農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下苜蓿和冰草人工草地穩(wěn)定性研究

王博杰，唐海萍*，何麗，林國輝，趙世杰，趙明旭

(1.北京師范大學資源學院，北京 100875；2.內(nèi)蒙古多倫縣草原工作站，內(nèi)蒙古 多倫 027300)

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農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下苜蓿和冰草人工草地穩(wěn)定性研究

王博杰1，唐海萍1*，何麗1，林國輝2，趙世杰2，趙明旭2

(1.北京師范大學資源學院，北京 100875；2.內(nèi)蒙古多倫縣草原工作站，內(nèi)蒙古 多倫 027300)

摘要：以紫花苜蓿和冰草為材料，在內(nèi)蒙古多倫縣農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下建植單播和混播人工草地，通過建植3年連續(xù)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了人工草地的產(chǎn)量、種間競爭、雜草組分比、牧草品質(zhì)及土壤養(yǎng)分，研究人工草地的結構穩(wěn)定性和功能穩(wěn)定性。結果表明，1)建植當年除外，單播及混播人工草地的產(chǎn)量均顯著高于天然草地；年際間，單播和混播草地的產(chǎn)量均表現(xiàn)為建植第2年最高，建植當年最低。2)紫花苜蓿和冰草間存在種間競爭，且冰草的競爭力強于紫花苜蓿，影響草地的穩(wěn)定性。3)建植第1年和第3年雜草受到抑制，僅在建植第2年雜草占據(jù)優(yōu)勢，雜草防治應選擇在建植第2年進行更加有效。4)混播人工草地顯著提升了牧草品質(zhì)，而單播草地對牧草品質(zhì)的提升作用并不顯著；冰草單播和混播方式均增加了土壤的碳、氮含量，為人工草地的穩(wěn)定建植提供了營養(yǎng)基礎。

關鍵詞：旱作；豆禾混播；結構穩(wěn)定性；功能穩(wěn)定性

我國沿襲數(shù)千年之久的天然草原放牧業(yè)，以粗放、落后、低生產(chǎn)力的傳統(tǒng)方式為主要的生產(chǎn)方式，草原超載過牧，80%以上的草場退化[1]。天然草地休養(yǎng)生息，同時大力發(fā)展畜牧業(yè)的唯一途徑就是建立穩(wěn)定、高產(chǎn)的人工草地。在半干旱的農(nóng)牧交錯區(qū)建植人工草地、發(fā)展集約經(jīng)營的草場建設是實現(xiàn)草畜均衡生長，促進畜牧業(yè)持續(xù)發(fā)展和改善草地生態(tài)環(huán)境的重要技術途徑[1-2]。

人工草地建植和長期利用的關鍵之一是維系草地群落的穩(wěn)定性，群落穩(wěn)定性是衡量人工草地質(zhì)量的一個重要標準，是草地長期保持生產(chǎn)力的基礎[3]。有學者認為人工草地只有生態(tài)穩(wěn)定，生產(chǎn)才能穩(wěn)定[4]。也有學者將人工草地的群落穩(wěn)定性定義為產(chǎn)量穩(wěn)定性、組分穩(wěn)定性和抗干擾穩(wěn)定性的結合[5]。那么，如何理解人工草地穩(wěn)定性的組成和內(nèi)涵，是本文主要探討的科學問題。

另外，我國人工草地從總體上看發(fā)展還很緩慢[6]，對農(nóng)牧交錯區(qū)的研究較少，而且主要集中于小區(qū)實驗[7-10]，缺乏大田種植的數(shù)據(jù)，而最終人工草地建植是要應用于大面積的生產(chǎn)。本文在農(nóng)牧交錯區(qū)多倫縣旱作條件下，通過紫花苜蓿(Medicagosativa)和冰草(Agropyroncristatum)混播的大田實驗，研究其結構和功能穩(wěn)定性，探索低成本、高產(chǎn)、穩(wěn)定的草地建植機制，尤其是雜草控制對穩(wěn)定性的影響，以期為農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下人工草地穩(wěn)定建植提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

多倫縣位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟南部，渾善達克沙地南緣，屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，海拔1150～1800 m，年降水量385 mm，主要集中在6-8月，年均溫1.6℃。該區(qū)地處歐亞草原中的典型草原地帶。土壤主要為栗鈣土，約占土地總面積的70.26%。

1.2試驗材料

紫花苜蓿：豆科，栽培歷史悠久，是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的多年生豆科牧草[11]；冰草：禾本科，抗旱耐寒，是具有較高飼用價值的當?shù)剜l(xiāng)土種。

1.3試驗設計

選擇地勢平坦的地段，在無灌溉條件下進行建植，播種方式為條播，行距18.5 cm,深度2～3 cm。2012年7月播種，紫花苜蓿和冰草分別進行單播和混播。單播紫花苜蓿(A)和冰草(W)的播種量均為22.5 kg/hm2，種植面積均為13.3 hm2；混播(A+W)播種量為13.5 kg/hm2(紫花苜蓿50%，冰草50%)，種植面積為66.6 hm2。播種前施用復合肥(磷酸銨)80 kg/hm2。選取與混播草地鄰近、地勢相似且原生植被相同的天然草地作為對照樣地(NG)。

1.4測定方法

1.4.1產(chǎn)量于播種當年(2012年)，第2年(2013年)及第3年(2014年)的8月24日，分別在單播冰草、單播紫花苜蓿、冰草+紫花苜?；觳ゲ莸睾蛯φ仗烊徊莸厝樱诟鳂拥貙蔷€中心位置向外選取3個生長均勻的小樣地，每個小樣地中進行隨機取樣，樣方面積為1 m×1 m，采用收割法進行測產(chǎn)。

1.4.2種間競爭和群落穩(wěn)定性本文采用相對產(chǎn)量(RY)、相對產(chǎn)量總和(RYT)來表述種間相容性，因為RYT指標的利用較為普遍[5,7]。用競爭率(CR)來表征種間競爭力的大小。計算公式如下：

RYi=Yij/Yii

RYT=(RYi+RYj)/2

CRi=RYi×Zij/RYj×Zji

式中，RYi和RYj分別代表物種i(紫花苜蓿)和物種j(冰草)混播時的相對產(chǎn)量；Yij為種i同種j混播時種i的產(chǎn)量；Yii為種i在單播時的單位面積產(chǎn)量;CRi為物種i的競爭率；Zij為混播中i的播種比例；Zji為混播時j的比例。Zij+Zji=1。RY=1，表明種內(nèi)和種間競爭相當；RY>1，表示種內(nèi)競爭大于種間競爭；RY<1，表明種間競爭大于種內(nèi)競爭。RYT=1，表示兩物種利用相同資源，并且一種可以通過競爭將另一種排除出去；RYT>1，表示兩物種之間沒有競爭作用；RYT<1，表明兩物種間存在競爭。CRi=1時，表示種i和種j的競爭力相同；CRi>1時，表示種i的競爭力大于種j；CRi<1時，表示種i的競爭力小于種j。

1.4.3牧草營養(yǎng)品質(zhì)植物營養(yǎng)品質(zhì)包括粗蛋白(crude protein，CP) 、粗纖維(crude fiber，CF) 和灰分(ash)等。CP 含量用凱氏法測定，CF按GB/T 6434-2006/ISO 6865:2000標準測定，灰分含量的測定采用干灰化法(ash-free caloric value,AFCV)[10]。

1.4.4土壤土壤有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化外加熱法，全氮測定采用半微量凱氏法[12]。

1.5數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和制表，SPSS 20 進行單因素方差分析(ANOVA)，Origin 8進行作圖。

2結果與分析

2.1產(chǎn)量穩(wěn)定性

圖1　不同處理下地上生物量變化Fig.1　Changes of aboveground biomass under different treatments 　　　A：單播紫花苜蓿Alfalfa；W：單播冰草Wheatgrass；A+W：混播Alfalfa+wheatgrass；NG：天然草地Natural grassland. 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一處理的年際間差異顯著(P<0.05)。Different lowercases denote significant differences (P<0.05) in treatments, different capital letters show interannual significant differences (P<0.05).

人工草地建植當年，無論是單播草地還是混播草地，草地產(chǎn)量均低于天然草地；紫花苜蓿對環(huán)境的適應和生長較快，其地上生物量顯著高于單播冰草和混播草地。除建植當年，單播及混播人工草地的產(chǎn)量均顯著高于天然草地。建植第2年，單播和混播人工草地產(chǎn)草量都可達天然草地的2～3倍(P<0.05)，但混播草地的地上生物量最高，達到796.05 g/m2；其次是單播冰草，地上生物量為712.35 g/m2；單播紫花苜蓿的產(chǎn)量顯著小于前兩者，為510.41 g/m2(表1)。建植第3年，4種處理間差異均顯著，其排序為單播冰草>混播>單播紫花苜蓿>天然草地。

從3年的產(chǎn)草量動態(tài)看，單播和混播草地的產(chǎn)量均表現(xiàn)為建植第2年最高，建植當年最低，且差異均具有顯著性。建植第3年產(chǎn)量減少，可能是由于本年生長季各月份的降水均較少(表2)。單播紫花苜蓿產(chǎn)量在建植當年優(yōu)于其他兩種播種方式，但持續(xù)產(chǎn)量不佳，這可能是由于苜蓿對水肥的消耗較大，而后續(xù)沒有實施補給，使得第2年和第3年產(chǎn)量顯著低于單播冰草和混播草地。

表1　不同處理下的產(chǎn)草量及與天然草地的產(chǎn)量比

A：單播紫花苜蓿Alfalfa；W：單播冰草Wheatgrass；A+W：混播Alfalfa+ wheatgrass；NG：天然草地Natural grassland.R: 人工草地/天然草地Artificial pasture/natural grassland. 表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差。The data mean the average value±standard division. A：單播紫花苜蓿Alfalfa；W：單播冰草Wheatgrass；A+W：混播Alfalfa+wheatgrass；NG：天然草地Natural grassland. 不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一處理的年際間差異顯著(P<0.05)。Different lowercases denote significant differences (P<0.05) in treatments, different capital letters show interannual significant differences (P<0.05). 下同The same below.

表2　多倫縣2012-2014年的冬季月均溫及生長季降水量

注：表中數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古多倫縣臺站1964-2014年的逐月氣象數(shù)據(jù)。

Note: The data are from monthly data of meteorological station in Duolun county from 1964 to 2014.

2.2種間相容性

混播草地建植3年中，相對產(chǎn)量總和均小于1，表明混播組分間存在一定程度的拮抗作用。紫花苜蓿和冰草的相對產(chǎn)量也均小于1，表明混播處理中紫花苜蓿和冰草所受的種間競爭強于種內(nèi)競爭。建植3年中，紫花苜蓿的競爭率均小于1，說明混播處理中紫花苜蓿的競爭力極小，而冰草的競爭力極大，冰草更能適應當?shù)氐沫h(huán)境及混播處理方式，并占據(jù)有利的生態(tài)位，抑制了紫花苜蓿的生長，這有可能會影響到混播草地群落的穩(wěn)定性(表3)。

2.3雜草組分比

表3　混播草地建植3年的RY、RYT和CR值

注：RYi和RYj分別代表物種i(紫花苜蓿)和物種j(冰草)混播時的相對產(chǎn)量；RYT代表相對產(chǎn)量總和；CRi代表種i的競爭率。

Note:RYiandRYjdenote relative yield of speciesi(M.sativa) andj(A.cristatum)in mixture;RYTshow the relative yield total;CRishow the competitiveness of speciesi.以冰草+紫花苜蓿混播草地的物種產(chǎn)量百分比來反映群落的組分比，可知在建植3年里，紫花苜蓿和冰草的組分比均呈現(xiàn)為先下降后上升趨勢。建植當年及第2年紫花苜蓿和冰草組分比相當，建植第3年冰草的組分比達到65.7%，約為紫花苜蓿的2倍，這與前面所述的冰草在建植第3年競爭力增強的結果相符合。雜草在建植當年的出苗被抑制，生物量基本上可以忽略不計；而建植第2年，雜草比例增加到41.5%，主要雜草為刺穗藜(Chenopodiumaristatum)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和狗尾草(Setariaviridis)；第3年，雜草被排除出去，人工種群在競爭中獲勝(表4)。

表4　混播人工草地的各組分產(chǎn)量及百分比

2.4牧草品質(zhì)

粗蛋白和粗纖維含量則是牧草品質(zhì)評價的2項重要指標，提高牧草粗蛋白含量，降低纖維素含量是提高牧草營養(yǎng)價值、改善牧草品質(zhì)的重要內(nèi)容[13]。由表5可知，不同的播種方式對牧草品質(zhì)產(chǎn)生了較大的影響?；觳ゲ莸刈匣ㄜ俎：捅莸拇值鞍缀烤@著高于單播草地及對照天然草地，單播紫花苜蓿的粗蛋白含量高于單播冰草，但差異不顯著；混播草地的紫花苜蓿和冰草的粗纖維含量均小于單播冰草、紫花苜蓿和天然草地，且差異顯著；混播草地的紫花苜蓿和冰草灰分含量最高，并與單播草地和天然草地差異顯著，天然草地的灰分含量顯著高于單播冰草及紫花苜蓿。

混播草地中紫花苜蓿和冰草與天然草地相比，粗蛋白含量分別高12.61%和13.16%，灰分含量分別升高了3.28%和2.95%，粗纖維含量分別下降了13.51%和10.85%。混播人工草地提升了牧草的品質(zhì)，而單播草地對牧草品質(zhì)的提升作用不顯著。

表5　不同處理下的草地牧草品質(zhì)比較

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差；同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: The data are showed by average value±standard division. Means within a column followed by the different lowercase are significantly different (P<0.05). The same below.

2.5土壤碳、氮含量

土壤有機質(zhì)是植物的養(yǎng)分來源，影響到植物地上生物量和草地生產(chǎn)力[14]，土壤養(yǎng)分含量是維持草地穩(wěn)定高產(chǎn)的基礎保障。由表6可知，土壤有機質(zhì)含量在不同樣地間存在差異。在0～10 cm土層，混播草地的有機質(zhì)含量最高，并與紫花苜蓿單播草地差異顯著(P<0.05)；在10～20 cm 和20～30 cm土層中，冰草單播草地的有機質(zhì)含量最高，其次為混播草地，但差異均不顯著?；觳ゲ莸卦黾恿送寥烙袡C質(zhì)含量，冰草單播和混播對土壤有機質(zhì)的提升作用大體相同。

由表7可知，土壤全氮含量受不同播種方式的影響，在各土層間存在差異。在0～10 cm土層， 混播草地的全氮含量最高，但與其他三者并不存在顯著差異；在10～20 cm和20～30 cm土層，混播和冰草單播草地的全氮含量均顯著高于苜蓿單播和對照天然草地(P<0.05)，混播和冰草單播草地之間差異不顯著?；觳ズ捅輪尾ゲ莸卦黾恿送寥赖娜?，并且作用效果大體相同。

表6　不同處理下的草地土壤有機質(zhì)含量比較

表7　不同處理下的草地土壤全氮含量比較

3討論

3.1人工草地穩(wěn)定性的組成及內(nèi)涵

維系群落穩(wěn)定性，使其能持久利用，是人工草地建植的關鍵。前人對此開展了一系列的研究，人工草地穩(wěn)定性的組成因素可以歸納為：產(chǎn)草量[15-16]、牧草品質(zhì)與組分[17]、土壤特征[12,18]、生物多樣性[9,19-20]、種間競爭[4,7]和對雜草的抗性[21]等。學者們認為人工草地只有生態(tài)穩(wěn)定，生產(chǎn)才能穩(wěn)定[4]；要將人工草地的“生產(chǎn)”和“生態(tài)”功能有機結合，實現(xiàn)其可持續(xù)的發(fā)展[22]。人工草地群落穩(wěn)定性可以歸納為產(chǎn)量穩(wěn)定性、組分穩(wěn)定性和抗干擾穩(wěn)定性[5,23]；根據(jù)穩(wěn)定性可以分為抵抗力穩(wěn)定性和恢復力穩(wěn)定性，從而認為抵抗力是維持生態(tài)系統(tǒng)過程(產(chǎn)量)的能力，恢復力是面對干擾的恢復能力；高產(chǎn)與數(shù)量、質(zhì)量的穩(wěn)定性同等重要[24]。還有學者則從組分穩(wěn)定性、功能穩(wěn)定性和可侵入性3個方面測度了豆禾混播組合的群落穩(wěn)定性[25]。

綜上所述，筆者認為人工草地的群落穩(wěn)定性內(nèi)涵包括結構穩(wěn)定性和功能穩(wěn)定性，其中結構穩(wěn)定性可以包括群落特征、種間競爭和對雜草的抗性等；功能穩(wěn)定性包括產(chǎn)草量、牧草品質(zhì)和土壤特征等。因此，本文選取種間競爭和對雜草的抗性來反映草地群落的結構穩(wěn)定性；利用產(chǎn)草量、牧草品質(zhì)及土壤碳、氮含量來分析群落的功能穩(wěn)定性。研究結果也表明所選上述指標可以在一定程度上反映人工草地的穩(wěn)定性：混播草地存在種間競爭，且冰草的競爭力強于紫花苜蓿，這可能是影響結構穩(wěn)定性的主要因素，而對雜草的抑制作用將維系混播草地的穩(wěn)定性。功能穩(wěn)定性中，建植第3年產(chǎn)草量出現(xiàn)下降，主要是由于氣候條件所導致，牧草產(chǎn)量的穩(wěn)定性還需要長期的觀測；混播草地提升了牧草品質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量，對草地穩(wěn)定性的維持奠定了基礎條件。因此，較單播而言，紫花苜蓿、冰草混播更有利于草地的穩(wěn)定性。

3.2旱作條件下人工草地的產(chǎn)量穩(wěn)定性

與同氣候區(qū)灌溉條件相比，錫林浩特市種植的冰草、紫花苜蓿單播及混播草地在不同灌溉量下的產(chǎn)量在200～650 g/m2之間[26]。而本實驗在旱作條件下混播草地生物量在建植第2年和第3年分別達到796.05和444.16 g/m2。與其他地區(qū)無灌溉條件相比，在年均降水量為880 mm的美國中西部，多年生黑麥草(Loliumperenne)和虉草(Phalarisarundinacea)混播草地的生物量小于400 g/(m2·a)[9];在土耳其年均降水量為506 mm的雨養(yǎng)條件下，兩種混播組合的產(chǎn)量為836和725 g/m2[27]。綜上，說明本實驗建植的人工草地可以較好地適應當?shù)氐臍夂驐l件，在有效地利用了天然降水、節(jié)約了水資源和建植成本的基礎上，維持了人工草地的產(chǎn)量穩(wěn)定性。

3.3人工草地建植中的雜草控制

抑制雜草入侵、提高栽培牧草的抗(雜草)干擾能力是維系多年生禾草人工草地高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的基礎[28]。前人對雜草動態(tài)開展的一系列研究主要集中在高寒地區(qū)，有研究表明，雜草在1齡草地占優(yōu)勢地位，之后雜草優(yōu)勢度逐年下降，到4齡又有所回升[29]；也有研究發(fā)現(xiàn)人工草地建植第3年雜草豐富度最高，第2年最低[21]；還有研究認為建植當年3次除雜對草地產(chǎn)量和穩(wěn)定性維持效果最佳[30]。而本研究發(fā)現(xiàn)，建植第1年和第3年雜草所占比例最低，僅在建植第2年雜草占據(jù)優(yōu)勢，雜草的防除應選擇在建植第2年進行更加有效。

4小結

1)人工草地的群落穩(wěn)定性可以通過結構穩(wěn)定性和功能穩(wěn)定性來衡量。結構穩(wěn)定性可以通過種間競爭及雜草抗性來分析，功能穩(wěn)定性可以選取產(chǎn)量、牧草品質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量來表征。

2)農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下的人工草地建植，若建植和管理得當可以達到同氣候區(qū)灌溉條件下的產(chǎn)量水平。

3)在農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下，建植第2年雜草控制對豆禾混播人工草地穩(wěn)定性維持最為關鍵。

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Stability of alfalfa and wheatgrass pasture under dry farming in a pastoral agronomy area

WANG Bo-Jie1, TANG Hai-Ping1*, HE Li1, LIN Guo-Hui2, ZHAO Shi-Jie2, ZHAO Ming-Xu2

1.CollegeofResourceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China； 2.TheGrasslandResearchStationofDuolun,Duolun027300,China

Abstract:We conducted a 3-year field experiment to analyze the stability of alfalfa (Medicago sativa) and wheatgrass (Agropyron cristatum) pastures under dry farming in Duolun County, Inner Mongolia. The structural and functional stability of pastures were studied by analyzing yield, competition, proportion of weeds, quality, and soil nutrient contents. The results showed that the yields of monocultures and a mixed culture were significantly higher than those of natural grassland, except in the year of establishment. The highest yields were in year 2, and the lowest yields were in year 1. Interspecific competition between alfalfa and wheatgrass in the mixed culture weakened the stability of the pasture because wheatgrass was more competitive than alfalfa. Weeds were controlled in the first and third year; therefore, it would be effective to conduct weeding in year 2. The quality of forage was significantly better in mixed cultures than in monocultures. The contents of soil organic carbon and nitrogen increased in the wheatgrass monoculture, providing adequate nutrition to support pasture stability.

Key words:dry farming; grass-legume mixtures; structural stability; functional stability

*通信作者

Corresponding author. E-mail: tanghp@bnu.edu.cn

作者簡介：王博杰(1991-)，女，內(nèi)蒙古滿洲里人，在讀博士。E-mail： wbj@mail.bnu.edu.cn

基金項目：“十二五”國家科技支撐項目課題(2011BAC07B01)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2014CB954303)資助。

*收稿日期：2015-06-05；改回日期：2015-07-06

DOI：10.11686/cyxb2015287

http://cyxb.lzu.edu.cn

王博杰, 唐海萍, 何麗, 林國輝, 趙世杰, 趙明旭. 農(nóng)牧交錯區(qū)旱作條件下苜蓿和冰草人工草地穩(wěn)定性研究. 草業(yè)學報, 2016, 25(4): 222-229.

WANG Bo-Jie, TANG Hai-Ping, HE Li, LIN Guo-Hui, ZHAO Shi-Jie, ZHAO Ming-Xu. Stability of alfalfa and wheatgrass pasture under dry farming in a pastoral agronomy area. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(4): 222-229.