拉萨地区不同春箭筈豌豆轮作模式的生产力评价

2019-07-20马望力南志标

草业科学 2019年6期

马望力，南志标

（兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室 / 兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室 /兰州大学草地农业科技学院，甘肃兰州 730020）

西藏地处我国西南边陲，平均海拔4 000 m以上，气候寒冷、干燥。该地区以草地畜牧业为主，草地资源丰富，是我国传统的五大牧区之一，也是我国北方的重要生态屏障。由于自然条件严酷，西藏地区牧草生长周期较短，枯草期长达7～9个月，从而形成了冬春牧场利用时间长、夏秋牧场利用时间短的不平衡局面[1]。在冬季，家畜正处于怀孕、产羔的关键时期，而气温大幅度下降和草地枯萎，导致可食牧草大幅度减少，饲草的供应难以满足家畜维持正常生长的需求，逐渐成为高寒草地畜牧业发展的重大阻碍[2]，因此，亟需适应高寒气候的高产优质牧草。

在西藏地区，多年生牧草由于受热量不足等气候条件限制，生长速度缓慢，资源利用效率低，往往产草量不足。而一年生牧草具有生长快，产草量高等优势，可以在短时间内生产大量饲草，并用于畜牧业生产[3]。因此，将适应高寒环境的优质一年生牧草新品种引入拉萨，对解决冷季饲草短缺和改善生态环境等方面具有重要的现实意义。

春箭筈豌豆(Vicia sativa)为一年生豆科牧草，叶柔软、叶量大、适口性好、蛋白质含量高，是一种优良的草料兼用作物。春箭筈豌豆在高寒牧区生长良好，单播每公顷可产干草5.8～6.0 t[4-5]，常与燕麦(Avena sativa)、青稞(Hordeum vulgare)、多年生黑麦草(Lolium perenne)和大麦(Hordeum vulgare)等禾本科牧草进行混播种植[6]。春箭筈豌豆根系具有大量根瘤菌，可增加土壤中氮素含量，根系分泌物与残留还可增加土壤有机质含量[7]。由兰州大学培育的兰箭系列春箭筈豌豆品种具有抗逆性强、产量高、品质优良等特点，已经成功引入到夏河、庆阳等多地[8-9]，为当地畜牧业生产做出了重要贡献。目前阶段，该系列品种尚未在西藏高寒牧区进行种植和评价，是否可以将其加入到青藏高原传统的青稞连作的养地系统和青稞与油菜(Brassica napus)轮作的土壤利用系统中，从而改善当地种植模式，尚不得知。

本研究以兰箭1号春箭筈豌豆品种为材料，通过轮作试验对其在拉萨地区的生产力进行评价分析，以期筛选出适于拉萨地区的箭筈豌豆轮作系统。该结果对于缓解西藏地区饲草料短缺，促进草地农业健康可持续发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

大田试验于2016-2017年进行，试验地设在西藏自治区农牧科学院，该地位于拉萨市，地理坐标为 29°38′34″ N，91°02′31″ E，海拔 3 662 m，属于典型的高原温带半干旱季风气候类型，年日照时数3 022 h，年均降水量550 mm，降水主要集中在6-9月，年均气温为7.3 ℃，＞ 0 ℃的年积温为 2 000～3 200 ℃·d，无霜期 120～140 d[10]。试验地前茬作物为冬青稞。土壤为砂壤土，0-30 cm土层有机质含量 0.68 g·kg-1，全氮含量 0.58 g·kg-1，全磷含量 0.72 g·kg-1，全钾含量 16.2 g·kg-1，pH 7.8。

1.2 试验设计

试供材料为兰箭1号春箭筈豌豆(common vetch)、冬青18号冬青稞(hulless barley)和青杂4号饲草型油菜(rape)，兰箭1号是兰州大学南志标院士团队培育适合高原环境的春箭筈豌豆新品种，冬青18号和青杂4号是当地主要的冬青稞和油菜品种。

试验采用随机区组设计，共设5个不同轮作处理，每个处理重复4次，共20个小区，各小区面积为5 m × 6 m = 30 m2，区组间距0.5 m，小区间距0.3 m。具体处理及轮作顺序如下：处理1，休闲-冬青稞-休闲(F-H-F)，2016年夏季休闲，秋季10月20日种植冬青稞，2017年秋季休闲；处理2，油菜-冬青稞-油菜(R-H-R)，2016年夏季5月12日种植饲用油菜，秋季10月20日种植冬青稞，2017年秋季7月20日种植油菜；处理3，箭筈豌豆-冬青稞-箭筈豌豆(V-H-V)，2016年夏季5月12日种植春箭筈豌豆，秋季10月20日种植冬青稞，2017年秋季7月20日种植箭筈豌豆；处理4，箭筈豌豆-冬青稞-油菜(V-H-R)，2016年夏季5月12日种植春箭筈豌豆，秋季10月20日种植冬青稞，2017年秋季7月20日种植油菜；处理5，油菜-箭筈豌豆-油菜(R-V-R)，2016年夏季5月12日种植油菜，2017年春季4月29日种植春箭筈豌豆，2017年秋季9月5号种植油菜(图1)。

图1 2016-2017年轮作系统分布图Figure 1 2016-2017 rotation system distribution diagram

1.3 田间管理

各作物均为人工条播，油菜青杂4号播种量为15 kg·hm-2，播种行距为25 cm，播种深度为4 cm；箭筈豌豆兰箭1号的播种量为119 kg·hm-2，播种行距均为20 cm，播种深度为5 cm，播种前接种来自中国农业大学的箭筈豌豆根瘤菌CCBAU01069[11]；冬青稞冬青18号的播种量为225 kg·hm-2，播种行距为20 cm，播种深度为5 cm。播种时不施基肥，生育期于冬青稞越冬期间(2016年12月5日)和返青期(2017年3月23日)对所有小区进行漫灌，并在种植冬青稞的小区追施氮肥(尿素，有效氮含量 ≥45%，四川万稼宜化肥有限公司生产)，施肥量为120 kg·hm-2。

1.4 观测项目与方法

1.4.1 作物产量测定

于箭筈豌豆、油菜和冬青稞的收获期，采用五点取样法取样。在每个小区按照对角线随机取5个1 m2样方，齐地面刈割样方内所有植株的地上部分，分离籽实与其他营养体，分装在大信封中，每个样品称鲜重后放入烘箱内，先在105 ℃下杀青10 min，后调节温度至65 ℃烘48 h，直至样品恒重后，迅速取出，称量并记录干物质重量。

1.4.2 作物粗蛋白质含量测定

采用流动分析法[12]，利用凯氏定氮仪进行植物全氮含量测定。粗蛋白含量(CP)按以下公式计算，式中TN为全氮含量，6.25为转化系数：

粗蛋白质产量为粗蛋白含量与对应干物质产量的乘积。

1.4.3 土壤养分测定

于各轮作系统结束后，在每小区按“S”形路线用直径为38 mm的管型土钻进行打孔取样，取样深度为0-30 cm土层，将随机5个样点按土层混合为一个土壤样品。将采集的土壤样品用中号塑料自封袋密封保存，带回实验室放置于阴凉处打开袋口自然风干备用。

土壤全氮使用流动分析法进行测定[12]；土壤有机碳含量采用重铬酸钾法[13]。

1.4.4 经济收入

本研究中箭筈豌豆籽粒、油菜籽粒、青稞籽粒、饲草和青稞秸秆均为干物质重量，产品价格参照当地农产品市场价格。其中冬青稞籽粒价格为 2 800 CNY·t-1，冬青稞秸秆为 300 CNY·t-1，油菜籽粒价格为2 670 CNY·t-1，油菜秸秆价格为1 000 CNY·t-1，箭筈豌豆籽粒价格为 7 000 CNY·t-1，箭筈豌豆干草价格为1 000 CNY·t-1。轮作系统的经济产值的计算公式如下[14]：

式中：E表示经济产值(CNY·hm-2)，Y表示有轮作系统各组分产量(t·hm-2)；P表示各组分单价(CNY·t-1)。

1.5 数据处理与分析

采用SPSS17.0(USA Inc.)软件对数据进行分析。利用单因素方差分析在0.05水平上分析比较5个轮作系统产量、粗蛋白产量、经济收益、不同土层土壤全氮与有机碳含量，比较采用Duncan法。由Microsoft Excel 2010和Origin 2017软件作图。

2 结果与分析

2.1 地上干物质产量

在系统总干物质产量方面，2016-2017年轮作模式V-H-R和R-H-R产量较高，分别为27.24和26.89 t·hm-2(P＜ 0.05)。有兰箭 1 号参与的 V-H-R、V-H-V和R-V-R轮作系统产量分别比当地传统F-H-F 高 116.5%、113.8% 和 39.3%(P＜ 0.05)(图2)。整体来看，V-H-R轮作系统优势较大。R-H-R系统与V-H-R产量接近，比V-H-V和R-V-R分别提高了10.2%和53.5%。

图2 不同轮作系统总干物质产量Figure 2 Total dry matter yield of different rotation systems

F-H-F、R-H-R、V-H-V和V-H-R轮作系统中茬的青稞籽粒和秸秆产量无显著差异(P＞ 0.05)，青稞籽粒产量均为6.01 t·hm-2，青稞秸秆产量均为7.22 t·hm-2；比较前茬作物，油菜产量在R-H-R和R-V-R轮作系统中均为8.42 t·hm-2，显著高于箭筈豌豆产量 6.54 t·hm-2(P＜ 0.05)；比较后茬作物，V-H-R后茬的油菜产量达7.47 t·hm-2，显著高于其他轮作系统，以后依次分别为R-H-R、V-HV和R-V-R，产量分别为6.53、4.63和4.02 t·hm-2(表1)。

2.2 植物粗蛋白质产量

R-H-R和R-V-R前茬收获的油菜的粗蛋白质含量显著高于V-H-V和V-H-R前茬的箭筈豌豆粗蛋白质产量(P＜ 0.05)，油菜的粗蛋白质产量为1.93 t·hm-2，箭筈豌豆的粗蛋白质产量为 0.78 t·hm-2(表2)。V-H-V和V-H-R轮作模式的中茬冬青稞籽粒粗蛋白质产量相同，为0.63 t·hm-2，分别比传统的F-H-F和R-H-R轮作系统高26.0%(P＜ 0.05)和8.6%(P＞ 0.05)，中茬冬青稞秸秆粗蛋白质产量的差异不显著。R-H-R轮作系统后茬的油菜粗蛋白质含量最高，为1.01 t·hm-2，比V-H-V的后茬箭筈豌豆粗蛋白质产量高98.0%(P＜ 0.05)。

各轮作总系统粗蛋白质产量R-H-R轮作系统最高(图3)，为3.68 t·hm-2，显著高于其他轮作系统(P＜ 0.05)，以后依次为 R-V-R、V-H-R、V-H-V和 F-H-F，分别为 3.33、2.50、2.13 和 0.78 t·hm-2，各系统间粗蛋白产量均存在显著差异(P＜ 0.05)。

2.3 土壤全氮含量

不同轮作方式对0-30 cm平均土壤全氮含量变化有显著影响(图4)，两年后土壤全氮含量差异显著(P＜ 0.05)。轮作系统V-H-V和V-H-R土壤全氮含量较高，为2.46和2.25 g·kg-1，分别比传统的F-H-F高59.7%和46.1%(P＜ 0.05)，比R-H-R轮作系统高15.0%和5.1%(P＜ 0.05)，R-V-R 0-30 cm平均土壤全氮比F-H-F高20.8%(P＜ 0.05)。与R-H-R系统相比，V-H-V和V-H-R土壤全氮含量分别提升了19.6%和9.8%，而R-H-R系统比R-V-R提高了 15.1%(P＜ 0.05)。

表1 不同轮作系统各组分产量Table 1 Yield of each component in different rotation systems t·hm-2

表2 不同轮作系统各组分粗蛋白质含产量Table 2 Yield of crude protein in each component of different rotation system t·hm-2

图3 不同轮作系统粗蛋白质产量Figure 3 Crude protein yield in different rotation systems

图4 各轮作系统0-30 cm平均土壤全氮含量Figure 4 Average soil total nitrogen content of 0-30 cm in each rotation system

2.4 土壤有机碳含量

研究各轮作模式结束后0-30 cm土层深度土壤有机碳的含量得知，F-H-F、R-H-R、V-H-V和R-V-R 0-30 cm土层深度土壤有机碳含量没有明显差异（P＞0.05)，R-H-R，V-H-V，R-V-R 0-30 cm土层深度土壤有机碳含量分别为6.25、6.58和6.40 g·kg-1，显著高于V-H-R轮作系统(P＜ 0.05)(图5)。

图5 各轮作系统0-30 cm平均土壤有机碳含量Figure 5 Average soil organic carbon content of 0-30 cm in each rotation system

2.5 经济收入

5个不同种植系统的经济收入如图6所示。其中饲草产品、青稞籽粒及青稞秸秆为干物质重量。V-H-R和V-H-V系统总收入较高，为44 284和41 444 CNY·hm-2，分别比传统的F-H-F高150.6%和 134.5%(P＜ 0.05)，比R-H-R 高21.9% 和14.1%(P＜0.05)。R-V-R轮作系统总收入为29 242.7 CNY·hm-2，比 F-H-F 高 65.5%(P＜ 0.05)。

图6 各轮作系统经济产出Figure 6 Economic output of each rotation system

3 讨论

地上干物质产量是表现系统生产力水平的重要指标[15]。前人研究表明，前茬种植箭筈豌豆和油菜可以有效改良土壤结构[16-17]，从而提高后茬禾本科粮食的产量[18]。在本研究中，V-H-R和R-H-R轮作系统产量较高，这与前人结果一致。R-V-R和R-H-R轮作系统粗蛋白含量较高，这是由于虽然油菜在粗蛋白质含量方面低于箭筈豌豆，但其生物产量显著高于豆科牧草，因此有油菜参与的R-V-R和R-H-R系统弥补了饲草品质较低的问题。

在不同轮作方式中，影响土壤营养的因素是多方面的。澳大利亚新南威尔士州的学者发现，系统的氮平衡受豆科作物影响很大[19]。且土壤氮素和有机质的提高不仅与豆科作物自身固氮能力相关，还与豆科作物在生育代谢活动中产生的大量根系分泌物和根茎叶残留物归还于土壤有紧密关系[20]，使得土壤中氮素和机物质的补充大于消耗。可见，豆科牧草地下部固氮量也不能忽视。前人曾有研究，砂质土壤生长的豆科植物在盆栽条件下，占植物总氮吸收39%～49%的氮由地下部分提供[21]。当窄叶羽扇豆(Lupinus micranthus)地上生物量达到最大值(231 kg·hm-2)时，根瘤菌固氮的13%来自地下[22]，豌豆(Pisum sativum)地上部固定氮量为121 kg·hm-2以上时，整株植物固定氮量可以达到181 kg·hm-2以上[23]。残留物质的多少也是提高土壤营养的一个重要因素。边巴卓玛[24]的研究结果表明，豆科作物平均残留物质的返田量一般在8.57～14.65 kg·hm-2，比青稞残留量高31.5%。本研究的结果与前人研究一致，各不同轮作系统收获后，0-30 cm平均土壤全氮含量较高的是V-H-V和V-H-R系统，为2.46和2.25 g·kg-1，其中V-H-V系统显著高于其他4个轮作系统(P＜ 0.05)，0-30 cm平均土壤有机碳含量最高的也是V-H-V系统，为6.58 g·kg-1。而加入春箭筈豌豆的R-V-R系统虽未进行施肥，其土壤全氮含量仍高于F-H-F，有机碳含量与两种传统轮作系统无显著差异(P＞ 0.05)。可见将春箭筈豌豆引入冬青稞轮作系统，可有效增加土壤营养。

比较各轮作系统经济收益，加入兰箭1号的V-H-R、V-H-V和R-V-R轮作系统收益分别为44 284和41 444 CNY·hm-2，比当地传统的F-H-F系统提高了 150.6%、134.5%和 65.5%(P＜ 0.05)，V-H-V和V-H-R比R-H-R提高了21.9%和14.1%(P＜ 0.05)。此外，轮作比休闲连作能显著提高土地的经济收益。在前人的研究中，轮作的经济效益是通过提高单位产量实现的[25]。长期轮作试验发现，未施氮肥的玉米(Zea mays)-苜蓿(Medicago sativa)轮作制度下，玉米产量接近或超过施肥的连作下的玉米产量[26]。小麦-大豆-油菜-玉米轮作下，延长种植年限，作物产量愈显优势[27]。胡麻(Ricinus communis)在轮作下比连作下可以增产15.3%[28]。由于轮作和连作制度不同，土壤肥力发生改变，病虫害发生严重程度各异，牧草品质间接发生改变。长期连作促使燕麦根系分泌有毒物质，进而改变根际微生态环境，降低燕麦品质减低[29]。此外，本研究在测定经济效益时，为方便统一，各青稞秸秆和饲草产量都使用了干物质重量而非常见的风干重量，因此本研究中各轮作系统的经济效益还有一定的提升空间。

在本研究中，有兰箭1号参与的V-H-R和V-H-V轮作系统整体表现更优，虽R-V-R系统在生产力方面略低，但比传统的耕作模式F-H-F提升很多，且避免了施肥对土壤的破坏，在土壤改良方面效果更佳。因此，兰箭系列春箭筈豌豆有效改善了青藏高原贫瘠的土壤环境，为缓解青藏高原畜牧业饲草料短缺提供了优良的饲草，有巨大的应用潜力。