保护播种对高寒区刈割型混播草地产草量及品质的影响

2021-09-07汪鹏斌宋美娟童永尚王玉霞徐长林鱼小军

草地学报 2021年8期

汪鹏斌，宋美娟，童永尚，王玉霞，徐长林，李珍，鱼小军

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

三江源位于青海省南部，是长江、黄河、澜沧江的发源地，素有“江河源”之称，具有重要的水源涵养功能[1-2]。三江源区也是生态系统最为敏感脆弱的地区，容易受到外界环境的影响[3]，近年来在自然条件变化和人为因素共同干扰下，其高寒草地生态环境严重恶化[4-5]，面临着严峻的挑战，对生态安全带来了一定的威胁，同时制约了当地畜牧业发展[6-7]。因此退化草地的植被恢复和重建及天然草地草畜失衡问题已成为三江源区亟待解决的问题。

人工草地作为目前解决当地退化草地高效生产和持续发展矛盾的一条重要途径[8]，能有效改善地表裸露地区的生态环境，对保护草地生态生物多样性具有重要意义[9]；同时有利于推动草地畜牧业向现代高效畜牧业的转型[10]，是现代集约化草地畜牧业的基础[11]。刈割是人工草地主要利用方式，可以提供给家畜新鲜牧草及冬春饲料，同时对人工草地也造成一定的干扰[12]。王玉琴等[13]研究秋季刈割对高寒退化草地植被和土壤生态属性的影响进行了研究，李新媛等[14]研究了留茬高度对人工草地苜蓿(Medicagosativa)产量和质量的影响，包乌云等[15]研究了刈割频度跟留茬高度对人工草地产量和补偿性生长的影响。上述研究主要针对刈割频度、留茬高度及刈割期对刈割型草地产量及植物品质等特征的影响。

保护播种作为一种栽培管理措施，既可以提高多年生人工草地的覆盖度，也解决了建植当年产草量低，冬春家畜饲草不足的矛盾，在饲草生产领域已有初步研究[16-17]。但有关保护播种对高寒区多年生刈割型混播草地影响的研究尚未见报道。三江源区牧草生长季短，尤其是多年生牧草在建植当年出苗迟、产草量低，杂草滋生对多年生混播草地的影响也不容忽视。因此，本研究筛选刈割型混播草地的保护草种及比例，通过保障建植当年不减产来解决冬春季饲草不足问题，缓解天然草地压力，与此同时还能提高多年生牧草的初级生产能力，为不同利用类型混播草地高产栽培管理和三江源区草地畜牧业的可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验点设在青海省果洛藏族自治州玛沁县大武镇，地处阿尼玛卿雪山东南方(32°31′～35°37′ N，96°54′～101°5′ E)。平均海拔3 700 m以上。年平均气温为-0.6℃，属高原大陆性气候。年均降水量443 mm，平均蒸发量1 462.4 mm。该区域植被类型主要为高寒嵩草草甸。主要优势植物有矮生嵩草(Kobresiahumilis)，伴生种有高山嵩草(Kobresiapygmaea)、垂穗披碱草(Elymusnutans)、短穗兔耳草(Lagotisbrachystachya)等植物。选取高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)密度过高、可食牧草基本消失、退化严重的鼠荒地为试验地。土壤为高山草甸土，pH值 6.4～8.3，全氮3.7～12.3 g·kg-1，全磷0.5～0.8 g·kg-1，全钾15.7～22.1 g·kg-1，有机质为40～140 g·kg-1。

1.2 试验设计

2019年6月5日在青海省果洛州玛沁县进行试验，保护种分2草种及4比例，以无保护草种为对照，设8个处理(表1)，各处理重复3次，每个小区面积为15 m2(3 m×5 m)，小区间隔50 cm，随机区组排列。将鼠荒地翻耕耙平后播种，条播，行距为20 cm。同年8月下旬及2020年8月下旬共取样2次。

供试的多年生草种有垂穗披碱草和中华羊茅，保护草种有燕麦(Avenasativa)(‘青海444’)和多花黑麦草(Loliummultiflorum)。理论播种量参考青海建植人工草地的地方标准[18](垂穗披碱草为15 kg·hm-2、中华羊茅15 kg·hm-2、燕麦为225 kg·hm-2、多花黑麦草为22.5 kg·hm-2)。保护草种以单播量为标准分别设单播量的20%，30%，40%和50%作为播种比例进行试验。播种前对所有的供试草种进行发芽处理，在理论播种量的基础上，根据试验草种的发芽率确定实际播种量(表1)，燕麦和多花黑麦草种子来源于甘肃绿源种子公司，中华羊茅来源于青海省海南州同德县省牧草良种繁殖场，垂穗披碱草来源于果洛州草原总站。

表1 多年生人工草地的组合及播种量Table 1 Combination and seeding rate of perennial artificial grassland

1.3 测定指标

1.3.1农艺性状测定相对密度：在小区内随机设2条0.5 m的样段，记录样方内多年生牧草的相对密度；

高度：用钢卷尺从地面测量植株自然高度；

产量：牧草生长旺盛期，在小区内沿对角线随机设2条0.5 m的样段，留茬高度3～5 cm刈割取样，立即称鲜重；

茎叶比：结合测产取150 g鲜草样，将茎和叶分开，烘干后称重，重复3次；

分蘖数：每种牧草分别取30株，观察并记录其分蘖数。

1.3.2样品采集及处理将1.3.1中测产的草样带回实验室，105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，留样粉碎过1 mm和0.45 mm筛，室温下保存待测。

1.3.3牧草营养成分测定粗蛋白(Crude protein，CP)测定采用凯氏微量定氮法(GB6432-94)，中性洗涤纤维(Neutral detergent fibre，NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fibre，ADF)的测定采用Van soest纤维分析法，可溶性糖(Soluble sugar，SS)采用蒽酮法[19]测定，相对饲喂价值(Relative feeding value，RFV)根据NDF和ADF的含量采用以下公式计算[20]。

RFV(%)=(88.9-0.779×ADF)×
(120/NDF)/1.29

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2013绘制柱形图，参考赵思腾等[19]的Topsis法计算得出综合评价值，SPSS 19.0统计软件对原始数据进行单因素方差分析，Duncan法比较各处理间差异显著性。主成分分析在R3.6.1中的FactoMineR程序包中进行。试验数据用平均值±标准误表示。

①发言人发音不清晰：参观浪潮集团时，一位斯洛文尼亚官员在体验VR设备后说道:“VRtechnology has just gone public shortly.Ireally appreciate that Inspur can follow the trend to develop the VRuser experience.”由于这位官员发音不清晰且语速较快，笔者并未完全听辨出源语信息，但根据VR,public,follow和user experience等词采取了猜测的方式，将此句译为：“公众刚开始接触VR技术，我很欣赏浪潮公司能够紧跟潮流，发展用户体验。”

2 结果与分析

2.1 保护播种对多年生刈割型混播草地牧草农艺性状和品质的影响

2.1.1相对密度和高度混播草地一龄牧草播种不同比例保护草种，EN的相对密度均高于FS，随着保护草种播种比例的增加，两种多年生牧草相对密度均有下降趋势，EN+FS+50%AS和EN+FS+50%LM保护处理多年生牧草相对密度显著低于其他保护比例处理(P<0.05)(表2)。总的看来，播种多花黑麦草后多年生牧草的相对密度略高于播种燕麦处理。二龄牧草，对照EN的相对密度高于保护播种处理，且差异显著(P<0.05)；CK，EN+FS+20%LM及EN+FS+30%LM处理FS的相对密度显著高于EN+FS+50%AS处理(P<0.05)，略高于其他比例处理FS的相对密度。

如表2所示，一龄牧草保护播种不同草种及比例均表现为EN的株高明显高于FS，EN+FS+50%LM处理EN和FS的高度均高于其他比例及草种处理，且差异不显著。二龄牧草CK处理EN和FS的高度均高于播种LM和AS处理，且差异显著，EN+FS+50%AS处理EN和FS的高度均显著低于其他保护播种处理。

表2 保护播种对多年生混播草地牧草农艺性状的影响Table 2 Effects of protected seeding on agronomic characters of forage grass in mixed perennial grassland

2.1.2EN和FS的植株数量比和生物量比由图1所示，随着保护草种播种量的增加，多年生牧草植株数量比和生物量比基本呈下降趋势。

图1 保护播种对EN和FS混播组分比例的影响Fig.1 Effect of protected seeding on the mixed seeding ratio of Elymus nutans and Festuca sinensis注：EN代表垂穗披碱草，FS代表中华羊茅，AS代表燕麦，LM代表多花黑麦草。小写字母表示不同保护草种处理间植株数量比差异显著水平(P<0.05)，大写字母表示不同保护草种处理间生物量比差异显著水平(P<0.05)，下同Note:EN refers to Elymus nutans,FS refers to Festuca sinensis,AS refers to Avena sativa,LM refers to Lolium multiflorum. Lowercase letters indicate the significant level of difference in the ratio of the number of interbranches between different protection grass speciesat the 0.05 level;Capital letters indicate the significant difference in biomass ratio between different protected grass speciesat the 0.05 level,the same as below

2.1.3分蘖数如图2所示，随着保护草种播种比例的增加多年生牧草的分蘖数呈下降趋势，CK处理EN的分蘖数最高，相较于AS，LM处理有利于多年生牧草的分蘖。

图2 保护播种对多年生牧草分蘖数的影响Fig.2 Effect of protected seeding on tiller number of perennial grass注：小写字母表示垂穗披碱草的分蘖数显著水平(P<0.05)，大写字母表示中华羊茅的分蘖数显著水平(P<0.05)Note:Lowercase letters indicate the significant level of tiller number of Elymus nutansat the 0.05 level,the capital letters indicate the significant level of tiller number of Festuca sinensis at the 0.05 level

2.1.4干草产量播种不同比例AS和LM对多年生混播草地牧草干草产量的影响各不相同(图3)。建植前2年刈割型混播草地干草产量变化趋势基本一致。CK处理干草产量高于不同比例保护播种处理，且差异显著(P<0.05)。EN+FS+30%LM处理其干草产量仅次于CK处理，显著高于其他保护比例草种处理。AS作为保护草种，混播草地多年生牧草的干草产量较低，且处理间无显著性差异。

图3 保护播种对多年生混播草地干草产量的影响Fig.3 Effect of protected seeding on hay yield of mixed perennial grassland注：小写字母表示一龄牧草显著水平(P<0.05)，大写字母表示二龄牧草显著水平(P<0.05)Note:Lowercase letters indicate the significance level of first-year forage at the 0.05 level,Capital letters indicate the significance level of second-year forage at the 0.05 level

2.1.5鲜干比及茎叶比一龄牧草，播种AS降低了混播草地多年生牧草的鲜干比(表3)，EN+FS+30%LM处理多年生牧草鲜干比显著高于CK(P<0.05)，不同比例AS处理显著低于LM处理(P<0.05)。保护播种对二龄牧草多年生牧草的鲜干比影响效果不明显，在CK处理中多年生牧草的鲜干比低于LM和AS处理，差异不显著，但EN+FS+30%AS和EN+FS+40%AS处理其鲜干比显著高于CK处理(P<0.05)。

表3 保护播种对多年生混播草地牧草鲜干比和茎叶比的影响Table 3 The effect of protect seeding on the fresh/dry ratio and stem/leaf ratio of perennial mixed grassland

一龄牧草多年生牧草均处于营养生长期，因此测定茎叶比的意义不大。在二龄牧草CK处理茎叶比显著高于LM和AS保护处理(P<0.05)，EN+FS+20%AS处理茎叶比最小。

2.1.6粗蛋白含量及产量如表4所示，一龄牧草，相较于CK，EN+FS+20%LM，EN+FS+30%LM，EN+FS+50%LM及EN+FS+20%AS，EN+FS+30%AS处理提高了粗蛋白含量，且差异显著(P<0.05)。二龄牧草与CK相比，保护播种能有效提高多年生牧草粗蛋白含量，EN+FS+20%AS处理粗蛋白含量最高，且显著高于其他处理(P<0.05)。

保护播种后多年生牧草的粗蛋白产量也不尽相同。与CK相比，EN+FS+30%LM处理显著提高了一龄牧草混播草地牧草的粗蛋白产量(P<0.05)，EN+FS+20%LM处理略高于CK，但差异不显著，EN+FS+50%AS处理其粗蛋白产量最低。不同比例保护草种对多年生二龄混播草地粗蛋白产量的影响效果不明显，EN+FS+30%LM处理粗蛋白产量最高，显著高于其他保护比例处理(P<0.05)，与CK处理差异不显著。

2.1.7可溶性糖含量一龄牧草混播草地多年生牧草的可溶性糖含量明显高于二龄牧草(表4)。EN+FS+40%LM处理一龄牧草多年生牧草可溶性糖含量均高于CK处理及其他处理，且差异显著(P<0.05)。多年生二龄牧草可溶性糖随着不同保护比例及草种呈现出不同的结果，EN+FS+30%AS和EN+FS+50%LM处理可溶性糖含量显著高于CK及其他处理(P<0.05)。

表4 保护播种对多年生混播草地牧草养分含量的影响Table 4 The effect of protect seeding on the nutrient content of mixed perennial grassland

2.1.8纤维及相对饲喂价值如表5所示，建植2年的混播草地中，CK处理中性洗涤纤维显著高于播种LM及AS处理(P<0.05)；EN+FS+50%LM处理中性洗涤纤维显著低于其他播种比例处理(P<0.05)。EN+FS+20%AS处理较其他处理显著降低了多年生一龄牧草的中性洗涤纤维(P<0.05)。EN+FS+40%及EN+FS+50%AS处理多年生二龄牧草的中性洗涤纤维含量相对较低。

表5 保护播种对多年生混播草地牧草纤维及相对饲喂价值的影响Table 5 The effect of protect seeding on fiber and relative feeding value of perennial mixed grassland

保护播种后多年生牧草的酸性洗涤纤维存在差异。一龄牧草EN+FS+30%AS处理酸性洗涤纤维高于其他处理处理，且差异显著(P<0.05)。EN+FS+50%LM处理多年生二龄牧草的酸性洗涤纤维含量最低，显著低于无保护草种处理(P<0.05)。

保护播种对多年生牧草的相对饲喂价值有一定影响。EN+FS+20%LM，EN+FS+30%LM，EN+FS+40%LM，EN+FS+50%LM及EN+FS+20%AS，EN+FS+40%AS处理一龄牧草的相对饲喂价值显著高于CK处理(P<0.05)，EN+FS+30%LM处理牧草相对饲喂价值最高。EN+FS+50%LM处理二龄牧草的相对饲喂价值最高，且显著高于CK，EN+FS+20%LM及EN+FS+40%LM处理(P<0.05)。

2.2 不同播种比例对两种保护草种农艺性状和品质的影响

2.2.1相对密度和株高不同播种比例保护草种的相对密度和株高各不相同(表6)。随着播种比例的增加，两种保护草种的相对密度呈上升趋势，EN+FS+50%LM保护草种的相对密度最大。AS的株高明显高于LM的株高，相较于其他播种比例，EN+FS+40%AS处理保护草种株高最高，且差异显著(P<0.05)。

2.2.2茎叶比和鲜干比由表6可知，EN+FS+ 40%LM和EN+FS+50%LM保护草种的茎叶比和鲜干比均低于其他播种比例处理，与其他播种比例相比，茎叶比差异显著(P<0.05)，但播种比例对牧草鲜干比的影响不大。

2.2.3干草产量如表6所示，随着播种比例的提高两种保护草种的干草产量基本呈上升趋势，EN+FS+40%AS和EN+FS+50%AS处理产草量显著高于其他比例处理(P<0.05)。

表6 不同播种比例下两种保护草种农艺性状Table 6 Agronomic traits of two protected grass species under different sowing ratios

2.2.4养分含量 EN+FS+50%AS处理保护草种粗蛋白含量、粗蛋白产量及可溶性糖含量均高于其他播种比例的处理，且差异显著(P<0.05)(表7)。EN+FS+20%AS处理中性洗涤纤维显著低于其他播种比例处理。EN+FS+30%AS处理酸性洗涤纤维显著低于其他播种比例处理，略低于EN+FS+20%AS及EN+FS+40%AS处理，且差异不显著。在EN+FS+20%AS处理中相对饲喂价值显著高于其他播种比例处理(P<0.05)。

表7 不同播种比例对保护草种养分含量的影响Table 7 Effects of different seeding ratios on the nutrient content of protectedgrass

2.3 保护播种对建植2年多年生刈割型混播草地的主成分分析

由主成分分析可知(表8，表9)，根据特征根和贡献率选择主成分，特征根大于1的有五个主成分，高寒区混播草地前两个成分累计贡献率达到60.88%，表明混播草地在前两个主成分的载荷值较高。本试验提取载荷较高的前两个主成分为后期分析做准备。混播草地中第一主成分贡献率为43.67%，主要体现了建植第一年干草产量(0.96)的贡献，第二主成分贡献率为17.21%，主要体现在建植第一年垂穗披碱草高度(0.86)及中性洗涤纤维含量(-0.86)的贡献。

表8 多年生混播草地各指标的特征根与主成分贡献率及累计贡献率Table 8 The contribution rate of characteristic roots and principal components of each index of perennial mixed grassland

表9 多年生混播草地各指标的特征值Table 9 The characteristic value of each index of mixed perennial grassland

2.4 保护播种对建植前2年多年生刈割型混播草地的综合评定

经过主成分分析，多年生混播草地Topsis的评定指标有一龄垂穗披碱草株高、一龄垂穗披碱草相对密度、一龄干草产量、一龄牧草粗蛋白产量、一龄牧草中性洗涤纤维、二龄垂穗披碱草株高、二龄中华羊茅株高、二龄中华羊茅相对密度、二龄干草产量。CK,EN+FS+20%LM,EN+FS+30%LM,EN+FS+40%LM,EN+FS+50%LM,EN+FS+20%AS,EN+FS+30%AS,EN+FS+40%AS和EN+FS+50%AS的Topsis综合评价值分别为0.75，0.52，0.84，0.37，0.37，0.37，0.25，0.2和0.07(图4)。EN+FS+30%LM>CK>EN+FS+20%LM>EN+FS+20%AS>EN+FS+50%LM>EN+FS+40%LM>EN+FS+30%AS>EN+FS+40%AS>EN+FS+50%AS，按照Topsis计算综合评价发现EN+FS+30%LM处理综合评价值最高。

图4 保护播种后建植两年多年生混播草地的综合评价Fig.4 Comprehensive evaluation of two-year mixed perennial grassland established after protect seeding

3 讨论

3.1 保护播种对三江源地区多年生刈割型混播草地产量的影响

保护播种即选择分蘖少，生长快的一年生草种和多年生草种混合进行播种，有效防止高寒区多年生牧草在苗期被烈日暴晒及大风干扰，为多年生牧草提供适宜的生长环境，也抑制了杂草的滋生[22]。通过保护播种对三江源地区刈割型混播草地的影响试验中发现，与播种燕麦相比，播种多花黑麦草有利于提高三江源地区刈割型混播草地两种多年生一龄牧草的相对密度及干草产量，且播种EN+FS+30%LM处理最高。这可能是因为多花黑麦草的自身长势比燕麦弱，减弱了与多年生牧草对养分和阳光的竞争，为多年生牧草的生长提供了更多的空间，使其快速生长，提高其占据空间能力。在三江源地区二龄牧草的刈割型人工草地中，对照处理两种多年生牧草株高、相对密度及干草产量均高于保护播种处理，这可能是因为保护播种处理在一龄牧草保护草种与多年生牧草竞争养分，影响了多年生牧草的生长，使多年生牧草在第二年时生长减缓。本试验发现，对照处理垂穗披碱草的植株数量和生物量均高于中华羊茅，保护播种后垂穗披碱草和中华羊茅的植株数量和生物量比值均降低，减弱了垂穗披碱草的竞争性，有利于中华羊茅的生长，而播种燕麦处理中华羊茅的植株数量和生物量均升高。垂穗披碱草出苗较早，植株高大，优先获得了植物生长所需要的水肥光等生长因子，因此增强了其竞争力，进而抑制了中华羊茅在苗期生长[23]。中华羊茅对阴凉潮湿的环境适应性较强[24]，保护播种可以为中华羊茅生长提供有利的遮阴环境，而燕麦生长快，植株高大，其播种后的遮阴效果优于多花黑麦草，但燕麦播种比例过高时，会与多年生牧草竞争养分和空间，不利于其生长。

本研究结果表明EN+FS+50%LM处理多年生一龄牧草的株高最高，同时随着保护草种播种比例的增加，多年生二龄牧草的分蘖数呈下降趋势。可能的原因是多年生牧草的分蘖数影响牧草的生长，营养分配格局发生改变。EN+FS+50%LM时抑制垂穗披碱草的分蘖，由于分蘖受到影响，使得其主枝生长增快，株高增加。而燕麦占据了大量空间，对多年生牧草的生长造成更大的影响，使多年生牧草生长减缓。

人工草地的干草产量是反映草地生产性能的一个重要指标，利用人工草地高产性能可以解决天然草地冬春季节饲草不足的问题[25]。本研究表明，播种当年多年生牧草的盖度，生物量及播种第二年多年生牧草的干草产量保护播种均低于对照处理，但保护播种一龄牧草总干草产量均高于对照处理，与李景华等[26]和邓维金等[27]的研究结果一致。表明保护播种能增加一龄牧草混播草地的产草量，这可以弥补果洛高寒区春冬季节饲草不足的缺陷，为草地畜牧业可持续发展提供物质基础。

3.1 保护播种对高寒区多年生刈割型混播草地品质的影响

人工草地建植的主要目的之一是为草地畜牧业的可持续发展提供优质牧草[28]，而牧草的优质性主要体现在综合营养价值的高低，粗蛋白和纤维含量是评定牧草营养价值的重要指标，粗蛋白含量越高，纤维含量越低，牧草的品质越好[29]。本试验结果发现保护播种能提高一龄牧草多年生混播草地牧草的粗蛋白含量，降低牧草的中性洗涤纤维含量；二龄牧草时，保护播种处理粗蛋白含量均高于对照，而中性洗涤纤维低于对照，这表明保护播种能提高多年生牧草的相对饲喂价值。张前兵等[30]通过保护播种研究滴灌苜蓿种植当年第一茬草生产性能，结果表明播种小麦(Triticumaestivum)提高了种植当年紫花苜蓿第一茬粗蛋白含量，本试验与其结果一致。出现这种结果的原因一方面可能是田间杂草对牧草品质具有一定影响保护播种能有效防止杂草滋生，减弱杂草对多年生牧草品质的影响；另一方面可能是保护播种使多年生牧草生育期延迟，增加了营养期生长时间[31]。同时不同播种比例的保护草种也为一龄牧草人工草地提供更优质的牧草，且可以增加混播草地的产草量。本研究中，相较于播种燕麦，播种多花黑麦草可以提高高寒区刈割型多年生混播草地的初级生产能力，且在播种量为单播量30%时可获得产量及营养品质均最高的干草，同时也可获得较高产量的多花黑麦草，进而提升综合经济效益。