灌溉模式对河西灌区禾-豆间作系统饲草产量、品质和水分利用的影响

王茂鉴，石薇，常生华，张程，贾倩民，侯扶江

（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）

近年来我国肉禽类基本消费需求的持续增长带来了畜牧业的快速发展，同时加剧了饲草料短缺，饲料危机正威胁着我国食物安全［1-2］。饲用玉米（Zea mays）是一种高产的饲草作物，它是西北地区冬季牛羊的主要饲料来源［3-4］。但是，由于饲用玉米蛋白质含量较低，在喂食饲用玉米的同时还需要加入豆粕等蛋白质含量高的草料，以此提高家畜健康水平及奶类质量［5］。玉米-豆科作物间作是近年来的研究热点，间作中豆科作物的固氮作用可以减少肥料的施用量［6］，提高肥料利用效率［7-8］。一些研究发现，玉米-豆科作物间作能显著增加玉米株高和穗长，提高玉米干物质积累速率，进而增加干物质积累量［9-11］，并且在提高饲草产量的同时还能够改善品质［12-13］。但也有研究表明，玉米-拉巴豆（Dolichos lablab）间作的鲜草产量较单作没有明显增加，而粗蛋白、粗脂肪和粗灰分含量显著提高［14］。此外，玉米-豆科作物间作能减少水分流失，提高土壤含水量［15］，并且由于间作系统根系空间分布更均匀，其水分利用效率（water use efficiency，WUE）高于单作［16］。因此，探明适宜于河西地区的禾-豆间作模式对当地旱作农业发展和推动草产业升级具有重要意义。

河西灌区位于我国北方农牧交错带，是我国主要牧草产区，但该地区全年降水量较少，水资源浪费严重［17］。调亏灌溉是一种广泛推广的节水灌溉方式，其是将有限的水资源通过人为调控分配到作物生长的重要时期，对其他时期的水分进行适当减少以达到节水的目的。相关研究表明，玉米苗期适当的干旱胁迫更有利于根、茎生长，从而加强玉米后期生长竞争力［18］，并且调亏灌溉可加快玉米干物质向果穗转移，促进果穗干物质积累［19］。李明阳等［20］研究发现，对大豆（Glycine max）进行轻度亏水不会影响大豆产量，并且可以提高WUE。多数研究表明，调亏灌溉可以提高作物产量［21-22］和WUE［23-24］。但也有研究指出，调亏灌溉会降低玉米产量，且在玉米不同生育期亏水对其生长的影响存在差异［25-27］。可见，调亏灌溉对作物影响效应的研究结果存在一定分歧，并且在河西灌区玉米-豆科作物间作条件下，调亏灌溉对饲草作物产量、品质和水分利用的影响效应还不明确，仍需进一步研究。

因此，本试验在2019-2020年将玉米-豆科作物间作和调亏灌溉相结合，通过设置3 个种植方式和6 种灌溉模式，拟解决以下科学问题：1）在河西地区饲用玉米间作豆科作物是否能够增产和改善饲草品质？拉巴豆较秣食豆（Glycine max）是否更适合与饲用玉米间作？2）探明河西地区饲用玉米-豆科作物间作系统的节水灌溉方式。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验于2019-2020年连续两年在兰州大学临泽草地农业试验站（39°15′N，100°02′E）进行，该地区天然草地属盐渍化草甸，温带大陆性干旱气候，海拔1390 m。30年平均气温为8.94 ℃，年平均降水量为113.6 mm，且降水主要集中在夏秋季，约占全年总降水的60%以上。2019年该地的平均降水量为167.7 mm，属降水较多的年份，2020年该地平均降水量为122.1 mm，属正常降水年份。2019年播种前0～30 cm 的土层土壤容重为1.33 g·cm-3，pH 为8.65，有机质含量为8.3 g·kg-1，碱解氮含量为30.2 mg·kg-1，有效磷含量为21.5 mg·kg-1，速效钾含量为126.6 mg·kg-1。

1.2 试验设计和田间管理

本试验采用两因素随机区组设计（表1），设置3 个种植模式：玉米单作（corn monocropping，C）、玉米-秣食豆间作（corn-forage soybean intercropping，CM）、玉米-拉巴豆间作（corn-laba bean intercropping，CL）。每个种植模式设置6 种灌溉方式：重度亏水（T1），即仅在6 叶期灌水1500 m3·hm-2；后期亏水（T2），即在6 叶期和12 叶期各灌水1500 m3·hm-2；交替亏水（T3），即在6 叶期和散粉期各灌水1500 m3·hm-2；后期轻度亏水（T4），即在6 叶期、12 叶期和散粉期各灌水1500 m3·hm-2；前期轻度亏水（T5），即在6 叶期、散粉期和灌浆期各灌水1500 m3·hm-2；充分灌溉（T6），即在6 叶期、12 叶期、散粉期和灌浆期各灌溉1500 m3·hm-2。共18 个处理（表1），重复3 次，共54 个小区，小区面积为33 m2（10.0 m×3.3 m），各小区之间设1 m 保护行。

表1 试验设计Table 1 Experimental design

2019年 试验于4 月26 日播种，10 月1 日收获。2020年 试 验于4 月29 日播种，10 月2 日 收获。玉 米 采用半覆 膜种植方式，覆膜宽度为60 cm，种植密度均为9.0 万株·hm-2，宽窄行种植，窄行行距为40 cm，宽行行距为70 cm。供试饲用玉米品种为曲辰九号（新审饲玉2011042 号，云南曲辰种业股份有限公司），使用点播机进行人工点播。秣食豆（松嫩秣食豆，黑龙江省畜牧研究所）和拉巴豆（海沃，北京百斯特草业有限公司）的种植密度均为18.0 万株·hm-2，两行玉米之间种植两排豆科作物。各处理施肥量一致，在播种前施基肥磷酸二铵300 kg·hm-2和尿素75 kg·hm-2，在6 叶期追肥施尿素330 kg·hm-2。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 干草产量 收获期，每个小区选取5.5 m2（5.0 m×1.1 m）的整株玉米和整株豆科作物于65 ℃烘箱烘干48 h 至恒重，玉米和豆科植株分别称量干重，计算每hm2土地上玉米和豆科作物的干重作为干草产量。

1.3.2 营养品质 将玉米烘干样分果穗、茎秆、叶片分别粉碎后混合，将豆科植株烘干样整株粉碎，玉米和豆科作物分别密封保存。使用FOSS-NIRSDS250 型近红外分析仪（丹麦）测定粉碎样品的营养成分［粗蛋白（crude protein，CP）、粗灰分（crude ash，ASH）、粗脂肪（ether extract，EE）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）和中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）含量］。相对饲用价值（relative feeding value，RFV）的计算公式如下：

1.3.3 土壤含水量及耗水量 在播种和收获前，各小区随机选取3 点，取样位置为膜上同行两株玉米之间。使用土钻在0～100 cm 土层每20 cm 为一层取一个土样，田间所取土样立即放入密闭铝盒中保存。采用烘干法在105 ℃烘箱内烘48 h 至恒重后称重，计算土壤含水量，土壤贮水量（soil water storage，SWS）和土壤蒸散量（evapotranspiration，ET）公式如下：

式中：bi为i层土壤含水量（%），wi为i层土壤湿土重（g），di为i层土壤干土重（g），vi为i层铝盒重（g）。

式中：SWS为土壤贮水量（mm），hi为第i土层深度（cm），ρi为第i土层的土壤容重（g·cm-3），n为土层个数。

式中：ET为蒸散量（mm），P为生育期降水量（mm），Ii为Ti处理灌水量（m3），SWS1为播种前0～100 cm 土层土壤贮水量（mm），SWS2为收获期0～100 cm 土层土壤贮水量（mm）。

1.3.4 水分利用 生育期降水利用效率（precipitation use efficiency，PUE）、水分利用效率（WUE）和灌水相对生产效率（irrigation productive efficiency，IPE）分别用以下公式计算：

式中：Y为总干草产量（kg·hm-2），Y1为T1处理干草产量（kg·hm-2），Yi为Ti处理干草产量（kg·hm-2），I1为T1处理灌水量（m3），Ii为Ti处理灌水量（m3）。

1.4 数据处理与统计方法

采用Excel 2016 进行数据统计与制图，使用SPSS 18 软件进行多因素方差分析，不同处理之间多重比较采用图基法（Tukey’s method），显著性水平设为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 干草产量

2.1.1 玉米干草产量 2019 和2020年灌溉方式对玉米干草产量影响极显著，而种植模式和交互作用影响不显著（图1）。两年在同一种植模式下，T5和T6的玉米干草产量显著高于T1，T5与T6差异不显著。平均值显示，两年T4、T5和T6处理的平均玉米干草产量之间无显著差异，三者显著高于T1、T2和T3。2019年T2、T3、T4、T5和T6处理的平均玉米干草产量较T1分别增加22.54%、23.83%、44.34%、49.84% 和51.37%，2020年分别增加19.68%、20.91%、36.33%、42.70%和43.17%。两年在同一灌溉方式下，各种植模式的玉米干草产量无显著差异。所有处理中C-T6的玉米干草产量最高，其次是C-T5，两者差异不显著。

图1 不同处理下玉米的干草产量Fig.1 Hay yield of corn under different treatments不同小写字母代表处理间差异达到显著水平，不同大写字母代表同一因素下不同水平间差异达到显著水平；P 表示种植模式，I 表示灌溉方式，I×P表示交互作用；*，**分别表示在0.05 和0.01 水平差异显著，ns 表示差异不显著，下同。Different lowercase letters indicate significant differences among treatments，and different capital letters indicate significant differences between different levels within the same factor；P represents the planting modes，I represents the irrigation methods，and I×P represents the interaction. *，** indicate the significance of difference at the 0.05，0.01 level，respectively，ns means the difference is not significant，the same below.

2.1.2 豆科作物干草产量 2019 和2020年灌溉方式对豆科干草产量影响极显著（图2）。两年在同一种植模式下，T4、T5和T6处理的豆科作物干草产量无显著差异，三者均显著高于T1和T2。平均值显示，T2、T3、T4、T5和T6处理的豆科干草产量显著高于T1，2019 较T1分别增加19.10%、28.37%、46.32%、60.58%和57.90%，2020年分别增加24.23%、33.91%、52.62%、63.56%和65.64%。两年在同一灌溉模式下，CL 处理的干草产量显著高于CM。平均值显示，2019年CL 处理的豆科干草产量较CM 增加35.85%，2020年增加41.24%。所有处理中，CL-T5处理的豆科干草产量最高。

图2 不同处理下豆科作物的干草产量Fig.2 Hay yield of legumes under different treatments#表示CM 和CL 处理的平均值差异达到显著水平（P＜0.05）。# indicates that the mean values of CM and CL treatments are significantly different（P＜0.05）.

2.1.3 群体干草产量 两年种植模式和灌溉方式对群体干草产量影响极显著，交互作用影响不显著（图3）。两年在同一种植模式下，T5和T6处理的群体干草产量无显著差异，两者显著高于T1。平均值显示，两年T4、T5和T6处理的平均群体干草产量之间无显著差异，三者显著高于T1、T2和T3。2019年T2、T3、T4、T5和T6的群体干草产量较T1分别增加19.64%、21.34%、36.91%、43.74% 和44.02%，2020年分别增加22.64%、24.42%、44.82%、50.64%和52.20%。两年在同一灌溉方式下，各种植模式的群体干草产量差异不显著。平均值显示，CL 处理的群体干草产量与CM 差异不显著，两者显著高于C 处理，2019年CM 和CL 处理较C 分别增加6.48%和9.47%，2020年分别增加9.09%和13.11%。两年所有处理中CL-T6均获得最高的群体干草产量，其次是CLT5，两者差异不显著。

图3 不同处理下群体的干草产量Fig.3 Total hay yield under different treatments

2.2 营养品质

2.2.1 玉米营养品质 2019年灌溉方式对玉米粗脂肪和粗灰分含量影响极显著，2020年灌溉方式对玉米各营养成分含量有显著或极显著影响，两年种植方式对玉米粗灰分含量影响极显著（表2 和表3）。两年各处理的玉米粗蛋白含量无显著差异，平均值显示，2020年T5处理的平均玉米粗蛋白含量显著高于T1，较T1增加9.96%。两年同一种植模式下，T5、T6处理的玉米粗脂肪含量显著高于T1。平均值显示，两年T2、T3、T4、T5和T6处理的平均粗脂肪含量显著高于T1，2019年较T1分别增加18.18%、25.09%、25.82%、28.73%和30.18%，2020年分别增加16.10%、22.84%、25.84%、30.71%和30.71%。在间作模式下，两年T5和T6处理的粗灰分含量显著低于T3。平均值显示，2019年T5和T6处理的粗灰分含量较T3分别减少了16.87%和19.83%，2020年分别减少了14.53%和15.62%，2020年T6处理的ADF 含量显著低于T1，T5、T6处理的NDF 含量显著低于T1，两年各灌溉处理RFV差异不显著。两年同一灌溉方式下，不同种植模式的玉米各营养成分之间差异不显著。平均值显示，2019年CM、CL 处理的玉米粗灰分含量显著高于C，2020年CL 处理显著高于C，各种植模式的RFV 差异不显著。

表2 2019年不同处理下玉米的营养成分Table 2 Nutritional composition of corn under different treatments in 2019

表3 2020年不同处理下玉米的营养成分Table 3 Nutritional composition of corn under different treatments in 2020

2.2.2 豆科作物营养品质 两年灌溉方式对豆科作物的粗脂肪、粗灰分、ADF、NDF 含量和RFV 影响均极显著，种植模式对粗蛋白、ADF、NDF 含量和RFV 影响均极显著（表4 和表5）。两年在同一种植模式下，各处理的豆科作物粗蛋白含量无显著差异。两年在CM 模式下以及2020年在CL 模式下，T5、T6处理的粗脂肪含量显著高于T1。平 均 值 显 示，两年T4、T5和T6的 粗 脂 肪含 量 显 著高 于T1，2019年 较T1分 别增 加16.48%、22.25% 和23.90%，2020年分别增加26.65%、33.81%和36.10%。2020年CL 模式下T5处理的粗灰分含量显著低于T1，两年CM 模式下T5、T6处理的ADF 和NDF 含量显著低于T1。平均值显示，两年T4、T5、T6处理的粗灰分、ADF 和NDF 含量显著低于T1。T5和T6处理的RFV 显著高于T1，2019年较T1分别提高21.15%和22.97%，2020年分别提高22.15%和22.91%。2019年在T5灌溉方式下，CL 处理的粗脂肪与ADF 含量显著低于CM，2020年各灌溉方式下CL 处理的ADF 含量均显著低于CM。平均值显示，两年CL 处理的粗蛋白含量显著高于CM，2019年较CM 增加6.55%，2020年增加8.33%；2019年CL 处理的粗脂肪含量显著低于CM，两年CL 处理的ADF 和NDF含量显著低于CM。两年CL 处理的RFV 显著高于CM，2019年较CM 提高20.44%，2020年提高20.65%。

表4 2019年不同处理下豆科作物的营养成分Table 4 Nutritional composition of legumes under different treatments in 2019

表5 2020年不同处理下豆科作物的营养成分Table 5 Nutritional composition of legumes under different treatments in 2020

2.2.3 群体营养品质 2019年灌溉方式对群体粗脂肪、粗灰分含量影响极显著，对ADF 含量影响显著（表6）。2020年灌溉方式对各营养成分含量均有显著或极显著影响（表7）。两年种植模式对各营养成分含量及RFV均有极显著影响。两年同一种植模式下，各处理粗蛋白含量差异不显著，C 和CM 模式下，T5、T6处理的群体粗脂肪含量显著高于T1，平均值显示，2020年T5处理的群体粗蛋白含量最高且显著高于T1，两年T2、T3、T4、T5和T6处理的粗脂肪含量显著高于T1，2019年较T1分别增加17.14%、23.57%、25.00%、28.21%和30.00%，2020年分别增加15.44%、21.69%、25.74%、30.51%和30.88%。2020年CM 模式下，T5、T6处理的粗灰分含量显著低于T3，两年同一种植模式下，各灌溉处理的ADF、NDF 含量和RFV 差异不显著。平均值显示，两年T6处理的粗灰分、ADF 和2020年NDF 含量最低，但T5与T6差异不显著，2019年T5处理的NDF 含量最低，两年各灌溉处理的群体RFV 差异不显著。2019年在T1、T2灌溉方式下，CL 和CM 处理的粗灰分含量显著高于C。平均值显示，2019年CM 和CL 处理的粗蛋白含量显著高于C，较C 分别增加8.86%和12.39%，2020年CL 处理显著高于CM 和C，较CM 和C 分别增加4.58%和12.63%。2020年CM 和CL 处理粗脂肪含量显著高于C，较C 分别增加7.32%和6.69%，两年CL 处理的粗灰分含量显著高于CM 和C，而CM 和CL 处理的ADF、NDF 含量显著低于C。两年CM 和CL 处 理 的RFV 显 著 高 于C，2019年 较C 分 别 提 高10.73% 和13.06%，2020年 分 别 提 高7.39% 和10.31%。

表6 2019年不同处理下群体的营养成分Table 6 Total nutritional composition under different treatments in 2019

表7 2020年不同处理下群体的营养成分Table 7 Total nutritional composition under different treatments in 2020

2.3 水分利用状况

两年灌溉方式对收获期贮水量、蒸散量、降水利用效率（PUE）、水分利用效率（WUE）和灌水相对生产效率（IPE）均有极显著影响，种植模式对PUE、WUE 和IPE 均有极显著影响（表8 和表9）。两年在同一种植模式下，T5、T6处理的收获期土壤贮水量、蒸散量和PUE 显著高于T1。平均值显示，两年T2、T3、T4、T5和T6处理的收获期贮水量、蒸散量和PUE 显著高于T1，其中2019年各处理的PUE 较T1分别提高19.64%、21.34%、36.91%、43.73%和44.02%，2020年分别提高22.63%、24.41%、44.83%、50.64%和52.19%。两年T1、T2、T3、T4和T5处理的WUE 显著高于T6，2019年较T6分别提高22.90%、21.58%、21.71%、13.34%和22.14%，2020年分别提高19.96%、22.07%、21.86%、16.15%和25.18%。两年T2、T3、T4和T5处理的IPE 显著高于T6，2019年较T6分别提高36.69%、45.23%、26.22%和48.34%，2020年分别提高31.62%、39.14%、29.46%和45.51%。2020年T3处理下CL 的IPE 显著高于CM。平均值显示，两年CM 和CL 处理的PUE 显著高于C，2019年较C 分别提高6.49%和9.47%，2020年分别提高9.09%和13.11%。2019年CL 处理的WUE 显著高于C，较C 提高7.77%，2020年CM 和CL 的WUE 均显著高于C，较C 分别提高6.55%和8.76%。两年CL 处理的IPE 显著高于CM 和C，2019年较CM 和C 分别提高9.52%和11.41%，2020年分别提高7.44%和15.11%。

表8 2019年不同处理下饲草的水分利用特征Table 8 Water use characteristics of forage grass under different treatments in 2019

3 讨论

3.1 间作对饲用玉米产量、品质和水分利用的影响

间作是影响饲草产量和品质的因素之一。一些研究表明，与玉米单作相比，玉米与拉巴豆、大豆、蚕豆（Vicia faba）等豆科作物间作均能显著提高间作系统的总产量［16，28-30］。本研究结果与以上相似，虽然间作种植下玉米的干草产量无显著增加，但两种间作模式下的群体干草产量均显著高于单作。这是由于间作较单作可以增加群体叶面积指数［31］，形成更合理的空间结构，促进了作物对光、温、水的利用，从而提高作物产量［32-33］，此外，玉米-豆科作物间作还可以促进作物根系发育［34］，提高根际微生物多样性［35］和有机质含量［30，36］，进而提高作物对肥料的吸收能力［37］，促进作物生物量积累。本研究中玉米-秣食豆间作下的豆科干草产量显著低于玉米-拉巴豆间作，这与赵海明等［38］的研究结果相似，这可能是由于秣食豆生育期较短，收获时叶片已枯黄，而拉巴豆生育期相对较长，收获时植株叶片仍保持绿色［32］。一些研究表明［29，39-42］，玉米与拉巴豆、大豆等豆科作物间作能够显著提高群体的粗蛋白和粗灰分含量，降低ADF 和NDF 含量，显著增加RFV。本研究结果与上述研究结果一致，两种间作模式的群体粗蛋白和粗灰分含量及RFV 显著高于玉米单作，ADF 和NDF 含量均显著低于单作，这表明间作提高了饲草品质。这可能是因为豆科作物的粗蛋白含量较高，而ADF 和NDF 含量远低于玉米，因此间作下群体的粗蛋白含量提升，而ADF 和NDF 含量降低。李含婷等［16］研究指出，同一施氮水平下，玉米-豌豆间作系统的WUE 较玉米单作提高了12.9%～41.0%。本研究结果与以上研究结果一致，玉米-拉巴豆间作的PUE、WUE 和IPE 显著高于玉米单作。这可能是由于间作改善了土壤环境，减少了水分消耗［16，43］。本研究中，间作系统的蒸散量与单作无显著差异，但显著提高了干草产量，因此间作系统的WUE 和IPE 显著增加（表8 和表9）。

表9 2020年不同处理下饲草的水分利用特征Table 9 Water use characteristics of forage grass under different treatments in 2020

3.2 调亏灌溉对饲草产量、品质和水分利用的影响

研究表明在一定范围内，随着灌溉量的增加，玉米叶片酶活性、籽粒灌浆速率和百粒重增加，进而提升玉米产量［44］，但土壤水分过多会影响玉米的生长发育，过量灌溉不能显著提高玉米产量［45-46］。本研究结果与以上研究结果相似，随灌水量的增加，群体干草产量增加，但轻度亏水处理与充分灌溉之间无显著差异，并且前期轻度亏水处理的干草产量略高于后期轻度亏水，这可能是因为玉米在抽雄吐丝期需水较多，而在苗期较少［47］，因此在生育前期轻度亏水对玉米生长影响较小，而后期复水可促进玉米进行补偿生长，从而获得较高生物量，但重度亏水条件下则不易恢复［21，48］。有研究表明，在节水10%情况下，青贮玉米获得较高的粗蛋白、淀粉和粗灰分含量［49］，过量灌水会降低玉米的粗蛋白含量和产量［50］。也有研究报道，干旱胁迫会增加青贮玉米的ADF 和NDF 含量［51］。本研究发现，随着灌水量的增加，整株玉米、整株豆科及群体的粗蛋白含量呈先增加后降低的趋势，群体粗脂肪含量显著提高，而群体的粗灰分、ADF 和NDF 含量显著降低。这可能是由于过量灌水影响作物对土壤氮的吸收，从而降低粗蛋白含量［50］。一些研究表明，随着灌溉量的增加，土壤蒸散量随之增加，WUE 呈先增高后降低的趋势［21，52］，轻度亏水可以提高玉米的WUE［53-54］。本研究表明，随着灌溉量的增加，收获期贮水量、蒸散量和PUE 显著增加，而WUE 和IPE 先增加后减少，其中前期轻度亏水的WUE 和IPE 显著高于充分灌溉。这是由于过量灌溉导致蒸散量显著增加而作物产量无明显增加，因而降低了WUE 和IPE（表8 和表9）。

4 结论

玉米-豆科作物间作较玉米单作可显著增加饲草产量，提高群体的粗蛋白和粗灰分含量，降低ADF 和NDF含量，进而提高RFV，改善饲草品质。此外，间作较单作显著提高了WUE，且玉米与拉巴豆间作的效果优于秣食豆。与充分灌溉相比，前期轻度亏水处理的玉米、豆科作物及群体的干草产量和营养成分与充分灌溉无显著差异，且较充分灌溉减少25%的灌水量，显著提高了WUE 和IPE。因此，玉米-拉巴豆间作并在前期轻度亏水是一种适宜河西灌区饲用玉米生产的栽培模式，具有应用推广价值。