各时期3个因素对茎和穗生物量积累影响的大小为品种>施肥水平>混播水平，对叶生物量积累的影响为施肥水平>品种>混播水平。燕麦地上总生物量、茎、叶和穗生物量均随着生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，至乳熟期达最大。其中乳熟期地上总生物、茎、叶和穗均以青海甜燕麦(320.47 g/m2、291.86 g/m2、86.54 g/m2、143.57 g/m2)、尿素+二铵+有机肥施肥处理(305.86 g/m2、282.42 g/m2、87.07 g/m2、133.05 g/m2)和0 kg/hm2混播水平(260.73 g/m2、130.47 g/m2、74.36 g/m2、111.81 g/m2)下达到最大(图2)。

2.1.3 箭筈豌豆地上生物量 各时期混播水平对箭筈豌豆地上生物量积累的影响均达显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)；拔节、开花和乳熟期混播水平以及开花期品种对茎生物量积累的效应达到显著水平(P<0.05)。混播水平在各时期对地上生物量的效应最大；混播水平在拔节、抽穗和开花期对茎生物量的积累的效应最大，品种在乳熟期对其的效应最大；各时期混播水平对叶生物量的积累效应均表现为最大(表2)。

箭筈豌豆地上生物量、茎和叶生物量在3个因素影响下均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，至乳熟期达到最大(图1，表3)。从品种比较分析，箭筈豌豆总生物量、茎和叶生物量在乳熟期分别以青海甜燕麦(158.72 g/m2)、林纳(77.66 g/m2)和青海甜燕麦(85.75 g/m2)最高；施肥水平以对照(不施肥)处理最高(154.83 g/m2、74.62 g/m2和80.21 g/m2)；从混播水平比较来看，以混播75 kg/hm2时最高(167.06 g/m2、76.42 g/m2和90.65 g/m2)。

图2 各时期不同因素处理下的燕麦地上茎叶穗生物量Fig.2 The effects of different factors on aboveground organ biomass of oats in different stages

项目因素燕麦拔节期抽穗期开花期乳熟期箭筈豌豆拔节期抽穗期开花期乳熟期地上生物量品种9.642*33.929**102.950**44.442**0.700ns1.270ns3.437ns16.297*施肥水平11.999**19.163**80.710**29.568**0.188ns0.889ns2.461ns0.016ns混播水平0.312ns0.136ns3.381ns0.205ns19.094*29.956*97.042**21.904*茎品种10.159**25.299**83.075**53.083**2.946ns0.132ns3.905ns217.435**施肥水平8.615*9.486*52.988**32.346**0.498ns0.488ns0.808ns0.511ns混播水平0.026ns0.191ns1.304ns0.586ns17.865*4.759ns14.263*86.270**叶品种9.008*25.475**32.484**60.004**1.265ns5.118ns23.940*2.450ns施肥水平12.504**30.168**60.255**64.484**0.221ns3.054ns12.210*0.031ns混播水平0.457ns1.486ns3.014ns1.821ns6.115ns83.968**415.235**9.508*穗品种//17.910**24.943**施肥水平//10.345**13.831**混播水平//1.136ns0.277ns

图3 各时期不同因素处理下箭筈豌豆地上茎叶穗生物量Fig.3 The effects of different factors on aboveground organ biomass of common vetch in different stages

2.2 不同措施对燕麦人工草地地下生物量的影响

2.2.1 地下总生物量 由3个因素对地下总生物效应的差异性分析结果可知(表3)，除品种在开花期、施肥水平在拔节期、混播水平在开花期外，其余时期各因素对地下总生物量的影响均达显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。各时期3个因素对地下总生物量积累的影响效应大小表现为，拔节期和抽穗期为品种>混播水平>施肥水平；开花期为施肥水平>混播水平>品种；乳熟期表现为混播水平>施肥水平>品种。3个因素影响下，地下总生物量均随着生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，在开花期达最大。其中，开花期地下总生物量分别以青海甜燕麦(82.27 g/m2)、尿素+磷酸二铵+有机肥(82.08 g/m2)和75 kg/hm2混播水平(81.25 g/m2)最大，而林纳、CK(不施肥)和0 kg/hm2混播下最低，分别为72.85 g/m2、68.45 g/m2和67.42 g/m2，前者是后者的1.13倍，1.20倍和1.21倍(图4)。

2.2.2 燕麦地下生物量 燕麦地下生物量对3个因素相应的效果分析表明(表3)，除品种在开花期、施肥水平在拔节期和混播水平在拔节期、抽穗期和开花期外，其余时期3个因素对燕麦地下生物量的影响效应均达显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。各时期3个因素对燕麦地下总生物量积累的影响效应大小表现为：拔节期和抽穗期为品种>施肥水平>混播水平；开花期和乳熟期为施肥水平>品种>混播水平。3个因素影响下地下生物量均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，在开花期达最大(图4)。其中，开花期燕麦地下生物量分别以青海甜燕麦(70.05 g/m2)、尿素+磷酸二铵+有机肥(71.99 g/m2)和0 kg/hm2混播水平(67.42 g/m2)最大，林纳、CK(不施肥)和60 kg/hm2混播下最低，分别仅为60.77 g/m2、56.63 g/m2和63.49 g/m2，前者是后者的1.15倍，1.27倍和1.06倍。

表3 各因素对地下生物量影响的差异性分析(F值)Table 3 The difference analysis of different factors on underground biomass(F value)

2.2.3 箭筈豌豆地下生物量 品种在拔节期、乳熟期，混播水平在拔节期对箭筈豌豆地下生物量积累的影响效应达显著水平(P<0.05)。各时期对箭筈豌豆地下总生物量积累的影响效应大小表现为，拔节期混播水平>品种>施肥水平；抽穗期混播水平>施肥水平>品种；开花期施肥水平>品种>混播水平；乳熟期品种>混播水平>施肥水平(表3)。3个因素影响下箭筈豌豆地下生物量均随生育期的推进呈显著增加(P<0.05)，并在开花期达最大(图4)。开花期箭筈豌豆地下生物量分别以青海甜燕麦(16.29 g/m2)、对照(不施肥)(15.75 g/m2)和75kg/hm2混播水平(15.26 g/m2)下最高。

图4 各时期不同因素处理下的地下生物量Fig.4 The effects of underground biomass on different factors in different stages

3 讨论

不同燕麦品种在施肥和混播水平影响下，人工草地地上、地下生物量以及茎叶穗生物量随季节表现出明显的波动。燕麦、箭筈豌豆地上生物量和地上总生物量在各时期均表现为显著增加，至乳熟期最大，而地下生物量在开花期达到最大。燕麦地上和地上总生物量在抽穗—开花期生物量增加迅速，箭筈豌豆地上生物量在燕麦开花—乳熟期增长迅速。燕麦茎生物量积累随着生育期推进，在整个生育期表现为急剧显著增加，而叶和穗生物量的增加较平缓。箭筈豌豆茎和叶生物量在混播草地生长前期(燕麦开花期前)增长比较平缓，而开花—乳熟期增长迅速。这与陈功等[2]、周川姣等[12]、纪亚君等[13]、柴继宽等[14]的研究结果一致。

影响植物生物量积累的因素很多，研究中品种、施肥水平和混播水平均显著影响了燕麦人工草地各器官生物量的积累，且不同时期各因素对其的影响效应不同。研究发现，品种在整个生育期主要影响燕麦茎和穗生物量的积累，施肥水平影响叶生物量的积累；施肥水平主要影响燕麦生长前期地上和后期地下生物量的积累，品种主要影响燕麦生长后期地上和前期地下生物量的积累；混播水平在整个生育期主要影响箭筈豌豆地上生物量、茎和叶生物量的积累，混播水平在生长前期、施肥水平在中期、品种在后期影响箭筈豌豆地下生物量的积累。

高产是牧草生产的主要目标，但其在品种间存在较大差异。有研究发现象草品种的构建生物量大小及结构有一定的差异；徐春明等[15]的研究发现，不同秋眠级苜蓿品种生物量积累潜力不同。燕麦品种影响下，燕麦和箭筈豌豆器官生物量积累间存在差异。利用青海甜燕麦建植的混播人工草地地上总生物量、燕麦茎、燕麦叶、燕麦穗生物量，以及箭筈豌豆地上生物量、叶生物量均达到最高；其次，为青燕1号和青海444，林纳品种生物量最低。在青藏高原高寒地区建立燕麦单播和混播人工草地时，应首选生物量较高的青海甜燕麦。

施肥是提高作物产量的关键措施之一[16]。化学肥料的施用造成了土壤微生物活性降低、养分失调、酸化加剧等环境污染问题。研究表明，有机无机肥混施不仅能显著提高饲草产量，而且在促进无机肥的吸收和改善土壤品质方面具有重要的作用[17]。潘大伟等[18]对小麦施肥的研究发现，有机肥与钾肥的配施显著提高了小麦的生物量和吸钾量；胡玮等[19]的研究报道有机肥和化肥混施提高了小麦产量和土壤肥力，且有机肥与化肥配施比单施化肥效果更好。在尿素+磷酸二铵+有机肥处理下，燕麦人工草地地上总生物、燕麦地上生物量、燕麦茎生物量、叶生物量和穗生物量，地下总生物量、燕麦地下生物量最高，而箭筈豌豆地上生物量、茎生物量和叶生物量及地下生物量均以不施肥处理下最高。有机肥和无机肥的混施显著提高了混播人工草地的总生物量和燕麦地上生物量，混播群落中燕麦的竞争优势明显增强，抑制了箭筈豌豆的生长。

混播草地豆科、禾本科牧草种子所占比例直接影响种群的生长、产量和品质。种植密度对混播群落内光合有效辐射、CO2、风速、温度、湿度等小气候因子的分布有显著影响，这种影响反馈到群体结构组成，最终反映在群体的有效贮积能量和产量上[20]。试验以混播75 kg/hm2水平下燕麦与箭筈豌豆混播人工草地地上总生物量、箭筈豌豆地上生物量、箭筈豌豆茎生物量、箭筈豌豆叶生物量、地下总生物量最高，而在单播条件下燕麦地上生物量、燕麦茎生物量、叶生物量、穗生物量、燕麦地下生物量最高。与单播相比，混播抑制了另一种作物的生长，但有效提高了群体的总生物量积累。

4 结论

燕麦人工草地地上、地下生物量及各器官生物量随季节表现出明显的波动，燕麦茎在整个生育期持续显著增加，而叶和穗生物量增加较平缓；箭筈豌豆茎和叶生物量在生长前期(燕麦开花期前)增长比较平缓，而开花-乳熟期增长迅速。地下生物量显著增加到开花期后基本趋于稳定。

燕麦品种、施肥和箭筈豌豆混播水平均显著影响了燕麦与箭筈豌豆混播人工草地各器官生物量。品种在整个生育期主要影响燕麦茎和穗生物量的积累，施肥水平影响叶生物量的积累；施肥水平主要影响燕麦生长前期地上和后期地下生物量的积累。

3个因素影响下，燕麦人工草地地上和地下生物量均以青海甜燕麦、尿素+磷酸二铵+有机肥施肥处理、75 kg/hm2混播水平下最高，平均分别为697.71、662.27、630.54 g/m2和82.27、82.08、81.25 g/m2。

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Effect of fertilization and mixture on biomass accumulation of oat pasture in alpine area

LIU Wen-hui1,2,ZHANG Ying-jun1,3,SHI Shang-li1,WEI Xiao-xing2,ZHANG Yong-chao2

(1.CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;2.KeyLaboratoryofSuperiorForageGermplasmintheQinghai-TibetanPlateau,QinghaiAcademyofAnimalScienceandVeterinaryMedicine,Xining,810016,China;3.ChineseAgriculturalUniversity,Beijing100094,China)

An orthogonality experiment with three factors and four levels was designed to understand the effect of fertilization (control,urea+(NH4)2HPO4,urea+(NH4)2HPO4+organic fertilizer,organic fertilizer) and mixture (0 kg/ha,45 kg/ha,60 kg/ha,75 kg/ha common vetch) on the pasture biomass with different varieties of oats (Avenasativacv.Qingyan No.1,Qinghai No.444,Qinghai,Lina).The results showed that the biomass allocation pattern of pasture withA.sativaand Vicia sativa mixture was affected by these three factors significantly.In the whole growth period,the leaf and stem biomass accumulation of oats was affected by different plant varieties,and the varieties influenced the accumulation of belowground biomass at the beginning of the growth stage and of aboveground biomass in the later period.Fertilization affected the leaf biomass accumulation in the whole growth period,and took a part in the accumulation the aboveground biomass at the beginning and the belowground biomass in the later of the growth stage.The level of mixtures affected the aboveground,stem and leaf biomass accumulation ofV.sativain the whole growth period.The key period of oats biomass accumulation was in the heading and flowering stages;while the key period ofV.sativabiomass accumulation was in the flowering and milking stages.The stem of oats increased constantly during the growth period,while the leaf and ear increased gently.The stem and leaf biomass of V.sativa increased rapidly in the flowering and milking stages,and the belowground biomass became steadily after the flowering stage.Among the effects of variety,fertilization and mixture,the above- and belowground biomass of cultivated pasture were much higher under the treatments with the variety ofAsativacv.Qinghai,urea+(NH4)2HPO4+organic fertilizer and the mixture level of 75 kg/ha,which were 697.71g/m2,662.27 g/m2,630.54 g/m2and 82.27 g/m2,82.08 g/m2,81.25 g/m2separately.

alpine area;variety;fertilization;mixture;biomass dynamics

2016-04-05；

2016-07-01

“现代农业产业技术体系建设专项资金”(CA RS-35-41)；农业部“青藏高原牧草种质资源保护利用”项目(070401)；青海省饲草产业科技创新平台建设资助

刘文辉(1979-)，男，青海贵德人，副研究员，主要从事牧草栽培育种和人工草地建植方面的研究。 E-mail：qhliuwenhui@163.com

S 512.6；S 147.2

A

1009-5500(2017)02-0035-08

张英俊为通讯作者。