干旱條件下氮磷添加對羊草干草產量及飼用品質的影響

李文晶， 王俊鋒*， 高曉荻， 石玉杰， 穆春生

(1. 東北師范大學生命科學學院草地科學研究所植被生態(tài)科學教育部重點實驗室，吉林松嫩草地生態(tài)系統國家野外科學觀測研究站， 吉林 長春 130024；2. 吉林省氣象臺， 吉林 長春 130062)

化學合成肥料添加(尤其是氮磷肥)是提高作物產量和品質的重要措施。氮(Nitrogen,N)是限制草地生物量生產的營養(yǎng)物質之一，添加氮素不僅可以增加提高植物光合作用、提高植株總產量，還可以改變植物體內營養(yǎng)成分含量[1-4]，如增加植物的粗蛋白質含量等[5-6]。自然條件下，土壤中磷素(Phosphorus,P)主要來源于礦物巖石的礦化[7]。研究發(fā)現在植物關鍵的生長階段，土壤中的速效磷含量與小麥等作物產量[8],狗牙根等多年生植物的地上凈初級生產力[9]呈顯著正相關關系。一般而言，生態(tài)系統中磷與氮具有功能耦合性，氮添加會提高土壤以及植物體內磷的活性，加快磷在陸地生態(tài)系統中的循環(huán)速率[10]，且這種耦合性對植物生長的促進作用往往依賴于土壤水分狀況。當前，以降雨格局變化為代表的全球氣候變化正在發(fā)生[11-14]，并對各國草牧業(yè)發(fā)展持續(xù)產生巨大影響。地處我國北方的農牧區(qū)降雨較少，且近年來干旱化趨勢較為明顯[15-16]。因此，探索未來草地在干旱條件下，氮磷添加對植物生長和品質的影響，不僅對人工草地的養(yǎng)分管理具有重要意義，而且可為天然草地生產力提升具有重要借鑒意義。

羊草(Leymuschinensis)屬禾本科賴草屬多年生根莖型植物，具有發(fā)達的根狀莖，葉量大、營養(yǎng)豐富、適口性好，為牛羊等家畜所喜食，被廣泛的作為優(yōu)質牧草使用[17-18]。該草一般在4月中上旬返青、5月下旬抽穗、6月上旬開花、7月下旬到8月初種子成熟，是歐亞大陸草原區(qū)東端草甸草原的建群種，具有抗逆、耐牧、優(yōu)質和高產等特點[19-20]。本試驗以羊草為研究對象，研究不減雨及減雨條件下氮磷添加對其產量和品質的影響，以期闡明羊草草地在干旱化條件下的適應性施肥措施。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 試驗設計

本試驗于2018年6月3日開始進行，為隨機區(qū)組試驗。此時羊草正處于抽穗末期，生長發(fā)育速度逐漸加快。設置降水量(對照、減雨30%)，氮添加(N:0、純氮100 kg·ha-1·a-1)、磷添加(P:0、純磷100 kg·ha-1·a-1)3個因素，共計8個處理，每個處理6次重復。氮素類型為含氮量為35%的硝酸銨，磷素類型為含磷量為12%的過磷酸鈣。氮、磷的添加量根據之前羊草草地的施肥結果進行添加。營養(yǎng)添加在6，7，8月份進行，每月每盆用天平分別稱0.67 g氮肥和2.23 g磷肥，將肥料溶入水中(水量依據設計梯度計算)，每月共施3次。

以盆栽控制試驗的方式進行，每盆30株羊草。試驗開始前，統計東北師范大學松嫩草地生態(tài)研究站附近50年的降雨數據(來源于東北師范大學松嫩草地生態(tài)研究站氣象站)，計算不同年份每月的平均降雨量，并將其設置為對照(D0)。以對照為基礎，設置減雨量30%處理(D1)。依據過去50年的降雨量(6，7，8月平均降雨量為70.1 mm，145.8 mm，98.3 mm)和降雨量大于0.1 mm的降雨次數，本試驗設計的每個月的模擬澆水次數和降水量見表1。

表1 降水量和澆水次數

1.3 取樣與測定方法

2018年8月29日，羊草地上生物量達到穩(wěn)定期時，將每盆中所有羊草齊地面刈割，分別放入信封中置于65℃烘箱烘干至恒重，獲得羊草產量[21]。在測定羊草蛋白質含量時，首先用石墨消解儀對植物樣品進行消解(SH420F,AMS,France)，然后利用全自動間斷化學分析儀(SmartChem450,AMS,France)測定羊草含氮量，最后將含氮量折算為蛋白質含量[22]。中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維以及酸性洗滌木質素均利用M6纖維分析儀進行測定[23]。羊草灰分利用馬弗爐在550℃條件下灼燒植物樣品測定，粗脂肪含量利用索氏抽提法進行測定[24]。

1.4 數據處理

所有的試驗數據均采用SPSS20.0(SPSS InstituteInc.,Chicago,IL,USA)軟件進行統計分析。干旱、氮、磷處理以及交互作用對各指標的影響用一般線性模型三因素方差分析得出。D0和D1條件下，不同養(yǎng)分添加處理間的差異用Duncan多重比較得出。同一營養(yǎng)添加處理下，D0與D1間的差異用獨立樣本T檢驗得出。顯著性檢驗均采用P=0.05水平。所有數據均采用SigmaPlot12.5做圖。

2 結果與分析

2.1 不同營養(yǎng)添加對羊草產量的影響

羊草產量受到氮添加主效應的極顯著影響(P<0.01)及干旱和氮×磷交互效應的顯著影響(P<0.05)(表2)。對照降雨條件下，氮添加與氮磷同時添加分別使羊草產量顯著增加79.86%，97.08%(P<0.05)(圖1)；減雨條件下，氮添加與氮磷同時添加時分別使羊草產量顯著增加56.35%，77.08%(P<0.05)。無論在對照還是減雨條件下，磷添加對羊草產量都沒有顯著影響。

表2 干旱、氮、磷添加以及3者交互作用對羊草飼用品質影響的方差分析

圖1 營養(yǎng)添加與干旱對羊草干草產量的影響

2.2 不同營養(yǎng)添加對羊草飼用品質的影響

2.2.1粗蛋白含量羊草的粗蛋白含量受到氮、磷添加主效應的極顯著影響(P<0.01)及干旱×氮交互效應的顯著影響(P<0.05)(表2)。對照降雨條件下，氮添加處理下羊草粗蛋白含量最高，為9.6%，較不添加處理增加3.2%，氮磷同時添加時粗蛋白含量次之，為8.9%，較不添加處理增加2.5%，而單獨磷添加對粗蛋白含量無明顯影響(圖2a)。減雨條件下，羊草粗蛋白含量的變化與對照降雨條件下的變化趨勢相同。

2.2.2粗脂肪含量 羊草的粗脂肪含量受到氮添加和磷添加的極顯著影響(P<0.01)(表2)。對照降雨條件下，氮添加、氮磷同時添加處理分別使羊草粗脂肪含量顯著增加0.8%，1%(P<0.05)，而單獨磷添加對粗脂肪含量無明顯影響(圖2b)。減雨條件下，氮磷同時添加時粗脂肪含量最高，為4.3%，較不添加處理增加1.3%。

2.2.3中性洗滌纖維含量 羊草的中性洗滌纖維含量受到干旱×磷顯著影響(P<0.05)及干旱×氮×磷交互效應的極顯著影響(P<0.01)(表2)。對照降雨條件下，氮添加使羊草中性洗滌纖維含量顯著降低了5.0%(圖3a)。減雨條件下，氮磷同時添加處理使羊草中性洗滌纖維含量顯著降低6.1%。氮磷同時添加時，對照降雨和減雨處理之間差異顯著，減雨并氮磷同時添加處理時中性洗滌纖維含量顯著低于對照降雨并氮磷同時添加處理。

圖2 營養(yǎng)添加與干旱對羊草粗蛋白和粗脂肪含量的影響

2.2.4酸性洗滌纖維含量 羊草的酸性洗滌纖維含量受到氮添加主效應的極顯著影響(P<0.01)以及干旱、氮×磷、干旱×氮×磷交互效應的顯著影響(P<0.05)(表2)。對照降雨條件下，單獨磷添加對羊草酸性洗滌纖維含量有增加效應且含量最高，為37.2%，較不添加處理增加了3.6%(圖3b)。減雨條件下，氮添加、磷添加和氮磷同時添加對酸性洗滌纖維含量均無明顯影響。磷添加時，對照降雨比減雨時羊草酸性洗滌纖維含量顯著增加4.1%。

2.2.5酸性洗滌木質素含量 羊草的酸性洗滌木質素含量受到磷添加主效應的極顯著影響(P<0.01)(表2)。對照降雨條件下，單獨磷添加時羊草酸性洗滌木質素含量最高，為22.2%，氮磷同時添加時酸性洗滌木質素含量最低，為2.9%，較不添加處理顯著降低10%(圖4)。減雨條件下，羊草酸性洗滌木質素含量的變化與對照降雨時的變化趨勢相同。

圖3 營養(yǎng)添加與干旱對羊草中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量的影響

圖4 營養(yǎng)添加與干旱對羊草酸性洗滌木質素含量的影響

2.2.6灰分含量 羊草的灰分含量受到干旱、氮添加和磷添加的極顯著影響(P<0.01)以及氮×磷交互效應顯著影響(P<0.05)(表2)。對照降雨和減雨條件下，單獨磷添加時羊草灰分含量最高分別為7.4%和6.8%，較不添加處理分別增加了1.1%和1.0%(圖5)。其他處理對灰分含量沒有顯著影響。

圖5 營養(yǎng)添加與干旱對羊草灰分含量的影響

3 討論

3.1 營養(yǎng)添加對生物量生產的影響

在草地生態(tài)系統中，氮磷肥是影響牧草生產的重要因素。許多研究表明，氮磷肥添加在增加牧草產量的同時亦可提高牧草品質[25-26]。本試驗結果表明，不論降雨量如何變化，氮添加和氮磷同時添加均可提高羊草產量，而磷添加時對羊草產量無明顯影響，這與前人的研究結果不一致[27-28]，其原因可能是土壤對磷素具有強烈的固定作用，大部分磷肥以非活性形態(tài)累積在土壤中[29]，成為限制羊草產量提高的主要因素。從試驗結果中可以看到，對照條件下，氮磷添加時羊草產量比減雨時的影響更明顯，說明氮磷對羊草生產力的作用更依賴于土壤中水分的含量。

3.2 營養(yǎng)添加對牧草品質的影響

優(yōu)質牧草一般都具有較高粗蛋白和粗脂肪等特點，粗蛋白反映了牧草能夠滿足動物蛋白質需求的能力，而粗脂肪不僅是熱能的主要來源，還具有芳香氣味，是衡量牧草適口性的重要參數[30-31]。與不添加營養(yǎng)相比，草地氮添加和氮磷同時添加時可以增加粗蛋白和粗脂肪含量，使飼草品質升高，這與前人研究結果一致[2,32]。合理的添加磷肥能夠使植物莖枝堅韌，促使花芽形成，并能使植物生長發(fā)育良好、多發(fā)新根，提高對外界不良環(huán)境的抵抗能力。在本試驗中，磷添加對粗蛋白和粗脂肪含量無顯著影響，其原因可能與土壤水分相對不足，磷素在缺水的情況下對植物生長不起作用有關[33]。

牧草營養(yǎng)品質很大程度上取決于洗滌纖維的含量，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維主要包括纖維素、半纖維素、木質素和硅酸鹽，其含量高低影響家畜采食量及家畜對牧草的消化率情況。中性洗滌纖維含量太高對干物質采食量產生負效應[34]，其含量越高適口性越差[35]；酸性洗滌纖維含量與養(yǎng)分消化率成負相關，直接影響家畜對牧草的消化率[36]。本試驗結果表明無論干旱與否，施氮能明顯改善羊草的產量和飼用品質。然而，在干旱情況下(即減雨時)添加氮磷元素并不影響羊草酸性洗滌纖維含量，而在正常降雨情況下(即對照)，添加磷素則會略微增加酸性洗滌纖維含量、酸性洗滌木質素及灰分含量，這說明磷對改善羊草飼用品質的作用更依賴于土壤中水分的含量。因此，在羊草草地施肥管理中，應少施磷肥，并注重水分管理，水肥的有效配合是提高羊草產量和品質的關鍵。

4 結論

氮添加和氮磷同時添加均能促進羊草地上生物量，并提高飼用品質。單獨磷添加對羊草的生產力和飼用品質無明顯影響。在實際生產中，考慮到草地土壤普遍較為干旱的情況，為了提高羊草生產力和營養(yǎng)品質，在施肥管理過程中，不建議單獨添加磷肥，應重點考慮氮素管理。