兩用（糧食和飼料）作物研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景

許留興，蒙元燕，羅昌芬，祁啟望，鄭晉靜，張繼王，劉麗，張小龍，唐玉鳳，武丹，蔡榮靖

（昭通學(xué)院農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，云南 昭通 657000）

從1980-2017年，國內(nèi)人均糧食消費量降幅為39.2%，而畜產(chǎn)品消費量則增加了三倍［1］，優(yōu)質(zhì)飼料的缺乏導(dǎo)致畜產(chǎn)品供應(yīng)不足和質(zhì)量較低，傳統(tǒng)的“精料+秸稈”養(yǎng)殖模式已不能滿足當(dāng)前畜牧業(yè)發(fā)展的需要，這一現(xiàn)象主要發(fā)生在畜牧業(yè)欠發(fā)達或以家庭農(nóng)場為主的地區(qū)。盡管青貯飼料能緩解飼草的季節(jié)性供應(yīng)不均衡問題，但以放牧為主的農(nóng)場對青貯飼料的依賴性較低。因此，冬季飼草供應(yīng)困難嚴重影響了農(nóng)場的經(jīng)濟收益，這在干旱和半干旱地區(qū)尤為明顯［2］。為滿足日益增長的動物飼料需求，部分傳統(tǒng)糧食作物被投入到動物生產(chǎn)系統(tǒng)中，如一些作物以全株［3］或放牧［4］的形式被用于草食畜牧業(yè)。目前，在一些國家或地區(qū)的農(nóng)牧交錯區(qū)，部分作物以兩用（飼草和籽粒）的形式被廣泛種植，代表性作物有小麥（Triticum aestivum）［5］、小黑麥（×TriticosecaleWittmack）［6］、大麥（Hordeum vulgare）［7］和油菜（Brassica napus）［8］等，額外的飼草緩解了當(dāng)?shù)囟撅暡莨?yīng)緊張的問題，作物的多用途也逐漸成為牧場收益增長的關(guān)鍵，因此兩用作物已成為飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。本研究就國內(nèi)外兩用作物興起的背景，兩用作物在飼草和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與農(nóng)場收益中的表現(xiàn)及該系統(tǒng)面臨的問題和解決對策進行了分析和論述，以期為我國兩用作物的生產(chǎn)和推廣提供幫助。

1 兩用作物利用背景

1.1 居民消費結(jié)構(gòu)改變

預(yù)計到2050年世界人口將增長到100億，農(nóng)產(chǎn)品需求量將比2013年增長約50%，但截至2017年，仍有約7億人處于極端貧困、8億人長期挨餓和20億人缺乏微量元素［9］。同時，全球變暖防控壓力大［10］，氣候的不可預(yù)測性對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大挑戰(zhàn)［11］。包括中國和日本在內(nèi)的東亞國家，優(yōu)質(zhì)飼料很大程度上依賴于進口，并且容易受到價格不穩(wěn)定（政治、經(jīng)濟和氣候等因素導(dǎo)致）的影響［12］。基于這些挑戰(zhàn)，穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)的動物飼料的供應(yīng)對于畜牧業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，而盲目擴大糧食生產(chǎn)規(guī)模又將增加生態(tài)環(huán)境惡化的風(fēng)險。

隨著工業(yè)化程度的加深和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，從2002-2018年，人均可支配收入、糧食產(chǎn)量和糧食作物播種面積明顯增加，但人均糧食消費量降低，畜產(chǎn)品產(chǎn)量增長緩慢，居民對畜產(chǎn)品的需求也呈現(xiàn)增加的趨勢（圖1）（數(shù)據(jù)來源于國家統(tǒng)計局網(wǎng)站-中國統(tǒng)計年鑒），這必然導(dǎo)致部分糧食過剩和畜產(chǎn)品不足的現(xiàn)象并存。因此，如何提高畜產(chǎn)品產(chǎn)量以滿足當(dāng)前居民需求成為畜牧業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題。

圖1 糧食產(chǎn)量、人均收入和消費結(jié)構(gòu)Fig.1 Grain production，per capita income and consumption structure

1.2 政策支持

2015年中央一號文件明確提出“要加快發(fā)展草牧業(yè)，支持青貯玉米（Zea mays）和苜蓿（Medicago sativa）等飼草料種植，開展糧飼和種養(yǎng)結(jié)合模式試點，促進糧食、經(jīng)濟作物、飼草料三元種植結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)發(fā)展”。2020和2021年中央一號文件分別強調(diào)了優(yōu)質(zhì)飼料的保障和鼓勵發(fā)展青貯玉米的工作。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2021年重點工作也強調(diào)了“因地制宜發(fā)展青貯玉米、苜蓿等優(yōu)質(zhì)飼料”。2021年中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《糧食節(jié)約行動方案》指出：小麥、大麥、高粱（Sorghum bicolor）和稻谷（Oryza sativa）等也是優(yōu)質(zhì)的飼料作物，可替代玉米使用。2022年中央一號文件指出“耕地主要用于糧食和棉、油、糖、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品及飼草料生產(chǎn)”?？梢?，優(yōu)質(zhì)牧草的供應(yīng)受到了政府的高度重視，其已對我國經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重要影響，替代性飼料作物的選擇和利用也備受關(guān)注。

1.3 飼料短缺時間長、分布廣

牧草主要生長在夏季，干草或青貯飼料的制作時間以夏秋季為主。盡管春季到秋季皆可放牧，但基于牧草生育期［13］和放牧強度［14］的不同而產(chǎn)生的營養(yǎng)差異勢必對動物代謝性能產(chǎn)生不同程度的影響。如受作物生育期和營養(yǎng)的影響，麝牛在秋季和春季對牧草的偏好不一致［15］，荷斯坦小牛在春季的采食時間高于秋季（受植物飼用價值和生物量的影響）［16］。但是幾乎沒有針對冬季飼草放牧的行為及對作物夏季產(chǎn)量、營養(yǎng)和青貯品質(zhì)的報道。從2001-2015年，牧草產(chǎn)業(yè)向華北、東北、西北和西南區(qū)域聚集的趨勢明顯，收益、家畜養(yǎng)殖量、機械化程度、政策等因素改變了以紫花苜蓿、披堿草（Elymus dahuricus）、黑麥草（Lolium multiflorum）和青貯玉米為代表性牧草的空間集散程度［17］。以放牧為主的地區(qū)，秋末至次年初春，如何獲取優(yōu)質(zhì)飼料依然是生產(chǎn)者面臨的難題。

2 兩用作物的研究進展

2.1 概念

本研究探究的是以谷類為代表的兩用作物，它主要分布在旱地耕作系統(tǒng)中，作物前期以放牧為主（營養(yǎng)生長階段），后期以收獲籽粒為主（生殖生長階段）。但為了突出兩用系統(tǒng)的營利性，中間也將其他兩用作物納入本研究中進行適當(dāng)分析。作物出現(xiàn)兩用的原因是冬季低溫限制了牧草生長，生產(chǎn)者利用冬季前和冬季積累的作物生物量放牧，以此緩解其他地方的放牧壓力或獲取優(yōu)質(zhì)飼料，同時使農(nóng)場獲取額外的經(jīng)濟收益。即使籽粒產(chǎn)量受到作物生長前期放牧的影響，但額外的飼草收益能彌補這一經(jīng)濟損失。

2.2 分布區(qū)域

目前，隨著畜牧業(yè)的發(fā)展和可替代資源利用率的提高，兩用作物分布范圍廣，以小麥為主要兩用作物的國家或地區(qū)居多。多數(shù)兩用作物分布在農(nóng)業(yè)區(qū)和畜牧區(qū)的交錯地帶（表1），這有利于將耕地和放牧地交替使用，獲取收益的差距較大。其中干旱半干旱氣候和地中海氣候是重要的分布區(qū)。

表1 種植兩用作物代表性國家和經(jīng)濟效益Table 1 Representative countries of dual-purpose crop cultivation and economic benefits

2.3 兩用系統(tǒng)對籽粒產(chǎn)量的影響

營養(yǎng)生長階段放牧對作物的產(chǎn)量影響備受爭議，這主要與放牧前生物量的積累和放牧后作物的修復(fù)機制有關(guān)。前人關(guān)于兩用作物對籽粒產(chǎn)量影響的研究具有不同的結(jié)果，如無顯著影響［35］、輕微降低［36］或增加［37］等。通常，放牧?xí)r間的推遲和放牧天數(shù)的增加往往也導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低的風(fēng)險增加，因為這些管理措施不利于作物恢復(fù)到正常生長的狀態(tài)。在干旱天氣，放牧降低了作物的產(chǎn)量，但降水量較多的年份，放牧對小麥籽粒產(chǎn)量沒有顯著影響［8］。Bell等［4］研究發(fā)現(xiàn)，放牧導(dǎo)致小麥產(chǎn)量變化較大（-35%～75%），這歸因于放牧調(diào)控了作物光合同化物的積累和葉片的蒸騰作用。放牧對開花期的影響時間長達0～11 d，開花時間和葉片的生長速率共同決定了旗葉出現(xiàn)的時間［38］。在兩用作物中，小穗分化期被認為是兩用作物的關(guān)鍵期，這一階段停止放牧可防止作物頂端的穗被破壞，進而避免糧食產(chǎn)量受損［39］。葉面積對作物開花前和開花后光合產(chǎn)物的積累至關(guān)重要［40］，放牧改變了小黑麥葉面積的恢復(fù)速度，籽粒灌漿的持續(xù)時間發(fā)生變化，推遲放牧?xí)r間往往不利于葉面積的生長和恢復(fù)［41］。

2.4 兩用系統(tǒng)對飼草產(chǎn)量的影響

通常，兩用作物放牧前積累的飼草具有較高的粗蛋白含量和較低的中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量，放牧需要最大化利用飼草的同時不影響后期籽粒的收獲，因此如何確定放牧?xí)r間對整個畜牧系統(tǒng)的收益至關(guān)重要。根據(jù)Zadoks［42］對谷類作物生育期的劃分標(biāo)準，Sprague等［8］在澳大利亞高降水地區(qū)種植的小麥在拔節(jié)期放牧?xí)r，可獲取2.3～3.4 t DM·hm-2牧草。但Tian等［43］在中國西部的混作農(nóng)牧系統(tǒng)中，通過對小麥進行放牧利用，僅能獲取0.8～1.6 t DM·hm-2牧草，與Pandey［44］報道的早春的飼草產(chǎn)量（0.8～2.7 t DM·hm-2）相似；Hu等［2］在黃土高原地區(qū)進行冬季和春季刈割小麥，分別獲取了0.52和0.62 t DM·hm-2飼草。導(dǎo)致飼草產(chǎn)量出現(xiàn)差異的原因與品種、放牧（或刈割）時作物生育期、氣候和田間管理等因素有關(guān)，因此有必要通過建模來調(diào)查放牧前飼草的產(chǎn)量信息，為放牧后作物的管理提供幫助。作物在冬季生長較慢，但春季生長速率高，如何利用春季較短的飼草生長窗口期進行放牧也是生產(chǎn)者需要注意的問題。

2.5 動物利用及畜產(chǎn)品

相比未放牧的綿羊，利用兩用作物在秋末和冬季放牧的綿羊體重增加了5.1 kg，優(yōu)先使用兩用作物進行放牧的動物體重增加了16%，羊毛產(chǎn)量也有所增加［45］。但兩用作物并不能滿足動物對礦物質(zhì)的需要，因此需要補充礦物質(zhì)的攝入。當(dāng)兩用小麥被用于放牧?xí)r，動物增重沒有出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象，添加鈣、鎂和鈉等礦物質(zhì)有利于肉牛體重增加0～27%，整個放牧期的平均日增重為1.5 kg·頭-1·d-1［46］。Gunter等［47］將小麥用于肉牛放牧后，通過補充礦物質(zhì)使肉牛體重增加了20%～43%。將小麥放牧綿羊時也表現(xiàn)出鈉和鎂的缺乏癥狀［48］，因此需補充礦物質(zhì)。采食油菜的肉牛會出現(xiàn)體重增長滯后的現(xiàn)象（7 d左右），原因可能是動物需要一定的時間來適應(yīng)對新飼料的消化和吸收［46］，油菜不同于谷類作物，其含有一些有害成分如芥子甙等，這可能也是導(dǎo)致動物體重增長出現(xiàn)滯后的原因。盡管并未超標(biāo)，但油菜葉和莖也含有一定的硝酸鹽［49］，即使在采食油菜的過程中避開硝酸鹽含量較高的莖，牛的采食量和生長率也容易受到影響，但并未發(fā)現(xiàn)放牧油菜對動物的健康產(chǎn)生影響。前人關(guān)于放牧?xí)r礦物質(zhì)的補充都是復(fù)合型的，幾乎沒人能確定動物缺乏哪種礦物質(zhì)而影響體重增長速率，因此需要根據(jù)不同種類的兩用作物營養(yǎng)品質(zhì)及不同家畜對礦物質(zhì)需求量進行綜合分析。

3 面臨問題及應(yīng)對舉措

3.1 播種時間和播種量的選擇

相比正常播種，播種時間提前能使兩用系統(tǒng)獲得更多的飼草。在伊朗許多地區(qū)，冬末和初春是飼草生長的空白期，收獲秋季播種的飼草成功緩解了當(dāng)?shù)仫暡葙Y源緊張的局面，但秋播時間的推遲將影響飼草干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量［29］。在巴基斯坦，早播小麥的飼草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量均較高［50］。作物物候期的延遲時間取決于放牧或刈割時作物所處的生育期［37］，在作物拔節(jié)期后放牧可能促進了物候期的推遲［51］。與僅收獲籽粒的谷物不同，兩用作物隨著播種時間的推遲，可能導(dǎo)致葉面積發(fā)育不良、成熟期推遲、籽粒灌漿時間縮短（開花期前后的高溫脅迫導(dǎo)致）等現(xiàn)象發(fā)生，進而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。播種提前可通過放牧或刈割利用更多的飼草，盡管這可能需要適當(dāng)增加播種量和施氮量，但優(yōu)質(zhì)的飼草資源（高蛋白和低纖維）吸引了生產(chǎn)者，適當(dāng)增加的投入成本也勢必帶來更多的經(jīng)濟收益。Moustafa等［7］通過兩年的兩用大麥田間試驗，發(fā)現(xiàn)早播（10月下旬）比中播（11月中旬）和晚播（12月上旬）的飼草產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量都高。

在一些傳統(tǒng)兩用作物產(chǎn)區(qū)，兩用作物的播種量是傳統(tǒng)播種量的1.5～2.0倍［52］。在沒有增加額外的氮素和播種量投入時，兩用系統(tǒng)中的小麥籽粒產(chǎn)量比僅用于谷物生產(chǎn)的小麥籽粒產(chǎn)量低14.5%［53］。Pandey［44］通過對兩用小麥增加額外的30 kg N·hm-2和25 kg·hm-2種子，發(fā)現(xiàn)小麥籽粒產(chǎn)量與僅用生產(chǎn)籽粒的小麥產(chǎn)量相當(dāng)。兩用作物的播種量通常比傳統(tǒng)播種量更高，隨著種子成本的增加，根據(jù)不同地區(qū)的環(huán)境、氣候條件選擇適宜的播種量對最大限度地提高農(nóng)場經(jīng)濟收益極為重要。

3.2 氮肥管理

氮肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中最有限的資源之一［54］，放牧和刈割（營養(yǎng)生長階段）主要收獲了兩用作物前期積累的氮，為保證后期作物的恢復(fù)和快速生長及籽粒的正常灌漿，氮素的補充是必不可少的。在兩用作物中，非纖維碳水化合物含量隨著施氮量的增加而降低，但在高施氮量時仍保持較高水平［55］。同時，施氮量也顯著提高了作物中的淀粉和可溶性糖含量，而這些指標(biāo)又對瘤胃微生物蛋白的產(chǎn)生至關(guān)重要［56］。Sij等［57］認為，小麥的飼草產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加。但Hajighasemi等［29］通過研究發(fā)現(xiàn)，施氮量為100和150 kg·hm-2的兩用大麥的飼草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量并無顯著差異。大多數(shù)研究對刈割或放牧后追施氮肥對作物后期的生理性能的影響報道較少，如小麥［43］和大麥［29］。

3.3 放牧或刈割時間

在溫帶地區(qū)，寒冬到來之前作物生長過旺的同時也存在抗逆性較弱的現(xiàn)象，而較低的抗逆性增加了凍害對作物減產(chǎn)的風(fēng)險。過高的生物量也增加了土壤水分的無效消耗，土壤水分不足導(dǎo)致作物在灌漿階段出現(xiàn)灌漿不足，進而降低產(chǎn)量，這也是兩用作物得以在干旱、半干旱地區(qū)推廣種植的關(guān)鍵。以Zadoks［42］對谷類作物生育期鑒定的標(biāo)準，Harrison等［58］通過對276個兩用作物的試驗點進行歸納分析，結(jié)果顯示前期刈割或放牧對作物的籽粒產(chǎn)量有積極影響，但提前或超過拔節(jié)期這一生育期，作物減產(chǎn)的風(fēng)險將增加［37］。但也有研究發(fā)現(xiàn)，在拔節(jié)期之前進行放牧可能導(dǎo)致作物花期推遲，籽粒生長發(fā)育時間短，千粒重降低，同時導(dǎo)致植物根系抗性減弱，降低了植物的存活率和產(chǎn)量［59］。推遲放牧（或刈割）導(dǎo)致補償生長不足，作物接受的光照和熱量不足以支撐灌漿的順利進行［60］。晚刈割（或放牧）處理的減產(chǎn)幅度高于早刈割處理［43］，因為放牧可通過減少高大植株的倒伏來增加作物產(chǎn)量［61］。

兩用作物放牧?xí)r間的不穩(wěn)定性導(dǎo)致作物生長點出現(xiàn)變化，進而影響籽粒產(chǎn)量和農(nóng)場經(jīng)濟效益。放牧?xí)r間從15 d延長至51 d，籽粒產(chǎn)量從不減產(chǎn)到減產(chǎn)33%不等［37］。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因主要包括土壤水分的供應(yīng)、倒伏率、病蟲害、葉面積［37］、物候期的延遲及莖稈中儲存有機物的轉(zhuǎn)移［35］等。通常，獲取價值更高的飼草產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量是背道而馳的，但選擇適宜品種或優(yōu)化田間管理模式能獲取更多的飼草和籽粒產(chǎn)量。

3.4 育種及品種篩選

兩用作物的品種資源主要來源于糧用作物，無論是通過降低秸稈產(chǎn)量和品質(zhì)來提高籽粒產(chǎn)量（以收獲籽粒為主的育種目標(biāo)）或通過提高生物產(chǎn)量和品質(zhì)性狀來降低籽粒產(chǎn)量（以收獲飼草為主的育種技術(shù)）都是不可取的，因為這必然不能使生產(chǎn)者的經(jīng)濟收益最大化，當(dāng)前很少有針對兩用作物在生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量兼顧的育種研究。在印度，籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量和質(zhì)量呈負相關(guān)，這與現(xiàn)代育種技術(shù)追求莖長較短的需求有關(guān)［62］，育種減少了小麥品系之間的整體遺傳變異［63］。但在埃塞俄比亞，25個小麥品種卻出現(xiàn)籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量呈正相關(guān)的結(jié)果［64］。Joshi等［65］對50個小麥品種在半干旱條件下的遺傳變異進行了研究，認為小麥秸稈品質(zhì)的遺傳變異主要表現(xiàn)在籽粒和秸稈產(chǎn)量上，但秸稈品質(zhì)（如中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和酸性洗滌木質(zhì)素等）的遺傳變異較小。這些結(jié)果的差異說明傳統(tǒng)的種質(zhì)資源可能并不適合當(dāng)前兩用作物的育種需求，因此兩用作物品種主要來源于田間篩選。如Hajighasemi等［29］對Fasih和CB744兩個大麥品種進行兩用研究，其中Fasih能獲取更高的飼草收益和總經(jīng)濟收益。逆境條件也是品種篩選不得不考慮的問題，如抗旱性和抗鹽堿性。在巴基斯坦的半干旱地區(qū)，Munsif等［50］對4個小麥品種的3個播期和2種刈割處理進行了研究，通過產(chǎn)量（包括籽粒和飼草）、葉綠素含量和蒸騰速率等指標(biāo)確定了Siran-2008和Saleem-2000適合當(dāng)?shù)胤N植。在中國的黃土高原地區(qū)，劉博浩等［66］以飼草產(chǎn)量、再生能力、小麥分蘗能力和抗逆性指標(biāo)等為基礎(chǔ)，從200份小麥品種中篩選出了8個飼草產(chǎn)量和再生能力強的小麥品種。在埃及的鹽堿地中，Moustafa等［7］篩選出了G-123、G-126和G-2000共3個具有較高的飼草產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量的大麥品種。

4 兩用作物的應(yīng)用前景

總體而言，兩用作物是糧食過剩、飼草不足和傳統(tǒng)草地放牧壓力大而衍生出的一種資源有效利用的結(jié)果?；趯Ω咝Ы?jīng)濟收益的考慮，田間管理、放牧頻率、品種選擇等因素直接與作物生長后期的不足補償、等量補償和超越補償?shù)冉Y(jié)果息息相關(guān)。毫無疑問，兩用作物能有效緩解冬季飼草供應(yīng)不足的問題，生產(chǎn)管理（包括放牧?xí)r間、施氮量、播種量和放牧強度等）不當(dāng)增加了籽粒產(chǎn)量降低的風(fēng)險，但優(yōu)質(zhì)的飼草供應(yīng)彌補了籽粒產(chǎn)量下降導(dǎo)致的經(jīng)濟損失。這并未與當(dāng)前糧食產(chǎn)量總體增加、消費量降低和畜產(chǎn)品供應(yīng)受阻的現(xiàn)象相背離，相反，這為提高畜牧產(chǎn)業(yè)安全和發(fā)展提供了一定的保障。