施氮对高寒区垂穗披碱草饲草生产性能及营养品质的影响

宋建超， 鱼小军*， 魏孔涛， 汪鹏斌， 童永尚， 李 珍， 贺有龙， 汪海波

(1. 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， 甘肃省草业工程实验室， 甘肃 兰州 730070； 2. 青海省果洛州草原工作站， 青海 大武 814000)

垂穗披碱草(Elymusnutans)为禾本科披碱草属多年生丛生植物，具有抗性强、营养品质好、适口性好、耐放牧等特性[1-2]，对次生环境存在高度适应性，即使在气候条件严苛的高寒地区仍具有较好的再生性，是青藏高原优良的牧草品种之一[3-4]。垂穗披碱草在高寒区退化草场的改良和人工草地的建设中扮演着重要角色，并且垂穗披碱草人工草地田间管理粗放、生产成本低，具有较好的生态和经济价值。

在高寒区，由于过度放牧引起的草地退化问题日益突显。建植人工草地不仅可以缓解高寒地区天然草地的放牧压力，还能改善植被覆盖度，从而防止草地退化[5]。尽管垂穗披碱草对次生环境具有较好的适应性，但是土壤贫瘠仍然是限制垂穗披碱草产草量提高的主要因素。通过合理配套的农艺措施，提高其单位面积产草量，能够进一步减缓草畜失衡压力，是高寒地区生态文明建设和乡村振兴的重要保证[6]。我国高寒区土壤氮素含量相对较低[7]，垂穗披碱草为喜嗜氮素的禾本科植物[8]，及时补充氮素是提高垂穗披碱草产量的关键农艺措施。

近年来，有关垂穗披碱草施肥方面的研究主要集中在施肥对垂穗披碱草种子产量[9-10]、生物量及构成因素[11-12]、光合特性[12-13]以及生物量分配和补偿生长[14-17]等方面。文雅等[6]研究得出施氮量为200 mg·kg-1、灌溉量为土壤饱和持水量60%～65%时，对垂穗披碱草产量及构成因素的影响最佳。武建双等[17]在藏北高原研究人工垂穗披碱草种群生物量分配对施氮处理的响应，结果表明采用120 kg N·hm-2左右的施氮处理可促进垂穗披碱草生长，可以提高叶片生物量比重。谢国平[9]研究认为施氮可显著提高垂穗披碱草的实际种子产量，并以施氮量 250 kg·hm-2时产量最高，种子产量为2 016.5 kg·hm-2，同时施氮还可以增加野生垂穗披碱草的分蘖数，提高其单位面积生殖枝数。由此可见，施氮能够促进垂穗披碱草生长，提高其生物量，并且不同区域的土壤类型和生境条件不同，适宜的施肥条件也不尽相同。目前，高寒地区垂穗披碱草栽培草地面积不断扩增，但关于垂穗披碱草营养品质及其刈割型草地施肥量的研究还未见报道，因此本研究通过设置不同水平的氮肥施用量，分析不同施氮量对垂穗披碱草的生产性能、品质，及其与杂草之间的竞争关系的影响，确定高寒区垂穗披碱草的最佳施氮量，提高其产草量和品质，以期为垂穗披碱草实际生产提供技术指导，并为其高产栽培措施的研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于青海省果洛州玛沁县大武镇(34°23′ 36″ N,100°17′ 18″ E,海拔3 790 m)。该区属典型的高原大陆型气候，寒冷、干旱、多风，太阳辐射强，日照时间短，昼夜温差大。年均温-3.9℃，最冷月平均气温为-12.6℃，最热月平均气温为9.7℃，≥5℃积温850.3℃，年日照时间 2 576 h，年降水量 542.9 mm,多集中在6—9月,年蒸发量2 471.6 mm。牧草生长季约156 d,全年无绝对无霜期。土壤为高寒草甸土，pH值6.89，有机质含量51.62 g·kg-1，全氮含量1.49 g·kg-1，全磷含量0.75 g·kg-1，全钾含量15.7 g·kg-1，碱解氮含量119.88 mg·kg-1，速效磷含量17.58 mg·kg-1，速效钾含量36.39 mg·kg-1。

1.2 试验材料

垂穗披碱草由果洛州草原站于2019年5月种植，播量为 30 kg·hm-2，条播，行距 30 cm。于2020年6月进行施肥试验，试验地为建植第二年人工草地。

氮肥为三环牌尿素(生产厂家：云南云天化股份有限公司)，执行标准：GB/T 2440-2017，颗粒直径：0.85～2.80 mm，净含量：50 kg，总氮(N)≥46.0%。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，参照谢国平[9]、牛建伟等[15]和武建双等[17]的施肥量，本试验共设6个施氮水平，对应施N量(纯氮)为：0，100，150，200，250，300 kg·hm-2，分别用N10，N15，N20，N25，N30表示，不施氮(N0)为对照，共6个处理(表1)，并设3次重复；选用建植第2年的垂穗披碱草人工草地进行试验，小区面积20 m2(4 m×5 m)，各小区间隔60 cm，小区四周用PVC管标记，并用土堆建成田埂，防止发生地表径流。氮肥分施可满足不同时期植株对氮素的需求，从而提高氮肥利用率，参考董世魁[18]的施肥方法，分别于2020年6月中旬(分蘖期)和7月中旬(抽穗期)撒施，各占总施肥量的50%。施肥选择在雨天进行，使得肥料充分溶于土壤。于2020年8月进行刈割测产和杂草株高和密度的测定，并留取样品进行品质分析。

表1 施氮处理及施氮量

1.4 测定指标与方法

1.4.1农艺性状 单株分蘖数：将地上部分刈割后，各处理小区随机挖取10株，统计单株分蘖数；枝条数：测定鲜草产量前，各处理小区随机选取2 m样段，统计单位面积枝条数，重复 3次；株高：各处理小区随机选取10株，于刈割时测量地面至植株顶端的高度，计算平均值。鲜干比：测定鲜草产量时，每小区分别取鲜草样500 g，置于65℃烘箱烘干至恒重，计算鲜干比；茎叶比：测定鲜草产量时，每小区分别取鲜草样500 g，将茎和叶分离，置于65℃烘箱烘干至恒重，计算茎叶比(茎干重/叶干重)。

1.4.2杂草株高和密度 刈割测产前选取垂穗披碱草草地中数量较多的8种杂草进行株高和密度的比较分析；杂草的鉴定参考《中国植物志》[19-22]。

株高：各小区随机选取10株，测量其地面至植株顶端的高度，求其平均值；

密度：采用1 m×2 m的样方，统计其他草在各小区单位面积的株数。

1.4.3产量 于2020年8月初(盛花期)进行测产，采用1 m×2 m的样方，将样方内所有植株刈割，留茬高度5 cm，除去杂草称重得到单位面积鲜草产量，换算成公顷产量。干草产量由鲜草产量和鲜干比计算得出。第二茬草产量测定于10月初进行(秋季分蘖期)。

1.4.5营养品质 测产时从各小区随机抽取500 g全株鲜草样带回实验室，在105℃烘箱中杀青30 min后，再65℃烘干。将干草样全株粉碎装入自封袋中，用于牧草品质分析。粗蛋白：采用凯氏定氮法测定粗蛋白含量；酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量：采用聚酯纤维滤网袋法测定；干物质消化率(DMD)=88.9-0.779×ADF(%)；粗脂肪(Ether extract,EE)：采用FOSS全自动脂肪测定仪测定；粗灰分(Ash)：采用高温灼烧法测定粗灰分含量；可溶性糖和淀粉：采用恩酮法进行测定；粗纤维(Crude fiber,CF)：采用聚酯纤维滤网袋法测定[23-25]。

1.4.5经济效益 经济效益(CNY·hm-2)=干草产量/kg·hm-2×干草价格/CNY·kg-1-种子投入/CNY·hm-2-肥料投入/CNY·hm-2-工费/CNY·hm-2；

式中：干草价格为1.25 CNY·kg-1；种子价格为43 CNY·kg-1；尿素价格为1.95 CNY·kg-1。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2019处理数据和制图，用SPSS26.0进行不同施氮处理间株高、分蘖数、产量和品质等各指标的显著性分析，并利用Duncan法进行多重比较，所有试验数据以平均值±标准误表示。

采用灰色关联度理论，对不同施肥处理的产量和营养品质进行综合评价。将不同施氮处理用X表示，各测定指标用k表示，将不同施肥处理(X)下各测定指标(k)的值设置为Xk，各指标最理想值设置为参考数列X0。基于灰色系统关联度理论的权重决策法,并结合实际生产，选取干草产量、粗蛋白、ADF，NDF和DMD进行权重综合评价,相关公式如下:

关联度系数：

加权系数：wi=干草产量∶粗蛋白∶ADF∶NDF∶DMD=0.6∶0.2∶0.1∶0.1，参考王伟强等[26]的方法。

求出加权关联度后,按照加权关联度由大到小以1，2，3，…，m进行排序，关联度越大则相似程度越高，比较数列越接近参考数列则牧草综合营养指标越优，反之则越差。

2 结果与分析

2.1 施氮对垂穗披碱草农艺性状的影响

施氮处理显著影响垂穗披碱草农艺性状(表2)。随着施氮量的增加，垂穗披碱草单株分蘖数和单位面积枝条数出现先增大后减小的趋势，各施氮处理下单株分蘖数和单位面积枝条数均显著高于N0处理(P<0.05)；供试处理中，在N25处理下单株分蘖数(15.83)高于其他处理，比N0显著提高了171.5%(P<0.05)；单位面积枝条数在N20处理下高于其他处理，与N0相比，提高了62.45%，各处理间差异显著(P<0.05)；施氮量在N15和N20处理下垂穗披碱草茎叶比均低于其他处理，且与N0处理间差异显著(P<0.05)；垂穗披碱草第一茬株高随施氮量增加呈现先增大后减小趋势，各施氮处理下株高均显著高于N0处理(P<0.05)；第二茬株高随施氮量增加逐渐增大，且在N25和N30处理下显著高于其他处理，并且与N0处理间差异显著(P<0.05)。

表2 不同施氮处理对垂穗披碱草农艺性状的影响

2.2 施氮对垂穗披碱草干草产量的影响

如图一所示，各施氮处理下垂穗披碱草第一茬和第二茬干草产量均显著高于N0处理(P<0.05)。各施氮处理与N0相比，第一茬干草产量分别提高了24.9%，57.5%，60.9%，71.9%和31.0%。除N10处理外，各施氮处理第二茬干草产量均显著高于N0处理(P<0.05)，第二茬干草产量分别提高了13.5%，30.6%，66.6%，63.1%和31.5%。垂穗披碱草总干草产量随施氮量的增加呈现先增大后减小趋势，其中N25处理均高于其他处理，较N0提高了70.9%，且各施氮处理与N0处理间差异显著(P<0.05)。

2.3 施氮对第一茬垂穗披碱草营养品质的影响

由表3可知，垂穗披碱草粗蛋白含量在各施氮处理下均显著高于N0处理(P<0.05)，各施氮处理间差异不显著；施氮处理显著(P<0.05)影响了垂穗披碱草粗脂肪含量，且随着施氮量的增加粗脂肪含量呈现先增加后减小趋势，其中N20处理(3.4%)高于其他处理，较N0处理提高了29.3%；施氮处理对垂穗披碱草粗灰分含量没有显著影响；氮肥处理对垂穗披碱草NDF含量影响不显著，但随着施氮量的增加，NDF有增加的趋势。ADF含量随施氮量的增加呈先减小后增大趋势，但各处理之间差异不显著；DMD在N15处理下均高于其他处理，各处理间差异不显著。

表3 不同施氮处理对垂穗披碱草营养品质的影响

由图2可知，可溶性糖含量随施氮量的增加呈现减小的趋势，其中N15处理(88.29 g·kg-1)高于其他处理，N25和N30与其他处理间差异显著(P<0.05)；与N0相比，N25处理显著增加了垂穗披碱草淀粉含量(P<0.05)；粗纤维含量随施氮量的增加呈现先减小后增大趋势。

图1 不同施氮处理对垂穗披碱干草产量的影响

图2 不同施氮处理对垂穗披碱草可溶性糖、淀粉和粗纤维含量的影响

2.4 施氮对垂穗披碱草与杂草竞争关系的影响

随施氮量的增加，杂草株高和密度基本呈现先减小后增大的趋势(表4)。冷地早熟禾(Poacrymophila)的株高和密度在N25处理下显著低于其他处理，在N30处理下最高，但与N0相比差异不显著；施氮处理对小花剪股颖(Agrostismyriantha)的株高没有显著影响，其密度呈现先减小后增大趋势，且N25处理分别于与N30和N0处理间差异显著(P<0.05)。施氮对委陵菜(PotentillachinensisSer.)株高和密度的影响不显著，但随施氮量的增加其株高和密度随之增大。施氮处理对芸香叶唐松草(Thalictrumrutifolium)的株高没有显著影响，其密度在N30处理下显著低于其他处理(P<0.05)，且随着施肥量的增加其密度呈下降趋势。沼生水马齿(CallitrichepalustrisL.)的株高在施肥各间处理差异不显著，其密度在N25处理下显著低于其他处理(P<0.05)，并且随施氮量的增大呈现先减小后增大趋势。伏毛铁棒锤(AconitumflavumHand.-Mazz.)的株高在各施肥处理间差异不显著，其密度在N25处理下显著低于N0和N30处理；施肥处理对黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)的株高没有显著影响，其密度在N25处理下显著低于N0和N30处理，并且呈现先减小后增大趋势。施氮处理对葵花大蓟(Cirsiumsouliei)的株高影响不显著，其密度显著低于不施肥处理(P<0.05)。

表4 不同施氮处理对垂穗披碱草地其他草株高和密度的影响

2.5 施氮对第一茬垂穗披碱草牧草经济效益的影响

随着施氮量的增加，第一茬垂穗披碱草经济效益呈现先增大后减小趋势，各施氮处理相比N0处理分别提高了21.8%，57.0%，58.9%，69.4%和21.0%，且在N25处理下第一茬垂穗披碱草经济效益最好(18 526.08元·hm-2)，除N10和N30处理外，其他各施肥处理与不施肥处理N0差异显著(P<0.05)。

表5 不同施氮处理对第一茬垂穗披碱草牧草经济收益的影响

2.6 综合评价

在灰色关联度分析中，加权关联度越大则相似程度越高,比较数列越接近参考数列则植株综合指标越优。根据加权关联值的大小，为施肥处理后对垂穗披碱草产量与品质影响进行排序(表6)。供试处理中，N25处理效果明显，且各指标综合评价最优(关联值=0.2248)；其次是N20处理，且除总干草产量外，其他营养指标关联系数均高于N25处理。各处理综合评价结果为：N25>N20>N15>N30>N10>N0。

表6 不同施氮处理下各测定指标的加权关联系数、加权关联值及综合评价

3 讨论

3.1 施氮对垂穗披碱草生产性能的影响

垂穗披碱草的生产性能是由其自身遗传特性决定的[27]，其生长发育的表现是自身遗传特性和外界环境条件综合作用的结果[28]。在生长条件更加复杂的高寒地区，垂穗披碱草尽管依靠自身对次生环境较好的适应性，但土壤肥力低仍然限制其生长发育。通过施氮可以增加牧草的分蘖数、枝条数和株高等产量构成要素来提高牧草产量[6,9-10]。本研究结果表明，施氮对垂穗披碱草分蘖数、枝条数和株高影响最显著，且随施氮量的增加，垂穗披碱草单株分蘖数和单位面积枝条数表现为先增加后降低趋势。这与罗文蓉等[29]在西藏那曲的研究和谢国平等[30]在西藏拉萨的研究结果趋同。充足氮素养分可使垂穗披碱草产生更多的分蘖和枝条，继续施氮其分蘖数和枝条数反而会降低，主要是因为氮肥过量对植物的毒害作用，使得分蘖数和枝条数减少[29]。牛建伟等[15]在海北进行盆栽试验研究施氮水平对垂穗披碱草生物量分配影响的结果显示，分蘖数随氮肥的增加先减小后增加，与本研究结果不同，可能是因为土壤含氮量存在差异，高寒区土壤含氮量较低，补充氮素对垂穗披碱草分蘖数影响较大[7]。随施氮量的增加，垂穗披碱草株高呈现的趋势为先增加后趋于平稳，其株高不会随着施氮量的增加而增加，该结果与文雅等[6]对施氮和灌溉互作对垂穗披碱草生物量及构成要素影响的研究结果一致。

茎叶比是牧草品质评定的重要指标之一，其比值越小，牧草叶的比率愈高，品质愈好。垂穗披碱草茎叶干重比随施肥量增加呈先减小后增大趋势,本研究结果与马兴赟[31]在氮素添加对老龄中华羊茅(Festucasinensis)人工草地草产量影响的研究结果类同。主要原因是施氮可促进垂穗披碱草叶片生长，叶面积增大，叶片生物量增大，但随着施氮量的增大垂穗披碱草营养生长过盛，使得茎的生物量占比增大，从而导致其茎叶比增大[15,17]。

产草量是衡量草地生产力的重要指标之一[32]，产草量高低是反映牧草生产性能的重要测度值，产草量愈高说明其生产性能愈好。本研究结果表明，垂穗披碱草产草量随施氮量的增大表现为先增加后降低趋势，N30处理垂穗披碱草产草量会显著下降，这与文雅等[6]和罗文蓉等[29]的研究结果趋同，并与高寒牧区施氮量与禾本科牧草生物量为单峰关系的报道一致[33]，即施氮水平达到最大生物量时，继续增加施氮量牧草生物量反而会降低。适宜的施加氮肥能够增加叶片中的叶绿素含量[34]，以提高植物的光合速率[35]，使得植物固定的光合产物增多，从而增加垂穗披碱草生物量。但是土壤中氮素过量不仅会降低植物对其他养分的吸收，而且会破坏根系的渗透平衡[36-37]，产生毒害作用，植物吸收土壤养分的能力会有一定程度的降低[38]，最终会抑制垂穗披碱草生物量的增加。本试验采取氮肥分施的施肥方法，很大程度上避免了一次性施肥对植物的负面影响。氮肥的施用应与其大量吸收的时期相吻合以确保尽可能多的氮素被固定在植物组织中[39]。这样既可以保证垂穗披碱草高效生长，也可以提高氮肥利用率，避免造成环境污染[40-41]。因此，应根据不同地区土壤的含氮量来确定适宜的施氮量，从而提高垂穗披碱草产草量。在适宜施氮量处理下，垂穗披碱草第一茬株高和产量均达到最大值，且能够完成从返青期到盛花期的生长，可以进行割草用于补饲，然而第二茬垂穗披碱草虽能继续生长，但其株高和产量远远低于第一茬，营养生长受限，说明第二茬不宜割草只适于放牧，为不影响垂穗披碱草来年生长，最好选择在冷季进行放牧。

3.2 施氮对垂穗披碱草营养品质的影响

氮素是植物机体各项生命活动所需的大量元素之一，也是牧草粗蛋白的重要组成成分。牧草的粗蛋白含量是评价饲草质量的重要指标，含量越高表明牧草品质越好。本研究结果显示，施氮处理显著增加了垂穗披碱草的粗蛋白含量。这与张娇娇[42]等研究施肥可以提高高寒天然草地牧草粗蛋白含量，和任昱鑫等[43]研究施氮能够显著提高小黑麦(×TriticaleWittmack)的粗蛋白含量的结果一致。因此施用氮肥可提高粗蛋白含量从而改善牧草营养品质。ADF和NDF含量是反映饲草纤维质量优劣的有效指标，ADF和NDF含量越低，牧草品质越好，反之消化率低，适口性差[44]。本研究中，施氮对ADF和NDF含量影响显著，随着施氮量的增加ADF和NDF基本呈现先减小后增大趋势，这与符佩斌等[45]的研究结果一致。然而胡冬雪等[46]和李小梅等[47]研究发现，施氮分别降低了羊草(Leymuschinensis)和多花黑麦草(Loliummultiflorum)的ADF和NDF含量，与本研究结果不同，主要原因可能是垂穗披碱草植株倒伏会影响其ADF和NDF含量。本试验不同施氮处理下垂穗披碱草粗脂肪均显著高于不施肥处理(P<0.05)，并且降低了粗纤维含量，这与董晓兵等[48]研究施肥能够显著增加羊草粗脂肪含量，降低粗纤维，改善羊草品质的结果一致。说明施氮改善了垂穗披碱草的营养品质。但不同施氮处理下对垂穗披碱草Ash含量无显著影响。

牧草的可溶性糖和淀粉等碳水化合物含量也是评价牧草品质优劣的参考指标，其含量越高品质越好。本研究结果表明，施氮可提高垂穗披碱草可溶性糖和淀粉含量，但可溶性糖含量增幅较小并且在N25和N30处理下可溶性糖含量显著降低，这与游永亮等[49]在饲用小黑麦上的研究结果一致。说明施加氮肥可提高垂穗披碱草可溶性糖和淀粉含量，从而提高其营养品质。

3.3 施氮对杂草的影响

在垂穗披碱草草地，垂穗披碱草与杂草形成了种间竞争。植物种间竞争的实质是一个种的个体由于另一个种的个体对共生资源的利用和干扰，最终引起在生殖、存活和生长等方面能力的上升或下降，种间竞争关系与其固有的形态和生理特征密切相关[50-51]，如植株叶面积的大小、叶片空间位置及土壤养分均影响植物的种间竞争关系[52-54]。本研究表明，施氮使得垂穗披碱草植株高大，单位面积枝条数增多，能够优先捕获光资源，显著影响了冷地早熟禾、小花剪股颖、委陵菜、沼生水马齿、伏毛铁棒锤和黄帚橐吾等杂草的株高和密度，从而影响了杂草对光资源的利用，使得杂草的生长受到抑制。这与顾梦鹤等[50]和王宁等[53]的研究结论相符。说明垂穗披碱草与这些杂草在形态特征上存在较大差异，抑制了杂草对光源的捕获，施氮处理使得这种优势更加突出，在一定程度上抑制了杂草的生长，减小了与垂穗披碱草对资源的的竞争。但是在N30处理下，杂草的株高和密度出现增长趋势。说明过量施氮，垂穗披碱草的生长优势达到极限，其他草获得了多余养分，增加了其株高和密度，从而与垂穗披碱草竞争光和养分等资源，使得垂穗披碱草与杂草的竞争力增强。另外，垂穗披碱草与冷地早熟禾和小花剪股颖竞争力关系变化，除形态特征略有差异外，可能与其具有较高氮肥利用率有关。

本试验研究了在高寒区氮肥对垂穗披碱草生产性能和营养品质的影响，试验中只对第一茬草进行了产量和品质的测定，考虑到在高寒区第二茬草生长周期较短，只测定了株高和产量。为缓解天然草地放牧压力，第二茬草可用于冬季放牧。并且本试验只考虑了氮肥单施的增产效果，并未考虑氮磷肥配施的交互作用，有研究表明肥料配施的增产效果显著高于单施[48]。因此，在高寒区氮磷配施情况下对垂穗披碱草生产性能和营养品质的影响还需进一步探讨。

4 结论

施氮处理能够提高垂穗披碱草干草产量及营养品质。综合评价认为，在果洛高寒区，施氮 250 kg·hm-2(尿素：543.5 kg·hm-2)时垂穗披碱草干草产量高、营养品质最优、经济效益最好。且能够显著的抑制杂草株高和密度，减小其与垂穗披碱草竞争养分和空间的能力。施氮过量不仅抑制垂穗披碱草的干草产量和营养品质，降低经济效益，而且还促使杂草生长，减小垂穗披碱草的竞争力。