何亞靈,韋 瀟,曾泰儒,周冀瓊,凌 瑤,閆艷紅
(四川農(nóng)業(yè)大學草業(yè)科技學院,成都 611130)
四川省作為我國畜牧大省之一,對牧草的需求量較大,但有限的土地面積嚴重制約著畜牧業(yè)的發(fā)展[1]?;觳タ蓪崿F(xiàn)資源在時間和空間上的高效利用,促進資源的合理配置,有效提高光能利用率和土地利用率,從而提高牧草產(chǎn)量[2]。因此,混播草地在該地區(qū)已被廣泛推廣應用。不同牧草在特定地區(qū)的適應性、生產(chǎn)力和種間相容性差異較大[3],常因牧草組合不當,導致混播草地呈現(xiàn)種間競爭激烈、群落穩(wěn)性降低等問題[4],造成其產(chǎn)量和品質(zhì)嚴重下降。合理施肥可有效調(diào)節(jié)混播草地土壤養(yǎng)分,協(xié)同提高牧草的產(chǎn)量和品質(zhì)[5]。因此,合理的混播組合和施肥措施是豆禾混播草地發(fā)揮優(yōu)勢及生產(chǎn)潛力的前提。葦狀羊茅(Festuca arundinaceaSchreb.)、紫花苜蓿(Mediccago sativaL.)、白三葉(Trifolium repensL.)和鴨茅(Dactylis glomerataL.)等對四川濕熱地區(qū)適應性良好,是該地區(qū)常見的牧草品種[6],茍文龍等[7]對13種牧草豆禾混播組合的干物質(zhì)產(chǎn)量、累計粗蛋白(crude protein,CP)含量和累計消化干物質(zhì)質(zhì)量進行了綜合評價,前人研究已為四川濕熱地區(qū)豆禾混播草地適宜草種及組合提供了良好的基礎(chǔ),但對其最佳施氮水平的探索處于空白,這是急需解決的關(guān)鍵問題。
氮素參與蛋白質(zhì)、核酸和葉綠素等物質(zhì)的合成[8],是最重要的養(yǎng)分因子,可提高植物生產(chǎn)力并改善品質(zhì)[9]。氮素添加可提高禾本科牧草品質(zhì),促進分蘗,提高產(chǎn)量[10-11],亦可提高豆科牧草產(chǎn)量和CP含量,降低ADF(acid detergent fiber,ADF)含量,提高營養(yǎng)品質(zhì)[12]。豆禾混播體系中,氮肥添加能夠很好地平衡豆科和禾本科牧草之間的競爭力,增強共生效應和相容性,有利于土壤穩(wěn)定性及養(yǎng)分狀況的提升[13]。張鵬等[14]發(fā)現(xiàn)作物缺氮將導致光合作用、根系生長及繁殖器官形成受阻,顯著降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)。但飼草的生產(chǎn)力和品質(zhì)對氮肥的響應并非完全呈正相關(guān),在一定范圍內(nèi),飼草生產(chǎn)力隨施氮量增加而增加,而單位面積施氮過量則產(chǎn)生負效應[15-16]。此外過量施氮不僅造成水肥資源浪費、環(huán)境污染,也導致土壤富營養(yǎng)化、鹽漬化以及土傳病害加重等問題[17]。因此合理施用氮肥對管理豆禾混播草地具有重要的實際意義。
可見,國內(nèi)外已對豆禾混播草地進行了大量的研究,多集中于豆禾混播草地的生產(chǎn)性能[7]、土壤改良[2]、種間關(guān)系[18]和氮轉(zhuǎn)移機理[19]等方面,然而對于四川濕熱地區(qū),僅提供了適宜播種的草種及混播比例[6-7],但不同供氮水平對豆禾混播草地生長的影響鮮見報道。鑒于此,本研究以紫花苜蓿、白三葉、鴨茅、葦狀羊茅建植的人工混播草地為供試材料,設(shè)3個氮肥水平處理,測定其產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì),分析不同氮素水平對豆禾混播草地生產(chǎn)力和品質(zhì)的影響,同時利用隸屬函數(shù)值法對不同氮肥處理下混播牧草產(chǎn)量和品質(zhì)進行綜合評價,旨在探究適宜豆禾混播草地最佳施氮水平,以期為四川濕熱地區(qū)混播草地施用氮肥提供理論依據(jù)。
試驗地位于四川省崇州市四川農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地(103°07′E,30°30′N),屬亞熱帶濕潤季風氣候地區(qū)。年平均氣溫為15.0℃~15.9℃,年均日照1 161.5 h,無霜期285 d,年降雨量1 012.4 mm。耕層土壤(0~20 cm)質(zhì)地為砂壤土,pH為6.30,土壤有機質(zhì)含量27.6 g/kg、堿解氮含量135.7 mg/kg、速效磷含量10.2 mg/kg、速效鉀含量101.1 mg/kg。
紫花苜蓿(‘精英’)、白三葉(‘海發(fā)’)、鴨茅(‘金牛’)、葦狀羊茅(‘決勝’)四種牧草種子均由“四川綠草園種業(yè)有限公司”提供,試驗所用氮肥為尿素(純N 46%),磷肥為過磷酸鈣(含P2O512%),鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%),均購于當?shù)剞r(nóng)資市場。
參考茍文龍等[6-7]的研究,并以課題組前期篩選出來的適宜混播組合為依據(jù),確定以紫花苜蓿(‘精英’)、白三葉(‘海發(fā)’)、鴨茅(‘金?!?、葦狀羊茅(‘決勝’)4種牧草構(gòu)建人工混播草地,采用同行混播方式,豆禾密度比為3∶7,混播比例和播種量見表1。
表1 豆禾混播組合及播種量Table 1 Mixed combination and seeding rate of legume-grass mixtures
試驗設(shè)計采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計,參考李小梅等[20]對該區(qū)施氮水平的研究設(shè)3個施氮處理,分別為:N1(低氮:150 kg/hm2純氮)、N2(中氮:300 kg/hm2純氮)和N3(高氮:450 kg/hm2純氮),各處理3次重復,共計9個小區(qū),小區(qū)面積為3 m×5 m=15 m2,小區(qū)間隔為0.5 m。于2018年9月開始播種,以條播方式進行豆禾同行混播,行距30 cm,2019年返青后進行田間試驗,將磷肥P2O5為54 kg/hm2(過磷酸鈣540 kg/hm2)、鉀肥K2O為180 kg/hm2(氯化鉀300 kg/hm2)和氮肥(N1、N2和N3處理),分別于苗期(返青期)、第1、2、3和4次刈割后均勻施入各小區(qū),施肥方式采用地面撒施,施肥后對其進行灌溉。(每次施肥量為氮、磷和鉀肥總量的20%)。2020年施肥措施同2019年。
1.4.1 產(chǎn)量測定
試驗于2019年,分別在4月28日,6月19日,7月25日,9月10日,完成4茬刈割,每茬刈割均在豆科牧草現(xiàn)蕾期、禾草初花期進行刈割[21],每次刈割時,留茬高度為5 cm,先將各試驗小區(qū)去掉兩個邊行,另外兩個長邊分別去掉50 cm,再將每個小區(qū)牧草進行刈割并測產(chǎn),記錄其鮮草產(chǎn)量,同時取500 g樣品,在烘箱中105℃殺青30 min,75℃下烘7 h至恒重,然后用電子天平稱重,稱量并計算干草產(chǎn)量,年草產(chǎn)量為每次刈割產(chǎn)量之和。2020年刈割措施同2019年。
1.4.2 營養(yǎng)品質(zhì)測定
于2019年每茬刈割時,取鮮草1 kg,75℃烘干、粉碎、過40目篩后測定相關(guān)指標;CP含量采用凱氏定氮法測定;NDF(neutral detergent fiber,NDF)和ADF含量采用范氏洗滌纖維法測定[22];可溶性碳水化合物(water soluble carbohydrate,WSC)含量采用蒽酮比色法[23]測定。相對飼喂價值(relative feed value,RFV)采用以下公式計算[24]:RFV(%)=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29。
為綜合評價不同供氮水平下豆禾混播草地的生長狀況,對所測產(chǎn)量和營養(yǎng)指標性狀進行隸屬函數(shù)值法[25]分析。
式中為Uij為第i處理第j性狀的隸屬函數(shù)值;Xij為第i處理第j性狀的測定值;Xjmin和Xjmax分別為所有處理中j性狀的最小值和最大值;為第i處理的隸屬函數(shù)平均值;n為測定性狀數(shù)。隸屬函數(shù)均值越大,說明綜合生長越好。
利用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計及作圖,用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行ANOVA單因素方差分析,用LSD法進行顯著水平為0.05的多重比較。
由表2可知,混播草地平均總干草產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加,且各處理間差異顯著(P<0.05)。第一年,N3處理干草產(chǎn)量最高,為14.39 t/hm2,N2次之,N1最低,N2和N3較N1處理分別高29.46%和35.00%,差異顯著(P<0.05),且N2和N3間無顯著性差異。第二年,N3處理干草產(chǎn)量最高,N2次之,N1最小,N3較N1和N2處理分別高40.23%和15.17%,差異顯著(P<0.05)。
表2 不同氮肥水平對豆禾混播草地干草產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of different N levels on hay yield of legume-grass mixtures t·hm-2
2.2.1 不同氮肥水平對豆禾混播草地粗蛋白含量的影響
從表3可知,隨施氮水平的增加混播草地的CP含量總體呈增加趨勢。第一茬,CP含量N2和N3較N1處理高6.09%和3.64%,差異顯著(P<0.05),第四茬,N2和N3處理下CP含量相同,均較N1高11.11%,差異顯著(P<0.05),且兩茬中N2和N3間無顯著差異;第二茬和第三茬,CP含量隨著施氮量的增加而增加,且各處理間差異顯著(P<0.05),第二茬中N2和N3較N1分別高2.26%和8.36%,差異顯著(P<0.05),第三茬中N2和N3較N1分別高7.59%和8.91%,差異顯著(P<0.05);CP含量總體平均值隨氮含量增加而顯著增加,各處理間差異顯著(P<0.05)。
表3 不同氮肥水平對豆禾混播草地粗蛋白質(zhì)含量的影響Table 3 Effect of different N levels on crude protein content of legume-grass mixtures %
2.2.2 不同氮肥水平對豆禾混播草地可溶性碳水化合物含量的影響
由表4可知,三個施氮水平下WSC含量的總體平均值無顯著性差異。第一茬,各處理之間差異顯著(P<0.05),N3處理WSC含量較N1和N2高14.90%和35.82%,差異顯著(P<0.05);第二茬,N1和N3處理的WSC含量無顯著差異,分別較N2處理高21.74%和32.61%,差異顯著(P<0.05);第三茬,WSC含量隨著施氮水平的增加而降低,各處理間差異顯著(P<0.05),其中N3較N1低46.12%;第四茬,則以N2處理的WSC含量最高,分別較N1和N3處理高34.67%和28.85%,差異顯著(P<0.05)。
表4 不同氮肥水平對豆禾混播草地可溶性碳水化合物含量的影響Table 4 Effect of different N levels on water soluble carbohydrate content of legume-grass mixtures %
2.2.3 不同氮肥水平對豆禾混播草地酸性洗滌纖維含量的影響
ADF含量隨施氮量增加而呈降低的趨勢。第一茬,N3處理ADF含量分別較N1和N2低16.39%和12.08%,差異顯著(P<0.05);第四茬中N3較N1和N2分別低8.35%和10.07%,差異顯著(P<0.05)。第二茬,各處理間ADF含量差異不顯著;第三茬,N2處理下ADF含量較N1低8.37%,差異顯著(P<0.05),而與N3差異不顯著,且N1與N3之間差異不顯著(表5)。
表5 不同施氮水平對豆禾混播草地酸性洗滌纖維的影響Table 5 Effect of different N application levels on acid detergent fiber of legume-grass mixtures %
2.2.4 不同氮肥水平對豆禾混播草地中性洗滌纖維含量的影響
由表6可知,NDF含量的平均值隨施氮量增加呈顯著降低的趨勢(P<0.05),NDF含量N3處理分別較N1和N2顯著降低6.35%和4.80%。第一茬,NDF含量N3處理較N1和N2分別低12.18%和11.92%,差異顯著(P<0.05);第二茬,NDF含量N3較N2處理低5.19%(P<0.05),與N1無顯著性差異;第三茬中,NDF含量N2和N3較N1低7.00%和7.98%,差異顯著(P<0.05),N2與N3間無顯著差異;第四茬,各處理的NDF含量均無顯著性差異。
表6 不同施氮水平對混播草地中性洗滌纖維的影響Table 6 Effect of different N application levels on neutral detergent fiber of legume-grass mixtures %
2.2.5 不同氮肥水平對豆禾混播草地相對飼喂價值的影響
由表7可知,RFV總平均值隨施氮量的增加而增加,各處理間差異顯著(P<0.05),N2和N3處理分別較N1增加7.19%和10.00%。各茬牧草的RFV均N3處理最高。第一茬,N3處理RFV較N1和N2分別高20.35%和18.02%,差異顯著(P<0.05);第四茬,N3處理RFV較N1和N2分別高2.85%和3.07%,差異顯著(P<0.05),且兩茬中N1與N2之間差異不顯著。第二茬,N3處理RFV較N2高7.23%(P<0.05),其他處理之間差異不顯著;第三茬,N2和N3之間無顯著性差異,分別較N1高10.64%和10.94%,差異顯著(P<0.05)。
表7 不同施氮水平對混播草地相對飼喂價值的影響Table 7 Effect of different N application levels on the relative feeding value of legume-grass mixtures
由表8可知,3個施氮處理中,N3處理隸屬函數(shù)值最高,為0.67,其產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)較高,其中CP含量、WSC含量以及RFV最高。
表8 不同施氮水平下隸屬函數(shù)值及綜合評價Table 8 Membership function values and comprehensive evaluation under different N application levels
氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要成分,其參與細胞合成與代謝、促進光合作用以及能量的運輸,是植物生長的必需營養(yǎng)元素[26]。適量增加氮肥可提高葉片光合生產(chǎn)能力,促進營養(yǎng)器官建成,促進開花后營養(yǎng)器官貯存產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運,增加產(chǎn)量[27]。本研究結(jié)果顯示,兩年內(nèi)平均干草產(chǎn)量隨施氮量的增加呈增加趨勢,其中N3(高氮,450 kg/hm2純氮)處理干草產(chǎn)量最高,N2(中氮,300 kg/hm2純氮)次之,N1(低氮,150 kg/hm2純氮)較差,且各處理間差異顯著(P<0.05),說明施氮可顯著提高豆禾混播干草產(chǎn)量(P<0.05),這一方面與李順偉等[28]研究一致,另一方面李雯等[29]對玉米(Zea maysL.)添加氮肥發(fā)現(xiàn),施氮量452.25 kg/hm2時,其干草產(chǎn)量最高,施氮量504.00 kg/hm2時干草產(chǎn)量呈負增長,即452.25 kg/hm2≤玉米產(chǎn)量正向增長的氮肥閾值<504.00 kg/hm2,這也和本研究的結(jié)果具有相似性,即本研究中氮肥450 kg/hm2可能接近其產(chǎn)量正向增長的氮肥閾值,但具體氮肥閾值仍需進一步試驗驗證。
多年生豆禾混播草地在不同年限對不同施氮水平的響應存在差異。第一年總干草產(chǎn)量中,N2和N3處理較N1顯著提高(P<0.05),但N2和N3間無顯著差異,說明本研究設(shè)計150 kg/hm2純氮在豆禾混播干草產(chǎn)量對氮素急速響應區(qū)間內(nèi),300 kg/hm2純氮和450 kg/hm2純氮在緩慢響應區(qū)間內(nèi),這也與孫建好等[30]研究發(fā)現(xiàn),施氮量為300 kg/hm2內(nèi),間作玉米產(chǎn)量隨施氮量增加呈增加趨勢,施氮量超過450 kg/hm2后增產(chǎn)趨于平緩,且總體呈對數(shù)曲線變化的結(jié)果相似。本研究結(jié)果顯示,第二年干草總產(chǎn)量隨施氮量增加而增加,各處理間差異顯著(P<0.05),但第一年干草總產(chǎn)量中,N2和N3間無顯著差異,這說明四川濕熱地區(qū)豆禾混播草地產(chǎn)量對氮肥的響應存在一定滯后性,這也和對中間砧蘋果(Malus pumilaMill.)幼樹添加氮肥時發(fā)現(xiàn),施氮不會迅速促進地部生長,而是先促進根系Zr的大量合成[31-33],將氮素營養(yǎng)的分配到根部用于根系生長,加速細根分生和根系建立[34],進而提高氮素的吸收和利用的研究結(jié)果具有相似性,可能是因為本研究材料為豆禾混播草地,第一年時多年生禾本科地下根系發(fā)育不發(fā)達,對氮肥的吸收和利用存在局限性,對其地上生物量的積累促進作用較小,造成N2和N3產(chǎn)量無顯著差異,當?shù)诙?,禾本科根系較第一年發(fā)達,對氮肥的吸收和利用進一步增強,對地上生物量促進顯著,表現(xiàn)為N2和N3差異顯著(P<0.05)。本研究結(jié)果顯示,豆禾混播草地干草產(chǎn)量第一年高于第二年,本研究對象為豆禾混播草地,其中白三葉作為建植草種是豆科類冷季型牧草,對四川夏季高溫氣候特征的適應性較差,越夏能力弱,這與何峰等[35]發(fā)現(xiàn)在四川濕熱地區(qū)白三葉不能越夏,且第二年產(chǎn)量低于第一年的研究結(jié)果一致,還與胥曉剛等[36]在四川種植白三葉時發(fā)現(xiàn),種植一年后,越夏時地上部分會大量死亡,但秋季又可恢復生長,這降低了草地夏季產(chǎn)量,從而影響總產(chǎn)量的結(jié)果相對應。
綜上所述,豆禾混播草地年平均干草產(chǎn)量隨施氮量的增加呈增加趨勢;第一年,干草產(chǎn)量隨施氮量增加呈現(xiàn)對數(shù)曲線,第二年干草總產(chǎn)量隨施氮量增加而增加;第一年干草產(chǎn)量高于第二年干草產(chǎn)量,且第一年豆禾混播干草產(chǎn)量對氮肥的響應存在滯后性。
牧草的營養(yǎng)價值,取決于所含營養(yǎng)成分的種類和數(shù)量,CP、WSC、ADF、NDF以及RFV等都是反映牧草品質(zhì)特性的重要指標[37]。徐然然[38]在研究施氮對黃土高原豆禾混播草地品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn),氮肥可顯著提高紫花苜蓿的CP含量(P<0.05),另有研究表明[20],施氮450 kg/hm2時第三茬多花黑麥草(Lolium multiflorumLamk.)CP含量最高。本試驗結(jié)果表明,第二茬和第三茬中,豆禾混播草地CP含量隨施氮量增加呈顯著增加趨勢(P<0.05),這可能是因為本研究設(shè)計的氮肥量≤混播牧草CP含量對氮肥正向增長響應的閾值。
WSC是指能溶于水和乙醇的單糖和寡聚糖,在植物體內(nèi)為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),是碳水化合物代謝和貯藏的主要形式[39],同時也是影響植物生長發(fā)育的一個重要指標。本試驗結(jié)果表明,第一茬與第二茬中,隨著施氮量的增加,WSC含量先減少后增加,這與陳佳等[39]在研究羊草(Leymus chinensisTzvel.)、大針茅(Stipa grandisP.A.Smirn.)和米氏冰草(Agropyron cristatumGaertn.)的WSC對氮素添加的響應的研究結(jié)果一致,即添加低濃度氮素(300 kg/hm2)時,可使植物地上部分的WSC轉(zhuǎn)運到根系部分,先促進根部的生長,即地上植株的WSC含量出現(xiàn)一個最低值,但隨氮素量進一步添加,此時的WSC更多的參與到生理代謝和滲透調(diào)節(jié)中,則地上植株的WSC含量隨施氮量提高呈緩慢增加的趨勢。本研究第四茬中,WSC含量隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢,說明隨著豆禾混播草地土壤氮肥的累積,WSC在施氮量為300 kg/hm2時,對氮肥的需求量達到閾值,當超過這一閾值時,WSC轉(zhuǎn)化就會受阻,進而減小,這與張艷菲等[40]對不同施氮水平下小麥(Triticum aestivumL.)籽粒WSC含量變化規(guī)律一致。從總體平均值來看,各處理間WSC含量無顯著差異,這與袁麗萍等[41]報道不同氮供應對番茄(Lycopersicon esculentumMiller.)果實中WSC含量影響規(guī)律具有一致性。
飼草NDF含量過高會降低牧草適口性,ADF含量過高會降低家畜消化率[42]。本試驗結(jié)果顯示,隨施氮量的增加,ADF和NDF含量均有降低的趨勢,其中ADF總平均含量,N3處理顯著低于N1或N2(P<0.05);NDF總平均含量從高到底依次為N3>N2>N1,且處理間差異顯著(P<0.05),這與張永亮等[43]發(fā)現(xiàn),高氮肥處理(420 kg/hm2)能顯著降低禾草NDF和ADF含量的結(jié)果相似,亦與白春生等[44]發(fā)現(xiàn)450 kg/hm2施氮量時高丹草ADF和NDF含量最低的結(jié)果相對應。RFV是衡量牧草采食量和能量價值的重要指標,可直接評價牧草的營養(yǎng)品質(zhì),而ADF和NDF含量直接影響牧草RFV值的大小,ADF和NDF含量越低,RFV值就越大,牧草可消化干物質(zhì)的采食量越高[12]。本研究結(jié)果得出,RFV隨著施氮量增加呈增加趨勢,總平均值表明,N3處理RFV較N1或N2分別顯著提高10%和7.19%(P<0.05),這與本研究N3處理下ADF和NDF含量最低的結(jié)果相對應。
隸屬函數(shù)可綜合反映不同氮肥處理對豆禾混播草地的影響,隸屬函數(shù)值越高則促生越強,反之則越弱。不同氮肥水平對豆禾混播草地的產(chǎn)量、營養(yǎng)品質(zhì)和RFV的作用存在差異,為客觀且綜合地比較各處理對混播牧草生長的影響,用模糊隸屬函數(shù)進行綜合分析,結(jié)果顯示,不同處理隸屬函數(shù)值排名為N3>N2>N1,說明N3(高氮:450 kg/hm2)處理對豆禾混播草地生長的促進作用最強,N1(低氮:150 kg/hm2純氮)處理最弱,在一定范圍內(nèi),氮肥施入量越高,越有利于提高豆禾混播草地產(chǎn)量和品質(zhì)。
綜上,適宜氮添加對豆禾混播草地的生長有顯著促進作用。氮肥促進了草地增產(chǎn),提高了營養(yǎng)品質(zhì),其中N3(高氮:450 kg/hm2)處理的隸屬函數(shù)法評分最高,達0.67,且CP含量和RFV顯著升高(P<0.05)。因此,施用氮450 kg/hm2可以更有利于四川濕熱地區(qū)豆禾混播草地的生長。然而,大于450 kg/hm2氮肥水平對該區(qū)豆禾混播草地產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及其深層作用機制還不清楚,需進一步深入探究適宜的氮肥施用量及其對豆禾混播草地氮素吸收和土壤微生物的影響,為優(yōu)化豆禾混播草地施肥提供堅實的理論基礎(chǔ)。