保护播种对呼伦贝尔混播草地建植初期杂草抑制和牧草生长的影响

2023-01-03郭童天徐恒康张英俊

草地学报 2022年12期

李沛，张浩，郭童天，徐恒康，韦斌，张英俊，刘楠

(中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193)

我国是草地资源大国，拥有草地总面积2.6亿公顷，是国土面积的27.5%[1]。近年来，由于气候变化、过度放牧等因素的影响，大约有90%的天然草地发生了不同程度的退化。大量的研究和经验表明，建设优质高效的人工草地能够有效缓解天然草地的放牧压力，从而有助于退化草地以及区域生态环境的恢复[2-3]。在多年生人工草地的建植和管理中，无论从产量、质量，还是从稳定性角度讲，豆禾混播是多年生人工草地较理想的组合[2]。

豆科牧草与禾本科牧草混播，能够通过地上部及地下部在空间上的合理搭配，对光照、土壤养分和水分及二氧化碳等资源的互利互惠利用，相互补偿协同，获得稳定高产和优质牧草；还可增加土壤中的有机质含量和氮素含量，提升土壤肥力，改善土壤结构，抑制病、虫害和杂草[4-6]。然而，在春夏建植紫花苜蓿(Medicagosativa)人工混播草地的过程中，杂草的存在会大幅降低人工草地群落高度和地上生物量[7]，成为主要限制因素，严重时甚至可以导致人工草地建植失败。据生产实践中的调查结果显示[8]，在没有任何措施的地块，杂草发生造成苜蓿减产50%～80%，春夏季杂草的发生往往导致苜蓿春播失败。因此，苜蓿春夏播种面临的杂草入侵问题一直是制约该地区苜蓿规模化生产的因素，也影响着苜蓿混播草地的可持续利用。传统上，一般使用化学除草剂进行杂草防除，除草剂的使用虽有成效，但是也会改变杂草的群落，使次要杂草上升为主要杂草。此外，混播草地除草剂选择性有限，使用过程中既要灭除杂草，又要避开对混播草种的药害，还需准确控制用量和时间，使用不当会影响牧草生长，带来巨大损失；同时，除草剂的使用不仅增加了生产成本，还带来对环境的污染问题，已经不符合低消耗、绿色的可持续发展要求。

保护播种是为应对杂草入侵而采取的一种替代性的播种方式，即选择一年生禾本科牧草(燕麦(Avenasativa)、一年生黑麦草(Loliummultiflorum)等)作保护作物，利用禾本科牧草生长较快的特点快速覆盖地面，进行早期杂草控制，并在成熟早期收获以减少对苜蓿的竞争[9]。在保护草种的选择上，燕麦因其生长速度快，与杂草竞争力强[9]，营养品质好[11]，能够在短期内获得高产优质的饲草[12]，且与苜蓿竞争较小[13]，常被推荐为最适合的保护草种[14]。此外，不同的保护播种方式能够影响保护作物与牧草间的距离和植株密度，改变其对水分、光照等生态因子的利用效率[15]，影响种内和种间竞争模式，进而对牧草的株高、分蘖/分枝数和密度产生影响，并最终反映在草产量上[16]。然而，目前针对保护草种与混播草种播种方式的研究还鲜有报道。

呼伦贝尔是我国重要的畜牧业生产基地，近年来人工草地建设发展迅速。有研究表明[17-19]，紫花苜蓿-无芒雀麦混播组合在牧草产量和品质方面优于紫花苜蓿-扁穗冰草和紫花苜蓿-羊草混播组合，混播草地产量较单播禾草的产量增加了7.27%～15.46%，混播草地牧草的经济效益提高了12.71%～23.13%，是较为理想的混播组合[20]。同时，适宜的混播比例也是保证混播草地生产力和稳定性的关键[21-22]。来幸樑等[23]的研究表明，紫花苜蓿与无芒雀麦的混播比例为1∶1或2∶1时，更有利于土壤中速效养分的积累。目前，暂无呼伦贝尔地区保护播种对苜蓿与禾本科混播草地建植初期杂草抑制的相关研究。此外，该地区混播草地仍存在种植规模小、草地生产力低、稳定性差、利用年限短等问题，有关该地区混播草地高产高效的关键技术和调控机理等方面的内容有待进一步研究。基于此，本试验通过在内蒙古呼伦贝尔退耕还草地区建立豆禾混播草地，旨在系统分析和探讨不同保护播种方式对混播草地建植初期杂草抑制和牧草生长的影响，以期筛选出豆禾混播草地高效生产的技术模式及最佳草地利用方式，为该地区豆禾混播草地的推广和应用提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验依托呼伦贝尔草地农业生态系统试验站开展，试验地点位于内蒙古自治区呼伦贝尔市陈巴尔虎旗呼伦贝尔农垦集团特尼河农牧场第九生产队(49°20′～49°26′ N，119°55′～120°90′ E，海拔628～649 m)。试验所在地区属温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季短暂凉爽，年均温—1～0℃，>10℃积温1 780～1 820℃，无霜期90～115 d，年平均降水量240～400 mm，季节分布极不平衡，主要集中在6—9月份。

进行试验期间，试验地生长季降雨量如图1所示。

图1 2021年6月—9月试验地降雨量Fig.1 Precipitation in the study site from June 2021 to September 2021

试验地退耕前主要种植小麦(Triticumaestivum)、油菜(Brassicanapus)等作物。试验地地势平坦，土壤pH值为7.39，有机质含量为41.17 g·kg-1，全碳含量为28.26 g·kg-1，全氮含量为2.52 g·kg-1，速效磷含量为26.54 mg·kg-1，速效钾含量为191.85 mg·kg-1。试验期间，调查到混播草地田间杂草一共4科5种，其中主要以禾本科和藜科的一年生杂草为主，稗草(Echinochloacrus-galli)、狗尾草(Setariaviridis)、灰绿藜(Chenopodiumglaucum)均为呼伦贝尔地区常见杂草，一般春夏开花结籽，危害最盛。具体杂草名录见表1。

表1 混播草地杂草名录表Table 1 The list of weeds species in legume-grass mixture

1.2 试验设计

本试验采用单因素完全随机试验设计，设3个水平，分别为不使用保护草种建植豆禾混播草地，使用燕麦作为保护草种与混播行间行播种，以及保护草种与混播行交叉播种。每个处理设4个重复，共12个小区，小区之间间隔3 m，小区面积为144 m2(12 m×12 m)。

供试的草种：保护草种燕麦选用加拿大引进的早熟品种‘速锐’，纯净度/发芽率为99%/90%；紫花苜蓿品种选用‘WL168HQ’(美国)，纯净度/发芽率为98%/85%；无芒雀麦(Bromusinermis)品种选用‘原野’(加拿大)，纯净度/发芽率为98%/85%。以上材料均由北京正道农业股份有限公司提供。

1.3 草地建植与管理

2021年5月11日—26日，播种前整地，去除地表植被和残茬，对试验地进行机械翻耕，深翻30 cm内土层，平整地面。选择晴朗的上午，喷洒41%草甘膦异丙胺盐(6 L·hm-2)进行灭杀性杂草防除；5月29日，划定试验小区；5月31日，建植紫花苜蓿-无芒雀麦混播草地，播种比例为1∶1，紫花苜蓿与无芒雀麦播种量分别为7.5 kg·hm-2和15 kg·hm-2(适宜播种量的1/2)，播种方式为同行条播，行距为15 cm。保护草种燕麦与混播草种同期播种，播种量为80 kg·hm-2，间行播种处理为将燕麦播于混播行之间，交叉播种为垂直于混播行播种燕麦，燕麦行距15 cm；6月22日，对固定样方内植株进行第一次密度记录；7月1日，试验地发现草地螟虫危害，喷洒5%高效氯氟氰菊酯(150 g·hm-2)进行虫害防除；7月11日，进行第二次植株密度记录；7月15日，保护草种燕麦生长至抽穗期，进行第一次刈割，留茬高度控制在15 cm左右；8月31日，紫花苜蓿生长至初花期(20%紫花苜蓿开花)，进行第二次刈割收获，刈割前进行杂草发生情况调查。

1.4 测定指标与方法

植株密度监测：6月1日，在每个小区随机选取5个50 cm×50 cm样方，用铁钉及电线固定作为固定样方，并分别于6月22日，7月11日，8月28日记录样方内各物种的密度。

地上生物量：两次刈割前，在每个小区随机选取5个50 cm×50 cm样方进行刈割，并保证每个样方内均包括3行混播行，将各草种分开刈割后放入牛皮纸袋，带回实验室，105℃烘箱杀青30 min，65℃烘干至恒重后称重(g，保留一位小数)。

杂草调查方法：在第二次刈割测产(8月31日)前，采用Thomas倒置“W”多点取样法，每个小区随机选取10个50 cm×50 cm的样方进行杂草调查，分别记录样方内所有杂草的种类、科属、密度、盖度、株高。其中，密度根据样方内杂草出现的株数来确定；盖度采用针刺法测量；株高用钢卷尺测量样方内每种杂草的绝对高度(至少选取3个植株取平均值)。为了更好的探究混播草地杂草群落物种组成及其特点，本试验根据杂草不同特征，将灰绿藜、木藤蓼(Fallopiaaubertii)、欧洲油菜(Brassicanapus)划分为阔叶类杂草功能群，将稗草、狗尾草划分为禾本科杂草功能群。

杂草相对优势度：在杂草的发生情况调查中，相对优势度能够量化杂草种群的优势度情况，表征混播草地不同杂草的存在状况。当杂草的相对优势度≤10时，可以认为对混播草地危害很小。根据各小区的杂草发生情况调查数据，计算相对密度RD(Relative density)、相对高度RH(Relative height)、相对重量RW(Relative weight)、相对频度RF(Relative frequency)，并根据以上数据计算相对优势度RA(Relative abundance)。

相对密度RD：某种杂草的密度占样方中全部杂草总密度的比例。

相对高度RH：某种杂草的总高度占样方中全部杂草总高度的比例。

相对重量RW：某种杂草的鲜重占样方中全部杂草总鲜重的比例。

相对频度RF：某种杂草出现的样方数占所有杂草出现的总样方数的比例。

相对优势度RA=(RD+RH+RW+RF)/4。

混播草地综合评价值：采用模糊数学综合评判法(表2)，对各杂草的相对优势度、生物量、株高、品质和杂草的毛、刺对适口性的影响这五个评价指标值进行相对应的隶属函数模糊化，得到各指标模糊矩阵R，分别分配权重大小为A=0.3，0.2，0.2，0.2，0.1。计算草害程度综合评价值B(B=R×A)。

表2 各评价指标的评级标准Table 2 The grade standards of individual evaluation indicator

X4和X5指标的评级参照林建海等[24]的9分制分级评分法。

各指标值随着评级等级线性变化，构造线性隶属函数为：

1.5 数据处理与分析

试验数据用SPSS 20.0进行统计分析，用重复测定方差分析(Repeated measurement ANOVA)分析比较不同播种方式对豆禾混播草地杂草防除效果、生产性能的影响，采用LSD多重比较的方法进行差异显著性检验(P=0.05)。统计图形采用Sigmaplot 14.0绘制。

2 结果与分析

2.1 保护播种对混播草地建植初期杂草抑制的影响

2.1.1混播草地杂草密度动态变化规律在对混播草地杂草密度监测后发现，混播草地不同功能类群杂草密度随时间变化显著(P<0.05，图2)。随着混播草地建植时间延长，阔叶类杂草密度呈现下降趋势，禾本科杂草呈现先上升后下降趋势，杂草总密度表现为持续下降，杂草的季节性变化明显。保护播种对混播草地杂草密度影响显著(P<0.05)。7月和8月，在保护播种处理下阔叶类杂草密度和杂草总密度显著低于对照处理(P<0.05，图2(a)(c))，而禾本科杂草密度在不同处理下差异不显著(图2(b))，表明保护播种主要通过抑制阔叶类杂草的密度来对杂草总密度进行有效控制。

图2 混播草地杂草密度动态变化规律Fig.2 Dynamic changes of weed density in a legume-grass mixture注：不同大写字母表示在同一处理下杂草密度在不同观测时间上的差异(P<0.05)，不同小写字母表示同一观测时间杂草密度在不同处理上的差异(P<0.05)Note:Different capital letters indicate the difference of weed density at different observation times under the same treatment at the 0.05 level;Different lowercase letters indicate the difference of weed density under different treatments at the same observation time at the 0.05 level

不同保护播种方式对混播草地杂草密度影响不显著。在杂草生长初期，使用保护草种与混播行交叉播种处理下，阔叶类杂草密度显著低于与混播行间行播种(P<0.05，图2(a))，而禾本科杂草和杂草总密度与间行播种差异不显著(图2(b)(c))。表明交叉播种有利于抑制早期阔叶类杂草生长，但两种保护播种方式均对杂草后期生长具有较好的抑制效果。

2.1.2混播草地杂草相对优势度及数量特征研究结果显示，灰绿藜、稗草、狗尾草是该混播草地的主要优势杂草，优势度均达10%以上，其中，灰绿藜和稗草优势度达到30%以上，这也是呼伦贝尔地区农田的优势杂草群落。

图3 混播草地杂草相对优势度Fig.3 The relative abundance of weeds in a legume-grass mixture

保护播种对混播草地杂草植株数量特征影响显著(P<0.05)。与对照相比，两种播种方式处理下各杂草种类株高和密度显著降低，各杂草盖度差异不显著。使用燕麦作为保护草种，与混播行间行和交叉播种方式下，灰绿藜的株高分别下降了36.6%和38.3%，密度分别下降了24.9%和30.9%；稗草的株高分别下降了53.3%和57.2%，密度分别下降了32.2%和40.0%；狗尾草的株高分别下降了38.0%和45.4%，密度分别下降了45.2%和38.1%。在对主要优势杂草的控制上，保护草种与混播行间行播种在控制株高和密度上表现更佳(P<0.05)(表3)。

表3 混播草地杂草植株数量特征Table 3 Quantitative characteristics of weeds in legume-grass mixture

2.1.3混播草地杂草生物量杂草生物量是反应杂草发生程度的重要参数。试验结果表明：使用燕麦作为保护草种对混播草地杂草生物量具有显著影响(P<0.05)。两次刈割后，有保护播种的处理阔叶类杂草和禾本科杂草生物量均显著低于无保护播种的对照处理(P<0.05)；两种播种方式处理对比发现，燕麦保护行与混播行交叉播种时，对杂草的抑制效果更佳，但差异不显著。

图4 保护播种对混播草地杂草生物量的影响Fig.4 Effects of companion crop on weed biomass in a mixed grassland注：不同大写字母表示阔叶类杂草生物量在不同处理下存在的差异(P<0.05)，不同小写字母表示禾本科杂草生物量在不同处理下存在的差异(P<0.05)Note:Different capital letters indicate differences in biomass of broadleaf weeds under different treatments at the 0.05 level;Different lowercase letters indicate differences in biomass of grass weeds under different treatments at the 0.05 level

2.1.5混播草地综合评价根据杂草的相对优势度、生物量、株高、品质，以及杂草的毛、刺对适口性的影响这五个指标，采用模糊数学综合评判法，建立起评价指标的模糊矩阵如表4所示。将计算后的综合评价值按照从大到小排列，能够清晰地评价不同杂草种类对混播草地的相对危害性。试验结果表明，保护播种能够降低混播草地草害程度，除油菜外，交叉播种处理下，各草种的草害程度均最低，进一步表明交叉播种抑制的杂草的效果更好(图5)。

表4 各评价指标值的模糊矩阵Table 4 The fuzzy matrix of individual evaluation index

图5 混播草地杂草综合评价值Fig.5 The synthetic evaluation value of weeds in a legume-grass mixture

2.2 保护播种对混播草地生产性能的影响

2.2.1混播草地植株数量变化通过对混播草种植株数量在生长不同时期动态监测后发现，在同一处理下，紫花苜蓿与无芒雀麦均随着生长季植株数量显著增加；在第二次刈割前，两种播种方式处理下混播草种植株数量均显著高于初始出苗期(图6)。其中，在与混播行交叉播种处理下，紫花苜蓿和无芒雀麦的植株数量增加最多，分别比初始出苗数量增加了363.83%和103.57%，与混播行间行播种处理下，紫花苜蓿和无芒雀麦的植株数量分别增加了293.63%和90.16%，但间行播种与交叉播种处理之间差异不显著。

图6 混播草地植株数量变化Fig.6 Changes of plant density in a legume-grass mixture注：不同大写字母表示紫花苜蓿植株数量在同一观测时间存在的差异(P<0.05)，不同小写字母表示同一处理下植株数量在不同观测时间存在的差异(P<0.05)Note:Different capital letters indicate differences in alfalfa plant density at the same observation time at the 0.05 level,and different lowercase letters indicate differences in plant density under the same treatment at different observation times at the 0.05 level

2.2.2混播草地全年牧草产量保护播种对混播草地全年牧草干草总产量和全年鲜草总产量均具有显著影响(P<0.05)。间行播种与交叉播种处理下，混播草地全年牧草干草总产量分别达到4 906.88 kg·hm-2和5 286.65 kg·hm-2，显著高于对照(1 020.47 kg·hm-2)；交叉播种处理下，混播草地全年鲜草总产量25 506.22 kg·hm-2，显著高于间行播种(22 742.22 kg·hm-2；P<0.05)，极显著高于对照(3 598.21 kg·hm-2；P<0.01)(图7)。

图7 混播草地全年干草产量和鲜草产量Fig.7 The annual yield of hay and fresh forage in a legume-grass mixture注：不同大写字母表示产量在不同处理下存在的差异(P<0.05)，不同小写字母表示无芒雀麦的全年干草产量在不同处理下存在的差异(P<0.05)Note:Different capital letters indicate the difference in yield under different treatments at the 0.05 level;Different lowercase letters indicate the difference in annual hay yield of smooth brome under different treatments at the 0.05 level

3 讨论

3.1 保护播种对混播草地建植初期杂草抑制的影响

长期以来，杂草入侵一直是混播草地建植和生产实践中的主要制约因素。一方面，杂草出苗早，生长速度快，能够快速占据地上部分的空间，从而影响多年生混播草种早期出苗；另一方面，杂草在竞争中挤占混播牧草的生存空间和可利用有效资源，导致混播草地生产性能降低，降幅达到30.8%～78.3%[25]。本研究中，混播草地田间主要入侵杂草为一年生禾本科杂草(稗草、狗尾草)和阔叶类杂草(灰绿藜、木藤蓼、欧洲油菜)，其中，稗草和灰绿藜分别是两类功能群中的主要优势杂草(RA>30)，是混播草地建植初期最具威胁的杂草。在呼伦贝尔地区进行的杂草调查研究显示[26]，一年生禾本科杂草主要以稗草、狗尾草、马唐为主，阔叶类杂草以藜、反枝苋、马齿苋、本氏蓼、猪毛蒿等为主。这与本试验杂草相对优势度排序结果一致，可见，稗草和灰绿藜在呼伦贝尔地区发生较为普遍，它们的存在可能是对当地的气候条件和耕作制度长期适应的结果。与本地区其他研究相比[26-27]，混播草地田间杂草种类有明显减少。此外，试验地紧邻长期用作油菜种植的农田，因此，油菜的发生可能与附近油菜田种子的传播有关。

在呼伦贝尔地区的杂草调查研究发现[26]，稗草在地势低洼的地区危害较为严重，这表明稗草的发生程度可能与其周围的水分条件有关。李善林等[28]的研究证实，水分对稗草的出土速度存在显著影响，当土壤水分含量在80%～100%之间时，稗草的出土速度最快。在本试验中，第一次刈割前后，呼伦贝尔地区降雨量达到一年中的峰值(图1)，良好的水分条件促进了以稗草为主的禾本科杂草快速出土与生长，尤其是在未使用保护草种的处理中，禾本科杂草的植物密度在生长中期显著升高；而灰绿藜分布范围广，对环境适应性强，对水分条件的响应不明显，随着生长时间延长，以灰绿藜为主的阔叶类杂草在种间竞争中处于劣势，表现为植株密度降低。

在第一次刈割收获燕麦后，不同处理下各种类杂草密度均有所降低，其中，禾本科杂草密度表现为显著降低，这表明刈割能够有效控制禾本科杂草，而对阔叶类杂草控制效果不明显。耿文诚等[29]的研究也发现，刈割处理能够显著降低杂草盖度，从而对杂草发生进行有效控制，但现有研究尚未对刈割处理下不同功能群杂草的表现展开探究。在保护播种处理下，阔叶类杂草密度和杂草总密度均显著低于对照处理，表明保护播种能够显著降低阔叶类杂草植株密度。在刈割处理与保护播种处理的共同作用下，混播草地田间杂草总密度达到最低值。

一般来说，不同的播种及耕作方式下，田间杂草种类基本相同，但杂草的出苗和发生量存在差异[30]。轩诗壮等[31]在探究不同播种方式下苜蓿田杂草发生情况时发现，与菱形播种、条播和撒播相比，垂直交叉播种处理下，杂草密度和生物量均最低。本试验研究中，与未使用保护草种的对照处理相比，使用燕麦作为保护草种与混播行交叉播种处理对阔叶类杂草生长早期植株密度控制效果最佳，但在生长后期，两种不同播种方式均显著降低了阔叶类杂草和禾本科杂草的植株密度，对混播草地杂草发生产生抑制作用。在杂草生物量表现上，与混播行交叉播种处理时，对杂草的抑制效果更佳，但两种保护播种方式间差异不显著。这与轩诗壮等[31]的研究结果具有相同的趋势，该研究发现，不同的播种方式能够改变苜蓿与杂草在田间的比例，从而使植物表现不同的养分竞争。在对不同播种方式杂草化学计量特征进行分析后发现，在垂直交叉播种方式下，灰绿藜的生长主要受磷限制，而稗草的生长更易受氮限制[31]，这表明交叉播种处理的优越性可能在当草地受到氮磷含量限制时表现较为明显。在本试验中，混播草地建植初期土壤肥力较高，可能使得交叉播种并没有表现出显著优越性。而在土壤水分和肥力不受限制时，光照通常是伴生作物的主要竞争因素[32-33]，因此不同保护播种方式引起的光照等微环境变化也可能是保护播种抑制杂草的重要机制。孙惠文等[34]研究发现，两种新型的交叉播种方式(垂直播种和菱形播种)可能会改变田内光照、温度和CO2等微环境，提高群体的光合效率，促进苜蓿产量提高。本试验中，交叉播种处理下，两种混播草种的植株密度均高于间行播种，混播草种表现出更强的竞争优势，使得对杂草的抑制效果呈现较好的趋势。

3.2 保护播种对混播草地生产性能的影响

本试验在使用燕麦作为保护作物时，与对照相比，两个混播草种的株高因受到燕麦遮荫的影响而有所降低，但差异不显著，对混播草种的总产量也没有产生显著影响。同时，由于燕麦早期刈割可收获两茬，混播草地全年牧草干草总产量和全年鲜草总产量均有极显著提升。有研究表明，在豆科牧草-谷类作物混合的系统中，总季节性干物质产量超过谷类和豆类单一作物，这是由于谷类作物在第一次刈割和随后多次刈割中的贡献[35-36]。刘云飞[37]在西藏开展保护播种试验时，选用燕麦作为细茎冰草和垂穗披碱草混播草地的保护作物，试验结果表明，使用保护作物能够在不影响混播草种次年生长量的同时，增加种植当年产量，抑制田间杂草。在本试验中，燕麦在早期生长迅速，能够在混播草地建植初期形成覆盖冠层，占据杂草生态位，同时，早期刈割后，燕麦的生长速度虽受到影响，但仍可以在第二次刈割收获阶段对总饲草产量做出贡献。

本试验中，使用燕麦作为保护草种后，混播草地单位面积内植株总密度均有显著提高。邓菊芬等[38]研究结果表明，使用大麦作为白三叶的保护作物，能够在控制白三叶苗期杂草的同时，将不同播种量的白三叶植株密度提高27.1%～46.8%。此外，两种不同的保护播种方式促进了混播草种植株密度提高，其中，紫花苜蓿的植株密度分别提高了52.65%和54.4%；无芒雀麦的植株密度分别提高了17.55%和23.47%，可见，保护播种能够有效提高单位面积土地利用效率。