畢舒貽, 曹 婧, 李 躍,李富祥,苗麗宏,劉國慶,萬里強(qiáng)*, 李向林*
(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所,北京 100193;2. 貴州省威寧高草地試驗(yàn)站,威寧553100; 3. 中國草地學(xué)會,北京 100193)
紫花苜蓿(MedicagosativaL. )作為一種優(yōu)質(zhì)的牧草在我國大面積的栽培,種植面積不斷擴(kuò)大[1-4],且種植苜??梢垣@得較高的經(jīng)濟(jì)收益和生態(tài)效益[5-7]。在我國半干旱地區(qū)進(jìn)行苜蓿栽培既能保持土壤,又可解決當(dāng)?shù)匦竽恋娘暳蠁栴},但這類地區(qū)的土壤貧瘠且缺水,始發(fā)站畜牧種植的一大障礙。因此,合理的水肥耦合利用是目前解決這類問題的關(guān)鍵,質(zhì)量和產(chǎn)量優(yōu)良的苜蓿與水肥密切相關(guān),肥料中的N、P、K等養(yǎng)分能夠顯著的調(diào)節(jié)苜蓿對水分的吸收和利用效率,合理的水肥耦合技術(shù)為目前苜蓿的安全生產(chǎn)提供了可靠的理論和技術(shù)保障。
盧德勛[8]提出評定粗飼料品質(zhì)分級指數(shù)(Grading Index),分級指數(shù)=牧草代謝能×干物質(zhì)采食量×牧草干物質(zhì)粗蛋白含量/牧草干物質(zhì)中性洗滌纖維含量,為GI=ME(MJ/kg)×DMI(kg/d)×CP(%DM)/NDP(%DM),故苜蓿中的粗蛋白含量與中性洗滌纖維含量是評定其品質(zhì)的重要指標(biāo)。在美國商業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)顯示,粗蛋白含量的高低是衡量紫花苜蓿品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo),粗蛋白含量高于20%的紫花苜蓿才被評定為優(yōu)質(zhì)苜蓿,也具有更高的經(jīng)濟(jì)價值[9]。脂肪是能量最高的營養(yǎng)素,其能量含量是碳水化合物與蛋白質(zhì)的2.4倍左右,則苜蓿中粗脂肪含量越高證明其營養(yǎng)價值也越高[10]。在水分充沛的條件下,砂性土壤所在地區(qū)具有很高的生產(chǎn)潛能,近年來研究較多的為糧食與經(jīng)濟(jì)類作物的水肥耦合,但對紫花苜蓿水肥耦合的研究尚少有報道。本試驗(yàn)擬在半干旱砂性土壤上對苜蓿水肥耦合效應(yīng)做研究,在不同施肥、灌水組合下,通過觀測苜蓿不同養(yǎng)分元素的含量狀況,探討不同灌水方式、施肥量對苜蓿品質(zhì)的影響,為實(shí)現(xiàn)苜蓿增產(chǎn)提供理論參考。
試驗(yàn)地處于河北廊坊,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園北京畜牧所試驗(yàn)基地,該試驗(yàn)地位于廊坊市北部,地理位置為116°34′60″ E,39°35′44″ N,海拔25 m,年均氣溫為11.9℃,無霜期為183天,平均日照數(shù)2 659.6 h。土壤類型為沙壤土,基本化學(xué)性質(zhì):堿解氮31.15 mg·kg-1,速效磷2.17 mg·kg-1,速效鉀85.1 mg·kg-1,有機(jī)質(zhì)3.73 g·kg-1,全氮0.376 g·kg-1,全磷0.512 g·kg-1,全鉀19.5 g·kg-1,銨態(tài)氮8.075 mg·kg-1,硝態(tài)氮26.55 mg·kg-1,pH為7.13,全鹽0.636g·kg-1,田間持水量為20.5%(體積含水量)。
1.2.1苜蓿種植 取大田0~20 cm表層土15 kg拌勻倒入盆中。盆為圓柱形陶瓷盆,直徑20 cm,高30 cm。苜蓿于2016年5月初播種,定株3株,供試品種為‘康賽’(佰青源公司提供)。
1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采取完全隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)置4種施肥梯度,記為F0、F1、F2、F3,每茬施肥量分別為0 kg·hm-2、125 kg·hm-2、187.5 kg·hm-2、250 kg·hm-2,2016年5月20日開始處理時施入與每茬刈割后15天施入。施肥時將水溶肥和水按比例混合,用量筒稱量后施入;水分設(shè)三個梯度,以土壤的相對含水量表示,即為低水W1(50%~55%)、中水W2(65%~70%)、高水W3(80%~85%),用手持土壤水分速測儀檢測水分(北京雨根科技公司),共12個處理,4次重復(fù),共計(jì)48盆。供試肥料為苜蓿專用水溶肥,營養(yǎng)元素含量為:氮(N)9%、磷(P2O5)20%、鉀(K2O)13%、硫(SO3)3.98%、鎂(MgO)1.12%,鋅(ZnO)0.8%、硼(B2O3)0.17%、錳(MnO)0.92%、鉬(MoO3)0.036%),具體試驗(yàn)處理見表1。土壤相對水分含量以田間持水量的百分比表示。
表1 試驗(yàn)處理Table 1 Treatments in the experiment
注:F代表施肥處理,W表示灌水處理,下同
Note:F represents fertilizer treatment, W respresents irrigation treatment, the same as below
地上干物質(zhì)重量測定:初花期(10%的苜蓿開花)刈割時留茬5 cm,刈割每盆內(nèi)所有苜蓿,每次刈割前測定鮮草產(chǎn)量,帶回實(shí)驗(yàn)室后 105℃殺青15 min后,65℃烘干至恒重后稱量。
植株品質(zhì)測定:測定苜蓿初花期干草樣常規(guī)的營養(yǎng)成分,將一部分粉碎的苜蓿樣本(葉片及莖,不含根部)用來測定。
N:凱氏定氮法;
P:硫酸-雙氧水消化—鉬銻抗比色法;
K:硫酸-雙氧水消化—原子吸收測定法;
粗蛋白含量(crude protein, CP):硫酸-雙氧水消化,氣體擴(kuò)散法測定全氮、全氮乘以6.25系數(shù)取得粗蛋白含量;
粗脂肪含量(ether extract, EE):石油醚索氏脂肪浸提—?dú)堄喾ǎ?/p>
酸性洗滌纖維(acid detergent fibe, ADF):ADF酸性洗滌劑法;
中性洗滌纖維含量(neutral detergent fibre, NDF):NDF中性洗滌劑法。
試驗(yàn)采取完全隨機(jī)設(shè)計(jì),所有試驗(yàn)處理下的數(shù)據(jù)利用 SAS 9.2 進(jìn)行單因素、雙因素方差分析以及相關(guān)性分析和逐步回歸分析。所有圖與表格均使用 Excel 2013 進(jìn)行制作。
2.1.1灌水量對紫花苜蓿干草氮含量、磷含量和鉀含量的影響 由圖1及表2可以得出,灌水對苜蓿含氮量無顯著影響,W1、W2、W3的值分別為3.399%、3.409%、3.416%,隨著灌水量的增加,苜蓿含氮量呈較弱的上升趨勢, 增幅僅為 0.50%;灌水對苜蓿含磷量無顯著影響(P=0.1021),W1、W2、W3值分別為 0.281%、0.296%、0.305%,W3與W1有顯著差異,增長幅度為 8.65%;灌水對苜蓿植株含鉀量無顯著影響(P=0.9362),W1、W2、W3值分別為 2.724%、2.736%、2.711%,隨著灌水量的增多,呈先上升后下降的趨勢。
表2 不同水肥處理下苜蓿干草N、P、K含量的方差分析Table 2 Variance analysis of dry alfalfa N、P、K content with different water and fertilizer treatment
圖1 水分對苜蓿干草含氮量、含磷量、含鉀量的影響Fig.1 Effects of different water on N、P、K content of dry alfalfa注:相同字母表示差異不顯著,不同小寫字母表示0.05水平上差異顯著,下同Note: The different lowercase letter means significant differences at the 0.05 level, the same as belew
2.1.2施肥對紫花苜蓿干草氮含量、磷含量和鉀含量的影響 如圖2所示,結(jié)合表2,紫花苜蓿植株氮含量隨著施肥量的增加呈上升趨勢,F(xiàn)0、F1、F2、F3的值分別為 3.337%、3.347%、3.377%、3.571%,F(xiàn)3處理與對照F0差異顯著(P<0.05),增長了7.30%,F(xiàn)1、F2處理與對照無顯著差異,分別增長 0.32%、1.20%,增長幅度不大;紫花苜蓿植株的磷含量也隨施肥量的增加而增加,3 種施肥處理與對照相比都顯著提高了苜蓿植株的磷含量(P<0.05),4個處理下苜蓿的磷含量分別為 0.224%、0.303%、0.322%、0.327%,與對照相比,F(xiàn)1、F2、F3三個處理分別提升 35.4%、43.86%、46.12%;同樣,施肥也可以顯著提高苜蓿植株的磷含量(P<0.05),F(xiàn)0、F1、F2、F3的值分別為 2.446%、2.770%、2.825%、2.853%,與F0相比,3個施肥處理的增長幅度為13.26%、15.49%、16.66%,3個處理間增長幅度相差不大。
圖2 施肥對苜蓿干草含氮量、含磷量、含鉀量的影響Fig.2 Effects of different fertilizer treatment on N、P、K content of dry alfalfa
2.1.3不同水肥組合對紫花苜蓿干草氮含量、磷含量和鉀含量的影響 由表3可知,F(xiàn)3W2處理下苜蓿的含氮量最高,達(dá)到3.59%,較對照提升了7.59%,F(xiàn)3W3次之,氮含量與對照相比提高了6.99%,F(xiàn)2W2處理下苜蓿的含氮量最低,降至3.36%,較對照相比下降1.70%,整體比較得出,F(xiàn)3下的三個處理顯著提高了苜蓿的含氮量。
結(jié)合12個處理來看,水肥梯度對苜蓿含磷量的影響有顯著差異,F(xiàn)2W3處理下苜蓿的含磷量最高,達(dá)到0.35%,較對照增長了54.39%,F(xiàn)1W3處理下苜蓿含氮量最低,其值為0.30%,但也比對照增長了34.09%。
苜蓿的含鉀量受水肥耦合效應(yīng)的影響,但9個水肥耦合處理之間差異并不顯著,F(xiàn)3W1處理下的苜蓿含鉀量最高,值為3.12%,F(xiàn)2W1處理下苜蓿含鉀量最低,為2.69%,與對照相比,增幅為9.98%~27.56%。
表3 不同水肥處理對苜蓿干草含氮量、含磷量、含鉀量的影響Table 3 Different water and fertilizer treatment effects on dry alfalfa N、P、K content
2.2.1灌水對紫花苜蓿干草粗蛋白、粗脂肪、酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量的影響 由圖3與表4可知,灌水對苜蓿粗蛋白含量無顯著影響(P=0.9664>0.05),W1、W2、W3的值分別為21.24%、21.31%、21.35%,隨著灌水量的增加,苜蓿粗蛋白含量呈上升趨勢,W3處理下的苜蓿粗蛋白含量最高,與W1相比,增幅為0.51%。
苜蓿的粗脂肪含量在施肥處理下顯著降低(P<0.05),隨著灌水量的增加苜蓿粗脂肪含量呈下降趨勢,W1、W2、W3處理的值分別為3.11%、2.93%、2.69%,W3處理較W1處理下降了13.50%。
W1、W2、W3處理下的酸性洗滌纖維含量分別為29.93%、31.30%、30.57%,隨著灌水量的增加,酸性洗滌纖維含量呈先上升后下降的趨勢,但灌水對苜蓿的酸性洗滌纖維含量并無顯著影響,各施肥梯度上變化不大,W1~W3處理間的酸性洗滌纖維變化幅度為4.59%。
灌水對苜蓿中性洗滌纖維含量有顯著影響(P<0.05),W1、W2、W3處理下,值分別為40.20%、42.51%、39.96%,隨著灌水量的增加,中性洗滌纖維含量先升高后降低,W1~W3處理間的中性洗滌纖維變化幅度為5.98%,與苜蓿酸性洗滌劑的變化規(guī)律相同。
表4 不同水肥處理下苜蓿干草營養(yǎng)成分的方差分析Table 4 Results of variance analysis in dry alfalfa nutrient content with different water and fertilizer treatment
2.2.2施肥對紫花苜蓿干草營養(yǎng)成分的影響 結(jié)合圖4與表4可知,施肥對苜蓿粗蛋白含量有顯著影響(P<0.05),F(xiàn)0、F1、F2、F3的值分別為20.85%、20.92%、21.10%、22.32%,隨著施肥量的增加,苜蓿粗蛋白含量呈上升趨勢,F(xiàn)3下的苜蓿粗蛋白含量最高,與對照相比,增幅為7.03%,與F0、F1、F2處理都有顯著差異,F(xiàn)1、F2處理與對照相比增幅為1.20%,并無顯著差異。
苜蓿的粗脂肪含量在施肥處理下升高,F(xiàn)1、F2、F3處理與對照相比上升幅度為4.01%~22.34%,三個施肥處理間隨著施肥量的增加呈上升的趨勢,差異顯著(P<0.05)。
F0、F1、F2、F3處理下的酸性洗滌纖維含量分別為30.35%、31.27%、30.61%、30.15%,苜蓿的酸性纖維含量在各施肥梯度上變化不大,隨著施肥量的增加,酸性洗滌纖維含量呈先上升后下降的趨勢,但施肥對苜蓿的酸性洗滌纖維含量并無顯著影響(P=0.7461),F(xiàn)1處理下的酸性洗滌纖維含量最高,與對照相比增長了3.04%,F(xiàn)3處理下的酸性洗滌纖維含量最低,較對照下降了0.64%。
苜蓿中性洗滌纖維含量隨著施肥量的增大,F(xiàn)0、F1、F2、F3處理下,值分別為43.14%、40.92%、40.07%、39.43%,與對照F0相比,三個施肥處理的降低幅度為5.14%、7.11%、8.59%,F(xiàn)2、F3處理與對照F0處理差異顯著(P<0.05)。
圖3 水分對苜蓿干草營養(yǎng)成分的影響Fig.3 Effects of different water treatment on nutrient content of dry alfalfa
圖4 施肥對苜蓿干草營養(yǎng)成分的影響Fig.4 Effects of different fertilizer treatment on nutrient content of dry alfalfa
2.2.3水肥耦合對紫花苜蓿干草營養(yǎng)成分的影響 由表5可以得出,F(xiàn)3W2處理下苜蓿的粗蛋白含量最高,達(dá)到22.44%,較對照提升了7.63%,F(xiàn)3W3次之,氮含量與對照相比提高了7.10%,F(xiàn)2W2處理下苜蓿的含氮量最低,降至20.51%,較對照相比下降1.63%,整體比較得出,F(xiàn)3下的三個處理顯著提高了苜蓿的含氮量,其余處理間并無明顯的規(guī)律。
12個處理中,對照F3W1處理下苜蓿的粗脂肪含量最高,達(dá)到3.79%,比對照高40.53%,水肥耦合效應(yīng)提高了苜蓿的粗蛋白含量,F(xiàn)2W3處理下苜蓿粗脂肪含量最低,其值為2.50%,較對照降低了7.29%。隨著施肥量的加大,粗脂肪的含量升高,灌水量對粗脂肪含量的影響為負(fù)效應(yīng)。
水肥處理對苜蓿的酸性洗滌纖維影響不顯著,各處理間無明顯的變化規(guī)律,根據(jù)圖表可以看出F3處理下的水肥耦合效應(yīng)對苜蓿酸性纖維含量有下降的作用,結(jié)合9個水肥耦合組合來看,苜蓿酸性纖維含量較對照變化幅度為-3.49%~8.27%。
苜蓿中性纖維含量在相同施肥處理下W2處理下的苜蓿中性洗滌纖維含量最高,12個處理相比,F(xiàn)3W3處理下苜蓿中性纖維含量最低,降至36.32%,與對照相比降低了15.80%。
表5 不同水肥處理對苜蓿干草營養(yǎng)成分的影響Table 5 The content of dry alfalfa nutrition under different water and fertilizer treatment effects
由圖5可知,全年總干草產(chǎn)量(三茬)最高的為 F3W3處理(22.01g·pot-1),F(xiàn)2W3處理(3.70 g·pot-1)次之,總干草產(chǎn)量最低的為 F0W2處理(12.08·pot-1),各處理下的全年干草產(chǎn)量均高于對照。各施肥處理下,W1與W2處理對苜蓿全年干草產(chǎn)量的影響并無差異,其中F1處理下,隨著灌水量的增加,產(chǎn)量緩慢上升,由15.24 g·pot-1增長到16.57 g·pot-1,增長幅度為8.7%;在 F2處理下,隨著灌水量的增加,全年干草產(chǎn)量先降低后增加;在 F3 處理下,W3處理與 W1、W2差異顯著,大幅度提高了全年干草產(chǎn)量;在相同施肥處理下,W3處理較 W1與 W2處理高,說明加大灌水量與提高土壤肥力可以有效的增加苜蓿干草產(chǎn)量。
圖5 不同水肥對苜蓿全年干草產(chǎn)量的影響Fig.5 Different water and fertilizer treatment effects on alfalfa dry yield
氮累積的主要表示方法是以蛋白含量的形式進(jìn)行的,蛋白含量由粗蛋白含量與產(chǎn)量構(gòu)成,單位重量的苜蓿營養(yǎng)價值與粗蛋白含量呈正相關(guān)關(guān)系。從表6中得出,苜蓿的全年產(chǎn)量、粗蛋白含量都隨著施肥量的增加呈上升趨勢,表現(xiàn)為施肥處理顯著高于對照,說明施肥可以增加苜蓿的氮累積量,提高了苜蓿的品質(zhì),對施肥量(x)與苜蓿但累積量(y)進(jìn)行回歸分析,符合一元二次方程y = 0.0061x2+ 0.0382x + 1.176(R2= 0.9856)。
表6 不同水肥處理對苜蓿干草氮累積的影響Table 6 The nitrogen accumulation of dry alfalfa under different water and fertilizer treatment effects
2.5.1不同水肥組合下紫花苜蓿全年產(chǎn)量與營養(yǎng)成分的相關(guān)性分析 紫花苜蓿全年三茬產(chǎn)量與營養(yǎng)成分的相關(guān)性分析如表7所示。苜蓿全年產(chǎn)量與苜蓿的含磷量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與苜蓿含鉀量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而苜蓿的含氮量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維與全年的干重產(chǎn)量無任何相關(guān)關(guān)系。
表7 營養(yǎng)指標(biāo)與全年干重的相關(guān)性分析Table 7 Correlation coefficients between alfalfa dry yield and nutrition of alfalfa
2.5.2不同水肥組合下紫花苜蓿全年產(chǎn)量與營養(yǎng)成分的多元線性回歸分析 假設(shè)苜蓿含磷量、含鉀量與全年干重存在線性回歸關(guān)系,利用回歸分析的方法,建立線性回歸方程,假設(shè)表達(dá)式為:y=b+a1x1+a2x2,y表示全年產(chǎn)量,b為截距,x1為含磷量,x2為含鉀量,a1、a2為系數(shù)。結(jié)果如表8所示,得到的模型顯著水平為0.0006(P<0.01),故此方程有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,根據(jù)回歸分析的結(jié)果得到回歸方程y=1.420+52.41965 x1,得出含磷量對苜蓿全年干重的影響較大,解釋了70.83%的苜蓿全年產(chǎn)量的變化。
表8 多元線性回歸方程的系數(shù)求解Table 8 The coefficient solution of multiple linear regression equation
在本試驗(yàn)的處理梯度下,紫花苜蓿干草的含氮量、含磷量與含鉀量都隨著施肥量的增大而增加,在高施肥量的作用下,苜蓿的含氮量顯著大于其他處理。而苜蓿的含磷量和含鉀量在施肥下雖有提高,但處理間效果不顯著;灌水對苜蓿NPK含量的影響不顯著,含氮量變化幅度僅為0.50%,含鉀量變化為0.92%;苜蓿在高水處理下的含磷量顯著高于低水處理;水肥耦合效應(yīng)對苜蓿的N、P、K含量有顯著影響,增加施肥量和低水處理可以使苜蓿的含氮量與含鉀量增加,而適量施肥與高水處理可以提高苜蓿的含磷量。苜蓿中的粗蛋白含量與中性洗滌纖維含量是評定其品質(zhì)的重要指標(biāo)[11]。在美國商業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)顯示,粗蛋白含量的高低是衡量紫花苜蓿品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo),粗蛋白含量高于20%的紫花苜蓿才能被評定為優(yōu)質(zhì)苜蓿,能具有更高的經(jīng)濟(jì)價值[12]。脂肪是能量最高的營養(yǎng)素,其能量含量是碳水化合物與蛋白質(zhì)的 2.4 倍左右,苜蓿中粗脂肪含量越高證明其營養(yǎng)價值也越高[13]。
馬孝慧[14]研究得出,施肥可以提高苜蓿的粗蛋白含量,降低植物纖維含量,與本試驗(yàn)研究結(jié)果相似;本試驗(yàn)處理下,紫花苜蓿的粗蛋白、粗脂肪含量隨著施肥量的增大而增加,這與劉曉靜[15]的研究結(jié)果一致。趙云[16]研究得出施入氮肥將苜蓿的粗蛋白含量從17.74%提高至18.72%,與本試驗(yàn)結(jié)果相似。蘇亞麗[17]研究得出,粗脂肪含量隨著水肥用量的增加而升高,與本研究結(jié)果一致。灌水對苜蓿粗蛋白含量、酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維無顯著影響,結(jié)合四項(xiàng)指標(biāo)來看,高水處理與增大施肥量可以提高苜蓿的品質(zhì)。
由試驗(yàn)結(jié)果得出,在苜蓿生長的初期,苜蓿需要較高的灌水量來滿足其生長需要,全年干草產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加。紫花苜蓿雖能自身固氮,但生長初期僅靠自身固氮很難滿足其生長需要,本試驗(yàn)增施復(fù)合肥料為是一種有機(jī)肥料,一方面可以提高磷肥利用率且提高土壤中微量元素的活化程度,另一方面可以調(diào)節(jié)土壤中的水、肥、氣、熱狀況,改善貧瘠土壤,讓其成為良田,還能促進(jìn)促進(jìn)微生物的活性[18],肖金帥[19]研究發(fā)現(xiàn),N、P、K 配施效果優(yōu)于單施。郝明德[20]研究發(fā)現(xiàn),在 NPM施肥區(qū)苜蓿能維持較高的產(chǎn)草量,與本試驗(yàn)結(jié)果一致。本試驗(yàn)在水肥互作的作用下提高了苜蓿全年產(chǎn)草量,說明高水處理下有利于肥料的利用,而低水處理下施肥后,不能立即與肥料耦合,不利于肥效的吸收利用,故而在較高的土壤肥力條件下,在苜蓿生長初期加大灌水量可以使苜蓿的產(chǎn)量達(dá)到最高。
砂性土壤上,全年干草產(chǎn)量隨著灌水量的增加而增加,水肥處理對苜蓿的 N、P、K 含量有顯著影響,紫花苜蓿的 N、P、K 含量都隨著施肥量的增大而增加;紫花苜蓿的全年產(chǎn)量與苜蓿的含磷量呈極顯著正相關(guān),苜蓿的含磷量與全年產(chǎn)量間符合 y=1.420+52.41965x1的線性回歸關(guān)系。紫花苜蓿的粗蛋白、粗脂肪含量隨著施肥量的增大而增加,苜蓿的酸性洗滌纖維含量、中性洗滌纖維含量隨著施肥量的增大而降低。結(jié)合這幾項(xiàng)指標(biāo)來看,最佳的水肥組合為 F3W3即250 kg·hm-2施肥量與 80%~85%田間持水量。