禾豆组合与间作方式对牧草产量及产量稳定性的影响

张永亮，张丽娟，于铁峰，潘 东

(内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028042)

豆禾混播可提高牧草产量与品质[1-4]，发展豆禾混播草地是增加牧草产量和质量的可行途径[4]。豆禾混播草地牧草产量和品质高于单播禾草[3,5-7]，略高于或接近单播苜蓿[8-11]。豆禾混播组合与混播比例(或混播方式)是影响混播牧草产量和品质[3-5]的主要因素，同时也对混播草地产量稳定性[12-14]和土地资源利用效率[15-16]产生明显影响。Diriba等[4]研究表明，50%的光头黍(Panicumcoloratum)与50%柱花草(Stylosanthesguianensis)间作其土地当量比(Land equivalent ratio，LER)显著大于25%光头黍+75%柱花草，而25%的光头黍与75%柱花草混播比例间作能提高饲草粗蛋白质含量和干物质消化率，降低中性洗涤纤维含量。老芒麦(ElymusSibiricus)与草原2号苜蓿(Medicagovaria)以3∶1混播其产量和粗蛋白质含量明显高于单播老芒麦[3]，苜蓿与无芒雀麦(Bromusinermis)混播产量高于苜蓿与老芒麦(ElymusSibiricus)混播[17]。郑伟等[13]报道豆禾比5∶5和3∶7的混播草地群落稳定性高于豆禾比4∶6。由此可见，禾豆组合与间作(混播)方式不仅对混播草地产量和品质有影响，而且对群落稳定性和土地资源利用效率也有明显影响。为了探讨禾豆组合与间作方式对科尔沁沙地豆禾混播草地产量及其稳定性，本文采用牧草产量高、品质好的紫花苜蓿(M.sativa)、无芒雀麦、通草1号虉草(Phalaris.arundinaceacv.Tong cao No.1)和垂穗披碱草(E.nutans)建植了豆禾两组分不同间作方式的混播草地，分析了禾豆组合与间作方式对禾豆混播草地牧草产量、禾草产量比、产量时间稳定性(Yield temporal stability,YTS)、产量可持续性(Sustainable yield index,SYI)以及土地当量比等的影响，旨在为科尔沁沙地苜蓿-禾草混播草地建植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况[18]

试验地位于西辽河平原内蒙古民族大学农牧业科技示范园区(43°3′N，122°2′E)。试验地区为典型的温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，极端最低温—30.9℃，≥10℃积温3 184℃，无霜期150 d，年均降水量399.1 mm，生长季(4～9月)降水量占全年的89%。土壤为风沙土，土壤有机质含量4.86 g·kg-1，速效钾94.65 mg·kg-1，速效磷10.46 mg·kg-1，碱解氮11.15 mg·kg-1，pH值为8.2。具有喷灌条件，干旱时灌水。

1.2 试验设计[18]

试验设混播禾豆组合(A因素)和间作方式(B因素)二个因素。禾豆组合有紫花苜蓿-无芒雀麦、紫花苜蓿-垂穗披碱草和紫花苜蓿-通草1号虉草等三种，分别用A1，A2，A3表示；间作方式(苜行数∶禾草行数)为1∶1(B1)，2∶2(B2)，1∶2(B3)和2∶1(B4)4个处理。苜蓿单播量15 kg·hm-2，无芒雀麦和垂穗披碱草单播量30 kg·hm-2，虉草单播量15 kg·hm-2。混播组分中苜蓿单位面积播种量分别占单播量的50%(B1)，50%(B2)，33%(B3)和67%(B4)；禾草单位面积播种量分别占单播量的50%(B1)，50%(B2)，67%(B3)和33%(B4)。采用随机区组设计，小区面积5m×4 m，苜蓿与禾草间行种植，行距30 cm，每小区12行，3次重复。试验地于2016年5月22日播种，当年刈割2次。2017-2018年全年施氮160 kg·hm-2，P2O5120 kg·hm-2和K2O 100 kg·hm-2，其中返青期(4月22日)氮钾肥各施50%，磷肥全部施入，第1次刈割后施氮钾肥各20%，第2茬刈割后施氮钾肥30%，施肥后浇水。

1.3 测定指标与方法

1.3.1产草量 头茬草在苜蓿盛花期测定(播种年8月3日、第2年6月4日、第3年6月3日)，二茬草在苜蓿初花期(播种年10月15日)和盛花期(第2年7月15日、第3年7月6日)测定，三茬草在苜蓿盛花期(第3年9月15日)和结荚期(第2年10月14日)测定。留茬高度5 cm。测产面积根据混播组合确定∶单播、1∶1，2∶2组合每小区测定1m长4行，1∶2和2∶1组合每小区测定1m 长3行(1个完整的混播组合)。苜蓿、禾草分种测定称鲜重，再取200～500 g鲜样带回实验室烘干称干重，然后根据干鲜比和测产面积换算成单位面积干草产量。

1.3.2平均产量及禾草产量比 禾豆(苜蓿、禾草)平均产量=2016～2018年全年禾豆(苜蓿、禾草)总产量之和/3；禾草产量比=禾草平均产量/禾豆平均产量×100%。

1.3.3产量时间稳定性：

1.3.4可持续产量指数：

1.3.5土地当量比：

LER=Yij/Yii+Yji/Yjj

其中，Yij代表种i同种j混播时种i的产量，Yji代表种j同种i混播时种j的产量，Yii代表种i的单播产量，Yjj代表种j的单播产量。LER值越大混播效果越好，当LER>1，表示混播有产量优势和资源利用优势，当LER<1时，则无产量优势和资源利用优势[16]。

1.4 数据处理

采用Excel 2007进行数据处理和绘图，用DPS数据处理系统软件进行两因素随机区组方差分析，差异显著性采用Duncan多重比较。

2 结果与分析

2.1 禾豆组合与间作方式对牧草产量及禾草产量比的影响

三种禾草与苜蓿混播后对苜蓿产量影响不显著，而对禾草产量及禾豆总产量影响显著(图1a)。

苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-虉草处理禾草产量极显著高于苜蓿-垂穗披碱草处理(P<0.01)。禾豆总产量以苜蓿-虉草处理最高，苜蓿-垂穗披碱草处理最低，差异极显著。禾草产量占禾豆总产量的比例受禾豆组合影响显著(图1b)。苜蓿-无芒雀麦处理禾草产量比极显著高于苜蓿-垂穗披碱草，显著高于苜蓿-虉草(P<0.05)。表明苜蓿-无芒雀麦混播可获得较高的禾草产量比。间作方式对禾草、苜蓿、禾豆总产量及禾草产量比均有显著影响(图2a，图2b)。豆禾1∶2处理禾草产量与产量比极显著高于1∶1和2∶1处理。豆禾1∶2处理苜蓿产量最低，与其他间作比例间差异极显著。禾豆总产量顺序为1∶1>2∶1>2∶2>1∶2，不同间作比例间禾豆总产量差异均达极显著水平。

由表1可知，苜蓿-无芒雀麦2∶2组合禾草产量最高，其次是1∶2组合，二者显著(P<0.05)高于苜蓿-虉草1∶2之外的其他组合。苜蓿-无芒雀麦1∶2组合禾草产量比显著高于2∶2组合和苜蓿-虉草1∶2组合，与其余组合差异极显著(P<0.01)。苜蓿-无芒雀麦1∶1组合苜蓿产量及禾豆总产量最高，禾豆总产量与其他组合(苜蓿-虉草1∶1除外)差异极显著。

图1 禾豆组合对牧草产量及禾草产量比的影响

图2 间作方式对牧草产量及禾草产量比的影响

混播组合Mixedsowingcombination牧草产量Forageyield/t·hm-2禾草Grass苜蓿Alfalfa禾草+苜蓿Grass+alfalfa禾草产量比/%GrassyieldratioA1B11.57±0.26cAB9.17±0.32aA10.35±1.11aA15.20±1.99deBCA1B21.92±0.07aA5.39±0.52eF7.28±0.54dDEF26.47±2.40bAA1B31.89±0.07aAB4.06±0.47fG6.15±0.47efFG30.72±1.83aAA1B40.98±0.08dC8.68±0.38abAB8.95±1.59bcBC11.10±1.36eCDA2B11.10±0.15dC7.76±0.37cBC8.57±0.99cBC12.78±0.56deCA2B21.08±0.28dC6.49±0.51dDE7.05±0.71deEF15.32±3.09deBCA2B31.07±0.15dC5.04±0.43eFG5.38±0.90fG20.51±5.71cBA2B40.49±0.03eD8.66±0.62abAB8.37±1.78cBCD6.08±1.37fDA3B11.56±0.36cB8.41±0.40abcAB9.62±1.19abAB16.08±2.34dBCA3B21.63±0.09bcAB6.73±0.33dCD8.16±0.69cCDE20.03±1.10cBA3B31.86±0.20abAB5.48±0.32eEF6.94±0.57deEF26.82±2.74bAA3B40.98±0.10dC8.08±0.64bcAB8.39±1.26cBCD11.88±2.26eC

注：同列中不同大写字母表示不同混播组合间数据差异极显著(P<0.01)，同列中不同小写字母表示不同混播组合间数据差异显著(P<0.05)。A1B1，A1B2，A1B3，A1B4分别表示无芒雀麦与紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播组合；A2B1，A2B2，A2B3，A2B4分别表示垂穗披碱草与紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播组合；A3B1，A3B2，A3B3，A3B4分别表示虉草与紫花苜蓿1∶1，2∶2，1∶2和2∶1混播组合，下表同

Note∶Different capital and lowercase letters within the same column indicate significant difference between different mixed sowing treatment at the 0.01 and 0.05 levels,respectively. A1B1，A1B2，A1B3and A1B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofB.inermisandM.sativa,respectively,A2B1，A2B2，A2B3and A2B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofE.nutansandM.sativa,respectively,A3B1，A3B2,A3B3and A3B4represent the 1∶1,2∶2,1∶2 and 2∶1 mixture combinations ofP.arundinaceaandM.sativa,respectively,the same as below

2.2 禾豆组合与间作方式对牧草产量时间稳定性(YTS)的影响

播种年苜蓿-无芒雀麦处理YTS显著高于苜蓿-垂穗披碱草处理，第二年显著高于苜蓿-垂穗披碱草和苜蓿-虉草处理(P<0.05)，苜蓿-垂穗披碱草与苜蓿-虉草处理间差异不显著(图3a)。第三年禾豆组合对混播草地YTS影响不显著。间作方式对不同年龄混播草地YTS均有显著影响(图3b)。播种年和第三年豆禾1∶1处理YTS最高，显著高于其余间作比例(P<0.05)；第二年1∶2处理显著高于1∶1和2∶1处理。

不同年份YTS差异显著(表2)。播种年和第三年苜蓿-无芒雀麦1∶1组合YTS最高，当年极显著高于苜蓿-无芒雀麦2∶2和苜蓿-垂穗披碱草1∶2组合，显著高于苜蓿-无芒雀麦1∶2、苜蓿-垂穗披碱草2∶2，1∶2和苜蓿-虉草2∶2组合；第二年苜蓿-无芒雀麦1∶2和2∶2组合YTS极显著高于苜蓿-无芒雀麦1∶1、苜蓿-垂穗披碱草1∶1，2∶2，1∶2和苜蓿-虉草1∶1组合；第三年苜蓿-无芒雀麦1∶1组合显著高于苜蓿-无芒雀麦1∶2，苜蓿-垂穗披碱草1∶1，苜蓿-虉草1∶1和1∶2之外的其他混播组合(P<0.05)。表明苜蓿-无芒雀麦1∶1混播第一年和第三年产量时间稳定性较好，1∶2和2∶2混播第二年产量时间稳定性较好。

图3 禾豆组合与间作方式对产量时间稳定性的影响

混播组合Mixedsowingcombination第1年Firstyear第2年Secondyear第3年ThirdyearA1B14.87±1.78aA2.03±0.17bcBC6.18±3.03aAA1B22.43±0.36cdBC5.05±2.26aAB2.53±0.59cABA1B34.06±0.81abcABC5.42±2.78aA3.77±1.60abcABA1B42.86±0.40bcdABC3.61±0.54abcABC3.14±0.27bcABA2B13.49±1.01abcABC1.31±0.15cC5.33±2.25abABA2B22.80±0.79bcdABC2.17±0.36bcBC3.29±1.62bcABA2B31.77±0.13dC3.79±1.32abABC1.88±0.06cBA2B42.78±0.81cdABC2.09±0.43bcBC3.06±1.05bcABA3B13.90±0.68abcABC1.57±0.18bcC4.21±0.33abcABA3B22.89±0.31bcdABC2.63±0.52bcABC2.88±0.53bcABA3B33.33±0.26abcdABC3.83±1.27abABC2.82±0.30bcABA3B44.51±1.27abAB3.24±0.36abcABC4.31±1.38abcAB

2.3 禾豆组合与间作方式对混播草地土地当量比(LER)的影响

禾豆组合对播种年和第三年混播草地LER有显著影响，第二年不同禾豆组合间LER无显著差异(图4a)。播种年苜蓿-垂穗披碱草处理LER显著高于苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-虉草，且苜蓿-虉草处理显著高于苜蓿-无芒雀麦；第三年苜蓿-虉草处理显著高于苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-垂穗披碱草。间作方式对播种年LER影响不显著(图4b)，而对第二年和第三年LER有显著影响。第二年和第三年LER分别以豆禾1∶1和1∶2处理最高，与其他处理间差异均达显著水平(P<0.05)。播种年，苜蓿-垂穗披碱草1∶1和苜蓿-垂穗披碱草1∶2组合LER较高，且LER>1，具有混播优势。第二年，苜蓿-无芒雀麦1∶1，2∶1、苜蓿-垂穗披碱草1∶1，2∶2和苜蓿-虉草1∶1组合LER极显著(P<0.01)高于其他混播组合，且LER>1，具有明显的混播优势；第三年，苜蓿-无芒雀麦1∶1，2∶1，苜蓿-垂穗披碱草2∶1，苜蓿-虉草1∶1和2∶1组合极显著(P<0.01)高于苜蓿-无芒雀麦2∶2，1∶2，苜蓿-垂穗披碱草1∶1，2∶2和苜蓿-虉草1∶2组合。

2.4 禾豆组合与间作方式对可持续产量指数(SYI)的影响

禾豆组合和间作方式对混播草地SYI有显著影响。苜蓿-虉草处理SYI显著高于苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-垂穗披碱草(图5a)。豆禾1∶2处理SYI显著(P<0.05)高于1∶1和2∶2处理(图5b)，1∶1处理SYI显著低于其他处理(P<0.05)。在苜蓿-无芒雀麦、苜蓿-垂穗披碱草和苜蓿-虉草处理中，SYI最大的混播组合分别为苜蓿-无芒雀麦1∶1，苜蓿-垂穗披碱草1∶2和苜蓿-虉草2∶1组合(图6)，苜蓿-无芒雀麦1∶1，苜蓿-垂穗披碱草1∶1，苜蓿-虉草1∶1组合SYI最小，表明其产量时间变异较大，产量可持续性较差。

图4 禾豆组合与间作方式对土地当量比的影响

混播组合Mixedsowingcombination第1年Firstyear第2年Secondyear第3年ThirdyearA1B10.70±0.12bcBC1.49±0.17aA1.03±0.01abABCA1B20.71±0.14bcBC0.91±0.07defCDE0.89±0.10cdBCDEFA1B30.48±0.08cC0.84±0.03efDE0.75±0.09eFA1B40.76±0.11bcABC1.14±0.04cBC1.02±0.07abABCDA2B11.18±0.26aAB1.37±0.15abAB0.86±0.05deDEFA2B20.99±0.27abAB1.18±0.12bcBC0.83±0.07deEFA2B31.21±0.23aA0.72±0.14fE0.95±0.07bcdABCDEA2B41.03±0.15abAB1.03±0.08cdeCD1.05±0.12abABA3B10.94±0.26abABC1.36±0.05abAB1.01±0.08abABCDA3B20.80±0.19bcABC1.09±0.16cdCD0.99±0.05abcABCDEA3B30.93±0.17abABC0.99±0.11cdeCDE0.87±0.07dCDEFA3B40.86±0.11abABC0.99±0.14cdeCDE1.11±0.02aA

图5 禾豆组合与间作方式对混播草地可持续产量指数的影响

图6 混播组合对可持续产量指数的影响

3 讨论

3.1 禾豆组合与间作方式对混播牧草产量的影响

牧草种类及其种间竞争力是影响混播系统生产力的重要因素。不同植物种类其种间竞争力存在明显差异，种间竞争差异不仅影响种群数量，也影响混播草地产量[22-23]，因此禾豆组合对豆禾混播草地产量有显著影响[18,24-25]。紫花苜蓿与三种禾草混播后对苜蓿产量影响不显著，而对禾草产量及禾豆总产量影响显著。苜蓿-无芒雀麦混播禾草产量最高，其次是苜蓿-虉草混播，苜蓿-垂穗披碱草混播当年禾草产量较高，以后二年禾草产量显著下降。播种年垂穗披碱草生长较旺盛，能形成较多的生殖枝，而无芒雀麦和虉草均无生殖枝，垂穗披碱草产量较高[18]，以后二年因垂穗披碱草的再生性和抗病性弱于无芒雀麦和虉草，禾草产量明显下降[24]，而无芒雀麦头茬和3茬生长发育较好，因此苜蓿-无芒雀麦混播草地禾豆总产量显著高于其余2种禾豆混播草地。有研究表明，苜蓿与无芒雀麦、鸭茅(Dactylisglomerata)、草地羊茅(Festucapratensis)按豆禾1∶3混播，禾豆总产量以苜蓿-无芒雀麦混播草地最高[25]；刘敏等[11]试验表明紫花苜蓿与无芒雀麦混播产量显著高于单播紫花苜蓿，而紫花苜蓿与垂穗披碱草混播产量与单播紫花苜蓿差异不显著。豆禾间作方式对混播草地总产量和组分产量均有明显影响，豆禾1∶1混播三年平均禾豆总产量最高，但禾草产量比较低，混播组分稳定性较差。

3.2 禾豆组合与间作方式对LER的影响

土地当量比大小可表明混播与单播对环境资源利用效率的高低[4,16,26]。禾豆组合对混播草地LER有明显影响。播种年苜蓿-垂穗披碱草混播草地LER最高，与其他混播种类差异显著，且LER>1，具有混播优势；第三年苜蓿-虉草混播草地LER最高，与其他混播播种间差异显著，且LER>1，具有混播优势；第二年3种禾草与苜蓿混播LER无显著差异，但LER均大于1，具有混播优势。第2-3年垂穗披碱草-苜蓿混播草地LER最低，且LER均小于1，表明在科尔沁沙地，垂穗披碱草与紫花苜蓿混播效果较差。基于生物量的种群稳定性在不同植物种类之间差异很大[12 ]。不同禾豆间作方式草地第二年和第三年LER差异显著，而播种年差异不显著。苜蓿与3种禾草1∶1混播第二年LER均大于1，具有混播优势；第三年苜蓿与3种禾草2∶1混播LER均大于1，具有混播优势。研究表明，在大麦(hordeumvulgare) 与长柔毛野豌豆(Viciavillosa) 和山黧豆(Lathyrussativus)按播种量比75∶25，50∶50和25∶75混播草地，混播产量均高于单播产量，25%大麦+75%山黧豆混播其LER最高[16]。50%的光头黍与50%柱花草混播其LER显著大于25%光头黍+75%柱花草[4]。在玉米与大豆间作系统中，4行玉米(Zeamays)+2行大豆(Glycinemax)间作其LER显著高于2行玉米+2行大豆间作[26]；而蚕豆(Viciafaba)与燕麦(Avenasativa)25∶75，50∶50和75∶25间行混播其LER均小于单播蚕豆和单播燕麦，二者混播显著提高了干物质产量和蛋白质产量，但并没有显著提高土地利用效率[28]。由此可见，禾豆组合与间作方式不仅影响混播草地产量，而且影响混播草地的土地利用效率。

3.3 禾豆组合与间作方式对产量稳定性的影响

播种年和第三年禾豆组合对混播产量稳定性无显著影响，而对第二年混播产量稳定性影响显著。因为第二年混播禾草和苜蓿产量变幅最大，播种年和第三年禾草和苜蓿产量变幅较第二年小。在播种年不同禾草的种间竞争力和再生力差异不明显，第二年垂穗披碱草种间竞争力和再生力明显弱于无芒雀麦和虉草，第三年3种禾草在混播群落中种群数量和产量显著下降，苜蓿产量占绝对优势，使混播产量稳定性差异不显著。因为在混播植物群落中，优势物种往往比次优势物种更稳定，不受群落物种丰富程度的影响[12]。禾豆组合对混播系统产量可持续能力有显著影响。苜蓿-虉草混播草地可持续产量指数显著高于苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-垂穗披碱草混播草地。在混播群落中虉草种群数量衰减程度小于其余两种禾草，因此苜蓿-虉草混播草地可持续产量指数较高。这可能是因为二茬草后苜蓿生长较快，苜蓿与禾草种间存在较激烈的光资源竞争[23,27]，同时夏季禾草处于高温胁迫，而虉草的耐热性和无性繁殖能力强于垂穗披碱草和无芒雀麦，因此虉草种群的持续性较好。豆禾1∶1混播播种年和第三年产量稳定性最高。因为豆禾1∶1混播草地在播种年苜蓿与禾草种间竞争力较小，均能充分利用环境资源，因此产量变异较小，产量时间稳定性较好；第三年因禾草种群数量较低，年内不同茬次禾草产量变化对禾豆总产量影响较小，因此产量时间稳定性较好。豆禾1∶2混播可持续产量指数最大，因为1∶2混播草地苜蓿种群数量相对较低，对禾草的种间竞争影响相对较小，不同年份间产量变异低于其他间作方式。

4 结论

苜蓿-无芒雀麦和苜蓿-虉草混播牧草产量及产量稳定性强于苜蓿-垂穗披碱草混播。豆禾1∶1和2∶1混播禾豆总产量较高，但禾草组分稳定性较差。豆禾1∶2混播禾草组分稳定性和产量可持续性较好，但禾豆总产量较低。苜蓿-无芒雀麦或苜蓿-虉草2∶2混播禾豆总产量、产量稳定性、产量可持续性、土地当量及禾草产量比居中，是本试验条件下比较适宜的混播组合。