不同混播模式对播种当年牧草产量和营养价值的影响

孙伶俐,孟 翔,谢开云,颜 安,刘 伟,杨 龙,崔荷婷,赵 越,褚皓清

(1. 新疆农业大学草业学院/新疆草地资源与生态重点实验室/西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室,新疆 乌鲁木齐 830052)

我国拥有近4.0×108hm2的天然草地,其中可利用草地面积约3.3×108hm2,占全国陆地面积近33.6%[1-2],在社会经济发展和生态文明建设中发挥着重要作用,但受气候变化和人类活动的影响,其生产力显著下降,生态功能严重受限[2-3],难以支撑现代畜牧业高质量发展和生态文明建设的需求。在适宜区域建植优质高产的人工草地,是未来解决区域草畜不平衡问题,缓解天然草地退化的重要途径[4]。

混播草地作为人工草地建植的主要方式,具有产量高、质量好、资源利用效率高等优点,在世界范围内得到了广泛应用[5]。当前国内外关于混播草地的研究主要集中在混播组合及比例[6-7]、种间关系[8]、刈割频次[9]、留茬高度[10]以及改土培肥[11]等方面,而对于三种及三种以上牧草混播建植人工草地方面研究较少。多草种混播建植的人工草地可协同发挥各草种的适应性和抗逆性,通过增加物种多样性,提高人工草地的生态稳定性[12]。其中,豆科牧草与禾本科牧草混播是最常见的混播模式[12]。研究表明适宜的混播草种和混播比例搭配对获得混播草地较高的群落稳定性及产量等有着重要的影响[13-15]。本研究以杂花苜蓿(Medicagovaria)、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、百脉根(Lotuscorniculatus)、披碱草(Elymusdahuricus)、无芒雀麦(Bromusinermis)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)6种牧草组合建植的混播草地为研究对象,通过研究不同牧草混播模式下牧草产量和营养价值,揭示三种及三种以上牧草混播建植方式下混播草地产量及营养价值的变化规律,为混播草地建植提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州昭苏马场山前草地(80°59′ E,43°08′ N,海拔1 895 m),属大陆性温带山区半干旱半湿润冷凉气候。该地年均温度2.9℃,≥10℃年积温2 318.3℃,无霜期85～100 d,年均降水量512 mm,降水主要集中于5—8月,约占全年总降水量68%,年均蒸发量1 261.6 mm,是降水量的2.5倍,积雪期158 d,积雪厚度20～60 cm。2023年6月7日至2023年9月22日研究区的总降雨量为223.34 mm,其中大于等于5 mm的有效降雨量为163.90 mm,最高日均温达21℃,最低日均温达8℃,平均气温16℃,试验期间试验地日平均气温及降水如图1所示。研究区经2002年开垦为多年生人工割草地,2011年重建成多年生豆禾混播草地,植被物种组成主要有鸭茅(Dactylisglomerata)、无芒雀麦、黄花苜蓿(Medicagofalcata)、披碱草、鹅观草(Roegneriasinkiangensis)、绿草莓(Fragariaviridis)、猫尾草(Phleumpratense)、草原糙苏(Phlomispratensis)、草原老鹳草(Geraniumpratense)、短柄苔草(Carexpediformis)、红豆草等。土壤类型为黑钙土,耕层土壤有机质含量为58.031 g·kg-1,全氮含量为5.524 g·kg-1、全磷含量为2.015 g·kg-1、全钾含量为15.516 g·kg-1、碱解氮含量为531.503 mg·kg-1、有效磷含量为95.347 mg·kg-1、有效钾含量为381.822 mg·kg-1。

图1 试验期间研究区日平均气温及降水量Fig.1 Average daily temperature and precipitation of the study area during the test period

1.2 试验设计

根据当地草地群落物种和气候特点,选择杂花苜蓿、红豆草、百脉根、披碱草、无芒雀麦、扁穗冰草6种牧草为试验材料,其中杂花苜蓿种子来源于内蒙古大学,其他草种均来源于新疆天博草业有限公司,草种来源及萌发情况详见表1。

试验采用完全随机区组设计,设置4个豆科牧草混播模式(杂花苜蓿+红豆草+百脉根3种牧草混播,混播比例分别为1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2,分别记为Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2),4个禾本科牧草混播模式(无芒雀麦+披碱草+扁穗冰草3种牧草混播,混播比例为1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2,分别记为W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2),3个豆科和禾本科牧草混播模式(杂花苜蓿+红豆草+百脉根+披碱草+无芒雀麦+扁穗冰草6种牧草混播,豆禾混播比例设为3∶1,1∶1,1∶3,分别记为L75G25,L50G50,L25G75),共11个混播模式处理,每个处理重复3次,共计33个小区,小区面积为20 m2(4 m×5 m),每个小区间隔1 m。

试验于2022年5月19日播种,红豆草单播量为30.0 kg·hm-2,杂花苜蓿单播量为15.0 kg·hm-2,百脉根单播量为7.5 kg·hm-2,无芒雀麦单播量为22.5 kg·hm-2,披碱草单播量为37.5 kg·hm-2,扁穗冰草单播量为20.0 kg·hm-2,混播播种量按占单播的百分比计算,种子播种量详见表2。播种方式为撒播,播种后不施肥,不灌溉,栽培期间人工除杂草两次。

表2 试验混播组合及播种量Table 2 Experimental mixing combination and seeding amount

1.3 测定指标和方法

1.3.1混播草地生产性能测定 (1)株高测定:取样前,在每个小区内分种随机选取牧草各10株,用卷尺测定植株基部到顶端的绝对高度记为牧草株高。

(2)分枝/蘖密度测定:取样前,在每个小区内分种随机选取牧草各10株进行分枝/蘖数统计。

(3)牧草干物质产量测定:试验于2022年9月6日刈割,在各小区中随机放置一个1 m×1 m的样方,并将样方内的所有牧草进行分种齐地刈割,分装在牛皮纸袋中,做好记录带回实验室,放置于105℃烘箱中杀青30 min,再设置65℃烘干48 h至恒重后,称重计算各牧草干物质产量。

(4)混播中牧草产量占比=混播中各牧草产量/混播草地总牧草产量×100%[16]。

1.3.2混播草地牧草营养品质测定 将各小区测定牧草干物质产量的烘干样品全部粉碎混合均匀用于测定牧草营养品质。牧草粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凯氏定氮法测定,粗脂肪(Ether extract,EE)含量采用索氏浸提法测定,粗灰分(Crude ash,Ash)含量采用灰化法测定,中性洗涤纤维(Neutral detergent fiberl,NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)含量采用范氏洗涤纤维分析法测定。根据NDF和ADF计算相对饲喂价值(Relative feed value,RFV)。

RFV=(88.9—0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29[17]

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019软件对数据进行整理与处理,用Graphpad Prism 8.0绘图软件进行制图,用SPSS 20.0统计分析软件进行方差分析、多重比较、成组/配对T检验,结果均以平均值±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 不同豆科/禾本科牧草混播模式对牧草株高的影响

杂花苜蓿和百脉根的株高在3种豆科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05)。无芒雀麦的株高在3种禾本科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05,图2)。

图2 不同混播模式对牧草株高的影响Fig.2 Effects of different mixed sowing patterns on plant height of forage注:杂花苜蓿+红豆草+百脉根比例为1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2(Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2);无芒雀麦+披碱草+扁穗冰草比例为1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2(W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2);三种豆科和三种禾本科牧草混播,豆禾比为75∶25,50∶50,25∶75(L75G25,L50G50,L25G75);小写字母表示不同混播模式处理水平间差异显著(P<0.05),下图同Note:The ratio of Medicago varia+Onobrychis viciaefolia+Lotus corniculatus was 1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2 (Z1H1B1,Z2H1B1,Z1H2B1,Z1H1B2);the proportions of Bromus inermis+Elymus dahuricus+Agropyron cristatum were 1∶1∶1,2∶1∶1,1∶2∶1,1∶1∶2 (W1P1B1,W2P1B1,W1P2B1,W1P1B2);three legumes and three gramineous forages were mixed,and the ratio of legume to forage was 75∶25,50∶50,25∶75 (L75G25,L50G50,L25G75);small letters indicate that there are significant differences among the treatment levels of different mixed sowing patterns (P<0.05),the same as the following figure

在3种豆科牧草混播模式下,红豆草的株高在Z1H1B2处理时显著高于其他混播处理(P<0.05),处理Z1H2B1红豆草的株高显著低于处理Z1H1B1和Z1H1B2(P<0.05,图2a)。在3种禾本科牧草混播模式下,扁穗冰草的株高在各混播比例下无显著差异,披碱草的株高在W1P1B1处理时显著高于其他混播处理(P<0.05),无芒雀麦的株高在W1P1B1和W1P1B2处理时显著高于处理W1P2B1和W2P1B1(P<0.05),且处理W2P1B1无芒雀麦的株高显著低于其他混播处理(P<0.05,图2b)。在6种牧草混播模式下,红豆草的株高表现为处理L50G50>L25G75>L75G25,且各处理间差异显著(P<0.05),披碱草的株高在L75G25处理时显著低于处理L25G75(P<0.05),无芒雀麦的株高在L25G75处理时显著高于处理L50G50和L75G25(P<0.05,图2)。

2.2 不同豆科/禾本科牧草混播模式对牧草密度的影响

杂花苜蓿和百脉根密度在3种豆科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05)。披碱草、无芒雀麦和扁穗冰草密度在3种禾本科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05,图3)。

图3 不同混播模式对牧草分枝/蘖密度的影响Fig.3 Effects of different mixed sowing patterns on branches or tillers density of forage

在3种豆科牧草混播模式下杂花苜蓿的密度在Z1H1B2处理时显著高于其他混播处理(P<0.05),百脉根的密度在3种豆科牧草混播模式下处理Z1H1B1显著高于处理Z1H1B2显著高于处理Z2H1B1,且各处理间差异显著(P<0.05,图3a)。在3种禾本科牧草混播模式下,披碱草的密度在W1P2B1处理时显著高于处理W2P1B1(P<0.05),无芒雀麦的密度在W1P1B1和W1P2B1处理时显著高于处理W1P1B2和W2P1B1(P<0.05),扁穗冰草的密度在W1P1B1和W1P1B2处理时显著高于处理W1P2B1和W2P1B1(P<0.05,图3b)。在6种牧草混播模式下杂花苜蓿的密度在L75G25处理时显著高于处理L25G75和L50G50(P<0.05),百脉根的密度在L25G75处理时显著低于处理L50G50和L75G25(P<0.05),无芒雀麦的密度在处理L50G50时显著高于处理L25G75和L75G25(P<0.05,图3)。

2.3 不同豆科/禾本科牧草混播模式对牧草产量的影响

杂花苜蓿和百脉根干物质产量在3种豆科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05)。披碱草、无芒雀麦、扁穗冰草干物质产量在3种禾本科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05,图4)。

图4 不同混播模式对牧草干物质产量的影响Fig.4 Effects of different mixed sowing patterns on dry matter yield of forage

在3种豆科牧草混播模式下,百脉根的干物质产量在Z1H1B1处理时显著高于Z2H1B1处理(P<0.05,图4a)。在3种禾本科牧草混播模式下,披碱草的干物质产量在W1P1B1和W1P1B2处理显著高于W1P2B1和W2P1B1处理(P<0.05),无芒雀麦的干物质产量在W2P1B1处理显著高于W1P2B1处理(P<0.05,图4b)。在6种牧草混播模式下,杂花苜蓿的干物质产量在L25G75处理显著高于L50G50和L75G25处理(P<0.05),无芒雀麦的干物质产量在L50G50处理显著高于L25G75和L75G25处理(P<0.05,图4)。

2.4 不同豆科/禾本科牧草模式对各牧草干物质产量占比的影响

杂花苜蓿和百脉根干物质产量占比变化表现为在3种豆科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05)。披碱草、无芒雀麦、扁穗冰草干物质产量占比变化表现为在3种禾本科牧草混播模式下显著高于6种牧草混播模式(P<0.05,图5)。

图5 不同混播模式对牧草干物质量所占比的影响Fig.5 Effects of different mixed sowing patterns on the proportion of dry matter yield of species

在3种豆科牧草混播模式下,杂花苜蓿的干物质产量占比在Z2H1B1处理时显著高于Z1H1B1处理(P<0.05,图5a)。在3种禾本科牧草混播模式下,披碱草的干物质产量占比在W2P1B1处理时显著低于其他混播比例(P<0.05,图5b)。在6种牧草混播模式下,红豆草的干物质产量占比在L75G25处理时显著高于处理L25G75和L50G50(P<0.05),杂花苜蓿的干物质产量占比在L25G75处理时显著高于处理L50G50和L75G25(P<0.05),无芒雀麦的干物质产量占比在L50G50处理时显著高于处理L25G75和L75G25(P<0.05,图5)。

2.5 不同豆科/禾本科牧草模式对牧草干物质总量的影响

3种禾本科牧草混播模式与6种牧草混播模式间牧草干物质总量变化差异显著(P<0.05);在3种禾本科牧草混播模式下,牧草干物质总量在W1P2B1处理时显著低于其他混播处理(P<0.05);在混播6种牧草模式下,牧草干物质总量在L50G50处理时显著高于其他混播处理(P<0.05,图6)。

图6 不同混播模式对草地干物质总量的影响Fig.6 Effects of different mixed sowing patterns on total dry matter of grassland

2.6 不同混播模式对混播草地牧草营养价值的影响

在3种豆科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量和相对饲喂价值极显著高于6种牧草混播模式(P<0.05),牧草粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著低于6种牧草混播模式(P<0.05)。在3种禾本科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量显著高于6种牧草混播模式(P<0.05),牧草中性洗涤纤维含量显著高于6种牧草混播模式(P<0.05,表3)。

表3 不同混播模式对牧草营养价值的影响Table 3 Effects of different mixed sowing patterns on forage nutritional value

在3种豆科牧草混播模式下,牧草粗蛋白在Z1H1B1处理下显著高于Z2H1B1处理(P<0.05);在3种禾本科牧草混播模式下,牧草粗灰分含量在W2P1B1处理下显著高于W1P1B1和W1P1B2处理(P<0.05,表3)。

3 讨论

3.1 不同豆科/禾本科牧草混播模式对混播草地生物量的影响

选择适宜的混播草种和混播比例可以充分发挥混播草地中各牧草的互补优势,有利于混播草种合理利用水分、肥力、光照和空间等环境资源,可显著提高混播草地生产力[14]。由于各牧草自身生理特性和对环境的适应性不同,同一栽培条件下各牧草的生产性能各不相同[18]。本研究表明,在3种豆科牧草混播模式和3种禾本科牧草混播模式下各牧草株高、密度、干物质产量均高于6种牧草混播模式,禾本科牧草株高均高于豆科牧草;牧草干物质总量表现为6种牧草混播模式均低于3种禾本科牧草混播模式,说明不同混播模式对混播草地生产力有显著影响[19]。这可能是因为在建植当年禾本科牧草相较于豆科牧草叶片面积较大,叶片位置较高,对光照形成了激烈的竞争,特别是在禾本科牧草抽穗以后,其上部叶片遮蔽了下部的豆科牧草,导致豆科牧草缺乏光照[20],致使豆科牧草生长受限,进而影响豆科牧草生物量的积累。在6种牧草混播模式下豆科牧草和禾本科牧草混播比为1∶1时牧草干物质总量显著高于其他混播比例[15,21],且随豆科牧草混播比例的增加牧草总干物质产量呈先增后减的趋势,在3种禾本科牧草混播模式下牧草干物质总量显著高于其他混播模式,因此在不同混播模式下,禾本科牧草占比越大混播草地总干物质产量则越高[22],当豆科牧草比例超过50%时,随着豆科牧草比例增加草产量下降[23-25],这可能是因为在3种豆科牧草与3种禾本科牧草混播下,当豆科与禾本科牧草混播比例为1∶1时可降低各牧草对光照和养分等资源的竞争,使混播物种双方均受益[26-27]。因此,不同的混播比例对混播草地的生产力也具有重要影响[28-29],但观测当年混播草地数据仅能体现不同混播比例对播种当年混播草地生产性能的影响,缺乏对多年生混播草地进行长期观测的综合评价。

在混播草地中可以采用各牧草地上生物量占总地上生物量的比例来反映混播草地中各牧草对混播草地总地上生物量的贡献程度[30-31],其比值可直观反映各牧草在草地群落中对环境的竞争能力[32-33]。同时在混播草地中各混播种比例的消长情况可用来预测混播草地未来的发展趋势,从而间接反映混播草地群落的稳定性[16]。本研究中,杂花苜蓿与无芒雀麦在各混播模式下干物质产量占比分别在豆科类牧草和禾本科类牧草中最高(在6种牧草混播模式下杂花苜蓿占比达15%以上,无芒雀麦占比32%以上;在3种牧草混播模式下杂花苜蓿占比达48%以上,无芒雀麦可达78%以上),是对总干物质产量贡献最多的成分。因此,通过各牧草干物质产量占比可预测在有杂花苜蓿和无芒雀麦的混播组合中,该两种牧草在未来草地发展中占据绝对的优势。

3.2 不同豆科/禾本科牧草混播模式对混播草地牧草营养价值的影响

通常混播草地中如果禾本科牧草所占的比例较大,表明牧草产量越高,但饲草品质会有所降低;反之,随着豆科饲草比例增加,饲草的粗蛋白含量呈增加趋势[34-35],这与本研究的结果一致,在6种牧草混播模式下,随着豆科类牧草混播比例的增加,牧草粗蛋白含量也随之增加。本研究结果表明在3种豆科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量和相对饲喂价值极显著高于6种牧草混播模式,牧草粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量显著高于6种牧草混播模式;在3种禾本科牧草混播模式下牧草粗蛋白含量显著高于6种牧草混播模式,牧草中性洗涤纤维含量显著高于6种牧草混播模式,说明豆科与禾本科牧草混播有利于提高草地营养品质,牧草粗蛋白含量越高牧草相对饲喂价值则越高[36]。这可能是因为豆科饲草中含有较高的粗蛋白和较低的酸性洗涤纤维与中性洗涤纤维含量,而禾本科饲草则含碳水化合物和粗纤维含量较多,二者进行混播可有效提高饲草品质[37]。豆禾混播比例是影响混播草地营养品质的因素之一[13,38],会极显著影响饲草的粗蛋白质含量、粗脂肪含量、酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量[15]。在本研究中,3种豆科牧草混播组合与混播3种禾本科牧草混播组合和6种牧草混播组合相比具有较低的中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量,牧草相对饲喂价值较高,与3种禾本科牧草混播组合相比豆科与禾本科牧草混播有利于降低牧草的纤维含量,提高牧草粗脂肪、粗灰分含量和相对饲喂价值,这可能与各牧草所处的生育期不同有关,研究表明牧草在不同生育期内其营养成分含量变化较大[39],这与牧草自身的遗传学和对环境的适应性有关[40],本研究只观测当年牧草营养指标的变化,仅能体现混播草地播种当年情况,缺乏对牧草生长发育的连续性观测。

4 结论

3种豆科牧草混播模式和3种禾本科牧草混播模式下各牧草株高、密度、干物质产量均高于6种牧草混播模式;在6种牧草混播模式中豆禾混播比为1∶1(L50G50)时牧草干物质总量高于其他豆科与禾本科草混播处理,当豆禾混播比超过1∶1时牧草干物质总量随之下降;6种牧草混播模式处理下牧草粗蛋白含量和相对饲喂价值均低于3种豆科牧草混播处理,但高于3种禾本科牧草混播处理。