西藏那曲适宜建植人工草地的牧草筛选研究

陈美镕,聂晓伟,张学民,王宗松,宋赵有,阿 旺,王 奇,汪诗平,李耀明,斯确多吉,张 林,严 俊,周华坤,石培礼,姜丽丽*

(1.中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统科学国家重点实验室,北京 100101;2.中国科学院大学,北京 100049;3.北京林业大学草业与草原学院,北京 100091;4.妙盈灵碳信息科技(北京)有限公司,北京 100020;5.那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心,西藏 那曲 852000;6.中国科学院西北高原生物研究所青海省寒区恢复生态学重点实验室,青海 西宁 810008;7.中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室,北京 100101)

西藏是我国五大牧区之一,畜牧业是西藏经济发展的优势支柱产业[1],其中藏北地区(主要是那曲市和阿里地区)的牲畜数量约占全区的1/3[2],其畜牧业收入占比地区总收入的80%以上[3]。发展畜牧业的基础是牧草,草地牧草产量是畜牧业发展的关键因素[4-5]。然而以高寒草地生态系统为主的藏北地区,由于受气候变化、过载放牧等影响,天然草地生产力低下、退化现象严重,草畜矛盾尖锐[6-8]。在藏北地区建植人工草地,种植优良牧草不仅能有效缓解天然草地的放牧压力,增加饲草供给,解决草畜矛盾,推动畜牧业经济的发展,还有利于天然草地的生态恢复[7-10]。

那曲地区的人工草地建设最早可追溯到20世纪70年代[11],但受制于地理环境条件和气候因素,以及当地牧草品种选择、牧草生产利用方式不科学等,那曲人工草地鲜草总产量较低,位列西藏各市的末位[8,11]。截至目前,那曲地区能否建植人工草地仍然是理论和生产实践争论的焦点。段呈等[8]认为那曲地区虽然降水丰沛,但绝大部分区域的积温无法满足人工牧草生育期积温的需求;而生产实践中却有燕麦(Avenasativa)等在那曲地区成功种植的案例,甚至产量(鲜草)可达天然草地产草量的50～100倍[11-13]。因此,那曲地区是否能建植人工草地,以及哪些牧草品种适宜在那曲地区建植人工草地是科研工作者及地方政府都非常关注的问题,也是那曲地区畜牧业发展亟需回答的问题。

本研究通过开展那曲适宜栽培牧草筛选试验,筛选出产量高,适合那曲本地的牧草,同时通过调查那曲天然草地的地上生物量以及文献收集中国四大草原区其他人工草地的产量,以期对比回答以下两个问题：(1)那曲地区能否建植高产人工草地?(2)哪些高产抗寒牧草适宜在那曲地区建植人工草地?以期为西藏高寒牧区的人工牧草的引种与示范种植及后续推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于藏北高原的腹地那曲市色尼区(31°16′35″ N,92°06′19″ E;海拔4 450 m),邻近那曲县嘎尔德畜牧产业发展有限公司,地处唐古拉山脉与念青唐古拉山脉之间的那曲河流域,地势相对平坦。该地区属于高原亚寒带季风半湿润气候区,年平均气温为-2.1℃,年降水量为406.2 mm,多集中在6—9月。年蒸发量为1 810.3 mm,相对湿度只有51%(气候数据来源：http：//www.horn.ac.cn/)。全年没有绝对无霜期,每年10月至次年5月为风雪期和土壤冻结期,而6月至8月为生长期。试验区的草地类型属高山嵩草草地[14],植被类型是典型的高寒草甸,植物优势种有小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和钉柱委陵菜(Potentillamultifida)等。土壤类型是高山草甸土,土壤发育相对年轻且质地较为粗糙[14]。

1.2 试验材料

挑选抗寒抗旱积温需求低的一年生或多年生牧草共57种(包含品种)(详见表1),其中芜菁(Brassicarapa)18个品种种子由中国科学院昆明植物研究所提供,紫花苜蓿(Medicagosativa)23个品种由北京正道种业有限公司和佰清源种子公司提供,苦荬菜(Ixerispolycephala)和菊苣(Cichoriumintybus)在京东商城购买,绿麦草(Triticumsecale)来自于青海省种子公司,其他牧草的种子均由四川省农业科学研究院提供。

表1 牧草筛选的试验材料Table 1 Experimental materials for forage species screening

1.3 试验设计

试验于2021年5月中旬(5月15日—5月20日)开始播种,于生长季末(8月31日)收获,播种前进行样方建设、整地、施底肥(农家肥1 000 g·m-2)和浇水。试验小区总面积为60 m×68 m,样方布设包含10 m×10 m(大样方)和2 m×2 m(小样方)两种规格,不同样方间隔均为1 m,其中小样方的设置旨在探究禾豆混播的适宜比例及水肥管理的问题。绿麦草与箭筈豌豆在小样方中按不同比例(绿麦草∶箭筈豌豆= 1∶0或5∶1或10∶1)混播,其中绿麦草的播种量为337.5 kg·hm-2;其余牧草在大样方中按行距30 cm起垄单行点播(芜菁)和撒播(其他牧草)种植,芜菁的播种量为每穴3粒,其他牧草的播种量为15～45 kg·hm-2,播后覆土浇水。小样方在生长季早期隔4天浇水一次,每次浇水0.02 m3·(4 m2)-1,雨季停止浇水,并在生长季内追施2次复合肥(N∶P2O5∶K2O=25∶10∶16)和2次尿素共4次,间隔5天,每次25 g·m-2。大样方在生长季内隔一周浇水1次,并追施复合肥2次,间隔20天左右,每次16 g·m-2。

1.4 牧草产量的测定方法

本试验利用0.1 m×1 m的样方框确定收获范围,对生长良好的牧草进行统一收获。在生长良好的牧草种植范围内,随机选取3个0.1 m×1 m的样段,对牧草进行单株收获或刈割并测定其鲜重。由于芜菁地上和地下部分均可饲用,故在样段内采取单株收获,同时收获其地上和地下部分;除芜菁外的其他牧草留茬5 cm后,刈割其地上部分。芜菁的鲜草产量根据收获的单株鲜重及单位面积(hm2)可种植的芜菁株数获得,其他牧草的鲜草产量根据刈割区面积以及牧草鲜重换算得到;干草产量由收获的单株芜菁或刈割的其他牧草鲜样在65℃下烘干至恒重进一步通过计算获得。

1.5 越冬能力

于播种次年(2022年)的生长季初期,实地监测多年生牧草的越冬情况,通过观察样地中的多年生牧草是否成功出苗进行判断,有成功出苗的则认为该种牧草可越冬,无成功出苗的即为不可越冬。

1.6 数据收集与处理

1.6.1试验区人工草地产量数据收集 依据1.3和1.4收集计算本试验成功收获的牧草产量作为试验区人工草地的产量。

1.6.2那曲天然草地产量调查数据收集 2021年8月,团队参加西藏林勘院草地三调任务,调查那曲地区高寒荒漠、高寒草原和高寒草甸的天然草地数据,基于此获得那曲地区高寒荒漠、高寒草原和高寒草甸的天然草地平均干草产量,结合西藏高原不同草地类型牧草的平均干鲜比[15]换算得到不同类型草地的平均鲜草产量。

1.6.3中国四大草原区其他人工草地产量数据收集 中国草原按照区域性的特点可以划分为四大草原区[16]：1)北方干旱半干旱草原区;2)东北华北湿润半湿润草原区;3)南方草地区;4)青藏高寒草原区。不同草原区的其他人工草地的平均产量取3篇及以上文献中人工草地牧草产量数据的均值,数据来源如表2所示。

表2 其他人工草地的平均牧草产量来源Table 2 Source of data on the average yield of forages in other artificial grasslands

1.6.4数据处理 应用Microsoft Excel 2019进行前期的数据整理,取不同处理下牧草产量指标的均值作为不同牧草的最终产量数据(其中芜菁的产量为18个芜菁品种地上和地下部分总产量的均值;绿麦草、箭筈豌豆的产量分别为不同混播比例下对应牧草产量的均值),那曲天然草地平均产量及四大草原区其他人工草地的平均产量为本试验的对比值,采用两独立样本t检验对比试验区人工草地的平均产量与其他草原区人工草地的平均产量的差异,用Origin 2022进行制图。

2 结果与分析

2.1 未能成功收获的牧草出苗及生长情况

本试验同期种植的虉草、冰草和红豆草出苗很晚、整个生长季未真正展叶生长,因此在生长过程中即被淘汰。在中国东北地区的抗寒牧草苦荬菜和菊苣在本试验中出苗较好,但产量非常低,因此在收获前被淘汰。‘炫丽’‘岷山’红三叶与‘鄂收’‘红龙’红三叶的长势和生物量无明显差异,18个紫花苜蓿品种以及紫花苜蓿‘佰苜201包衣’‘佰苜202包衣’和‘佰苜201’‘佰苜202’在长势和生物量上也无明显差异,因此未再单独收获‘炫丽’‘岷山’红三叶以及18个紫花苜蓿品种和紫花苜蓿‘佰苜201包衣’‘佰苜202包衣’等品种牧草,而是分别以‘鄂收’‘红龙’红三叶和‘佰苜201’‘佰苜202’作为红三叶和紫花苜蓿多个品种的代表。

2.2 成功收获的13种牧草的产量分析

如图1所示本试验在播种当年成功收获13种牧草。这些牧草在播种当年均有良好的生长情况,其鲜草产量范围为10.37～180.39 t·hm-2(图1a),干草产量范围为1.88～34.39 t·hm-2(图1b)。其中,包含5种一年生牧草和8种多年生牧草。在5种一年生牧草中,燕麦和绿麦草属于禾本科牧草,芜菁和饲用油菜属于十字花科牧草,箭筈豌豆属于豆科牧草;而在8种多年生牧草中,老芒麦、垂穗披碱草和黑麦草为禾本科牧草,红三叶的2个品种(‘鄂收’‘红龙’)和紫花苜蓿的3个品种(‘佰苜201’‘佰苜202’‘绿思乐’)均属于豆科牧草。

由图2可知3种不同类型天然草地(高寒荒漠、高寒草原、高寒草甸)的平均鲜草产量为0.24～2.16 t·hm-2,干草产量为0.12～0.8 t·hm-2。与之相比,本试验成功收获的13种牧草的产量均高于那曲不同类型天然草地的产量。其中,5种禾本科牧草(燕麦、绿麦草、老芒麦、垂穗披碱草和黑麦草)和2种十字花科牧草(芜菁和饲用油菜)在播种当年的鲜草产量为54.59～180.39 t·hm-2,干草产量10.52～34.39 t·hm-2,分别达到那曲天然草地平均鲜草产量和干草产量的83～227倍和42～88倍。

图1 成功收获的13种牧草产量Fig.1 Yield of 13 forages successfully harvested

图2 那曲天然草地产量Fig.2 Yield of natural grasslands in Nagqu

图3显示了试验区与其他人工草地的平均产量及对比结果,由图可知试验区人工草地的平均鲜草产量为60.24 t·hm-2,干草产量为12.14 t·hm-2;中国四大草原区其他人工草地的平均鲜草产量为17.98～61.46 t·hm-2,干草产量为3.53～9.82 t·hm-2。本试验区人工草地的平均鲜草产量与南方草地区人工草地的产量无显著差异,而显著高于其他3个草原区人工草地的平均鲜草产量(P<0.05);本试验区人工草地的平均干草产量与南方草地区和青藏高寒草原区无显著差异,但高于其他2个草原区的人工草地干草产量。综合图3的两独立样本t检验结果可知,本试验区人工草地的平均产量不低于中国四大草原区人工草地的平均产量。

图3 试验区与其他区域人工草地的产量Fig.3 Comparison of the yield of artificial grasslands in the study area with other areas注：不同小写字母表示试验区与其他区域人工草地产量之间的差异显著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate a significant difference at the 0.05 level between the study area and the other areas for the yields of the artificial grasslands

2.3 越冬能力分析

根据次年的实地观察,播种当年成功收获的3种多年生禾本科牧草中,只有老芒麦和垂穗披碱草这2种禾本科牧草成功出苗,而黑麦草并未成功出苗。此外,播种当年成功收获的5个多年生豆科牧草品种在次年均未能成功出苗。

3 讨论

此前的研究从牧草积温需求考虑,认为那曲地区无法满足人工牧草生育期的积温需求(以低积温需求的燕麦为例),也不适宜选育积温需求较高的牧草(如披碱草),因为会面临较高的冻害风险[8]。然而,本试验发现无论是燕麦还是垂穗披碱草在试验区(海拔4 450 m)都能保持良好的营养生长;在水肥条件保障充分的情况下,这些牧草还可能取得较高的牧草产量。本试验表明,充分利用生长季、并在水肥充足的情况下,试验区能满足牧草的营养生长,并可达到高效生产的目标。这在一定程度上证明了那曲地区建植人工草地的可行性。此外,本试验收获的‘阿坝燕麦’干草产量为16.89 t·hm-2,高于张光雨等[56]在西藏拉萨当雄(海拔4 333 m)种植的‘阿坝燕麦’产量约7 t·hm-2。不同研究中燕麦产量的差异可能是由不同区域的生境条件差异(如温度、水分、土壤养分)所致[58],也有可能受不同的播种方案(如播种量、播种方式等)[61-63]、田间管理措施(如施肥、浇水、灭除杂草等)的影响[64]。相关研究表明,高寒牧区的土壤氮素含量是垂穗披碱草产量的制约因素,适量补充氮素能够显著提高垂穗披碱草人工草地的产量,并抑制杂草的养分和空间竞争能力[65];同时生育期内适量的灌溉(≤ 4次)可提高牧草产量[66],可见合理的水肥管理对于高产人工草地的建植具有重要意义。在实践生产中,还需要注重人工草地的后期维护和管理,如灭除杂草、对长期进行人工草地种植的土壤施用氮肥和磷肥以提高土壤养分供应等。但这些生产管理过程的方法学研究仍需加强,以解决退化草地的修复和人工草地的可持续利用面临的实际问题[64]。

牧草产量是衡量牧草生产能力和环境适应能力的重要指标[67]。本试验成功收获的生长良好的牧草共13种(含品种),其中4种高产的禾本科牧草(2种可越冬的多年生牧草：燕麦、绿麦草;2种一年生牧草：老芒麦、垂穗披碱草)和2种高产的十字花科牧草(芜菁和饲用油菜)是本试验首要推广种植的牧草。需要说明的是,芜菁的高产量主要为地下部分贡献,约为芜菁地上地下平均总产量的60%。此外,本试验未考虑那曲地区常用的人工草地牧草品种青稞,理论上青稞能在那曲地区种植[8],且实践中那曲也有多年种植青稞的历史[68],因此本试验未对青稞进行筛选。

而5个品种的多年生豆科牧草(红三叶：‘鄂收’‘红龙’;紫花苜蓿：‘佰苜201’‘佰苜202’‘绿思乐’)和1种多年生禾本科黑麦草在种植过程中未能成功越冬,做为一年牧草种植可以考虑,但不建议做为多年生牧草种植。一年生豆科牧草箭筈豌豆易倒伏(株高>50 cm以上),不建议进行单独播种,但可考虑其与禾草混播,并探求适宜的混播比例以期发挥禾豆混播优势[69-70]。同时,本试验结果表明老芒麦和垂穗披碱草在播种当年有较高产量,并且可以成功越冬,但这只能证明其可作为多年生牧草种植。关于老芒麦和垂穗披碱草在越冬后的第二年及其后续年份能否保持稳定产量,并且是否适合作为多年生牧草在那曲地区建植人工草地在本实验中尚不能确定。

4 结论

单从当季牧草产量上看,本试验成功收获的13种牧草的干草产量均高于天然草地,且13种牧草的平均产量不低于四大草原区其他人工草地的产量,表明那曲地区种植以上13种牧草并加以适当的水肥管理,是能够建植高产人工草地的。综合考虑播种当年牧草出苗及生长情况和多年生牧草次年的越冬能力,燕麦、绿芒草、芜菁、饲用油芽、老芒麦和垂穗披碱草是本试验优先筛选出的适宜在本地区栽培利用的高产抗寒的牧草。后续研究可进一步深入分析本试验中所筛选出的高产牧草的饲用品质,探求绿麦草与箭筈豌豆适宜的混播比例及水肥管理措施,具体讨论不同芜菁品种的差异,对高产、高品质的芜菁品种进行进一步筛选和推广种植。