范燕闖, 王俊鋒, 高 嵩*,李志堅
(1.長春大學園林學院, 吉林 長春 130022; 2.東北師范大學生命科學學院草地科學研究所/植被生態(tài)科學教育部重點實驗室/ 吉林松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站, 吉林 長春 130024)
紫花苜蓿(MedicagosativaL.)為多年生豆科草本植物,其干草中粗蛋白含量高、中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維較低,是當前我國最為廣泛栽培的優(yōu)質(zhì)飼草[1]。紫花苜蓿返青時新出土的幼苗(芽菜)含有豐富的蛋白質(zhì)、膳食纖維、礦物質(zhì)和維生素等營養(yǎng)成分,是良好的膳食結構調(diào)整食物,可以改善胃腸消化功能并促進人體健康,具有明顯的保健作用[2]。返青期幼苗主要來源地下芽庫中的芽,是根頸部發(fā)生芽出土后的早期狀態(tài)[3]。通常,返青早期幼苗個體幼嫩,植株矮小但食用價值高,隨著幼苗的快速生長,單株生物量迅速增加,但可食用性能逐漸降低[4]。苜蓿干草產(chǎn)量的關鍵構成因子可分解為群體密度和單株生物量兩大因子,當群體具有較高密度時,單株生物量減少,而當密度下降時,單株生物量增多,因此群體密度在一定程度上決定了干草的最終產(chǎn)量[5]。由于苜蓿芽的數(shù)量和生長情況與群體密度有直接關系,因此返青期苜蓿芽菜的收獲可使群體密度發(fā)生改變,繼而影響單株生物量的積累。此外,芽的數(shù)量和發(fā)育成枝的能力是苜蓿高產(chǎn)的關鍵[6],影響草地的收益。因此,以干草生產(chǎn)為目的的紫花苜蓿種植區(qū),研究不同苜蓿芽菜收獲比例對苜蓿干草產(chǎn)量及綜合收益的影響,對提升草地利用價值具有重要意義。
在東北松嫩草地,土壤鹽堿化是影響作物生長的重要障礙之一[7]。在鹽堿較重的區(qū)域,土壤pH值高達9以上[8],如何提高此類邊際土地的綜合收益,對當?shù)夭菽翗I(yè)發(fā)展具有重要的意義。目前,該區(qū)域內(nèi)關于苜蓿的相關研究主要集中在成株階段,針對苜蓿幼苗收獲的相關研究極為匱乏,未見有既能收獲高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的苜蓿芽菜,又能提升苜蓿草地綜合收益的研究報道?;诖耍狙芯吭诖杭痉登嘣缙?、中期和晚期3個不同時期,設置不同苜蓿芽菜收獲比例,探索收獲不同量的苜蓿芽菜與后續(xù)干草生產(chǎn)之間的關系,旨在闡明不同時期苜蓿芽菜的收獲量變化及其對干草生產(chǎn)的影響,從而確定苜蓿芽菜的最適收獲時期及收獲比例,為苜蓿芽菜功能食品的開發(fā)提供依據(jù),同時為提高苜蓿草地的附加值、增加收益提供指導。
試驗地點位于吉林省西部長嶺縣吉林松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(北緯44°45′,東經(jīng)123°45′),海拔高度為138~167 m。該地區(qū)為半干旱、半濕潤溫帶大陸性季風氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,地面少積雪,年平均氣溫4.9℃,年平均降水量為370 mm左右,年平均蒸發(fā)量為1 500~2 000 mm,無霜期約為140 d。土壤貧瘠,鹽堿化較為嚴重,土壤有機質(zhì)含量為13.1 g·kg-1,pH約為8.6。
供試品種為‘東苜1號’紫花苜蓿,在試驗區(qū)域當年的不同生育期時間如表1所示。試驗樣地建植于2018年夏季,播種量為15 kg·hm-2,行距30 cm,一次性施氮量160 kg·hm-2,施入氮磷鉀復合肥約850 kg·hm-2(氮磷鉀(19—7—14)總量≥40%)。在第二年夏季和秋季,進行2次刈割處理,從第三年開始,每年在盛花期、種子成熟期和果后營養(yǎng)期早期進行3次刈割管理。試驗采用2因素全因子試驗設計方法,設置3個不同的苜蓿收獲時期(返青早期、返青中期和返青晚期),每個時期設置4組不同的收獲比例(收獲總芽菜量的0,10%,30%,50%),共10個處理(由于不收獲芽菜處理在三個時期相同,故合并為一個處理),每個處理4次重復。實驗處理時,在地勢平坦的苜蓿草地選擇長勢一致的地塊(10 m×10 m),后將其分為4個區(qū)組,每區(qū)組25 m2。區(qū)組內(nèi),設置1 m×1 m樣方10個,分別進行不同處理。收獲苜蓿芽菜后,持續(xù)監(jiān)測苜蓿生長情況,并在后期對每個樣方進行3次刈割,測定干草產(chǎn)量。
表1 紫花苜蓿在試驗當年的不同生育期時間Table 1 Different growth periods of alfalfa in the experimental year
1.3.1苜蓿芽菜的收獲 在苜蓿的返青早期(2021年4月12日)、返青中期(2021年4月21日)和返青晚期(2021年4月30日),在確定樣方內(nèi)總的苜蓿芽密度(苜蓿芽總個數(shù))后,分別按照總芽量的10%,30%,50%,均勻的將芽齊地面刈割(由于之前沒有相關文獻進行參考,所以我們按照設置了以上收獲比例)。各時期收獲苜蓿芽菜株高如圖1所示。苜蓿芽菜收獲量按照鮮重計算,用分度值0.01 g電子天平稱量各組取樣鮮重。根據(jù)單位面積10%,30%,50%的芽菜收獲量,換算單位面積總收獲量取平均,以體現(xiàn)芽菜不同時期的產(chǎn)量變化。
圖1 各返青時期苜蓿芽菜株高Fig.1 Plant height of alfalfa sprouts in each periods of re-growth
1.3.2苜蓿分枝數(shù)、株高和干草產(chǎn)量的測定 在2021年6月25日、8月5日、9月15日共刈割3茬,離地面3~5 cm刈割,刈割后計算樣方內(nèi)根頸萌發(fā)的分枝數(shù),從刈割部分中隨機抽取10株苜蓿測量平均株高,稱量樣方內(nèi)全部植株的總鮮重。得出單位面積的鮮草產(chǎn)量后,隨機抽取約鮮草產(chǎn)量的30%稱重,105℃殺青30分鐘,后65℃烘干48小時至恒重,測量干重,折算單位面積的干草總產(chǎn)量。
1.3.3苜蓿干草品質(zhì)的測定 粗蛋白(CP)測定參照《飼料中粗蛋白的測定凱氏定氮法》(GB/T 6432-2018),用FOSS-Kjeltec 8400全自動凱氏定氮儀分析;中性洗滌纖維(NDF)、酸性洗滌纖維(ADF)測定參照《飼料中中性洗滌纖維(NDF)的測定》(GB/T 20806-2006)和《飼料中酸性洗滌纖維的測定》(NY/T 1459-2007),用FOSS-Fibertec 8000型自動纖維分析儀分析[9];相對飼用價值(RFV)由NDF,ADF數(shù)值計算,相對飼用價值計算公式[10]:
DMI=120/NDF
(1)
DDM=88.9-0.779×ADF
(1)
RFV=DMI×DDM/1.29
(1)
其中,DMI,NDF,DDM,ADF單位均為%,RFV值大于100的粗飼料表明整體上質(zhì)量較好,RFV值越大,表明營養(yǎng)價值越高。
1.3.4收獲苜蓿芽菜和干草的綜合收益 通過公式(4)計算不同處理下所收獲的苜蓿芽菜和干草的綜合收益。
綜合收益= 苜蓿芽產(chǎn)量×(X1-X2)+干草產(chǎn)量×Y
(4)
其中,X1為不同返青時期苜蓿芽菜價格:X1=x(早期)、X1=2/3x(中期)、X1=1/4x(晚期),X2為不同返青時期人力成本:X2=2/3x(早期)、X2=1/5x(中期)、X2=1/10x(晚期),Y為干草價格。計算實際收益時,優(yōu)質(zhì)苜蓿芽菜價格按照x=20 元·kg-1計算,特級干草(相對飼用價值>151)Y=3元·kg-1,次級干草Y=2.3 元·kg-1計算。
實驗所有數(shù)據(jù)通過SPSS 25.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。首先對苜蓿芽菜收獲比例和收獲時期進行雙因素方差分析。再對有互作效應的參數(shù)(芽菜收獲量、平均分枝數(shù)、平均株高、干草產(chǎn)量、干草粗蛋白含量、中性和酸性洗滌纖維、相對飼用價值)進一步分析,在比較單一因素影響時,用多重比較分析,顯著水平為0.05,統(tǒng)計值用平均值±標準誤差表示。
由表2可知,苜蓿芽菜收獲量、分枝數(shù)、干草粗蛋白、酸性洗滌纖維含量和相對飼用價值受到收獲比例和收獲時期的顯著影響。株高、干草產(chǎn)量、中性洗滌纖維含量和綜合收益分別受到收獲比例和收獲時期的顯著影響。
表2 苜蓿芽菜收獲比例和收獲時期的雙因素方差分析結果Table 2 Two-factor variance analysis results of harvest quantity and harvest time of alfalfa sprouts
隨著苜蓿芽菜收獲時間的延后,苜蓿芽菜增高、莖增粗、葉片增多,生物量逐漸增加。返青晚期收獲時,芽菜的收獲量最高,分別比早期、中期高出170.38%和40.45%。由表3可知,返青早期到晚期單位面積苜蓿芽菜總收獲量分別為100.28 g·m-2,193.05 g·m-2,271.14 g·m-2,各時期總收獲量差異顯著(P<0.05)。在相同收獲期,收獲比例越高,苜蓿芽菜的收獲量越高(P<0.05)。
表3 不同返青時期苜蓿芽菜的收獲量Table 3 Yield of alfalfa sprouts harvesting in different periods of re-growth
由表4可知,返青早期收獲10%的苜蓿芽菜時,苜蓿平均分枝數(shù)最高,達112.42 個·m-2,隨著芽菜收獲比例從10%增加至30%和50%,分枝數(shù)分別顯著下降至103.67 個·m-2和88 個·m-2(P<0.05)。與返青早期不同,在返青中期和晚期對苜蓿芽菜進行不同比例的收獲后,苜蓿分枝數(shù)表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢。其中收獲30%芽菜后的分枝數(shù)最高,顯著高于10%和50%收獲比例(P<0.05)。
表4 返青不同時期及不同苜蓿芽菜收獲比例對分枝數(shù)的影響Table 4 Effects of different periods of re-growth and different harvesting amount of alfalfa sprouts on germination branch number
苜蓿平均株高(刈割部分)差異顯著(P<0.05),隨著返青時期苜蓿芽菜收獲比例從10%增加至50%,表現(xiàn)為升高的趨勢(表5)。各返青時期收獲50%芽菜時,3次所刈割的苜蓿平均株高最高,達50.58,48.28和53.40 cm。
表5 返青不同時期及不同苜蓿芽菜收獲比例對株高(刈割部分)的影響Table 5 Effects of different periods of re-growth and different harvesting amount of alfalfa sprouts on plant height(cutting part)
隨著芽菜收獲比例從10%增加至50%,苜蓿干草產(chǎn)量表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢(表6)。收獲30%芽菜時,干草產(chǎn)量最高,其次為50%收獲比例,10%收獲與不收獲時干草產(chǎn)量最低,但二者之間無顯著差異(由于此原因,后文只考慮三個收獲比例之間的差異,不再考慮不收獲芽菜處理)。其中,在返青早期收獲30%芽菜,干草的產(chǎn)量(5 739 kg·hm-2)分別比10%和50%收獲比例高40.77%和17.24%(P<0.05);返青中期收獲30%芽菜,干草的產(chǎn)量(5 082 kg·hm-2)分別比10%和50%收獲比例高98.67%和41.44%(P<0.05);返青晚期收獲30%芽菜,干草的產(chǎn)量(6 926 kg·hm-2)分別高出10%和50%收獲比例的26.06%和14.23%(P<0.05)。3茬干草之間,第1茬產(chǎn)量最高,后2茬產(chǎn)量呈下降趨勢,并且隨著刈割茬次的增加,各處理之間干草產(chǎn)量的差距變小。后期整體干草產(chǎn)量之間的比較得出,在返青晚期收獲芽菜時,干草的產(chǎn)量最高,干草產(chǎn)量分別比早期、中期高出25.64%和64.54%,返青中期最低。
表6 返青不同時期及不同苜蓿芽菜收獲比例對干草產(chǎn)量的影響Table 6 Effects of different periods of re-growth and different harvesting amount of alfalfa sprouts on alfalfa hay yield
3個返青時期中,收獲10%芽菜時,苜蓿干草的粗蛋白含量分別為17.39%(早期),18.33%(中期),16.21%(晚期),顯著高于30%和50%芽菜收獲比例(P<0.05);而收獲30%芽菜時,苜蓿干草的中性和酸性洗滌纖維含量最高,分別為21.94%和34.74%(早期),38.12%和31.39%(中期),44.04%和40.27%(晚期),顯著高于10%和50%芽菜收獲比例(P<0.05)。其中,返青早期(圖2a)收獲30%芽菜時,干草的粗蛋白含量最低(P<0.05),為13.98%;干草的中性和酸性洗滌纖維含量在收獲10%芽菜時最低,為14.05%和27.74%。返青中期(圖2b)收獲50%芽菜時,干草的粗蛋白和酸性洗滌纖維含量最低,分別為16.27 %和29.20 %;收獲10%芽菜時,干草中性洗滌纖維含量最低,為30.47%。返青晚期(圖2c)收獲30%芽菜時,干草的粗蛋白含量最低,為14.88 %;收獲10%芽菜時,干草的中性洗滌纖維含量最低,為40.85%;收獲50%芽菜時,干草的酸性洗滌纖維含量最低(P<0.05),為26.30%。苜蓿干草的相對飼用價值(圖2 d)差異顯著(P<0.05),除返青晚期外,收獲10%芽菜的苜蓿干草,其相對飼用價值最高,而各返青時期收獲30%芽菜時,干草相對飼用價值均最低。在返青早期收獲芽菜時,干草的相對飼用價值最高,隨著芽菜收獲時期的延后,相對飼用價值表現(xiàn)為下降趨勢。綜上所述,各返青時期收獲10%芽菜時,苜蓿干草的粗蛋白含量最高,而中性和酸性洗滌纖維含量相比較低,整體相對飼用價值也較高,品質(zhì)最好。收獲30%芽菜時,苜蓿干草的中性和酸性洗滌纖維含量最高,粗蛋白含量相比較低,相對飼用價值最低。
圖2 返青不同時期及不同苜蓿芽菜收獲比例對干草品質(zhì)的影響Fig.2 Effects of different periods of re-growth and harvesting amount of alfalfa sprouts on hay quality of alfalfa注:百分比含量為CP,NDF,ADF占干物質(zhì)含量,各組不同字母表示各自在0.05水平差異顯著。a(返青早期)、b(返青中期)、c(返青晚期)、d(相對飼用價值)Note:Percentage content is the content of CP,NDF and ADF in dry matter,Different lowercase letters in each group indicate significant differences at 0.05 level. a (Early period),b (Middle period),c (Late period),d (Relative feed value)
對照處理下三茬苜蓿干草總產(chǎn)量為4 142 kg·hm-2,收益為12 426 元,僅大于返青中期10%芽菜處理下的總收益,遠小于其他處理下的總收益。如圖3所示,在返青中期收獲30%苜蓿芽菜的收益,加該處理下苜蓿干草的收益之和最高,達20 392元。
圖3 不同處理下所收獲的苜蓿芽菜和 干草的綜合收益Fig.3 Total income of alfalfa sprouts and hay harvested under different treatments
苜蓿芽菜作為理想的食材,須具備產(chǎn)量高,芽莖柔嫩等品質(zhì),而不同收獲時期對芽菜的產(chǎn)量和品質(zhì)均有影響。本研究從苜蓿芽菜收獲量的變化中得出,隨返青期芽菜收獲時期的延后,芽菜產(chǎn)量顯著升高。但芽菜品質(zhì)卻下降,其纖維素含量隨收獲時期的延后逐漸升高,芽莖柔嫩程度隨之下降,芽菜可食用部分的產(chǎn)量下降[11],此外,相對含水量的降低,使其口感變差,導致芽菜作為食材的品質(zhì)下降。
3.2.1對分枝數(shù)、株高及干草產(chǎn)量的影響 苜蓿的根頸作為重要的有機物質(zhì)貯藏器官,為其再生提供能量和養(yǎng)分,根頸是產(chǎn)生分枝的重要部位,直接影響著苜蓿的生產(chǎn)性能和可持續(xù)利用,由根頸芽發(fā)育而成的地上分枝是其生產(chǎn)力的主要來源之一[12],分枝數(shù)影響著苜蓿的產(chǎn)量。不同時期收獲芽菜,對苜蓿分枝數(shù)有顯著影響,返青早期收獲芽菜后,苜蓿分枝數(shù)的變化趨勢與返青中期和晚期不同,這可能與不同時期根頸芽的生長能力有關[13]。返青早期根頸芽比較柔嫩,光合能力較弱,更易受到采摘的影響,繼而使分枝數(shù)減少,而返青中、晚期收獲芽菜時,根頸芽發(fā)育較為成熟,光合能力較強,受到的影響較弱。所以,返青早期分枝數(shù)隨著芽菜收獲比例的增加而下降。在返青中期和晚期收獲芽菜,隨著收獲比例的增加,分枝數(shù)表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢,這可能和植株的密度有關,隨著生長時間的增長,根頸直徑逐漸增粗、分枝增多、根系逐漸發(fā)達,苜蓿芽的生物量也隨之增大[14]。30%的苜蓿芽菜收獲比例下,可能由于根頸的補償性生長,導致分枝數(shù)最多。而50%的收獲比例時,雖然明顯使芽間的競爭減小,但是過大的收獲比例不利于分枝的萌發(fā)。
苜蓿是多年生牧草,干草產(chǎn)量由單位面積上的植株數(shù)和單株生物量決定,植株密度和單株生物量間相互制約[5]。本研究對不同返青時期的苜蓿芽菜進行不同量的收獲,在一定程度上減小了返青苜蓿芽的密度,改變了幼苗的生長速度和幼苗間競爭的強弱。密度會影響群體結構且決定其生產(chǎn)量,30%的收獲比例使得苜蓿芽密度適度,合理的密度能夠增加苜蓿的分枝,更好地協(xié)調(diào)群體與個體生長,易獲得高產(chǎn)[15]。此外,幼苗間的競爭減小,幼苗可最大程度生長,最終影響其產(chǎn)量[16]。生長發(fā)育更快,苜蓿干物質(zhì)的累積量更多,產(chǎn)量更高[17];10%的收獲比例沒有使幼苗間的競爭減小,雖然整體密度大,但密度過大會影響幼苗的正常光合及其他生理活動,使得幼苗之間對光、熱、水、肥等因素的競爭強烈,單株生物量與現(xiàn)存密度存在競爭密度效應,即隨著密度的增加而減小[18];50%的收獲比例雖然使幼苗間的競爭減小,但導致單位空間內(nèi)幼苗的數(shù)量過少,當植株密度不足60%時,將不能滿足草田生產(chǎn)的基本要求,也會影響總干草產(chǎn)量[19]。干草產(chǎn)量隨著密度的增加先升高后降低,增加單位面積植株數(shù)量,可以彌補苜蓿分枝的空間,但超過一定限度,因植株數(shù)量過大而產(chǎn)生自疏現(xiàn)象,進而苜蓿產(chǎn)量下降[20-21]。株高可以反映牧草生長情況,也是苜蓿產(chǎn)量構成要素之一,可作為其生產(chǎn)性能的預測指標[22],株高與干草產(chǎn)量呈顯著正相關,株高在稀植時對產(chǎn)量作用大且株高對產(chǎn)量影響較穩(wěn)定[23]。低密度處理時株高的增長速度比高密度時快[24],本研究收獲30%和50%苜蓿芽菜時,苜蓿生長高度顯著高于收獲10%苜蓿芽菜,這也是干草產(chǎn)量更高的原因之一。返青中期不同芽菜收獲比例的苜蓿干草產(chǎn)量間差距最大,這可能與不同返青時期苜蓿幼苗的生長能力、對環(huán)境的適應能力和抗逆性的差異有關。
3.2.2對干草品質(zhì)的影響 粗蛋白(CP)含量是衡量苜蓿品質(zhì)的重要指標,含量越高,品質(zhì)和營養(yǎng)價值越好[25]。本研究中,各返青時期收獲10%芽菜時,苜蓿干草CP含量最高。這與不同芽菜收獲比例改變了苜蓿群體密度,進而影響苜蓿的生長發(fā)育有關。隨著苜蓿生育期的推進,生長高度的增加,CP含量會隨著成熟度和生長高度的增加而下降[26-27]。收獲30%和50%芽菜,苜蓿間競爭壓力小、生長更快,同一時期刈割時苜蓿成熟度和株高高于收獲10%芽菜后的苜蓿,進而使其干草CP的含量降低。
中性洗滌纖維(NDF)是衡量纖維類碳水化合物(Fibrous carbohydrates)營養(yǎng)水平的重要指標,一定量的NDF能夠保證反芻動物的瘤胃形態(tài)和功能發(fā)育[28],且可以用來預測牧草的采食潛力[29]。酸性洗滌纖維(ADF)可以預測牧草的消化率,其組成成分多為不能被動物消化利用的非營養(yǎng)性物質(zhì),含量越高時,牧草不能被消化的部分越多,因此消化率降低,品質(zhì)和營養(yǎng)價值越差[30]。本研究中,各返青時期收獲30%芽菜時,苜蓿干草NDF和ADF含量最高。由于返青時期收獲不同量的芽菜,進而影響苜蓿植株群體的密度,不同的密度改變了苜蓿的生長速度,低密度時長勢更快[31]。其中,收獲30%和50%芽菜,苜蓿生長發(fā)育更快,其株高更高,導致植株粗纖維含量的增加速度快于收獲10%芽菜的苜蓿,最終在同一時期刈割時NDF和ADF的含量也更高[32]。相對飼用價值(RFV)也隨著苜蓿的生長成熟而逐漸降低[33-34],收獲30%芽菜的苜蓿更成熟,RFV更低。這是因為不同密度下,苜蓿群體生物量結構改變,形態(tài)發(fā)育的不同使苜蓿營養(yǎng)成分含量產(chǎn)生差異[35]。
分析不同處理下的苜蓿干草生產(chǎn)情況,可得出芽菜的最佳收獲方法。收獲不同量的苜蓿芽菜后,苜蓿的生長、株高和分枝數(shù)等均發(fā)生了不同程度的變化,最終導致干草產(chǎn)量、品質(zhì)也因不同量苜蓿芽菜的收獲比例而產(chǎn)生差異。返青中期的苜蓿芽菜最適合作為食材,但芽菜收獲量并非最高。然而在綜合考慮苜蓿干草產(chǎn)量、相對飼用價值時,收獲30%苜蓿芽菜時后續(xù)干草產(chǎn)量和品質(zhì)均處于較高水平(相對飼用價值為158.42,高于特級草標準151),每公頃綜合收益最高(20 392 元·hm-2)。因此,在盡可能多收獲優(yōu)質(zhì)苜蓿芽菜的前提下,減少其對苜蓿干草生產(chǎn)的影響,保證干草的產(chǎn)量和品質(zhì),根據(jù)最終苜蓿芽菜和干草綜合收益最大化原則,本研究推薦返青中期收獲30%的苜蓿芽菜為最佳收獲方法。
返青早期芽菜收獲量最低,收獲10%芽菜,苜蓿干草的相對飼用價值最高;返青中期芽菜最適合作為食材;返青晚期芽菜收獲量最高,收獲30%芽菜,苜蓿干草的產(chǎn)量最高,但干草中性和酸性洗滌纖維含量也最高,干草相對飼用價值最低;總體收益分析,返青中期收獲30%芽菜時草地的總體收益最高,可以作為提升松嫩較重鹽堿化區(qū)域紫花苜蓿草地總體收益的最佳收獲方法。