多花黑麦草+箭筈豌豆混播草地地上生物量和营养品质动态研究

苟文龙，李 平，张建波，王 婷，马 啸，周 俗，白史且，师尚礼*

(1. 甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070； 2. 四川省草原科学研究院，四川 成都 611731；3. 西南大学生命科学学院，四川 绵阳 621000； 4. 四川农业大学草业科学系, 四川 成都 611130)

粮改饲是落实党中央、国务院关于加快农业供给侧结构改革，推进农业结构调整的重大部署。四川具有丰富的冬闲田地资源和水热条件优势，针对农业供给侧结构改革需要，提出利用冬闲田地开展冷季型一年生牧草多花黑麦草(LoliummultiflorumLam.)与饲用玉米(ZeamaysL.)轮作的饲草高效生产系统，经草食牲畜高效转化，具有巨大生产潜力和经济效益[1-2]。在种植多花黑麦草过程中，采用禾豆混播不仅可以提高单位面积的产草量和蛋白质产量，还能提高土壤肥力，减少工业氮肥的施用，降低生产成本，减少环境污染[3-4]。

以往许多研究将人工草地生产性能等同于牧草产量，将牧草产量的差异作为评定不同建植与管理方式下人工草地生产性能的主要指标，具有一定的局限性[5-6]。禾豆混播草地的生产性能受多种因素相互作用，其评价不仅要考虑牧草产量，同时还要考虑种间相容性、种群稳定性、牧草品质以及地下根系生长等诸多因素[7]。由于禾豆混生群落中不可避免地存在着或强或弱的种间竞争，因此并不是任何物种组合的混播草地都具有比禾草单播草地产量高的优势[8-9]。禾豆混播组成和比例选择合理与否直接影响着混播牧草潜力的发挥[10]。目前在我国南方关于多花黑麦草与箭筈豌豆(ViciasativaL.)、紫云英(AstragalussinicusL.)、光叶紫花苕(ViciavillosaRoth var. glabrescens)、金花菜(MedicagopolymorphaL.)等一年生豆科牧草混播的研究报道不少[11-14]，但对其地上生物量和营养品质动态研究的报道较少[15-16]，从干物质产量、粗蛋白产量以及可消化干物质产量对其地上生物量和营养品质进行系统的分析评价研究尚未见报道。为此，本试验在四川农区开展了多花黑麦草与箭筈豌豆混播牧草地上生物量和营养品质的动态研究，从干物质产量、粗蛋白产量和可消化干物质产量对混播组合进行综合评价，筛选最佳混播组合，确定适应当地自然条件的混播比例，以期为四川农区冬闲田地建立高产优质一年生禾豆混播草地提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

试验地位于四川省草原科学研究院大邑县韩场镇试验基地内，位于北纬30°25′，东经103°45′，海拔475 m，属大陆性热带湿润季风气候。年平均气温15℃，最热月7月平均气温26.1℃，最冷月1月平均气温5.5℃，极端最低气温—4.8℃，极端最高气温35.1℃，年降水量1 300 mm。土壤为黄粘土，pH 6.74，有机质32.2 mg·kg-1，碱解氮185 mg·kg-1，有效磷41.8 mg·kg-1，速效钾127.3 mg·kg-1。全年日照时数1 033.8 h，年平均无霜期284 d。

1.2 供试材料

长江2号多花黑麦草(LoliummultiflorumLam‘Changjiang No. 2’)，纯净度98%，发芽率92%，由四川农业大学草学系提供；川北箭筈豌豆(ViciasativaL‘Chuanbei’)，纯净度95%，发芽率94.5%，由四川省农科院土肥所提供。

1.3 试验设计

试验共设5个处理，100%多花黑麦草(H)；75%多花黑麦草+25%箭筈豌豆(HJ1)；50%多花黑麦草+50%箭筈豌豆(HJ2)；25%多花黑麦草+75%箭筈豌豆(HJ3)；100%箭筈豌豆(J)，每个处理3个重复。小区面积15 m2(3 m×5 m)，区组间隔0.8 m，小区间隔1 m，采用完全随机区组排列。试验于2016年9月28日播种，采用撒播，撒播时，多花黑麦草和箭筈豌豆分开撒播。多花黑麦草单播播种量22.5 kg·hm-2，箭筈豌豆单播播种量75 kg·hm-2，混播组合中每个草种播种量是用混播组合中该草种的混播比例与单播播种量的乘积来表示。试验采用统一管理，分别在翌年的1月4日(多花黑麦草分蘖期，箭筈豌豆分枝期)、3月14日(多花黑麦草拔节期，箭筈豌豆分枝期)、4月21日(多花黑麦草孕穗期，箭筈豌豆现蕾期)、5月19 日(多花黑麦草乳熟期，箭筈豌豆盛花期)4个时期进行刈割。

1.4 测定内容与方法

株高：在每次刈割前，分别从各小区随机选取组分草种各15株，用皮尺测定自然高度；分蘖(枝)数：在小区内随机取0.5 m×0.5 m样方刈割，统计样方内混播组合草种的分蘖(枝)数；地上生物量：在小区内随机取1 m×1 m样方，自地面5cm刈割牧草，称其鲜重。取1 kg样品烘干后称重，测干物质(dry matter,DM)，再粉碎，过40目筛，用FOSS8400型全自动凯氏定氮仪测定样品粗蛋白(crude protein,CP)；用ANKOM 2000i全自动纤维分析仪测定中中性洗涤纤维(neutral detergent fiber,NDF)和酸性洗涤纤维(acid washing fiber,AWF)含量；用ANKOM Daisy II型体外模拟培养箱测定牧草的体外干物质消化率(invitrodry matter digestibility)。茎叶比：测地上生物量的同时取代表性的草样200 g，将禾草和豆草的茎、叶、花序分开，烘干后称重，计算各自占总重的百分数。

1.5 数据分析

以小区观测值为统计变量，采用软件SPSS 24.0进行方差分析与多重比较；采用软件GraphPad Prism 5进行制图。

2 结果与分析

通过对多花黑麦草—箭筈豌豆的单播与混播草地田间生产性状和营养品质指标进行方差分析(表1)，发现混播比例对分蘖/分枝数、粗蛋白含量、单茬/累计干物质产量、粗蛋白产量和可消化干物质产量具有显著性影响(P<0.05)，对株高、茎叶比、干物质含量、中性洗涤纤维含量、酸性洗涤纤维含量和可消化干物质含量无显著性影响；刈割时期只对多花黑麦草分蘖数和单茬干物质产量无显著性影响，对其余指标具有显著性影响(P<0.05)；混播比例与刈割茬次对箭筈豌豆分枝数、茎叶比、粗蛋白含量、可消化干物质含量和累计干物质产量有交互效应(P<0.05)。

2.1 分蘖(分枝)数动态

第一茬刈割，多花黑麦草分蘖数随其混播比例减少而显著降低(P<0.05)；而箭筈豌豆分枝数随其混播比例增加而显著增加(P<0.05)(表2)。第二茬和第四茬刈割，多花黑麦草分蘖数无显著性差异，但是混播草地的箭筈豌豆分枝数显著低于箭筈豌豆单播草地(P<0.05)。第三茬刈割，混播组合HJ1(75%多花黑麦草+25%箭筈豌豆)的分蘖数显著高于HJ3(25%多花黑麦草+75%箭筈豌豆)(P<0.05)，单播箭筈豌豆的分枝数显著高于混播(P<0.05)。

表1 混播比例和刈割时期对田间生产性状和营养品质的影响Table 1 Effects of grass/legume ratio,cutting time and their interaction on parameters of field performance and nutrient value

表2 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆分蘖(分枝)数动态Table 2 The dynamics of the number of tillers and branches of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture/tillers·m-2

注：不同大写字母表示同行差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同列差异显著(P<0.01)。下同

Note:Different capital letters in same row indicate significant difference at the 0.05 level,different lowercase letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level. The same as below

2.2 株高动态

在四茬刈割过程中，混播组合HJ1、HJ2、HJ3中多花黑麦草和箭筈豌豆比其单播高度基本都有所增加，但无显著性差异(表3)。第一茬刈割，混播组合HJ3中的箭筈豌豆株高显著高于HJ1(P<0.05)，这可能与混播草地建植过程中箭筈豌豆优势提高有关。

表3 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆株高动态Table 3 The dynamics of the plant height of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture/ cm

2.3 茎叶比动态

随着刈割时期推迟，植株的生长发育，茎秆生长速度加快，茎秆明显增粗，叶量减少，茎叶比呈上升趋势(表4)。豆科牧草箭筈豌豆单播的四茬刈割茎叶比分别是1.74，0.74，0.87和2.01，由于箭筈豌豆是叶卷须半攀援性草本，茎比较长，在生长前期(第一茬刈割)，植株叶含量较少，主要由茎构成，使得茎叶比较大。在生长旺盛期(第二茬、第三茬刈割)，随着分枝数增加，植株个体扩大，叶量丰富，导致茎叶比下降。在生长后期(第四茬刈割)，由于茎秆老化，部分叶片出现枯萎、死亡，使得茎叶比增加。

在生长前期(第一茬刈割)，多花黑麦草叶量丰富，箭筈豌豆茎多叶少，导致茎叶比呈现增加趋势。多花黑麦草在生长旺盛期茎秆生长速度加快，茎秆明显增粗，箭筈豌豆分枝多，叶量增加，导致多花黑麦草在第二茬、第三茬茎叶比最大，箭筈豌豆茎叶比最小。第四茬后在多花黑麦草较强的竞争压力下，箭筈豌豆长势较弱，有的甚至消失，由于禾豆混播前期贮存的养分，促进了后期多花黑麦草生长，导致茎叶比增加。

表4 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆茎叶比动态Table 4 The dynamics of the stem/leaf of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture

2.4 地上生物量动态

由图1所示，单播多花黑麦草(处理H)最高干物质产量(4 471.43 kg·hm-2)出现在第一茬刈割，占累计干物质产量的26.49%；单播箭筈豌豆(处理J)最高干物质产量(2 946.67 kg·hm-2)出现在第二茬刈割，占累计干物质产量的28.22%；混播组合HJ1、HJ2、HJ3的干物质产量以第三茬刈割最高，分别为5 055.06 kg·hm-2，5 232.21 kg·hm-2，4 457.56 kg·hm-2，占各自累计干物质产量的28.92%，27.49%和26.87%。混播组合HJ2的4次累计干物质产量最高，达19 030.45 kg·hm-2；处理J的累计干物质产量最低10 440.42 kg·hm-2。随着刈割茬次的增加，干物质含量和累计干物质产量显著增加(P<0.05)；第三茬与第四茬之间的累计干物质产量无显著性差异。

2.5 粗蛋白含量及其蛋白产量动态

由图2可知，多花黑麦草与箭筈豌豆混播牧草粗蛋白含量高于多花黑麦草单播而低于箭筈豌豆单播，随着混播组合中箭筈豌豆比例增加，牧草粗蛋白含量基本呈增加趋势，除单播箭筈豌豆(处理J)第二茬刈割牧草粗蛋白含量(32.11% DM)高于第一茬刈割牧草粗蛋白含量(28.78% DM)外，其余处理基本随着刈割时期延迟，牧草粗蛋白含量呈下降趋势。第一茬和第二茬刈割，随着箭筈豌豆混播比例增加其粗蛋白含量显著增加(P<0.05)；第三茬和第四茬刈割，处理HJ1、HJ2、HJ3中牧草粗蛋白含量与单播多花黑麦草(处理H)差异不显著，但显著低于处理J(P<0.05)。

图1 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆干物质含量、单次干物质产量和累计干物质产量动态Fig.1 The dynamics of the dry matter,dry matter production at each harvest and cumulative dry matter production of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture

单播多花黑麦草(处理H)及混播组合HJ1、HJ2和HJ3，在第一茬刈割粗蛋白产量达到最高，分别为766.85 kg·hm-2，853.16 kg·hm-2，853.16 kg·hm-2和1 047.10 kg·hm-2；单播J在第二茬刈割粗蛋白含量最高达到32.11%，粗蛋白产量最高达到946.18 kg·hm-2。从累计粗蛋白产量看，混播组合HJ2最高达到3 130.66 kg·hm-2，其次是混播组合HJ3较高达到3 114.33 kg·hm-2，再次是单播箭筈豌豆(处理J)达到2 813.38 kg·hm-2，单播多花黑麦草(处理H)最小达到2 328.47 kg·hm-2。

2.6 体外消化率与可消化干物质产量动态

由图3可知，随着牧草刈割时期推迟，不同混播比例草地的干物质体外消化率显著降低(P<0.01)，但处理J(单播箭筈豌豆)的干物质体外消化率先增加后降低(P<0.01)。处理H在第一茬刈割可消化干物质产量最高为3 688.39 kg·hm-2，处理HJ1在第三茬刈割可消化干物质产量最高达到3 373.07 kg·hm-2，处理HJ2在第二茬刈割可消化干物质产量最高达到3 987.40 kg·hm-2，处理HJ3在第三茬刈割可消化干物质产量最高达到3 386.41 kg·hm-2，处理J在第二茬刈割可消化干物质产量最高达到2 226.21 kg·hm-2。从累计可消化干物质产量来看，混播组合HJ2最高达到13 214.14 kg·hm-2，其次是混播组合HJ1较高达到12 318.56 kg·hm-2，再次是处理H达到11 796.53 kg·hm-2，处理J最小达到7 403.88 kg·hm-2。

图2 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆粗蛋白含量、单次粗蛋白产量和累计粗蛋白产量动态Fig.2 The dynamics of crude protein,crude protein production at each harvest and cumulative crude protein production of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture

2.7 中性洗涤纤维与酸性洗涤纤维含量动态

牧草中性洗涤纤维(NDF)含量与家畜对干物质采食量呈负相关，NDF含量与家畜干物质采食量(DMI)的相关系数为—0.76，如果NDF含量增加，家畜采食量将会下降；酸性洗涤纤维(ADF)含量直接影响牧草的消化率[17]，其含量越高，牧草消化率越低。由图4可见，随牧草生长发育及刈割时期的推迟，NDF和ADF含量不断增加,在最后一茬刈割时,NDF、ADF含量都达到最大值。第一茬刈割，随着箭筈豌豆混播比例增加，处理H、HJ1、HJ2、HJ3、J茎叶比分别为0.32,0.38，0.47，0.57，1.74，呈增加趋势，导致第一茬NDF、ADF含量基本随着箭筈豌豆混播比例增加的而逐渐增加。第二、三、四茬刈割，箭筈豌豆NDF含量均低于多花黑麦草，而在生长后期，箭筈豌豆ADF含量要高于多花黑麦草，这可能与牧草生长后期木质素的积累有关。

图3 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆体外干物质消化率、单次体外干物质产量和累计体外干物质产量动态Fig.3 The dynamics of the in vitro dry matter digestibility,in vitro dry matter digestibility production at each harvest and cumulative in vitro dry matter digestibility production of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture

3 讨论

3.1 禾豆混播能促进植株生长及提高产草性能

Brooker等认为在牧草生长过程中，混播牧草种内与种间竞争发生不同程度的转移，种间相互关系表现为互惠与竞争的动态平衡[18]。在多花黑麦草与箭筈豌豆混播草地中，由于牧草生长初期多花黑麦草与箭筈豌豆个体较小，资源需求强度较弱，多花黑麦草对箭筈豌豆荫蔽度较小，箭筈豌豆依赖自身生长特性横向扩展;在拔节期，混播牧草个体变大，资源需求增强，促使多花黑麦草株高迅速增加，对箭筈豌豆的荫蔽度增强，行间光照已不能满足箭筈豌豆生长需求，箭筈豌豆为了获得生存所需光照就以多花黑麦草直立茎为攀援体向上生长，增强植物顶端对光照竞争。箭筈豌豆株高增加促进多花黑麦草向更高处生长，多花黑麦草与箭筈豌豆株高变化具有比单播植株高度高的趋同现象，导致混播牧草的种内种间竞争关系趋于复杂化，混播草地种间关系表现为互惠与竞争的动态平衡。这与张静等对燕麦和毛苕子混播草地互惠与竞争的动态平衡的研究结果基本一致[19]。本研究表明，在四茬刈割中，混播组合HJ1、HJ2、HJ3中多花黑麦草和箭筈豌豆株高比其单播株高基本都有所增加，这与马春晖等在冬牧70黑麦+箭筈豌豆混播中的研究结果基本一致[20]。在适宜生长的水热条件下,箭筈豌豆根瘤菌旺盛生长,所产生的氮素为多花黑麦草分蘖提供物质基础，极大地促进多花黑麦草的分蘖，使得多花黑麦草与箭筈豌豆混播比多花黑麦草单播多数情况下分蘖数增加，箭筈豌豆基本随着混播比例增加，其分枝数呈增加趋势。因此，禾豆混播能促进植株生长及增加分蘖分枝数，从而提高产草性能。

图4 单播及混播多花黑麦草与箭筈豌豆中性洗涤安为先与酸性洗涤纤维含量动态Fig.4 The dynamics of neutral detergent fiber and acid detergent fiber of annual ryegrass and common vetch in both monoculture and mixture

3.2 禾豆混播能有效提升牧草品质

在禾豆混播草地中，禾草能够利用豆草固定的氮素；豆草本身是一种高蛋白质牧草，因而增加了混播草地蛋白质含量。豆草加入使得原有禾草草地质量得到提高[21]。本研究表明，多花黑麦草与箭筈豌豆混播，比禾豆单播不仅提高了牧草产量，而且比单播多花黑麦草粗蛋白质含量有较大幅度提高，多花黑麦草与箭筈豌豆混播牧草粗蛋白含量介于多花黑麦草单播和箭筈豌豆单播之间。随着刈割时期推迟，其牧草粗蛋白含量呈降低趋势，这可能与牧草茎叶比的增加有关。这与韩建国等进行的一年生燕麦与豌豆混播试验结果基本一致[22]。

NDF与ADF是牧草营养品质的一个重要参数，随着刈割时期推迟，其NDF与ADF含量呈增加趋势，有助于提高干物质产量[23]。李佶恺等在西藏研究了燕麦与箭筈豌豆混播草地，结果表明在燕麦播种量不变的情况下,随着箭筈豌豆混播比例的增加，NDF和ADF含量降低[24]。而本研究结果与其不一致，在多花黑麦草与箭筈豌豆混播草地建植初期(第一茬刈割)，随着箭筈豌豆混播比例增加，NDF和ADF含量呈增加趋势；第二茬与第三茬刈割，各处理牧草NDF和ADF含量差异均不显著；第四茬刈割，随着箭筈豌豆混播比例增加，各处理牧草NDF和ADF含量基本呈降低趋势。已有研究表明，牧草的木质素主要形成于生长后期(Carmi et al,2006)[25]。导致结果不一致的原因可能与箭筈豌豆较低竞争力和不同刈割茬次之间的箭筈豌豆生育期不一致有关。体外干物质消化率取决于牧草营养组成，纤维含量(NDF和ADF)降低及粗蛋白含量增加有助于提高体外干物质消化率。本研究当中，体外干物质消化率与牧草中的粗蛋白含量成正相关，与NDF和ADF含量成负相关。

3.3 多花黑麦草与箭筈豌豆混播最优组合筛选

从累计干物质产量来看，HJ2>HJ1>H>HJ3>J；从累计粗蛋白产量来看，HJ2>HJ3>J > HJ1> H；从累计可消化干物质产量来看，HJ2>HJ1>H>HJ3> J。综合考虑累计干物质产量、粗蛋白产量和可消化物质产量，以混播组合HJ2(多花黑麦草50%+箭筈豌豆50%)表现最好。合理的刈割制度有助于提高饲草的产量和改善营养品质。本研究中，处理HJ2第三茬与第四茬的累计干物质产量、累计粗蛋白产量、累计可消化物质产量差异不显著，其他处理H、HJ1、HJ3和J的结果也与其一致。为提高土地产出率和节约成本，多花黑麦草—箭筈豌豆混播草地刈割三茬最好。

4 结论

综合多花黑麦草—箭筈豌豆混播草地的田间生产性状和牧草营养品质指标，在南方地区宜选择多花黑麦草50%+箭筈豌豆50%建植一年生人工混播草地；刈割三茬能够提高牧草产量和改善营养品质，并且减低生产成本。