施氮与刈割对陇东地区高羊茅产量、品质及氮肥利用的影响

王 夏，石 薇，马 泽，贾倩民*, 常生华，侯扶江

(1.兰州大学草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室；兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室；兰州大学草地农业教育部工程研究中心；兰州大学草地农业科技学院；甘肃 兰州 730020；2.宁夏回族自治区草原工作站，宁夏 银川 750000)

陇东黄土高原自古农业发达，但由于地形沟壑纵横以及过量施肥等原因造成该地区水土流失严重、土壤环境恶化[1-2]。研究表明，多年生牧草具有持续利用时间长、经济效益高等优点[3]，并且多年生牧草固土改土、涵养水源等功能优于一年生牧草，具有水土保持、改善土壤环境等生态效益[4-5]。耕地农业向草地农业的转化有利于生态建设与农业发展有效结合[6]。因此，在黄土高原地区种植多年生牧草可兼顾生态与经济效益。高羊茅(FestucaarundinaceaL.)是一种禾本科多年生草本植物，其生长速度快且适应性强，是草地建设的重要草种[7]。Kunrath等[8]研究发现，土壤水分不足影响高羊茅根系氮吸收效率，进而影响牧草产量。然而，Errecart等[9]研究报道，高羊茅具有较强的吸氮能力，在极端水分胁迫下才会引起氮吸收量下降。陇东黄土高原地区降水较少，蒸散量大，水分亏缺严重，在该地区如何建植高产优质的高羊茅草地有待进一步研究。

氮肥对提高牧草产量、改善牧草品质具有重要作用，并且在不同生长阶段牧草对氮素具有不同需求，氮肥施用量、施用期与牧草产量息息相关[10]。肖祥铭等[11]研究表明，随着施氮量的增加牧草产量提高，并且施氮提高了牧草的粗蛋白和粗脂肪含量。史晓鹏等[12]研究发现，施氮可提高草地土壤铵态氮和硝态氮含量，利于牧草根系吸收养分，从而增加生物量。Shi等[13]研究表明，春季施用氮肥可增加牧草产量，秋季施用氮肥可提高氮肥利用效率。庞立东等[14]研究表明，追施合理氮肥可以提升牧草碳、氮代谢速率，从而有效提高牧草产量及氮肥利用效率。然而，也有一些研究认为，过量施氮不利于牧草生长[15-16]。王丹等[17]研究表明，氮素过量会抑制牧草对其他营养元素的吸收，使牧草产量和品质降低。秦文利等[18]研究发现，随着氮肥施入量的增加，牧草根系形态发育改变，使牧草产量和品质呈先上升后下降趋势。并且有研究发现，氮肥的过量施用，还会导致作物晚熟减产，降低氮肥利用效率[19]。因此，在黄土高原地区研究高羊茅适宜的施氮量对该地区草牧业发展具有重要意义。

除施氮外，合理刈割也是提高牧草产量和品质的有效措施[20]。李明和郭孝[21]对高羊茅进行不同刈割处理的研究发现，刈割高度和刈割周期对牧草生长有很大影响，频繁刈割或不常刈割都将影响牧草的新陈代谢以及地上生物量积累。宋书红等[22]研究发现，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和红豆草(OnobrychisviciifoliaScop.)的营养品质随着刈割茬次的增加而降低，其中刈割第1茬的营养品质最高。徐然然等[23]研究表明，多次刈割较常规刈割有利于增加燕麦干草产量，改善牧草品质。杨利烨等[24]研究发现，多次刈割有益于提高‘陇东苜蓿’的产量和品质。但是，王德平等[25]研究显示，刈割强度和刈割时间对大针茅(StipagrandisP.Smirn.)草地的饲用价值影响不显著，并且随刈割时间的推后牧草粗蛋白含量下降。另外，McCartney等[26]研究发现，多次刈割不仅会提高牧草的氮含量，并且牧草的氮吸收量比两次刈割处理平均高出24%。然而，在黄土高原地区高羊茅草地适宜的刈割频率仍不确定，有待进一步研究。为此，本研究于2019和2020年在黄土高原地区建植高羊茅草地，探究不同施肥量和刈割频率对高羊茅草地产草量、品质及氮肥利用的影响，明确该地区高羊茅草地适宜的施肥量和刈割频率，为该地区栽培草地建植和草牧业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于甘肃省庆阳市环县兰州大学草地农业试验站(36°29′N,107°44′ E，海拔1 180 m)，为典型的黄土高原气候区。该地区2019和2020年全年降水量分别为505 mm和434 mm，年平均温度分别为10.0℃和10.5℃，降水主要集中在夏季，属半干旱大陆性季风气候。0～20 cm土层土壤有机碳为4.9 g·kg-1，全氮含量为0.67 g·kg-1，速效磷含量为11.6 mg·kg-1，速效钾含量为142 mg·kg-1，pH值在8.5。

1.2 试验设计和田间管理

本试验采用裂区试验设计，设置0 kg·hm-2(N1)，80 kg·hm-2(N2)和160 kg·hm-2(N3)3个施氮量，每个施氮量下设置每25 d刈割(M1)、每50 d刈割(M2)、每75 d刈割(M3)3个刈割频率。共9个处理，每个处理重复3次，共27个小区，小区间设1 m保护行，小区面积为40 m2(8 m×5 m)。高羊茅品种为‘牛妞’(Festucaarundinacea‘Niuniu’)，播种量为45 kg·hm-2，于2017年8月施用225 kg·hm-2磷酸氢二铵作为基肥。2018年未进行试验，2019年采用开沟条施的方法施氮肥，N1处理不施氮肥，N2处理在高羊茅返青期施氮80 kg·hm-2，N3处理在高羊茅返青期和第1次刈割后均施氮80 kg·hm-2。刈割处理在高羊茅抽穗时(2019年6月13日和2020年6月15日)进行第1次刈割,之后每种草地类型设置3个不同的刈割处理(每隔25 d、每隔50 d、每隔75 d进行刈割),留茬高度均为 8 cm。

1.3 测定项目及方法

每个小区随机选取3个1 m2的样地进行取样，立即称量鲜重，之后将样品于65℃烘箱内烘48 h以上至恒重，测其干重计算干草产量。将烘干后的样品粉碎，密封干燥储存，用于营养成分的测定。使用近红外分析仪(FOSS-NIRS DS 2500，丹麦)测定牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)等营养成分含量以及氮含量。利用公式计算相对饲用价值(Relative feed value，RFV)、氮吸收量和氮肥利用效率。

运用灰色关联度分析法[27]，以干草产量、粗蛋白产量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、粗灰分含量、ADF含量、NDF含量和RFV这8个指标进行综合评价。

1.4 数据处理与统计方法

采用Excel 2010 进行数据统计与制图，使用SPSS18 软件进行两因素方差分析检验施氮量与刈割频率及两者交互作用对各指标的作用，采用图基-B法(Tukey’s-B Method)对各处理间进行多重比较，显著性水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 干草产量

如表1所示，同一施氮量下，2019年第1～3茬牧草的干草产量表现为M3>M2>M1，其中M3处理的第2，3茬干草产量显著高于M1(P<0.05)。2020年各处理的第1茬干草产量无显著差异，在同一施氮量下M3处理的第2，3茬干草产量显著高于M1(P<0.05)。2019年各处理的第4茬干草产量差异不显著，而在2020年M2处理的第4茬干草产量显著高于M1(P<0.05)。相同刈割频率下，2019年各茬干草产量表现为N3>N2>N1；2020年各茬干草产量表现为N3和N2处理高于N1。

表1 各茬高羊茅的干草产量

如图1所示，2019和2020年施氮量和刈割频率对全年干草产量影响极显著(P<0.01),而两者的交互作用影响不显著。2019年在不施氮条件下M2的全年干草产量显著高于M1和M3(P<0.05)，而在2019年低氮和高氮条件下以及2020年3个施氮条件下各刈割处理无显著差异。平均值显示，2019年M2处理的全年干草产量显著高于M1和M3(P<0.05)，2020年M2处理显著高于M3(P<0.05)。M1，M2处理的两年平均全年干草产量较M3分别增加了4.7%和10.7%。2019年在M2刈割频率下，N3的全年干草产量显著高于N1(P<0.05)，而在M1和M3刈割频率下各施氮处理无显著差异。2020年在M1刈割频率下，N2和N3处理的全年干草产量显著高于N1(P<0.05)，而在M2和M3刈割频率下各施氮处理无显著差异。平均值显示，两年N2和N3处理的全年干草产量显著高于N1(P<0.05)，两年平均干草产量较N1分别增加了13.5%和15.5%。

图1 不同处理下高羊茅的全年干草产量

2.2 粗蛋白产量

同一施氮量下，两年各刈割处理的第1茬粗蛋白产量无显著差异(表2)，2019年第2，3茬粗蛋白产量表现为M3>M2>M1，其中M3处理显著高于M1(P<0.05)。2020年同一施氮量下M2和M3处理的第2，3茬粗蛋白产量显著高于M1(P<0.05)。2019年在N1和N2条件下，M1处理的第4茬粗蛋白产量显著高于M2(P<0.05)，而在2020年差异不显著。两年在M2刈割频率下，第1～4茬牧草N3处理的粗蛋白产量显著高于N1(P<0.05)，2020年在M1刈割频率下，第4～6茬干草产量表现为N3和N2处理显著高于N1(P<0.05)。

如图2所示，2019和2020年施氮量和刈割频率对全年粗蛋白产量影响极显著(P<0.01),而交互作用影响不显著。2019年在同一施氮条件下以及2020年N1条件下，各刈割处理的全年粗蛋白产量差异不显著，2020年在低氮肥和高氮肥条件下M1处理的全年粗蛋白产量显著高于M3(P<0.05)。平均值显示，2019年M2处理的全年粗蛋白产量显著(P<0.05)高于M3，与M1差异不显著；2020年M1和M2处理显著高于M3(P<0.05)。M1，M2处理的两年平均全年粗蛋白产量较M3分别增加了12.25%和11.78%。两年在M1和M2刈割频率下，N3处理的全年粗蛋白产量显著高于N1(P<0.05)。N2和N3处理的两年平均全年粗蛋白产量较N1分别增加了21.34%和25.25%。

图2 不同处理下高羊茅的全年粗蛋白产量

2.3 营养成分含量

如表3所示，2019和2020年施氮量和刈割频率的交互作用对全年各营养成分影响不显著。2020年施氮量对粗蛋白含量影响显著(P<0.05)，而对其他营养成分含量无显著影响；刈割频率对NDF含量以及2019年ADF含量影响极显著(P<0.01)。两年在同一施氮量下，不同刈割频率的各营养成分含量无显著差异。平均值表明，M1处理两年NDF含量以及2019年ADF含量显著低于M2和M3(P<0.05)。两年在同一刈割频率下，不同施氮量处理的各营养成分含量无显著差异。平均值显示，2020年N2和N3处理的粗蛋白含量显著高于N1(P<0.05)，较N1分别提高8.7%和10.8%。

表3 不同处理下高羊茅的全年营养成分含量

2.4 相对饲用价值

如图3所示，2019和2020年刈割频率对全年相对饲用价值影响极显著(P<0.01),而施氮量及交互作用影响不显著。2019年在不施氮条件下M1处理的相对饲用价值(Relative feed value，RFV)显著高于M3(P<0.05)，而在2019年低氮和高氮条件下以及2020年3个施氮条件下各刈割处理无显著差异。两年在相同刈割频率下，各施氮处理的RFV无显著差异。因素水平的平均值显示，两年各施氮处理的RFV无显著差异；M1处理的RFV显著高于M2和M3(P<0.05)，两年平均RFV较M2和M3分别提高出10.05%和17.22%。

图3 不同处理下高羊茅的全年相对饲用价值

2.5 氮含量和氮吸收量

如表4所示，2019年施氮量和刈割频率对氮含量影响不显著，而在2020年影响程度分别达到极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)水平，两年两者的交互作用对氮含量影响不显著。同一施氮条件下，两年各刈割处理的氮含量无显著差异。平均值显示，两年各处理的平均氮含量表现为M1>M2>M3，尤其在2020年M1处理显著高于M2和M3(P<0.05)。两年相同刈割条件下各施氮处理的氮含量无显著差异。平均值显示，2020年N2和N3处理的氮含量显著高于N1(P<0.05)。2019和2020年施氮量和刈割频率对氮吸收量影响极显著(P<0.01),而两者的交互作用影响不显著。2020年在低氮肥和高氮肥条件下，M1处理的氮吸收量显著高于M3(P<0.05)，而在2019年3个施氮条件下及2020年不施氮条件下各刈割处理无显著差异。平均值显示，两年M2处理的氮吸收量显著高于M3(P<0.05)，而与M1无显著差异。M1，M2处理的两年平均氮吸收量较M3分别增加了12.3%和11.8%。2019年在M2及2020年在M1和M2刈割频率下，N2和N3处理的氮吸收量显著高于N1(P<0.05)，而在M3刈割频率下两年各施氮处理无显著差异。平均值显示，两年N2和N3处理的氮吸收量显著高于N1(P<0.05)，两年平均氮吸收量较N1分别增加了21.4%和25.3%。

2.6 氮肥利用效率和氮肥生理利用效率

如表4所示，2019和2020年施氮量、刈割频率及两者的交互作用对氮肥利用效率(Nitrogen use efficiency，NUE)影响极显著(P<0.01)。在低氮和高氮条件下，2019年M2处理的NUE显著高于M1和M3(P<0.05)，而在2020年M1和M2处理显著高于M3(P<0.05)。平均值显示，两年M1和M2处理的NUE显著高于M3(P<0.05)，两年平均NUE较M3分别增加14.6%和22.9%。在M1和M2刈割频率下，两年N2处理的NUE显著高于N3(P<0.05)，而在M3刈割频率下各施氮处理无显著差异。平均值显示，N2处理的NUE显著高于N3(P<0.05)，两年平均NUE较N3提高71.0%。2019和2020年施氮量对氮肥生理利用效率(Nitrogen fertilizer physiological use efficiency，NPUE)影响不显著，而刈割频率的影响程度达到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)，2019年两者的交互作用影响显著(P<0.05)，而在2020年影响不显著。2019年在低氮条件下，M3处理的NPUE显著高于M1和M2(P<0.05)，而在高氮条件下各刈割处理无显著差异。2020年在低氮和高氮条件下，M1处理的NPUE显著高于M2和M3(P<0.05)。平均值显示，2019年M3处理的NPUE显著(P<0.05)高于M1，而2020年M1和M2处理显著高于M3(P<0.05)；两年平均NPUE表现为M1>M2>M3。2019年在M3刈割频率下，N2处理的NPUE显著高于N3(P<0.05)，而在2019年M1和M2刈割频率下以及2020年3个刈割频率下各施氮处理无显著差异。

2.7 营养品质综合评价

如表5所示，等权关联度分析与加权关联度分析结果基本一致。不同处理的综合评价排序结果依次为N3-M2>N1-M1>N2-M2>N3-M1>N3-M3>N2-M1>N2-M3>N1-M3>N1-M2。加权关联度数值越大，表示高羊茅的营养品质越高。结果表明，N3-M2处理下高羊茅的营养品质最优，其次是N1-M1和N2-M2处理。

表5 高羊茅牧草营养品质综合评价关联度

3 讨论

3.1 施氮对牧草产量、品质及氮肥利用的影响

氮肥是影响牧草生长的重要因子之一，施加氮肥可有效提高牧草产量和粗蛋白含量[28]。谢开云等[29]对禾/豆混播草地进行的氮肥试验研究发现，禾本科牧草的生物量随施氮量的增加而显著提高。本研究结果与以上研究相似，施氮处理的干草产量显著高于不施氮。这是由于施氮促进了牧草对氮素的吸收与利用，提高了牧草的产量和营养品质[30]。在施氮量对牧草营养品质的一些研究中发现，施氮提高了牧草的粗蛋白含量，降低了ADF和NDF含量[31-32]。Kering等[33]研究表明，高施氮处理与未施氮处理相比，牧草的粗蛋白含量提高50%以上，ADF和NDF含量下降25%。宋建超等[34]在氮磷肥对垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)营养品质的研究发现，氮肥对垂穗披碱草的粗蛋白、粗灰分、ADF影响显著，不同施氮处理下，垂穗披碱草两茬牧草营养品质均有所提高。本研究结果显示，施氮量对高羊茅大多数营养成分含量影响不显著。随着施氮量的增加，牧草生物量呈线性增加趋势，但是氮肥利用效率通常在低施氮处理下更高[35]。黄勤楼等[36]研究发现，施氮达到一定水平后粗蛋白含量增幅减小，氮肥利用效率降低。张永亮等[37]研究表明，氮吸收量随施氮量的增加而增加，但是当施氮量大于280 kg·hm-2时氮吸收量开始下降，高氮处理反而降低了氮肥利用效率。这与本研究结果相似，施氮处理的氮含量和氮吸收量显著高于不施氮，而高氮肥处理下的氮肥利用效率显著低于低氮肥处理。

3.2 刈割对牧草产量、品质及氮肥利用的影响

刈割是一种多年生禾本科牧草生产过程中极为重要的管理措施，合理的刈割频率可有效提高牧草的产量和品质[38]。Rushing等[39]研究发现，试验第1年牧草在30 d刈割频率下的干物质产量最高，但是第2年30 d刈割处理干物质产量较其他处理下降最为严重。Min等[40]在刈割频率对苜蓿干物质产量及营养价值的影响研究中发现，每隔42 d刈割频率下的苜蓿产量较35 d增加了大约20%，每隔42 d的刈割频率是苜蓿的最佳刈割周期。这与本研究结果相似，每隔50 d刈割处理的干草产量高于25 d和75 d。研究牧草刈割频率，有助于优化牧草整个生长季干物质产量与营养品质的关系[41]。赵成振等[42]在不同刈割频率对牧草营养品质的影响研究中发现，牧草粗蛋白含量随着刈割频率的增加呈增加趋势，每隔30 d刈割处理的粗蛋白含量显著高于40 d与50 d处理。张寅坤[43]在对刈割频率影响狗牙根(CynodondactylonL.)品质的研究中表明，低刈割频率下牧草的产量较高，但整体营养品质偏低,较高的刈割频率可提升牧草的粗蛋白含量。本研究结果与以上研究相似，每隔25 d刈割处理的粗蛋白含量高于50 d和75 d。Kramberger等[44]研究表明，低刈割频率下，氮肥难以被牧草完全吸收，因此氮含量较低。Elliott等[45]研究发现，随着刈割频率的增加，牧草的氮含量增加，但是氮肥利用效率降低。本研究中，每隔50 d刈割处理的氮吸收量和氮肥利用效率显著高于75 d。合理的氮肥施用与刈割相结合是提升草地牧草产量和品质的有效方法[46]。张美艳等[47]研究表明，施肥和刈割能够促进牧草的生长与分蘖，进而影响牧草品质和再生能力，并且二者存在交互作用。另有研究报道,在中高氮肥水平下对牧草进行刈割，可有效提高牧草的粗蛋白和粗脂肪含量[48]。本研究结果表明，所有处理中每隔50 d刈割结合低氮肥处理获得了最高的两年平均氮肥利用效率。本研究还发现，施氮量和刈割频率的交互作用对干草产量、粗蛋白产量、营养成分含量及相对饲用价值无显著影响，而对氮肥利用效率影响极显著。

3.3 牧草品质综合评价

灰色关联度分析能够较好地运用于牧草品质的综合评价，通过评价结果可以对草地的整体生产水平提供科学参考。杨浩等[49]运用灰色系统理论中关联度分析的基本原理和方法，对引进的7个多花黑麦草(LoliummultiflorumLamk.)品种的8个性状进行综合评价，发现了适宜四川省洪雅县种植的多花黑麦草品种。田兵等[50]利用灰色关联度分析法对贵州42种野生牧草的营养价值进行了评价，为贵州省牧草的开发利用提供了重要依据。王明等[51]在林芝地区采用灰色关联度分析法对不同刈割茬次下紫花苜蓿和高羊茅单、混播草地的生产性能和营养品质进行了综合评价，结果显示混播草地刈割3茬是适宜当地的种植和管理模式。王红林等[52]在刈割高度与施氮量对饲料桑的影响研究中，通过产量、营养品质等方面对饲料桑的饲用价值进行综合评价，避免了单一指标的片面性，为饲料桑的推广利用提供数据支撑。本研究通过综合评价法对陇东黄土高原不同施氮量和刈割频率下高羊茅的营养品质进行分析，结果表明在高氮肥(160 kg·hm-2)下结合每隔50 d刈割处理下高羊茅的综合评价排名最优。

4 结论

施氮提高了高羊茅草地的全年干草产量、粗蛋白产量和氮吸收量，并且80 kg·hm-2处理较160 kg·hm-2处理显著提高了氮肥利用效率。增加刈割频率降低了酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量，进而提高相对饲用价值。每50 d刈割处理较每75 d刈割提高了干草产量、粗蛋白产量、氮吸收量和氮肥利用效率。所有处理中，施氮80 kg·hm-2且每隔50 d刈割获得了较高的干草产量和氮肥利用效率，是一种氮肥高效利用的管理策略，而施氮160 kg·hm-2且每隔50 d刈割是一种提升高羊茅草地牧草品质的管理措施。