两用（粮食和饲料）作物研究现状及发展前景

许留兴，蒙元燕，罗昌芬，祁启望，郑晋静，张继王，刘丽，张小龙，唐玉凤，武丹，蔡荣靖

（昭通学院农学与生命科学学院，云南 昭通 657000）

从1980-2017年，国内人均粮食消费量降幅为39.2%，而畜产品消费量则增加了三倍［1］，优质饲料的缺乏导致畜产品供应不足和质量较低，传统的“精料+秸秆”养殖模式已不能满足当前畜牧业发展的需要，这一现象主要发生在畜牧业欠发达或以家庭农场为主的地区。尽管青贮饲料能缓解饲草的季节性供应不均衡问题，但以放牧为主的农场对青贮饲料的依赖性较低。因此，冬季饲草供应困难严重影响了农场的经济收益，这在干旱和半干旱地区尤为明显［2］。为满足日益增长的动物饲料需求，部分传统粮食作物被投入到动物生产系统中，如一些作物以全株［3］或放牧［4］的形式被用于草食畜牧业。目前，在一些国家或地区的农牧交错区，部分作物以两用（饲草和籽粒）的形式被广泛种植，代表性作物有小麦（Triticum aestivum）［5］、小黑麦（×TriticosecaleWittmack）［6］、大麦（Hordeum vulgare）［7］和油菜（Brassica napus）［8］等，额外的饲草缓解了当地冬季饲草供应紧张的问题，作物的多用途也逐渐成为牧场收益增长的关键，因此两用作物已成为饲料生产系统的重要组成部分。本研究就国内外两用作物兴起的背景，两用作物在饲草和农产品生产与农场收益中的表现及该系统面临的问题和解决对策进行了分析和论述，以期为我国两用作物的生产和推广提供帮助。

1 两用作物利用背景

1.1 居民消费结构改变

预计到2050年世界人口将增长到100亿，农产品需求量将比2013年增长约50%，但截至2017年，仍有约7亿人处于极端贫困、8亿人长期挨饿和20亿人缺乏微量元素［9］。同时，全球变暖防控压力大［10］，气候的不可预测性对农业生产带来了巨大挑战［11］。包括中国和日本在内的东亚国家，优质饲料很大程度上依赖于进口，并且容易受到价格不稳定（政治、经济和气候等因素导致）的影响［12］。基于这些挑战，稳定和优质的动物饲料的供应对于畜牧业的发展至关重要，而盲目扩大粮食生产规模又将增加生态环境恶化的风险。

随着工业化程度的加深和经济的持续发展，从2002-2018年，人均可支配收入、粮食产量和粮食作物播种面积明显增加，但人均粮食消费量降低，畜产品产量增长缓慢，居民对畜产品的需求也呈现增加的趋势（图1）（数据来源于国家统计局网站-中国统计年鉴），这必然导致部分粮食过剩和畜产品不足的现象并存。因此，如何提高畜产品产量以满足当前居民需求成为畜牧业发展所面临的重要问题。

图1 粮食产量、人均收入和消费结构Fig.1 Grain production，per capita income and consumption structure

1.2 政策支持

2015年中央一号文件明确提出“要加快发展草牧业，支持青贮玉米（Zea mays）和苜蓿（Medicago sativa）等饲草料种植，开展粮饲和种养结合模式试点，促进粮食、经济作物、饲草料三元种植结构协调发展”。2020和2021年中央一号文件分别强调了优质饲料的保障和鼓励发展青贮玉米的工作。农业农村部2021年重点工作也强调了“因地制宜发展青贮玉米、苜蓿等优质饲料”。2021年中央办公厅、国务院办公厅印发的《粮食节约行动方案》指出：小麦、大麦、高粱（Sorghum bicolor）和稻谷（Oryza sativa）等也是优质的饲料作物，可替代玉米使用。2022年中央一号文件指出“耕地主要用于粮食和棉、油、糖、蔬菜等农产品及饲草料生产”。可见，优质牧草的供应受到了政府的高度重视，其已对我国经济发展产生重要影响，替代性饲料作物的选择和利用也备受关注。

1.3 饲料短缺时间长、分布广

牧草主要生长在夏季，干草或青贮饲料的制作时间以夏秋季为主。尽管春季到秋季皆可放牧，但基于牧草生育期［13］和放牧强度［14］的不同而产生的营养差异势必对动物代谢性能产生不同程度的影响。如受作物生育期和营养的影响，麝牛在秋季和春季对牧草的偏好不一致［15］，荷斯坦小牛在春季的采食时间高于秋季（受植物饲用价值和生物量的影响）［16］。但是几乎没有针对冬季饲草放牧的行为及对作物夏季产量、营养和青贮品质的报道。从2001-2015年，牧草产业向华北、东北、西北和西南区域聚集的趋势明显，收益、家畜养殖量、机械化程度、政策等因素改变了以紫花苜蓿、披碱草（Elymus dahuricus）、黑麦草（Lolium multiflorum）和青贮玉米为代表性牧草的空间集散程度［17］。以放牧为主的地区，秋末至次年初春，如何获取优质饲料依然是生产者面临的难题。

2 两用作物的研究进展

2.1 概念

本研究探究的是以谷类为代表的两用作物，它主要分布在旱地耕作系统中，作物前期以放牧为主（营养生长阶段），后期以收获籽粒为主（生殖生长阶段）。但为了突出两用系统的营利性，中间也将其他两用作物纳入本研究中进行适当分析。作物出现两用的原因是冬季低温限制了牧草生长，生产者利用冬季前和冬季积累的作物生物量放牧，以此缓解其他地方的放牧压力或获取优质饲料，同时使农场获取额外的经济收益。即使籽粒产量受到作物生长前期放牧的影响，但额外的饲草收益能弥补这一经济损失。

2.2 分布区域

目前，随着畜牧业的发展和可替代资源利用率的提高，两用作物分布范围广，以小麦为主要两用作物的国家或地区居多。多数两用作物分布在农业区和畜牧区的交错地带（表1），这有利于将耕地和放牧地交替使用，获取收益的差距较大。其中干旱半干旱气候和地中海气候是重要的分布区。

表1 种植两用作物代表性国家和经济效益Table 1 Representative countries of dual-purpose crop cultivation and economic benefits

2.3 两用系统对籽粒产量的影响

营养生长阶段放牧对作物的产量影响备受争议，这主要与放牧前生物量的积累和放牧后作物的修复机制有关。前人关于两用作物对籽粒产量影响的研究具有不同的结果，如无显著影响［35］、轻微降低［36］或增加［37］等。通常，放牧时间的推迟和放牧天数的增加往往也导致籽粒产量降低的风险增加，因为这些管理措施不利于作物恢复到正常生长的状态。在干旱天气，放牧降低了作物的产量，但降水量较多的年份，放牧对小麦籽粒产量没有显著影响［8］。Bell等［4］研究发现，放牧导致小麦产量变化较大（-35%～75%），这归因于放牧调控了作物光合同化物的积累和叶片的蒸腾作用。放牧对开花期的影响时间长达0～11 d，开花时间和叶片的生长速率共同决定了旗叶出现的时间［38］。在两用作物中，小穗分化期被认为是两用作物的关键期，这一阶段停止放牧可防止作物顶端的穗被破坏，进而避免粮食产量受损［39］。叶面积对作物开花前和开花后光合产物的积累至关重要［40］，放牧改变了小黑麦叶面积的恢复速度，籽粒灌浆的持续时间发生变化，推迟放牧时间往往不利于叶面积的生长和恢复［41］。

2.4 两用系统对饲草产量的影响

通常，两用作物放牧前积累的饲草具有较高的粗蛋白含量和较低的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量，放牧需要最大化利用饲草的同时不影响后期籽粒的收获，因此如何确定放牧时间对整个畜牧系统的收益至关重要。根据Zadoks［42］对谷类作物生育期的划分标准，Sprague等［8］在澳大利亚高降水地区种植的小麦在拔节期放牧时，可获取2.3～3.4 t DM·hm-2牧草。但Tian等［43］在中国西部的混作农牧系统中，通过对小麦进行放牧利用，仅能获取0.8～1.6 t DM·hm-2牧草，与Pandey［44］报道的早春的饲草产量（0.8～2.7 t DM·hm-2）相似；Hu等［2］在黄土高原地区进行冬季和春季刈割小麦，分别获取了0.52和0.62 t DM·hm-2饲草。导致饲草产量出现差异的原因与品种、放牧（或刈割）时作物生育期、气候和田间管理等因素有关，因此有必要通过建模来调查放牧前饲草的产量信息，为放牧后作物的管理提供帮助。作物在冬季生长较慢，但春季生长速率高，如何利用春季较短的饲草生长窗口期进行放牧也是生产者需要注意的问题。

2.5 动物利用及畜产品

相比未放牧的绵羊，利用两用作物在秋末和冬季放牧的绵羊体重增加了5.1 kg，优先使用两用作物进行放牧的动物体重增加了16%，羊毛产量也有所增加［45］。但两用作物并不能满足动物对矿物质的需要，因此需要补充矿物质的摄入。当两用小麦被用于放牧时，动物增重没有出现滞后的现象，添加钙、镁和钠等矿物质有利于肉牛体重增加0～27%，整个放牧期的平均日增重为1.5 kg·头-1·d-1［46］。Gunter等［47］将小麦用于肉牛放牧后，通过补充矿物质使肉牛体重增加了20%～43%。将小麦放牧绵羊时也表现出钠和镁的缺乏症状［48］，因此需补充矿物质。采食油菜的肉牛会出现体重增长滞后的现象（7 d左右），原因可能是动物需要一定的时间来适应对新饲料的消化和吸收［46］，油菜不同于谷类作物，其含有一些有害成分如芥子甙等，这可能也是导致动物体重增长出现滞后的原因。尽管并未超标，但油菜叶和茎也含有一定的硝酸盐［49］，即使在采食油菜的过程中避开硝酸盐含量较高的茎，牛的采食量和生长率也容易受到影响，但并未发现放牧油菜对动物的健康产生影响。前人关于放牧时矿物质的补充都是复合型的，几乎没人能确定动物缺乏哪种矿物质而影响体重增长速率，因此需要根据不同种类的两用作物营养品质及不同家畜对矿物质需求量进行综合分析。

3 面临问题及应对举措

3.1 播种时间和播种量的选择

相比正常播种，播种时间提前能使两用系统获得更多的饲草。在伊朗许多地区，冬末和初春是饲草生长的空白期，收获秋季播种的饲草成功缓解了当地饲草资源紧张的局面，但秋播时间的推迟将影响饲草干物质产量和粗蛋白产量［29］。在巴基斯坦，早播小麦的饲草产量和籽粒产量均较高［50］。作物物候期的延迟时间取决于放牧或刈割时作物所处的生育期［37］，在作物拔节期后放牧可能促进了物候期的推迟［51］。与仅收获籽粒的谷物不同，两用作物随着播种时间的推迟，可能导致叶面积发育不良、成熟期推迟、籽粒灌浆时间缩短（开花期前后的高温胁迫导致）等现象发生，进而导致产量下降。播种提前可通过放牧或刈割利用更多的饲草，尽管这可能需要适当增加播种量和施氮量，但优质的饲草资源（高蛋白和低纤维）吸引了生产者，适当增加的投入成本也势必带来更多的经济收益。Moustafa等［7］通过两年的两用大麦田间试验，发现早播（10月下旬）比中播（11月中旬）和晚播（12月上旬）的饲草产量、籽粒产量和蛋白质含量都高。

在一些传统两用作物产区，两用作物的播种量是传统播种量的1.5～2.0倍［52］。在没有增加额外的氮素和播种量投入时，两用系统中的小麦籽粒产量比仅用于谷物生产的小麦籽粒产量低14.5%［53］。Pandey［44］通过对两用小麦增加额外的30 kg N·hm-2和25 kg·hm-2种子，发现小麦籽粒产量与仅用生产籽粒的小麦产量相当。两用作物的播种量通常比传统播种量更高，随着种子成本的增加，根据不同地区的环境、气候条件选择适宜的播种量对最大限度地提高农场经济收益极为重要。

3.2 氮肥管理

氮肥是农业生产系统中最有限的资源之一［54］，放牧和刈割（营养生长阶段）主要收获了两用作物前期积累的氮，为保证后期作物的恢复和快速生长及籽粒的正常灌浆，氮素的补充是必不可少的。在两用作物中，非纤维碳水化合物含量随着施氮量的增加而降低，但在高施氮量时仍保持较高水平［55］。同时，施氮量也显著提高了作物中的淀粉和可溶性糖含量，而这些指标又对瘤胃微生物蛋白的产生至关重要［56］。Sij等［57］认为，小麦的饲草产量随施氮量的增加而增加。但Hajighasemi等［29］通过研究发现，施氮量为100和150 kg·hm-2的两用大麦的饲草产量和籽粒产量并无显著差异。大多数研究对刈割或放牧后追施氮肥对作物后期的生理性能的影响报道较少，如小麦［43］和大麦［29］。

3.3 放牧或刈割时间

在温带地区，寒冬到来之前作物生长过旺的同时也存在抗逆性较弱的现象，而较低的抗逆性增加了冻害对作物减产的风险。过高的生物量也增加了土壤水分的无效消耗，土壤水分不足导致作物在灌浆阶段出现灌浆不足，进而降低产量，这也是两用作物得以在干旱、半干旱地区推广种植的关键。以Zadoks［42］对谷类作物生育期鉴定的标准，Harrison等［58］通过对276个两用作物的试验点进行归纳分析，结果显示前期刈割或放牧对作物的籽粒产量有积极影响，但提前或超过拔节期这一生育期，作物减产的风险将增加［37］。但也有研究发现，在拔节期之前进行放牧可能导致作物花期推迟，籽粒生长发育时间短，千粒重降低，同时导致植物根系抗性减弱，降低了植物的存活率和产量［59］。推迟放牧（或刈割）导致补偿生长不足，作物接受的光照和热量不足以支撑灌浆的顺利进行［60］。晚刈割（或放牧）处理的减产幅度高于早刈割处理［43］，因为放牧可通过减少高大植株的倒伏来增加作物产量［61］。

两用作物放牧时间的不稳定性导致作物生长点出现变化，进而影响籽粒产量和农场经济效益。放牧时间从15 d延长至51 d，籽粒产量从不减产到减产33%不等［37］。导致这一结果的原因主要包括土壤水分的供应、倒伏率、病虫害、叶面积［37］、物候期的延迟及茎秆中储存有机物的转移［35］等。通常，获取价值更高的饲草产量和籽粒产量是背道而驰的，但选择适宜品种或优化田间管理模式能获取更多的饲草和籽粒产量。

3.4 育种及品种筛选

两用作物的品种资源主要来源于粮用作物，无论是通过降低秸秆产量和品质来提高籽粒产量（以收获籽粒为主的育种目标）或通过提高生物产量和品质性状来降低籽粒产量（以收获饲草为主的育种技术）都是不可取的，因为这必然不能使生产者的经济收益最大化，当前很少有针对两用作物在生物产量和籽粒产量兼顾的育种研究。在印度，籽粒产量与秸秆产量和质量呈负相关，这与现代育种技术追求茎长较短的需求有关［62］，育种减少了小麦品系之间的整体遗传变异［63］。但在埃塞俄比亚，25个小麦品种却出现籽粒产量与秸秆产量呈正相关的结果［64］。Joshi等［65］对50个小麦品种在半干旱条件下的遗传变异进行了研究，认为小麦秸秆品质的遗传变异主要表现在籽粒和秸秆产量上，但秸秆品质（如中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素等）的遗传变异较小。这些结果的差异说明传统的种质资源可能并不适合当前两用作物的育种需求，因此两用作物品种主要来源于田间筛选。如Hajighasemi等［29］对Fasih和CB744两个大麦品种进行两用研究，其中Fasih能获取更高的饲草收益和总经济收益。逆境条件也是品种筛选不得不考虑的问题，如抗旱性和抗盐碱性。在巴基斯坦的半干旱地区，Munsif等［50］对4个小麦品种的3个播期和2种刈割处理进行了研究，通过产量（包括籽粒和饲草）、叶绿素含量和蒸腾速率等指标确定了Siran-2008和Saleem-2000适合当地种植。在中国的黄土高原地区，刘博浩等［66］以饲草产量、再生能力、小麦分蘖能力和抗逆性指标等为基础，从200份小麦品种中筛选出了8个饲草产量和再生能力强的小麦品种。在埃及的盐碱地中，Moustafa等［7］筛选出了G-123、G-126和G-2000共3个具有较高的饲草产量、籽粒产量和蛋白质含量的大麦品种。

4 两用作物的应用前景

总体而言，两用作物是粮食过剩、饲草不足和传统草地放牧压力大而衍生出的一种资源有效利用的结果。基于对高效经济收益的考虑，田间管理、放牧频率、品种选择等因素直接与作物生长后期的不足补偿、等量补偿和超越补偿等结果息息相关。毫无疑问，两用作物能有效缓解冬季饲草供应不足的问题，生产管理（包括放牧时间、施氮量、播种量和放牧强度等）不当增加了籽粒产量降低的风险，但优质的饲草供应弥补了籽粒产量下降导致的经济损失。这并未与当前粮食产量总体增加、消费量降低和畜产品供应受阻的现象相背离，相反，这为提高畜牧产业安全和发展提供了一定的保障。