新疆半干旱地区不同种类混播草地的牧草产量和营养价值研究

谢开云， 孟 翔， 徐珍珍， 张力文， 万江春， 颜 安*， 李陈建

(1.西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室， 新疆农业大学草业与环境科学学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；2. 阜康市林业与草原局， 新疆 阜康 831500)

新疆作为我国主要牧区之一，长期以来过度强调草地的生产功能，忽视其生态功能，再加上气候变化等因素，导致该地草地严重退化，生态环境恶化[1-2]。高度重视草原生态保护建设和草业发展是新疆全面贯彻“绿水青山就是金山银山”理念，把生态文明建设融入发展全过程的重要举措。在生态环境保护的大背景下，未来新疆畜牧业的重心也将由草原畜牧业向农区舍饲畜牧业转移，然而饲草料短缺一直是制约新疆畜牧业现代化、规模化发展的重要因素[3]。在适宜区域建植高产优质的人工草地并维持其较高的牧草生产力和营养价值对提高当地放牧家畜生产力和畜牧业发展水平具有重要意义。

豆禾混播草地因其牧草生产力和营养价值方面具有优势成为雨养地区建植草地的首选。国内外开展了大量的关于豆禾混播草地不同混播种类、混播比例[4]和混播方式[5]下草地生产力[6-7]、群落稳定性[8]、营养价值[9-10]、种间关系[11-12]、土壤理化性质[13-14]等方面的研究，研究成果的积累有效促进了混播草地生产力、建植和管理水平的提高。混播草地能够发挥较高生产力和维持较高营养价值的前提是维持群落的稳定性，而环境条件、品种组合、建植方法和管理措施等都是影响混播草地群落稳定性的重要因素[15]。与环境条件相比，品种组合、建植方法和管理措施对草地生物量的积累影响更大[16]。新疆乌鲁木齐市谢家沟地区，属于典型的山地草原，是哈萨克族牧民定居地，建植混播草地进行割草和放牧利用是当地牧民畜牧业生产的主要方式。然而该地区混播草地建植、利用和管理中存在建植水平低、粗放管理和不合理利用制度等问题[3]，导致混播草地牧草产量和品质较低，难以保证家畜的冬季饲草料及营养供给。提高并维持该地区混播草地的生产力和牧草较高的营养价值对于促进该地区畜牧业发展具有重要意义。本研究选择4个牧草种类，以单播为对照，设置豆禾两种牧草和3种牧草进行混播，通过比较不同年份及不同种类混播草地牧草的产量和营养价值，来探讨该地区混播草地建植模式和管理措施，以期为新疆干旱半干旱区人工草地建植和畜牧业生产提供技术及理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2016年6月在新疆乌鲁木齐市谢家沟地区(43°31′4″ E，87°03′4″ N，海拔为1 675 m)建植不同种类的混播草地，并于2016，2017和2018年连续观测混播草地牧草的营养价值。研究区属典型中温带大陆性气候，年均气温2.1～3.3℃，年均降水量100～400 mm，降水季节性分布不均，主要集中在4—10月份；年蒸发量为1 141.7～1 283.3 mm，生长期短，无霜期仅113～130 d。2016年、2017年和2018年该地实测降雨量分别为389.6，250.1和282.5 mm，为半干旱区[17]。试验区建植混播草地前属于退化草地，主要建群植物为蓝花棘豆(Oxytropiscoerulea)、西伯利亚蓼(Polygonumsibiricum)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)、蒲公英(Taraxacummongolicum)等，鼠害严重，牧用价值已近丧失。该地土壤为沙质土，含有较多的砂砾质，肥力较低，试验地0～30 cm土层土壤基础理化性状为pH值8.11，全效养分中全氮含量为0.62 g·kg-1，全磷含量为0.52 g·kg-1，全钾含量为17.46 g·kg-1，速效养分中碱解氮含量为36.08 mg·kg-1，速效磷含量为7.46 mg·kg-1，速效钾含量为231.54 mg·kg-1。

1.2 试验方案设计

本试验采用随机区组设计，以无芒雀麦(Bromusinermis)、鸭茅(Dactylisglomerata)、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、红三叶(Trifoliumpratense)4种牧草单播为对照，设置无芒雀麦/红豆草，无芒雀麦/红三叶，鸭茅/红豆草，鸭茅/红三叶，红三叶/无芒雀麦/红豆草，无芒雀麦/红豆草/鸭茅混播。共10个处理，每个处理4次重复，小区面积15 m2(3 m×5 m)。无芒雀麦，鸭茅，红豆草，红三叶单播的理论播种量分别为：37.5 kg·hm-2，22.5 kg·hm-2，30 kg·hm-2，22.50 kg·hm-2。两种牧草混播时，播种量为单播的1/2，3种牧草混播时，播种量为单播的1/3。实际播种量根据牧草实际发芽率计算，4种牧草的实测发芽率为84%，61%，50%，86%。试验地于2016年6月8日播种，播种方式为均匀撒播。在牧草整个生育期内进行人工控制杂草，整个试验期间无灌溉。

1.3 测定指标与方法

本试验区建植的混播草地主要利用方式为割草和放牧，在割草和放牧前分别对混播草地牧草干物质产量进行测定。割草时间分别为2017年7月1日和2018年6月28日，割草前测定各小区牧草产量，记为第一茬牧草产量(刈割利用牧草产量)。割草后对所有的试验小区施用相同量的磷酸二铵120 kg·hm-2(P2O546%)和硫酸钾100 kg·hm-2(K2O 50%)。牧草再生后于2016年9月26日、2017年9月28日和2018年9月22日测定混播草地的牧草产量，记为第二茬牧草产量(放牧利用牧草产量)。随后开始为期一个月的放牧，放牧家畜为绵羊和肉牛混合放牧。

(1)牧草干物质产量(Dry matter yield，DMY)测定：试验小区随机选取1 m×1 m的样方框内齐地面刈割，分种装纸袋称其鲜重，并在65℃烘箱内烘至恒重，用于计算其牧草干物质产量。

(2)粗蛋白产量(Crude protein yield，CPY)测定[18]：选择2016年、2017年和2018年第二茬牧草的烘干样品，用植物粉碎机(FZ102)粉碎后测定牧草含氮量(采用凯氏定氮法)。草地粗蛋白产量=草地牧草产量(kg·hm-2)×牧草氮含量(%)×6.25。豆禾混播草地牧草的营养品质指标是以豆科牧草和禾本科牧草营养指标值分别乘以各自的产量在混播草地中所占比例得出，代表混播草地牧草的整体营养品质水平。如禾草的氮含量A、豆科牧草的氮含量B，混播草地中禾本科牧草产量占比为C、豆科牧草占比为D，则混播草地牧草氮含量为A×C+B×D。

(3)酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)含量：用测定按照范氏法(Van Soest)测定[18]。

(4)干物质消化率(Digestibility dry matter，DDM)：饲草中干物质能够被家畜消化吸收利用的那部分物质所占的百分含量，反映了饲草干物质的有效程度。其计算公式为[18]：DDM(%DM)=88.9-0.779×ADF(%DM)，式中ADF为饲草干草的酸性洗涤纤维含量。

(5)干物质采食量(Dry matter intake，DMI)：饲草干物质中能够被家畜采食的部分所占的百分量，反映了家畜对该饲草的喜食程度。其计算公式为[18]：DMI(%DM)=120/NDF，式中NDF为饲草干草的中性洗涤纤维含量。

(6)相对饲喂价值(Relative feeding value，RFV)：饲草被家畜采食后能够消化吸收利用的有效含量，反映了饲草营养成分的相对效率。其计算公式为[18]：RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29，式中DDM为干物质消化率，DMI为干物质采食率。

1.4 数据统计

所有数据采用Office Excel 2013软件汇总，SAS 9.1.3软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 混播草地的牧草产量

从2016年到2018年，随着生长年限的增加，混播草地牧草DMY,CP含量、CPY，ADF，NDF，DDM，DMI和RFV都发生了极显著变化(表1，P<0.01)。不同混播组合的牧草DMY，CPY，CP含量、NDF含量、DMI和RFV存在极显著差异(表1，P<0.01)，而ADF和DDM没有显著差异(表1)。除DDM外，年份和混播组合交互效应对其它指标的影响均达到显著水平(表1，P<0.05)。

表1 混播草地牧草产量与营养价值的方差分析Table 1 Variance analysis of forage biomass and nutritional value in mixed grassland

对于放牧利用的牧草生物量，随着生长年限的增加，不同牧草的单播和混播草地牧草的DMY均显著增加。如2018年DMY极显著高于2016年(|t|=3.75，P=0.0045)和2017年(|t|=4.325，P=0.0019)，但2016年和2017年间差异不显著(|t|=0.7015，P=0.5007)。与单播相比，混播的生物量具有明显的优势。如在2016年、2017年和2018年，4种单播牧草的均值为分别为1 589.51，1 460.11和2 729.00 kg·hm-2，两种牧草混播的生物量均值为1 651.35，1 764.86和3 679.56 kg·hm-2，3种牧草混播的生物量均值分别为1 779.26，2 236.58和4 420.05 kg·hm-2(表2)。

对于刈割利用的牧草生物量，2017年DMY显著高于2018年(|t|=5.945，P=0.0002)。同样，与单播相比，混播的生物量也具有明显的优势。如在2017年和2018年，4种单播牧草的均值分别为4 361.77 kg·hm-2和2 383.32 kg·hm-2，两种牧草混播的生物量均值为5 048.55 kg·hm-2和3 623.36 kg·hm-2，3种牧草混播的生物量均值分别为7 239.95 kg·hm-2和4 793.74 kg·hm-2。

2.2 牧草的粗蛋白含量和产量

随着生长年限的增加，牧草的粗蛋白含量显著下降(表3)。如2018年牧草粗蛋白含量显著低于2016年(|t|=4.568，P=0.0014)和2017年(|t|=4.006，P=0.0031)，2016年和2017年之间差异不显著(|t|=0.165，P=0.8726)。随着生长年限的增加，粗蛋白产量显著增加(表2)。如2018年粗蛋白平均产量455.71 kg·hm-2，高于2017年的397.02 kg·hm-2(|t|=0.3496，P=0.7347)和2016年的261.36 kg·hm-2(|t|=2.626，P=0.0275)，2017年和2016年之间无显著差异(|t|=1.092，P=0.3034)。混播草地牧草的粗蛋白含量主要取决于豆科牧草的种类和其在混播草地的所占的比例。豆科的粗蛋白含量在14.20%～19.44%之间，禾本科牧草粗蛋白产量在8.33%～14.15%之间，而豆禾混播草地(2种牧草)牧草的粗蛋白含量介于其中，为10.56%～18.07%。3种牧草混播时，红三叶/无芒雀麦/红豆草混播草地的牧草粗蛋白含量显著高于无芒雀麦/红豆草/鸭茅混播草地(P<0.05)。

表2 不同物种混播草地牧草干物质产量及粗蛋白产量Table 2 DMY and CPY in mixed grassland of different forages species

2.3 牧草的饲喂价值

在混播草地建植当年(2016年)，牧草的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维相对较低，随后显著增加(表3)。如2017年(|t|=11.81，P<0.0001)和2018年的ADF(|t|=14.81，P<0.0001)均显著高于2016年，但2017年和2018年无显著差异(|t|=0.2694，P=0.7937)。2018年的NDF显著高于2017年(|t|=5.648，P=0.0003)和2016年(|t|=5.327，P=0.0005)，但2017年和2016年无显著差异(|t|=0.2502，P=0.808)。

表3 不同物种混播草地牧草粗蛋白、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量Table 3 CP,ADF and NDF content in mixed grassland of different forages species

相反，随着生长年限的增加，牧草的DDM和DMI显著降低(表4)。如2017年(|t|=4.987，P=0.0008)和2018年的DDM(|t|=5.574，P=0.0003)显著低于2016年，2017年和2018年无显著差异(|t|=0.0833，P=0.9354)。2018年的DMI显著低于2016年(|t|=5.059，P=0.0007)和2017年(|t|=5.346，P=0.0005)，2016年和2017年无显著差异(|t|=0.4032，P=0.6962)。随着生长年限的增加，混播草地的牧草的相对饲喂价值显著下降(表4)。如2018年牧草的相对饲喂价值显著低于2017年(|t|=4.932，P=0.008)，2017年显著低于2016年(|t|=3.987，P=0.0032)。另外，CP含量与NDF之间呈显著的负相关关系(图2，F(2,28)=7.832，P=0.0092)。

图2 混播草地牧草粗蛋白与酸(中)性洗涤纤维之间的关系Fig.2 The relationship between crude protein and acid (neutral) detergent fiber in mixed grassland

表4 不同混播草地牧草干物质消化率、干物质采食量和相对饲喂价值Table 4 DDM,DMI and RFV in mixed grassland of different forages species

3 讨论

在本研究中，混播草地建植于2016年6月，只对当年形成的草地进行了放牧。在2017年和2018年6月底对不同混播草地进行刈割(刈割干物质产量)，收获的牧草主要用于晾晒干草以备家畜过冬。刈割后再生的牧草干物质产量(第二茬)主要进行秋冬季(10月开始)用于绵羊和肉牛混合放牧利用。研究结果表明：牧草单播、两种牧草混播和3种牧草混播的刈割干物质产量均表现出2017年显著高于2018年，放牧平均干物质产量在年际之间均表现出2018年显著高于2016和2017年，这可能和2018年牧草生长期间相对较高的降雨量有关(图1)[3]。

图1 试验期间试验地月平均气温和降雨量Fig.1 Precipitation distribution and air temperature in the experimental field during 2016 to 2018

牧草的生物量和营养价值是评价草地生产力的两个重要方面[19]，其中粗蛋白含量、中性洗涤剂纤维和酸性洗涤剂纤维是牧草的营养价值评价的重要指标[18]，不仅直接关系到牧草的品质和消化率，也关系到动物对饲草的利用效率，对动物的生产力至关重要。维持草地较高的蛋白质和较低的纤维含量是提高牧草消化率的前提[18]。一般认为，草地牧草的粗蛋白含量越高则营养价值越高，而粗纤维含量越高则营养价值越差[20]。与单播相比，混播草地不仅具有明显的生物量优势，而且也具有更低的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量，具有更高的粗蛋白含量、干物质消化率、干物质采食量和相对饲喂价值。在混播草地中，主要是因为豆科牧草的存在而提高了牧草的品质[21]。因此，与禾本科牧草单播草地相比，禾本科牧草与豆科牧草混播后草地牧草的粗蛋白含量均显著增加[22]。如在本研究中鸭茅与红豆草混播草地中，再添加无芒雀麦时，混播草地牧草粗蛋白含量显著下降，在红三叶+无芒雀麦混播草地中，再添加红豆草后，混播草地牧草粗蛋白含量显著增加。说明在混播草地中不同物种以及所占比例都会影响所获得的牧草的质量[23]，特别是豆科牧草所占的比例。在本研究中，随着生长年限的增加(2016年到2018年)，不论是单播草地，还是两种牧草混播和三种牧草混播草地，牧草的粗蛋白显著下降，而ADF和NDF均显著增加。这与前人对红豆草[24-25]、高羊茅[26]和鸭茅[27]的研究结果一致，即随着牧草生育期的推进和利用年限的增加，牧草的品质下降，主要表现为粗蛋白下降，粗纤维增加。

混播草地(豆/禾)牧草产量要比单播草地牧草产量高(即使是施用氮肥)[28]。但是，要达到这种效果，混播中豆科牧草需占50%～70%的比例。另外，在混播中豆科牧草的干物质占35%～40%时，混播草地中的可持续牧草产量最高[29]。红豆草是一种相对比较耐旱的多年生豆科牧草[30]，其不仅牧草产量高，粗蛋白含量高，适口性好，营养价值高，而且含有较高的浓缩单宁(20～40 g·kg-1干物质)和多酚，不会引起放牧家畜臌胀病而非常适合使用于放牧利用草地[31]。在本研究中，4种牧草单播草地中，红豆草具有最高的牧草产量和粗蛋白含量，以及较低的ADF和NDF含量，两种牧草混播中，红豆草参与的混播草地具有较高的牧草产量和粗蛋白含量以及较低的ADF和NDF含量。这个可能与红豆草本身具备高产和优质的生物学基础，以及对半干旱环境较强的适应性有关。在本研究中不论是单播草地，还是豆禾混播草地牧草粗蛋白含量随着生长年限的增加而下降，说明在干旱半干旱区依靠豆科牧草的生物固氮来维持其生产力和较高的营养价值是不够的，因为干旱可能是限制混播草地生产力[29]和豆科牧草的生物固氮重要因素[32]，因此在牧草生产管理中施一定量的氮肥是必要的。

人工草地的牧草产量与营养价值之间存在一定程度的负相关关系。如White等[33]通过对禾本科和豆科牧草的研究结果指出，牧草产量每增加1 000 kg·ha-1，牧草的粗蛋白含量则下降0.80%～1.25%，同时酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量都逐渐升高[34-35]。另外，石岳研究了不同类型的天然草地牧草的营养成分与产草量相关性，结果表明：草地的粗蛋白含量与产草量存在显著但弱的负相关关系(R2=0.271，P<0.001)，粗纤维与产草量之间呈现显著但弱的正相关关系(R2=-0.129，P<0.01)[36]。但在本研究中通过分析发现不同单播和混播草地的DMY与CP之间无显著的相关关系(R2=-0.020，P=0.916)，与ADF之间也无显著的相关关系(R2=0.295，P=0.114)，但与DNF之间具有显著的正相关关系(R2=0.464，P=0.001)。产生不同结果的主要原因可能是在石岳的研究中测定产草量及牧草品质的样品均采集于7月末至8月初的生长季盛期，而本研究中测定牧草的产草量和牧草的营养价值的样品采集于9月底(第二茬牧草)，在牧草的不同生长阶段，牧草品质与产草量的关系及其影响因素可能是不同的，具体的动态变化规律和其影响因素尚需要进一步的研究。

由于不同牧草的生物学特性及对环境的适应能力不同，牧草在与不同的其他牧草进行混播时，会表现出不同的生产性能。如Elgersma比较了具有不同属性的伴生禾本科牧草和豆科牧草组合的7种二元混播草地中在9个收获期的表现，发现它们在生产力、产量稳定性和营养质量方面存在较大的差异[37]。主要是因为牧草的生产力和营养价值一方面取决于自身生理特性等，另一方面也受到生长环境条件的制约[38]。因此，牧草的生产力和营养价值的形成必然与环境因子的作用有着密切的关系。在本研究中随着生长年限的增加(2016年到2018年)，单播和混播草地牧草的干物质产量、粗蛋白产量、牧草酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量均显著增加，但粗蛋白含量、干物质消化率、干物质采食量和相对饲喂价值均显著下降。这可能是因为干旱和半干旱环境下多年生草地的牧草产量和质量很大程度上取决于环境因素，特别是土壤养分状况，不仅影响着牧草产量，而且对于牧草的品质具有重要的影响。如石岳研究结果认为环境因子对牧草品质有显著的影响，其中粗蛋白含量受到有机碳含量和土壤容重的显著影响(P<0.01)；粗纤维含量受到年均温和年降水、全氮和全磷的显著影响(P<0.05)[36]。在本研究中，试验区草地由于常年粗放管理导致土壤贫瘠，再加上半干旱区土壤缺乏水分，总体上影响了混播草地的生产力与牧草营养价值。

4 结论

在本研究中，与单播相比，混播草地不仅具有明显的生物量优势，而且具有更低的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量，更高的粗蛋白含量、干物质消化率、干物质采食量和相对饲喂价值。随着生长年限的增加(2016年到2018年)，单播和混播草地牧草的干物质产量、粗蛋白产量、牧草酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量均显著增加，但粗蛋白含量、干物质消化率、干物质采食量和相对饲喂价值均显著下降。