甘肃中部地区秋播小黑麦套作式复种甜高粱的效应及品质研究

常丹丹，王旭，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发展研究中心，甘肃兰州730070）

复种是常见的一种农业种植制度，利用生物种间互利关系，提高土地、水分、光能等各种自然条件的利用率，增加牧草种类并提高生物产量，可为优化牧草种植业结构创造有利条件［1−4］。 在青海省干旱地区，冬小麦（Triticum aestivum）收获后复种甜高粱（Sorghum bicolor）能够获得较高的鲜草产量，可为农区畜牧业发展提供优质饲草料［5］。在甘肃省平凉市东部旱塬区冬小麦或饲用小黑麦（×Triticosecale）复种玉米（Zea mays）在可显著提高经济效益的情况下，还能解决冬春季饲草料短缺等问题［6−7］。随着农业结构发展和调整，饲用小黑麦可替代冬小麦与玉米进行复种，形成一年两熟种植模式［8］。甘肃中部地区属于干旱半干旱气候的农牧交错带，年降水量较低，日照充足，冬冷夏热，在传统农业生产中一季有余，两季不足；而牧草常在抽穗、灌浆或乳熟期收获［9−11］，即使积温不足导致常规种植无法完成孕穗、抽穗也可以提前收割获得较高饲草产量，有效解决种植中“一熟有余、两熟不足”的问题，因此，在甘肃中部地区种植牧草一年收两茬草的模式具有很大的发展潜力。甘肃省中部地区存在大面积冬闲田，小黑麦属冷季型牧草，耐寒性强，可在秋季播种并安全越冬［12］，能充分利用冬闲田进行生长发育，翌年春夏季复种甜高粱等喜温作物，两种牧草通过合理搭配可在甘肃省发展复种模式，实现一年两茬种植制度，大幅提高单位面积草产量，同时可增加种植区冬春季地表覆盖度，具有重要的生态意义。同时小黑麦和甜高粱是高品质的饲料资源，利用形式多样，既可以做牧草，又可刈割做青饲、青贮和干草，可为农牧区畜牧业的发展提供优质饲料。

目前尚未有小黑麦复种甜高粱一年两熟种植技术方面的研究报道。为此，本试验拟以秋播小黑麦种植模式为主区，小黑麦复种甜高粱种植模式为副区，甜高粱品种为副副区，通过测定不同处理下秋播小黑麦的枝条数、株高和草产量，甜高粱的株高、叶片数、叶长、叶宽、茎粗、草产量，以及小黑麦和甜高粱的粗蛋白、酸（中）性洗涤纤维含量、干物质消化率，以明确甘肃省中部地区最佳的小黑麦和甜高粱一年两熟种植模式，为实现一年两熟种植模式提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

甘农2 号小黑麦种子由甘肃农业大学草业学院提供，甜高粱品种大奖505 和大奖1000 种子由甘肃猛犸农业有限公司提供。

1. 2 试验地概况

试验在甘肃农业大学兰州牧草试验站进行。该站地处黄土高原西端，E 105°41′，N 34°05′，海拔1525 m，属温带半干旱大陆性气候，年平均气温11. 2 °C，年均降水量327 mm，全年平均日照时数2446 h，无霜期180 d 左右。试验地地势平坦，土壤为黄绵土，黄土层较薄，肥力均匀，有灌溉条件。

1. 3 试验设计

本试验为裂区设计。主区设置了3 种秋播小黑麦（前茬作物）的种植方式（A1：种3 行小黑麦留30 cm 空行；A2：种4 行小黑麦留30 cm 空行；A3：种5 行小黑麦留45 cm 空行），副区为3 种小黑麦和甜高粱复种方式（由于是跨年复种，因此简写为小黑麦→甜高粱［13］；B1：3→1，即3 行小黑麦套作式复种1 行甜高粱；B2：4→1，即4 行小黑麦套作式复种1 行甜高粱；B3：5→2，即5 行小黑麦套作式复种2 行甜高粱），副副区为两个甜高粱品种（C1：大奖1000；C2：大奖505；生育时期基本一致）。试验小区面积为2 m×5 m=10 m2，设3 次重复。甘农2 号小黑麦于2017 年10月16 日播种，播种行距为15 cm，播种量为300 kg·hm−2；甜高粱播种期为2018 年5 月4 日，株距为10 cm，行距根据不同处理而异，小黑麦→甜高粱复种方式为3→1 时甜高粱行距为60 cm，4→1 时甜高粱行距为75 cm，5→2 时为宽窄行种植，甜高粱行距为75 cm（宽行）+30 cm（窄行）；播种时每穴播种1～2 粒种子，播种深度3～4 cm。试验布置如图1。小黑麦于开花期［14］（5 月29 日）刈割，甜高粱于抽穗期［15］（8 月28 日）刈割，共生期为18 d，总生长时间为10 个月左右。

图1 小黑麦→甜高粱复种方式Fig. 1 Multiple intercropping method of triticale and sweet sorghum

1. 4 田间管理

每个小区的田间管理相同，施肥量分别为：小黑麦播种前90 kg N·hm−2，260 kg P2O5·hm−2；小黑麦返青后135 kg N·hm−2；小黑麦拔节期135 kg N·hm−2；小黑麦抽穗期90 kg N·hm−2，260 kg P2O5·hm−2［16］；甜高粱拔节期135 kg N·hm−2；甜高粱抽穗期135 kg N·hm−2［17］。每次施肥后进行灌水，试验期间及时防除杂草。

1. 5 测定指标与方法

1. 5. 1 秋播小黑麦 株高：开花期［18］刈割前进行测定。每个小区内选择代表性植株10 株，测量从地面至最高点的自然高度。10 株的平均值作为该区小黑麦的株高。

枝条数：开花期刈割前测定。每个小区内随机选取1 m 样段（除去边行和地头两边50 cm 部分），统计样段内株高高于30 cm 的枝条数［18］。

草产量：开花期进行测定。齐地面刈割每个小区内所有植株的地上部分（除去边行和地头两边50 cm 部分），称重，得到鲜草产量。从每个小区分别取样500 g，105 °C 烘箱中杀青30 min，然后在70 °C 烘箱中烘至恒重（48 h），称重得到干草重，计算鲜干比。根据500 g 鲜草样的鲜干比计算每个小区的干草产量。

营养价值：将草样粉碎，过1 mm 孔径的筛子，从混合均匀的草样中随机取3 份样品，平行测定各项指标，采用凯氏定氮法测定粗蛋白（crude protein，CP）含量，采用范氏的洗涤纤维分析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，干物质消化率（dry matter digestibility，DMD）采用公式DMD=88. 9−0. 779×ADF 计算［19］。

1. 5. 2 甜高粱 叶片数、叶长、叶宽、株高、茎粗生长动态：甜高粱从间苗后（分蘖期）开始，每个小区内固定10个单株，并做好标记。每隔5 d 分别数出每个单株完全展开叶片的数量，并测定标记植株顶部往下数第3 片叶子的长和宽（叶片中部的宽度）［20］，测定每个单株的自然高度和基部第1 节间的茎粗（测茎粗时包括叶鞘在内）。

草产量：于甜高粱抽穗期齐地面刈割每个小区内的地上部茎秆（除去边行和地头两边50 cm 部分），称重，得到鲜草产量。然后从每个小区选取3 个单株分别称重，切碎，带回实验室，105 °C 烘箱中杀青30 min，然后在70 °C烘箱中烘至恒重，称重得到干草重，计算鲜干比及每个小区的干草产量。测产后的草样用于测定营养成分，测定指标及方法同小黑麦。

1. 6 数据统计与分析

利用Excel 2010 软件对数据进行统计和处理，运用SPSS 20. 0 软件进行方差分析，如果差异显著，用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

方差分析（表1）表明，主区各处理间，株高、鲜草产量、干草产量存在极显著差异（P<0. 01）；副区各处理间差异不显著；副副区各处理间，鲜、干草产量差异达到极显著水平（P<0. 01），CP 含量差异显著（P<0. 05）。从交互作用看，主区×副区以及主区×副副区间，鲜、干草产量差异均达到极显著水平（P<0. 01），副区×副副区间，鲜草产量差异显著（P<0. 05），干草产量差异达到极显著水平（P<0. 01）。主区×副区×副副区交互作用间，鲜、干草产量差异达到极显著水平（P<0. 01）。需对上述存在显著或极显著差异的指标进行多重比较。

表1 单因素间、两因素交互作用间和三因素交互作用间株高、枝条数、鲜草产量、干草产量、CP、NDF、ADF 及DMD 的方差分析Table 1 Variance analysis on the plant height，number of branches，fresh weight，hay yield，CP content，NDF content，ADF content and DMD values among the single factors，interaction of two factors，and interaction of three factors

2. 1 单因素间饲草生产性能和营养品质的差异

2. 1. 1 主区间 由表2 可知，主区3 种小黑麦种植方式间的生产性能有显著差异。从株高来看，A2处理的株高最高，显著高于A3，但与A1无显著差异；A1处理的鲜、干草产量均显著高于A2和A3（P<0. 05），且A2与A3之间无显著差异，其中A1的鲜、干草产量分别比A3高32. 34、9. 24 t·hm−2。

表2 主区间株高、鲜草产量和干草产量的差异Table 2 Differences of the plant height，fresh weight and hay yield among the main plot

2. 1. 2 副副区间 由表3 看出，C1的平均鲜、干草产量极显著高于C2，且分别比C2高11. 47 和3. 63 t·hm−2；C2的平均CP 含量显著高于C1。

表3 副副区间鲜草产量、干草产量和CP 含量的差异Table 3 Differences of fresh yield，hay yield and CP content among the sub-sub plots

2. 2 两因素交互作用间饲草生产性能和营养品质的差异

2. 2. 1 主区×副区交互作用间 由表4 看出，A1B1处理的平均鲜、干草产量最高，显著高于A2B2、A3B3（P<0. 05），其中A3B3最低，但与A2B2处理差异不显著。A1B1的平均鲜、干草产量比A3B3分别高35. 15、10. 29 t·hm−2。

表4 主区×副区交互作用间鲜草产量和干草产量的差异Table 4 Differences of the fresh yield and hay yield for the interaction of the main plot and sub-plot

2. 2. 2 主区×副副区交互作用间 由表5 看出，主区×副副区交互作用间，A1C1处理的平均鲜、干草产量最高，显著高于其他处理；A1C2处理次之，其鲜草产量显著高于除A1C1外的其他处理，干草产量显著高于除A1C1和A2C1外的其他处理；A3C2处理的平均鲜、干草产量最低，显著低于除A2C2外的其他处理；其中A1C1处理平均鲜、干草产量比A3C2处理分别高出43. 82、12. 87 t·hm−2。鲜、干草产量从大到小排列为：A1C1>A1C2>A2C1>A3C1>A2C2>A3C2。

表5 主区×副副区交互作用间鲜草产量和干草产量的差异Table 5 Differences of fresh yield and hay yield among the interaction of the main plot and sub-sub plots

2. 2. 3 副区×副副区交互作用间 甜高粱株高变化：不同处理下甜高粱株高的变化大体一致，6 月28日−7 月14 日株高增加缓慢（1. 54 cm·d−1），7 月14日−8 月3 日株高增加速度加快（4. 87 cm·d−1），8 月3日−20 日株高迅速增加（5. 20 cm·d−1）（图2A）。刈割时各处理的株高变化范围是219～259 cm，B1C1处理株高最高，B3C1处理次之，B1C2处理的株高最低。测定结果表明，C1处理的平均株高（245. 12 cm）大于C2（229. 47 cm）。

甜高粱叶片数变化：不同处理甜高粱整个生长时期叶片数的变化大体一致（图2B）。生长后期基部叶片干枯导致叶片数有所下降，刈割时叶片数为9～10片且差异并不明显，结果表明C1处理的平均叶片数（9. 67）大于C2（9. 33）。

图2 副区×副副区交互作用间甜高粱株高和叶片数变化动态Fig. 2 Dynamic changes of the plant height and the number of leaves for the interaction of the sub plot and sub-sub plots

甜高粱叶长变化：整个生育期间B1C1处理的叶长均大于其他处理，6 月28 日−7 月14 日叶长增加速度较快（1. 52 cm·d−1），7 月14 日−8 月3 日叶长增加速度更快（2. 17 cm·d−1），8 月3−20 日叶长增加减慢（0. 17 cm·d−1）；B2C1次之，B1C2最低（图3A）。刈割时各处理平均叶长的变化范围为82～114 cm；C1处理的平均叶长（105. 83 cm）大于C2（86. 92 cm）。

甜高粱叶宽变化：6 月28 日−7 月14 日叶宽增加迅速（0. 15 cm·d−1），7 月14 日−8 月3 日叶宽增加速度较快（0. 09 cm·d−1），8 月3−20 日叶宽增加减慢（0. 02 cm·d−1）（图3B）。刈割时叶宽的变化范围是5. 4～7. 6 cm，B1C1处理叶宽最大，B2C1处理次之，B3C2处理最低；测定结果表明，C1处理的平均叶宽（7. 22 cm）大于C2（5. 68 cm）。

图3 副区×副副区交互作用间甜高粱叶长和叶宽的变化动态Fig. 3 Dynamic changes of the leaf length and width for the interaction of the sub-plot and sub-sub plots

甜高粱茎粗变化：茎粗生长变化前期快速而后期缓慢，6 月28 日−7 月14 日茎粗增加速度较快（0. 04 cm·d−1），7 月14 日−8 月3 日茎粗增加速度稍快（0. 046 cm·d−1），8 月3−20 日茎粗增加缓慢（0. 01 cm·d−1）（图4）。刈割时茎粗的变化范围是1. 86～2. 53 cm；同一生长阶段B1C1处理茎粗均最高，B2C1处理次之，B1C2处理最低；测定结果表明，C1处理的平均茎粗（2. 41 cm）大于C2（1. 96 cm）。

图4 副区×副副区交互作用间甜高粱茎粗变化动态Fig. 4 Dynamic changes of the stem diameter for the interaction of the sub plot and sub-sub plots

鲜、干草产量：B1C1处理的鲜草产量最高，显著高于除B3C1外的其他处理；B2C2处理的鲜草产量最低，与B1C2、B2C1和B3C2无显著差异（表6）；其中B1C1处理的鲜草产量比B2C2处理高17. 40 t·hm−2，鲜草产量从高到低排列为B1C1>B3C1>B2C1>B1C2>B3C2>B2C2；从干草产量来看，B1C1处理最高，B3C1次之，二者之间无显著差异，均显著高于其他处理（P<0. 05），B1C2、B2C1、B2C2、B3C2处理较低，且无显著差异；B1C1的干草产量比B3C2高6. 19 t·hm−2，干草产量由高到低排列为B1C1>B3C1>B2C1>B1C2>B2C2>B3C2。

表6 副区×副副区间鲜草产量、干草产量的差异Table 6 Differences of fresh yield and hay yield among the interaction of the sub plot and sub-sub plots

2. 3 三因素交互作用间生产性能的差异

A1B1C1的鲜草产量最高，A1B1C2次之，二者之间有显著差异，且均显著高于其他处理（P<0. 05）；A3B3C2的鲜草产量最低，显著低于除A2B2C2外的其他处理；A1B1C1的鲜草产量比A3B3C2高49. 61 t·hm−2，鲜草产量由高到低为：A1B1C1>A1B1C2>A2B2C1>A3B3C1>A2B2C2>A3B3C2；A1B1C1的干草产量最高，显著高于其他处理；A3B3C2的干草产量最低；其中A1B1C1的干草产量比A3B3C2高15. 05 t·hm−2，干草产量由高到低为：A1B1C1>A1B1C2>A3B3C1>A2B2C1>A2B2C2>A3B3C2。综合三因素分析得出，A1B1C1的鲜、干草产量均显著高于其他处理（表7）。

表7 主区×副区×副副区三因素交互作用间鲜、干草产量的差异Table 7 Differences of fresh and hay yield among the interaction of the main plot×sub-plot×sub-sub plots

3 讨论

3. 1 单因素间饲草生产性能和营养价值的差异及原因

主区间：同一牧草同一播种密度，种植方式不同导致产量有所差异。前人研究表明，套作小麦可充分利用边行优势提高产量［21］。另有学者研究表明：在一定的范围内边行优势随小麦种植空带宽度增加而增强，超过该范围边行优势不再增加［22］。本试验中，A1、A2处理平均株高显著高于A3处理，这是由于二者处理下每个小区内小黑麦分别有16 行、12 行处于边行状态，相较A3处理（8 行处于边行状态），边行优势明显，处于边行状态的小黑麦空间结构合理，可以更好地利用光能和土壤养分来增加株高并提高产量。本试验A1处理的平均鲜、干草产量最高（77. 94、22. 27 t·hm−2），显著高于A2（55. 00、15. 71 t·hm−2）和A3（45. 60、13. 03 t·hm−2），这主要是因为A1种植模式充分利用了边行优势，发挥了边行单株产量优势，随着小黑麦种植行数增加，边行优势减弱，因此草产量降低［23］。由于参试小黑麦只有甘农2 号小黑麦，所以本试验中不同种植方式间营养品质无显著差异。

副副区间：牧草品质和产量由遗传特性决定，并受环境条件、栽培因子和土壤肥力等因素的影响［24］，牧草的CP 含量越高，NDF 和ADF 含量越低，饲喂效果越好［25］。甜高粱品种间平均CP 含量大奖1000（7. 95%）略低于大奖505（8. 66%），但NDF、ADF、DMD 无显著差异；郭秀卿等［26］研究表明，甜高粱二次刈割可以显著提高草产量，但由于甘肃中部地区积温不足，甜高粱第1 茬刈割期较晚，第2 茬生长期间降水较多，温度较低，草产量极低，因此本试验中甜高粱的草产量只考虑了第1茬。从甜高粱草产量来看，大奖1000 的平均鲜、干草产量（53. 58、15. 37 t·hm−2）均高于大奖505（42. 11、11. 74 t·hm−2），在生产实践中如果考虑饲草产量，大奖1000 品种有较好的种植前景。

3. 2 二因素交互作用间饲草生产性能的差异及原因

不同的小黑麦→甜高粱套作复种模式下，其总平均产量差异显著。主区×副区交互作用间，A1B1产量表现最佳，鲜、干草产量可达129. 16、36. 85 t·hm−2；郑亭等［27］研究表明，种植行数越少，群体行间通风透光条件越优，可以提高内行群体及单株产量。相较于A1B1，A2B2和A3B3随着小黑麦和甜高粱种植行数增加，导致行间群体空间结构分布不均衡，对单株产量造成一定影响，减少了个体干物质积累，以致平均总产量有所降低，说明合理的套作复种模式有利于构建合理的空间结构，增加单位面积草产量。

甜高粱生长动态（图2～4）表明，不同处理的甜高粱长势总体规律为前期同步增长，中期日新增长的速度快，后期增长较为缓慢，这与刘晓辉等［28］的研究结果一致。不同甜高粱品种其生产性能差异较大，叶片数、叶长和叶宽等可能会影响植物对能量的捕获和转化能力［29］。本试验中大奖1000 的株高、叶长、叶宽、叶片数和茎粗等均高于大奖505，表明甜高粱的草产量与株高、叶片数、叶长、叶宽、茎粗的大小有直接关系，副区×副副区交互作用间，B1C1的株高、叶片数、叶长、叶宽和茎粗均高于其他各处理，其鲜、干草产量也显著高于各处理，可达58. 57、16. 63 t·hm−2；主区×副副区交互作用间，A1C1表现最优，鲜、干草产量可达131. 53、37. 64 t·hm−2，无论哪种复种模式下，甜高粱大奖1000 的产量均高于大奖505。

3. 3 三因素交互作用间饲草生产性能的差异及原因

兼顾小黑麦和甜高粱全年总产，A1B1C1种植模式下鲜、干草产量（136. 52、38. 52 t·hm−2）最高，饲草产量较为可观，主要是由于小黑麦和甜高粱套作共生期间，3 行小黑麦带两侧透光通气条件改善，边际效应显著，提高了光能的利用率，所以小黑麦产量突出；在共生期间甜高粱为低位作物，受小黑麦遮阴较大，处于竞争劣势地位，光能利用率较低，而小黑麦刈割后，增大了甜高粱群体的受光面积，减缓了个体之间对资源的竞争，单株光合作用增强，6−9 月正值甘肃光、热、雨、气最充足时期，甜高粱生长速度加快，干物质积累量不断加大，所以产量较高，综合产量也达最高，说明该复种模式有利于构建合理的空间结构，可提高复种系统的整体产量，为适宜的复种模式。本研究的小黑麦和甜高粱的最优复种模式为种植3 行小黑麦留30 cm 空行且翌年套作式复种1 行甜高粱，通过搭配高产甜高粱品种大奖1000 并构建合理的空间结构以实现高产，不仅可以提高单位面积土地的产出量，而且可以提高对自然资源的利用效率，更好地实现经济和生态效益。

4 结论

甘肃中部地区小黑麦复种甜高粱最佳复种方式为秋季甘农2 号小黑麦种植3 行留30 cm，翌年夏季空行间套作式复种1 行甜高粱大奖1000，小黑麦和甜高粱分别于开花期和抽穗期收获，总鲜、干草产量分别可达136. 52、38. 52 t·hm−2。因此，在该区域内可适当推广该复种模式，以便充分利用当地的秋闲田和自然资源，提高单位面积草产量，为甘肃中部地区秋播小黑麦复种甜高粱的生产实践提供技术支持和理论依据。