拉薩河谷區(qū)箭筈豌豆和黑麥混、間播建植方式研究

王富強，向潔，郭寶光，余成群，沈振西，邵小明,3*

(1.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/生物多樣性與有機農業(yè)北京市重點實驗室，北京 100193；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101；3.西藏高原草業(yè)工程技術研究中心，西藏 拉薩 850000)

西藏河谷地區(qū)擁有溫性草原355.33萬 hm2，其面積占自治區(qū)草地的5.86%，而其牲畜數量占自治區(qū)的17.6%[1]。在適宜建植人工草地的河谷地區(qū)建立飼草基地，對草產量不足的高海拔地區(qū)進行季節(jié)性飼草補充[2]，這不僅能充分利用河谷地區(qū)的中低產田和荒地，還能在時空上有效緩解西藏草畜失調問題。

豆科與禾本科牧草形態(tài)學和生物學上的差異表明，它們利用資源(光，水和營養(yǎng)物)的能力是不同的，而這正是我們規(guī)劃和建設更具環(huán)境可持續(xù)性耕作制度的理論基礎[3]。混播是指在同一生長季把兩種及兩種以上作物混合播種到同一田塊的播種方式[4]；間播是指在同一生長季把兩種及以上的作物按行或條帶間隔種植在同一田塊的播種方式[5-6]。豆禾牧草混、間播可以提高牧草產量、品質和土地利用率；還可以充分利用豆科植物的生物固氮作用[7-8]，對于改善土壤養(yǎng)分狀況和牧草的氮素吸收具有重要作用[4,8-10]。因此，豆禾牧草混、間播建植尤其適合于寒冷、干旱和貧瘠的高寒地區(qū)[11]。由于混、間播是不同牧草在不同自然環(huán)境條件下實施的種植技術，有較明顯的地域局限性[4]，而西藏的混、間播技術研究還比較少，適宜的人工草地建植方式尚未明確。

已有報道箭筈豌豆(Viciasativa)與黑麥(Secalecereale)具有較好的互補體系結構[12]，黑麥還能彌補箭筈豌豆對于雜草抑制的低效率問題[13]。豆禾牧草混播系統(tǒng)的生產效率已經有很多研究[14-15]；在間播體系中禾本科牧草往往占優(yōu)勢地位，高土壤肥力[16]和低平均溫度[17]可以增強其對光線和其他資源的競爭力，然而很少有研究考慮到混、間播建植方式的比較?；诖?，本研究擬在拉薩河谷地區(qū)通過研究箭筈豌豆與黑麥的混、間播建植方式，旨在為合理選擇河谷區(qū)一年生牧草建植方式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于中國科學院地理科學與資源研究所拉薩農業(yè)生態(tài)試驗站(91°17′ E，29°40′ N，海拔3688 m)，屬高原季風溫帶半干旱氣候區(qū)。年平均氣溫為7.7 ℃，最熱月7月平均氣溫16.3 ℃，最冷月12月平均氣溫為-1.5 ℃，無霜期120～130 d。年均降水量425 mm，年內分配不均，雨季為6月中旬至9月下旬，降水量為400 mm左右，占全年降水量的90%以上，且多夜雨。土壤母質主要是沖積、洪積母質，質地偏沙，土壤質地為粉砂壤土，土層較薄，20 cm以下可見大塊石礫，土壤容重1.41 g·cm-3，pH值7.2，土壤有機質含量18.2 g·kg-1，全氮含量0.84 g·kg-1，堿解氮含量69.3 mg·kg-1，速效磷18.2 mg·kg-1，速效鉀含量30.6 mg·kg-1。

1.2 試驗材料與方法

種子均由西藏百綠種子公司提供，箭筈豌豆品種為西牧324，為一年生春箭筈豌豆晚熟品種，由原中國農業(yè)科學院西北畜牧獸醫(yī)研究所引進(原產地為日本)，品種名稱為當時的編號，沿用至今。黑麥品種為黑飼麥1號，是青海省培育出的第一個具有小麥HMWGS5+10基因的黑麥新品種，黑飼麥1號為一年生糧飼兼用飼料型黑麥新品種，其籽粒品質高于青稞主栽品種，莖葉產量和營養(yǎng)品質都高于青稞，是各類牲畜均喜食的優(yōu)良飼草。

本試驗于2016年4月到2016年9月在中國科學院拉薩站開展，設置1個混播組合(箭筈豌豆+黑麥)、1個間播組合(箭筈豌豆+黑麥)和2個單播對照，混、間播的播種量配比各設置5個梯度，共計12個處理，每個處理3個重復，共計36個小區(qū)，隨機區(qū)組排列。參照前期試驗結果、當地的種植經驗，并結合種子發(fā)芽率設置播量，其中箭筈豌豆單播量為90 kg·hm-2，黑麥單播量為225 kg·hm-2。間播按行數占比分別設置3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3五種播種方式，豆禾牧草混、間播中各組分配比和播量見表1。

表1 豆禾牧草混、間播配比和播量Table 1 Proportion and sowing amount of legume and grass in mixed and intercropping treatment

播種前每個小區(qū)施等量的基肥(尿素75 kg·hm-2和磷酸二銨150 kg·hm-2)，2016年4月28日播種，混播將兩種種子同行條播，間播將兩種種子按行數比例異行條播。行間距0.25 m，小區(qū)面積為3 m×4 m，小區(qū)間田埂寬0.5 m。出苗后人工鋤草1次，按各生育期進行測定、取樣。

1.3 觀察、取樣和指標測定

1)生育期：對牧草的生長發(fā)育階段進行觀測并記錄(箭筈豌豆出苗期、分枝期、現蕾期、開花期、結莢期；黑麥出苗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、乳熟期)；2)株數：在開花期/灌漿期，每個小區(qū)內隨機選取兩個0.5 m×0.5 m的樣方測定并記錄豆科牧草分枝數和禾本科牧草分蘗數，對分枝數和總莖數進行測定；3)生物量：分別于箭筈豌豆分枝期、現蕾期、開花期和結莢期4個時期取樣，每個小區(qū)隨機選取兩個0.5 m×0.5 m的樣方收獲，留茬高度5 cm，收獲后將混播和間播的箭筈豌豆、黑麥分開分別稱鮮重，在烘箱中105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重并稱干重；4)營養(yǎng)品質測定：粗蛋白質含量(crude protein, CP)通過凱氏定氮法測定：凱氏法測定試樣中的含氮量，即在催化劑作用下，用硫酸破壞有機物，使含氮物轉化成硫酸銨。加入強堿進行蒸餾使氨逸出，用硼酸吸收后，再用酸滴定，測出氮含量，將結果乘以換算系數6.25，計算出粗蛋白含量。

中性洗滌纖維(neutral detergent fibre, NDF)通過范氏纖維法測定：準確稱取1.0000 g樣品(通過0.425 mm篩)置于直筒燒杯中，加入100 mL中性洗滌劑和數滴十氫化萘及0.5 g無水亞硫酸鈉。將燒杯套上冷凝裝置置于電爐上，在5～10 min內煮沸，并持續(xù)保持微沸60 min。煮沸完畢后，取下直筒燒杯，將燒杯中溶液倒入安裝在抽濾瓶上的已知重量的玻璃坩堝中進行過濾，將燒杯中的殘渣全部移入，并用沸水沖洗玻璃坩堝與殘渣，直洗至濾液呈中性為止。用20 mL丙酮沖洗2次，抽濾。將玻璃坩堝置于105 ℃烘箱中烘2 h后，在干燥器中冷卻30 min稱重，直至恒重。

酸性洗滌纖維(acid detergent fibre, ADF)通過范氏纖維法測定：具體方法步驟同NDF，將中性洗滌劑換為酸性洗滌劑。

1.4 數據處理

相對密度(relative density, RD)，可用來說明混、間播對豆科總分枝數和禾本科總莖數的影響[9-18]：

RDa=Dab/pDa

(1)

式中：RDa是種a在混播或間播條件下的相對密度；Dab是種a在與種b混播或間播條件下a的密度(用單位面積總分枝數或總莖數表示)；p是種a在混播或間播中的播種比例；Da是種a單播條件下的密度。

相對產量總和(relative yield total，RYT)，可表明混播植物之間的種間關系[19]：

RYT=Yab/Ya+Yba/Yb

(2)

式中：Yab為種a與種b混播時種a的產量；Ya為種a單播時的產量；Yba為種a與種b混播時種b的產量；Yb為種b單播時的產量。

相對產量(relative yield，RY)用來評價物種對已占有資源量的利用程度[20-21]：

RYa=Yab/pYa

(3)

RYb=Yba/qYb

(4)

式中：RYa表示混播中物種a的相對產量；Yab表示種a與種b混播中物種a的產量；p表示混播中物種a的播種比例；Ya表示混播中物種a單播的產量。

牧草的相對飼用價值(relative feeding value, RFV)用NDF和ADF含量計算[22-23]：

RFV=(120/NDF)×(88.9-0.779ADF)/1.29

(5)

式中：NDF為中性洗滌纖維含量(%)，ADF為酸性洗滌纖維含量(%)。

用SPSS 20.0進行方差分析、多重比較；采用Origin Lab 9.0制圖。

2 結果與分析

2.1 不同混、間播處理對牧草生產性能的影響

2.1.1不同混、間播處理對牧草相對密度的影響 在開花期/灌漿期，對牧草總分枝數/總莖數進行測定，以其代表的密度進一步計算為相對密度。由表2可知，除了JH1，其他混播處理中的箭筈豌豆相對密度顯著低于單播(P<0.05)，且數值均小于1，說明在開花期，混播對箭筈豌豆密度的影響表現為顯著的負效應(P<0.05)；而混播中黑麥的相對密度則幾乎都大于單播，但只有JH5顯著高于單播(P<0.05)，說明在開花期，混播對黑麥相對密度的影響表現為一定的正效應。

間播中的箭筈豌豆相對密度均低于單播，JH8與JH10顯著低于單播(P<0.05)，說明間播對箭筈豌豆相對密度的影響表現一定的負效應；而黑麥的相對密度與單播無顯著差異，說明間播對黑麥相對密度的影響不顯著。

表2 開花期/灌漿期不同處理的牧草相對密度Table 2 Relative density of different treatment at the blooming/filling stage

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note： The different letters in the same column were significantly different at the 0.05 level, the same below.

2.1.2不同混、間播處理對牧草鮮重的影響 由圖1可知，在分枝期/拔節(jié)期，隨著混、間播中黑麥占比的下降，鮮重呈下降趨勢，且干重與鮮重的表現基本一致；現蕾期/抽穗期，牧草鮮重隨著混播中黑麥占比的下降而呈降低趨勢，間播處理則不表現類似的變化趨勢，干重與鮮重的表現基本一致。在不同時期混播處理隨著黑麥占比的降低，鮮重和干重均呈現先降低后增高的趨勢；而間播處理隨著黑麥占比的升高，鮮重呈現先增加后減少的趨勢。牧草的營養(yǎng)價值隨著生長發(fā)育逐漸降低[21]，本研究中，以結莢期/乳熟期的鮮重判斷，JH1～JH7都高于黑麥單播和箭筈豌豆單播，其中JH2、JH5和JH7與黑麥單播差異顯著，分別達到4591、4596和5253 g·m-2，相比黑麥單播分別增產25.7%、25.8%和43.8%，相比箭筈豌豆單播分別增產18.0%、18.2%和35.1%；以干重判斷，箭筈豌豆和黑麥的混、間播處理中，JH1～JH5以及JH7和JH10均與黑麥單播無顯著性差異，均顯著高于箭筈豌豆單播，其中JH1、JH2和JH7高于黑麥單播處理但差異很小，分別達到1572、1569、1528 g·m-2，相比箭筈豌豆單播分別增產54.3%、54.0%和50.0%。

圖1 不同生育時期箭筈豌豆與黑麥混、間播處理的牧草生物量Fig.1 Biomass of common vetch-rye mixed and intercropping treatment at different growth period 同指標不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。 The different letters in the same index are significantly different (P<0.05), the same below.

2.1.3不同混、間播處理的牧草種間關系 由表3可知，在分枝期，各處理相對產量總和(RYT)大多都小于1或與1接近，與單播無顯著性差異(P>0.05)，僅JH6和JH7顯著高于單播(P<0.05)，說明這兩個間播處理在這一時期表現為種間競爭弱于種內競爭，箭筈豌豆和黑麥具有一定的生態(tài)位分化。在現蕾期，各處理的RYT大多都小于1或與1接近，都與單播無顯著性差異(P>0.05)，說明種間競爭與種內競爭相近，物種間對資源的利用率無明顯變化。在開花期，混、間播處理的RYT都小于1或等于1，JH5和JH8與單播無顯著性差異(P>0.05)，其他所有處理顯著小于單播(P<0.05)，說明大多數混、間播處理種間競爭大于種內競爭，種間相互抑制，資源利用率降低。在結莢期，混播的RYT都大于1，但與單播對照無顯著性差異(P>0.05)，說明混播在這一時期未能表現明顯的優(yōu)勢，資源利用率與單播相近；間播處理中，JH7的RYT為1.28，顯著高于單播(P<0.05)，說明JH7 (2∶1間播)的種間具有一定生態(tài)位分化，資源利用具有一定的互補作用，資源利用率提高，而JH9 (1∶2間播)顯著小于單播對照(P<0.05)，其他間播處理與單播對照無顯著性差異(P>0.05)。

表3 不同生育時期箭筈豌豆與黑麥混、間播處理的相對產量總和Table 3 RYT of common vetch-rye mixed and intercropping treatment at different growth period

由表4可知，混播處理箭筈豌豆和黑麥的相對產量(RY)隨著黑麥播種比例的降低呈現升高的趨勢，前兩個時期這種趨勢尤其明顯；箭筈豌豆RY在前3個時期大多顯著低于單播(P<0.05)，在結莢期則都與單播無顯著性差異，而黑麥RY在前兩個時期大多顯著高于單播，在后兩個時期大多與單播無顯著性差異但都大于1；JH5混播中的黑麥RY在灌漿期的值最大且顯著大于單播(P<0.05)。這說明混播中黑麥對箭筈豌豆的種間競爭強于箭筈豌豆的種內競爭而弱于黑麥的種內競爭，從而使得混播中箭筈豌豆的生長受到明顯抑制而黑麥的生長受到促進。

間播處理中，箭筈豌豆的RY幾乎都小于單播，只有開花期差異顯著(P<0.05)，其他3個時期大多無顯著性差異，不過多數均比混播中的RY值高，表明間播中箭筈豌豆受到的種間競爭略強于箭筈豌豆的種內競爭，而這種競爭作用比在混播中弱；JH6、JH7和JH8三個間播處理的黑麥RY值在各個時期幾乎都顯著大于單播，而JH9和JH10的黑麥RY值幾乎都小于1，大多數間播中黑麥沒有明顯增產而箭筈豌豆仍有一定程度的減產，間播總體表現為與單播產量相近或低于單播，僅JH7相比單播增產。

2.2 不同混、間播處理的牧草營養(yǎng)品質

通常情況下，牧草的中性洗滌纖維含量越高，動物的采食量越低，酸性洗滌纖維含量越高，可消化干物質的含量則越低。利用NDF和ADF經預測模型計算得到的牧草相對飼用價值(RFV)表示相對于標準粗飼料[盛花期紫花苜蓿(Medicagosativa)]動物對某種粗飼料可消化干物質的采食量，其值越高表明飼用價值越大，規(guī)定盛花期紫花苜蓿的RFV為100[24]。

由表5可知，各混播和間播處理的箭筈豌豆CP、NDF和ADF含量均與單播對照無顯著性差異(P>0.05)，各處理中箭筈豌豆的CP含量為18.5%～22.8%，NDF含量為33.4%～45.7%，ADF含量為27.1%～34.9%。各混播和間播處理的黑麥CP、NDF和ADF含量均與單播對照無顯著性差異(P>0.05)，各處理中黑麥的CP含量為4.0%～6.5%，NDF含量為60.8%～66.6%，ADF含量為39.2%～44.4%。

由各混、間播處理中兩種牧草的營養(yǎng)指標含量和其各自的干重計算得到混合收獲時各個處理的牧草營養(yǎng)指標。由表6可知，箭筈豌豆與黑麥混播和間播處理的粗蛋白(CP)含量，都顯著(P<0.05)低于箭筈豌豆單播對照；JH4～JH8共2個混播處理和3個間播處理的CP含量顯著高于黑麥單播對照，其余處理與黑麥單播對照無顯著性差異。箭筈豌豆與黑麥的各個混播和間播處理CP產量都顯著低于箭筈豌豆單播對照；JH5～JH8的CP產量顯著高于黑麥單播，其他處理與黑麥單播無顯著性差異。各個處理NDF含量均顯著高于箭筈豌豆單播，JH6顯著低于黑麥單播，其他處理均與黑麥單播無顯著性差異。各處理ADF含量顯著高于箭筈豌豆單播，與黑麥單播無顯著性差異。各處理相對飼用價值顯著低于箭筈豌豆單播，與黑麥單播無顯著性差異。

表4 箭筈豌豆與黑麥混、間播處理的相對產量Table 4 RY of common vetch-rye mixed and intercropping treatment

表5 不同處理中的箭筈豌豆和黑麥營養(yǎng)指標含量Table 5 The nutrient content of common vetch and rye in different treatment (%)

表6 箭筈豌豆與黑麥混、間播處理的牧草營養(yǎng)指標Table 6 The nutrient content of common vetch-rye mixed and intercropped treatment

3 討論

混、間播在生產上的優(yōu)勢可能主要有以下幾個因素[21]：1)禾本科牧草與豆科牧草在形態(tài)上本身存在一定的差異，尤其表現在植株地上部的空間分布、根系的形態(tài)和分布等具有一定的生態(tài)位分化，從而使有限的資源得到高效利用[25-26]；2)生長發(fā)育節(jié)律差異互補[27-28]；3)養(yǎng)分吸收差異互補。豆科牧草往往能在土壤下層吸收較多的鈣、磷等養(yǎng)分，而禾本科牧草偏向于在土壤上層吸收更多的硅和氯等；此外，豆科牧草能以生物固氮的方式利用大氣中的氮素，禾本科對土壤氮素養(yǎng)分的競爭又能促進豆科牧草固氮作用增強[21-29]；4)生態(tài)位互補。不同的豆科與禾本科牧草具有一定的生態(tài)位分離，使其對空間資源和養(yǎng)分資源的利用具有一定的互補效應，使資源得到最大限度利用，整體的資源利用率得到提高[30-32]。

但目前的研究對于混、間播的產量優(yōu)勢并沒有一致的結果。本研究中豆禾牧草混播處理的產量總體優(yōu)于間播處理，而已有的研究表明間播優(yōu)于混播[18,33-36]，這主要是由于不同播種量和氣候條件等差異造成的，在不同地區(qū)種植同一物種也會得到不同的結論[28,37-38]，因此更需要針對不同地區(qū)氣候等條件研究適宜的種植方式。

通過相對產量總和(RYT)和相對產量(RY)所反映的種間關系表明，相比間播，混播更能表現出利于增產的種間關系，更利于增強種間正相互作用而減弱負相互作用，而與已有的研究則相反[18,33]。箭筈豌豆在混、間播條件下處于競爭劣勢，黑麥則處于競爭優(yōu)勢，這與已有的研究結果保持一致，大量研究表明豆-禾體系中禾本科牧草一般具有主導作用，競爭能力強于豆科牧草[20,30,39-40]。產量上具有明顯優(yōu)勢的混、間播處理，其中豆科和禾本科牧草具有明顯的生態(tài)位分化，種間互利作用強于競爭作用，總體的資源利用率提高，這與已有的研究結果保持一致[41]。

盡管不同研究中對混、間播是否增產的結論不一致，但混、間播提高牧草營養(yǎng)品質的結論基本一致[21]。本研究中不同混、間播處理相比單播禾本科牧草都提高了牧草的營養(yǎng)品質，尤其是粗蛋白質含量；相比單播豆科牧草和單播禾本科牧草，混、間播牧草的營養(yǎng)物質含量更加均衡。豆禾牧草混、間播處理還不足以使豆科或禾本科牧草本身的營養(yǎng)品質發(fā)生變化，但使混合牧草的營養(yǎng)品質相比禾本科牧草有一定程度的改善。

4 結論

相比間播，混播更能表現出利于增產的種間關系，更利于增強種間正相互作用而減弱負相互作用。箭筈豌豆在混、間播條件下處于競爭劣勢，大多數處理中其RY值小于1；黑麥在混、間播條件下處于競爭優(yōu)勢，大多數處理中其RY值大于1。

混播或間播處理對箭筈豌豆和黑麥自身的營養(yǎng)品質無顯著影響，但對收獲的混合牧草的營養(yǎng)品質有顯著改善。箭筈豌豆的營養(yǎng)品質顯著高于燕麥和黑麥。相比燕麥和黑麥兩種禾本科牧草單播，由于混播和間播中加入了箭筈豌豆，所以混合牧草的營養(yǎng)品質總體高于禾本科牧草而低于箭筈豌豆。

本研究表明了在拉薩河谷區(qū)進行一年生牧草建植時，混播是比間播更加適宜的建植方式，不僅能夠提高牧草產量，對于其飼用品質也有提升，具有較高的土地生產力；而混播與單播相比，豆科牧草與根瘤菌的共生固氮作用，還能夠減少化學氮肥的施加，有利于西藏生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展，值得大力推廣。