不同刈割时间和间隔对羊草产量和品质的影响

2019-07-01

土壤与作物 2019年2期

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林省草地畜牧重点实验室，吉林长春 130102；2.中国科学院大学，北京 100049；3.东北师范大学草地研究所植被生态科学教育部重点实验室，吉林长春130024)

0 引言

羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.)，也称为碱草，属于禾本科赖草属的多年生根茎型植物，羊草主要分布于欧亚大陆东部湿润与半湿润地区，在我国主要分布于我国内蒙古东部和松嫩平原[1]。羊草生态可塑性极强，可以耐盐碱，干旱及刈牧等多种因子的胁迫，且羊草富含粗蛋白等营养物质。目前羊草草甸已经成为中国北方优质的放牧场和割草场，兼具生态意义和资源意义[2]。

刈割是草地主要的利用方式之一，不同刈割方式对牧草的影响很大[3]。通过刈割技术利用牧草的补偿性生长和均衡性生长特性可以收获高产的优质牧草[4]。近几十年来，关于刈割时期和刈割间隔对草原生态系统的影响的研究有大量的报道，主要包括不同的刈割时期和间隔对牧草的再生，植物群落组成及植物营养成分的影响[5-7]。生长季初首次刈割至关重要，过早或过晚刈割都不利于牧草的再生。刈割时间不仅影响羊草产量，也是影响羊草品质的一个主要的因素，春季刈割收获的牧草粗蛋白含量和体外干物质消化率较高，秋季刈割羊草的品质迅速下降[8]。研究表明，羊草一年多次刈割比一年割一次能够收获更多的羊草生物量[9-10]，但刈割间隔越小，刈割强度则越大，造成牧草系统能量损失与失衡，最终造成牧草根部的贮藏物消耗殆尽，从而导致牧草大面积退化[11]。松嫩草地的主要利用方式为每年8月中下旬打草一次，此时能收获羊草最高的产量，但羊草的粗蛋白含量通常低于6%[12]。一年多次刈割能够显著改善羊草的品质，但松嫩平原有关于羊草的再生恢复时间的研究较少，且羊草不同生长阶段刈割后的恢复时间也不同[13]。基于上述认识，设计不同刈割时间和间隔对松嫩平原羊草产量和品质的影响，旨在探讨适合本地区的刈割方式，以解决松嫩平原长期草地利用效率低下及草地退化严重的问题。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

实验样地位于中国科学院长岭草地农牧生态研究站(44°33′N，123°31′E)，实验区地处松嫩平原南部的农牧交错区，属于半湿润、半干旱温带大陆性气候，海拔145 m，年平均降水量约为470 mm，集中于6～9月，约占全年降水量的60%～80%，年蒸发量约为1 600 mm。年平均气温4.6～6.4 ℃，无霜期为140～160 d，>10 ℃的有效积温为2 900 ℃～3 000 ℃。研究区土壤类型为盐碱土与黑钙土，pH介于7.5～10.0，主要的植被类型为羊草草甸，主要的建群种或优势种有羊草(Leymuschinensis)、芦苇(Phragmitescommunis)、虎尾草(Chlorisvirgata)、盐地碱蓬(Suaedasalsa)及星星草(Puccinelliatenuiflora)等。本试验开始于2016年，该年平均温度为6.2 ℃，全年降水量为460 mm，6～9月约全年降水量的72%，无极端天气出现(图1)。

1.2 试验设计

本试验开始于2016年，分为两部分，即不同刈割时间试验和不同刈割间隔试验。前者是为了确定羊草生长季初首次刈割时间，共设置8个处理，每个处理3次重复，从5月15日到8月15日，每隔15 d刈割一次，最后一次刈割时间为10月1日，共计24个小区；后者是为了研究羊草在生长季内适宜的刈割间隔，设计了 30 d、40 d和50 d 3个处理，每个处理3次重复，共计9个小区。该试验的刈割起始时间为6月1日，每个处理刈割三茬后，所有处理最后一茬刈割时间为10月1日。本试验采用完全随机区组设计，小区面积为9 m2(3 m×3 m)，为防止相互影响，小区与小区之间均设有1 m宽隔离区，留茬高度均为5 cm。

1.3 测定指标及分析方法

地上生物量的测定采用收割法，每次刈割前取样。每个处理小区每次随机取5个1 m × 1 m的样方。将样品装入信封后带回实验室于65 ℃下72 h烘至恒重称干重，然后将烘干的草样粉碎后过40目筛，装入密封袋中，于-4 ℃保存待测。N的测定用2300型全自动凯氏定氮仪(Kjeltec Analyzer Unit瑞典 FOSS TECATOR 公司生产)；蛋白质(CP)的含量：N×6.25；CP产量：CP的含量与干草产量的乘积；中性洗涤纤维素(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)的测定采用范式法[14]；脂肪的测定采用索氏提取法；灰分的测定采用马弗炉煅烧法。P的测定用高氯酸—硝酸消煮法对样品进行消解,钥蓝比色测量并计算P浓度；K、Ca的测定采用硝酸—高氯酸消煮，原子吸收分光光度法。

1.4 数据分析

数据分析采用SAS 8.0软件进行一般线性模型分析，绘图采用OriginPro 2016软件。

2 结果与分析

2.1 不同刈割时间对羊草产量和品质的影响

不同刈割时间对羊草生物量、品质具有显著影响(P<0.05，表1)。刈割时间对羊草产量(P=0.002)和CP产量(P<0.001)具有“二次效应”。CP含量随着刈割时间的推迟呈线性减少的趋势(P<0.001)，图2，相反，ADF和NDF随着刈割时间的推迟呈线性增加的趋势(P<0.001，图2)。羊草的产量具有明显的季节性，呈“单峰型”变化，在8月中旬最高达255 g·m-2，随后显著下降(P<0.05，图2)。CP产量的变化则成“双峰型”变化，分别在6月15日和8月1日达到峰值12.3 g·m-2和14.2 g·m-2，但两者无显著差异。此外，CP产量从5月15日到6月1日增加显著(P<0.05)，随后一直到7月中旬，没有显著变化，8月中旬以后，CP产量下降显著(P<0.05)。6月1日刈割CP含量低于5月15日，但无显著差异，6月1日以后，CP含量显著低于5月15日和6月1日(P<0.05)。

2.2 不同刈割间隔对羊草产量和品质的影响

不同刈割间隔对羊草产量和品质(灰分除外)具有显著影响(P<0.05，表2)。不同刈割间隔对CP产量、钙和NDF具有“二次效应”(P<0.001)。CP、P和K的含量随着刈割间隔的增加呈线性减少的趋势(P<0.001)，ADF随着刈割间隔的增加呈线性增加的趋势(P<0.001)。30 d处理CP含量显著高于40 d与50 d处理(P<0.05)。刈割40 d处理钙的含量显著高于30 d与50 d的处理(P<0.05)，NDF 含量则显著低于30 d与50 d的处理(P<0.05)，同时30 d与50 d处理间钙和NDF无显著变化。不同刈割间隔处理间灰分含量无显著变化。

表1 不同刈割时间对羊草生物量和品质的一般线性模型分析结果(P值)Table 1 Results (P-values) of general linear model on the effects of different mowing time on the dry matter yield and chemical composition of Leymus chinensis

注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。Note:Different small letters means significant differences between treatments at 0.05 level.The same is as below.图2 不同刈割时间对羊草生物量和品质的影响Fig.2 Effects of different mowing time on dry matter yield and chemical composition of Leymus chinensis

从不同刈割间隔的各茬次的产量来看，所有处理首茬产量为116 g·m-2，40 d与50 d间隔处理第二茬产量无显著差异，均显著高于30 d处理(P<0.05，图3)。50 d间隔处理第三茬和第四茬羊草再生生物量显著低于30 d和40 d处理(P<0.05)。30 d处理第三茬羊草再生生物量显著低于40 d处理(P<0.05)但第四茬再生生物量显著高于40 d处理(P<0.05)。

表2 不同刈割间隔对羊草粗蛋白产量和品质的影响Table 2 Effects of different mowing interval on CP yield and chemical composition of Leymus chinensis

注：同行不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。
Note:Different small letters within a line means significant differences at 0.05 level.The same is as below.

图3 不同刈割间隔对羊草生物量分配的影响Fig.3 Distribution of dry matter yield of Leymus chinensis at each mowing as influenced by mowing interval

3 讨论

松嫩平原草甸草原中，植物群落结构单一，物种稀少，再加上草甸草原盐碱化比较严重，因此形成了大面积以羊草为优势物种的群落。刈割时间不仅能影响牧草的单次收获量、再生生物量以及牧草总产量而且还影响牧草的品质[15-16]。仲延凯等[17]5年的连续刈割试验表明，不同刈割时间羊草的生物量变化具有季节性，呈单峰型变化，8月中旬达到峰值。本研究中，5月中旬刈割羊草的产量仅为35.0 g·m-2，显著低于其它刈割时间的产量，7月后，羊草的产量趋于稳定，至8月中旬达到峰值255 g·m-2，随后羊草产量显著降低，与以上研究结果一致。这是因为生长季初期叶片发育不完全，光合能力弱，此时牧草的生长所需的能量主要来自根部储存的营养物质，随着时间的推迟，在合适的气温和降水条件下，牧草的叶片的叶面积和数量显著增加，光合速率急剧升高，积累的有机物逐渐增多，但到了7月后，羊草开始结籽，并逐步进入休眠期，此时光合作用的产物将用于羊草的生殖生长，干物质积累停滞，8月中旬以后，羊草逐渐进入生长末期，环境条件恶化，枯落物增加，羊草的生物量急剧下降[18-20]。从牧草的营养成分含量来看，随着刈割时间的推迟，虽然羊草的生物量从6月1日到8月1日增加了将近2倍，但粗蛋白含量也下降了1.7倍。此外，NDF和ADF的含量随刈割时间的推迟呈增加的趋势。这说明，高营养搭配低产量、高产量搭配低营养是羊草全年产量和品质动态变化最显著的特征。松嫩草地最主要的草地利用方式是每年8月中下旬收获干草[15]，然而，本研究结果表明，8月中旬虽然可获得最高的羊草产量但是其粗蛋白含量仅为4.99%，其NDF和ADF含量分别高达67.4%和33.7%。研究表明，饲草的粗蛋白含量低于7.50%，NDF的含量高于66.2%将不能满足反刍动物的营养需求，造成反刍动物采食量降低，并最终造成饲草能量转化率的降低[21-23]。从本研究结果来看，虽然5月中旬羊草处于拔节期，生长潜能巨大，其粗蛋白含量较高，但此时刈割不仅收获较低的羊草生物量，同时，春季刈割开始时间过早，自牧草返青以来大量消耗的地下根部的贮藏物得不到充分补充，导致牧草减产或死亡[13]。相较于拔节期，6月1日羊草的生物量显著增加，粗蛋白产量一直到7月中旬均无显著变化，且其粗蛋白含量也保持较高水平，此时刈割牧草分蘖能力强，再加上雨热同期的气候条件，为牧草的再生提供了绝佳的条件。过晚的刈割牧草的品质急剧下降，且会影响牧草体内可溶性碳水化合物的和游离脯氨酸等抗寒物质的积累，使得牧草无法安全过冬[3,24-25]。因此6月1日为最佳的刈割时间，这一时期恰好也处在羊草的抽穗期前后，这与刘军萍等[26]研究结果一致。

刈割间隔是指按照固定的间隔来收获牧草的一种刈割方式，刈割间隔会显著影响牧草的地上生物量。从生物量分配来看，从6月1日羊草抽穗期刈割后，40 d和50 d处理第二茬收获的生物量显著高于30 d处理，40 d和50 d处理之间无显著差异，这表明羊草首次刈割后，需要较长的时间才能再生。这是因为牧草首次刈割后，牧草会启动一系列复杂的生理机制来应对这种伤害，进而恢复再生，简言之，牧草在首次刈割后，先要经历刈割适应期，然后进入休闲期[27]。到第三茬后，频繁刈割的劣势逐渐显现出来，30 d处理第三茬羊草的生物量显著低于40 d处理的。频繁刈割不仅降低了羊草的重要值，而且中断了光合产物向根部的运输和再分配，因上一次刈割消耗的根部的贮藏物还未来得及补充，再次因刈割后再生大量消耗地下贮存的营养物质。此外频繁的刈割牧草损失大量的叶片，光合器官显著减少，长此以往，导致地下营养物质枯竭。50 d处理第三茬，第四茬羊草生物量显著低于30 d和40 d处理。这可能是多方面原因造成的，首先从羊草自身的状态来说，上一茬刈割，牧草地上生物量被大量刈割后，叶片大量损失，光合能力减弱，无法向地下根茎输送营养，致使根部分蘖减少，再生牧草的生物量也随之下降[28]，其次宋彦涛等[29]研究表明，羊草在刈割干扰下，通过权衡对体内营养的分配，来保证羊草完成生命周期。刈割时间过长，不利于打破羊草的生命周期，羊草将逐步进入成熟期，生长潜能下降。最后从羊草所处的环境条件来说，50 d处理第三茬、第四茬刈割时间过晚。松嫩平原自8月中旬后，气候条件逐渐变得恶劣，9月份气温迅速降至10 ℃以下，这也不利于羊草再生[30]。至于30 d处理最后一茬羊草再生生物量显著高于其他两组处理，主要是因为30 d处理在第三茬刈割(8月1日)到第四茬刈割(10月1日)，有将近两个月的休闲期，这说明经频繁刈割后，适当延长最后一茬刈割的时间有利于羊草的再生，再加上这一时期环境条件逐渐恶化，羊草的恢复期较其它季节刈割需要更长的时间，这与杨晓松等[31]研究结果一致。从不同刈割间隔对营养成分含量的影响来看，不同间隔处理对CP、P和K具有显著影响，并且随着刈割强度的增加呈增加的趋势，这主要是因为频繁刈割带走了牧草大部分的地上生物量，导致牧草返回土壤的枯落物减少，牧草营养亏损严重，为了应对这种胁迫，植物加强了从土壤中吸收营养的能力[6,15]。