甘南高寒牧区秋播小黑麦对氮肥施用量和播种密度的响应

2019-09-25任昱鑫刘汉成田新会杜文华

草地学报 2019年4期

任昱鑫，刘汉成，田新会，杜文华

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州730070)

氮是作物生长的必需元素，氮的供应程度对作物的生产性能有显著影响[1]。增施氮肥能在一定程度上缓解光照不足对作物产量的影响，提高作物产量、干物质转运量、氮素积累量、青干草的粗蛋白(Crude protein，CP)含量和干物质消化率(Digestibility of dry matter，DMD)，同时降低中性洗涤纤维(Neutral detergent fibers，NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)含量[2]。但不合理施氮不仅会影响作物产量[3]，而且会由于氮肥利用率降低而造成氮肥损失，甚至污染环境[4]。合理施用氮肥不但可以改善作物的农艺性状，有效提高产量，还能改善土壤结构，提高土壤肥力[5]。种植密度是影响作物生长发育和生产性能的重要因素之一[6]。密植是获得高产和高经济效益的主要途径[7]。在甘肃荒漠灌区，紫花苜蓿的CP和粗脂肪含量随播种密度的增大而升高，NDF和ADF含量随播种密度的增加而降低[8]。密度过高时，植株间由于竞争性过大，茎秆变细、抗倒伏能力下降、同时穗腐病发生率升高，籽粒产量显著降低[9]。对于冬小麦而言，种植密度过大时，幼苗生长瘦弱，不利于越冬[10,11]。种植密度过低时，虽然单株生物量高，但由于群体密度较小，单位面积草产量较低，同样不利于高产[12]。只有合理密植，才能充分利用太阳能和地力，作物生长发育良好，干物质积累多，达到优质高产的目的[13]。

甘南高寒牧区由于特殊的地理环境和气候条件，适宜在此地区种植的牧草品种极少[14]，加之近年来，人们片面追求经济效益，大力发展旅游业和畜牧业，超载放牧和对自然资源的过度攫取致使草场严重退化，草畜矛盾进一步加剧[15]。小黑麦(×TriticosecaleWittmack)是小麦属(Triticum)和黑麦属(Secale)植物杂交形成的新物种[16]，既有小麦高产稳产的特性，又保持了黑麦抗逆性强的特点[17]。小黑麦的诸多优点使其更适合在甘南和祁连山等高寒牧区种植。宫旭胤等[18]研究了祁连山区小黑麦种植密度与生产性能的相关性，刘晶等[19]和宋谦等[20]研究了甘南和肃南高寒牧区小黑麦的生产性能和营养价值。甘农2号小黑麦为甘肃农业大学利用有性杂交育种技术和系谱法选育的小黑麦品种，2018年国家草品种审定委员会审定为育成品种，该品种高产优质，适宜于海拔1 200～4 000 m、年均温1.1℃～11.0℃、降水量350～1 430 mm的青藏高原高寒牧区、云贵高原及甘肃省干旱半干旱雨养农业区和灌区种植。对该品种的研究主要集中在草产量[21]、种子产量[22]、抗寒性[20]和抗旱性[23]等方面，推广种植和适应性研究也在逐步开始[24-26]，但对影响生产性能和营养品质的因素和秋季播种的研究报道较少，因此，本研究拟通过研究甘农2号小黑麦在甘南高寒牧区秋播条件下草产量和营养品质对氮肥施用量和播种密度的响应，以筛选出有利于提高该品种草产量和营养品质的适宜施肥量和播种密度，提高单位面积土地的饲草产量，并改善饲草品质，有效缓解该区草畜矛盾。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站进行。该站位于甘南藏族自治州合作市，北纬 34°57′136″，东经 102°53′54″，海拔2 954 m，年平均气温3.2℃，无霜期113 d，年降水量671.70 mm。高寒草甸土，土壤有机质7.56 g·kg-1，速效氮382.25 mg·kg-1，速效磷98.84 mg·kg-1，速效钾45.33 mg·kg-1，pH为7.55，无灌溉条件，播种日期为2015年9月21日和2016年9月25日。前茬作物为春播甘农2号小黑麦。

1.2 试验材料

甘肃农业大学培育的甘农2号小黑麦品种(以下简称小黑麦)，发芽率95%，千粒重52.6 g。

1.3 试验设计

裂区设计，主区氮(N)肥施用量，设5个水平：0 kg N·hm-2(A1)；120 kg N·hm-2(A2)；240 kg N·hm-2(A3)；360 kg N·hm-2(A4)；480 kg N·hm-2(A5)，分3次施入(播种前施入25%作为基肥，选用磷酸二铵，其纯N含量为18%；返青期和拔节期各施入37.50%，以尿素形式施入，纯N含量为46%)。副区为小黑麦播种密度，设5个水平：506万基本苗·hm-2(B1)；675万基本苗·hm-2(B2)；843万基本苗·hm-2(B3)；1 011万基本苗·hm-2(B4)；1 180万基本苗·hm-2(B5)。共25个处理，设3次重复。条播，行距20 cm，播种深度3～4 cm，小区面积为15 m2(3 m × 5 m)，每个小区种植15行。试验地周围1 m种植保护行，试验期间及时清除杂草，未进行灌溉。

1.4 测定指标及方法

枝条数：开花期[20]刈割前进行计数。每个小区内随机选取1 m样段(除边行和距地头50 cm部分)，统计样段内株高高于30 cm的枝条数[20]。

株高：开花期刈割前进行测定。每个小区内选择代表性植株10株，测量从地面至最高点的自然高度。10株的平均值作该区小黑麦的株高。

草产量：开花期进行测定。齐地面刈割每个小区内所有植株的地上部分(除去边行和地头两边50 cm部分)，称重，得到鲜草产量。从每个小区分别取样500 g，105℃烘箱中杀青30 min，然后在70℃烘箱中烘至恒重(约7 h)，称重得到干草重，计算鲜干比。根据500 g鲜草样的鲜干比计算每个小区的干草产量。

营养价值：将草样粉碎，过1 mm孔径的筛子，从混合均匀的草样中随机取3份样品，平行测定各项指标，粗蛋白(CP)含量测定采用凯氏定氮法，中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量测定采用范氏的洗涤纤维分析法[27]。

1.5综合评价

用隶属函数法对5个氮肥施用量和播种密度下的小黑麦营养价值进行综合评价。隶属函数值[X(μ1)，X(μ2)]计算公式为：

X(μ1)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(μ2)=1-X(μ1)

(2)

式中：X为某一氮肥施用量(或播种密度)下某一指标的测定值；Xmax为所有氮肥施用量(或播种密度)下某一指标的最大值；Xmin为所有氮肥施用量(或播种密度)下某一指标的最小值。若所测指标与小黑麦营养价值呈正相关，则采用(1)式计算隶属值，负相关则用(2)式。

小黑麦营养价值综合评价时，根据干草产量、CP、DMD、ADF和NDF在小黑麦生产中的重要程度，对各指标分配权重，利用公式(3)计算不同氮肥施用量和播种密度下的综合评价值。

(3)

(i=1,2,3,4,5；j=1,2,3,4,5；k=1,2,3,4,5)

式中：i代表氮肥施用量，1～5分别代表氮肥施用量A1～A5；j代表播种密度，1～5分别代表播种密度B1～B5；k代表小黑麦的营养品质，1代表干草产量，2代表CP，3代表ADF，4代表NDF，5代表DMD；rij代表小黑麦在第i个氮肥施用量、第j个播种密度下的综合评价值；ξijk代表第i个氮肥施用量、第j个播种密度下营养品质对应的隶属函数值；Wk代表营养品质指标的权重。

1.6 数据统计

用Excel 2010进行数据整理和作图。用SPSS 19.0软件进行方差分析，用裂区试验设计的方差分析法分析氮肥施用量间、播种密度间、氮肥施用量×播种密度交互作用间小黑麦株高、枝条数、干草产量、CP、NDF、ADF和DMD的差异显著性。如果差异显著，分别用Duncan法进行多重比较。用隶属函数法对每个处理的干草产量和营养价值进行综合评价。

2 结果与分析

方差分析(表1)表明，氮肥施用量间除株高、ADF含量和DMD外，其余指标均存在极显著差异(P<0.01)；播种密度间除CP含量外，其他指标均达到显著或极显著水平；氮肥施用量×播种密度交互作用间，各指标均达到极显著水平(P<0.01)，需进行多重比较。

表1 氮肥施用量间、播种密度间和氮肥施用量×播种密度交互作用间秋播小黑麦株高、枝条数、干草产量、CP、NDF、ADF以及DMD的方差分析Table 1 Variance analysis on plant height,number of branches,hay yield,CP content，NDF content，ADF content and DMD values of autumn sown triticale within the nitrogen fertilization rates,sowing densities and their interaction

注：*表示在0.05水平上显著；**表示在0.01水平上显著

Note:*Indicats significant differences at the 0.05 level;**indicats significant differences at the 0.01 level

2.1 小黑麦生产性能和营养品质对氮肥施用量的响应

枝条数：由表2可知，不同氮肥施用量下秋播小黑麦的平均枝条数各不相同，其中A1处理的平均枝条数最少，显著低于A3和A4(P<0.05)；A3处理的平均枝条数最多，显著高于其他处理(P<0.05)，为A1处理的1.7倍。

干草产量：随着氮肥施用量增加，秋播小黑麦的平均干草产量呈先升高后下降的趋势(表2)，氮肥施用量为A3时，平均干草产量最高，而且显著高于其余处理(P<0.05)；A4处理的平均干草产量次之，显著高于A1，A2和A5(P<0.05)。

表2 不同氮肥施用量间秋播小黑麦枝条数和干草产量的差异Table 2 Number of branches and hay yield of autumn sown triticale under different nitrogen fertilization rates

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。由于氮肥施用量间株高、ADF含量和DMD无显著差异，所以在表2中没有列出

Note:Different lowercase letters within the same column mean significant difference at the 0.05 level. The same as below. Because there were no significant differences in plant height,ADF content and DMD values among nitrogen application rates,they were not listed

CP含量：随着氮肥施用量增加，青干草的CP含量逐渐增大，氮肥施用量为A5时，小黑麦的平均CP含量最高，显著高于A1，A2和A4(P<0.05)；其次为A3处理；氮肥施用量为A1时，平均CP含量显著低于其他处理(P<0.05)(表2)。

NDF含量：从表2看出，随着氮肥施用量增加秋播小黑麦青干草的平均NDF含量先升高后下降。A2处理的NDF含量最低，显著低于A3，A4和A5(P<0.05)，与A1处理无显著差异。

2.2 秋播小黑麦生产性能和营养品质对播种密度的响应

株高：多重比较结果(表3)表明，随播种密度增加小黑麦平均株高表现出先升高后降低的趋势。当播种密度为B3时，平均株高最高，除与B4无显著差异外，显著高于其他处理(P<0.05)；B1处理的平均株高最低，显著低于B3，B4和B5(P<0.05)。

枝条数：播种密度对小黑麦的平均枝条数有显著影响(表3)。随着播种密度增加，平均枝条数先增加后减少；播种密度为B3时，平均枝条数最多，B4处理次之，2处理的平均枝条数显著高于B1，B2和B5(P<0.05)；B1的平均枝条数最少。

干草产量：干草产量整体呈先升高后降低的趋势，其中B1处理的平均干草产量最低，显著低于除B5外的其他处理；播种密度增加到B3时平均干草产量达到最大值，为B1处理的2倍，且显著高于其他处理(P<0.05)(表3)。

表3 不同播种密度间秋播小黑麦株高、枝条数、干草产量和CP含量的差异Table 3 Differences of plant height,number of branches,hay yield and CP content of autumn seeding triticale under different sowing densities

NDF含量：多重比较结果(图1)表明，播种密度为B1，B2和B5时小黑麦青干草的平均NDF含量较低，且无显著差异；B4的NDF含量最高，但B3与B1和B5无显著差异。

ADF含量：秋播小黑麦青干草的平均ADF含量随播种密度增大逐渐升高，B1播种密度时青干草的平均ADF含量最低(34.65%)，其次为B2(35.22%)和B3(38.31%)处理，B4(39.12%)和B5(38.56%)的ADF含量显著高于B1，B2和B3(P<0.05)(图1)。

DMD：DMD随播种密度的增加先升高后降低。其中，播种密度为B2时DMD最高(71.88%)，显著高于除B3外的其他处理(P<0.05)；B1处理的DMD最低(66.54%)，显著低于B2和B3(P<0.05)。

图1 不同播种密度间秋播小黑麦NDF、ADF和DMD的差异Fig.1 Differences of the NDF content,ADF content and DMD values of autumn sown triticale under different sowing densities注：同一指标不同柱形图间不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters on the same kind of column mean significant difference at the 0.05 level

2.3 秋播小黑麦生产性能和营养品质对氮肥施用量×播种密度交互作用的响应

生产性能：同一氮肥处理下，随着播种密度增加，秋播小黑麦的株高、枝条数和干草产量均先增加后降低，其中A1B2株高最高，显著高于其他处理(P<0.05)；A1B1处理的株高最低，显著低于除A2B1和A5B2外的其他处理(P<0.05)；枝条数最多的处理是A3B4，A4B1最少，前者为后者的2.62倍，A3B4和A4B1的枝条数显著(P<0.05)高于其他处理；干草产量最高的处理为A4B3，显著高于其他处理(P<0.05)，是A1B1干草产量的4.16倍。

营养品质：相同氮肥施用量下，除A3外其余处理的CP含量均随播种密度增加先升高后降低，其中A5B2的CP含量最高，其次为A2B4；CP含量最低的处理是A1B4，其含量显著低于其他处理(P<0.05)。NDF含量无明显的变化规律，同一氮肥施用量下NDF含量最低值出现在不同播种密度下，其中A1B5和A5B2的NDF含量最低，显著低于除A2B2外的其余处理(P<0.05)。相同氮肥施用量下，除A5外其余处理的ADF含量均随播种密度的增加而升高，A1B2、A2B2和A4B1的ADF含量较低，显著低于其余处理。在相同氮肥施用量处理下，B2和B3的DMD普遍较高，其中，A5B2处理DMD最高，显著高于除A1B3，A2B2和A2B4外的其他处理(P<0.05)；DMD最低的处理为A3B4；其余处理居中。

3 综合评价

由于本试验不同处理下甘农2号小黑麦的干草产量和营养品质表现不一致，无法获得最佳氮肥施用量和播种密度。隶属函数法可以消除个别指标差异带来的片面性，使各处理的小黑麦草产量和营养价值的差异具有真实可比性，所以本研究利用隶属函数法对不同处理下甘农2号小黑麦的草产量和营养价值进行综合评价。根据干草产量、营养价值和DMD在小黑麦生产中的重要程度，各指标的权重分配根据代寒凌等[28]的方法并作适当调整，干草产量：0.60；CP含量：0.10；ADF含量：0.10；NDF含量：0.10；DMD：0.10。根据权重，利用公式(3)计算小黑麦的综合评价值。

表5表明，5个氮肥施用量中，A3的平均综合评价值最高，A4次之；5个播种密度中B3的平均综合评价值最高；氮肥施用量×播种密度互作下A4B3的综合评价值最高，为最佳氮肥施用量和播种密度处理。

4 讨论

4.1 秋播小黑麦生产性能和营养品质对氮肥施用量的响应

氮素调控植物生长发育进而影响饲草产量[29]。施加氮肥能够促进小黑麦灌浆中期维管束数目、节间长度和直径的增加，促进小黑麦株高、分蘖数、叶绿素含量及叶面积指数的增加，可以提高小黑麦干物质积累量[30]。本研究表明，随着氮肥施用量增加甘农2号小黑麦的平均干草产量先升高后下降，氮肥施用量为240 kg N·hm-2时平均干草产量显著高于其余处理，这说明在一定范围内增施氮肥可以促进小黑麦分蘖，增加枝条数(表2)，有利于增产，而施肥量达到480 kg N·hm-2时干草产量明显下降，可能是因为施肥量太大造成烧苗现象，小黑麦基部大量叶片枯黄，甚至死亡，草产量下降，这与李晶等[31]的研究结果一致，但本试验的最佳施肥量较高，这可能是因为本试验区气候冷凉，植物吸收的营养物质除用于生长发育外还需用来御寒[32]，所以对肥力要求较高。在生产实践中，饲草生产除关注干草产量外还要兼顾饲草营养品质。本研究中，甘农2号小黑麦虽然在高肥水平(480 kg N·hm-2)下青干草的平均CP含量最高，NDF含量适中，这与张锡洲等[33]研究结果相一致，即植株各器官内氮素积累量随着氮肥施用量的增加而增加，但CP和NDF含量均与240 kg N·hm-2处理无显著差异，而干草产量极显著低于该处理，因此从投入角度看，240 kg N·hm-2更合理。

表4 秋播小黑麦株高、枝条数、干草产量、NDF，ADF，CP和DMD对氮肥施用量×播种密度交互作用的响应Table 4 Response of the plant height,number of branches,hay yield,NDF content,ADF content,CP content,and DMD values of triticale to the interaction of nitrogen fertilization rate and sowing density

4.2 秋播小黑麦生产性能和营养品质对播种密度的响应

在草牧业生产中，常过量播种来获得高产，但是播种密度超过一定范围后，草产量反而会降低。刘晶等[34]研究表明，随着播种密度升高，小黑麦品系C31的青干草产量先升高后降低，本研究也得出了相似结论，随着播种密度增加秋播甘农2号小黑麦的干草产量先升高后下降，说明在一定范围内适量播种时，种群结构合理，能够促进小黑麦生长和分蘖，从而提高产量[34]。但本研究得出的播种密度较大(843万基本苗·hm-2)，主要是因为试验区没有灌溉条件，再加之是秋季播种，越冬率为90%(数据未发表)，因此需要较大播种密度才能获得高产。但播种密度达到1011万基本苗·hm-2时干草产量显著降低，可能是因为播种密度太大时，作物群落结构重叠，种群早衰，单株瘦弱，对草产量影响极大[35]。本研究发现播种密度对CP含量无显著影响，这与王生文[36]的研究结果一致。NDF和ADF影响家畜的采食量和DMD，本研究中NDF和ADF含量变化无明显规律性，但DMD随播种密度的增加先升高后降低，播种密度为675万基本苗·hm-2时DMD最高，但与843万基本苗·hm-2的DMD无显著差异，因此，初步判断843万基本苗·hm-2可作为甘南高寒牧区秋播甘农2号小黑麦的适宜播种密度。

表5 氮肥施用量、播种密度和氮肥施用量×播种密度交互作用的小黑麦综合评价值Table 5 Comprehensive evaluation values of the triticale for the single factor and the interaction of nitrogen fertilization rate and sowing density

4.3 秋播小黑麦生产性能和营养品质对氮肥施用量和播种密度交互作用的响应

密度和施肥量互作可在一定程度上控制杂草蔓延，提高光合效率和开花后干物质积累与分配，达到高产优质的目的[37-38]。增加氮肥施用量和播种密度会增加茎秆基部节间长度和株高[39]。本试验表明，氮肥施用量为360 kg N·hm-2、播种密度为843万基本苗·hm-2时，由于秋播甘农2号小黑麦的株高较高、枝条数较多(表4)，获得了试验最高草产量，在此基础上降低或增加氮肥施用量和播种密度，干草产量均显著降低。牧草营养价值的高低直接影响饲喂效果，CP含量越高，NDF和ADF含量越低，牧草的饲喂效果越好。而营养品质受氮肥施用量和播种密度的调控[40]，本研究发现，相同氮肥施用量下，除A3(240 kg N·hm-2)外其余处理的CP含量均随播种密度增加先升高后降低。NDF含量无明显的变化规律，同一氮肥施用量下NDF含量最低值出现在不同播种密度下。相同氮肥施用量下，除A5(480 kg N·hm-2)外其余处理的ADF含量随播种密度的增加而升高，其中B2(675万基本苗·hm-2)和B3(843万基本苗·hm-2)的DMD普遍较高。随着播种密度和氮肥施用量持续增加，虽然CP含量略有升高，但NDF含量显著或不显著升高，致使DMD下降，饲草的适口性降低。总之，氮肥施用量和播种密度对秋播小黑麦存在一定交互作用，氮肥施用量为360 kg N·hm-2、播种密度为843万基本苗·hm-2时，有利于获得较高草产量。