肖祥銘,常生華,賈倩民,彭澤晨,張 程,劉永杰,吳恩平,侯扶江
(1. 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)教育部工程研究中心 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州 730020;2. 甘肅薈榮草業(yè)有限公司,甘肅 環(huán)縣 745700)
長(zhǎng)期以來(lái)由于氣候變化和人類活動(dòng),導(dǎo)致隴東地區(qū)植被覆蓋率低[1],水土流失嚴(yán)重[2]。水資源的匱乏也使該地區(qū)的生態(tài)治理和植被恢復(fù)具有一定困難[3]。與耕地相比,草地的需水量較小,能形成較好的地表覆蓋,減少土壤水分蒸發(fā),有利于水土保持[4],而且栽培草地兼具多種功能,可以充分發(fā)揮牧草生產(chǎn)潛能,實(shí)現(xiàn)草地畜牧業(yè)集約化發(fā)展,有效保護(hù)生態(tài)環(huán)境[5]。隴東地區(qū)溝壑縱橫,在區(qū)域尺度上呈現(xiàn)黃土塬、黃土梁、黃土峁的分布格局,導(dǎo)致栽培草地的大面積機(jī)械化生產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)[6]。而放牧是一種傳統(tǒng)、高效的土地管理方式,可以維持草地的高生產(chǎn)力,改善家畜的健康狀況并提高畜產(chǎn)品質(zhì)量[7]。合理放牧使家畜糞便以及植被枯落物經(jīng)家畜踩踏進(jìn)入土壤,使土壤有機(jī)質(zhì)含量增加,同時(shí)也增加了土壤速效養(yǎng)分的含量[8]。因此,建植栽培草地進(jìn)行放牧是隴東地區(qū)發(fā)展畜牧業(yè)和改善生態(tài)環(huán)境的重要措施。
混播草地通過(guò)合理配置牧草種類,使牧草的適應(yīng)性和抗逆性得到互補(bǔ),提升群落的穩(wěn)定性[9],從而提髙草地的生產(chǎn)能力和使用年限[10]。由于不同牧草的生育期和產(chǎn)草高峰期不同,混播可以使牧草的總產(chǎn)量保持相對(duì)穩(wěn)定或增產(chǎn),并能夠抑制雜草[11]和減少病蟲(chóng)害[12]。禾、豆牧草混播可以充分發(fā)揮牧草種間的互補(bǔ)作用,充分利用光照、熱量、水分和養(yǎng)分等資源[13],不但能夠提高牧草產(chǎn)量[14],而且能提升牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和適口性[15]。劉敏等[16]研究表明,禾-豆混播草地可增加牧草的粗蛋白含量,降低粗纖維含量,從而改善牧草品質(zhì)。另外,劉秀麗和李元恒[17]研究認(rèn)為,禾-豆混播還可以防止家畜因采食單一豆科牧草而發(fā)生的臌脹病或中毒現(xiàn)象,保證家畜的健康和全面的營(yíng)養(yǎng)攝取。因此,在隴東地區(qū)研究禾-豆混播草地對(duì)提升草地生產(chǎn)力和促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。
除種植方式外,施肥也是提高牧草產(chǎn)量和改善牧草品質(zhì)的重要措施,其中氮肥的作用最為明顯[18]。氮是決定牧草生物量的限制因子,土壤中氮素的缺乏將影響牧草的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[19],而合理施用氮肥是補(bǔ)充土壤氮素、提高牧草產(chǎn)量最有效的措施[20-21]。施用氮肥以后紅豆草(Onobrychis viciifolia)的產(chǎn)量能顯著提高[22],并提高粗蛋白的含量[23]。氮也是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的重要組分,適量施用能促進(jìn)牧草的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),有效增加牧草的株高、葉面積、分蘗數(shù)等[24],從而提高牧草產(chǎn)量。還有研究指出,適量的氮肥能提高牧草蛋白產(chǎn)量,降低牧草的中、酸性洗滌纖維含量,提高牧草適口性,從而改善牧草品質(zhì)[25-26]。施氮還顯著增加了無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)中粗蛋白和粗脂肪的含量[27],但是,大量施氮不僅會(huì)增加種植成本,還會(huì)造成土壤環(huán)境污染,故應(yīng)針對(duì)不同的土壤性質(zhì)和牧草種類確定合理的施氮量[28]。
綜上所述,放牧、混播及施氮都是有效提高栽培草地產(chǎn)量和品質(zhì)的管理措施,但這些措施是否適宜隴東地區(qū)以及在該地區(qū)對(duì)牧草產(chǎn)量和品質(zhì)的影響效應(yīng)仍不清晰。因此,本研究設(shè)置刈割和放牧兩種管理方式,各管理方式下設(shè)3 個(gè)施氮水平以及紅豆草單播、無(wú)芒雀麥單播和二者混播3 種種植模式,探究放牧、施氮和混播對(duì)牧草產(chǎn)量與品質(zhì)的影響,為隴東地區(qū)建植高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的栽培草地提供參考。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于甘肅環(huán)縣蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(36°29′ N,107°54′ E,海拔1 218 m),為典型的黃土高原氣候區(qū),年均降水量430 mm,多集中在7 月 -9 月,占全年降水量的58%;年均氣溫9.2 ℃,全年無(wú)霜期約165 d,年均日照時(shí)數(shù)2 596 h。
本研究采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì),主區(qū)分為放牧和刈割2 種利用方式,副區(qū)為紅豆草單播(H)、無(wú)芒雀麥單播(W)、紅豆草和無(wú)芒雀麥混播(WH) 3 種種植模式,副副區(qū)為不施氮(N1)、施氮80 kg·hm-2(N2)和施氮160 kg·hm-2(N3) 3 種施氮梯度,共18 個(gè)處理。每個(gè)處理設(shè)3 個(gè)重復(fù),共54 個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)8 m,寬5 m,小區(qū)之間設(shè)置1 m 保護(hù)行,在進(jìn)行放牧試驗(yàn)的小區(qū)周圍安裝圍欄。2018 年8 月種植牧草,采用條播方式,行距30 cm,播種深度為2~3 cm,混播處理兩種牧草種子分別同行條播。紅豆草單播處理的播種量為100 kg·hm-2,無(wú)芒雀麥單播處理的播種量為45 kg·hm-2,混播草地紅豆草和無(wú)芒雀麥的播種量分別為50 和22.5 kg·hm-2。2019 年對(duì)草地進(jìn)行施肥,N1處理不施氮肥,N2處理在返青期施氮80 kg·hm-2,N3處理在返青期和第一次刈割后分別施氮肥80 kg·hm-2。每30 d 放牧一次,每個(gè)小區(qū)放牧10 只羊,每次放牧?xí)r間為3~5 d,放牧后牧草的留茬高度在5~8 cm,全年共放牧6 次。刈割處理按照當(dāng)?shù)毓芾矸绞皆谀敛莩趸ㄆ谶M(jìn)行刈割,即5 月25 號(hào)、7 月24 號(hào)和9 月22 號(hào),全年共刈割3 次。
放牧處理在放羊前,刈割處理在牧草初花期,在各小區(qū)隨機(jī)選取3 個(gè)1 m × 1 m 樣地進(jìn)行刈割(留茬高度5 cm)并稱取鮮重,帶回實(shí)驗(yàn)室用烘箱在65 ℃烘48 h 以上至恒重后測(cè)量干重。放牧處理的總鮮、干草產(chǎn)量分別為當(dāng)年6 次刈割的鮮、干草產(chǎn)量之和,刈割處理的總鮮、干草產(chǎn)量分別為當(dāng)年3 次刈割的鮮、干草產(chǎn)量之和。將烘干后的牧草樣品進(jìn)行粉碎,裝入自封袋用于營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定。采用近紅外光譜分析儀(FOSS-Infratec TM 1 241)測(cè)定牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì),包括粗蛋白(crude protein, CP)、粗脂肪(ether extract, EE)、中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber, ADF)的含量,所用數(shù)據(jù)庫(kù)為自建的紅豆草和無(wú)芒雀麥數(shù)據(jù)庫(kù)。利用公式[29]計(jì)算相對(duì)飼用價(jià)值(relative feeding value, RFV)。
采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及制圖,使用SPSS-16 軟件進(jìn)行多因素方差分析,不同處理之間多重比較采用圖基法(Tukey's Method),顯著性水平設(shè)為P < 0.05。
放牧方式下的總鮮、總干草產(chǎn)量和RFV 顯著高于刈割(P < 0.05),而EE、NDF 和ADF 含量顯著低于刈割(P < 0.05) (表1)。各種植模式的總鮮草和干草產(chǎn)量大小為WH > H > W,CP 和EE 大小為H >W(wǎng)H > W,各類型間差異顯著(P < 0.05);WH 和H 處理的NDF 和ADF 顯著低于W (P < 0.05),因而顯著提高RFV (P < 0.05)。各施氮處理總鮮、干草產(chǎn)量和粗脂肪的大小為N3> N2> N1,各處理間差異顯著(P <0.05);N3處理的粗蛋白含量顯著高于N1(P < 0.05),而NDF 和ADF 顯著低于N1(P < 0.05),從而顯著提高了RFV (P < 0.05)。
在放牧方式下,各處理的鮮草產(chǎn)量為第1 茬最高,其次是第2 茬,第6 茬最低(表2)。放牧方式下WH 和H 種植模式N2、N3的第1~6 茬鮮草產(chǎn)量均顯著高于N1(P < 0.05),W 種植下N2、N3的第1 和第6 茬鮮草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),而其他茬次N2與N1無(wú)顯著差異(P > 0.05)。放牧方式下的同一施氮水平下,WH 和H 的第1~5 茬鮮草產(chǎn)量顯著高于W (P < 0.05),而在N1水平下各種植模式的第6 茬鮮草產(chǎn)量差異不顯著(P > 0.05)。在刈割方式下,各處理的鮮草產(chǎn)量大小為第1 茬 > 第2 茬 > 第3 茬。刈割方式下的同一種植模式,N2和N3的第1~3茬鮮草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),N2與N3無(wú)顯著差異(P > 0.05);同一施氮水平下,WH 和H 的第1~3 茬鮮草產(chǎn)量顯著高于W (P < 0.05),而WH 與H 差異不顯著(P > 0.05)。WH 和H 種植下N2、N3的年總鮮草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),N2與N3差異不顯著(P > 0.05);W 種植下N3的年總鮮草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),而N2與N1無(wú)顯著差異(P >0.05);同一施氮水平下,WH 與H 的年總鮮草產(chǎn)量差異不顯著(P > 0.05),但二者顯著高于W (P < 0.05)。
表 1 各指標(biāo)的因素顯著性及因素水平平均值Table 1 Significance of factors and the average level of factors of each indicator
在放牧方式下,各處理的干草產(chǎn)量為第1 茬最高,其次是第2 茬,第6 茬最低(表3)。放牧方式下WH種植模式N2、N3的第1~6 茬干草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),H 類型下N2、N3的第2~6 茬干草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),W 類型下N3的第2~6 茬干草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),而N1和N2的第1~4 茬干草產(chǎn)量無(wú)顯著差異(P > 0.05)。放牧方式下的同一施氮水平下,WH 和H 的第1~6 茬干草產(chǎn)量顯著高于W (P < 0.05)。在刈割方式下,各處理的干草產(chǎn)量大小為第1 茬 > 第2 茬 > 第3 茬。刈割方式下,3 種種植模式N2和N3的第1~3 茬干草產(chǎn)量顯著高于N1(P < 0.05),N2與N3無(wú)顯著差異(P > 0.05);同一施氮水平下,WH 和H 的第1~3 茬干草產(chǎn)量顯著高于W (P < 0.05),WH 與H 的第1 茬干草產(chǎn)量差異不顯著(P > 0.05),而第2 和第3 茬差異顯著(P <0.05)。WH 和H 種植模式下N2、N3的年總干草產(chǎn)量顯 著 高 于N1(P < 0.05),N2與N3差 異 不 顯 著(P >0.05);W 類型下N3的年總干草產(chǎn)量顯著高于N1(P <0.05);同一施氮水平下,WH 的年總干草產(chǎn)量顯著高于H (P < 0.05),WH 和H 顯著高于W (P < 0.05)。
在放牧和刈割利用方式下,3 種種植模式各茬牧草CP 含量均為N3處理最高,其次是N2處理,N1處理最低;同一施氮水平第1~6 茬H 的CP 含量略高于WH,二者差異不顯著(P > 0.05),W 的CP 含量最低,且顯著低于H 和WH (P < 0.05) (表4)。各處理均為N3處理的年平均CP 含量最高;同一施氮水平下,H 的年平均CP 含量最高,與WH 差異不顯著(P > 0.05),但二者顯著高于W (P < 0.05)。
表 2 不同處理下各茬牧草的鮮草產(chǎn)量Table 2 Fresh grass yield of each stubble of forage under different treatments
(表5) 放 牧 方 式 下,WH 和H 種 植 模 式 第1~6 茬EE 含量逐漸降低,W 類型下第3 茬的EE 含量最高。放牧方式下WH 和H 類型下,N2、N3處理的EE 含量無(wú)顯著差異(P > 0.05),二者顯著高于N1差異顯著(P < 0.05);W 類型下的N2、N3處理EE 含量無(wú)顯著差異(P > 0.05)。放牧方式下的同一施氮水平下,WH 和H 之間的EE 含量差異不顯著(P > 0.05)。在刈割方式下,WH 和H 第1~3 茬EE 含量逐漸降低;WH 和H 類 型EE 含 量:第1 茬 > 第2 茬 >第3 茬;W 方式EE 含量:第2 茬 > 第3 茬 > 第1 茬;同一施氮水平下,EE 含量:H > WH > W。平均值顯示,WH 類型下N2和N3無(wú)顯著差異(P > 0.05),W類型下N1和N2無(wú)顯著差異(P > 0.05);同一施氮水平下,WH 與H 的年平均EE 含量差異不顯著(P >0.05),但二者顯著高于W(P < 0.05)。
在放牧方式下,各處理第1 茬的NDF 含量最高(表6)。在刈割方式下,各處理第1 茬的NDF 含量最高。放牧和刈割方式下同一種植模式各茬牧草的NDF 含量為N3< N2< N1。放牧和刈割方式下同一施氮水平下各茬牧草的NDF 含量大小為H < WH <W。平均值顯示,3 種種植模式同一施氮水平的年平均NDF 含量差異不顯著(P > 0.05)。
表 3 不同處理下各茬牧草的干草產(chǎn)量Table 3 Hay yield of each stubble of forage under different treatments
表 4 不同處理下各茬牧草的粗蛋白含量Table 4 Crude protein content of each stubble of forage under different treatments
表 5 不同處理下各茬牧草的粗脂肪含量Table 5 Ether extract content of each stubble of forage under different treatments
放牧方式下各處理第1 茬的ADF 含量最高,在刈割方式下,除HN1外,各處理第2 茬的ADF 含量最高(表7)。放牧和刈割方式下同一種植模式第1~6 茬和1~3 茬的ADF 含量為N3< N2< N1。放牧和刈割方式下同一施氮水平下各茬牧草的ADF含量大小為H < WH < W。同一種植模式兩種利用方式的年平均ADF 含量差異不顯著(P > 0.05)。
在放牧方式下,各處理第1 茬的RFV 最低(表8)。放牧方式下,WH 各茬次N1、N2的RFV 差異不顯著(P > 0.05);H 第2~5 茬3 種施氮水平的RFV 差異不顯著(P > 0.05);W 各茬次N1的RFV 顯著高于N3(P <0.05);同一施氮水平下,WH 和H 各茬次RFV 的差異不顯著(P > 0.05)。在刈割條件下,WH 和H 的RFV 大小為第3 茬 > 第2 茬 > 第1 茬;W 第2 茬的RFV 最高;3 種種植模式的RFV 均為N3> N2> N1;同一施氮水平下,WH 和H 各茬次之間RFV 的差異不顯著(P > 0.05)。平均值顯示,3 種種植模式的年平均RFV 均為N3> N2> N1;同一施氮水平下,WH與H 的年平均RFV 高于W (P < 0.05)。
周秉榮等[30]的研究顯示,高寒草甸在適度放牧的情況下能提高牧草的總產(chǎn)量,但過(guò)度放牧?xí)?duì)草地產(chǎn)生破壞。徐智超等[31]對(duì)內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)混播栽培草地的研究表明,與傳統(tǒng)刈割相比,合理放牧可以提高草地的生產(chǎn)能力。本研究結(jié)果與徐智超等[31]的研究一致,放牧較刈割顯著增加了牧草的總鮮、干草產(chǎn)量。這是由于合理放牧有利于牧草的再生,對(duì)牧草恢復(fù)生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,能夠使草地生產(chǎn)力維持在較高水平,并且通過(guò)刺激植物補(bǔ)償性生長(zhǎng)增加草地的利用次數(shù)[32]。
表 6 不同處理下各茬牧草的中性洗滌纖維含量Table 6 Neutral detergent fibers content of each stubble of forage under different treatments
表 7 不同處理下各茬牧草的酸性洗滌纖維含量Table 7 Acid detergent fiber content of each stubble of forage under different treatments
表 8 不同處理下各茬牧草的相對(duì)飼用價(jià)值Table 8 Relative feeding value of each stubble of forage under different treatments
柴林榮等[33]研究表明,在適宜的放牧強(qiáng)度下,牧草粗蛋白含量增加,且隨著放牧強(qiáng)度的增大,酸性洗滌纖維含量呈下降趨勢(shì),而粗脂肪含量呈增加趨勢(shì)。章異平等[34]研究也表明,在放牧干擾下草甸的粗蛋白和粗灰分呈增加趨勢(shì),而酸性和中性洗滌纖維含量有所下降,這說(shuō)明放牧并沒(méi)有降低牧草品質(zhì)。但是,也有研究[35-36]表明,過(guò)度放牧使得牧草中粗蛋白和灰分含量降低,纖維含量增多,進(jìn)而導(dǎo)致牧草品質(zhì)下降。本研究表明,放牧條件下的牧草粗蛋白和粗脂肪含量與刈割無(wú)顯著差異,但放牧處理顯著降低了中性洗滌纖維含量,進(jìn)而提高了相對(duì)飼用價(jià)值。原因可能是放牧加速了牧草-土壤氮循環(huán),促進(jìn)了牧草對(duì)土壤氮的吸收,進(jìn)而提高牧草的粗蛋白和粗脂肪含量,改善了牧草品質(zhì)[37]。
氮在植物生長(zhǎng)過(guò)程中具有關(guān)鍵性作用,氮肥的使用可以有效提高土壤中可利用氮的含量,能促進(jìn)牧草的生長(zhǎng)[38]。研究表明氮肥對(duì)栽培草地的地上生物量影響最為顯著,高于鉀肥和磷肥,使牧草生物量提高25%以上[39]。禾本科對(duì)施肥敏感,所以合理施肥能在一定程度上彌補(bǔ)水分不足導(dǎo)致的減產(chǎn)[40]。在甘南高海拔草地施用氮肥能顯著增加禾-豆混播草地的草產(chǎn)量,比對(duì)照組提高了98.1%[41]。紅豆草雖然是豆科牧草,但同樣需要氮肥的補(bǔ)充,且在不同施肥配比下,純氮處理獲得了最大的草產(chǎn)量[42]。本研究結(jié)果與以上研究一致,無(wú)論是單播還是混播處理,與不施氮相比,隨施氮量的增加,總鮮、總干草產(chǎn)量增加。原因可能是氮肥能改善植株的生長(zhǎng)發(fā)育特性,顯著提高禾本科的株高、分蘗密度和小穗數(shù)[43]。楊桂英等[44]研究表明,無(wú)芒雀麥干物質(zhì)中的粗蛋白含量隨施氮量的增加而上升。王德勝等[45]研究說(shuō)明,施氮提高了豆科牧草的粗蛋白含量,并能降低酸性和中性洗滌纖維含量。本研究顯示,施氮顯著提高牧草粗蛋白含量和粗脂肪含量,而酸性和中性洗滌纖維的含量降低,并提高了相對(duì)飼用價(jià)值。
禾-豆混播的種植方式可提高牧草干物質(zhì)產(chǎn)量,改善飼用品質(zhì)[46]。苜蓿和無(wú)芒雀麥、老芒麥(Elymus sibiricus)混播,較禾草單播可顯著提高產(chǎn)量,苜蓿和高羊茅(Lolium arundinaceum)混播較苜蓿(Medicago sativa)單播也顯著提高了產(chǎn)草量[47]。在新疆極干旱的條件下,紅豆草和高冰草(Thinopyrum ponticum)的混播較單播顯著提高了鮮草產(chǎn)量[48]。本研究結(jié)果顯示,同一施氮水平下,無(wú)論是放牧還是刈割條件,禾-豆混播的總鮮草產(chǎn)量略高于紅豆草單播,但顯著高于無(wú)芒雀麥單播。通常情況下,豆科牧草的粗蛋白含量要高于禾本科牧草[49],禾-豆混播后牧草粗蛋白含量高于禾本科牧草單播[50]。郭孝等[51]研究表明,無(wú)芒雀麥與苜?;觳ツ芴岣吣敛轄I(yíng)養(yǎng)價(jià)值,與無(wú)芒雀麥單播相比,混播草地的粗蛋白質(zhì)、粗脂肪含量分別提高了22.80%和10.59%,粗纖維降低了9.33%,說(shuō)明混播較單播有利于提高牧草的產(chǎn)量和品質(zhì)。有研究報(bào)道,紅豆草單播的粗蛋白含量最高,紅豆草和無(wú)芒雀麥混播次之,無(wú)芒雀麥單播最低[52]。本研究表明,混播草地的粗蛋白、粗脂肪含量及相對(duì)飼用價(jià)值顯著高于無(wú)芒雀麥單播,并降低了中性洗滌纖維含量。這是由于混播中豆科牧草的固氮作用促進(jìn)了混播草地對(duì)土壤氮的吸收利用,并且豆科牧草的粗蛋白含量較高,進(jìn)而使混播草地的粗蛋白含量增加[53]。
放牧較刈割可提高總鮮、總干草產(chǎn)量,明顯降低粗脂肪、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量,進(jìn)而提高相對(duì)飼用價(jià)值。與無(wú)芒雀麥單播相比,紅豆草單播和兩者混播顯著提高了鮮干草產(chǎn)量以及粗蛋白、粗脂肪含量,顯著降低了中性洗滌纖維含量,進(jìn)而提高相對(duì)飼用價(jià)值??傰r、總干草產(chǎn)量隨施氮量的增加顯著增高,施氮條件下的粗蛋白、粗脂肪含量和相對(duì)飼用價(jià)值顯著高于不施氮處理,而中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量顯著低于不施氮。所有處理中,放牧條件下無(wú)芒雀麥和紅豆草混播草地施氮160 kg·hm-2的鮮干草產(chǎn)量最高,且品質(zhì)優(yōu)良,是一種適宜隴東地區(qū)栽培草地的管理措施。