施肥對高寒荒漠草原區(qū)混播人工草地產(chǎn)量和水分利用的影響

張學(xué)梅，馬千虎，張子龍，王自奎，楊惠敏，沈禹穎

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施肥對高寒荒漠草原區(qū)混播人工草地產(chǎn)量和水分利用的影響

張學(xué)梅，馬千虎，張子龍，王自奎，楊惠敏，沈禹穎

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院/草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/草業(yè)科學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，蘭州 730000）

【目的】研究燕麥/箭筈豌豆混播及燕麥單播草地產(chǎn)量和水分利用對施肥的響應(yīng)，以探明混播及施肥影響人工草地水分利用的效應(yīng)及機(jī)理，并提出青藏高原荒漠草原區(qū)水分高效利用的栽培草地播種和施肥模式?！痉椒ā看筇镌囼?yàn)于2017年和2018年在青海省烏蘭縣金泰牧場開展，試驗(yàn)設(shè)置2個種植方式，分別為燕麥/箭筈豌豆混播和燕麥單播，設(shè)置2個施肥水平，分別為高肥（120 kg N·hm-2, 103 kg P2O5·hm-2）和低肥（60 kg N·hm-2, 51.5 kg P2O5·hm-2），共4個試驗(yàn)處理，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。所有處理在春季播種前進(jìn)行灌溉，生育期無灌溉。試驗(yàn)測定指標(biāo)包括主要生育時期人工草地地上生物量、植株氮含量、土壤體積含水量等，計算指標(biāo)包括牧草生育期內(nèi)耗水量、干物質(zhì)水分利用效率和粗蛋白水分利用效率?！窘Y(jié)果】通過混播和施肥均可大幅提高草地產(chǎn)量，2017年和2018年高肥處理干物質(zhì)產(chǎn)量比低肥處理分別提高34.7%和9.7%，粗蛋白產(chǎn)量分別提高41.3%和20.4%，混播處理干物質(zhì)產(chǎn)量比單播處理分別提高14.4%和9.2%，粗蛋白產(chǎn)量分別提高74.7%和62.9%?；觳ジ叻侍幚懋a(chǎn)量為所有處理中最高，2017年收獲期干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量分別為10 251.7和827.2 kg·hm-2，2018年分別為7 589.3和570.2 kg·hm-2。通過增施化肥增加了草地的水分消耗，同時大幅度提高了草地水分利用效率。2017和2018年兩個生長季中高肥處理牧草耗水量分別比低肥處理增加6.2%和4.3%，干物質(zhì)水分利用效率提高了21.0%和4.9%，粗蛋白水分利用效率提高了30.1%和17.4%。通過混播也增加了草地的耗水量，對草地的干物質(zhì)水分利用效率影響不顯著，但大幅提高了蛋白質(zhì)水分利用效率。2017和2018年混播草地耗水量分別比單播處增加17.9%和9.2%，干物質(zhì)水分利用效率比單播處理提高-5.9%和0.5%，粗蛋白水分利用效率比單播處理提高46.7%和51.3%?！窘Y(jié)論】通過混播和合理施肥能夠減少土壤水分無效蒸發(fā)、促進(jìn)土壤貯水有效利用，提高栽培草地產(chǎn)量、品質(zhì)及水分利用效率，推薦在高寒荒漠草原區(qū)有春季灌溉條件的草地使用。研究可為我國高寒干旱、半干旱區(qū)栽培草地建設(shè)和優(yōu)良飼草生產(chǎn)提供一定的借鑒。

人工草地；混播；飼草產(chǎn)量；蛋白質(zhì)產(chǎn)量；水分利用效率

0 引言

【研究意義】青藏高原中東部荒漠草原區(qū)氣候以干旱和半干旱為主，降水稀少、地表和地下水資源匱乏，天然草地產(chǎn)量低，冬春季飼草短缺限制了當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)的發(fā)展，人工草地建設(shè)是解決該區(qū)飼草短缺的重要途徑。但是目前該區(qū)多數(shù)人工草地生產(chǎn)管理粗放、水肥利用效率低，生產(chǎn)力還有大幅提升空間[1-2]。燕麥（L.）是一年生禾本科糧飼兼用型作物，在籽粒不易成熟的高海拔地區(qū)，燕麥一般作為青貯飼料或用于調(diào)制干草，具有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和良好的適口性。燕麥具有耐寒、產(chǎn)草量高、品質(zhì)好、抗逆性強(qiáng)的特點(diǎn)，且能有效防止水土流失、減少無效蒸發(fā)和地表徑流[3-4]。箭筈豌豆（L.）是一年生豆科作物，也是家畜的優(yōu)質(zhì)飼料，具有抗寒及高效利用氮肥的優(yōu)勢，但其單作產(chǎn)量較低，所以經(jīng)常與燕麥混播種植[5-6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前高寒地區(qū)針對燕麥單播及燕麥/箭筈豌豆混播草地的研究主要側(cè)重于混播比例及密度等對飼草產(chǎn)量和品質(zhì)的影響。例如孫杰等[7]研究了海拔高度和混播比例對燕麥/箭筈豌豆混播群體的影響，結(jié)果表明混播干草產(chǎn)量顯著高于燕麥單播和箭筈豌豆單播，同時混播提高了草地粗蛋白產(chǎn)量；崔瑩[8]研究了燕麥和箭筈豌豆混播條件下草地的生產(chǎn)效益與土壤生態(tài)效益的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)燕麥和箭筈豌豆1:1混播的生產(chǎn)生態(tài)效益最佳。施肥是影響栽培草地產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵因素之一，適量施肥有利于提高草地產(chǎn)量[9-10]，但過量施肥不僅不會提高產(chǎn)量，而且會導(dǎo)致肥料的浪費(fèi)和土壤污染[11-12]。混播條件下，養(yǎng)分也是影響種間競爭和群體生產(chǎn)潛力的主要因素[13]，并且養(yǎng)分對水分的種間競爭和利用格局具有重要的影響[14]。因此，根據(jù)該區(qū)域特殊的氣候條件和土壤環(huán)境，研究施肥對混播草地生產(chǎn)及資源利用的影響，對提高水肥高效利用有重要的現(xiàn)實(shí)意義。水分供應(yīng)不足是高寒荒漠區(qū)牧草高產(chǎn)的主要制約因子[15]，但是以往關(guān)注該區(qū)域施肥對混播草地水分利用規(guī)律和機(jī)理的研究較少。【本研究切入點(diǎn)】大量研究表明，植物復(fù)合群體由于地上冠層和地下根系的相互協(xié)同作用，具有水分高效利用的優(yōu)勢[16-17]，但是高寒荒漠草原區(qū)混播對人工草地水分利用的影響效應(yīng)還不確定，施肥對混播草地水分利用規(guī)律和機(jī)理的作用還需深入開展?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以青海省海西荒漠草原區(qū)為典型研究區(qū)，擬通過田間試驗(yàn)，對西部高寒半干旱條件下燕麥和箭筈豌豆不同種植和施肥方式下草地產(chǎn)量和品質(zhì)、土壤水分、耗水量及水分利用效率進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上提出適合當(dāng)?shù)氐娜斯げ莸胤N植和管理模式，以期為當(dāng)?shù)啬撩裨鍪蘸托竽翗I(yè)健康持續(xù)發(fā)展提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

大田試驗(yàn)于2017和2018年在青海省烏蘭縣金泰牧場（36°47′N，99°05′E，海拔3 160 m）開展。試驗(yàn)區(qū)位于柴達(dá)木盆地東北緣，地勢南低北高，冬季漫長、寒冷，夏季短暫、溫涼，具有明顯的高原大陸性氣候特征。降水季節(jié)性分布不均，主要集中在6—9月份。多年平均降水量為211 mm，年蒸發(fā)量在2 000—2 400 mm，年平均氣溫為3.79oC。氣象數(shù)據(jù)由距離試驗(yàn)地150 m的農(nóng)業(yè)氣象站測定。2017年為平水年，牧草生育期內(nèi)（2017年6月18日至2017年10月10日）降水129.1 mm，日最大降水量為14.1 mm；生育期內(nèi)最高溫度為28.3oC，最低溫度為-5.8oC，平均氣溫為13.0oC。2018年為豐水年，牧草生育期內(nèi)（2018年5月15日至2018年9月20日）降水322.8 mm，日最大降水量為30.8 mm，牧草生育期內(nèi)最高溫度為27.7oC，最低溫度為-2.8oC，平均溫度為12.9oC。

試驗(yàn)地適宜作物生長的土層厚度在100 cm左右，0—40 cm為粉壤土，40—100 cm為砂壤土；100—140 cm為砂石土層，難以測定其水分養(yǎng)分含量。2個生長季大田試驗(yàn)均在同一塊試驗(yàn)開展，2017年試驗(yàn)地開展試驗(yàn)前主要種植飼用油菜和燕麥，0—40 cm土層有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量較高，土壤肥力較好，0—100 cm土層主要土壤基礎(chǔ)理化性狀參數(shù)列于表1。

表1 播種前試驗(yàn)地土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

供試的燕麥品種為“青引3號”，箭筈豌豆品種為“西牧333”，種子由青海省農(nóng)林科學(xué)研究院提供。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置2個施肥水平（低肥：60 kg N·hm-2，51.5 kg P2O5·hm-2；高肥：120 kg N·hm-2，103 kg P2O5·hm-2）和2個播種方式（燕麥單播；燕麥/箭筈豌豆混播，即將燕麥和箭筈豌豆種子混合后同行條播），共4個處理，即燕麥單播高肥處理、燕麥單播低肥處理、燕麥/箭筈豌豆混播高肥處理、燕麥/箭筈豌豆混播低肥處理。每個處理設(shè)置4次重復(fù)，共包括16個試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)面積120 m2（6 m×20 m），各試驗(yàn)小區(qū)周邊用高30 cm的田埂分隔，小區(qū)間設(shè)1 m寬間隔。播量根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)踐確定：單播燕麥播量180 kg·hm-2；混播處理燕麥播量90 kg·hm-2，箭筈豌豆播量105 kg·hm-2?；适褂媚蛩睾土姿岫@，均在播種時作為基肥施入。為了提高土壤墑情，保證牧草出苗率，兩個生長季均在播種前2—3周進(jìn)行一次灌溉。2017年試驗(yàn)地在5月下旬灌水120 mm左右；2018年試驗(yàn)地在4月下旬灌水100 mm左右，作物生長期無灌溉。2017年燕麥、箭筈豌豆均在6月18日播種，10月20日收獲。2018年燕麥、箭筈豌豆均在5月15日播種，9月20日收獲。播種方式為條播，播深3—4 cm，行距20 cm。

1.3 指標(biāo)測定與計算

1.3.1 土壤含水量 土壤體積含水量采用Diviner 2000土壤水分測定儀測定。每個小區(qū)設(shè)1個測定點(diǎn)，水分測管布置于小區(qū)中央，在深度100 cm土層內(nèi)每隔10 cm深度測定一次。從播種到收獲期，每3—5 d測定一次，雨后加測。Diviner水分?jǐn)?shù)據(jù)通過烘干法測定的土壤水分和容重計算的體積含水量進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3.2 植物干物質(zhì)產(chǎn)量 每隔10—14 d在每個小區(qū)隨機(jī)選取1.0 m長的樣帶，將牧草齊地面刈割，稱取鮮重，然后在105oC的條件下殺青30 min以后，在65oC下烘干至恒重，稱量其干物質(zhì)重量。

1.3.3 粗蛋白含量和產(chǎn)量 分別在燕麥的拔節(jié)期、盛花期、乳熟期和收獲期采集植株地上部分樣品，經(jīng)殺青、烘干、粉碎后采用凱氏定氮法測定植株含氮量，含氮量計算方法如下[18]：

式中，ω為植株含氮量，%；V為滴定時所消耗鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液體積，ml；V為滴定空白時消耗的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸體積，ml；為鹽酸的當(dāng)量濃度，mol·L-1；為樣品重，g；0.014為氮的毫克當(dāng)量。

植株粗蛋白含量和粗蛋白產(chǎn)量：

=6.25ω（2）

=×（3）

式中，為植株粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；6.25為換算系數(shù)[19]。為粗蛋白產(chǎn)量，kg·hm-2；為粗蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；為干物質(zhì)產(chǎn)量，kg·hm-2。

1.3.4 草地耗水量與水分利用效率 不同處理草地的耗水量采用水量平衡計算。公式如下：

ET=++---（4）

式中，ET為耗水量，mm；為降水量，mm；為灌溉水量，mm；為地下水向上補(bǔ)給量，mm；為生育時期末土壤儲水量與生育時期初土壤儲水量之差，mm；為徑流量，mm；為深層滲漏量，mm。因試驗(yàn)地在兩個生長季內(nèi)無灌溉，并且試驗(yàn)地地勢平坦，地下水埋藏較深，在40 m以下，均可忽略不計。因此可將式（4）化簡為：

ET=-（5）

干物質(zhì)水分利用效率和粗蛋白水分利用效率通過干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量以及草地耗水量進(jìn)行計算[20]：

式中，WUE為干物質(zhì)水分利用效率，kg·m-3；WUE為粗蛋白水分利用效率，kg·m-3。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù)，利用SPSS 22軟件進(jìn)行處理間數(shù)據(jù)的方差分析和多重比較，應(yīng)用SigmaPlot 12.5做圖。

2 結(jié)果

2.1 干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量

2017—2018年燕麥和箭筈豌豆干物質(zhì)積累量的變化動態(tài)結(jié)果如圖1所示，其中單播處理為燕麥的干物質(zhì)量，混播處理為燕麥和箭筈豌豆干物質(zhì)量的總和。2017年盛花期高肥處理總產(chǎn)草量顯著高于低肥處理（＜0.05），同一施肥處理之間差異不顯著（＞0.05）。收獲時混播高肥處理干物質(zhì)產(chǎn)量最高，達(dá)到10.3 t·hm-2，比單播高肥處理高出5.2%；混播低肥處理干物質(zhì)產(chǎn)量為8.3 t·hm-2，比單播低肥處理高出23.6%。2018年盛花期，混播高肥處理總產(chǎn)量最高，但與單播高肥及混播低肥處理差異不顯著（＞0.05）。收獲期混播高肥處理總產(chǎn)量最高，達(dá)到7.6 t·hm-2，比單播高肥處理高出12.4%；混播低肥處理干物質(zhì)產(chǎn)量為6.7 t·hm-2，比單播低肥處理高出6.0%（圖1）。

粗蛋白產(chǎn)量主要和牧草干物質(zhì)產(chǎn)量及其含氮量有關(guān)。從圖2中可以看出，2017年盛花期高肥處理的粗蛋白產(chǎn)量顯著高于低肥處理（＜0.05），收獲期混播高肥處理粗蛋白產(chǎn)量最高，達(dá)到827.2 kg·hm-2，單播低肥處理最低，粗蛋白產(chǎn)量為339.9 kg·hm-2。2018年盛花期混播高肥處理粗蛋白產(chǎn)量顯著高于其他處理（＜0.05）；收獲期混播高肥處理粗蛋白產(chǎn)量最高，達(dá)到570.2 kg·hm-2，單播低肥處理最低，為293.5 kg·hm-2。

從表2可以看出，不同施肥處理對燕麥、箭筈豌豆和總干物質(zhì)產(chǎn)量的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01），對燕麥和總粗蛋白產(chǎn)量的影響也達(dá)到極顯著水平（＜0.01），對箭筈豌豆粗蛋白產(chǎn)量影響顯著（＜0.05）。不同播種方式對干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量影響均達(dá)到極顯著水平（＜0.01）?；觳シ绞胶褪┓蕦ρ帑湼晌镔|(zhì)產(chǎn)量的交互作用達(dá)到了極顯著的水平，對箭筈豌豆的干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量的影響也達(dá)到了極顯著的交互作用（＜0.01），但對燕麥粗蛋白產(chǎn)量、總干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量交互作用影響不顯著（＞0.05）。

圖3結(jié)果表明，2017年收獲期混播條件下施肥水平對燕麥產(chǎn)量的影響不顯著（＞0.05），但高肥處理箭筈豌豆的產(chǎn)量顯著高于低肥處理（＜0.05）；高肥和低肥處理下混播處理中燕麥干物質(zhì)所占總牧草產(chǎn)量的比例分別為56.4%和60.6%；2018年收獲期混播條件下高肥處理箭筈豌豆產(chǎn)量顯著高于低肥處理，混播處理中燕麥干物質(zhì)所占牧草總產(chǎn)量的比例分別為69.6%和71.4%。

圖中不同小寫字母表示在P＜0.05水平上差異顯著，下同 Different letters indicate significant differences at P＜0.05, The same as below

表2 成熟期不同處理下干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量方差分析

表中P表示種植方式；F表示施肥水平。*表示在0.05水平上存在顯著差異，**表示在0.01水平上差異極顯著，NS表示差異不顯著。下同

P in table represents the plant pattern; F represents the fertilization level. “*” is significant at 0.05 probability level; “**” is significant at the 0.01 probability level; NS is non-significant. The same as below

圖2 2017（A）和2018年（B）盛花期和成熟期各處理粗蛋白產(chǎn)量

圖3 2017（A）和2018年（B）收獲期混播處理中燕麥和箭筈豌豆地上干物質(zhì)分配及其與單播處理的比較

圖4結(jié)果表明，收獲期不同處理總粗蛋白產(chǎn)量的規(guī)律與干物質(zhì)類似，但是混播處理中燕麥粗蛋白產(chǎn)量比例要低于箭筈豌豆，2017年混播條件下高肥和低肥處理中燕麥粗蛋白產(chǎn)量所占比例分別為24.7%和26.3%；2018年混播條件下高肥和低處理中燕麥粗蛋白產(chǎn)量所占比例分別為42.7%和35.9%。

圖4 2017（A）和2018年（B）收獲期混播處理中燕麥和箭筈豌豆粗蛋白分配及其與單播處理的比較

圖5 2017（A）和2018（B）年作物生長季降雨分布及不同處理土壤水分動態(tài)

2.2 土壤水分變化動態(tài)

圖5顯示了2個作物生長季降雨量分布及不同處理土壤水分動態(tài)（水分為0—100 cm土層平均含水率）。播種前兩周對整個試驗(yàn)田進(jìn)行了春季灌水，灌水量約為100—120 mm，所以作物播種時土壤水分狀況良好，接近田間持水量。試驗(yàn)點(diǎn)6—9月的大氣蒸發(fā)能力為全年中最強(qiáng)的階段，所以2017年草地建植后土壤水分持續(xù)下降，僅在播種后65—79 d幾次大降雨后出現(xiàn)了短暫的上升趨勢。至生育期末，單播草地0—100 cm土層的平均含水率為13.3%，而混播草地為11.0%，比單播低17.3%。單播條件下高肥處理的土壤含水率比低肥處理低14.0%，但在混播條件下施肥處理間土壤水分差異不顯著。

2018年草地建植后因?yàn)榈乇砀采w小、土壤蒸發(fā)量較大，土壤水分迅速下降，播種后24—50 d降水頻繁且降雨量較大，所以土壤水分迅速回升。播種后第60天燕麥開始抽穗，耗水量增加，土壤水分下降速率較快，隨后隨著秋季降雨再次回升。至收獲期單播草地0—100 cm土層的平均含水率為22.0%，而混播草地為18.0%，比單播低22.4%。

2017年生育期初各個處理土壤水分在各土層的分布趨勢大致相似，20 cm以下土層水分含量都在25%以上。至收獲期，所有處理土壤水分較播種前大幅下降，單播處理平均土壤水分為13.3%，混播處理為11.0%（圖6）。2018年生育期初期土壤含水量最高值出現(xiàn)在40 cm土層，達(dá)到24%—35%，40 cm以下土層水分含量逐漸降低，水分含量都在10%以上。至收獲期，0—10 cm土層因收獲前降雨頻繁導(dǎo)致水分含量大于生育初期，10 cm以下土層土壤水分較播種前均呈下降趨勢，單播處理平均土壤水分為21.4%，混播處理為17.5%（圖7）。2個生長季中混播處理的土壤水分都顯著低于單播處理，特別是在40—80 cm土層，表明在生長季后期混播處理促進(jìn)了中間土層土壤水分的消耗。

2.3 耗水量與水分利用效率

混播處理的牧草平均耗水量較高，2個生長季混播處理平均耗水量分別比單作處理高出17.9%和9.2%，其粗蛋白平均水分利用效率分別比單作處理高45.8%和51.7%；高肥處理下植被覆蓋度和干物質(zhì)產(chǎn)量較高，2017和2018 年2個生長季平均耗水量比低肥處理分別高出6.2%和4.3%，并且由于其無效消耗的水分較少，水分利用效率也大幅度高于低肥處理，干物質(zhì)水分利用效率增加幅度為21.0%和4.9%，粗蛋白水分效率增加幅度為30.1%和17.4%（表3）。

2017年單播高肥處理干物質(zhì)水分利用效率最高，為3.79 kg·m-3，但與混播高肥處理差異不顯著（＞0.05），混播低肥處理干物質(zhì)水分利用效率最低，僅為2.94 kg·m-3；混播高肥處理粗蛋白水分利用效率最高，達(dá)到0.298 kg·m-3，顯著高于單播高肥處理（＜0.05），比單播高肥高出40.6%，單播低肥處理粗蛋白水分利用效率最低，為0.155 kg·m-3。2018年混播高肥干物質(zhì)水分利用效率最高，但與單播高肥處理差異不顯著（＞0.05），混播低肥處理干物質(zhì)水分利用效率最低，為1.82 kg·m-3；混播高肥處理粗蛋白水分利用效率也最高，達(dá)到0.147 kg·m-3，比單播高肥高出63.3%，單播低肥處理粗蛋白水分利用效率最低，為0.084 kg·m-3。

從表3可知，施肥水平對牧草生育期內(nèi)耗水量、干物質(zhì)水分利用效率和粗蛋白水分利用效率的影響均達(dá)到極顯著性水平（＜0.01）；播種方式對牧草生育期內(nèi)耗水量和干物質(zhì)水分利用效率的影響達(dá)到顯著水平（＜0.05），對粗蛋白水分利用效率的影響達(dá)到極顯著水平（＜0.01）?；觳シ绞脚浜鲜┓仕綄乃亢退掷眯饰催_(dá)到顯著的交互作用（＞0.05）。

圖6 2017年作物生長季生育期播種期（A）和收獲期（B）不同處理間土壤含水量變化

圖7 2018年作物生長季生育期播種期（A）和收獲期（B）不同處理間土壤含水量變化

表3 不同處理下耗水量和水分利用效率

表中數(shù)據(jù)為平均值。不同小寫字母表示處理在0.05水平差異顯著

The data in the table is average of three replicates. Different letters indicate significant differences at＜0.05

3 討論

3.1 施肥和混播對草地干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量的影響

增加施肥量對飼草產(chǎn)量和品質(zhì)具有非常顯著的改善作用。氮素作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的成分，增施氮肥不僅能提高牧草產(chǎn)量，還能提高牧草的粗蛋白產(chǎn)量，進(jìn)而提高牧草品質(zhì)。有研究表明，隨著供氮量的增加，植株光合作用功能增強(qiáng)，產(chǎn)量和營養(yǎng)物質(zhì)積累增加[21-22]。本研究結(jié)果表明，2017年盛花期混播高肥處理干物質(zhì)產(chǎn)量低于單播高肥處理，但是收獲期干物質(zhì)產(chǎn)量最大的是混播高肥處理，因?yàn)橐环矫鎻氖⒒ㄆ诘绞斋@期，混播高肥處理中箭筈豌豆地上部干物質(zhì)增加速率較快，因此收獲期干物質(zhì)產(chǎn)量最高的為混播高肥處理。另一方面，施氮可促進(jìn)營養(yǎng)生長期燕麥的迅速生長，增加地表覆蓋，減少土壤水分蒸發(fā)，提高土壤水分有效性，從而促進(jìn)飼草作物的生長。高肥條件下，混播處理干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量2017年分別比單作燕麥高出5.2%和53.3%，2018年分別比單作燕麥高出12.4%和78.9%。這是因?yàn)楦叻蕳l件下燕麥/箭筈豌豆混播群體冠層和根系交互作用加強(qiáng)，資源利用的種間互補(bǔ)效應(yīng)得到有效發(fā)揮，且由于混播處理中箭筈豌豆含氮量較高，因此燕麥/箭筈豌豆混播處理干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量均為最高。

同一播種方式下，由于高肥處理地上部分含氮量較高，因此同一播種方式下不同施肥處理之間的粗蛋白產(chǎn)量差異幅度高于干物質(zhì)差異?；觳ヌ幚碇懈叻侍幚砑Q豌豆產(chǎn)量顯著高于低肥處理，2017年和2018年分別比低肥處理高出37.4%和20.3%，是因?yàn)槎购虖?fù)合群體中禾本科作物一般處于競爭優(yōu)勢地位，其對豆科作物的資源脅迫作用在資源供應(yīng)不足時更加顯著[23-25]，所以低肥條件下箭筈豌豆的產(chǎn)量受到嚴(yán)重抑制。

3.2 施肥和混播對草地土壤水分和水分利用效率的影響

因?yàn)?個生長季中播種前均進(jìn)行了春季灌水，所以作物播種時土壤水分狀況良好，接近田間持水量。試驗(yàn)點(diǎn)6、7、8、9月的大氣蒸發(fā)能力為全年中最強(qiáng)的階段，地表覆蓋度較低的情況下，土壤蒸發(fā)劇烈，覆蓋度較高的處理會有效降低土壤水分的無效蒸發(fā)消耗[26]。2個生長季播種后第59天和68天牧草分別進(jìn)入生殖生長期。在生殖生長之前，草地處于營養(yǎng)生長期，高肥處理作物生長速率快、覆蓋度高、耗水量大，土壤含水率下降速率顯著高于低肥處理。生長后期，由于混播草地中箭筈豌豆需水關(guān)鍵期比燕麥滯后，并且生殖生長期其葉片凋萎的速率較慢，后期耗水量較大。因此混播草地土壤水分逐漸小于單播草地，并且他們之間的差距越來越大。本研究結(jié)果表明，增加施肥主要增加了牧草生長前期土壤有效貯水量的利用，而混播可有效利用生長后期秋季降水儲存的土壤水分，所以混播高肥處理可有效利用有限水資源。

增施化肥一方面可以促進(jìn)牧草營養(yǎng)生長階段的生長速率，增加土壤覆蓋度，提高牧草生長前期土壤水分的利用，另一方面施肥可促進(jìn)牧草根系的生長，從而促進(jìn)對土壤水分的吸收，因此同一播種方式下高肥處理土壤水分利用效率高于低肥處理[27]。本研究中，2017和2018年2個生長季中高肥處理牧草耗水量分別比低肥處理高6.2%和4.3%，干物質(zhì)平均水分利用效率比低肥處理增加21.0%和4.9%，粗蛋白水分利用效率比低肥處理增加30.1%和17.4%，說明通過增施肥料可以提高牧草水分利用效率。因?yàn)槭┓蕦Υ值鞍桩a(chǎn)量的提高作用更為顯著，所以其對粗蛋白水分利用效率的影響也更為顯著。

在混播及間套作等復(fù)合種植條件下，因?yàn)樽魑锷L季地表覆蓋度通常低于單作，土壤水分無效蒸發(fā)量大是降低群體水分利用效率的主要因素之一[28-29]。本研究中，混播條件下燕麥的密度較低，特別是生長前期其地表覆蓋度小，土壤無效蒸發(fā)耗水較大，整個生育期水分利用效率較低，特別是低肥條件下，該現(xiàn)象尤為明顯。2017和2018年2個生長季中混播處理作物耗水量分別比單播處理高17.9%和9.2%，混播處理粗蛋白水分利用效率分別比單播處理高45.8%和51.7%。

本研究表明施肥能明顯提高牧草的產(chǎn)草量和水分利用效率，并且在高肥處理下，混播群體具有更高的資源利用和生產(chǎn)效率，其干物質(zhì)量、粗蛋白產(chǎn)量以及水分利用效率均為最大，能達(dá)到飼草高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和水分高效利用的目標(biāo)。因此，我們建議在當(dāng)?shù)厥褂醚帑?箭筈豌豆混播種植模式，并且使用常規(guī)施肥量，以保證有限水資源的高效利用。本研究的高肥處理施肥量及種植密度等根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)踐確定，不一定為最優(yōu)。目前通過作物生長模型模擬農(nóng)作物生長，進(jìn)而提高對資源的利用效率已經(jīng)成為管理農(nóng)田的主流方法[30-31]，但是在牧草生長管理方面應(yīng)用較少[32]，本研究中最佳的種植及管理模式還需通過更加長期的試驗(yàn)結(jié)合模型優(yōu)化方法確定。

4 結(jié)論

在高寒荒漠草原半干旱環(huán)境下，通過混播和增加施肥均可大幅提升栽培草地干物質(zhì)和粗蛋白產(chǎn)量，2年試驗(yàn)中混播和增施化肥對草地干物質(zhì)產(chǎn)量的提高幅度分別為9.2%—14.4%和9.7%—34.7%，對粗蛋白產(chǎn)量的提高幅度分別為20.4%—41.3%和62.9%—74.7%。同時，高肥處理可促進(jìn)牧草營養(yǎng)生長階段的生長速率，增加地表覆蓋度，提高前期土壤水分的利用。通過混播可有效提高生育后期對土壤貯水的有效利用，所以混播高肥處理利用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)條件下有效土壤水分的效率最高。建議在當(dāng)?shù)赜写杭竟喔鹊臈l件下使用混播高肥飼草栽培模式。

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Effects of Fertilization Rate on Forage Yield and Water Use Efficiency of Artificial Grassland in an Alpine Arid Area

ZHANG XueMei, MA QianHu, ZHANG ZiLong, WANG ZiKui, YANG HuiMin, SHEN YuYing

(College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University/State Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystem/National Demonstration Center for Experimental Grassland Science Education, Lanzhou 730020)

【Objective】This study was conducted to investigate the production of artificial grassland and the response of water resource use to planting pattern and fertilization level, so as to provide the optimal planting pattern and fertilization level in the desert steppe region of the Qinghai-Tibet plateau. 【Method】 The field experiment was conducted at Jintai pasture of Wulan county, Qinghai province in 2017 and 2018. Two planting patterns were set up, namely oat/common vetch mixed sowing and sole oat, and two fertilization rates were set up, which were high rate (120 kg N·hm-2, 103 kg P2O5·hm-2) and low rate (60 kg N·hm-2, 51.5 kg P2O5·hm-2). Four treatments were completely randomized block designed. All treatments were irrigated before sowing in the spring and no irrigation during the growing season. The measured indexes included aboveground biomass, plant nitrogen content and soil water content at major growth stage; the calculated indexes included water consumption during the growing stage, dry matter water use efficiency, and crude protein water use efficiency. 【Result】Through mixed sowing and adding fertilizer, grassland yield could be greatly improved. In 2017 and 2018, the dry matter yield of high-fertilizer treatment was 34.7% and 9.7% greater than that of low-fertilizer treatment, respectively, and the crude protein production was 41.3% and 20.4% greater, respectively. The dry matter yield of oat/common vetch mixed sowing was 14.4% and 9.2% greater than of sole oat treatment, respectively, and the crude protein yield was 74.7% and 62.9% greater, respectively. The yield of mixed sowing with high-fertilizer treatment was the highest under all treatments, the dry matter and crude protein yield at harvest were 10 251.7 and 827.2 kg·hm-2, respectively, in 2017, and 7 589.3 and 570.2 kg·hm-2, respectively, in 2018. Adding fertilizer increased the water consumption of grassland, and the water use efficiency of grassland was greatly improved. In the two growing seasons in 2017 and 2018, the water consumption of high-fertilizer treatment was 6.2% and 4.3% higher than that of low-fertilizer treatments, respectively, the water use efficiency of dry matter increased by 21.0% and 4.9%, respectively, and the water use efficiency of crude protein was increased by 30.1% and 17.4%, respectively. Mixed sowing also increased the water consumption of grassland, slightly reduced the water use efficiency of dry matter, but greatly improved the water use efficiency of crude protein. In 2017 and 2018, the water consumption of oat/common vetch mixed sowing grassland was 17.9% and 9.2% higher than that of sole oat grassland, respectively; the water use efficiency of crude protein was increased by 46.7% and 51.3%, respectively.【Conclusion】mix sowing and rational fertilizer application could increase the forage yield and quality as well as water use efficiency of grassland by decreasing the ineffective evaporation, and enhance the utilization of soil water. Which was recommended to be applied with spring irrigation conditions in the arid alpine area, the research can provide some reference for the cultivated grassland and excellent forage production in alpine arid and semi-arid areas in China.

artificial grassland; mixture sowing; forage yield; crude protein yield; water use efficiency

2018-12-03；

2019-02-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016YFC04003）、國家自然科學(xué)基金（51609112）、國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-34）

張學(xué)梅，E-mail：zhangxm16@lzu.edu.cn。 通信作者王自奎，E-mail：wzk@lzu.edu.cn

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.007

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）