赵京东，乌云娜，宋彦涛

（大连民族大学环境与资源学院，辽宁 大连116600）

我国北方草地近300万hm²，是重要的畜牧业基地，也是北方和京津地区重要的绿色屏障，具有极其重要的经济和生态潜力，但近些年来在草地利用强度的不断加大以及各种不利的自然因素影响下，天然草地发生大面积沙化［1］。辽西北农牧交错带位于科尔沁沙地南缘，土地沙漠化较为严重，生态功能退化，畜牧业发展受限［2］。

围栏封育是我国退化草地的主要植被恢复和重建措施之一，也是治理和控制土地沙化的有效手段［3］。已有研究发现，围封措施可以消除放牧干扰，提高植被群落特征［4］，增加草地的固碳能力［5］，改善土壤理化性质，有利于退化草地的逆转［6］。围封也会对牧草品质造成显著影响，姚喜喜等［7］研究发现长期围封可显著降低牧草粗蛋白（crude protein，CP）含量和消化率，增加中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）含量，降低牧草品质。但短期围封却是增加地上群落中可食和优良牧草比例的有效手段［8］。此外，在围封管理下，退化草地牧草矿质元素含量也会随之改变，李天才等［9］研究发现围封放牧不同处理间植物钙（Ca）、镁（Mg）、钾（K）、磷（P）等矿质元素含量具有明显差异，封育草地较退化草地矿质元素含量有下降的趋势。美国饲草和草原理事会于1978年提出的牧草相对饲喂价值（relative feeding value，RFV）、相对牧草质量（relative forage quality，RFQ）以及总可消化养分（total digestible nutrients，TDN）均是当下被广泛使用的粗饲料质量评定指数［10］，当牲畜高强度踩踏采食时，牧草大量柔软嫩叶被移去，低消化性纤维增加的同时牧草总可消化养分含量也会随之降低［11］，而短期围封恰可排除此干扰效应。

过度放牧导致一些劣质植物取代原生优良牧草，营养成分也会随之变化，围封虽可排除放牧干扰，但久围不用也会导致牧草老化，不仅造成资源大量浪费，营养价值也会大打折扣［12－13］。因此，科学的评估牧草营养价值对牲畜合理地利用草地资源具有极其重要的意义［14］。本试验以辽西北退化草地牧草为研究对象，通过对牧草营养价值、矿质元素以及饲喂价值3项分析指标进行综合评估，探究短期围封对退化草地牧草品质的影响，同时探讨年际间（2017、2018和2019年）牧草品质的差异性，为当地的放牧管理提供一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于辽宁省阜新市彰武县章古台镇的沙地治理与利用研究所（121°53′－122°58′E，42°07′－42°51′N），海拔为260～330 m，属于温带半湿润的大陆性季风气候，年平均气温7.3℃，年均降水量400～450 mm［15］。研究区植被类型为退化草地，一年生禾本科杂草马唐（Digitaria sanguinalis）在群落中占绝对优势（地上生物量占79.87%），其他物种主要有黄蒿（Artemisia scoparia）、虎尾草（Chloris virgata）、画眉草（Eragrostis pilosa）等。土壤类型主要为风沙土，通过研究区本底数据调查测得0～10 cm土层的土壤理化性质，土壤容重：1.56 g·cm－3；有机碳：8.06 g·kg－1；全氮：0.69 g·kg－1；全磷：0.15 g·kg－1；铵态氮：5.90 mg·kg－1；硝态氮：11.30 mg·kg－1；有效磷：1.97 mg·kg－1；pH：5.54；电导率：44.96 μs·cm－1。

1.2 样品采集与处理

试验于2017、2018、2019年每年8月上旬生物量高峰期进行取样。每一个小区随机选取1个0.5 m×1.0 m样方，采用齐地面刈割法对植物地上部分进行刈割，除去粘附的土粒、沙石、杂质后，装入纸袋带回实验室，于65℃下烘干24 h至恒重后进行称重，粉碎并标记，保存待测。

1.3 试验设计

2017年6月在沙地治理与利用研究所退化草地样地设置两个处理：自由放牧区（grazing，2个羊单位·hm－2）和围封区（fencing，0个羊单位·hm－2）［16］，放牧区与围封区之间的距离低于30 m。围封前以放牧牛、羊为主，围封后自由放牧区放牧强度不变；围栏内外各设置5个3 m×3 m小区，小区过道宽80 cm。

1.4 牧草营养成分测定

牧草营养成分由蓝德雷饲草·饲料品质检测实验室测定。采用NIRS近红外检测方法（FOSS福斯DS2500，德国）测定牧草营养成分：粗蛋白、粗脂肪（ether extract，EE）、木质素（lignin）、粗灰分（crude ash，Ash）、可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrate，WSC）、非纤维性碳水化合物（non-fibrous carbohydrate，NFC）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）、中性洗涤纤维；矿质元素：钙、镁、钾、磷；饲喂价值：可消化中性洗涤纤维（digestible neutral detergent fiber，dNDF）（48 h）、中性 洗 涤 纤 维 消 化 率（neutral detergent fiber digestibility，NDFD）（48 h）、体外干物质消化率（in vitrodry-matter digestibility，IVDMD）（48 h）、产奶净能（net energy for lactation，NEL）、维持净能（net energy for maintenance，NEm）、增重净能（net energy for gain，NEg）、总可消化养分（TDN）、奶吨指数（milk perton index，MT，kg milk·t－1DM）［10］、相对牧草质量（RFQ）以及相对饲喂价值（RFV）共22项营养指标。其中RFQ［17］和RFV［18］计算公式如下：

式中：DMI为干物质采食量，表示为体重的百分数（%）；TDN为总可消化养分，表示为干物质的百分数（%）；NDF为中性洗涤纤维，表示为干物质百分数（%）；NDFD为48 h体外消化率，表示为NDF的百分数（%）；DDM为干物质消化率，表示为干物质的百分数（%）；ADF为酸性洗涤纤维，表示为干物质的百分数（%）。

1.5 数据分析

采用重复测量方差分析数据，采用LSD检验法对各处理进行多重比较，显著性水平α=0.05。在SPSS 26.0中完成统计分析，用SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 围封处理和年份对植被群落特征的影响

围封对群落高度、盖度、地上生物量以及枯落物量有极显著影响（P＜0.01），年份对群落高度、盖度、地上生物量以及枯落物量有显著影响（P＜0.05），交互作用对群落高度、地上生物量以及枯落物量有显著影响（P＜0.05）。围封下的群落高度、盖度、地上生物量以及枯落物量均显著高于放牧处理（P＜0.05）；2017年围封和放牧处理下地上生物量均最高；在围封处理下，随着年限的增加，枯落物量呈递增的趋势，在2019年达最高（表1）。

表1 围封处理和年份对植物群落特征的影响Table 1 Effects of fencing treatment and year on plant community characteristics（Mean±SE）

2.2 围封处理和年份对牧草营养成分的影响

围封对牧草NFC、ADF、Ash、EE、CP以及木质素含量有极显著影响（P＜0.01），年份对牧草NFC、EE、CP、WSC以及NDF含量有显著影响（P＜0.05），交互作用对牧草Ash、EE、CP、木质素、WSC以及NDF含量有显著影响（P＜0.05）（表2）。3年围封处理CP含量均显著高于放牧，且2018年围封处理下CP含量最高（P＜0.001），2017年放牧处理下，CP含量最低（图1A）；3年放牧处理EE含量均高于围封处理，且2018和2019两年呈显著差异，2018年放牧处理下EE含量最高（P＜0.001），2019年围封处理下牧草EE含量最低（图1B）；2017年放牧处理下木质素含量最高（P=0.001），且2017和2018两年放牧处理下木质素含量显著高于围封处理，2019年围封放牧处理木质素含量无显著差异（图1C）；3年放牧处理下Ash含量均极显著高于围封处理（P=0.001）（图1D）；2018年围封处理下牧草WSC含量最高（P＜0.05），同年放牧处理下WSC含量为3年最低，其余处理间无显著差异（图1E）；2019年NFC含量显著高于2017和2018年（P＜0.05），且2018年围封处理下NFC含量极显著高于放牧处理（P＜0.01）（图1F）；3年放牧处理下牧草ADF含量均高于围封处理，且2017和2018两年呈显著性差异（P＜0.05）（图1G）；2019年放牧处理下牧草NDF含量最低（P＜0.01），其他处理间无显著差异（图1H）。

图1 围封处理和年份对牧草营养成分的影响Fig.1 The effect of fencing treatment and year on nutrient composition of forage grass

表2 围封处理和年份对牧草营养成分含量的重复测量方差分析Table 2 Analysis of variance of repeated measurements of nutrient composition content of herbage by fencing treatment and year

2.3 围封处理和年份对牧草矿质元素的影响

围封处理对牧草Ca、Mg以及P元素含量有极显著影响（P＜0.01），年份对牧草Mg和K元素含量有显著影响（P＜0.05），交互作用对牧草P元素含量有极显著影响（P＝0.01）（表3）。年际间牧草Ca和Mg元素含量无显著差异，2017和2019两年放牧处理下牧草Ca元素含量显著高于围封处理（P＜0.05），2018年无显著差异（图2A）；2018和2019两年放牧处理牧草Mg元素含量显著高于围封处理（P＜0.05），2017年无显著差异（图2B）；2019年牧草K元素含量显著高于2017和2018年（P＜0.05），但3年围封放牧处理间无显著差异（图2C）；2018和2019两年放牧处理下牧草P元素含量极显著高于其他处理（P＜0.001），且同年围封处理下牧草P元素含量最低（图2D）。围封处理和年份对牧草钙磷比也存在交互作用，年际间不同处理牧草钙磷比如表4所示，围封处理下牧草钙磷比变化较为稳定，维持在2.55左右；而放牧处理下牧草钙磷比年际间上下浮动较大，相对不稳定。

表4 3年间不同处理下牧草钙磷比Table 4 Calcium and phosphorus ratio of forage under different treatments for three years

图2 围封处理和年份对牧草矿质元素的影响Fig.2 The effect of fencing treatment and year on forage mineral elements

表3 围封处理和年份对牧草矿质元素含量的重复测量方差分析Table 3 Variance analysis of repeated measurements of herbage mineral element content by fencing treatment and year

2.4 围封处理和年份对牧草饲喂价值的影响

围封处理对除RFQ外的9项指标均有极显著影响（P＜0.01），除dNDF和RFV外，年份对牧草其余8项指标均有显著影响（P＜0.05），交互作用对除IVDMD外的其余9项饲喂指标均有显著影响（P＜0.05）（表5）。3年间放牧处理下IVDMD含量均显著高于围封区（P＜0.05），但年际间无显著差异（图3A）；3年间牧草NDFD和dNDF含量变化趋势基本一致，2018和2019年放牧处理下NDFD和dNDF含量均显著高于同年围封处理（P＜0.05），且2019年放牧处理下NDFD含量最高（P＜0.001），围封处理下最低，2017年围封和放牧处理间无显著差异（图3B，C）；2017和2018年 围 封 处 理 下NEL、NEm、NEg、TDN含量以及MT均极显著高于放牧处理（P＜0.01），且同年放牧处理下该5个指标含量最低，但2019年放牧处理下NEm、NEg、TDN以及RFQ却均显著高于同年围封处理（P＜0.05），其中RFQ极显著高于3年其他处理（P＜0.001）（图3D～I）；2018年围封和2019年放牧处理下RFV最高，2018年放牧处理下最低（P＜0.01）（图3J）。

图3 围封处理和年份对牧草饲喂价值的影响Fig.3 The effect of fencing treatment and year on forage feeding value

表5 围封处理和年份对牧草饲喂价值的重复测量方差分析Table 5 Analysis of variance of repeated measurements of forage feeding value by fencing treatment and year

3 讨论

3.1 牧草营养成分

牧草中营养成分含量是判断其品质优劣的重要指标，决定了牧草的饲用价值［19］。常见的牧草营养指标有粗蛋白、粗脂肪、木质素以及粗灰分等。在退化草原上，牧草粗脂肪和粗蛋白含量增加，粗灰分和木质素含量降低，有利于反刍动物的消化利用［20］。本研究发现围封处理和年份对4项牧草营养指标均有显著的交互作用，3年围封处理下牧草粗蛋白含量高于放牧处理，而粗灰分、粗脂肪以及木质素含量均低于放牧处理。从整体趋势上看，放牧区牧草更具劣势。这可能是由于过度放牧降低了土壤肥力，导致有机碳和全氮含量降低［21］，从而增加了其遭受侵蚀和荒漠化的风险［22］，而草地的围栏和非放牧措施提高了植被凋落物在土壤表面的蓄积量，进而改善了土壤与水文、生物地球化学循环的相互作用，为植物生长提供了有效的土壤水分和养分［23］，群落整体营养成分得以提高。

可溶性碳水化合物是参与植株新陈代谢的基本物质之一，主要包括果聚糖、葡萄糖以及蔗糖等，提高牧草中可溶性碳水化合物含量可以促进反刍动物对瘤胃内蛋白质的利用和干物质的吸收，提高奶蛋白产量［24］。本研究发现围封处理和年份对牧草可溶性碳水化合物含量有显著的交互作用，围封处理下牧草可溶性碳水化合物和非纤维性碳水化合物含量均高于放牧处理，进一步说明了围封处理下牧草品质更高。牧草更高的粗蛋白含量往往对应着更低的酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量，此时的牧草更易消化，营养价值更高［25］。本研究发现围封处理和年份对牧草中性洗涤纤维含量有显著的交互作用，3年围封处理下牧草酸性洗涤纤维含量均低于放牧处理，且2017和2018年呈显著性差异，围封显著降低了牧草粗纤维含量，但前人研究发现放牧可以通过牲畜的啃食、践踏以及粪便干扰天然草地，适宜的放牧强度可以增进植物补偿作用以及土壤养分回填，提高牧草品质［26－27］，但由于本试验样地位于重度放牧区，较高的干扰强度使得适口性好的牧草优势度降低，一些杂类草和耐牧性较强的牧草优势度增加［28］，粗纤维含量升高，这可能是导致牧草营养品质不增反降的主要原因。综上，在重度放牧区，短期围封可以在短期内排除放牧干扰，提高牧草品质。

3.2 牧草矿质元素

牧草中矿质元素通常含量较低，但却是草食动物的必需元素，牧草为放牧家畜提供了生长发育过程中必要的矿物元素，包括钙、磷、钾以及镁元素等。在通常情况下，牲畜对矿质元素需求量一般为钙元素0.15%～0.26%、磷元素0.13%～0.25%、钾元素0.70%～0.80%、镁元素0.12%～0.18%［29－30］。本研究中两个处理下牧草矿质元素含量均可满足牲畜的需要，且围封处理和年份对牧草磷元素含量有显著的交互作用，除钾元素外，放牧处理下牧草钙、磷以及镁元素含量均极显著高于围封处理，这与李天才等［9］的研究结果一致。这可能是由于退化草地矿质元素营养蓄积的“饥饿效应”［31］。研究表明当退化草地植物中矿质元素营养供给不能满足植被正常生长发育的需求时，植物只能蓄积相应矿质元素以备不时之需，这也是退化草地植物对外界环境变化的一种应急响应。另有研究发现牧草茎叶比例的增加会导致矿物质浓度变化，茎秆的矿物质浓度一般低于叶片，与禾本科植物相比，非禾本科植物矿物元素含量一般更高［32］，而退化草地经过围封后禾本科植物通常会取代非禾本科植物成为群落优势物种［33］，导致放牧区矿质元素含量偏高。此外，牧草中合适的钙磷比对牲畜生长发育同样至关重要，以钙磷比2∶1时较为适宜［34］。本研究中两种处理下的牧草钙磷比均在反刍家畜可耐受范围内，但围封区钙磷比相比放牧区变化更为稳定，有利于维持生态系统内稳态（表4）。综上，从3年间4种矿质元素整体趋势上看，围封处理下牧草矿质元素含量变化相比放牧处理更稳定，且完全可以满足牲畜日常营养需求，对维持牲畜体内营养平衡有明显优势。

3.3 牧草饲喂价值

牧草饲喂价值包括消化率、净能、相对牧草质量、牧草饲喂价值以及奶吨指数等。牧草消化率决定了牲畜对牧草的利用情况，消化率越高，表明牧草品质越好［19］。本研究发现围封处理和年份对牧草中性洗涤纤维消化率有极显著的交互作用，2018和2019年放牧处理下中性洗涤纤维消化率和体外干物质消化率均显著高于围封处理，3年放牧处理下体外干物质消化率含量显著高于围封处理，总体上看，放牧区牧草消化率高于围封区，这与Vesk等［35］的研究结果一致，放牧导致草地生物量减少的同时能够促进牧草的再生，从而提高了牧草消化率。另有研究表明，牧草茎叶比例可直接影响牧草消化率［36］，由于牧草叶中可消化物质比茎高出40%左右，因此牧草叶量越丰富，消化率越高［37］。由于本试验样地中围封区高大禾本科植物较多（茎粗且长），而放牧区多低矮草本植物（无茎多叶），可能导致茎叶比高的围封区牧草消化率显著偏低。但在自然生态系统中，牲畜采食具有选择性，对植物叶片的采食频率明显高于茎秆，因此应进一步探究自然群落中牧草不同采食器官消化率之间的差异。另外，可消化洗涤纤维代表的是粗饲料中中性洗涤纤维的品质和数量，可消化洗涤纤维含量越高，牧草品质越差。本试验中牧草可消化中性洗涤纤维变化趋势和中性洗涤纤维消化率变化趋势一致，除2017年外，2018和2019年放牧区相比围封区牧草具有更多的低消化性纤维，牧草品质则相反［38］，塔娜等［11］的研究结果与其一致。

牲畜从日粮中获取用以维持各种生命活动的能量称之为净能，根据用途不同，净能主要分为产奶净能、维持净能以及增重净能［39］。本研究发现围封处理和年份对牧草3种净能含量均有显著的交互作用，除2019年外，2017和2018年围封区牧草3种净能含量均极显著高于同年放牧区，产奶净能与奶吨指数变化一致，在牲畜的能量和产奶需求方面，围封区牧草更具优势。相对牧草质量和相对饲喂价值都是反映粗饲料饲用价值的相对估值，牧草总可消化养分反映了粗饲料的消化率和动物的消化能力，具有较高的粗蛋白含量且较低的纤维含量的牧草通常具有较高的总可消化养分［10］，本研究结果与其一致。另外，3年间围封和放牧区牧草相对牧草质量、相对饲喂价值、总可消化养分变化趋势与净能变化趋势基本一致，进一步印证了退化草地经短期休憩后牧草品质得以提升的观点。

本研究中，2019年为丰水年（5－9月降水量：531.50 mm），2017和2018年为欠水年（5－9月降水量，2017：328.60 mm；2018：391.20 mm），2019年生长季降水量高于2017和2018年，而充足的水分条件是植被正常生长发育的前提。杨霞等［40］的研究发现，在降水量高的年份，牧草生长旺盛，可显著提高牧草营养品质。本试验表明2019年放牧处理下牧草7项饲喂价值指标（除消化率外）均显著高于2017和2018两年放牧处理，且2019年围封与放牧差异也与前两年相反，这可能是因为枯落物的累积效应。随着围封年限延长，围封区枯落物量呈现递增的趋势，2019年作为围封的第3年，枯落物蓄积已达一定水平（表1），自然降水无法及时有效地渗透到地表以作用于植物。已有研究发现长期围封会导致牧草的营养品质下降［7］，而放牧区牧草被牲畜啃食后，不断更新再生，马唐和虎尾草等富含柔软嫩叶的植物占优势，猪毛菜等饲喂价值低的植物逐渐消失，在水分充足的条件下，群落整体饲喂价值提升，这可能是本试验中2019年放牧区牧草饲喂价值升高的原因。另外，长期围栏还存在限制野生动物活动、增加未禁牧地区放牧压力、降低牧民满意度、增加政府财政负担和保护费用等诸多缺点［41］，对草地生态发展弊多利少，因此，围封不可不计年份的无限禁牧，应根据研究区概况综合评定。

4 结论

除酸性洗涤纤维、非纤维性碳水化合物、体外干物质消化率、钙、钾以及镁元素外，围封处理和年份互作显著影响了群落高度、地上生物量、枯落物量以及牧草其余16项营养指标。围封处理显著提高了群落高度、盖度、地上生物量、枯落物量、牧草粗蛋白、非纤维性碳水化合物、产奶净能和奶吨指数，而放牧区牧草粗灰分、粗脂肪、木质素、酸性洗涤纤维、体外干物质消化率、中性洗涤纤维消化率、可消化中性洗涤纤维、钙、镁以及磷元素含量相对偏高。因此，围封样地牧草具有较高营养成分和饲喂价值，放牧样地牧草适口性虽相对较差，但具有较高的消化率和更为丰富的矿质元素。相比围封初年，3年后牧草粗蛋白、非纤维性碳水化合物、钾元素、维持净能以及总可消化养分均得到显著提高，且中性洗涤纤维含量显著降低，牧草品质有较大的提升。围封措施虽可提高牧草品质，但不可不计年份无限禁牧，对退化草地进行适度的放牧利用，不仅可以提高草地肥力，而且有助于群落植被的更新繁衍，增加草原生态系统的生物多样性。总而言之，现代畜牧业应与生态环境协调发展，将草畜平衡作为草原利用的基本前提，才能获得最高的经济和生态效益。