拉萨河谷区箭筈豌豆和黑麦混、间播建植方式研究

2018-08-18王富强向洁郭宝光余成群沈振西邵小明

草业学报 2018年8期

王富强，向洁，郭宝光，余成群，沈振西，邵小明,3*

(1.中国农业大学资源与环境学院/生物多样性与有机农业北京市重点实验室，北京 100193；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京100101；3.西藏高原草业工程技术研究中心，西藏拉萨 850000)

西藏河谷地区拥有温性草原355.33万 hm2，其面积占自治区草地的5.86%，而其牲畜数量占自治区的17.6%[1]。在适宜建植人工草地的河谷地区建立饲草基地，对草产量不足的高海拔地区进行季节性饲草补充[2]，这不仅能充分利用河谷地区的中低产田和荒地，还能在时空上有效缓解西藏草畜失调问题。

豆科与禾本科牧草形态学和生物学上的差异表明，它们利用资源(光，水和营养物)的能力是不同的，而这正是我们规划和建设更具环境可持续性耕作制度的理论基础[3]。混播是指在同一生长季把两种及两种以上作物混合播种到同一田块的播种方式[4]；间播是指在同一生长季把两种及以上的作物按行或条带间隔种植在同一田块的播种方式[5-6]。豆禾牧草混、间播可以提高牧草产量、品质和土地利用率；还可以充分利用豆科植物的生物固氮作用[7-8]，对于改善土壤养分状况和牧草的氮素吸收具有重要作用[4,8-10]。因此，豆禾牧草混、间播建植尤其适合于寒冷、干旱和贫瘠的高寒地区[11]。由于混、间播是不同牧草在不同自然环境条件下实施的种植技术，有较明显的地域局限性[4]，而西藏的混、间播技术研究还比较少，适宜的人工草地建植方式尚未明确。

已有报道箭筈豌豆(Viciasativa)与黑麦(Secalecereale)具有较好的互补体系结构[12]，黑麦还能弥补箭筈豌豆对于杂草抑制的低效率问题[13]。豆禾牧草混播系统的生产效率已经有很多研究[14-15]；在间播体系中禾本科牧草往往占优势地位，高土壤肥力[16]和低平均温度[17]可以增强其对光线和其他资源的竞争力，然而很少有研究考虑到混、间播建植方式的比较。基于此，本研究拟在拉萨河谷地区通过研究箭筈豌豆与黑麦的混、间播建植方式，旨在为合理选择河谷区一年生牧草建植方式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于中国科学院地理科学与资源研究所拉萨农业生态试验站(91°17′ E，29°40′ N，海拔3688 m)，属高原季风温带半干旱气候区。年平均气温为7.7 ℃，最热月7月平均气温16.3 ℃，最冷月12月平均气温为-1.5 ℃，无霜期120～130 d。年均降水量425 mm，年内分配不均，雨季为6月中旬至9月下旬，降水量为400 mm左右，占全年降水量的90%以上，且多夜雨。土壤母质主要是冲积、洪积母质，质地偏沙，土壤质地为粉砂壤土，土层较薄，20 cm以下可见大块石砾，土壤容重1.41 g·cm-3，pH值7.2，土壤有机质含量18.2 g·kg-1，全氮含量0.84 g·kg-1，碱解氮含量69.3 mg·kg-1，速效磷18.2 mg·kg-1，速效钾含量30.6 mg·kg-1。

1.2 试验材料与方法

种子均由西藏百绿种子公司提供，箭筈豌豆品种为西牧324，为一年生春箭筈豌豆晚熟品种，由原中国农业科学院西北畜牧兽医研究所引进(原产地为日本)，品种名称为当时的编号，沿用至今。黑麦品种为黑饲麦1号，是青海省培育出的第一个具有小麦HMWGS5+10基因的黑麦新品种，黑饲麦1号为一年生粮饲兼用饲料型黑麦新品种，其籽粒品质高于青稞主栽品种，茎叶产量和营养品质都高于青稞，是各类牲畜均喜食的优良饲草。

本试验于2016年4月到2016年9月在中国科学院拉萨站开展，设置1个混播组合(箭筈豌豆+黑麦)、1个间播组合(箭筈豌豆+黑麦)和2个单播对照，混、间播的播种量配比各设置5个梯度，共计12个处理，每个处理3个重复，共计36个小区，随机区组排列。参照前期试验结果、当地的种植经验，并结合种子发芽率设置播量，其中箭筈豌豆单播量为90 kg·hm-2，黑麦单播量为225 kg·hm-2。间播按行数占比分别设置3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3五种播种方式，豆禾牧草混、间播中各组分配比和播量见表1。

表1 豆禾牧草混、间播配比和播量Table 1 Proportion and sowing amount of legume and grass in mixed and intercropping treatment

播种前每个小区施等量的基肥(尿素75 kg·hm-2和磷酸二铵150 kg·hm-2)，2016年4月28日播种，混播将两种种子同行条播，间播将两种种子按行数比例异行条播。行间距0.25 m，小区面积为3 m×4 m，小区间田埂宽0.5 m。出苗后人工锄草1次，按各生育期进行测定、取样。

1.3 观察、取样和指标测定

1)生育期：对牧草的生长发育阶段进行观测并记录(箭筈豌豆出苗期、分枝期、现蕾期、开花期、结荚期；黑麦出苗期、拔节期、抽穗期、灌浆期、乳熟期)；2)株数：在开花期/灌浆期，每个小区内随机选取两个0.5 m×0.5 m的样方测定并记录豆科牧草分枝数和禾本科牧草分蘖数，对分枝数和总茎数进行测定；3)生物量：分别于箭筈豌豆分枝期、现蕾期、开花期和结荚期4个时期取样，每个小区随机选取两个0.5 m×0.5 m的样方收获，留茬高度5 cm，收获后将混播和间播的箭筈豌豆、黑麦分开分别称鲜重，在烘箱中105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重并称干重；4)营养品质测定：粗蛋白质含量(crude protein, CP)通过凯氏定氮法测定：凯氏法测定试样中的含氮量，即在催化剂作用下，用硫酸破坏有机物，使含氮物转化成硫酸铵。加入强碱进行蒸馏使氨逸出，用硼酸吸收后，再用酸滴定，测出氮含量，将结果乘以换算系数6.25，计算出粗蛋白含量。

中性洗涤纤维(neutral detergent fibre, NDF)通过范氏纤维法测定：准确称取1.0000 g样品(通过0.425 mm筛)置于直筒烧杯中，加入100 mL中性洗涤剂和数滴十氢化萘及0.5 g无水亚硫酸钠。将烧杯套上冷凝装置置于电炉上，在5～10 min内煮沸，并持续保持微沸60 min。煮沸完毕后，取下直筒烧杯，将烧杯中溶液倒入安装在抽滤瓶上的已知重量的玻璃坩埚中进行过滤，将烧杯中的残渣全部移入，并用沸水冲洗玻璃坩埚与残渣，直洗至滤液呈中性为止。用20 mL丙酮冲洗2次，抽滤。将玻璃坩埚置于105 ℃烘箱中烘2 h后，在干燥器中冷却30 min称重，直至恒重。

酸性洗涤纤维(acid detergent fibre, ADF)通过范氏纤维法测定：具体方法步骤同NDF，将中性洗涤剂换为酸性洗涤剂。

1.4 数据处理

相对密度(relative density, RD)，可用来说明混、间播对豆科总分枝数和禾本科总茎数的影响[9-18]：

RDa=Dab/pDa

(1)

式中：RDa是种a在混播或间播条件下的相对密度；Dab是种a在与种b混播或间播条件下a的密度(用单位面积总分枝数或总茎数表示)；p是种a在混播或间播中的播种比例；Da是种a单播条件下的密度。

相对产量总和(relative yield total，RYT)，可表明混播植物之间的种间关系[19]：

RYT=Yab/Ya+Yba/Yb

(2)

式中：Yab为种a与种b混播时种a的产量；Ya为种a单播时的产量；Yba为种a与种b混播时种b的产量；Yb为种b单播时的产量。

相对产量(relative yield，RY)用来评价物种对已占有资源量的利用程度[20-21]：

RYa=Yab/pYa

(3)

RYb=Yba/qYb

(4)

式中：RYa表示混播中物种a的相对产量；Yab表示种a与种b混播中物种a的产量；p表示混播中物种a的播种比例；Ya表示混播中物种a单播的产量。

牧草的相对饲用价值(relative feeding value, RFV)用NDF和ADF含量计算[22-23]：

RFV=(120/NDF)×(88.9-0.779ADF)/1.29

(5)

式中：NDF为中性洗涤纤维含量(%)，ADF为酸性洗涤纤维含量(%)。

用SPSS 20.0进行方差分析、多重比较；采用Origin Lab 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 不同混、间播处理对牧草生产性能的影响

2.1.1不同混、间播处理对牧草相对密度的影响在开花期/灌浆期，对牧草总分枝数/总茎数进行测定，以其代表的密度进一步计算为相对密度。由表2可知，除了JH1，其他混播处理中的箭筈豌豆相对密度显著低于单播(P<0.05)，且数值均小于1，说明在开花期，混播对箭筈豌豆密度的影响表现为显著的负效应(P<0.05)；而混播中黑麦的相对密度则几乎都大于单播，但只有JH5显著高于单播(P<0.05)，说明在开花期，混播对黑麦相对密度的影响表现为一定的正效应。

间播中的箭筈豌豆相对密度均低于单播，JH8与JH10显著低于单播(P<0.05)，说明间播对箭筈豌豆相对密度的影响表现一定的负效应；而黑麦的相对密度与单播无显著差异，说明间播对黑麦相对密度的影响不显著。

表2 开花期/灌浆期不同处理的牧草相对密度Table 2 Relative density of different treatment at the blooming/filling stage

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

Note： The different letters in the same column were significantly different at the 0.05 level, the same below.

2.1.2不同混、间播处理对牧草鲜重的影响由图1可知，在分枝期/拔节期，随着混、间播中黑麦占比的下降，鲜重呈下降趋势，且干重与鲜重的表现基本一致；现蕾期/抽穗期，牧草鲜重随着混播中黑麦占比的下降而呈降低趋势，间播处理则不表现类似的变化趋势，干重与鲜重的表现基本一致。在不同时期混播处理随着黑麦占比的降低，鲜重和干重均呈现先降低后增高的趋势；而间播处理随着黑麦占比的升高，鲜重呈现先增加后减少的趋势。牧草的营养价值随着生长发育逐渐降低[21]，本研究中，以结荚期/乳熟期的鲜重判断，JH1～JH7都高于黑麦单播和箭筈豌豆单播，其中JH2、JH5和JH7与黑麦单播差异显著，分别达到4591、4596和5253 g·m-2，相比黑麦单播分别增产25.7%、25.8%和43.8%，相比箭筈豌豆单播分别增产18.0%、18.2%和35.1%；以干重判断，箭筈豌豆和黑麦的混、间播处理中，JH1～JH5以及JH7和JH10均与黑麦单播无显著性差异，均显著高于箭筈豌豆单播，其中JH1、JH2和JH7高于黑麦单播处理但差异很小，分别达到1572、1569、1528 g·m-2，相比箭筈豌豆单播分别增产54.3%、54.0%和50.0%。

图1 不同生育时期箭筈豌豆与黑麦混、间播处理的牧草生物量Fig.1 Biomass of common vetch-rye mixed and intercropping treatment at different growth period 同指标不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。 The different letters in the same index are significantly different (P<0.05), the same below.

2.1.3不同混、间播处理的牧草种间关系由表3可知，在分枝期，各处理相对产量总和(RYT)大多都小于1或与1接近，与单播无显著性差异(P>0.05)，仅JH6和JH7显著高于单播(P<0.05)，说明这两个间播处理在这一时期表现为种间竞争弱于种内竞争，箭筈豌豆和黑麦具有一定的生态位分化。在现蕾期，各处理的RYT大多都小于1或与1接近，都与单播无显著性差异(P>0.05)，说明种间竞争与种内竞争相近，物种间对资源的利用率无明显变化。在开花期，混、间播处理的RYT都小于1或等于1，JH5和JH8与单播无显著性差异(P>0.05)，其他所有处理显著小于单播(P<0.05)，说明大多数混、间播处理种间竞争大于种内竞争，种间相互抑制，资源利用率降低。在结荚期，混播的RYT都大于1，但与单播对照无显著性差异(P>0.05)，说明混播在这一时期未能表现明显的优势，资源利用率与单播相近；间播处理中，JH7的RYT为1.28，显著高于单播(P<0.05)，说明JH7 (2∶1间播)的种间具有一定生态位分化，资源利用具有一定的互补作用，资源利用率提高，而JH9 (1∶2间播)显著小于单播对照(P<0.05)，其他间播处理与单播对照无显著性差异(P>0.05)。

表3 不同生育时期箭筈豌豆与黑麦混、间播处理的相对产量总和Table 3 RYT of common vetch-rye mixed and intercropping treatment at different growth period

由表4可知，混播处理箭筈豌豆和黑麦的相对产量(RY)随着黑麦播种比例的降低呈现升高的趋势，前两个时期这种趋势尤其明显；箭筈豌豆RY在前3个时期大多显著低于单播(P<0.05)，在结荚期则都与单播无显著性差异，而黑麦RY在前两个时期大多显著高于单播，在后两个时期大多与单播无显著性差异但都大于1；JH5混播中的黑麦RY在灌浆期的值最大且显著大于单播(P<0.05)。这说明混播中黑麦对箭筈豌豆的种间竞争强于箭筈豌豆的种内竞争而弱于黑麦的种内竞争，从而使得混播中箭筈豌豆的生长受到明显抑制而黑麦的生长受到促进。

间播处理中，箭筈豌豆的RY几乎都小于单播，只有开花期差异显著(P<0.05)，其他3个时期大多无显著性差异，不过多数均比混播中的RY值高，表明间播中箭筈豌豆受到的种间竞争略强于箭筈豌豆的种内竞争，而这种竞争作用比在混播中弱；JH6、JH7和JH8三个间播处理的黑麦RY值在各个时期几乎都显著大于单播，而JH9和JH10的黑麦RY值几乎都小于1，大多数间播中黑麦没有明显增产而箭筈豌豆仍有一定程度的减产，间播总体表现为与单播产量相近或低于单播，仅JH7相比单播增产。

2.2 不同混、间播处理的牧草营养品质

通常情况下，牧草的中性洗涤纤维含量越高，动物的采食量越低，酸性洗涤纤维含量越高，可消化干物质的含量则越低。利用NDF和ADF经预测模型计算得到的牧草相对饲用价值(RFV)表示相对于标准粗饲料[盛花期紫花苜蓿(Medicagosativa)]动物对某种粗饲料可消化干物质的采食量，其值越高表明饲用价值越大，规定盛花期紫花苜蓿的RFV为100[24]。

由表5可知，各混播和间播处理的箭筈豌豆CP、NDF和ADF含量均与单播对照无显著性差异(P>0.05)，各处理中箭筈豌豆的CP含量为18.5%～22.8%，NDF含量为33.4%～45.7%，ADF含量为27.1%～34.9%。各混播和间播处理的黑麦CP、NDF和ADF含量均与单播对照无显著性差异(P>0.05)，各处理中黑麦的CP含量为4.0%～6.5%，NDF含量为60.8%～66.6%，ADF含量为39.2%～44.4%。

由各混、间播处理中两种牧草的营养指标含量和其各自的干重计算得到混合收获时各个处理的牧草营养指标。由表6可知，箭筈豌豆与黑麦混播和间播处理的粗蛋白(CP)含量，都显著(P<0.05)低于箭筈豌豆单播对照；JH4～JH8共2个混播处理和3个间播处理的CP含量显著高于黑麦单播对照，其余处理与黑麦单播对照无显著性差异。箭筈豌豆与黑麦的各个混播和间播处理CP产量都显著低于箭筈豌豆单播对照；JH5～JH8的CP产量显著高于黑麦单播，其他处理与黑麦单播无显著性差异。各个处理NDF含量均显著高于箭筈豌豆单播，JH6显著低于黑麦单播，其他处理均与黑麦单播无显著性差异。各处理ADF含量显著高于箭筈豌豆单播，与黑麦单播无显著性差异。各处理相对饲用价值显著低于箭筈豌豆单播，与黑麦单播无显著性差异。

表4 箭筈豌豆与黑麦混、间播处理的相对产量Table 4 RY of common vetch-rye mixed and intercropping treatment

表5 不同处理中的箭筈豌豆和黑麦营养指标含量Table 5 The nutrient content of common vetch and rye in different treatment (%)

表6 箭筈豌豆与黑麦混、间播处理的牧草营养指标Table 6 The nutrient content of common vetch-rye mixed and intercropped treatment

3 讨论

混、间播在生产上的优势可能主要有以下几个因素[21]：1)禾本科牧草与豆科牧草在形态上本身存在一定的差异，尤其表现在植株地上部的空间分布、根系的形态和分布等具有一定的生态位分化，从而使有限的资源得到高效利用[25-26]；2)生长发育节律差异互补[27-28]；3)养分吸收差异互补。豆科牧草往往能在土壤下层吸收较多的钙、磷等养分，而禾本科牧草偏向于在土壤上层吸收更多的硅和氯等；此外，豆科牧草能以生物固氮的方式利用大气中的氮素，禾本科对土壤氮素养分的竞争又能促进豆科牧草固氮作用增强[21-29]；4)生态位互补。不同的豆科与禾本科牧草具有一定的生态位分离，使其对空间资源和养分资源的利用具有一定的互补效应，使资源得到最大限度利用，整体的资源利用率得到提高[30-32]。

但目前的研究对于混、间播的产量优势并没有一致的结果。本研究中豆禾牧草混播处理的产量总体优于间播处理，而已有的研究表明间播优于混播[18,33-36]，这主要是由于不同播种量和气候条件等差异造成的，在不同地区种植同一物种也会得到不同的结论[28,37-38]，因此更需要针对不同地区气候等条件研究适宜的种植方式。

通过相对产量总和(RYT)和相对产量(RY)所反映的种间关系表明，相比间播，混播更能表现出利于增产的种间关系，更利于增强种间正相互作用而减弱负相互作用，而与已有的研究则相反[18,33]。箭筈豌豆在混、间播条件下处于竞争劣势，黑麦则处于竞争优势，这与已有的研究结果保持一致，大量研究表明豆-禾体系中禾本科牧草一般具有主导作用，竞争能力强于豆科牧草[20,30,39-40]。产量上具有明显优势的混、间播处理，其中豆科和禾本科牧草具有明显的生态位分化，种间互利作用强于竞争作用，总体的资源利用率提高，这与已有的研究结果保持一致[41]。

尽管不同研究中对混、间播是否增产的结论不一致，但混、间播提高牧草营养品质的结论基本一致[21]。本研究中不同混、间播处理相比单播禾本科牧草都提高了牧草的营养品质，尤其是粗蛋白质含量；相比单播豆科牧草和单播禾本科牧草，混、间播牧草的营养物质含量更加均衡。豆禾牧草混、间播处理还不足以使豆科或禾本科牧草本身的营养品质发生变化，但使混合牧草的营养品质相比禾本科牧草有一定程度的改善。