隴東黃土高原飼草作物生產(chǎn)力研究

牛伊寧，南志標

(1.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070；2.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020)

作物-家畜系統(tǒng)是家畜農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的子系統(tǒng)[1-2]，也是亞洲許多國家主要的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[3-4]，在世界農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中占有重要地位[1]。我國的作物-家畜系統(tǒng)在作物種植、家畜品種和資源利用方面形式多樣[5-8]，其中反芻家畜是我國重要的家畜品種，飼草作為反芻動物的飼料來源，是發(fā)展畜牧業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在畜牧業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的地位。飼草的品質(zhì)和供給數(shù)量不足是影響作物-家畜系統(tǒng)中家畜生產(chǎn)的主要因素[9-12]。

在隴東黃土高原(慶陽)，家畜的飼草主要來源于天然草地、作物秸稈和農(nóng)副業(yè)副產(chǎn)品等，由于飼草的供給量不足，而且飼草的蛋白質(zhì)含量低(3%～4%)，纖維含量高(35%～48%)[4]，限制了當?shù)夭菔承竽翗I(yè)的發(fā)展。對隴東黃土高原(甘肅環(huán)縣)連續(xù)一年多的家畜(羊和牛)飼草供應(yīng)和家畜營養(yǎng)狀況研究表明，養(yǎng)殖家畜的農(nóng)戶每年每戶生產(chǎn)的飼草缺口平均在2 t左右(項目組未發(fā)表數(shù)據(jù))，而且飼草品種單一，嚴重影響了當?shù)匦竽翗I(yè)的發(fā)展。

根據(jù)該區(qū)飼草缺乏的現(xiàn)狀，本研究種植了8種飼草作物，對飼草作物的產(chǎn)量和輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)力進行分析，以期為解決當?shù)仫暡葙Y源短缺狀況，提高資源利用效率提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗地概況 試驗于2008-2009年在蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院環(huán)縣曲子試驗站進行，該站位于甘肅省慶陽市環(huán)縣曲子鎮(zhèn)(107°21′ E,36°20′ N，環(huán)縣縣城以南39 km)，海拔1 163 m，年平均降水量450 mm，屬溫帶半干旱氣候，降水量集中在7-9月；年平均氣溫9.2 ℃，極端最高溫37.5 ℃，極端最低溫-23.2 ℃，無霜期165 d；平均日照時數(shù)2 596.2 h，日照率為58%。地帶性土壤為黃綿土，耕作層(0～20 cm)土壤有機質(zhì)含量0.9%，全氮0.08%，pH值8.5(土∶水，1∶2.5)。試驗地是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)用地，以小麥和玉米輪作為主，試驗期間飼草生長期降水分布及多年平均值見表1。

表1 試驗地2008-2009年飼草生長季節(jié)降水量和環(huán)縣1957-2007年平均降水量Table 1 Monthly precipitation of crop growing period from 2008 to 2009 and average precipitation from 1957 to 2007 in Huanxian County mm

1.2試驗設(shè)計和處理 試驗種植了8種飼草作物，包括7種單播和1種混播飼草作物，有春季飼草作物飼料玉米、蘇丹草、湖南稷子、谷子和箭筈豌豆；夏季飼草作物(7月份種植)燕麥以及玉米、高粱和谷子混合后種植的和草(當?shù)貍鹘y(tǒng)的飼草作物，以收獲植物營養(yǎng)體為主，是家畜的主要飼草來源)，另外還有當?shù)貜V泛種植的多年生飼草紫花苜蓿。

試驗小區(qū)面積為10 m×15 m，小區(qū)間用壟(寬度為30 cm)分開。一年生飼草作物按照完全隨機區(qū)組設(shè)計，采用周年輪作，有4種輪作序列，每年都有相同的作物和物候(Phase)同時出現(xiàn)(表3)，每個輪作序列4次重復(fù)，有4×4×2=32個小區(qū)；還有一個多年生草地(苜蓿)，3次重復(fù)；試驗共35個小區(qū)，飼草的播種量見表2。

玉米-箭筈豌豆-燕麥輪作(MVO)：第1年春季種植玉米(表3)，秋季收獲，冬季休閑；第2年春季種植箭筈豌豆，夏季(7月)收獲后種植燕麥，秋季(10月底)收獲，冬季休閑，完成一個輪作序列；第3年春季種植玉米，重新開始輪作。

蘇丹草-箭筈豌豆-燕麥輪作(SVO)：第1年春季種植蘇丹草，其他同MVO輪作序列。

湖南稷子-箭筈豌豆-燕麥輪作(PVO): 第1年春季種植湖南稷子，其他同MVO輪作序列。

表2 飼草播種量Table 2 Crops sowing rate kg·hm-2

表3 飼草輪作序列Table 3 Forage crop rotation sequence

谷子-箭筈豌豆-和草輪作(MVM)：第1年春季種植谷子，秋季收獲，冬季休閑；第2年春季種植箭筈豌豆，夏季(7月)收獲后種植和草，秋季(10月底)收獲，冬季休閑，完成一個輪作序列；第3年春季種植谷子，重新開始輪作。

1.3飼草田間管理 種植前試驗小區(qū)進行翻耕，播前每公頃施氮(尿素)69 kg，磷(K2O，重過磷酸鈣)23 kg。2008年4月25日，種植春季一年生飼草(玉米、蘇丹草、湖南稷子、谷子和箭筈豌豆)和多年生飼草紫花苜蓿。和草和燕麥在2008年7月15日種植。玉米采用人工點播，每窩種2顆種子，間苗時留1株，種植密度為每畝(約667 m2)4 200株，其他飼草作物采用行播，行間距40 cm。玉米在拔節(jié)期(7月15日)每公頃追施氮(尿素)69 kg。2009年春季飼草在5月18日播種，玉米在7月25日追肥，播種方式同2008年。

玉米、谷子在飼草成熟時(10月)收獲；2008年蘇丹草和湖南稷子收割2次，8月中旬初花期收獲第1茬，10月收獲第2茬(拔節(jié)期)。和草和燕麥2008年在當年10月底收獲，燕麥處在花期(高70 cm)，和草是苗期(高60 cm)；紫花苜蓿10月收獲一次。2009年蘇丹草收割2茬，湖南稷子收割了1茬(由于持續(xù)降水，影響了第2茬的恢復(fù)生長)；紫花苜蓿收割3茬，第1茬(6月)和第2茬(8月)在初花期收獲，第3茬在10月收獲(苗期)。

1.4觀測項目與方法

1.4.1產(chǎn)量測定 產(chǎn)量采用全區(qū)收獲法。飼草收獲時，以防邊際效應(yīng)，小區(qū)兩邊兩行和兩端50 cm的產(chǎn)量不計，剩余的在收獲后測定產(chǎn)量，再隨機抽取約1 kg小樣帶回實驗室稱量，80 ℃烘干至質(zhì)量恒定，計算干物質(zhì)產(chǎn)量。

1.4.2飼草日平均干物質(zhì)積累量 以飼草的干物質(zhì)產(chǎn)量與生長天數(shù)的比值作為飼草日平均干物質(zhì)積累量(g·m-2·d-1)。

1.5統(tǒng)計分析 數(shù)據(jù)用Excel整理輸入，方差分析(ANOVA)采用完全隨機區(qū)組設(shè)計統(tǒng)計方法。箭筈豌豆在飼草產(chǎn)量的分析中被排除，主要是因為它的產(chǎn)量很低(2008年)或者幾乎沒有產(chǎn)量(2009年)。飼草產(chǎn)量分析時，飼草種類作為主要因素；飼草輪作效應(yīng)分析時，輪作處理作為主要因素，用SPSS 13.0軟件對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1飼草產(chǎn)量 2008年，單作系統(tǒng)各飼草產(chǎn)量依次為玉米(13.1 t·hm-2)>蘇丹草(7.7 t·hm-2)>燕麥(6.5 t·hm-2)>湖南稷子(5.2 t·hm-2)>谷子(3.6 t·hm-2)>苜蓿(0.82 t·hm-2)，玉米的產(chǎn)量是蘇丹草的1.7倍，湖南稷子的2.5倍，燕麥的2倍；和草的產(chǎn)量為0.91 t·hm-2(圖1)。2009年，飼草的產(chǎn)量為2.8～6.1 t·hm-2，苜蓿的產(chǎn)量最高(6.1 t·hm-2)，玉米和燕麥的產(chǎn)量分別為5.9和4.4 t·hm-2，蘇丹草、谷子和湖南稷子的產(chǎn)量依次降低；和草的產(chǎn)量只稍高于湖南稷子。

2008年種植的玉米、湖南稷子、蘇丹草和燕麥的產(chǎn)量都比2009年高；谷子的產(chǎn)量兩年基本持平(3.6和3.8 t·hm-2)；和草和苜蓿的產(chǎn)量與其他飼草的變化趨勢相反，2009年的產(chǎn)量高于2008年(圖1)。

圖1 2008年和2009年飼草產(chǎn)量Fig.1 Hay yields of different crops from 2008 to 2009

從兩年的平均產(chǎn)量來看，玉米的產(chǎn)量最高，為9.5 t·hm-2，蘇丹草(5.8 t·hm-2)和燕麥(5.4 t·hm-2)次之，和草的產(chǎn)量最低(2.1 t·hm-2)。

2.2飼草干物質(zhì)日平均積累量 2008年種植的7種飼草中，玉米的日平均干物質(zhì)積累量最高，為8.0 g·m-2·d-1；燕麥的日積累量為6.0 g·m-2·d-1，蘇丹草為4.7 g·m-2·d-1。湖南稷子、谷子、和草和苜蓿的干物質(zhì)積累量依次降低(圖2)。2009年，燕麥的日干物質(zhì)積累量最高，為4.5 g·m-2·d-1，小于2008年的6.0 g·m-2·d-1；玉米的干物質(zhì)日積累量為4.1 g·m-2·d-1，幾乎是2008年的50%。2009年干物質(zhì)日積累量大小的次序是燕麥>玉米>和草>苜蓿>湖南稷子>蘇丹草>谷子(圖2)。

2.3輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量 輪作系統(tǒng)中，飼草的干物質(zhì)生物量不同(圖3)。兩年試驗中，MVO輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量最高(7.4 t·hm-2·a-1)，顯著高于其他輪作系統(tǒng)(P<0.05)。SVO輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量次之(5.6 t·hm-2·a-1)，與PVO輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量(4.8 t·hm-2·a-1)無顯著差異(P>0.05)。MVM處理產(chǎn)量最低(2.9 t·hm-2·a-1)，與苜蓿(3.4 t·hm-2·a-1)無顯著差異，與其他處理差異顯著。

圖2 2008和2009年飼草干物質(zhì)日平均積累量Fig.2 Mean daily dry matter accumulation rates of different crops from 2008 to 2009

圖3 飼草輪作系統(tǒng)的干物質(zhì)產(chǎn)量Fig.3 Hay yields under different rotation sequences from 2008 to 2009

3 討論

冬春季食物缺乏是限制我國北方農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的主要因素[5,13]，家畜的體質(zhì)量減少20%～30%[14]，需要3個月才能恢復(fù)到先前的體況[15]。因此，增加飼草產(chǎn)量、發(fā)展和平衡飼草周年供應(yīng)是克服季節(jié)性飼草短缺的主要途徑[4,9,12,16]。

降水是影響當?shù)匾荒晟暡莓a(chǎn)量的主要因素。2009年飼草生長季節(jié)的降水量為280 mm，遠低于2008年的379 mm，從而導(dǎo)致2009年飼草的產(chǎn)量大幅下降。

種植的飼草作物中，2008年飼料玉米的干物質(zhì)產(chǎn)量達13.1 t·hm-2，即使在2009年干旱年份，玉米的生物量(5.9 t·hm-2)也僅次于苜蓿(6.1 t·hm-2)，這反映出C4植物玉米在水熱配合充分的條件下，能快速利用有限的自然資源，加速生長獲得高產(chǎn)。

蘇丹草和湖南稷子，尤其是湖南稷子種子相對較小，采用行播的方法，播種深度淺，地表干旱，出苗遲；頭茬刈割后，二茬幼苗的再生和生長情況容易受天氣狀況的影響，天氣晴朗，土壤水分含量高，刈割后3 d就可以再生長出80%的幼苗(2008年)，但是刈割后還沒有恢復(fù)生長的飼草若遇到持續(xù)降水，二茬草再生就會受到影響，產(chǎn)量降低(2009年)。蘇丹草和湖南稷子在當?shù)孛磕昴軌蜇赘顑刹?8和10月)，可以作為家畜的青飼料來利用。

試驗進行的兩年中，和草與燕麥相比，燕麥更適合當?shù)氐淖匀粭l件，獲得高產(chǎn)。2008和2009年燕麥的平均生物量為5.4 t·hm-2，日平均干物質(zhì)積累量達到5.3 g·m-2·d-1，僅次于玉米(6.1 g·m-2·d-1)。燕麥產(chǎn)量高與8、9月較高的氣溫和降水有關(guān)，其可以充分利用水熱條件充足的條件，快速生長。另外，和草、蘇丹草和湖南稷子二茬再生植株在第1次霜凍后葉片死亡，但燕麥可以抵抗短期的霜凍，相對延長了燕麥的生長時間；生長后期涼爽的氣候條件也為燕麥的生長創(chuàng)造了良好條件，增加了燕麥的生物量。以當?shù)剞r(nóng)戶每家平均種植小麥2.8畝(0.187 hm2,項目組2009年調(diào)查數(shù)據(jù))計算，每家農(nóng)戶在小麥收獲后復(fù)種燕麥，每年可增加家畜飼草產(chǎn)量1 t左右，能夠補充農(nóng)戶每年50%的飼草缺口。

在輪作系統(tǒng)中引進豆科作物可以控制作物病害和雜草[17-18]，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，但本研究引進的箭筈豌豆表現(xiàn)較差。2008年，由于前期干旱，箭筈豌豆出苗差，補種后，幾天的連續(xù)降水及高溫導(dǎo)致了白粉病的發(fā)生，這可能與其適合在氣溫較低的環(huán)境下生長有關(guān)；2009年，5-7月的嚴重干旱導(dǎo)致了箭筈豌豆當年絕收。另一方面，也可能與選擇的箭筈豌豆的品種有關(guān)。大豆(Glycinemax)是當?shù)胤N植比較廣泛的主要豆科作物，經(jīng)濟價值也較高，但受當?shù)刈匀粭l件的限制，大豆產(chǎn)量不穩(wěn)定，種植面積有限。有研究表明[19]，在年均降水量560 mm的隴東黃土高原作物系統(tǒng)中，利用冬小麥收獲后的休閑土地，復(fù)種豆科飼草毛苕子(Viciavillosa)和箭筈豌豆，可增加優(yōu)質(zhì)毛苕子干草5.19 t·hm-2，粗蛋白1.04 t·hm-2，比小麥連作可提高粗蛋白1.7倍。因此，在當前的輪作系統(tǒng)中引進適合當?shù)刈匀粭l件的豆科作物還需要進一步探索。

紫花苜蓿是隴東黃土高原的重要飼草種，由于較深的直系根系，可以充分利用土壤深層水分，水分利用效率高[20-21]。苜蓿在2008年建植當年產(chǎn)量低，但第2年產(chǎn)量就達到6.57 t·hm-2，成功建植的苜蓿管理粗放且生長年限長，成為當?shù)刂脖换謴?fù)和退耕還草的主要飼草品種。

在干旱半干旱地區(qū)，為了保持作物的產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)建立了不同作物和保護性耕作的輪作試驗[22-23]。Latta 和O’Leary[24]報道在澳大利亞東南半干旱地區(qū)進行了16年的3個輪作和2個耕作處理的小麥產(chǎn)量試驗，在開始的前5年，作物的產(chǎn)量和土壤中儲存的水分在免耕直播和耕作直播的輪作系統(tǒng)中沒有差異；但隨著試驗的持續(xù)，發(fā)現(xiàn)長休閑可以增加作物的產(chǎn)量，而且作物產(chǎn)量的增加是由于土壤中可利用的氮元素的增加和作物根部病害的減少，而不是因為土壤水分的增加[25]。許多長期的輪作試驗還表明，不同的作物輪作序列會引起土壤中有機態(tài)氮和有機碳不同程度的下降[26-27]。因此，輪作通過改變土壤的理化性質(zhì)和水分狀況等而影響作物的產(chǎn)量。本研究只有兩年的飼草作物產(chǎn)量數(shù)據(jù)，關(guān)于輪作處理對飼草產(chǎn)量的影響還沒有深入研究。一年生飼草以兩年作為一個輪作序列，輪作序列的生物量是飼草兩年的平均生物量。由于飼草品種和輪作序列的不同，土地的生產(chǎn)力不同。其中玉米-箭筈豌豆-燕麥(MVO)輪作系統(tǒng)的產(chǎn)量最高(7.4 t·hm-2·a-1)。

試驗表明，春季飼草作物飼料玉米，蘇丹草和湖南稷子適合當?shù)厣L，飼草產(chǎn)量高；夏季飼草作物燕麥在當?shù)乇憩F(xiàn)良好，值得大面積推廣種植。

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