化肥减施配合有机肥对高寒区燕麦营养品质和土壤养分的影响

李 文， 魏廷虎， 阿保地， 永措巴占， 才仁塔次， 周玉海， 李文浩， 郭卫兴， 张雁平*

(1青海省畜牧兽医科学院,青海大学畜牧兽医科学院， 青海 西宁 810016； 2.青海省青藏高原优良牧草种质资源利用重点实验室， 青海 西宁 810016； 3.青海省玉树市畜牧兽医工作站， 青海 玉树 815000)

青藏高原是我国重要的生态安全屏障和草牧业生产基地。受恶劣自然条件的影响，青藏高原生长季短，植物生长缓慢，草地承载力低，草畜供需矛盾突出[1]。近年来，受全球气候变化和过度放牧等人为干扰的影响，青藏高原高寒草地退化严重，草地生产力降低，进而导致草畜供需矛盾加剧，严重制约着草牧业可持续发展[2]。建植高产、优质的人工草地是缓解青藏高原高寒牧区草畜季节性供求矛盾的有效措施[3]。燕麦(Avenasativa)因其耐寒、抗逆性强、易于栽培等优势而成为青藏高原高寒牧区建植高产优质人工草地的首选牧草[4]。目前，燕麦已成为高寒牧区冬春季家畜补饲的最主要饲草，有效缓解了草畜季节性供应矛盾。但目前青藏高原高寒牧区燕麦人工草地生产力较低。合理施肥是提高燕麦产量和品质的有效措施之一[5]。但目前我国化肥施用量已达到国际安全标准上限[6]，过量施用化肥不但会降低肥料利用率，而且会导致土壤酸化和板结，造成生态环境污染，威胁农业可持续发展[7]。因此，如何在保持农作物增产的同时，减少化肥施用量，提高肥料利用效率，解决好资源与环境问题，是一项亟待解决的科学问题[7]。

适当减少化肥施用量，既能保证作物产量、提高肥料利用率，又能减少对环境的危害，从而实现农业高产、高效、持续健康的发展[8-9]。然而，纯粹的化肥减量并不能满足植物对肥料的需求。生物有机肥含有大量的有机物质和有益微生物，能改善土壤微环境，增强土壤酶活性，促进土壤难溶性矿物养分的释放，提高土壤肥力，从而提高农作物产量[10]。生物有机肥虽能长效提供植物所需养分，但其养分释放比较缓慢，而化学肥料的肥效虽快，却易被植物吸收利用。因此，化学肥料和生物有机肥配施不但能有效调控养分释放速率，提高植物对土壤养分的利用率，而且能有效改良土壤[11-12]。目前，有关生物有机肥对植物生长的研究主要集中在蔬菜和作物[13-17]，研究结果表明生物有机肥和化学肥料配施不但能够有效降低化肥使用量，而且能通过改善根际土壤微生物群落的组成和结构来提高土壤肥力。然而关于燕麦种植中施用生物有机肥的研究较少，且主要集中在种子产量及饲草产量方面[11,18]，目前尚不明确化肥减施配合有机肥对高寒牧区燕麦营养品质和土壤养分含量的影响。

因此，本研究通过设置单施化肥、单施生物有机肥、减施50%化肥+50%生物有机肥、不施任何肥料4个处理来探讨化肥减施配合有机肥对高寒区燕麦营养品质和土壤养分含量的影响，以期为燕麦生产中合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于青藏高原腹地的青海省玉树州玉树市藏霸喇种畜场(33°03′25″ N，96°51′13″ E)，海拔4 050 m，年均气温—3.8℃，年降水量513 mm，主要集中在7—9月。该地气候寒冷潮湿，昼夜温差较大，太阳辐射强，雨热同期，无绝对无霜期，冬季漫长寒冷；草地类型为高寒草甸，土壤类型为高山黑钙土，0～10 cm层土壤有机质含量为74.52 g·kg-1，全氮含量为5.64 g·kg-1，全磷含量为4.51 g·kg-1。

1.2 试验设置

采用随机区组试验设计，设4个处理，分别为单施化肥(尿素75 kg·hm-2+磷酸二铵150 kg·hm-2，为单施化肥最佳施肥量，CF)，单施生物有机肥(1 200 kg·hm-2，为单施生物有机肥最佳施肥量，OF)，50%化肥+50%生物有机肥(尿素37.5 kg·hm-2+磷酸二铵75 kg·hm-2+有机肥600 kg·hm-2，COF)，不施任何肥料(CK)，各处理3个重复，共12个小区，小区面积10 m×10 m，小区间距1 m。尿素含氮量46.65%，磷酸二铵含氮量18%，含五氧化二磷46%。生物有机肥为青海省湟中县海宁合资化肥厂生产，有效活菌数≥108·g-1，有机质≥40%。供试燕麦品种为‘青海444’，由青海省畜牧兽医科学院草原所提供，种子纯净度和发芽率分别为98.9%和94%。于2019—2020年，每年5月中旬播种，播量为220 kg·hm-2(600 × 104株·hm-2保苗数计算)，撒播，播深3～4 cm。肥料在播种前一次性施入，出苗后再无任何施肥、灌溉、除杂等田间管理措施。

1.3 野外观测及样品采集

于2019和2020年9月底，燕麦蜡熟期进行野外观测及取样。在各小区随机设置6个0.5 m × 0.5 m的样方用于燕麦高度、茎粗和生物量测定。各处理18个样方，共计72个样方。用钢卷尺测燕麦的自然高度，用游标卡尺在第三茎节中部测量茎粗，然后齐地面进行刈割。植物地上样品带回实验室后将茎叶分开。所有植物样品先在105℃杀青30 min，然后在70℃烘干，称重，计算茎叶比和干草产量。将植物样品粉碎，用于粗蛋白(Crude protein,CP)、粗脂肪(Crude fat,CF)、粗灰分(Crude ash,CA)、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,DNF)含量测定。

在上述刈割后的样方内用内径3.5 cm的土钻采集0～10 cm层土样，各样方内2钻混合为一个土样，各小区6个土样，各处理18个土样。土样带回实验室后，在阴凉处自然阴干，碾碎并过筛，用于土壤有机质(Soil organic matter,SOM)、全氮(Total nitrogen,TN)、全磷(Total phosphorus,TP)、全钾(Total potassium,TK)、速效氮(Available nitrogen,AN)、速效磷(Available phosphorus,AP)和速效钾(Available potassium,AK)含量测定。

1.4 指标测定

CP含量采用凯氏定氮法测定；CF含量采用索氏脂肪抽提法测定；CA含量采用灰化法测定；ADF和NDF含量采用全自动纤维分析仪测定；SOM含量采用重铬酸钾-硫酸外加热法测定；TN含量采用凯氏定氮法测定；TP含量采用钼锑抗比色法测定；TK含量采用火焰光度计法测定；AN含量采用碱解扩散法测定；AP含量采用高锰酸钾氧化-葡萄糖还原法测定；AK含量采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[19]。

1.5 统计分析

相对饲用价值(Relative feeding value,RFV)计算[20]：

DDM(%)=88.9-ADF(%)

式中，DMI(Dry matter intake)为干物质采食量，DDM(Digestible dry matter)为可消化干物质。

采用Microsoft Excel 2010整理数据，采用SPSS 19.0(SPSS for Windows,Version 19.0,Chicago,USA)单因素方差分析(One-way ANOVA)中的多重比较(LSD)对不同施肥处理燕麦生产性能、牧草养分、土壤养分和经济效益在0.05水平上进行显著性分析。采用R 4.0.2(R Development Core Team)hmisc数据包对生产性能、牧草营养和土壤养分进行相关性分析，采用plyr数据包进行多准则决策模型-TOPSIS(Technique for order preference by similarity to an ideal solution)分析。采用Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对燕麦生产性能的影响

不同施肥处理显著提高了燕麦干草产量、高度和茎粗(P<0.05，图1a，b，c)。2019和2020年，COF处理干草产量最高，分别为1 358.4和1 344.5 g·m-2。与CK相比，CF，OF和COF处理干草产量在2019年分别提高了23.5%，14.7%和23.6%，在2020年分别提高了21.4%，11.0%和21.9%。2019年燕麦植株高度在CF处理中最高，而2020年在CF和COF处理最高(图1b)。茎粗在CF，OF和COF处理中无显著差异，但均显著高于CK(P<0.05，图1c)。OF和COF处理显著降低了茎叶比(图1 d)，与CK相比，CF，OF和COF处理茎叶比在2019年分别降低了3.8%，9.1%和24.8%，2020年分别降低了1.8%，6.8%和18.7%。

图1 不同施肥处理燕麦生产性能变化

2.2 不同施肥处理对燕麦营养品质的影响

不同施肥处理显著提高了燕麦粗蛋白、粗脂肪和相对饲喂价值(P<0.05，图2a，b，f)。与CK相比，CF，OF和COF处理粗蛋白含量在2019年分别提高了9.4%，6.4%和12.9%，在2020年分别提高了8.0%，4.7%和11.9%。粗脂肪含量在2019年分别提高了18.2%，14.5%和30.9%，在2020年分别提高了25.4%，10.2%和35.6%。OF和COF处理相对饲喂价值无显著差异，但均显著高于CF和CK处理(P<0.05)。与CK相比，CF，OF和COF处理相对饲喂价值在2019年分别提高了9.4%，34.6%和28.8%，2020年分别提高了12.9%，34.7%和25.5%。不同施肥处理显著降低了燕麦粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量(除2020年酸性洗涤纤维和2019年中性洗涤纤维，图2c，d，e)。在连续两年的观测期内，粗灰分含量均在COF处理最低，酸性洗涤纤维含量均在OF处理最低，中性洗涤纤维含量在OF和COF处理间无显著差异，但均显著低于CF处理(P<0.05)。

图2 不同施肥处理燕麦营养品质变化

2.3 不同施肥处理对燕麦草地土壤养分含量的影响

不同施肥处理显著提高了土壤有机质、全氮和全磷含量(P<0.05)，其中有机质含量在OF处理显著高于CF和COF处理(P<0.05，图3a)。与CK相比，CF，OF和COF处理有机质含量在2019年分别提高了33.4%，45.9%和33.6%，在2020年分别提高了13.8%，41.5%和22.4%；全氮含量在2019年分别提高了38.2%，27.4%和34.4%，在2020年分别提高了28.8%，9.4%和17.1%；全磷含量在2019年提高了44.2%，24.8%和26.5%，2020年提高了50.9%，31.4%和40.2%。不同施肥处理对土壤全钾含量无显著影响，但显著提高了土壤速效氮、速效磷和速效钾含量(除2020年速效钾含量)，均在COF处理显著高于CF和OF处理(图3e，f，g)。与CK相比，CF，OF和COF处理速效氮含量在2019年分别提高了23.8%，29%和34.8%，在2020年分别提高了7.7%，12.6%和18%；速效磷含量在2019年分别提高了32%，38%和55.6%，在2020年分别提高了14.3%，20.8%和36.4%；速效钾含量在2019年分别提高了14.4%，18.3%和26.3%，在2020年分别提高了4.7%，9.6%和18.8%。

图3 不同施肥处理燕麦人工草地0～10 cm层土壤养分

2.4 牧草营养与土壤养分相关性分析

如图4所示，2019年，速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、茎粗、干草产量和粗蛋白含量相互呈显著正相关关系(P<0.05)。全氮含量和全磷含量均与有机质含量、速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、茎粗、干草产量、粗蛋白含量呈显著正相关关系。高度与全氮含量、全磷含量、茎粗、干草产量和粗蛋白含量呈显著正相关(P<0.05)。粗灰分含量和茎叶比均与粗蛋白含量、干草产量、茎粗、速效钾含量、速效磷含量、速效氮含量、粗脂肪含量和相对饲喂价值呈显著负相关关系。酸性洗涤纤维含量和中性洗涤纤维含量均与速效氮含量、速效磷含量、速效钾含量、有机质含量、粗脂肪含量和相对饲喂价值呈显著负相关关系。2020年，干草产量、高度、茎粗、全氮含量、全磷含量和速效磷含量相互呈显著正相关关系(P<0.05)。粗蛋白含量和粗脂肪含量均与速效钾含量、速效氮含量、速效磷含量、全磷含量、全氮含量、茎粗、高度和干草产量呈显著正相关关系。中性洗涤纤维含量与酸性洗涤纤维含量、粗灰分含量和茎叶比呈显著正相关关系(P<0.05)。粗灰分含量与相对饲喂价值、有机质含量、干草产量、高度、茎粗、全磷含量、速效磷含量、速效氮含量、速效钾含量、粗蛋白含量和粗脂肪含量呈显著负相关关系(P<0.05)。

图4 牧草营养与土壤养分相关性

2.5 不同施肥处理经济效益分析

以研究区燕麦青干草2.1元·kg-1、尿素2.0元·kg-1、磷酸二铵3.6元·kg-1、生物有机肥3.5元·kg-1计算不同施肥处理后净经济效益(净经济效益=总经济效益—成本)。结果表明，CF和COF处理总经济效益无显著差异，但均显著高于OF处理(图5)。而成本在OF处理最高，COF次之，CF处理最低。CF处理净经济效益显著高于OF和COF处理(P<0.05)，OF处理经济效益最低。CF，OF和COF处理2019年净经济效益分别为4 736.4，—817.0和3 009.4元·hm-2，2020年分别为4 266.0，—1 663.2和2 623.0 元·hm-2。

图5 不同施肥处理燕麦人工草地经济效益

2.6 多准则决策模型-TOPSIS评价

采用熵权法TOPSIS综合评价模型对各施肥处理燕麦生产性能、营养品质、土壤养分含量和经济效益进行综合评价(图6)，结果表明，2019和2020年CK贴合度均最低，分别为0.22和0.31。施肥处理的贴合度均超过0.5，其中COF处理贴合度最高，2019和2020年分别为0.76和0.72。因此，从生产性能、牧草营养品质、土壤养分和经济效益等角度来看，化肥减施配合有机肥是适宜于高寒牧区燕麦人工草地的理想施肥选择。

图6 燕麦人工草地不同施肥处理综合评价

3 讨论

植物生物量是衡量施肥效果的一个重要指标。本研究表明，单施化肥、单施生物有机肥和化肥减施配合有机肥在连续两年的观测期内均显著提高了燕麦干草产量。这与马祥等[18]在青藏高原燕麦人工草地上的研究结果一致。此外，本研究中，燕麦干草产量在单施化肥和化肥减施配合有机肥处理中较高。本研究所施的化肥是尿素和磷酸二铵，可有效提高土壤中可利用氮素和磷素含量，从而增强了植物对碳的同化，加速了燕麦的生长。然而，氮肥是一种速效养分，极易在短时间内被具有较高氮素利用率的燕麦吸收利用。而生物有机肥主要通过改变土壤微生物群落功能多样性来提高燕麦的产量[21]。但生物有机肥营养释放较慢，在燕麦生长前期有机肥所提供的养分不能满足植物的需要[22]。而化肥配施生物有机肥可使土壤养分平稳释放，在燕麦生长过程可持续供应养分。前人研究表明，化学肥料和生物有机肥对植物的增产效果基本一致[11]。本研究发现，燕麦产量在单施化肥、单施生物有机肥和化肥减施配合有机肥处理分别提高了21.4%～23.5%，11%～14.7%和21.9%～23.6%，说明生物有机肥对高寒区燕麦的增产效果低于化肥的增产效果。这可能是因为研究区海拔高、温度低，降低了生物有机肥中微生物的活性所致。

土壤有机质是土壤的重要组成物质，不仅是植物的养分来源和土壤微生物的能量来源，还是评价土壤肥力和土壤质量的一个重要指标[23]。本研究表明，在连续两年的观测期内，单施化肥、单施生物有机肥和化肥减施配合有机肥处理均显著提高了燕麦人工草地0～10 cm层土壤有机质含量，但有机质含量在化肥减施配合有机肥处理最高。这和Jiang等[17]的研究结果一致。土壤微生物，特别是细菌，是土壤有机质积累转化和养分循环过程的重要调节者。而生物有机肥中含有大量的功能菌，在促进细菌、放线菌繁殖的同时能够有效抑制真菌的生长[17]。因此，施用生物有机肥能够改善土壤环境质量、提高土壤有机质含量。化肥与生物有机肥配施既能提供氮和磷元素，又能提供功能菌，能在燕麦生长过程中持续供应养分。此外，生物有机肥本身含有大量的有机物质，而单施化肥基本没有外源有机物的输入，土壤有机质主要来源于少量根系、土壤中小动物及土壤微生物。因此，化肥减施配合有机肥处理土壤有机质显著高于其他施肥处理。本研究表明，不同施肥处理显著提高了表层土壤的全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾的含量，其中速效养分均在化肥配施生物有机肥处理最高。这和康勇建等[11]在内蒙古燕麦人工草地上的研究结果一致。这可能是因为化肥配施生物有机肥在提供大量功能菌的同时也能满足微生物对碳氮磷的需求，从而使得微生物数量和活性增加，进而促进了土壤有机质的分解和土壤中有效养分的转化[13]。此外，有机肥含有的较易分解的部分释放到土壤中，直接进入土壤的速效养分库，使得土壤中的速效养分含量显著增加[21-24]。

牧草的营养价值是评价牧草品质的重要指标，主要取决于所含营养成分的种类(粗蛋白，粗脂肪，中性洗涤纤维，酸性洗涤纤维)和数量。提高粗蛋白含量，降低粗纤维含量是提高牧草营养价值的主要手段[25]。前人研究表明，施用氮肥能显著提高牧草粗蛋白含量和相对饲喂价值，显著降低酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量[26-28]。本研究表明，施用化学肥料和生物有机肥均显著提高了燕麦的粗蛋白含量、粗脂肪和相对饲喂价值，而显著降低了粗灰分、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维的含量，其中以化肥减施配合有机肥效果最佳。这主要是因为氮素是合成氨基酸的重要物质，促进粗蛋白合成[25]。而化肥配施有机肥可有效调控肥料养分释放速率，并提高植物对土壤养分的利用率，从而使植物在各生育期都能获得稳定的养分供给[29]。

4 结论

施肥处理显著提高了燕麦干草产量、粗蛋白含量、粗脂肪含量和相对饲喂价值，且均在化肥减施配合有机肥处理中最高；施肥处理显著降低了粗灰分、酸性和中性洗涤纤维的含量，但显著提高了0～10 cm层土壤的有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾含量，有机质在单施生物有机肥处理中最高，而速效养分均在化肥减施配合有机肥处理最高；净经济效益在单施化肥处理最高，化肥减施配合有机肥次之，在单施生物有机肥处理最低；TOPSIS模型综合分析表明，化肥减施配合有机肥处理不但可保持较高的生产力和牧草营养品质，还可显著提高土壤的养分含量和净经济效益，是适宜于高寒区燕麦人工草地的理想施肥选择。