黃土高原放牧型豆禾混播草地系統(tǒng)生產(chǎn)力

張 浩，劉 楠，王占軍，杜建民，王利鋒，秘一先，俞鴻千,，徐恒康，張英俊

（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. 寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所,寧夏 銀川 750002；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院, 江蘇 南京 210095）

在我國(guó)天然草原嚴(yán)重退化以及居民對(duì)牛羊肉、奶等食草動(dòng)物產(chǎn)品需求不斷增加的背景下，優(yōu)質(zhì)飼草料資源對(duì)保障草食畜產(chǎn)品供給起到越來(lái)越重要的作用[1]。有研究表明，建植優(yōu)質(zhì)高效的栽培草地可使飼草產(chǎn)量較天然草原提高10 倍[2-3]，是緩解優(yōu)質(zhì)飼草料短缺的重要途徑。因此，因地制宜地發(fā)展優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培草地、提高優(yōu)質(zhì)飼草的供給能力，對(duì)緩解天然草原退化、促進(jìn)草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保障國(guó)家食品安全具有重要意義[4-5]。與單播草地相比，豆禾混播草地單位面積產(chǎn)量高且穩(wěn)定、營(yíng)養(yǎng)成分更為均衡，因而越來(lái)越受到人們的重視[6]，逐漸成為許多地區(qū)栽培草地建立的首選類型[7]。在草地畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，如歐盟、新西蘭、澳大利亞、加拿大等，多通過(guò)建立豆禾混播草地并采取控制放牧技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、高效益且環(huán)境友好的草地利用和畜產(chǎn)品生產(chǎn)[8]。在栽培草地放牧的羔羊和肉牛日增重可分別達(dá)到200 g 和1.4 kg 以上，表現(xiàn)出較高的生產(chǎn)力[9]。近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于豆禾混播草地的研究主要集中于豆科-禾本科草種配置、混播比例與播種方式、刈割時(shí)間和強(qiáng)度、施肥及豆科牧草生物固氮和混播牧草種間關(guān)系等因素對(duì)草地生產(chǎn)力、牧草品質(zhì)及利用年限等指標(biāo)的影響[10]，而對(duì)豆禾混播草地放牧利用的報(bào)道較少，對(duì)放牧型豆禾混播草地系統(tǒng)生產(chǎn)力的研究有待深入。

黃土高原位于黃河中游，總面積約64 萬(wàn)km2，是世界上面積最大的黃土堆積區(qū)；該區(qū)域干旱少雨、植被稀疏、溝壑縱橫、土壤侵蝕嚴(yán)重，是世界上水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[11]。近年來(lái)，隨著國(guó)家退耕還林還草政策的實(shí)施，黃土高原土地利用方式發(fā)生了大規(guī)模轉(zhuǎn)變，人工恢復(fù)植被已成為該區(qū)域主要植被類型之一[12]。然而，在退耕地上單一種植的速生喬木[如刺槐(Robinia pseudoacacia)、榆樹(Ulmus pumila)等]和多年生牧草[如紫花苜蓿(Medicago sativa)和沙打旺(Astragalus laxmannii)]，由于其生產(chǎn)力高、種植密度大、需水量大、根系入土深等特點(diǎn)，引起退耕地土壤深層水分被過(guò)度消耗，造成了嚴(yán)重的土壤干燥化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致人工植被衰退[13-14]。在該區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn)，與單播草地相比，豆禾混播草地的水分利用效率高，可一定程度上減少土壤無(wú)效蒸發(fā)[15-16]，且豆禾混播系統(tǒng)中具有淺根系的禾本科牧草可一定程度上減少植物對(duì)土壤深層水分的過(guò)度利用，是緩解該區(qū)域土壤干燥化的一種潛在措施，對(duì)維持人工群落穩(wěn)定性有重要意義[17]。從栽培草地生產(chǎn)效益角度而言，黃土高原梯田面積占總耕地面積的60%左右[11]，在坡度較大的山區(qū)梯田上，由于山高溝深、地形復(fù)雜、交通不便、土地不能集中連片，大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)難以進(jìn)行，嚴(yán)重阻礙了栽培草地規(guī)模化、機(jī)械化發(fā)展。放牧家畜作為一種高效的“生物割草機(jī)”和“生物轉(zhuǎn)化器”，可以直接將采食到的牧草轉(zhuǎn)化成綠色、優(yōu)質(zhì)的畜產(chǎn)品，是實(shí)現(xiàn)草畜系統(tǒng)高效轉(zhuǎn)化的重要方式。研究表明，黃土高原豆禾混播草地在放牧利用條件下的牧草產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)均顯著高于刈割利用[15,18]，西北地區(qū)冷季型禾草混播草地放牧利用的總成本僅為紫花苜蓿割草地總成本的32%[19]。因此，在難以大規(guī)模機(jī)械作業(yè)的梯田上建植多年生豆禾混播草地進(jìn)行放牧利用，可大量減少勞動(dòng)力、降低成本，提高草地轉(zhuǎn)化效率，是一種潛在的高效生產(chǎn)模式。此外，坡向是影響山地種植的重要的地形因子之一，可通過(guò)改變光照、溫度、水分、風(fēng)和土壤性質(zhì)等環(huán)境因子對(duì)草地植被狀況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響草地的管理與利用[20]。目前，該區(qū)域?qū)ζ孪虻难芯慷嗉杏谔烊徊菰蛲烁赝寥览砘再|(zhì)及植被群落結(jié)構(gòu)在坡向間的變化[12,21-22]，但坡向?qū)Χ购袒觳ゲ莸刂脖粻顩r的影響尚未見報(bào)道。坡向可能通過(guò)改變混播草地植被組成、牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及牧草產(chǎn)量等植被狀況進(jìn)而對(duì)草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)生影響，開展坡向?qū)Χ购袒觳ゲ莸刂脖粻顩r及草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力的研究對(duì)優(yōu)化山區(qū)放牧草地的適應(yīng)性管理與利用具有重要意義。

放牧家畜的生產(chǎn)很大程度上依賴于家畜能否采食到足夠的營(yíng)養(yǎng)以供其生長(zhǎng)和繁殖，受到放牧草地牧草產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的直接影響[23-24]?？紤]到牧草產(chǎn)量、生態(tài)適應(yīng)性及與紫花苜蓿的種間互助和相容性等因素[25-27]，本研究選擇3 種多年生禾草，即鴨茅(Dactylis glomerata)、高羊茅(Festuca arundinacea)和無(wú)芒雀麥(Bromus inermis)，分別與紫花苜蓿建植混播草地。在建植第2 年開展肉牛輪牧試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)以上3 個(gè)混播組合在陽(yáng)坡和陰坡的牧草產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及家畜生產(chǎn)性能，探究不同混播組合在陽(yáng)坡和陰坡的草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力，并篩選出最優(yōu)的混播組合，為該區(qū)域放牧型豆禾混播草地的推廣與利用提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在位于黃土高原西北部的寧夏南部山區(qū)的涇源縣六盤山鎮(zhèn)蒿店村軍盛草畜專業(yè)合作社開展。該社地處106°14′21″ E, 35°36′33″ N)，海拔2 186～2 435 m。該地屬六盤山東麓黃土丘陵溝壑區(qū)，為中溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)，多年平均氣溫5.7 ℃，全年日照時(shí)數(shù)2 236 h，≥10 ℃有效積溫2 100 ℃·d，多年平均蒸發(fā)量810 mm，多年平均降水量641.5 mm，無(wú)霜期132 d，呈現(xiàn)出“春寒、夏涼、秋短、冬長(zhǎng)”的特點(diǎn)。試驗(yàn)地土壤類型為灰褐土，土質(zhì)疏松，有機(jī)質(zhì)含量2.4%、速效氮23.2 mg·kg-1，速效磷12.8 mg·kg-1、pH 7.1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素為坡向，包含陽(yáng)坡和陰坡兩個(gè)水平。混播草地于2018 年5 月建植，分別為紫花苜蓿 + 鴨茅(組合1)、紫花苜蓿 +高羊茅(組合2)和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥(組合3)。各組合在陽(yáng)坡的面積分別為2.9、2.0 和1.6 hm2，分別包含12、7 和6 塊梯田；在陰坡的面積分別為2.1、5.8 和6.4 hm2，分別包含14、31 和18 塊梯田，試驗(yàn)樣地分布如圖1 所示。各混播組合豆禾播種比例均為3 ∶ 7，使用一年生黑麥草(Lolium multiflorum)作為保護(hù)草種，紫花苜蓿、禾草(鴨茅或高羊茅或無(wú)芒雀麥)和一年生黑麥草種子充分混勻后同行條播，播深2 cm，行距15 cm，紫花苜蓿播種量6.8 kg·hm-2、鴨茅26.3 kg·hm-2、高羊茅31.5 kg·hm-2、無(wú)芒雀麥31.5 kg·hm-2、一年生黑麥草3.0 kg·hm-2。建植當(dāng)年8 月底進(jìn)行平茬抑制雜草。

圖1 試驗(yàn)樣地示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental field

混播草地建植后第2 年(2019 年) 6 月-11 月開展放牧試驗(yàn)，選用體重為450 kg 左右的妊娠初期或空懷期安格斯母牛若干，放牧季為6 月1 日至11 月10 日，其 中6 月1 日 至8 月20 日 為 第1 個(gè) 輪牧周期，8 月20 日至11 月10 日為第2 個(gè)輪牧周期。在每個(gè)輪牧周期，將放牧牛分成3 群，分別在同一坡向的3 個(gè)混播組合中放牧；根據(jù)放牧前牧草現(xiàn)存量確定放牧牛數(shù)量，先放牧陽(yáng)坡再放牧陰坡，放牧過(guò)程中監(jiān)測(cè)牧草現(xiàn)存量，當(dāng)陽(yáng)坡同一混播組合所有梯田中的牧草現(xiàn)存量低于800 kg·hm-2時(shí)，將放牧牛移至陰坡放牧；每個(gè)輪牧周期放牧牛的數(shù)量、放牧天數(shù)及放牧率如表1 所列。牛圈位于陽(yáng)坡，在第1 個(gè)輪牧周期每天中午和下午各歸牧1 次，在第2 個(gè)輪牧周期每天下午歸牧1 次，放牧牛不補(bǔ)飼，供應(yīng)足量的飲水、食鹽和舔磚(補(bǔ)充礦物質(zhì))。

由于各組合混播草地中紫花苜蓿在植被中的干重比例在60%以上，放牧開始前10 d 對(duì)試驗(yàn)牛開展適應(yīng)性訓(xùn)練，以降低放牧牛瘤胃臌脹風(fēng)險(xiǎn)。第1 至5 天，試驗(yàn)牛舍飼，每天先飼喂牛場(chǎng)的基礎(chǔ)日糧(干草 + 精料)，之后飼喂從混播草地中刈割的新鮮牧草，并逐天減少基礎(chǔ)日糧飼喂量、增加新鮮牧草飼喂量，在第5 天完全飼喂新鮮牧草。第6 至10 天，試驗(yàn)用牛每天先在牛舍飼喂新鮮牧草，之后趕至混播草地放牧，并逐漸減少舍飼新鮮牧草的飼喂量、增加放牧?xí)r間，在第10 天開始全天放牧。

1.3 取樣及樣品分析

采用扣籠法測(cè)定牧草生長(zhǎng)量，2019 年6 月1 日放牧前，在同一混播組合的陽(yáng)坡和陰坡分別選取6 塊梯田作為重復(fù)，在每塊所選梯田的中央放置1 個(gè)1 m × 1 m 的鐵制圍籠。自2019 年6 月1 日起每 隔40 d (即7 月10 日、8 月20 日、9 月30 日 和11 月10 日)齊地面刈割籠內(nèi)和相鄰籠外1 m × 1 m樣方中的綠色植物。籠外樣品收獲時(shí)，分別收獲紫花苜蓿、禾草和雜草3 個(gè)組分，籠內(nèi)樣品收獲時(shí)不分種。收獲后將樣品放入65 ℃烘箱中烘72 h 至恒重，分別記錄每個(gè)樣方各組分的干重和整個(gè)樣方的干重(總干重)，總干重即為籠內(nèi)或籠外現(xiàn)存量。每次籠內(nèi)取樣完畢后，將扣籠移到周圍沒有取過(guò)樣方的草地上，待40 d 后測(cè)定下一次的籠內(nèi)現(xiàn)存量。

使用籠外同一樣方中每個(gè)組分的干重除以該樣方的總干重即為每個(gè)組分在植被中的干重比例(以下簡(jiǎn)稱“某組分的干重比例”)。每個(gè)階段牧草生長(zhǎng)量等于該階段結(jié)束時(shí)的籠內(nèi)牧草現(xiàn)存量減去該階段開始時(shí)的籠外牧草現(xiàn)存量，每個(gè)階段牧草生長(zhǎng)量除以測(cè)定籠外、籠內(nèi)現(xiàn)存量的時(shí)間間隔(40 d)即為牧草生長(zhǎng)速率。此外，該地區(qū)牧草于3 月20 日開始生長(zhǎng)，放牧前(3 月20 日至6 月1 日)的牧草生長(zhǎng)速率為6 月1 日的籠外牧草現(xiàn)存量除以70 d。全年牧草產(chǎn)量為6 月1 日籠外牧草現(xiàn)存量與每個(gè)階段牧草生長(zhǎng)量之和。

將籠外同一樣方內(nèi)所收獲的紫花苜蓿、禾草和雜草混合(同一取樣時(shí)間，每個(gè)混播組合在各坡向分別包含6 個(gè)樣品，整個(gè)放牧季共180 個(gè)樣品)，樣品粉碎后過(guò)1 mm 篩，送至藍(lán)德雷飼草飼料品質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，使用近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)可提供牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，使用檢測(cè)結(jié)果中的增重凈能(net energy for growth, NEg)、粗 蛋白(crude protein, CP)、中性洗滌纖維(neutral detergent fibre, NDF)和酸性洗滌纖維(acid detergent fibre, ADF)這4 個(gè)指標(biāo)表示可提供牧草的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。為了明確兩個(gè)輪牧周期之間可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的變化，將同一梯田在第1 個(gè)輪牧周期中3 次取樣時(shí)間(分別為6 月1 日、7 月10 日和8 月20 日)可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分別取平均值，以代表第1 個(gè)輪牧周期可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，使用同樣的方法將第2 個(gè)輪牧周期中3 次取樣時(shí)間(分別為8 月20 日、9 月30 日和11 月10 日)可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)分別取平均值，以代表第2 個(gè)輪牧周期可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

同一混播組合中，在每個(gè)坡向開始放牧當(dāng)天的清晨測(cè)定每頭放牧牛的空腹重(放牧牛頭數(shù)如表1所列)，作為該輪牧周期的始重；在該坡向結(jié)束放牧次日的清晨測(cè)定每頭牛的空腹重，作為末重。通過(guò)始重和末重計(jì)算每個(gè)坡向各混播組合的家畜單位個(gè)體增重和家畜單位公頃增重[28](以下分別簡(jiǎn)稱“單位個(gè)體增重和單位公頃增重”)，同一坡向每個(gè)混播組合在整個(gè)放牧季的單位公頃增重為兩個(gè)輪牧周期單位公頃增重之和。

表1 放牧家畜在3 種豆禾混播草地陽(yáng)坡和陰坡的放牧?xí)r間、放牧家畜數(shù)量及放牧率Table 1 Grazing time, number of grazing cattle, and stocking rate of three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

本研究在每個(gè)坡向建植3 種豆禾混播草地，但由于地形及建植成本等因素的限制，同一坡向每種豆禾混播草地聚集在一起，沒有嚴(yán)格意義上的空間重復(fù)。因此，采用ANOVA 檢驗(yàn)每種混播組合中坡向、取樣時(shí)間(或輪牧周期)及它們的交互作用對(duì)草地各組分(紫花苜蓿、禾草和雜草)的干重比例和可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)(NEg、CP、NDF 和ADF)的影響；其中，坡向?yàn)楣潭ㄐ?yīng)，取樣時(shí)間(或輪牧周期)為重復(fù)測(cè)定變量；處理間的差異用Duncan 檢驗(yàn)進(jìn)行比較。采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析同一階段和混播組合中牧草生長(zhǎng)速率在坡向間的差異。采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)分析同一混播組合牧草產(chǎn)量在坡向間的差異及同一坡向牧草產(chǎn)量在任意兩個(gè)混播組合間的差異。以上分析將同一坡向和混播組合中各梯田獲取的數(shù)據(jù)作為重復(fù)。采用重復(fù)測(cè)定方差分析檢驗(yàn)坡向、混播組合和輪牧周期及它們的交互作用對(duì)單位個(gè)體增重的影響；其中，坡向和混播組合為固定效應(yīng)，輪牧周期為重復(fù)測(cè)定變量；處理間的差異用Duncan 檢驗(yàn)進(jìn)行比較；此分析中將每頭放牧牛作為重復(fù)。以上所有數(shù)據(jù)在分析前確保其滿足正態(tài)分布，否則進(jìn)行l(wèi)og 轉(zhuǎn)化后進(jìn)行分析。利用回歸分析研究牧草產(chǎn)量與放牧率之間的關(guān)系以及陽(yáng)坡每個(gè)輪牧周期的放牧率與該輪牧周期單位公頃增重之間的關(guān)系。以上所有分析均使用SPSS 18.0 完成，使用Sigmaplot 12.5 和Excel 2010 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 牧草在植被中的干重比例

在紫花苜蓿 + 鴨茅組合中，各組分牧草的干重比例在坡向間均差異不顯著(P＞ 0.05) (表2)，紫花苜蓿、鴨茅和雜草在所有取樣時(shí)間各坡向的干重比例平均值分別為49.9%、44.4%和5.8% (圖2)；在紫花苜蓿 + 高羊茅和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合中，紫花苜蓿在陽(yáng)坡的干重比例(分別為63.7%和68.4%)均顯著(P＜ 0.05)高于陰坡(分別為51.7%和42.2%)，高羊茅和無(wú)芒雀麥在陽(yáng)坡的干重比例(分別為29.3%和29.7%)均顯著低于陰坡(分別為39.0%和44.5%)；在紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥混播組合中，雜草在陽(yáng)坡的干重比例(9.4%)顯著低于陰坡(13.3%)。在每個(gè)混播組合中，各組分牧草的干重比例在取樣時(shí)間之間均差異顯著，從6 月1 日至11 月10 日，紫花苜蓿的干重比例逐漸下降，鴨茅、高羊茅和無(wú)芒雀麥的干重比例均逐漸升高；在紫花苜蓿 + 鴨茅組合中，雜草的干重比例先升高后降低，在8 月20 日最高；在紫花苜蓿 + 高羊茅組合中，陽(yáng)坡11 月10 日雜草的干重比例顯著低于7 月10 日和8 月20 日，陰坡11 月10 日雜草的干重比例顯著低于其他取樣時(shí)間；在紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥混播組合中，陽(yáng)坡雜草的干重比例在6 月1 日和7 月10 日最高，而陰坡雜草的干重比例在9 月30 日最高。9 月30 日陰坡紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合雜草的干重比例為24.7%，其余情況下，雜草的干重比例均低于20%。

表2 3 種豆禾混播草地中紫花苜蓿、禾草和雜草的干重比例在不同坡向及取樣時(shí)間的方差分析Table 2 Analysis of variance of dry weight proportion of Medicago sativa, grass, and weed in three legume-grass mixtures in relation to slope aspect and sample time

圖2 陽(yáng)坡和陰坡3 種豆禾混播草地紫花苜蓿、禾草和雜草在植被中的干重比例變化Figure 2 Dynamics of dry weight proportion of M. Sativa, grass, and weed in three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

2.2 豆禾混播草地可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)

紫花苜蓿 + 鴨茅和紫花苜蓿 + 高羊茅組合中，在所有輪牧周期陽(yáng)坡可提供牧草的CP 含量均顯著(P＜ 0.05)高于陰坡；紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合中，在所有輪牧周期陽(yáng)坡可提供牧草的NEg 顯著(P＜0.05)低于陰坡，而在所有輪牧周期陽(yáng)坡可提供牧草的ADF 含量顯著(P＜ 0.05)高于陰坡(表3)。在每個(gè)混播組合中，可提供牧草的各項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)均在輪牧周期間差異顯著(P＜ 0.05)，表現(xiàn)為第1 個(gè)輪牧周期可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)于第2 個(gè)輪牧周期。在第1 個(gè)輪牧周期中，紫花苜蓿 + 鴨茅組合可提供牧草NEg 為2.7 MJ·kg-1，可提供牧草CP 含量介于14.8%～17.6%；紫花苜蓿 + 高羊茅組合可提供牧草NEg 和CP 含量分別介于2.7～2.8 MJ·kg-1和14.8%～17.3%，紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合可提供牧草NEg和CP 含量分別在2.8～3.0 MJ·kg-1和16.4%～17.5%；在第2 個(gè)輪牧周期中，紫花苜蓿 + 鴨茅組合可提供牧草NEg 和CP 含量分別在2.2～2.6 MJ·kg-1和13.9%～16.2%，紫花苜蓿 + 高羊茅組合可提供牧草NEg 和CP 含量分別介于1.6～2.0 MJ·kg-1和12.7%～13.5%，紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合可提供牧草NEg 和CP 含量分別在1.8～2.1 MJ·kg-1和14.6%～14.9%。

表3 3 種豆禾混播草地在陽(yáng)坡和陰坡的可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)Table 3 Forage quality of three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

2.3 豆禾混播草地牧草生長(zhǎng)速率及牧草產(chǎn)量

在3 月20 日至6 月1 日，每個(gè)混播組合在陽(yáng)坡的牧草生長(zhǎng)速率均顯著(P＜ 0.01)高于陰坡；在6 月1 日至7 月10 日，紫花苜蓿 + 鴨茅和紫花苜蓿 +無(wú)芒雀麥組合在陰坡的牧草生長(zhǎng)速率均顯著(P＜0.05)高于陽(yáng)坡；在8 月20 日至9 月30 日，紫花苜蓿 + 鴨茅和紫花苜蓿 + 高羊茅組合在陽(yáng)坡的牧草生長(zhǎng)速率均顯著(P＜ 0.05)高于陰坡；在9 月30 日至11 月10 日，紫花苜蓿 + 鴨茅在陽(yáng)坡的牧草生長(zhǎng)速率顯著(P＜ 0.05)高于陰坡(圖3)。無(wú)論在陽(yáng)坡還是陰坡，紫花苜蓿 + 鴨茅組合牧草產(chǎn)量(分別為21.6 和15.4 t·hm-2)均顯著(P＜ 0.05)高于紫花苜蓿 +高羊茅(分別為15.8 和11.3 t·hm-2)和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合(分別為17.1 和11.0 t·hm-2)，且紫花苜蓿 + 高羊茅組合牧草產(chǎn)量與紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合均差異不顯著(P＞ 0.05) (圖4)。紫花苜蓿 + 鴨茅和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合在陽(yáng)坡的牧草產(chǎn)量均顯著(P＜ 0.05)高于陰坡，且紫花苜蓿 + 高羊茅組合在陽(yáng)坡的牧草產(chǎn)量有顯著高于陰坡的趨勢(shì)(P= 0.071)。

圖3 3 種豆禾混播草地在陽(yáng)坡和陰坡的牧草生長(zhǎng)速率Figure 3 Pasture growth rate of three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

圖4 3 種豆禾混播草地在陽(yáng)坡和陰坡的牧草產(chǎn)量Figure 4 Pasture production of three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

2.4 豆禾混播草地家畜生產(chǎn)性能

方差分析結(jié)果表明，單位個(gè)體增重在混播組合間差異不顯著(P＞ 0.05)，陽(yáng)坡單位個(gè)體增重顯著(P＜0.05)高于陰坡，第2 個(gè)輪牧周期單位個(gè)體增重顯著(P＜ 0.05)高于第1 個(gè)輪牧周期(表4)。坡向與輪牧周期的交互作用對(duì)單位個(gè)體增重影響顯著(P＜0.01)；在陽(yáng)坡，每個(gè)混播組合單位個(gè)體增重在輪牧周期間均差異不顯著(P＞ 0.05)；在陰坡，每個(gè)混播組合在第1 個(gè)輪牧周期的單位個(gè)體增重均顯著(P＜0.05)低于第2 個(gè)輪牧周期，且每個(gè)混播組合在第1 個(gè)輪牧周期的單位個(gè)體增重均小于0。輪牧周期、坡向與混播組合三者的交互作用對(duì)單位個(gè)體增重沒有顯著(P＞ 0.05)影響；在同一輪牧周期和坡向，單位個(gè)體增重在混播組合間均無(wú)顯著差異(P＞0.05)；在同一輪牧周期和混播組合，陽(yáng)坡的單位個(gè)體增重顯著(P＜ 0.05)或從數(shù)量上高于陰坡。在第1 個(gè)輪牧周期，各混播組合在陽(yáng)坡的單位公頃增重在215.7～289.4 kg·hm-2，在陰坡的單位公頃增重在-42.1～-18.1 kg·hm-2；在第2 個(gè)輪牧周期，各混播組合在陽(yáng)坡的單位公頃增重在148.8～303.2 kg·hm-2，在陰坡的單位公頃增重在26.4～51.0 kg·hm-2；在整個(gè)放牧季，紫花苜蓿 + 鴨茅、紫花苜蓿 + 高羊茅和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥在陽(yáng)坡的單位公頃增重分別為518.9、465.6 和438.2 kg·hm-2，以上3 種混播組合在陰坡的單位面積增重分別為27.3、1.3 和8.9 kg·hm-2。

表4 3 種豆禾混播草地在陽(yáng)坡和陰坡的單位個(gè)體增重和單位公頃增重Table 4 Live weight gain (LWG) per cattle and LWG per hectare of three legume-grass mixtures on sunny and shady slope

放牧季放牧率隨牧草產(chǎn)量增加而增加，兩者顯著線性相關(guān)(R2= 0.90，P＜ 0.01) (圖5a)。在陽(yáng)坡，每個(gè)輪牧周期的單位公頃增重隨該輪牧周期放牧率的增加而增加，兩者顯著線性相關(guān)(R2= 0.75，P＜0.05) (圖5b)；而在陰坡，以上線性關(guān)系不存在。

圖5 牧草產(chǎn)量與放牧季的放牧率關(guān)系(a)以及陽(yáng)坡每個(gè)輪牧周期放牧率與相應(yīng)單位面積增重的關(guān)系(b)Figure 5 Relationship between pasture production and stocking rate during grazing season (a) and the relationship between stocking rate in each rotation cycle and the corresponding live weight gain per hectare on sunny slope (b)

3 討論與結(jié)論

本研究中，單位個(gè)體增重在處理間沒有顯著差異，但陽(yáng)坡單位個(gè)體增重顯著高于陰坡(表4)。根據(jù)《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 肉牛飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)》[29]的規(guī)定，1 頭體重450 kg、日增重1.2 kg (飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的最高日增重)的生長(zhǎng)母牛每天需要的干物質(zhì)為9.90 kg、增重凈能為21.18 MJ、粗蛋白為967 g，這要求每千克牧草的增重凈能達(dá)到2.14 MJ，粗蛋白含量達(dá)到9.77%，才能滿足生長(zhǎng)母牛每天1.2 kg 增重的生產(chǎn)需要。在第1 個(gè)輪牧周期，各混播組合在陽(yáng)坡可提供牧草的營(yíng)養(yǎng)含量均高于以上標(biāo)準(zhǔn)(表3)，同時(shí)，牧草現(xiàn)存量保持在800 kg·hm-2以上，可保證放牧牛有足夠的采食量[30]；相應(yīng)地，陽(yáng)坡各混播組合的單位個(gè)體增重均高于1.2 kg·d-1，且混播組合間沒有顯著差異。受牧草生育期、生長(zhǎng)速率(或再生速率)和植被組分變化等因素影響[25,31-32]，陽(yáng)坡第2 個(gè)輪牧周期可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較第1 個(gè)輪牧周期明顯下降，且紫花苜蓿 + 高羊茅和紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合每千克可提供牧草NEg (分別為2.0 和1.8 MJ)低于飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)(2.14 MJ)。然而，第2 個(gè)輪牧周期陽(yáng)坡各混播組合的單位個(gè)體增重也高于1.2 kg·d-1，且與第1 個(gè)輪牧周期沒有顯著差異；這表明牛的選擇性采食可使其實(shí)際采食到牧草的營(yíng)養(yǎng)含量高于可提供牧草的營(yíng)養(yǎng)含量[23]，也意味著3 種混播草地所提供的牧草可持續(xù)滿足整個(gè)放牧季家畜日增重1.2 kg以上的營(yíng)養(yǎng)需要，維持其較高的生產(chǎn)性能。然而，本研究發(fā)現(xiàn)陰坡單位個(gè)體增重明顯低于陽(yáng)坡，陰坡各混播組合的放牧牛甚至在第1 個(gè)輪牧周期發(fā)生掉膘現(xiàn)象，在第2 個(gè)輪牧周期單位個(gè)體增重僅維持在0.4～0.8 kg·d-1。在陰坡放牧的牛因出牧和歸牧行走的距離較陽(yáng)坡多2 km 以上，且該路程中多為45°的山坡。同時(shí)，研究表明，牛因水平和垂直移動(dòng)而額外增加的能量損失分別為2.6 和28 J·(kg·m)-1[33]，因此，在陰坡放牧的牛因出牧和歸牧所額外增加的能量損失可能是導(dǎo)致該坡向單位個(gè)體增重明顯低于陽(yáng)坡的主要原因[34]。此外，在第2 個(gè)輪牧周期，在陰坡放牧的牛每日歸牧1 次，在第1 個(gè)輪牧周期每日歸牧2 次，陰坡在第2 個(gè)輪牧周期的單位個(gè)體增重顯著高于第1 個(gè)輪牧周期，這也支持了以上觀點(diǎn)。此外，牛因垂直移動(dòng)而額外增加的能量損失是水平移動(dòng)的10 倍以上，說(shuō)明牛在山區(qū)放牧所產(chǎn)生的垂直方向上的位置變化需要格外重視。因此，在放牧場(chǎng)附近搭建簡(jiǎn)易圈舍、設(shè)置飲水設(shè)施，以減少家畜因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量消耗，是提高山區(qū)放牧家畜生產(chǎn)性能的重要措施。

對(duì)于混播組合而言，無(wú)論在陽(yáng)坡還是陰坡，紫花苜蓿 + 鴨茅組合的牧草產(chǎn)量均顯著高于其余兩個(gè)組合(圖4)，這可能與鴨茅較高的產(chǎn)量和較強(qiáng)的再生能力有關(guān)[35-36]，這也說(shuō)明在豆禾混播草地放牧利用情況下，鴨茅表現(xiàn)出了較無(wú)芒雀麥和高羊茅更好的生態(tài)適應(yīng)性以及與紫花苜蓿更好的種間互助和相容性，該發(fā)現(xiàn)與魏雨其[25]的結(jié)果相似。家畜的單位公頃增重是衡量草畜系統(tǒng)生產(chǎn)性能的重要指標(biāo)，由放牧率和單位個(gè)體增重決定[37]。本研究統(tǒng)一采用800 kg·hm-2作為牧后剩余量的閾值，因此，家畜在放牧季的放牧率取決于可食飼草量和牧草產(chǎn)量[30]，并隨牧草產(chǎn)量的增加而增加(圖5)。在陽(yáng)坡，單位個(gè)體增重在處理間、輪牧周期間均差異不顯著，每個(gè)輪牧周期的單位公頃增重隨該輪牧周期放牧率的增加而增加，因此，家畜在陽(yáng)坡的單位公頃增重主要受放牧率影響，并最終取決于牧草產(chǎn)量。3 個(gè)混播組合中，陽(yáng)坡紫花苜蓿 + 鴨茅組合牧草產(chǎn)量顯著高于其余兩個(gè)混播組合，相應(yīng)地，其單位公頃增重較其余兩個(gè)混播組合提高11.4%～18.4%。對(duì)于陰坡而言，在不考慮單位個(gè)體增重的情況下，牧草產(chǎn)量依然可以通過(guò)放牧率影響單位公頃增重。由此看來(lái)，無(wú)論是陰坡還是陽(yáng)坡，紫花苜蓿 + 鴨茅組合牧草產(chǎn)量最高，是實(shí)現(xiàn)該草畜系統(tǒng)最優(yōu)生產(chǎn)性能的混播組合。

坡向是重要的地形因子之一，一般而言，黃土高原區(qū)陽(yáng)坡的太陽(yáng)輻射總量、土壤溫度、近地表氣溫、蒸發(fā)量等高于陰坡，而陰坡的土壤含水量及養(yǎng)分含量(如土壤有機(jī)碳、全氮、全磷)高于陽(yáng)坡[12,22]，同一區(qū)域不同坡向的微氣候和土壤狀況存在差異[38]，這是引起草地植被狀況(如植被組分、牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及牧草產(chǎn)量)在坡向間產(chǎn)生差異的原因之一。本研究發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿與鴨茅的干重比例在坡向間差異不顯著，但其余兩個(gè)混播組合中，紫花苜蓿在陽(yáng)坡的干重比例顯著高于陰坡(表2 和圖2)；此外，紫花苜蓿 + 鴨茅和紫花苜蓿 + 高羊茅組合在陽(yáng)坡的可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)(CP 含量)高于陰坡，但紫花苜蓿 + 無(wú)芒雀麥組合在陽(yáng)坡的可提供牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)(NEg 和ADF)低于陰坡(表3)；這表明，放牧條件下，3 種混播組合的種間競(jìng)爭(zhēng)和牧草營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)對(duì)坡向的響應(yīng)不同，這可能與禾草自身生物學(xué)特性以及在不同坡向的生態(tài)適應(yīng)性有關(guān)，該現(xiàn)象待于深入研究。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)陽(yáng)坡牧草生長(zhǎng)高峰期早于陰坡(圖3)，可以利用這一特點(diǎn)在不同坡向間分季節(jié)、劃區(qū)放牧，比如在高產(chǎn)栽培草地上，家畜可在陽(yáng)坡和陰坡輪牧，先放牧陽(yáng)坡后放牧陰坡，以此循環(huán)，或者在粗放經(jīng)營(yíng)的天然草原上，可采取季節(jié)性放牧方式，春秋季在陽(yáng)坡放牧，夏季在陰坡放牧，以充分合理地利用好有限的草地資源[21]。此外，在我國(guó)草甸草原、典型草原和高寒草甸(年均降水量在400 mm或者更低)的研究中發(fā)現(xiàn)，陰坡的草地生產(chǎn)力或地上生物量多數(shù)情況下高于陽(yáng)坡[39-41]，而本研究卻發(fā)現(xiàn)同一混播組合在陽(yáng)坡的牧草產(chǎn)量均高于陰坡，這可能與該地區(qū)的年平均降水量(600 mm)和植被類型與以上研究不同所致。就草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力而言，通過(guò)減少家畜因出牧和歸牧的能量消耗，陰坡單位個(gè)體增重可能達(dá)到與陽(yáng)坡相似的水平，但各混播組合在陰坡的牧草產(chǎn)量較陽(yáng)坡降低28.5%～35.9%，在成本投入相似的情況下，陰坡并不能達(dá)到與陽(yáng)坡相似的草畜系統(tǒng)生產(chǎn)性能。因此，建議該地區(qū)可在陽(yáng)坡建植放牧型豆禾混播草地，而在陰坡實(shí)施其他生態(tài)保護(hù)工程，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和生態(tài)效益雙贏。

在退耕地建植的豆禾混播草地常因一年生雜草危害導(dǎo)致草地建植失敗[42]，且很難選擇合適的除草劑抑制豆禾混播草地中的雜草。針對(duì)這一技術(shù)難題，本研究在建植當(dāng)年采用保護(hù)播種技術(shù)，播種一年生黑麥草占據(jù)生態(tài)位，控制雜草入侵[43]，建植第2年各混播組合中混播草種(紫花苜蓿 + 多年生禾草)∶在植被中的干重比例多維持在80%以上(圖2)，這對(duì)維持豆禾混播草地的牧草產(chǎn)量、品質(zhì)和穩(wěn)定性有重要意義[44]。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力最優(yōu)的紫花苜蓿 + 鴨茅組合在陽(yáng)坡的牧草產(chǎn)量為21.6 t·hm-2，相應(yīng)的單位公頃增重為518.9 kg·hm-2，料肉比為42 ∶ 1，而飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)中體重450 kg、日增重1.2 kg 的生長(zhǎng)母牛的肉料比僅為8 ∶ 1，該混播草地的飼草轉(zhuǎn)化效率僅為飼養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的19%。根據(jù)肉牛采食量預(yù)測(cè)模型[29]，體重為500 kg、日增重為1.8 kg 的肉牛日采食量為12.6 kg，在牧后剩余量為0.8 t·hm-2的情況下，該混播草地的理論載畜量為10.3 head·(hm2·160 d)-1[計(jì) 算 方 法 為(21.6 t·hm-2-0.8 t·hm-2)×1 000/(12.6 kg·d-1×160 d)]，然而，該混播草地實(shí)際放牧率僅為2.1 head·(hm2·160 d)-1，且牧草產(chǎn)量與放牧率、放牧率與單位公頃增重均為線性正相關(guān)的關(guān)系，說(shuō)明放牧率較低、草地未被充分利用是本研究中飼草轉(zhuǎn)化率低的主要原因。對(duì)于紫花苜蓿放牧草地而言，當(dāng)植被高度達(dá)到25～40 cm 時(shí)開始放牧，當(dāng)植被高度降低至10 cm 時(shí)結(jié)束放牧，這對(duì)草地產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及穩(wěn)定性有促進(jìn)作用[45]。但是，紫花苜蓿和鴨茅均為上繁草、不耐踐踏，本研究放牧開始時(shí)(6 月1 日)混播草地的牧草現(xiàn)存量為1.2 t·hm-2，植被高度在70 cm 以上，放牧過(guò)程中家畜踐踏使牧草倒伏，影響了家畜采食，此時(shí)家畜被移出放牧小區(qū)，導(dǎo)致草地未被充分利用。由此看來(lái)，對(duì)于紫花苜蓿 + 鴨茅等以上繁草為主的豆禾混播草地而言，控制放牧過(guò)程中的植被高度應(yīng)作為該類型混播草地進(jìn)行放牧利用的重要措施之一。

混播組合對(duì)各坡向單位個(gè)體增重沒有顯著影響，陽(yáng)坡各混播組合所提供的牧草可持續(xù)滿足整個(gè)放牧季體重450 kg 肉牛日增重1.2 kg 以上的營(yíng)養(yǎng)需要，而陰坡單位個(gè)體增重顯著低于陽(yáng)坡，這與該坡向放牧家畜在出牧和歸牧過(guò)程中較高的能量消耗有關(guān)。家畜在陽(yáng)坡單位公頃增重主要受放牧率和牧草產(chǎn)量的影響，紫花苜蓿 + 鴨茅組合牧草產(chǎn)量最高，達(dá)到21.6 t·hm-2，相應(yīng)的單位公頃增重較其他兩個(gè)混播組合提高11.4%～18.4%，可作為當(dāng)?shù)亟ㄖ苍耘嗖莸氐氖走x混播組合。陰坡的牧草產(chǎn)量顯著低于陽(yáng)坡，并不能達(dá)到與陽(yáng)坡相似的草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力。本研究提出以下建議：1)在山區(qū)放牧?xí)r，可在放牧場(chǎng)附近搭建簡(jiǎn)易圈舍、設(shè)置飲水設(shè)施，盡量減少家畜因運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的能量消耗，從而提高家畜生產(chǎn)性能。2)以上繁草為主的豆禾混播草地，在放牧過(guò)程中控制植被高度，如在植被高度達(dá)到25～40 cm 時(shí)開始放牧、植被高度低于10 cm 時(shí)休牧，應(yīng)該作為提高該類型草地轉(zhuǎn)化率的重要措施之一。3)該地區(qū)陽(yáng)坡的草畜系統(tǒng)生產(chǎn)力明顯高于陰坡，更適合建植豆禾混播草地進(jìn)行放牧利用。