那佳，黃立華，晏益民，張璐，黃金鑫

（1.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春 130102；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院大安堿地生態(tài)試驗站，吉林 大安 131317）

松嫩平原是我國東北地區(qū)重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地，其西部地區(qū)由于長期受干旱、風沙等自然因素影響，沙化和鹽堿化耕地廣泛分布[1-2]，種植作物主要為玉米、雜糧、雜豆，種植面積雖大但產(chǎn)量和種植效益偏低[3]。由于自然環(huán)境衰退[4]以及玉米全要素生產(chǎn)率下降，2015年農(nóng)業(yè)部發(fā)布了《農(nóng)業(yè)部關于“鐮刀彎”地區(qū)玉米結構調整的指導意見》，鼓勵在該地區(qū)實施“糧改飼”，增加土地產(chǎn)出效益[5]。人工種植牧草，特別是種植豆科牧草，成為當?shù)胤N植結構調整的首選。

在豆科牧草中，紫花苜蓿（Medicago sativa）產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適口性好[6]，具有抗旱耐鹽堿等優(yōu)良特性。因此基于松嫩平原農(nóng)牧交錯區(qū)的地理位置以及草牧業(yè)的發(fā)展趨勢，紫花苜蓿成為近年來我國北方地區(qū)廣泛種植的飼草作物。刈割是苜蓿人工草地利用和管理的主要手段[7]，不同頻次的刈割會影響其產(chǎn)量、持久性和營養(yǎng)價值[8]。有研究表明，由于紫花苜蓿較強的再生能力，多次刈割利用可提高紫花苜蓿產(chǎn)量和品質[9-12]。施肥則可通過補充土壤養(yǎng)分促進苜蓿根瘤菌生長[13]和養(yǎng)分吸收利用率[14]，提高紫花苜蓿產(chǎn)量，增加蛋白質和粗脂肪含量，降低粗纖維含量等[15-16]。也有研究指出，添加磷肥對苜蓿干草產(chǎn)量的影響最大，其次為氮肥和鉀肥，而適宜的氮磷鉀配比施肥時產(chǎn)量最高[17]。然而，對于不同地理區(qū)域和土壤環(huán)境而言，適宜的刈割頻次和施肥策略需要通過必要的田間試驗來逐步確定，刈割與施肥二者間的交互作用對鹽堿地紫花苜蓿產(chǎn)量和品質的影響，目前也亟待開展相關的研究。

為此，結合國家種植結構調整的契機，本研究在松嫩平原西部輕度鹽堿化旱地種植紫花苜蓿，并于第二年進行了紫花苜蓿的刈割和施肥試驗。期望通過分析紫花苜蓿產(chǎn)量和品質對刈割頻次和施肥的響應，找出該地區(qū)適宜的紫花苜蓿栽培管理模式，為當?shù)厝斯げ莸亟ㄔO提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗設在中國科學院大安堿地生態(tài)試驗站（45°35′58″～45°36′28″N，123°50′27″～123°51′31″E），位于吉林省大安市境內，屬松嫩平原西部典型蘇打鹽堿化草地和旱地分布區(qū)。氣候為溫帶大陸性季風氣候，春季干旱多大風；夏季炎熱，雨量集中；秋季少雨，晴天多；冬季寒冷干燥。全年光照充足，無霜期高達137 d，日照時數(shù)達3 014 h，≥10 ℃的有效積溫為2 935 ℃·d。該地區(qū)無河流經(jīng)過，地表徑流可利用量較少，但地下水資源豐富[18]。試驗地前茬作物為玉米，土壤為輕度鹽堿化草甸土，基本理化特性如表1所示。

表1 試驗樣地土壤基本理化性質Table 1 Soil basic physical and chemical properties in the experimental site

1.2 試驗方法

1.2.1 供試材料

供試紫花苜蓿品種為“公農(nóng)1 號”，由吉林省農(nóng)業(yè)科學院培育，其具有耐寒耐旱、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)等優(yōu)良性狀[19]。供試氮肥為尿素（N 46.2%），磷肥為重過磷酸鈣（P2O546%），復合肥為水溶性撒可富復合肥（N-PK=18-16-15）。

1.2.2 試驗設計

田間試驗采用裂區(qū)設計，主區(qū)為刈割頻次，副區(qū)為施肥。主處理設為每年1 次（M1）、2 次（M2）、3 次（M3）和4 次刈割（M4），副處理設為無施肥對照（CK）、單施氮肥50 kg·hm-2（N）、單施磷肥50 kg·hm-2（P）和施復合肥50 kg·hm-2（NPK）4 個處理，各處理均3 次重復，主區(qū)與副區(qū)均隨機排列，小區(qū)面積為13 m2（長5 m×寬2.6 m），各小區(qū)間筑0.65 m 的土埂后用塑料薄膜覆蓋，以防土壤水肥互滲。2016 年春季統(tǒng)一進行人工播種，按壟撒播，播種量為10 kg·hm2，行距（即壟距）為0.65 m。出苗后統(tǒng)一水肥管理，保持試驗期間苜蓿長勢均勻，秋季進行統(tǒng)一刈割。2017 年春季苜蓿返青后開始試驗處理。施肥處理的總施肥量固定，由于刈割頻次不同，將總肥量均勻分為1、2、3、4份后分別于苜蓿返青期（5月15日）和每次刈割后進行添加（表2）。施肥時將各處理對應的小區(qū)施肥量預先稱好，溶于等量的水中，并將其以噴灑的方式均勻澆于苜蓿根茬處，隨后利用10 L 的水將容器洗凈再次均勻噴灑，避免養(yǎng)分的流失和揮發(fā)損失，對照處理澆等量清水。從6月中旬至9月底按刈割頻次分期進行刈割與施肥（表2），每次刈割留茬高度為4 cm，統(tǒng)一田間管理。

表2 紫花苜蓿田間試驗刈割日期與施肥處理方案Table 2 The design of mowing date and fertilization of alfalfa in the field experiment

1.2.3 測定指標及方法

牧草產(chǎn)量：每次刈割后以小區(qū)為單元全部稱取鮮質量，然后隨機取2 份樣品（約0.5 kg）放入105 ℃烘箱中殺青2 h，轉為65 ℃烘干至恒質量，折算出整個小區(qū)的干草產(chǎn)量。

莖葉比：將烘干樣品的植株莖葉分離后分別測定質量，計算莖葉比。

返青率：2018 年5 月30 日，以1 m×1 m 的樣方統(tǒng)計樣方內返青茬與未返青茬的數(shù)量，計算返青率[20]。

苜蓿品質分析：按照刈割次數(shù)等比例將烘干樣品的莖葉混合粉碎，過200 目篩，消煮后測定。粗蛋白含量利用凱氏定氮法測定氮素含量并計算得出；粗脂肪含量利用于輝等[21]的干苜蓿粗脂肪改進方法測定；粗纖維含量根據(jù)《GB/T 6434—2006 飼料中粗纖維的含量測定：過濾法》測定[22]；粗灰分含量測定依據(jù)《GB/T 6438—2007 飼料中粗灰分的測定》[23]，礦質元素中K+、Na+、Ca2+和Mg2+的含量利用硝酸-高氯酸消煮后原子吸收法測定[24]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 軟件整理，采用SPSS 25.0 進行數(shù)據(jù)分析。刈割頻次及施肥對產(chǎn)量和品質性狀的影響采用一般線性模型（Generalized linear models，GLM）雙因素方差分析法進行分析，隨后進行Duncan多重比較。同一刈割頻次條件下不同施肥處理的影響利用單因素方差分析法分析后進行Duncan 多重比較。利用Sigmaplot 12.5 制圖，圖中的數(shù)據(jù)均以平均值±標準誤的格式表示。

2 結果與分析

2.1 產(chǎn)量與品質性狀的方差分析

對以區(qū)組為隨機變量的一般線性模型進行方差分析，結果如表3 所示，刈割頻次對全年干草產(chǎn)量、粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、Ca2+、K+/Na+、Ca2+/Na+、莖葉比及返青率具有顯著影響（P＜0.05）；施肥對粗蛋白、粗脂肪及粗纖維具有顯著影響（P＜0.05）。此外，刈割頻次與施肥的交互作用對全年干草產(chǎn)量和粗蛋白含量具有顯著影響（P＜0.05）。

表3 刈割頻次及施肥處理對紫花苜蓿產(chǎn)量與品質性狀影響的方差分析（F值）Table 3 ANOVA of effect of mowing frequency and fertilization on alfalfa yield and quality traits（F value）

2.2 干草產(chǎn)量

隨著刈割頻次的增加，紫花苜蓿干草產(chǎn)量顯著增加，M3 和M4 處理的苜蓿干草產(chǎn)量顯著高于M1、M2（P＜0.05），但M3 和M4 處理間無顯著差異（圖1）。與M1 處理相比，M2、M3 和M4 處理的苜蓿干草產(chǎn)量分別提高了37.0%、123.8%和131.6%。但隨著刈割頻次的增加，每茬干草產(chǎn)量則呈現(xiàn)下降的趨勢，如M3處理的第2 和第3 次刈割，苜蓿干草產(chǎn)量分別較第1 次刈割減少了3.0%和37.7%，M4處理的第2、第3和第4次刈割，苜蓿干草產(chǎn)量分別較第1 次刈割減少了35.9%、48.9%和69.8%。

施肥處理總體上對紫花苜蓿干草產(chǎn)量無顯著影響（表3），施N 處理較CK 減產(chǎn)0.7%，P 和NPK 處理分別較CK 增產(chǎn)5.5%和9.0%，但差異均不顯著。在不同的刈割頻次下，各施肥處理對紫花苜蓿干草產(chǎn)量的影響具有較大差異（圖1）。在M1、M2 和M4 處理中，三種不同施肥處理（N、P 和NPK）對干草產(chǎn)量的影響與對照（CK）沒有顯著差異，但在M3 處理中，NPK 處理的苜蓿干草產(chǎn)量顯著高于CK 和N 處理（P＜0.05），較二者分別增產(chǎn)39.8%和32.1%。

圖1 刈割頻次與施肥對紫花苜蓿干草產(chǎn)量的影響Figure 1 The effect of mowing frequency and fertilization on hay yield of alfalfa

2.3 品質性狀

隨著刈割頻次的增加，紫花苜蓿粗蛋白、粗灰分含量和K+/Na+表現(xiàn)出增加的趨勢，粗脂肪與粗纖維含量整體表現(xiàn)出降低的趨勢，Ca2+含量在M2 時達到最高值后逐漸下降，Ca2+/Na+在M2 時顯著增加，之后保持穩(wěn)定（表4）。與M1處理相比，M2、M3和M4處理的紫花苜蓿粗蛋白含量分別顯著增加了3.06、4.65、5.41個百分點，粗灰分含量分別顯著增加了0.76、0.64、1.44 個百分點（P＜0.05）。M3 與M4 處理的粗蛋白含量之間無顯著差異，M2與M3處理的粗灰分含量之間無顯著差異。M3 和M4 處理紫花苜蓿粗脂肪含量較M1 處理顯著降低0.36、0.47 個百分點，M2、M3 和M4處理粗纖維含量較M1 處理分別顯著減少了3.83、4.41、8.27 個百分點（P＜0.05）。M1 與M2 處理、M3 與M4 處理間粗脂肪含量無顯著差異，M2 與M3 處理間粗纖維含量無顯著差異。與M1 相比，M2、M3 和M4處理的Ca2+含量分別提高0.44、0.29、0.18 個百分點，其中M1 與M4 處理無顯著差異（P≥0.05）；K+/Na+分別提高17.2%、40.3%和51.2%，其中M1 與M2 處理無顯著差異（P≥0.05）；Ca2+/Na+分別提高了46.7%、41.6%、49.5%，與M1均具有顯著差異（P＜0.05）。

施肥處理對紫花苜蓿粗蛋白、粗脂肪和粗纖維含量具有顯著影響（P＜0.05），對其他品質性狀無顯著影響（表3）。與CK 相比，N、P 和NPK 處理的粗蛋白含量分別增加0.72、1.09、3.00 個百分點，粗脂肪含量分別增加0.17、0.22、0.49個百分點。N、P和NPK處理的粗纖維含量均顯著低于CK，分別降低2.91、2.46、2.87個百分點。同一刈割頻次下，各施肥處理對紫花苜蓿營養(yǎng)品質也具有不同程度的影響。M1、M3 及M4 處理中不同施肥處理的粗蛋白含量之間存在顯著差異，M3處理不同施肥處理的粗纖維含量之間存在顯著差異（P＜0.05，表4）。M1 和M4 處理條件下NPK 處理的粗蛋白含量顯著高于N 和P 處理，而M3 處理下三者（N、P和NPK）無顯著差異。與CK相比，M1處理下N、P 和NPK 處理的粗蛋白含量分別增加0.05、0.16、2.99個百分點，M3處理的粗蛋白含量分別增加2.10、2.39、2.73 個百分點，M4 處理的粗蛋白含量分別增加1.66、2.43、4.52個百分點。在M3處理條件下N、P與NPK處理的粗纖維含量之間無顯著差異。與CK相比，N、P和NPK處理的粗纖維含量分別降低了3.69、1.73、3.40個百分點，其中CK與P處理無顯著差異。

表4 刈割頻次及施肥處理對紫花苜蓿品質性狀的影響Table 4 The effect of mowing frequency and fertilization on quality of alfalfa

2.4 莖葉比和返青率

隨著刈割頻次的增加，紫花苜蓿平均莖葉比和返青率都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢（圖2），其中返青率在M4處理下降顯著。相較于M1 處理，M2、M3 和M4 處理的莖葉比分別顯著降低42%、51%和63%，返青率分別降低6.68、13.01、65.19個百分點。

施肥處理對紫花苜蓿莖葉比和返青率無顯著影響（表3）。與CK 相比，N、P 和NPK 處理的莖葉比分別降低6.0%、17.2%和12.9%，返青率分別降低3.70、5.04、2.13 個百分點。在不同的刈割頻次下，各施肥處理對紫花苜蓿平均莖葉比和返青率的影響也無顯著差異（圖2）。在M1、M2 和M4 處理下，施肥處理的莖葉比均較CK處理低，而M3條件下N處理的莖葉比相對CK 處理增加2.0%。在M2 和M3 條件下各施肥處理返青率均低于CK處理。

圖2 刈割頻次與施肥對紫花苜蓿莖葉比和返青率的影響Figure 2 The effect of mowing frequency and fertilization on the stem-leaf ratio and turning-green ratio of alfalfa

3 討論

3.1 刈割、施肥及其交互作用對紫花苜蓿產(chǎn)量的影響

不同刈割制度和施肥措施是影響紫花苜蓿產(chǎn)量的主要管理因素[7]。由于苜蓿再生能力強，同一生長季內多次刈割是提高苜蓿產(chǎn)量最直接有效的方法。本試驗中，每年進行3 次或4 次刈割顯著提高了紫花苜蓿干草產(chǎn)量，這與前人的研究結果[9-10]一致。刈割頻次的增加伴隨著刈割時間間隔的逐漸縮短。從試驗結果可看出，首次刈割后苜蓿的每茬干草產(chǎn)量隨著刈割茬次的增加而減少，其中4 次刈割處理的最后1茬產(chǎn)量最低，對總產(chǎn)量貢獻率僅有12%。MITCHELL等[25]認為刈割時間間隔（21 d）較短會擾亂苜蓿根系與莖的能量循環(huán)，導致苜蓿在快速生長期產(chǎn)量降低。ARANJUELO 等[26]的研究也指出苜蓿在刈割14 d 后，葉片和根瘤的性能才被重新建立。牧草刈割時留茬高度對產(chǎn)量也具有一定的影響，研究表明在灌溉和施肥條件下近地面刈割可以促進苜蓿產(chǎn)量[27]。所以除了刈割頻次以外，刈割高度、刈割時間[28]、刈割時間間隔[29]都會影響苜蓿的再生生長和產(chǎn)量。

本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著刈割次數(shù)的增加，第二年返青率顯著降低（P＜0.05），其中4 次刈割處理第2 年返青率僅有12.5%，比3次刈割減少52.20個百分點。孫德智等[30]指出，隨著刈割頻次的增加返青率降低且降幅也會逐漸增大。王坤龍等[31]的研究結果也有相同的趨勢。已有研究表明，過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性作為紫花苜?？购芰Φ臉酥?，隨著刈割次數(shù)的增加其酶活性及抗寒能力均會下降[32]。秋季休眠是苜蓿冬季抗寒性的影響因素之一，秋季休眠苜蓿的冬季存活率是非秋季休眠苜蓿的34 倍左右[33]。但是，與秋季休眠相比，刈割頻次對苜蓿的生產(chǎn)力和存活更重要[34]。綜上所述，雖然多次刈割可顯著增加紫花苜蓿干草產(chǎn)量，但是對第二年返青率的影響較大。因此，合理的刈割頻次是保證苜蓿多年可持續(xù)生長和高產(chǎn)的重要條件。

生產(chǎn)上，適當追肥是提高土壤表層養(yǎng)分進而促進苜蓿生長、增加產(chǎn)量的關鍵。本試驗中，施肥的總體增產(chǎn)幅度最高為9.0%，增產(chǎn)效果不明顯。BASSO等[35]的研究結果也顯示含氮堆肥、糞肥以及無機肥等對玉米-苜蓿輪作時任一作物產(chǎn)量都沒有顯著影響。王洋等[36]發(fā)現(xiàn)，返青期一次性施肥的苜蓿全年干草產(chǎn)量比第1 次和第2 次刈割后同等肥量處理分別提高12.5%和18.4%。此外，施肥方法對產(chǎn)量也具有影響，有研究指出中心軸施肥方法下苜蓿產(chǎn)量和細根生物量比帶狀和廣播法施肥要高[37]。因此，本試驗施肥增產(chǎn)效果不明顯的原因可能存在以下兩方面：一是苜蓿返青期肥料的添加量較少，影響了前期生長和有機營養(yǎng)在根系中的積累；另一方面可能是肥料分多次追施情況下，每次施肥量不足[9，38]或者肥料的后效作用較長，導致此種施肥方法對增產(chǎn)的作用變小[39]。

本試驗中，刈割頻次與施肥處理的交互作用對紫花苜蓿干草產(chǎn)量也具有顯著影響（P＜0.05）。1次刈割時僅N 肥具有正效應；2 次刈割時N 肥反而產(chǎn)生負效應，而P 肥和NPK 復合肥處理產(chǎn)量分別增加20.1%和6.4%；3 次刈割時N、P 和NPK 處理產(chǎn)量分別增加5.8%、22.7%和39.8%；4 次刈割時施肥處理對干草產(chǎn)量則無正效應。曾慶飛等[40]研究發(fā)現(xiàn)，不同施肥處理對苜蓿產(chǎn)量的影響具有差異，單施磷肥的效果高于單施氮肥，因為施磷肥后豆科植物的根瘤內豆血紅蛋白含量增加，結瘤性和固氮活性提高，可達到以磷促氮的效果。隨著刈割次數(shù)的增加紫花苜蓿固氮能力減弱[41]，主根和根冠中作為再生主要營養(yǎng)源的非結構性碳水化合物（NSC）的貯存量和利用效率對磷肥也具有高敏感性[42]。從試驗結果可知，在松嫩平原西部的輕度鹽堿地上，同一生長季內刈割3 次并追施氮磷鉀復合肥料為紫花苜蓿最適宜的栽培管理模式。

3.2 刈割頻次與施肥對紫花苜蓿品質的影響

利用刈割技術可以通過牧草的補償性生長作用和均衡性生長特性獲得高品質牧草[43]。有研究表明刈割會影響苜蓿莖葉比，刈割越晚，莖葉比越大[44]，即隨著生長發(fā)育苜蓿莖葉比會降低[45-46]。本試驗也證明，多次刈割的苜蓿莖葉比下降，品質提高，而全年僅刈割1次的莖葉比最大，品質也較差。

隨著紫花苜蓿刈割頻次的增加，粗蛋白與粗灰分含量呈現(xiàn)增加的趨勢，粗脂肪與粗纖維含量持續(xù)降低，多次刈割對苜蓿品質的改善作用顯著[47]。本試驗中，3 次與4 次刈割的苜蓿粗蛋白含量可提高1.6～5.4個百分點，但二者之間無顯著差異。有研究認為根系和枝條中蛋白質貯存量是苜蓿收割后恢復生長的主要有機養(yǎng)分來源[8]。隨著刈割頻次的增加，粗脂肪與粗纖維含量降低，這使得苜蓿熱量減少，適口性提高，粗灰分的增加也使植物礦物質含量得到提升。從離子含量來看，Ca2+含量隨著刈割頻次的增加先增加后減少，差異顯著（P＜0.05），其他礦質元素養(yǎng)分含量基本無變化，而K+/Na+顯著提高（P＜0.05），M2、M3 和M4刈割處理的Ca2+/Na+無顯著差異。在鹽堿化土壤中，由大量Na+產(chǎn)生的滲透脅迫和離子毒害常常會抑制植物對K+、Ca2+及Mg2+等離子的吸收，從而影響各種生理功能[48-49]。從本試驗結果可見，雖然Ca2+含量先增加后減少，但是Ca2+/Na+在多次刈割之間并無顯著差異，總體上多次刈割在一定程度上會緩解苜蓿體內Na+離子的富集，促進養(yǎng)分吸收，提高營養(yǎng)品質。

本試驗中，施肥處理降低了苜蓿全年平均莖葉比和粗纖維含量，但增加了粗蛋白與粗脂肪含量，其中氮磷鉀復合肥處理時效果最好，這與多數(shù)研究結果[14，16-17]相同。陳香來等[50]認為應該合理配置N 肥和P 肥的施用量，防止以磷促氮引起的氮肥過量，反而降低苜蓿品質。在養(yǎng)分轉化吸收過程中，土壤中微生物和真菌具有重要作用，研究指出根瘤菌和AM 真菌的接種可促進苜蓿生長，增加產(chǎn)量，提高品質[51]。所以土壤微生物以及施肥后養(yǎng)分的有效吸收和利用也會影響苜蓿品質。從離子含量來看，施肥時K+、Mg2+含量增加而Na+、Ca2+含量減少。這表示施肥有助于植物體內Na+的排出，在減緩滲透脅迫的同時增加K+、Mg2+等離子的含量。因此，N 肥及NPK 肥對K+、Mg2+的積累均具有促進作用。所以刈割頻次與施肥的交互作用只對苜蓿粗蛋白含量具有顯著影響，對其他品質指標的作用不顯著。由此可見，施氮磷鉀復合肥是有效提高紫花苜蓿營養(yǎng)品質的管理方式，但是多次刈割的同時在每次刈割后添加不同肥料對苜蓿品質提高沒有顯著效果。

4 結論

（1）同一生長季內，刈割3次和4次可顯著提高紫花苜蓿全年干草產(chǎn)量123.8%和131.6%，但是刈割4次處理下第二年返青率比刈割1 次顯著降低65.19 個百分點，刈割3次且添加NPK 復合肥的處理紫花苜蓿產(chǎn)量最高。

（2）同一生長季內，刈割頻次對粗蛋白、粗脂肪、粗纖維、粗灰分、Ca2+含量、K+/Na+、Ca2+/Na+和莖葉比等品質指標具有顯著影響，施肥處理僅對粗蛋白、粗脂肪和粗纖維含量具有顯著影響，刈割頻次與施肥的交互作用則僅對粗蛋白具有顯著影響，其中4 次刈割且添加NPK復合肥的處理粗蛋白含量最高。

（3）綜合干草產(chǎn)量和品質因素來看，在松嫩平原西部輕度鹽堿地種植紫花苜蓿時，每年刈割3 次并施用NPK復合肥為最佳種植管理模式。