免耕補(bǔ)播對(duì)北方退化草地生產(chǎn)力及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

岳麗楠， 師尚禮， 祁 娟， 楊培志， 劉 剛， 劉文輝， 張英俊， 荊晶瑩*

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與 草原學(xué)院, 陜西 楊凌 712100； 4.四川省草原科學(xué)研究院, 四川 成都 611731； 5.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院, 青海 西寧 810016)

近年來在氣候的不斷變化以及人類各種生產(chǎn)活動(dòng)的影響下，草地生產(chǎn)力下降、草地退化日益嚴(yán)重。我國(guó)有90%以上的草原處于不同程度退化，主要表現(xiàn)為生物多樣性減少、毒雜草增多、土壤侵蝕嚴(yán)重等[1]，當(dāng)前草原生態(tài)修復(fù)和生產(chǎn)力提升已成為區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興的重大需求。合理放牧、施肥、圍封禁牧是幾種常用的改良措施，但對(duì)于退化較為嚴(yán)重的草地，以上措施恢復(fù)年限較長(zhǎng)且恢復(fù)效果不明顯。補(bǔ)播改良是在退化草地土壤中播種一些適應(yīng)性強(qiáng)、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的優(yōu)良植物物種，以此來增加退化草地植被蓋度、物種多樣性,從而提升草原生產(chǎn)力與草場(chǎng)質(zhì)量[2]。免耕補(bǔ)播對(duì)土壤擾動(dòng)最小，對(duì)原生植被破壞極小，因此免耕補(bǔ)播利于退化草地的修復(fù)以及提高草原碳匯功能[3]。

我國(guó)補(bǔ)播工作大致從60年代初開始，近些年來天然草原補(bǔ)播改良技術(shù)研究逐漸增多，通過補(bǔ)播改良來恢復(fù)退化草地已取得了顯著的成果[7-10]。草種的選擇是補(bǔ)播成功與否的關(guān)鍵，首先應(yīng)考慮生態(tài)適應(yīng)性好的草種,其次應(yīng)選擇對(duì)退化草地土壤呈中性或正反饋的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的優(yōu)質(zhì)豆科或禾本科植物[4]。另外，應(yīng)選擇抗逆性較強(qiáng)的物種,使補(bǔ)播后的植物能成功建植。補(bǔ)播物種的根系分泌物也會(huì)影響土壤微生物區(qū)系,與土壤中有益微生物形成共生體[4]，已有研究證實(shí)在以羊草為優(yōu)勢(shì)種的退化草原上補(bǔ)播黃花苜蓿(MedicagofalcataL.)，其根系分泌的化學(xué)物質(zhì)能夠增強(qiáng)植物對(duì)有害微生物的抵抗能力,同時(shí)土壤溶磷細(xì)菌含量增加促進(jìn)補(bǔ)播植物對(duì)磷素吸收，對(duì)補(bǔ)播物種在野生環(huán)境中生長(zhǎng)產(chǎn)生促進(jìn)作用[5]，因此可選擇黃花苜蓿作為退化草原的補(bǔ)播物種。

補(bǔ)播對(duì)天然草地有積極的影響，能增加草地覆蓋度、增加優(yōu)質(zhì)牧草比例，尤其是補(bǔ)播豆科牧草[6]。植物地上生物量是衡量補(bǔ)播改良效果的重要指標(biāo)之一，通過不同補(bǔ)播方式如條播、穴播、撒播可提高地上生物量[7-8]，還可明顯改善草地的群落結(jié)構(gòu)[9]。前人的研究也已經(jīng)充分表明[10]補(bǔ)播能夠增加草地物種數(shù)目即物種豐富度進(jìn)而改變?nèi)郝涞慕M成，所以補(bǔ)播改良是恢復(fù)草地生產(chǎn)力的有效方式。近年來也有研究表明補(bǔ)播改良不僅可以提高草產(chǎn)量還可以提高牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[11]。已有大量研究表明在退化天然草地補(bǔ)播營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且適應(yīng)性強(qiáng)的物種可以增加草原植被覆蓋度、提升草原生產(chǎn)力[4]。為此本試驗(yàn)在不同退化草原，選擇滿足生態(tài)適應(yīng)性的鄉(xiāng)土禾本科植物與豆科植物進(jìn)行免耕補(bǔ)播，探究補(bǔ)播后草地地上生物量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化，為提升退化草地生產(chǎn)力和牧草品質(zhì)，提高草原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然條件

試驗(yàn)在四川若爾蓋、甘肅夏河、青海祁連、陜西榆林4個(gè)試點(diǎn)開展。試驗(yàn)點(diǎn)1(32°56′ N,102°08′ E)位于四川省若爾蓋，試驗(yàn)地受鼠害影響較??；試驗(yàn)點(diǎn)2(34°32′ N,101°54′ E)位于甘肅夏河，試驗(yàn)地受鼠害影響較大；試驗(yàn)點(diǎn)3(37°25′ N,98°05′ E)位于青海祁連，試驗(yàn)地不受鼠害影響；試驗(yàn)點(diǎn)4(36°57′ N,107°28′ E)位于陜西榆林，試驗(yàn)地不受鼠害影響。4個(gè)試點(diǎn)的海拔、氣候等試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試點(diǎn)信息Table 1 Sites information

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)材料 試驗(yàn)使用的種子材料為黃花苜蓿(MedicagofalcataL.，種子發(fā)芽率為98%)，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)‘龍牧806’(種子發(fā)芽率為90%)，無芒雀麥(BromusinermisLeyss.，種子發(fā)芽率為85%)以及垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.，種子發(fā)芽率為90%)。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在進(jìn)行補(bǔ)播前,根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)指標(biāo)GB19377-2003》[12]的分級(jí)確定補(bǔ)播地草原退化的程度。選擇四川省若爾蓋縣、甘肅省夏河縣、青海祁連縣、陜西榆林市中度退化草地為研究對(duì)象，四個(gè)試驗(yàn)地均于2020年5月中旬進(jìn)行補(bǔ)播，采用補(bǔ)播機(jī)械為9BM-3.0型免耕補(bǔ)播機(jī)，條播行距為20 cm，采用“倒T”型開溝器,開溝深度5 cm，覆土深度1～2 cm，補(bǔ)播當(dāng)年休牧。試驗(yàn)采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在各個(gè)試點(diǎn)補(bǔ)播紫花苜蓿/黃花苜蓿與當(dāng)?shù)刂饕瘫究莆锓N，因此在陜西榆林補(bǔ)播草種為黃花苜蓿/紫花苜蓿與無芒雀麥，在四川省若爾蓋縣、甘肅省夏河縣、青海祁連補(bǔ)播草種為黃花苜蓿/紫花苜蓿與垂穗披堿草，處理1(CK)為未補(bǔ)播的對(duì)照試驗(yàn)地；處理2(ZW)為補(bǔ)播紫花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草以行數(shù)比為1∶1混合補(bǔ)播，播種量為15 kg·ha-1；處理3(HW)為補(bǔ)播黃花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草，以行數(shù)比為1∶1混合補(bǔ)播，播種量為15 kg·ha-1,每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。磷酸二銨(P2O5≥46 %)施用量均為75 kg·ha-1。

1.2.3野外取樣和樣品處理 補(bǔ)播草地于2020年8月下旬取樣，在每種處理的試驗(yàn)小區(qū)選6個(gè)1 m×1 m樣方，將樣方內(nèi)的植物分功能群齊地面剪取并分別裝入信封袋，地上植物樣品在75℃烘箱內(nèi)烘至恒重[13]，將地上植物分為3類不同的功能群(禾本科植物、豆科植物、其他植物)，用天平稱量草地主要功能群落的地上生物量，用于分析補(bǔ)播對(duì)不同功能群的影響。

地上部樣品于2020年10月將樣品粉碎，進(jìn)行近紅外檢測(cè)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)近紅外光譜和采集的樣品的近紅外光譜，輸入已經(jīng)建立的模型，計(jì)算混合草樣的粗蛋白、脂肪、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber,ADF)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber NDF)、灰分以及鎂、磷元素含量，分析經(jīng)補(bǔ)播處理后地上混合草樣的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，探究補(bǔ)播對(duì)牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響。最后通過比較牧草的相對(duì)飼喂價(jià)值(Relative feed value,RFV)來探究補(bǔ)播后牧草飼用價(jià)值的變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016整理統(tǒng)計(jì)各小區(qū)測(cè)定值,并用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，并用One-way ANOVA進(jìn)行方差分析。通過公式計(jì)算混合草樣的相對(duì)飼喂價(jià)值(RFV)：

RFV=DMI(%BW)×DDM(%DM)/1.29；

DMI與DDM的預(yù)測(cè)模型為：

DMI(%BW)=120/NDF(%DM)

DDM(%DM) =88.9-0.77×ADF(% DM)

其中：DMI(Dry matter intake)為粗飼料干物質(zhì)的隨意采食量，單位為%BW；DDM(Digestible dry matter)為可消化的干物質(zhì)，單位為%DM。

2 結(jié)果與分析

2.1 補(bǔ)播對(duì)草地生物量的影響

通過對(duì)四個(gè)試驗(yàn)地的補(bǔ)播草地與未補(bǔ)播草地的地上生物量進(jìn)行方差分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)播處理對(duì)天然草地主要功能群地上生物量有顯著性影響(P<0.05)。在四川若爾蓋試點(diǎn)和青海祁連試驗(yàn)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果表明，與對(duì)照相比，HW,ZW處理均會(huì)增加豆科牧草的地上生物量，且HW處理下豆科牧草生物量比ZW處理高。在甘肅夏河與陜西榆林試驗(yàn)地HW,ZW也會(huì)增加豆科和禾本科牧草的地上生物量，且ZW處理下豆科牧草生物量較高。各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)補(bǔ)播處理與對(duì)照相比，ZW,HW兩種補(bǔ)播處理也會(huì)增加草地的總地上生物量，在若爾蓋和夏河試點(diǎn)ZW處理地上總生物量與對(duì)照相比顯著增加(P<0.05)，其余兩個(gè)試點(diǎn)地上總生物量也高于對(duì)照，但差異不顯著(圖2)。

2.2 補(bǔ)播對(duì)草地植被營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響

通過對(duì)四個(gè)試驗(yàn)地的補(bǔ)播草地與未補(bǔ)播草地的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行方差分析(表2)，發(fā)現(xiàn)在補(bǔ)播處理的草地中，地上混合草樣的粗蛋白含量顯著增加(P<0.05)，在四川若爾蓋ZW處理粗蛋白含量高于其他處理(P<0.05)，而在甘肅、陜西、青海三個(gè)試點(diǎn)HW處理粗蛋白更高。除榆林外各處理混合草樣的脂肪含量無明顯變化。四個(gè)試驗(yàn)地補(bǔ)播處理后中性洗滌纖維含量(NDF)、酸性洗滌纖維含量(ADF)的變化不一致，青海祁連試驗(yàn)結(jié)果表明與未補(bǔ)播草地相比，補(bǔ)播處理后草地的混合草樣的NDF，ADF含量顯著降低(P<0.05)，與之相同在陜西榆林試驗(yàn)地經(jīng)HW處理后地上混合草樣的NDF，ADF含量也顯著降低(P<0.05)，與之相反在甘肅夏河、四川若爾蓋試驗(yàn)地?cái)?shù)據(jù)結(jié)果表明補(bǔ)播處理后地上混合草樣的NDF，ADF含量顯著增加(P<0.05)。在若爾蓋試點(diǎn)HW處理使地上混合草樣的干物質(zhì)含量顯著增加(P<0.05)，而在甘肅夏河和青海祁連試點(diǎn)ZW處理使地上混合草樣的干物質(zhì)含量顯著增加(P<0.05)，而陜西榆林試點(diǎn)兩種補(bǔ)播處理地上混合草樣干物質(zhì)含量則無明顯變化。

圖1 補(bǔ)播對(duì)退化草地不同功能群地上生物量的影響Fig.1 Effect of reseeding on aboveground biomass of different functional groups in degraded grassland注：不同字母表示不同處理間之間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letters indicate significant different among treatments at the 0.05 level,the same as below

圖2 補(bǔ)播對(duì)退化草地地上總生物量的影響Fig.2 Effect of reseeding on total aboveground biomass in degraded grassland

表2 不同處理下牧草的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)品質(zhì)Table 2 Forge quality under different treatments

HW，ZW處理后，混合牧草中鎂、磷元素的含量也發(fā)生了明顯的變化(表3)，與未補(bǔ)播樣地相比，HW，ZW處理在四個(gè)試點(diǎn)的地上部混合草樣磷元素含量均顯著增加(P<0.05)。在甘肅夏河ZW處理后植物地上部鎂元素顯著增加(P<0.05)，其他試驗(yàn)點(diǎn)在經(jīng)補(bǔ)播處理后鎂元素的含量與未補(bǔ)播草地相比無顯著變化。

對(duì)不同補(bǔ)播試點(diǎn)地上部植株的各個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：各個(gè)試點(diǎn)混合草樣的地上部干物質(zhì)含量均與粗蛋白、粗脂肪、灰分含量呈正相關(guān)關(guān)系，而與NDF，ADF含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過補(bǔ)播豆科、禾本科牧草使退化草地中營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高的牧草比例增加，干物質(zhì)含量均與粗蛋白含量呈增加趨勢(shì)，相反NDF，ADF含量減少(圖3)。

2.3 補(bǔ)播對(duì)牧草相對(duì)飼喂價(jià)值的影響

四個(gè)試驗(yàn)地在不補(bǔ)播處理下，地上混合草樣的RFV在青海祁連試驗(yàn)地最低，在甘肅夏河試驗(yàn)地最高。與未補(bǔ)播樣地相比，HW，ZW的試驗(yàn)地，地上混合草樣RFV均顯著增加(P<0.05)，且在祁連和榆林補(bǔ)播HW處理RFV更高，在若爾蓋和夏河ZW處理RFV更高(表4)。

表3 不同處理下牧草鎂和磷的含量Table 3 The content of Mg and P in forage under different treatments

圖3 各試點(diǎn)補(bǔ)播草地各個(gè)營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of various nutritional indicators of reseeding grassland in each site

表4 補(bǔ)播對(duì)牧草相對(duì)飼喂價(jià)值(RFV)的影響Table 4 The effect of reseeding on the relative feeding value (RFV) of forage

3 討論

3.1 補(bǔ)播豆科與禾本科牧草對(duì)草地地上生物量和主要功能群的影響

豆科牧草在草地生長(zhǎng)建植會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分有效性產(chǎn)生影響，如增加土壤中的氮素含量，同時(shí)已有研究表明豆科牧草的建植在促進(jìn)土壤有益微生物方面也起著重要作用[5]。補(bǔ)播的目的是增加草地優(yōu)良牧草比例并提高產(chǎn)量[14]，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出經(jīng)過補(bǔ)播處理后的草地豆科和禾本科牧草的地上生物量顯著增加(P<0.05)。已有研究也表明補(bǔ)播豆科牧草可顯著提升草地生物量[15，17]。補(bǔ)播后的豆科植物能夠在天然草地建植成功是因?yàn)檐俎＞哂邪l(fā)達(dá)的根系，在天然草地中能夠與當(dāng)?shù)卦锓N競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)所需的資源，或根系與有益微生物形成共生體來汲取土壤中的養(yǎng)分[5]。此外，補(bǔ)播豆科牧草可提高植物群落中豆科牧草比例[16]，補(bǔ)播增加了草地的新物種，這些植物適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)狀況良好，從而提高了植被蓋度和地上生物量[20]。李飛等[18]也指出補(bǔ)播改善了群落組成，大大提高了群落生產(chǎn)力。補(bǔ)播對(duì)不同類型退化草地都有比較好的恢復(fù)效果，通過對(duì)高寒草甸退化的“黑土灘”進(jìn)行補(bǔ)播改良，退化草甸植被地上生物量也顯著增加[8]。除在退化嚴(yán)重的“黑土灘”外，補(bǔ)播改良也適用于氣候惡劣的高寒地區(qū)，在高寒草地進(jìn)行免耕補(bǔ)播試驗(yàn)的結(jié)果表明退化草地植被的地上生物量顯著增加，群落組成發(fā)生了變化，提高了可食用牧草的比例[19-20]。不同苜蓿品種的補(bǔ)播效果也有所不同，已有試驗(yàn)證實(shí)在高寒地區(qū)種植苜蓿其不同品種的抗寒性有明顯差異[21]，本試驗(yàn)的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)黃花苜蓿和紫花苜蓿在不同地區(qū)的生長(zhǎng)存在差異，在若爾蓋與祁連地區(qū)黃花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)較好，而在榆林與夏河地區(qū)紫花苜蓿長(zhǎng)勢(shì)較好?？傮w而言，本研究的結(jié)果表明通過補(bǔ)播優(yōu)良牧草可提高退化草地生產(chǎn)力，增加優(yōu)質(zhì)牧草所占比例。

3.2 補(bǔ)播豆科與禾本科對(duì)草地營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)與養(yǎng)分含量的影響

為提高農(nóng)場(chǎng)種植粗飼料的蛋白質(zhì)含量，研究者在德國(guó)南部農(nóng)場(chǎng)補(bǔ)播三種豆科植物，結(jié)果表明豆科植物長(zhǎng)勢(shì)較好，可以提高干物質(zhì)產(chǎn)量，豆科植物通過固定大氣中的氮可以代替氮肥的投入，進(jìn)而在氮元素貧瘠的草地中提供氮素用于合成蛋白質(zhì)[22]。本試驗(yàn)通過分析四個(gè)試驗(yàn)地的補(bǔ)播草地與未補(bǔ)播草地地上混合草樣的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，兩種補(bǔ)播處理牧草的粗蛋白含量顯著增加，除若爾蓋試點(diǎn)外其他試驗(yàn)點(diǎn)補(bǔ)播黃花苜蓿與無芒雀麥/垂穗披堿草后地上混合草樣的粗蛋白含量更高，因?yàn)辄S花苜蓿的莖葉比高于紫花苜蓿，莖葉比越小，則其含葉量越豐富，粗蛋白含量越高[26]。粗蛋白含量是評(píng)價(jià)牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的指標(biāo)之一，其含量高表明牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較高[25]，因此對(duì)天然草地進(jìn)行補(bǔ)播處理有利于牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的提高。有研究證明混播無芒雀麥與苜蓿的粗脂肪、粗纖維、粗灰分含量均高于單播[24]，由于補(bǔ)播增加了禾草或者豆科等優(yōu)質(zhì)牧草比例，降低了雜類草的比例，因此使牧草的品質(zhì)得到改善[23]。但也有研究選擇沙蒿、羊柴、沙打旺和小葉錦雞兒對(duì)草地補(bǔ)播，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)播處理區(qū)的植物營(yíng)養(yǎng)成分含量較低[27]，因此在補(bǔ)播改良過程中品種的選擇至關(guān)重要。補(bǔ)播豆科和禾本科植物能夠提高牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，主要得益于豆科牧草含有豐富的蛋白以及較少的纖維。影響牧草營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的最主要因素是牧草中的粗蛋白和粗纖維含量[28]，牧草的粗蛋白質(zhì)含量高，粗纖維含量低表明牧草的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越高。

在本試驗(yàn)中補(bǔ)播豆科與禾本科處理在四個(gè)試點(diǎn)的地上部混合草樣磷元素含量均顯著增加。已有研究表明補(bǔ)播紫花苜蓿處理的土壤磷濃度最低，這說明了豆科植物消耗更多的磷[29]，同時(shí)叢枝菌根真菌(AMF)可以與豆科植物形成互利共生體，根外菌絲擴(kuò)大植物吸收養(yǎng)分的面積，進(jìn)一步促進(jìn)磷等養(yǎng)分的獲取。即豆科植物從土壤中吸收無機(jī)磷元素運(yùn)輸?shù)街参锏厣喜?，進(jìn)而增加地上部磷的含量[5]。從本試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出補(bǔ)播草地中混合草樣中磷含量有所增加，有益于植物對(duì)磷等微量元素的吸收。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析得出兩種補(bǔ)播處理(即HW，ZW處理)后牧草的RFV均高于未補(bǔ)播的草地。RFV同時(shí)考慮牧草的NDF和ADF 2個(gè)指標(biāo)，能夠全面對(duì)飼草的干物質(zhì)采食量和消化率進(jìn)行評(píng)價(jià)[31]。已有研究將4種苜蓿、禾本科間作牧草的混合樣品進(jìn)行了反芻家畜的飼喂效果試驗(yàn)和模擬消化試驗(yàn)，從青貯營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)來說豆科和禾本科間作最適宜用于青貯[30]。但對(duì)苜蓿和禾本科混合補(bǔ)播后地上植被的RFV研究較少。通過本試驗(yàn)可以看出補(bǔ)播豆科、禾本科牧草提高了草地植被的RFV。

4 結(jié)論

在退化的天然草地上補(bǔ)播豆科與禾本科牧草使天然草地豆科優(yōu)良牧草在草地中的比重增加，從而改善了退化草地的群落結(jié)構(gòu)。同時(shí)經(jīng)過補(bǔ)播處理后牧草的粗蛋白含量也顯著提升，牧草的相對(duì)飼喂價(jià)值與未補(bǔ)播地相比也顯著提高，因此補(bǔ)播改良對(duì)恢復(fù)退化草地生產(chǎn)力以及提高牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有重要作用。