郭童鑫姚有華吳昆侖姚曉華白羿雄安立昆

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院,西寧 810016;2.青海省農(nóng)林科學(xué)院,西寧 810016;3.青海省青稞遺傳育種重點實驗室/國家麥類改良中心青海青稞分中心,西寧 810016)

青稞(Hordeum vulgareL.var.nudumHook.f.),屬禾本科大麥屬栽培大麥變種[1],因其籽粒內(nèi)外稃與穎果分離,籽粒裸露,故稱裸大麥,在青藏高原地區(qū)稱為青稞[2]。青稞是藏區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)首選,糧用是青稞消費的主要方式,占消費構(gòu)成的60%以上,飼用成為僅次于糧用的又一主要消費形式,占消費比重的35%以上,青稞作為藏區(qū)人、畜口糧的重要雙重來源,其生產(chǎn)對于保證藏區(qū)糧食安全、維護藏區(qū)社會穩(wěn)定具有重大意義[3-4]。

近年來,青稞生產(chǎn)面臨諸多問題,首先,生產(chǎn)布局呈快速單一化發(fā)展趨勢,耕作制度以連作為主[5],青藏高原區(qū)域內(nèi)青稞常年連作面積達整個區(qū)域內(nèi)青稞種植面積的1/3左右,造成青稞大量減產(chǎn)[6],連作障礙是影響青稞穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)的第一威脅;其次,種植結(jié)構(gòu)單一,抵御自然災(zāi)害能力差,青藏高原以青稞為主體的單一化作物布局以及常年降水不足,使青稞對病蟲害、冰雹、干旱、霜凍、寒冷等極端自然災(zāi)害的抵御能力降低,單產(chǎn)穩(wěn)定性差[7],從生物生態(tài)系統(tǒng)的自然規(guī)律看,單一的種植結(jié)構(gòu)使青稞存在極大的安全生產(chǎn)隱患;第三,青稞是青藏高原農(nóng)牧交錯區(qū)畜牧業(yè)重要的補飼飼料,但由于單一的耕作制度,導(dǎo)致其籽粒產(chǎn)量低而不穩(wěn)的同時秸稈產(chǎn)量較低,唯一可利用的飼草供不應(yīng)求[8]。青稞作為飼草營養(yǎng)價值低、適口性差,優(yōu)質(zhì)高蛋白飼草保障不足是青藏高原青稞種植區(qū)畜牧業(yè)面臨的現(xiàn)實問題[9]。

前人為優(yōu)化區(qū)域內(nèi)作物耕作制度和優(yōu)質(zhì)人工草地建設(shè),做了大量研究,認為混作是消減連作障礙應(yīng)用最最有效的生產(chǎn)措施[10],可提高土壤微生物群落結(jié)構(gòu),提高土壤微生物活性和酶活性,增加有益細菌數(shù),改善有害微生物累積所致的微生態(tài)失衡,減少自毒物質(zhì)積累,促進土壤微生物區(qū)系環(huán)境的優(yōu)化[11],進而改變土壤物質(zhì)結(jié)構(gòu),防止土壤養(yǎng)分失衡[12],最終達到修復(fù)連作障礙的目的;認為混作是優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和肥料高效利用的重要途徑,混作能實現(xiàn)物種間互利共生的協(xié)調(diào)關(guān)系,顯著增加土壤肥力、改善土壤理化性質(zhì)[13],進而全面發(fā)掘作物自身對高產(chǎn)品種和養(yǎng)分資源有效利用的生物學(xué)潛能,減少對外部肥料投入的依賴,提升作物自身養(yǎng)分效率,從而達到綠色增產(chǎn)增效的目的;認為混作是提升系統(tǒng)中作物抗逆性,促進產(chǎn)量穩(wěn)定形成的優(yōu)良技術(shù)體系,因種間、基因型的差異互補,使抗自然災(zāi)害和逆境的能力較單作明顯提高[14],混作模式使作物抗病蟲害和抗倒伏能力增強,群體的通風(fēng)、透光狀況優(yōu)良,光合利用率提高,從而能形成較穩(wěn)定的生產(chǎn)系統(tǒng)[15],進而達到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的;認為混作是提升糧草產(chǎn)量,改善飼用品質(zhì),構(gòu)建優(yōu)質(zhì)人工草場的有效手段[16],前人研究燕麥與箭筈豌豆混作既能收獲較高產(chǎn)量,還能提高籽粒和秸稈的營養(yǎng)品質(zhì),燕麥與毛苕子混作比禾本科單作的牧草營養(yǎng)品質(zhì)有一定程度的改善[17],其混收后的秸稈產(chǎn)量高,且由于豆科作物含有較高的蛋白質(zhì),可作為優(yōu)質(zhì)飼料供畜牧業(yè)利用[18];認為混作是促進耕地用養(yǎng)結(jié)合的有效技術(shù)措施,禾豆混作由于豆科的固氮作用[19],加之禾本科作物根系淺且密,可協(xié)助豆科作物在土壤中固定更多的氮素,進而增加土壤肥力,提高耕地質(zhì)量,從而減少化肥用量,既能節(jié)約成本又能提高產(chǎn)量,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[20]。

本試驗主要針對青藏高原青稞種植區(qū)青稞生產(chǎn)布局單一,常年連作,對自然災(zāi)害的抵抗能力差、不能做到穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn),飼草供應(yīng)不足、優(yōu)質(zhì)飼草產(chǎn)品缺乏等問題,擬通過青稞豌豆混作下兩物種的競爭與共存關(guān)系以及糧草生產(chǎn)性能的探索,確定種間關(guān)系相互促進且有利于糧草產(chǎn)量同步提高的青稞豌豆混作模式,為優(yōu)化青稞種植區(qū)耕作制度、提高作物糧草產(chǎn)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

青稞品種:‘昆侖15號’‘柴青1號’‘昆侖14號’。豌豆品種:‘草原23號’‘草原24號’。

1.2 試驗地概況

2018至2020年,連續(xù)3 個生長季在青海省西寧市二十里鋪鎮(zhèn)農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源創(chuàng)新試驗基地進行定位試驗。該地屬青海省東部湟水河流域灌區(qū),36°62'N,101°77'E,海拔2 309 m。土壤類型為栗鈣土,體積質(zhì)量1.50 g/cm3,田間持水率15.20%,耕層速效磷含量37.48 mg/kg,全氮含量1.78 g/kg,有機質(zhì)含量22.49 g/kg。為避免春旱導(dǎo)致作物出苗差的不利因素,試驗地于秋收后耕層土壤封凍前做充分灌溉處理(11 月上旬),冬季封凍(11月中下旬至來年3月上旬),來年春季頂凌播種(3月下旬至4月上旬),整個生育期不作灌水處理。2018-2020 年試驗期內(nèi)(4月至8月)降雨量分別為295.6 mm、321.6 mm、376.2 mm,平均氣溫分別為14.7 ℃、14.3 ℃、15.1 ℃。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 青稞豌豆最佳混作組合篩選 試驗于2018年4月至8月進行,設(shè)置‘昆侖14號’ב草原23號’、‘昆侖14號’ב草原24號’、‘昆侖15號’ב草原23號’、‘昆侖15號’ב草原24號’、‘柴青1號’ב草原23號’和‘柴青1號’ב草原24號’6個混作處理。其中播量比例設(shè)為1∶1,即青稞與豌豆播量均設(shè)為150.0 kg/hm2。采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積90 m2(6 m×15 m),行距15 cm,每個處理設(shè)3次重復(fù),共18個小區(qū),各小區(qū)間設(shè)置1.0 m 間距。肥料在播前按生產(chǎn)常規(guī)作為基肥一次性施入,青稞豌豆種子混勻后采用人工開溝均勻同行溜播。

1.3.2 種間競爭與共存關(guān)系 試驗于2019年4月至8月進行,試驗設(shè)計同“1.3.1”。

1.3.3 ‘昆侖15號’ב草原23號’混作組合最優(yōu)比例篩選 試驗于2020年4月至8月進行,利用“1.3.1”和“1.3.2”部分研究結(jié)果,選擇種間關(guān)系相互促進和生產(chǎn)性能較優(yōu)的混作組合,設(shè)置A青稞單作(300 kg/hm2)、B 豌豆單作(150 kg/hm2)、5組混作下的不同播量水平,即C(青稞45.0 kg/hm2、豌豆555.0 kg/hm2)、D(青稞52.5 kg/hm2、豌豆547.5 kg/hm2)、E(青稞60.0 kg/hm2、豌豆540.0 kg/hm2)、F(青稞67.5 kg/hm2、豌豆532.5 kg/hm2)和G(青稞75.0 kg/hm2、豌豆525.0 kg/hm2)。采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積90 m2(6 m×15 m),行距15 cm,每個處理設(shè)3次重復(fù),共15個小區(qū),各小區(qū)間設(shè)置1.0 m 間距。一次性施入基肥,播前施尿素75.0 kg/hm2,磷酸二銨150.0 kg/hm2。青稞豌豆種子混勻后采用人工開溝均勻同行溜播。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 地上生物量 每小區(qū)隨機選取1 m×1 m樣方,齊地面刈割并及時稱鮮質(zhì)量,取500 g帶回實驗室在65 ℃下烘48 h并稱量,設(shè)3次重復(fù),取平均值。

1.4.2 青稞分蘗數(shù)、豌豆分枝數(shù) 在青稞的抽穗期、豌豆的孕莢期,在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取20株青稞和豌豆進行分蘗/分枝數(shù)的測定。

1.4.3 物候期 青稞豌豆混作各處理按1∶1比例,分別記錄青稞的出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、開花期和成熟期;豌豆的出苗期、分枝期、孕蕾期、開花期和成熟期。

1.4.4 株高 在成熟期隨機選取各20株青稞、豌豆,測量其自然高度。

1.4.5 產(chǎn)量 分別稱取每個處理下青稞、豌豆籽粒與秸稈產(chǎn)量及青稞、豌豆混作中籽粒與秸稈的混合產(chǎn)量,并計算平均值。

1.4.6 秸稈品質(zhì) 晾干樣品經(jīng)粉碎后采用凱氏定氮法測定秸稈中的粗蛋白含量;采用索氏抽提法測定粗脂肪含量;酸性洗滌纖維含量按GB/T20805-2006測定;中性洗滌按GB/T 20806—2006測定;纖維原子吸收分光光度法測定鈣含量;紫外分光光度法測定磷含量[9]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 物種間競爭與共存的計算方法 相對生物量(RY)按下列公式計算[21]:

青稞相對生物量(RYA):RYA= YAB/(PAYA)

豌豆相對生物量(RYB):RYB=YBA/(PBYB)

相對密度(RD)按下列公式計算[22]:

青稞相對密度(RDA):RDA=DAB/(PADA)

豌豆相對密度(RDB):RDB=DBA/(PBDB)

YAB、DAB表示為青稞豌豆混作下青稞的產(chǎn)量和分蘗數(shù),YA、DA表示為青稞單作下的產(chǎn)量和分蘗數(shù);YBA和DBA表示為青稞豌豆混作下豌豆的產(chǎn)量和分枝數(shù),YB和DB為豌豆單作下的產(chǎn)量和分枝數(shù);PA表示為混作中青稞的比例,PB表示為混作中豌豆的比例。當(dāng)RYA＞1時,表示青稞物種內(nèi)部的競爭大于與豌豆混作物種之間的競爭;當(dāng)RYA＜1時表示青稞種內(nèi)競爭小于豌豆的種間競爭;當(dāng)RYA=1時,表明青稞物種內(nèi)部的競爭和豌豆的種間競爭相似[23]。當(dāng)RDA=1時,表示青稞物種內(nèi)部的競爭與豌豆物種之間競爭對青稞種群數(shù)量影響相似;當(dāng)RDA＞1時,表明混作時青稞種群數(shù)量擴大;RDA＜1時,表明混作時限制了青稞種群數(shù)量的擴大(圖1)。

圖1 青稞×豌豆種內(nèi)種間競爭與共存圖Fig.1 Intraspecific competition and coexistence of Hulless barley and pea mixed cropping

相對產(chǎn)量總值(RYT)按下列公式計算[24-25]:

其中PA、PB分別是青稞和豌豆在混作地中的比例,RYA、RYB分別是單作下青稞和豌豆的產(chǎn)量。當(dāng)RYT＞1.0 時,表明植/作物間占有的生態(tài)位不重疊,分別利用不同的資源,表現(xiàn)出共生關(guān)系;當(dāng)RYT=1.0時,表明植/作物種間需要相同的資源;當(dāng)RYT＜1.0時,表明植/作種間生態(tài)位有重疊,兩物種間相互競爭。

競爭率(CR)按下列公式計算[26]:

當(dāng)CRA＞1,表示在混作中青稞競爭力大于豌豆;當(dāng)CRA=1,表示在混作中青稞和豌豆競爭力相等;當(dāng)CRA＜1,表示在混作中青稞競爭力小于豌豆。

1.5.2 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對青稞豌豆的分蘗/分枝數(shù)、籽粒秸稈產(chǎn)量等實驗數(shù)據(jù)進行方差分析,Excel 2019軟件進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同混作組合生產(chǎn)性能

2.1.1 物候期 從表1 可以看出,與‘草原23號’混作的3個青稞品種中‘昆侖14 號’在4 月20日出苗最早,相對于‘昆侖15號’、‘柴青1號’混作提前1～2 d;‘柴青1號’在5月14日最早進入拔節(jié)期,相對于‘昆侖14號’‘昆侖15號’提前3～4 d,‘昆侖14號’在6月16日最早進入抽穗期,其次是‘柴青1號’‘昆侖15號’,進入開花期的順序為‘昆侖14號’‘柴青1號’‘昆侖15號’。與‘草原24號’混作的3個青稞品種中出苗最早的是‘昆侖14 號’,依次是‘昆侖15 號’‘柴青1號’;進入抽穗期最早的為‘柴青1號’,依次為‘昆侖15號’‘昆侖14號’‘昆侖14 號’的開花期最早,比‘柴青1號’‘昆侖15號’早1～2 d。‘柴青1號’與‘昆侖15號’都在8月20日成熟,比‘昆侖14號’提前了1 d。

表1 青稞豌豆混作不同品種間組合物候期調(diào)查結(jié)果Table 1 Results of phenological period survey of different combinations of barley and pea varieties in mixed cropping

‘草原24 號’生育期的各個時期均比‘草原23號’早,其中出苗期比‘草原23號’早6 d,分枝期早4 d,孕蕾期早1 d,開花期早4 d,成熟期早5 d。在6個混作組合中,‘昆侖14號’ב草原23號’、‘昆侖15號’ב草原24號’和‘柴青1號’ב草原24號’青稞豌豆成熟的時期不一致,全生育期天數(shù)相差大;其余3個混作組合成熟時期基本一致,全生育期相差小。因此,選出較優(yōu)的混作組合為:‘柴青1號’ב草原23號’‘昆侖15號’ב草原23號’和‘昆侖14號’ב草原24號’3個混作組合為較優(yōu)。

2.1.2 植株高度 由表2可以看出,成熟期植株的高度隨著品種和混作組合的不同而有著較為明顯的差異。不同混作組合中‘昆侖15號’ב草原23 號’混作組合的植株長勢最好。與‘草原23號’混作的青稞品種中‘昆侖14號’高度最高,其次是‘昆侖15號’‘柴青1號’,其中同豌豆高度差異最大的品種為‘昆侖14號’。‘柴青1號’和‘昆侖15號’與‘草原23號’混作組合高度差異小,其中‘昆侖15號’和‘草原23號’其組合最為理想,平均高度差異僅為2 cm。

與‘草原24號’混作的青稞品種中‘昆侖14號’植株高度最高,其次是‘昆侖15號’,‘柴青1號’,其中‘昆侖14號’和‘草原24號’株高差距最小,但也達到了10 cm,‘柴青1號’‘昆侖15號’和‘草原24號’差距均達到10 cm 以上,據(jù)以往研究發(fā)現(xiàn),同一作物存在一定的生長特性,因此同一品種內(nèi)青稞豌豆的株高也存在差異,在‘昆侖14號’與‘草原23’‘草原24’兩個混作組合中,‘昆侖14號’株高高于‘草原23’和‘草原24號’,在‘草原24號’與‘昆侖15號’和‘柴青1號’,‘草原23號’與‘柴青1號’3個混作組合中,‘草原23號’‘草原24號’株高高于‘柴青1號’‘草原24號’株高高于‘昆侖15號’,‘昆侖15號’ב草原23號’混作組合兩株高無明顯差異。

2.1.3 籽粒與秸稈產(chǎn)量 由表2可知,不同品種混作組合中,各個組合的籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量均不同,與‘草原23號’組合的3種青稞品種,‘昆侖15號’籽粒產(chǎn)量最高達到3 303.0 kg/hm2,其次是‘柴青1號’籽粒產(chǎn)量,‘昆侖14號’籽粒產(chǎn)量最低為2 857.5 kg/hm2;‘昆侖14號’秸稈產(chǎn)量為2 553.0 kg/hm2,其次是‘昆侖15號’,秸稈產(chǎn)量最低的是‘柴青1 號’?！?5 號’ב草原23號’組合的混合籽粒產(chǎn)量和混合秸稈產(chǎn)量均為最高,‘柴青1號’ב草原23號’的混合籽粒產(chǎn)量比‘昆侖14號’ב草原23號’的混合籽粒產(chǎn)量高,但‘昆侖14號’ב草原23號’的混合秸稈產(chǎn)量比‘柴青1號’ב草原23號’高。同豌豆品種‘草原24號’組合播種的青稞品種中,籽粒及秸稈產(chǎn)量明顯高于其他兩個組合的是‘昆侖14號’,剩下的兩個品種籽粒產(chǎn)量相當(dāng),‘昆侖15號’的秸稈產(chǎn)量高于‘柴青1號’,其中‘柴青1號’ב草原24號’的混合籽粒產(chǎn)量最高達到4 585.5 kg/hm2,‘昆侖14號’ב草原24號’的混合秸稈產(chǎn)量最高達到4 402.5 kg/hm2。6 個混作組合中,‘昆侖15號’ב草原23號’的混合籽粒產(chǎn)量和混合秸稈產(chǎn)量比其他組合比較顯著增加。從表中數(shù)據(jù)可以看出,‘昆侖15號’ב草原23號’混合籽粒與秸稈產(chǎn)量最高,較其他5個混作組合為最優(yōu)組合。

表2 不同混作組合下株高、籽粒與秸稈產(chǎn)量比較Table 2 Comparison of plant height,seed and straw economic traits of different mixed cropping combinations of barley and peas

2.1.4 分蘗/分枝數(shù) 由表3可以看出,3個青稞品種單作下的分蘗數(shù)均低于混作下青稞的分蘗數(shù)。‘草原23號’分別和青稞3個品種混作時分枝數(shù)均比單作時增加,其中與‘昆侖15號’混作時‘草原23號’的分枝數(shù)較單作顯著增加;‘草原24號’分別和青稞3個品種混作時分枝數(shù)均比單作時減少,但無顯著性差異。其中‘昆侖15 號’ב草原23號’混作時,其作物的分蘗/分枝能力比其他混作組合強,分蘗數(shù)/分枝數(shù)均顯著高于其他組合。

表3 青稞豌豆不同品種單作及混作的分蘗/分枝平均數(shù)Table 3 Number of tillers/branches per plant of different varieties of barley and peas in monoculture and mixed crops

2.1.5 生物量分配 由表4中數(shù)據(jù)表明,青稞3個品種混作下的生物量較單作顯著增加(P＜0.05)。‘草原23號’單作生物量為0.70 g,‘草原23號’與‘昆侖14號’混作時,‘草原23號’的生物量為0.54 g?！菰?3號’與‘柴青1號’混作時,‘草原23號’的生物量為0.58 g,較單作顯著降低(P＜0.05),豌豆品種在混作中生物量呈下降趨勢,但‘草原23號’ב昆侖15號’混作時,生物量較單作無顯著變化(P＞0.05)?！菰?4號’單作生物量為0.81 g,‘草原24號’在與混作‘昆侖14號’時,‘草原24號’的生物量為0.47 g;在與‘昆侖15號’混作時,‘草原24號’的生物量為0.51 g;在與‘柴青1號’混作時,‘草原24號’的生物量為0.56 g,較單作均顯著降低(P＜0.05)。另外,相較于單作模式六種混作組合的生物量均有所增加,其中‘草原23 號’ב昆侖15號’組合的生物量表現(xiàn)為最佳。6種混作組合下含有‘草原23號’品種的生物量均要高于含有‘草原24號’的生物量,且與‘草原23號’組合的3個品種按生物量大小依次排序為‘昆侖15號’‘昆侖14號’‘柴青1號’;與‘草原24號’組合的3個品種中生物量最高的為‘昆侖14號’,其次是‘昆侖15號’,最低的為‘柴青1號’。

表4 不同品種單作與品種間混作下的干物質(zhì)質(zhì)量Table 4 Dry matter mass of different varieties of barley peas under single sowing and mixed crop treatment

2.2 青稞豌豆不同品種混作組合種間競爭與共存關(guān)系

在混作中青稞的競爭力較強,但對豌豆的生長無明顯抑制作用。如圖2,處理a、b、c、d、e、f下青稞豌豆混作中所有品種的相對生物量均在RYA=RYB斜線之下到RYB=1的區(qū)域內(nèi),這說明在混作中青稞物種內(nèi)部的競爭大于與豌豆物種之間的競爭(RYA＞1.0,RYB＞1.0),由圖2-b可知,‘昆侖15號’與‘草原23號’混作組合中相對生物量均大于2(RYA＞2.0,RYB＞2.0),這一數(shù)值說明‘草原23號’ב昆侖15號’混作組合下的兩物種存在相互促進的作用。由表5可知,6個混作組合相對密度均大于1,說明混作的方式對青稞的分蘗數(shù)和豌豆的分枝數(shù)均有促進作用。

圖2 不同混作組合下的競爭結(jié)果Fig.2 Pattern of competition results of barley and pea under different mixed combinations

由表5可知,6種混作組合中青稞的競爭率均大于1(CRA＞1),豌豆的競爭率均小于1(CRB＜1)。通過相對總產(chǎn)量(RYT)分析6種混作方式中,RYT 大于1,表明混作中青稞品種與豌豆品種之間無明顯的競爭作用。

表5 不同品種混作組合的相對密度(RD)、相對生物量(RY)和相對產(chǎn)量總值(RYT)及競爭率(CR)Table 5 Relative density(RD),relative biomass(RY)and relative gross yield(RYT)and competition rate(CR)of mixed cropping combinations of different varieties of barley peas

2.3 不同混作比例下的生產(chǎn)性能

2.3.1 籽粒秸稈產(chǎn)量、株數(shù)與分蘗/分枝數(shù) 由表6可知,不同混播比例處理下青稞的株數(shù)基本一致;不同混播比例處理下的豌豆,隨著增加豌豆的混播比例,株數(shù)也隨之增加。不同混作比例下‘昆侖15號’與‘草原23號’的籽粒與秸稈產(chǎn)量顯著高于單作下的籽粒與秸稈產(chǎn)量?；熳髂Ｊ较虑囡愣沟姆痔Y/分枝數(shù)也顯著高于單作處理。5種混作比例以E處理籽粒和秸稈產(chǎn)量最高,其混合籽粒產(chǎn)量達5 994.0 kg/hm2,混合秸稈產(chǎn)量達8 905.5 kg/hm2,其次為D、F、G 處理下,C 處理下籽粒與秸稈產(chǎn)量最低。E,G 處理籽粒秸稈產(chǎn)量無顯著差異,但E處理下青稞豌豆的分蘗/分枝數(shù)顯著高于G處理,E處理下青稞分蘗數(shù)達到6個。

表6 不同混作比例下籽粒與秸稈產(chǎn)量、分蘗/分枝數(shù)比較(±s)Table 6 Comparison of seed and straw yield traits under different mixing ratios

表6 不同混作比例下籽粒與秸稈產(chǎn)量、分蘗/分枝數(shù)比較(±s)Table 6 Comparison of seed and straw yield traits under different mixing ratios

處理Treatment品種名稱Species name株數(shù)/(萬株/hm2)Number of plants籽粒產(chǎn)量/(kg/hm2)Grain yield秸稈產(chǎn)量/(kg/hm2)Straw yield混合籽粒產(chǎn)量/(kg/hm2)Mixed seed grain yield混合秸稈產(chǎn)量/(kg/hm2)Mixed seed straw yield分蘗/分枝數(shù)Number of tillers/branches A昆侖15號 Kunlun 15 375.00±5.00 5 251.5 f 8 442.0 c//3.0 e B草原23號 Caoyuan 23 55.38±6.00 3 034.5 g 4 707.0 d//2.0 e C昆侖15號 Kunlun 15 56.25±3.75 1 836.0 2 977.5 5 448.0 d 8 838.0 b 3.9 d草原23號 Caoyuan 23 97.38±5.13 3 612.0 5 860.5 2.5 d D昆侖15號 Kunlun 15 56.25±3.75 2 034.0 3 007.5 5 659.5 c 8 886.0 a 4.8 b草原23號 Caoyuan 23 82.49±4.34 3 625.5 5 878.5 2.6 d E昆侖15號 Kunlun 15 56.25±3.75 2 233.5 3 049.5 5 994.0 a 8 905.5 a 6.0 a草原23號 Caoyuan 23 71.25±3.75 3 760.5 5 856.0 3.1 a F昆侖15號 Kunlun 15 56.25±3.75 2 208.0 3 154.5 5 809.5 b 8 857.5 b 4.8 b草原23號 Caoyuan 23 62.45±3.29 3 601.5 5 703.0 3.0 b G昆侖15號 Kunlun 15 56.25±3.75 2 197.5 3 205.5 5 931.0 a 8 877.0 a 4.6 c草原23號 Caoyuan 23 55.42±2.92 3 733.5 5 671.5 3.0 c

2.3.2 秸稈飼用品質(zhì) 由表7可知,不同混播比例之間的粗蛋白含量均無顯著性差異,但粗蛋白含量均顯著高于單作青稞,顯著低于單作豌豆;隨著增加豌豆在混作中的比例,粗蛋白含量也隨之增加。其中單作青稞粗蛋白含量為5.98%,混作中秸稈粗蛋白含量上升2.86%～3.07%。在不同混作比例下粗脂肪含量與粗蛋白含量呈相同規(guī)律。中性洗滌纖維含量單作青稞均顯著高于其他處理,不同混作比例之間C 處理下NDF 含量顯著高于D、E、F、G 處理,單作豌豆NDF含量顯著低于其他處理。酸性洗滌纖維含量與中性洗滌纖維含量呈相同規(guī)律。不同混作比例處理之間,隨著豌豆在混作中比例的增加,Ca∶P比例也隨之增加;單作青稞Ca∶P 在不同處理之間最低為1.75,單作豌豆Ca∶P在不同處理之間最高為5.05,不同混播比例下Ca∶P為2.54～2.88。

表7 不同混播比例下秸稈營養(yǎng)比較表Table 1 Comparative table of straw nutrition at different mixing rates

3 討論

3.1 種間競爭與共存關(guān)系

不同植/作物獲得和利用資源的能力不同,同一植/作物不同品種也由于莖葉的大小和根系分布的差異,使得不同植/作物間和同種植/作物的不同品種間獲得和利用資源的能力有很大差別[27-28]。本研究發(fā)現(xiàn),6 種混作組合的相對總產(chǎn)量(RYT)均大于1,青稞與豌豆之間不存在競爭關(guān)系,說明青稞豌豆混作占有不同的生態(tài)位,分別利用不同生態(tài)資源,有利于青稞豌豆在群落中的共存。謝開云等[21]研究無芒雀麥和紫花苜蓿混作中競爭與共存關(guān)系,發(fā)現(xiàn)混作條件下對無芒雀麥的分蘗數(shù)和紫花苜蓿的分枝數(shù)均顯著高于單作處理(RDA＞1,RDB＞1)。徐高峰等[29]研究不同物種和種植比例對小子虉草分枝數(shù)影響時發(fā)現(xiàn)混種種群小子虉草的分枝數(shù)均小于其單種種群?！?5 號’與‘草原23 號’混作時相對密度(RDA＞2,RDB＞2),其分蘗/分枝數(shù)相比其他混作組合多,‘昆侖15號’分蘗數(shù)與單作相比顯著增多(P＜0.05),‘草原23號’分枝數(shù)與單作相比無顯著差異(P＞0.05),但其余組合中豌豆的分枝數(shù)較單作比均顯著降低(P＜0.05),前人與本研究結(jié)果一致。禾豆混作下禾本科作物分蘗數(shù)較單作均增加,豆科作物分枝數(shù)普遍降低,這可能與豆科作物供氮有關(guān),豆科固定的氮素除了一部分供自身生長需要,還可為混作中禾本科作物提供氮素營養(yǎng)[20]。

RYT 只能表明植/作物種間的相互關(guān)系和對環(huán)境資源的利用情況,不能準(zhǔn)確地說明植物之間競爭力的大小,所以引入競爭率(CR)這一概念表示混作中植/作物競爭力的強弱。6 種不同混作組合中青稞競爭率(CRA)均大于1,(CRB)均小于1,說明青稞豌豆混作中,青稞是混作組合的優(yōu)勢物種,禾本科的競爭力要比豆科強。禾豆混作的初始比例直接影響兩物種間的競爭力。隨著禾豆比例的降低,禾本科植/作物競爭力降低,豆科植/作物競爭力提高。周青平[30]在研究燕麥和箭筈豌豆混作種間競爭率時發(fā)現(xiàn)燕麥的競爭率在各個時期均大于箭筈豌豆。鄭偉等[31]在研究不同混作種類和混作比例下豆禾混作草地種間動態(tài)競爭時發(fā)現(xiàn)豆禾比4∶6處理下與豆禾比5∶5處理下CR 值在兩個生育期出現(xiàn)了小于1 的情況,但禾草競爭力大部分生育期大于豆科。陳積山等[32]在紫花苜蓿和無芒雀麥混作時發(fā)現(xiàn),當(dāng)無芒雀麥比例為65% 和80% 時,競爭力(CR)大于紫花苜蓿,當(dāng)紫花苜蓿的比例為65% 和80% 時,競爭力(CR)大于無芒雀麥?！?5號’與‘草原23號’在5種不同的混作比例下發(fā)現(xiàn),隨著禾豆混作中豌豆的比例增加,籽粒與秸稈產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢,這與種間競爭力有關(guān),對比前人研究結(jié)果,得出在青稞與豌豆混作時混作比例的大小是影響種間競爭主要因素之一,豌豆比例過大,豌豆的競爭力大于青稞作物,影響青稞的生長發(fā)育,豌豆混作比例過小,青稞的競爭力大于豌豆,豌豆的生長發(fā)育受到了抑制。

3.2 生產(chǎn)性能

植/作物的物候期的變化被多種環(huán)境因素影響,而這些環(huán)境因素都是相互關(guān)聯(lián)的,我們可以通過控制一種或多種因素,來觀察這種因素對植/作物物候期的影響[33]。前人主要針對環(huán)境因素對作物生育期的影響開展了研究,如鄭孟靜對全生育期增溫對冬小麥物侯期的影響,通過改變溫度的大小來觀察對整個生育期變化的影響[34],胡明新等[35]在春玉米拔節(jié)期控水觀察其生育期時長的變化,通過控制春玉米根系對水分的吸收來觀察拔節(jié)期時間變化的影響。前人對不同品種間混作組合的物候期調(diào)查很少,本研究為找到適宜生育期的青稞豌豆混作品種,達到同種同收地目的,通過對不同青稞豌豆混作組合中兩物種物候期的調(diào)查發(fā)現(xiàn),‘昆侖15號’ב草原23號’、‘柴青1號’ב草原23號’和‘昆侖14號’ב草原24號’3個混作組合中兩物種生育期基本一致。

本研究‘昆侖15號’,株高85 cm 左右,便于發(fā)揮支架作用,且株型緊湊,抗倒伏;‘草原23號’,株高80 cm 左右,環(huán)藤能力強。兩物種植株高度相差不大,能充分利用光能,能有效地減少植株相互遮蔭對光資源不能充分利用的影響。秦燕等[36]在研究燕麥和箭筈豌豆混作時發(fā)現(xiàn)混作對燕麥和箭筈豌豆植株高度、分蘗/分枝數(shù)有顯著的影響,混作中箭筈豌豆使燕麥的分蘗數(shù)增加,同時箭筈豌豆的分枝數(shù)呈降低趨勢;王斌等[17]在研究燕麥與毛苕子4種混作方式時發(fā)現(xiàn),4種不同混作方式下的兩物種分蘗/分枝數(shù)都顯著增加。秦燕等[36]研究發(fā)現(xiàn)燕麥可通過增加植株高度獲取光資源來提高競爭優(yōu)勢,箭筈豌豆因植株比燕麥矮小,在光資源競爭中受到抑制,所以導(dǎo)致箭筈豌豆分枝數(shù)減少。本研究中發(fā)現(xiàn)‘昆侖15號’ב草原23號’分蘗數(shù)分枝數(shù)較單作均增加,與王斌研究燕麥與毛苕子混作的結(jié)果一致,說明‘昆侖15號’ב草原23號’植株高度差異不大,光資源競爭小,種間關(guān)系相互促進。青稞‘昆侖15 號’ב草原24號’的混作組合青稞分蘗數(shù)顯著增加,但混作中豌豆的分枝數(shù)呈降低趨勢,這與秦燕研究燕麥與箭筈豌豆混作時,箭筈豌豆分枝數(shù)減少的結(jié)果一致,‘昆侖15號’ב草原24號’植株高度差異顯著,植株間遮蔭,不能充分利用光資源,光合作用減少,有機養(yǎng)分合成減少,導(dǎo)致豌豆生殖生長受抑制,分枝數(shù)減少。

禾豆混作中的豆科作物可通過自身根瘤菌固定空氣中的氮素,一部分供自身生長需要,另一部分為混作中禾本科作物提供氮素營養(yǎng)[20]。6種不同混作組合中‘昆侖15號’與‘草原23號’組合籽粒與秸稈產(chǎn)量最高,與其他5種混作組合籽粒與秸稈產(chǎn)量有顯著性差異(P＜0.05),說明‘昆侖15號’與‘草原23號’組合搭配時種間競爭小,兩個品種間彼此互補,相互促進。前人研究發(fā)現(xiàn)禾豆牧草混作時產(chǎn)草量顯著提高,主要得益于禾豆作物間的互補效應(yīng),禾草需氮/豆草供氮,禾豆混作體系中存在對氮素的互補利用,具有協(xié)同作用[21]。杜欣[37]在研究不同混間條播模式對混作草地產(chǎn)草量的影響時發(fā)現(xiàn)燕麥與苜?；熳鞅妊帑渾巫髟霎a(chǎn),這與本研究結(jié)果一致。

適宜的青稞豌豆品種混作,篩選最佳的混作比例,能使作物產(chǎn)量明顯提高。徐強等[38]在研究黑麥與箭筈豌豆時發(fā)現(xiàn),同一組合下混作草地的鮮(干)草產(chǎn)量均先升高后降低。青稞‘昆侖15號’與豌豆‘草原23 號’進行混作,在混作比例1∶9下籽粒產(chǎn)量最好,與其他4種混作比例有顯著性差異(P＜0.05),秸稈產(chǎn)量與其他混作組合相比無顯著性差異。隨著混作中豌豆的比例從1∶7增加到1∶9時,產(chǎn)量不斷增加,當(dāng)豌豆比例再增加時,產(chǎn)量開始降低,這與徐強等[38]研究結(jié)果一致,隨著增加豌豆在混作中的比例,可以減少青稞的種間競爭力,使青稞與豌豆相互促進,達到增產(chǎn)增值的效果,當(dāng)種間競爭達到平衡時,再增加豌豆在混作中的比例會使種植密度過高,其地上部光合競爭和地下部根系養(yǎng)分的競爭不斷增加導(dǎo)致作物減產(chǎn)。

3.3 飼用品質(zhì)

前人研究表明,在間作模式下隨著增加豆科牧草的播種比例,禾本科牧草的粗蛋白含量也隨之增加[39-40]。本研究表明青稞豌豆混作模式會增加青稞豌豆秸稈中的粗蛋白、粗脂肪含量;隨著增加豌豆在混作中的比例,作物秸稈中粗蛋白、粗脂肪含量也隨之增加,不同混作比例處理之間的粗蛋白、粗脂肪無顯著性差異,但均顯著高于單作處理下的青稞。豌豆中富含大量蛋白質(zhì)及鈣、磷等礦物質(zhì),青稞中蛋白質(zhì)及鈣、磷等物質(zhì)含量較低,青稞豌豆混作后,豌豆固定的部分氮素通過土壤轉(zhuǎn)移給了青稞,提高秸稈的養(yǎng)分利用,從而促進了青稞蛋白質(zhì)含量的增加。中性、酸性洗滌纖維直接影響動物的采食率、消化率、適口性,是對飼料養(yǎng)分品質(zhì)評估的一個重要指標(biāo)[41]。李春喜等[42]在研究高寒牧區(qū)高粱與箭闊豌豆混播中發(fā)現(xiàn),在一定的混播比例下與單播相比NDF、ADF 含量分別降低4.24%、2.21%,混播可提高飼草品質(zhì)。馬埡杰等[43]在研究青貯玉米和秣食豆混作時發(fā)現(xiàn),在1∶2混作比例下NDF、ADF 含量分別降低9.75%、5%。本研究發(fā)現(xiàn)不同混作比例下NDF、ADF無顯著性差異,但均顯著性低于比單作青稞,表明青稞豌豆混作模式會降低作物秸稈中NDF、ADF 含量,有效改善秸稈的飼用品質(zhì),與前人研究結(jié)果一致。

鈣磷比也是飼草品質(zhì)中一個重要指標(biāo),其中飼草中Ca∶P在1∶1～3∶1最適宜動物的生長發(fā)育與代謝活動,若單一元素過量會導(dǎo)致對鈣磷的吸收與利用降低,影響動物生長發(fā)育[44]。目前關(guān)于混作模式對作物鈣磷比飼用品質(zhì)的研究很少,本研究表明青稞豌豆混作可增加作物秸稈中的鈣磷比,不同混作比例下鈣磷比均比單作青稞要高,且不同混作比例之間的鈣磷比無顯著性差異。

青稞豌豆混作秸稈的飼用品質(zhì)均高于單作青稞秸稈飼用品質(zhì),表明青稞豌豆混作可增加單位面積上的產(chǎn)量,全面提高飼料中的營養(yǎng)品質(zhì)。青稞豌豆混作可顯著提高秸稈中粗蛋白、粗脂肪含量,有利于Ca∶P 的平衡,有助于提高反芻動物對秸稈的消化率;還可以使混作中秸稈的NDF、ADF含量顯著降低,可增加反芻動物的采食量,維持反芻動物胃正常消化功能,極大地改善了秸稈的品質(zhì)和營養(yǎng),并提高動物的采食率、消化率、適口性,實現(xiàn)飼用節(jié)本增效的目的。

3.4 混作模式的應(yīng)用價值及問題

麥豆混作技術(shù)是基于傳統(tǒng)種植模式之上的創(chuàng)新型種植技術(shù),具有一定科學(xué)性和合理性的栽培模式,禾本科和豆科等不同糧食作物混作,既可以起到改土培肥的作用,又有明顯的生物互作效應(yīng),抑制田間病蟲草害的發(fā)生,該種植模式的推廣對抵御自然災(zāi)害降低自然風(fēng)險具有現(xiàn)實意義[45]。且兩種作物的合理搭配,可提高作物的綜合產(chǎn)量,能夠?qū)崿F(xiàn)單位面積上增產(chǎn)增值效益,增加農(nóng)民收入,提升種植業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[46]。馬懷英等[47]在研究燕麥與豆科作物(綠豆、花生、大豆)間作時發(fā)現(xiàn),與燕麥單作相比3 個間作組合的經(jīng)濟效益均增加。田藝心等[48]在研究磷肥減施對大豆/玉米間作的影響時發(fā)現(xiàn),各個間作處理下的經(jīng)濟效益均比單作下大豆、玉米產(chǎn)生的經(jīng)濟效益高。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,對禾本科/豆科間作模式智能化和機械化的發(fā)展也越來越重視。Iqbal等[49]研究發(fā)現(xiàn),玉米-大豆的條狀距離在60～70 cm 時更有助于促進玉米、大豆有效利用資源,并適應(yīng)機械化播種和收割。前人研究表明,合理的禾本科/豆科間作種植模式可增加作物產(chǎn)量,提高種植業(yè)經(jīng)濟效益,對于禾本科×豆科混作模式研究報道還少,本研究在對青稞與豌豆混作時發(fā)現(xiàn),‘昆侖15號’ב草原23號’混作均比單作青稞、單作豌豆籽粒與秸稈產(chǎn)量高;青稞豌豆混作模式的技術(shù)成果已在青海省成熟應(yīng)用,經(jīng)調(diào)查,通過2019年青稞、豌豆混種混收種植模式示范地,麥豆混作后比青稞單作籽粒和秸稈平均667 m2增收1 107元,比豌豆單作籽粒和秸稈平均667 m2增收1 110元,混作后的經(jīng)濟效益也比單作增加。其中青稞豌豆混作采用機械化混合分層播種施肥技術(shù),豌豆置于肥料箱、青稞置于種子箱一次性機械條播;收割使用約翰迪爾收割機,調(diào)整篩片,混合種子通過篩孔大小為0.6～0.8 cm 精選一次性分離;秸稈使用秸稈打捆機將青稞豌豆一起打成方塊捆,便于運輸儲藏。

青稞豌豆混作模式在區(qū)域內(nèi)雖廣受好評,但由于缺乏對該模式養(yǎng)分吸收、轉(zhuǎn)化和利用等相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究,未能明確合理的肥料運籌方式,肥料投入存在一定的盲目性,阻礙了該模式的進一步應(yīng)用和推廣,所以需通過系統(tǒng)研究青稞豌豆混作模式中作物吸收、利用營養(yǎng)物質(zhì)的關(guān)鍵過程和規(guī)律,明確作物養(yǎng)分高效吸收利用的策略與機制,進而建立養(yǎng)分高效利用的理論與技術(shù)調(diào)控途徑,是實現(xiàn)此模式持續(xù)應(yīng)用和推廣的有效途徑。

4 結(jié)論

選擇3個青稞品種、2個豌豆品種,通過設(shè)置1∶1播量下6個混作處理,通過生產(chǎn)性能(物候期、籽粒和秸稈產(chǎn)量)評價和種間競爭與共存關(guān)系研究,得出‘昆侖15號’ב草原23號’物候期相近,生育期均在140 d左右,植株高度差異僅為2 cm 左右;籽粒與秸稈產(chǎn)量均顯著水平高于其他混作處理,混合籽粒產(chǎn)量達到360.8 kg/hm2,混合秸稈產(chǎn)量達到307.0 kg/hm2;通過種間競爭與共存關(guān)系研究得出,6 種混作組合相對總產(chǎn)量(RYT)顯著均大于1,表明青稞3個品種與豌豆兩個品種之間無明顯的競爭作用,其中‘昆侖15號’ב草原23 號’的相對生物量(RYA＞2,RYB＞2),相對密度(RDA＞2,RDB＞2),表明‘昆侖15號’ב草原23號’組合種內(nèi)競爭相比其他5種混作組合最小,對混作組合中青稞的分蘗數(shù)和豌豆的分枝數(shù)均具有促進作用,種間關(guān)系相互促進,有利于糧草產(chǎn)量的同步提高;后通過研究不同混作比例對籽粒和秸稈生產(chǎn)性能的影響研究,確定‘昆侖15號’ב草原23號’為最優(yōu)組合,其混作比例為1∶9時,即青稞56.25萬株/hm2、豌豆71.25 萬株/hm2,有利于糧草產(chǎn)量的同步提高,能最大程度發(fā)揮禾豆混作糧草雙高的優(yōu)越生產(chǎn)性能。