高寒牧区黑麦和箭筈豌豆混播对草产量和营养品质的影响研究

2021-08-21徐强田新会杜文华

草业学报 2021年8期

徐强，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研究中心，甘肃兰州730070）

甘肃省高寒牧区主要分布于甘南州和祁连山东部沿线地区［1］，具有气候寒冷干燥、年积温低和作物生长季较短等特点［2］。由于特殊的地理环境和气候条件，适宜在该地区种植的牧草品种极少，加之近年来，人们为追求经济效益，大力发展旅游业和畜牧业，超载过牧和对自然资源的过度攫取，致使草场严重退化，草畜矛盾加剧［3］。建植优质高效的人工混播草地是解决该地区冷季缺草、缓解草畜矛盾、保护生态环境和促进畜牧业可持续发展的重要措施之一［4］。

禾-豆混播可以提高饲草的粗蛋白含量，改善饲草营养品质，为家畜提供优质饲草［5］。无芒雀麦（Bromus inermis）与苜蓿（Medicago sativa）混播时，粗蛋白质、粗脂肪和粗灰分含量分别比单播无芒雀麦提高22.80%、10.59%和38.66%，粗纤维降低9.33%［6］。合理的牧草组合和适宜的种植比例是混播草地能够保持理想生产力的前提［7］。在燕麦（Avena sativa）和箭筈豌豆（Vicia sativa）混播草地中，随着箭筈豌豆比例的增加，草产量、茎叶比、钙和粗蛋白含量呈上升趋势，中（酸）性洗涤纤维和粗脂肪含量呈下降趋势，各混播组合的牧草产量和粗脂肪含量显著高于单播箭筈豌豆，粗蛋白含量显著高于单播燕麦［8］。此外，适宜的混播比例可调节和减轻种间竞争，甚至使混播组分发挥协同作用，显著提高草地产量［9］，而禾-豆混播组合不当时，会使牧草出现产量及品质下降的现象［10］。张永亮等［11］报道，4个杂花苜蓿（Medicago varia）品种与无芒雀麦混播后，草产量并没有显著提高。因此，只有将适宜牧草品种以适宜比例进行混播才能产生最佳的混播效果。

黑麦（Secale cereale）为禾本科黑麦属（Secale）植物［12］，具有茎秆高大，秸秆中可溶性糖含量高的特点，是牛、羊、马的优质饲草［13］。由于其抗寒性较强，近年来在青藏高寒牧区的种植面积逐年扩大，在当地畜牧业发展中具有举足轻重的作用［14］。箭筈豌豆为一年生优质豆科牧草，具有蛋白质含量高和抗寒性强的特性［15］，但其单播时易倒伏［16］、草产量低［17］。黑麦与箭筈豌豆混播，不仅能通过有效利用空间、光、热和水分等资源来提高饲草产量，还可营养互补，为家畜提供优质饲草，满足畜牧业发展需求。目前，关于黑麦的研究主要集中在种植密度［18］、刈割期［19］、抗寒性［20］、抗旱性［21］、抗病性［22］、抗倒伏性［23］、籽粒特性［24］和茎秆结构特征［25］等方面，但对甘肃省高寒牧区黑麦与箭筈豌豆混播研究的报道较少［26-27］，因此，本试验拟通过研究甘肃省高寒牧区黑麦新品系C33与不同箭筈豌豆品种在不同混播比例下的草产量及营养价值，以筛选有利于提高单位面积草产量和饲草营养品质的混播组合与混播比例，为该区建设优质高产的人工混播草地提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地自然概况

试验地位于青藏高原东北缘的甘南藏族自治州夏河县桑科镇（35°12′10.14″N，102°31′19.17″E），海拔3050 m。年均温2.6℃，最高气温28.9℃，最低气温-26.7℃，为高寒湿润型气候。年降水量516 mm，无霜期56 d，日照时间2296 h。土壤类型为亚高山草甸土，有机质2.66 g·kg-2，速效氮195.24 mg·kg-2，速效磷45.18 mg·kg-2，速效钾236.72 mg·kg-2，pH为8.14。黑麦分蘖期中耕除草一次，试验地无灌溉条件，前茬作物为燕麦。

1.2 供试材料

黑麦新品系C33；箭筈豌豆：绿箭1号，绿箭2号，绿箭431。上述种子均由甘肃农业大学草业学院提供。

1.3 试验设计

裂区设计。主区为混播组合，设3个水平，分别为A1：C33与绿箭1号箭筈豌豆混播（简称C33×绿箭1号，下同）；A2：C33×绿箭2号；A3：C33×绿箭431。副区为混播比例，设9个水平，分别为B（10∶100），B（220∶80），B3（30∶70），B（440∶60），B（550∶50），B（660∶40），B（770∶30），B（880∶20），B（9100∶0）。禾-豆等比例混播时播种量按其单播量的80%计算［28］，不同混播比例下黑麦与箭筈豌豆的播种量如表1所示。小区面积8.2 m（2=4.0 m×2.1 m），每个小区种7行，行距0.3 m，3次重复，共81个小区。播种时（2018年5月8日），将每个处理的箭筈豌豆和黑麦种子混匀后条播。播种前施磷酸二铵（N+P2O5≥64.0%）250 kg·hm-2，黑麦出苗期和拔节期分别追施尿素（N≥46.0%）157 kg·hm-2，分蘖期中耕除草一次，开花期（2018年8月22日）刈割测产。

表1 不同混播比例下黑麦与箭筈豌豆的播种量Table 1 Seeding rate of rye and common vetch of different mixed ratio（kg·hm-2）

1.4 测定指标及方法

1.4.1 生产性能在黑麦开花期刈割前，从每个小区中选出10株，测量从地面至最高点的自然高度，将10株的平均株高作为该小区的平均株高［2］；在每个小区中，随机选取一个1 m长样段（边行和距地边0.5 m部分除外），数取样段内株高高于0.2 m的黑麦茎蘖数和箭筈豌豆枝条数，计算总枝条数［2］。

在黑麦开花期将每个小区内所有植株的地上部分齐地面刈割（除边行和地头两边0.5 m部分），称重，计算得到总鲜草产量。从中随机选取500 g草样，带回实验室，置于105℃烘箱中杀青0.5 h，然后在70℃烘箱中烘8 h，恒重，计算鲜干比。根据鲜干比计算每个小区的干草产量。粉碎干草样，过0.425 mm筛后置于阴凉干燥处保存并进行营养指标测定［2］。

1.4.2 营养品质参照GB/T 30395-2013处理草样，用凯氏定氮法测定粗蛋白（crude protein，CP，%）含量，采用范氏尼龙布袋法测定中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF，%）和酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF，%）含量［29］，并计算干物质消化率（dry matter digestibility，DMD，%）［30］：

1.5 综合评价

用隶属函数法对3个混播组合和9个混播比例下的牧草营养价值进行综合评价。隶属函数值［X（μ1），X（μ2）］计算公式为：

式中：X为某一混播组合（或混播比例）下某一指标的测定值；Xmax为所有混播组合（或混播比例）下某一指标的最大值；Xmin为所有混播组合（或混播比例）下某一指标的最小值。若所测指标与其营养价值呈正相关，则采用（1）式计算隶属值，负相关则用（2）式。

混播群体营养价值综合评价时，根据总干草产量、CP、ADF、NDF和DMD在其生产中的重要程度，对各指标分配权重，利用公式（3）计算不同混播组合和混播比例下的综合评价值（comprehensive evaluation value，r ij）。

式中：i代表箭筈豌豆品种，1~3分别代表混播组合A1~A3；j代表混播比例，1~9分别代表混播比例B1~B9；k代表单播或混播群体的营养品质，1代表总干草产量，2代表CP，3代表ADF，4代表NDF，5代表DMD；r ij代表黑麦在第i个混播组合、第j个混播比例下的综合评价值；ξijk代表第i个混播组合、第j个混播比例下营养品质对应的隶属函数值；W k代表营养品质指标的权重。

1.6 数据统计与分析

用Excel 2019进行数据整理和作图。用SPSS 25.0软件进行方差分析，用裂区试验设计的方差分析法分析混播组合间、混播比例间、混播组合×混播比例交互作用间各指标的差异显著性。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总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2）表明，混播组合间箭筈豌豆的株高和总鲜（干）草产量存在极显著差异（P<0.01）；混播比例间各指标均有极显著差异（P<0.01）；混播组合×混播比例交互作用间各指标均有极显著差异（P<0.01）。对存在显著或极显著差异的指标进行多重比较。

表2 混播组合间、混播比例间和混播组合×混播比例交互作用间株高、总枝条数、鲜（干）草产量、鲜干比和营养品质的方差分析Table 2 Variance analysis on the plant height of rye（RH）and common vetch（VH），total number of branches（No.），total fresh weight（FW），total hay yield（HY），FW/HY and nutrition quality within the mixture combination，mixed ratio and the interaction of mixture combination and mixed ratio

2.1 混播组合间草地生产性能的差异

A1和A2处理的箭筈豌豆平均株高无显著差异，均极显著高于A3。A1和A2处理的平均鲜（干）草产量均极显著高于A（3P<0.01），平均干草产量分别比A3高34.84%和28.25%（表3）。

表3 混播组合间箭筈豌豆平均株高、平均鲜（干）草产量的差异Table 3 Differences of the averaged plant height，average fresh weight and average hay yield among the mixture combination

2.2 混播比例间草地生产性能及营养品质的差异

2.2.1 生产性能在混播草地中，随黑麦比例的降低，黑麦平均株高先升高后降低，B6处理最高，极显著高于除B4和B5外的其他处理（P<0.01），B8处理最低；箭筈豌豆平均株高B5处理最高，极显著高于除B6和B7外的其他处理（P<0.01），B9最低（图1）。

图1 混播比例间黑麦和箭筈豌豆株高的差异Fig.1 Differences of the plant height of rye and common vetch among different mixed ratio

在9个混播比例中，B6处理的总枝条数最多，极显著高于B1、B7和B（9P<0.01），其他混播比例间无显著差异；B9处理最低，极显著低于其他混播比例。随箭筈豌豆比例的增加，混播草地的鲜干比逐渐升高，B1最小，极显著低于其他混播比例；B9最大，极显著高于其他混播比例（图2）。

图2 混播比例间总枝条数和鲜干比的差异Fig.2 Differences of the total number of branches and fresh-dry ratio among different mixed ratio

B6处理的鲜草产量（极显著高于B1、B3和B9）和平均总干草产量（极显著高于B3、B8和B9）均最高，B9均最低，极显著（P<0.01）低于其他处理（图3）。

图3 混播比例间鲜（干）草产量的差异Fig.3 Differences of fresh（hay）yield among different mixed ratio

2.2.2 营养品质随着箭筈豌豆比例增加，混播群体的平均粗蛋白含量逐渐升高，B9处理最高，极显著高于其他处理，B1最低，极显著低于除B2外的其他处理（表4）；平均NDF和ADF含量均逐渐降低，B9处理均极显著低于其他处理；B1处理的平均NDF含量极显著高于除B2和B3外的其他处理，ADF含量极显著高于除B2、B3和B4外的其他处理；干物质消化率逐渐升高，B9最高，极显著高于其他处理；B1最低，极显著低于除B2、B3和B4外的其他处理。

表4 混播比例对平均粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量和干物质消化率的影响Table 4 Effect of mixed ratio on CP，NDF，ADF content and DMD（%）

2.3 混播组合×混播比例交互作用间混播草地生产性能及营养品质的差异

2.3.1 生产性能在同一混播组合下，随着箭筈豌豆比例的增加，黑麦和箭筈豌豆的株高、混播草地的鲜（干）草产量均先升高后降低，鲜干比则逐渐增大（表5）。

表5 混播组合×混播比例交互作用间黑麦株高、箭筈豌豆株高和混播草地总枝条数、鲜（干）草产量和鲜干比的差异Table 5 Differences of the plant height of rye（RH）and common vetch（VH），the total number of branches（No.），total fresh weight（FW），total hay yield（HY）and FW/HY for the interaction of mixture combination and mixed ratio

A2B6处理的黑麦株高最高，除与A1B6、A2B3、A2B4、A2B5、A3B4、A3B5和A3B6差异不显著外，极显著高于其他处理；A1B1最低，极显著低于除A1B2、A1B7、A1B8、A2B1、A2B2、A2B8、A3B1、A3B2、A3B3和A3B8外的其他处理。

A1B7处理下箭筈豌豆株高最高，极显著高于除A1B5、A1B6、A2B5、A2B6和A2B7外的其他处理；A3B9最低，极显著低于除A1B9、A2B2和A2B9外的其他处理。

A1B2的总枝条数最多，除与A1B6、A1B7、A1B8和A2B6差异不显著外，与其他处理间均差异极显著；A3B9最少，除与A1B9和A2B9差异不显著外，与其他处理间均差异极显著（P<0.01）。

A1B6的鲜草产量最高，极显著高于除A1B5、A2B6和A2B7外的其他处理；A3B9最低，极显著低于除A2B9、A3B1和A3B3外的其他处理。

A1B6的干草产量最高，极显著高于除A1B5、A2B4、A2B5和A2B6外的其他处理；A2B9最低，极显著低于除A1B9、A3B8和A3B9外的其他处理。

A2B9的鲜干比最高，极显著高于其他处理；A3B1最低，极显著低于除A1B1和A2B1外的其他处理。

2.3.2 营养品质在同一混播组合下，随着黑麦混播比例的降低及箭筈豌豆混播比例的增加，牧草的CP含量和DMD逐渐升高，NDF和ADF含量逐渐降低（表6）。

表6 混播组合×混播比例交互作用间粗蛋白、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维含量和干物质消化率的差异Table 6 Differences of the contents of CP，NDF，ADF and DMD for the interaction of the mixture combination and mixed ratio（%）

A1B9的CP含量最高，与除A2B9外的其他处理间均存在极显著差异；A1B1最低，极显著低于除A1B2、A2B1、A2B2、A3B1和A3B2外的其他处理。

A3B9处理的NDF含量最低，极显著低于除A1B9和A2B9外的其他处理；A1B7和A1B8分别比A1B1降低10.24%和15.41%；A2B5、A2B6、A2B7和A2B8分别比A2B1降低8.99%、9.84%、13.76%和21.07%；A3B7和A3B8分别比A3B1降低16.38%和18.67%。

A1B9处理的ADF含量最低，极显著低于除A1B8和A3B9外的其他处理；A1B3、A1B5、A1B7和A1B8分别比A1B1降低9.60%、8.35%、18.87%和31.95%；A2B7和A2B8分别比A2B1降低11.25%和24.85%；A3B7和A3B8分别比A3B1降低10.40%和11.11%。

A1B9的DMD最高，极显著高于除A1B8、A2B9和A3B9外的其他处理；A2B3最低，极显著低于除A1B1、A1B2、A2B1、A2B2、A2B4、A2B6、A3B1、A3B2和A3B4外的其他处理；A1B7和A1B8分别比A1B1提高9.56%和16.21%；A2B7和A2B8分别比A2B1提高5.92%和13.05%；A3B7和A3B8分别比A3B1提高5.22%和5.57%。

2.4 综合评价

由于本试验不同处理下混播草地的干草产量和营养品质表现不一致，无法获得最佳混播组合和播种比例。隶属函数法可以消除个别指标差异带来的片面性，使各处理的草产量和营养品质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的草产量和营养价值进行综合评价。

根据干草产量和营养品质在混播草地中的重要程度，依据任昱鑫等［3］的方法分配各指标的权重，干草产量：0.6，CP含量：0.1，ADF含量：0.1，NDF含量：0.1，DMD：0.1。根据权重，利用公式（3）计算不同处理下混播草地的综合评价值。

3个混播组合中，A1的平均综合评价值最高，A2次之；9个混播比例中B6最高；混播组合×混播比例互作下A1B6最高，因此，A1B6为最佳混播组合和混播比例处理（表7）。

表7 混播组合、混播比例和混播组合×混播比例交互作用的综合评价值Table 7 Comprehensive evaluation values for the single factor and the interaction of mixture combination and mixed ratio

3 讨论

3.1 混播组合间牧草生产性能的差异及原因

不同箭筈豌豆品种的生产性能不同［31］，在与禾本科牧草混播时效果不同。株高能反映饲草的生产潜力，通常与总产量呈正相关关系［32］。混播群体增产的物质基础主要在于茎、叶在空间上的合理分布。禾本科茎秆挺直可支撑豆科牧草进行攀缘生长，枝叶交错立体配置，有利于光合作用能力提高和有机物积累［33］，本研究表明，3个混播组合中，A1和A2处理下箭筈豌豆的平均鲜（干）草产量均极显著高于A3，主要是因为A1和A2混播组合下箭筈豌豆的平均株高较高，这与马妍琪［4］的研究结果一致。

3.2 混播比例间牧草生产性能及营养品质的差异及原因

牧草混播比例由不同牧草的相对竞争力、自身功能特性、种群更新机制及营养配比需求来决定，因而不同牧草品种乃至不同地域间牧草的混播比例均有所不同［34］。由于不同作物种间和种内存在竞争作用，混播比例的变化会影响混播的竞争关系，进而影响作物产量和品质［35］。多花黑麦草和箭筈豌豆混播比例显著影响分蘖/分枝数和干物质产量［36］。随着燕麦比例的增加，燕麦与箭筈豌豆混播草地的粗蛋白含量逐渐下降，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维以及粗脂肪含量比单播箭筈豌豆高［37］。本研究表明，随着箭筈豌豆混播比例增加和黑麦混播比例的降低，鲜（干）草产量先升高后降低，混播比例为B6时平均鲜（干）草产量均最高，主要是因为该混播比例下黑麦和箭筈豌豆的平均株高较高，且总枝条数较多。混播草地的平均粗蛋白含量和DMD随箭筈豌豆比例的增加而增加，ADF和NDF含量随箭筈豌豆比例增加而降低，说明增加箭筈豌豆的混播比例可以有效提高混播群体的饲用品质。本试验中，箭筈豌豆比例过高时，混播群体的草产量无显著提高，而混播草地中箭筈豌豆的比例较低时，粗蛋白含量无显著增加，ADF和NDF含量也未显著降低，说明只有适当的混播比例才能在维持草产量的同时进一步改善混播牧草的品质。

3.3 混播组合×混播比例交互作用间牧草生产性能及营养品质的差异及原因

适宜的禾-豆搭配和混播比例可以有效利用空间和光热资源，在维持甚至提高禾本科牧草产量的基础上改善群体营养品质，达到高产优质的目的［34］。紫花苜蓿与无芒雀麦、扁穗冰草（Agropyron cristatum）以25∶75混播时，草产量可分别比禾本科单播提高7.27%和15.46%［38］。紫花苜蓿与垂穗披碱草（Elymus nutans）的最佳混播比例为3∶2，混播牧草相对紫花苜蓿单播增长35.2%，相对垂穗披碱草单播增长54.8%，与苇状羊茅（Festuca arundinacea）以7∶3混播时，可使总产量相对紫花苜蓿单播增产13.6%，相对苇状羊茅单播增产19.4%［39］。本试验表明，与黑麦单播相比，混播可通过增加群体中豆科牧草的比例及促进黑麦有效分蘖的方式，显著提高群体产量和营养品质。不同混播组合和混播比例的干草产量有显著差异，其中，A1B6处理的黑麦株高、箭筈豌豆株高及总枝条数较高，因而鲜（干）草产量也最高。NDF含量与家畜采食量呈负相关，ADF与家畜消化率呈负相关，粗蛋白含量高、NDF和ADF含量较低的牧草营养品质更好［40］。由于黑麦的粗蛋白含量较低，NDF和ADF含量较高；箭筈豌豆的粗蛋白含量较高，NDF和ADF含量较低，因而，在同一混播组合下，随着箭筈豌豆比例的增加，混播群体的粗蛋白含量和DMD总体均呈升高趋势，而NDF和ADF含量总体均呈下降趋势。