无芒雀麦与苜蓿混播草地生产力提升的水氮调控模式

汪爱霞，马彦麟，齐广平，康燕霞，银敏华，汪精海，贾 琼，唐仲霞，姜渊博

(甘肃农业大学水利水电工程学院，兰州 730070)

我国六大牧区集中在西北地区，草原面积约占全国草原的75%，近年来该区域畜牧业发展迅速，草畜矛盾日渐突出，传统的天然草地已经不能满足现代化畜牧业的发展。人工草地的建植可缓解天然草地退化带来的放牧压力，使供不应求的退化草地得以休养生息，同时可协调草地利用在时间和空间上的不平衡，有效缓解草畜矛盾。因此，建植人工草地成为现代化畜牧业生产体系中不可或缺的一部分，人工草地的牧草种类主要以豆科与禾本科牧草混播为主。紫花苜蓿(L.)作为一种抗逆性强、高产、优质的豆科牧草，在我国大多数牧区被广泛种植。无芒雀麦(Layss.)生命力强、饲口性好、营养丰富，是我国温带和寒温带建造人工草地的优质草种。苜蓿与无芒雀麦混播产量品质都优于其单播牧草，可以为家禽家畜提供优质的干草饲料和放牧草场，从而为畜牧业的可持续发展提供有力保障。此外，紫花苜蓿和无芒雀麦根系发达，叶量丰富，植被覆盖率高，可有效缓解该地区风力侵蚀造成的水土流失问题。

水分和养分是豆禾混播草地发展的主要限制因子，但我国西北地区水资源匮乏、土壤贫瘠，传统的灌水和施肥模式造成大量水氮资源浪费。此外，农业农村部于2020年提出了“一控、二减”节水节肥节药的要求，并提出在2030年实现化肥农药零增长以及灌溉水有效利用系数为0.6的宏观目标，因此，在该地区进行合理的水肥调控具有重要意义。水分亏缺在限制牧草生长的同时还影响土壤微生物的生长发育，灌水量过高降低粗蛋白含量，增大牧草纤维含量，可见，适宜的灌水量有利于旱区牧草的生长。氮素作为作物生长的基础养分，能有效提高牧草生产力和品质。目前，对旱区牧草的研究集中于水氮等各单项因子对牧草生理生长、产量、品质、光合作用和水氮利用效率的影响，水氮双因子协同调控的研究集中在玉米、小麦、蔬菜等方面，而对于牧草生产等方面的研究较少。

河西走廊地区降水稀少，光热资源丰富，气温日变化偏大，有利于作物物质的积累，被称为“西北粮仓”，且畜牧业发达，但近几年草原退化问题严峻，对该区域的畜牧业产生一定的威胁，如何在节水节肥条件下提高牧草生产力成为研究的重点。本研究通过大田试验，分别针对无芒雀麦单播和无芒雀麦与苜蓿混播，分析水氮供应对牧草生长特性、品质、灌溉水利用效率(IWUE)、水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFP)的影响，并通过主成分分析得出最优的种植与水氮管理模式，以期为豆禾混播人工草地的建立提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2020年5—10月在甘肃省张掖市肃南裕固族自治县明花乡(98°49′50″E，38°40′36″N)试验站进行。区域内海拔1 368 m，年均日照时间3 034 h，多年平均降水量90 mm，蒸发量1 731 mm，年平均气温7.3 ℃，无霜期131天。气象数据(图1)由小型智慧型农业气象站测定。试验地土壤质地为砂壤土，田间持水量为33.0%(体积含水率)，0—100 cm土层土壤平均容重为1.44 g/cm，全氮含量0.21 g/kg，速效钾含量0.17 g/kg，速效磷含量3.16 mg/kg，pH为7.4。

图1 2020年4-10月降水量和平均气温分布

1.2 试验设计

供试苜蓿品种为“清水紫花苜蓿”(简称苜蓿)，无芒雀麦品种为“卡尔顿无芒雀麦”，由甘肃农业大学草业学院提供。本研究中牧草(苜蓿与无芒雀麦)为3年生牧草(于2018年5月播种)，灌水方式为喷灌(灌水量由各小区支管上水表控制)，喷头为蝶形喷头，由大禹节水公司提供，喷射半径2～3 m，喷头流量0.2 m/h，布置在小区中央，紫花苜蓿和无芒雀麦于2018年5月播种，播种方式为条播，播深2 cm，行距31.25 cm(每个小区17行牧草)。小区之间设保护行(图2)，试验小区除草、打药等田间农艺管理措施一致。

参考该地区生产实践以及其他学者研究，确定本试验种植模式、灌水水平和施氮水平3个因素，试验设计见表1。种植模式(图2)为紫花苜蓿与无芒雀麦同行混播(D1，播种比例1∶1，播种量均为15 kg/hm)和无芒雀麦单播(D2，30 kg/hm)；灌水量以土壤体积含水率(用TDR测定)占田间持水率的百分数计，灌水上限均为85%，灌水下限分别为65%(W1，轻度亏水)、55%(W2，中度亏水)和45%(W3，重度亏水)，在苜蓿(苜蓿和无芒雀麦生育时期不同，以苜蓿生育时期为准)的现蕾期和初花期进行水分调亏，其余生育时期充分灌溉(75%～85%)，计划湿润层80 cm；供试肥料为尿素CO(NH)(N的质量分数为46.4%)，第1茬在分枝期施肥，第2茬和第3茬在上茬刈割后施肥，3茬间施肥比例为5∶3∶2，施氮水平为低氮量60 kg/hm(N1)、高氮量120 kg/hm(N2)，共12个处理，设3个重复，共计36个小区，试验小区面积为25 m(5 m×5 m)，试验采取完全随机区组设计。苜蓿3茬均在初花期刈割，无芒雀麦第1茬在孕穗期至初花期刈割，第2茬在孕穗期刈割，第3茬在拔节期后停止生长。

图2 试验小区布置示意

表1 试验设计

1.3 指标测定与方法

1.3.1 株高、茎粗 株高、茎粗测定：在苜蓿分枝期(3茬分别于5月10日、7月6日和8月30日)、现蕾期(5月26日、7月18日和9月15日)、初花期(6月10日、7月31日和9月28日)对紫花苜蓿和无芒雀麦的株高茎粗进行测量(测定时间以苜蓿的生育时期为准)。混播草地每个小区分别选取10株长势均匀的紫花苜蓿和无芒雀麦进行标记，单播草地选取10株长势均匀的无芒雀麦进行标记，从植株底部用卷尺测量株高，用游标卡尺在距地面5 cm处测量茎粗，每个生育时期测1次，取平均值。

1.3.2 牧草产量、品质

(1)牧草产量。全季牧草均于苜蓿初花期对紫花苜蓿和无芒雀麦的产量进行测定。混播草地每个小区随机选择1 m的样方2个，在距地面5 cm处刈割，样方1将苜蓿和无芒雀麦分开，分别测其鲜重，样方2直接测混合鲜重；单播草地每个小区随机选择1 m的样方1个，测其鲜重。将所取样品放入烘箱，105 ℃杀青0.5 h，75 ℃烘48 h至恒重，冷却后称其干重，计算干草产量。

(2)牧草品质。将烘干草样粉碎后过0.4 mm筛，将混播草地里的混合草样(苜蓿与无芒雀麦)和单播无芒雀麦草样分别称取0.50 g进行粗蛋白含量、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维测定。测3茬，每茬测3个重复，求平均值。

粗蛋白(crude protein，CP，%)的测定：依据国标GB/T 6432—94，用HSO消煮法，利用凯氏定氮仪(K1160)测定。

酸性洗涤纤维(acid detergent fiber，ADF，%)和中性洗涤纤维(neutral detergent fiber，NDF，%)的测定：采用Goering和Van Soest法，用半自动纤维分析仪(F800)测定ADF和NDF。

1.3.3 土壤水分监测

(1)土壤含水率：土壤含水率采用TDR每7天监测1次，灌水和降雨前后加测，用烘干法校核。

(2)耗水量：水量平衡法计算

(1)

式中：为不同土层序号；为土层总数；1和2为第层土壤在试验始末的含水率(%)；为第层土层深度(cm)；为第层干密度(g/cm)；为试验开展期间总灌水量(mm)；为试验开展期间有效降水量(mm)；为地下水补给(忽略不计)。

1.3.4 水氮利用效率

(1)灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency，IWUE，kg/m)

IWUE=

(2)

式中：为牧草产量(kg/hm)；为灌水量(m/hm)。

(2)水分利用效率(water use efficiency，WUE，kg/m)

WUE=

(3)

式中：为牧草产量(kg/hm)；为耗水量(m/hm)。

(3)氮肥偏生产力(nitrogen partial factor productivity，PFP，kg/kg)

PFP=

(4)

式中：为牧草产量(kg/hm)；为施氮量(kg/hm)。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019进行计算，Origin 9.0软件作图，SPSS Statistics 24软件进行方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 水氮调控及种植模式对牧草生长特性的影响

2.1.1 水氮调控及种植模式对牧草株高的影响 由图3可知，种植模式、灌水量和施氮量对牧草株高的影响显著(<0.05)。第2茬较第1茬混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦株高分别降低3.25%，7.70%和1.29%；第3茬较第1茬混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦株高分别降低31.52%，34.80%和39.91%。可见，光热资源不充足可导致牧草株高生长滞缓。灌水量相同时，N2较N1处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均株高分别增加6.55%，2.12%和15.91%；施氮量相同时，W1较W2处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均株高分别增加3.59%，1.25%和4.16%，W1较W3处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均株高分别增加17.39%，13.41%和8.31%。由此可知，适当增加水氮有利于牧草株高的生长，与W3N1处理相比，W1N2处理下混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均株高分别增加27.41%，20.26%和26.55%。灌水量和施氮量相同时，D1较D2处理无芒雀麦3茬平均株高增加62.40%。不同生育时期牧草株高的增幅不同，分枝期增幅最大，现蕾期和初花期牧草株高日增长量降低，随着亏水程度的加剧，牧草株高的增幅减少。综上可知，施氮和灌水均能促进牧草株高生长，混播较单播有利于促进无芒雀麦的生长。

注：W1、W2、W3分别表示轻度亏水、中度亏水、重度亏水；N1、N2分别表示低氮、高氮量；D1M表示混播苜蓿，D1W表示混播无芒雀麦，D2W表示单播无芒雀麦，不同小写字母表示不同处理下的差异显著(P<0.05)。下同。

2.1.2 水氮调控及种植模式对牧草茎粗的影响 由图4可知，种植模式、灌水量和施氮量对牧草茎粗的影响达到显著水平(<0.05)。第2茬较第1茬混播苜蓿与无芒雀麦茎粗分别减小14.06%和14.55%，单播无芒雀麦茎粗减小8.59%；第3茬较第1茬混播苜蓿与无芒雀麦茎粗分别减小28.11%和29.05%，单播无芒雀麦茎粗减小17.15%。可见，光热资源不充足不利于牧草茎粗的生长。灌水量相同时，N2较N1处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均茎粗分别增加4.24%，3.35%和5.79%。施氮量相同时，W1较W2处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均茎粗分别增加5.33%，2.15%和6.67%，W1较W3处理混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均茎粗分别增加6.65%，3.07%和15.14%。由此可知，适宜的水氮有利于牧草茎粗的生长，与W3N1处理相比，W1N2处理下混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均茎粗分别增加11.32%，4.11%和20.98%。灌水量和施氮量相同时，D1较D2处理无芒雀麦3茬平均茎粗减小11.27%。不同生育时期，牧草茎粗的增幅不同，分枝期增幅最大；现蕾期和初花期牧草茎粗日增长量降低，随着亏水程度的加剧，牧草茎粗的增幅相应减少，表明施氮和灌水均能促进苜蓿和无芒雀麦茎粗的生长，混播在一定程度上抑制无芒雀麦茎粗的生长。

图4 水氮调控及种植模式对不同牧草生育期茎粗的影响

2.2 水氮调控及种植模式对牧草产量和品质的影响

2.2.1 水氮调控及种植模式对牧草产量的影响 由图5可知，第2茬、第3茬较第1茬混播和单播牧草产量分别降低6.85%，41.93%和8.37%，72.01%(<0.05)。在第1茬牧草中，灌水量相同时，N2较N1处理混播牧草产量提高12.31%，单播牧草产量提高9.67%。施氮量相同时，W1较W2处理混播和单播牧草产量分别增加6.7%和10.53%；W1较W3处理混播和单播牧草产量分别提高24.6%和21.93%(<0.05)。第2茬产量、第3茬产量和年产量随灌水量和施氮量的变化与第1茬牧草基本一致。对于牧草年总产量，混播牧草较单播牧草提高111.51%。施氮量相同时，混播牧草W1N2较W2N1和W3N1处理产量分别提高21.07%和42.16%，单播牧草W1N2较W2N1和W3N1处理产量分别提高21.84%和38.59%(<0.05)，且混播和单播牧草均在轻度亏水高氮量处理下获得最大年产量，分别为26 050.73，12 186.10 kg/hm，说明混播模式下适量添加灌水量和施氮量有利于牧草产量的累积。

图5 水氮调控及种植模式对牧草产量的影响

2.2.2 水氮调控及种植模式对牧草品质的影响 水氮调控及种植模式对牧草粗蛋白含量(CP)、酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)的影响见表2。由表2可知，混播牧草CP、ADF和NDF显著大于单播牧草，灌水量对牧草CP、ADF和NDF的影响极显著(<0.01)，施氮量对其影响显著(<0.05)，交互作用对其影响不显著(>0.05)。混播牧草在W1N2处理下牧草CP最高，达到21.40%，W3N1处理下牧草CP最低，与W1N2处理相比降低27.00%。单播牧草W1N2处理下牧草CP最高，达到16.43%，W3N1处理下牧草CP最低，与W1N2处理相比降低37.26%。牧草ADF和NDF是反映牧草品质的重要指标之一，其值过高，会导致饲料中碳水化合物以及能量的缺乏，反之，牧草的营养价值更佳。混播牧草W1N2处理下牧草ADF和NDF最低，分别为30.77%和38.70%，与W3N1相比，分别降低19.56%和33.86%；单播牧草W1N2处理下ADF和NDF最低，分别为24.38%和32.84%，与W3N1相比，分别降低21.29%和25.53%，说明适当增加水氮施用量能改善牧草品质。

表2 水氮调控及种植模式对牧草品质的影响 单位：%

2.3 水氮调控及种植模式对牧草水氮利用效率的影响

由表3可知，灌水量和耗水量均随着亏水程度加剧逐渐减小，单播较混播灌水总量和耗水总量分别减少12.31%和10.98%，可见，单播牧草的耗水强度小于混播。混播较单播牧草IWUE、WUE和PFP分别显著提高87.38%，88.71%和112.97%，灌水量和施氮量对牧草IWUE、WUE和PFP的影响极显著(<0.01)，其交互作用对牧草IWUE和WUE的影响不显著(>0.05)，对牧草PFP的影响极显著(<0.01)。施氮量相同时，随着灌水量的增加，IWUE和WUE减小，PFP增大，混播模式下，W1较W3处理IWUE、WUE减少5.41%和5.33%，PFP增加25.51%；单播模式下，W1较W3处理IWUE和WUE分别减少2.70%和6.61%，PFP增加23.35%。灌水量相同时，随着施氮量的增加，在混播模式下，IWUE、WUE和PFP均减小，N2较N1处理IWUE、WUE和PFP分别减少6.10%，4.15%和44.33%；单播模式下，N2较N1处理IWUE和PFP分别减少7.25%和43.69%，WUE增加2.71%。混播和单播牧草在W2N1处理下IWUE最大，分别为5.66，2.89 kg/m，W1N1处理牧草PFP最大，分别为388.03，183.94 kg/kg，W3N2处理WUE最大，分别为4.41，2.37 kg/m。表明高灌水量降低牧草的WUE和IWUE，高氮量降低牧草的PFP。

表3 水氮调控及种植模式对牧草水氮利用效率的影响

2.4 主成分分析

由于牧草的单项指标不能全面反映牧草品质和产量的优劣，故对牧草粗蛋白含量()、酸性洗涤纤维(ADF)、中性洗涤纤维(NDF)、产量()、灌溉水利用效率(IWUE)、水分利用效率(WUE)和氮肥偏生产力(PFP)进行数据归一化处理，采用主成分分析法对7个指标进行降维数学统计分析(表4、表5)。主成分分析后提取的2个主成分特征值>1，累积贡献率达到90.045%，表明这2个主成分包含7个指标的主要信息。主成分1包含总变异信息的64.636%，反映、、IWUE和WUE 4个指标的影响，主成分2解释原始信息的25.409%，主要以ADF和NDF的影响为主。主成分综合得分和综合排序(表5)得出，最优处理为D1W1N2，最劣处理为D2W3N1。不同灌水量处理下，W1的综合得分大于W2和W3；不同施氮量处理下，N1的综合得分大于N2；不同种植模式下，混播的综合得分大于单播。表明混播模式下轻度亏水较高氮量是当地适宜的水氮施用量。

表4 主成分因子荷载与方差贡献率

表5 不同水氮调控和种植模式下牧草综合评价

3 讨 论

3.1 水氮调控及种植模式对牧草生长特性的影响

牧草生长发育与其干草产量和品质密切相关，牧草属营养体作物，其产量即为所有地上部分生物量，牧草株高、茎粗等生长指标与其产量呈正相关关系。适宜施氮量能促进作物根系吸水能力以及根系活性，土壤养分主要通过扩散作用或质流作用被根系截获。适宜的土壤水分有利于土壤中离子的扩散，从而促进作物吸收土壤养分及株高、茎粗、叶片等生长。此外，叶片中富含粗蛋白、粗脂肪以及碳水化合物，生长指标的提高尤其是叶片重量的提高能够有效改善牧草品质。本研究表明，高的施氮量和灌水量均能促进苜蓿和无芒雀麦株高、茎粗的生长。这与高文瑞等的研究结果相似，即增加基质含水量和一定程度上增加施氮量可以增加植株的株高和茎粗，从而提高植株干鲜重。本试验在牧草再生期和分枝期进行充分灌溉，使得牧草的初期生长不因水分亏缺而受到约束，在现蕾期和初花期对牧草进行不同程度的水分胁迫，这样既能高效节水又能得到高产的牧草。

本试验中，与单播比较，混播促进无芒雀麦株高的生长，一定程度上抑制无芒雀麦茎粗的生长。这一现象产生的主要原因可能是豆科苜蓿与禾本科无芒雀麦的生物学特性不同，2种牧草的地下和地上部分出现不同水平的生态位分离，使2种牧草之间补偿并协同，促使生态因子(水分、肥料、空气、热量、光照和空间)资源利用率达到最佳。此外，混播草地中，苜蓿因根系发达，其根系吸收大多数的水分和养分，使得无芒雀麦茎粗的生长受到一定的抑制，从而使混播中的茎粗略小于单播。同时，无芒雀麦为了与苜蓿竞争水分、养分和充足的光热资源，其株高随着苜蓿株高的增加而相应增加，因而混播中无芒雀麦的株高显著高于单播。

3.2 水氮调控及种植模式对牧草产量和品质的影响

适宜的施氮量和灌水量是保证牧草高产的关键因素，成自勇研究表明，再生期和分枝期(分蘖期)是牧草对干旱和水分胁迫最敏感的时期，这一时期的水分胁迫严重影响最终的牧草产量。本试验表明，随着灌水量和施氮量的增加，牧草的产量随之增加，这与王振华等研究结果一致。混播牧草与单播牧草相较，混播牧草具有高产、稳产等优点，产草量可提高14.0%～25.0%。本试验研究结果显示，混播牧草的产量显著高于单播牧草，这与汪精海等研究结果一致。主要原因是苜蓿有固氮作用，与无芒雀麦混播后通过共生菌所固定的氮一部分被无芒雀麦所利用，促进无芒雀麦的生长；同时，混播草地中豆科苜蓿根系发达，能够吸收深层土壤中的部分水分和养分，满足自身的生长。

牧草品质是衡量牧草营养价值的关键指标，牧草粗蛋白含量越高，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量越低，牧草的营养价值和饲口性越好，从而其营养价值更高。毕舒贻研究得出，高灌水量和施氮量可以提高苜蓿的品质；罗凤敏等研究得出，合理的水氮施用量能得到品质优良的无芒雀麦，与本试验研究结果相似。其他学者研究表明，粗蛋白含量与灌水量呈负相关关系，纤维含量与灌水量呈正相关关系，即高灌水量的牧草品质不佳。这与本试验有差异，主要是因为本试验是在灌水的基础上施氮，施氮能提高牧草粗蛋白含量，降低纤维含量。因此，在水氮调控条件下，适宜的水氮施用量可以使牧草的品质更佳。

3.3 水氮调控及种植模式对牧草水氮利用效率的影响

合理的水氮施用量是保证作物高产的关键因子，产量的大小直接影响牧草灌溉水利用效率、水分利用效率和氮肥偏生产力。尹光华等研究表明，水氮多因子对水分利用效率有交互作用，水氮对水分利用效率体现为正效应。水分亏缺导致土壤气体的扩散受到限制，从而降低作物的养分利用效率和土壤含氧量。本试验研究得出，随着灌水量的增加，牧草氮肥偏生产力增加，但灌溉水利用效率和水分利用效率相应降低，这与王振华等研究结果一致。水分亏缺约束了牧草的光合作用，使叶片膨胀和光合作用减少，导致光合作用产物相应减少，从而使牧草减产，氮肥偏生产力减小，灌溉水利用效率增大。氮素添加通过降低种群稳定性和种间异质性显著降低生态系统稳定性。因此，合理控制草原氮素输入可减少氮素流失，降低氮素对环境质量的不利影响。有研究发现，土壤氮素随着施氮量的增加而增大，在一定程度上提高牧草产量和灌溉水利用效率，但显著减小氮肥偏生产力，造成氮素资源浪费。本试验研究结果得出，较高的施氮量可以提高牧草水分利用效率，但牧草的氮肥偏生产力显著降低。可见，当氮肥施用量过高，氮肥偏生产力显著降低，导致氮素资源浪费严重。

4 结 论

(1)增加灌水量和施氮量有利于提高牧草株高和茎粗，与W3N1处理相比，W1N2处理下混播苜蓿、混播无芒雀麦和单播无芒雀麦3茬平均株高分别增加27.41%，20.26%和26.55%，茎粗分别增加11.32%，4.11%和20.98%；混播对无芒雀麦株高有促进作用，对茎粗有抑制作用，水氮处理相同，混播较单播处理无芒雀麦3茬平均株高增加62.40%，茎粗减小11.27%。

(2)灌水量和施氮量的增加有利于提高牧草产量和品质，W1N2处理牧草年产量最高，混播为26 050.73 kg/hm，单播为12 186.10 kg/hm，与W3N1处理相比，W1N2处理下混播和单播牧草年产量分别增加42.16%和38.59%，牧草CP3茬平均提高27.00%和37.26%，混播牧草ADF和NDF分别降低19.56%和33.86%，单播牧草ADF和NDF分别降低21.29%和25.53%。

(3)增加灌水量会减小IWUE和WUE，增大PFP，混播模式下，W1较W3处理IWUE和WUE减小5.41%和5.33%，PFP增大25.51%，单播模式下，W1较W3处理IWUE和WUE减少2.70%和6.61%，PFP增加23.35%。随着施氮量的增加，在混播模式下，IWUE、WUE和PFP均减小，单播模式下，IWUE和PFP减少，WUE增大。

(4)基于主成分分析得出，混播模式下轻度亏水(灌水下限65%)高氮量(120 kg/hm)综合得分最高，其牧草的株高茎粗、产量、品质、灌溉水利用效率、水分利用效率和氮肥偏生产力可达到有机统一，是西北干旱与半干旱地区较为合理的牧草种植管理模式。