拉薩地區(qū)不同春箭筈豌豆輪作模式的生產(chǎn)力評價

馬望力，南志標

（蘭州大學草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 蘭州大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室 /蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院，甘肅 蘭州 730020）

西藏地處我國西南邊陲，平均海拔4 000 m以上，氣候寒冷、干燥。該地區(qū)以草地畜牧業(yè)為主，草地資源豐富，是我國傳統(tǒng)的五大牧區(qū)之一，也是我國北方的重要生態(tài)屏障。由于自然條件嚴酷，西藏地區(qū)牧草生長周期較短，枯草期長達7～9個月，從而形成了冬春牧場利用時間長、夏秋牧場利用時間短的不平衡局面[1]。在冬季，家畜正處于懷孕、產(chǎn)羔的關(guān)鍵時期，而氣溫大幅度下降和草地枯萎，導致可食牧草大幅度減少，飼草的供應(yīng)難以滿足家畜維持正常生長的需求，逐漸成為高寒草地畜牧業(yè)發(fā)展的重大阻礙[2]，因此，亟需適應(yīng)高寒氣候的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草。

在西藏地區(qū)，多年生牧草由于受熱量不足等氣候條件限制，生長速度緩慢，資源利用效率低，往往產(chǎn)草量不足。而一年生牧草具有生長快，產(chǎn)草量高等優(yōu)勢，可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)大量飼草，并用于畜牧業(yè)生產(chǎn)[3]。因此，將適應(yīng)高寒環(huán)境的優(yōu)質(zhì)一年生牧草新品種引入拉薩，對解決冷季飼草短缺和改善生態(tài)環(huán)境等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

春箭筈豌豆(Vicia sativa)為一年生豆科牧草，葉柔軟、葉量大、適口性好、蛋白質(zhì)含量高，是一種優(yōu)良的草料兼用作物。春箭筈豌豆在高寒牧區(qū)生長良好，單播每公頃可產(chǎn)干草5.8～6.0 t[4-5]，常與燕麥(Avena sativa)、青稞(Hordeum vulgare)、多年生黑麥草(Lolium perenne)和大麥(Hordeum vulgare)等禾本科牧草進行混播種植[6]。春箭筈豌豆根系具有大量根瘤菌，可增加土壤中氮素含量，根系分泌物與殘留還可增加土壤有機質(zhì)含量[7]。由蘭州大學培育的蘭箭系列春箭筈豌豆品種具有抗逆性強、產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)良等特點，已經(jīng)成功引入到夏河、慶陽等多地[8-9]，為當?shù)匦竽翗I(yè)生產(chǎn)做出了重要貢獻。目前階段，該系列品種尚未在西藏高寒牧區(qū)進行種植和評價，是否可以將其加入到青藏高原傳統(tǒng)的青稞連作的養(yǎng)地系統(tǒng)和青稞與油菜(Brassica napus)輪作的土壤利用系統(tǒng)中，從而改善當?shù)胤N植模式，尚不得知。

本研究以蘭箭1號春箭筈豌豆品種為材料，通過輪作試驗對其在拉薩地區(qū)的生產(chǎn)力進行評價分析，以期篩選出適于拉薩地區(qū)的箭筈豌豆輪作系統(tǒng)。該結(jié)果對于緩解西藏地區(qū)飼草料短缺，促進草地農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

大田試驗于2016-2017年進行，試驗地設(shè)在西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學院，該地位于拉薩市，地理坐標為 29°38′34″ N，91°02′31″ E，海拔 3 662 m，屬于典型的高原溫帶半干旱季風氣候類型，年日照時數(shù)3 022 h，年均降水量550 mm，降水主要集中在6-9月，年均氣溫為7.3 ℃，＞ 0 ℃的年積溫為 2 000～3 200 ℃·d，無霜期 120～140 d[10]。試驗地前茬作物為冬青稞。土壤為砂壤土，0-30 cm土層有機質(zhì)含量 0.68 g·kg-1， 全氮含量 0.58 g·kg-1，全磷含量 0.72 g·kg-1，全鉀含量 16.2 g·kg-1，pH 7.8。

1.2 試驗設(shè)計

試供材料為蘭箭1號春箭筈豌豆(common vetch)、冬青18號冬青稞(hulless barley)和青雜4號飼草型油菜(rape)，蘭箭1號是蘭州大學南志標院士團隊培育適合高原環(huán)境的春箭筈豌豆新品種，冬青18號和青雜4號是當?shù)刂饕亩囡陀筒似贩N。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)5個不同輪作處理，每個處理重復4次，共20個小區(qū)，各小區(qū)面積為5 m × 6 m = 30 m2，區(qū)組間距0.5 m，小區(qū)間距0.3 m。具體處理及輪作順序如下：處理1，休閑-冬青稞-休閑(F-H-F)，2016年夏季休閑，秋季10月20日種植冬青稞，2017年秋季休閑；處理2，油菜-冬青稞-油菜(R-H-R)，2016年夏季5月12日種植飼用油菜，秋季10月20日種植冬青稞，2017年秋季7月20日種植油菜；處理3，箭筈豌豆-冬青稞-箭筈豌豆(V-H-V)，2016年夏季5月12日種植春箭筈豌豆，秋季10月20日種植冬青稞，2017年秋季7月20日種植箭筈豌豆；處理4，箭筈豌豆-冬青稞-油菜(V-H-R)，2016年夏季5月12日種植春箭筈豌豆，秋季10月20日種植冬青稞，2017年秋季7月20日種植油菜；處理5，油菜-箭筈豌豆-油菜(R-V-R)，2016年夏季5月12日種植油菜，2017年春季4月29日種植春箭筈豌豆，2017年秋季9月5號種植油菜(圖1)。

圖1 2016-2017年輪作系統(tǒng)分布圖Figure 1 2016-2017 rotation system distribution diagram

1.3 田間管理

各作物均為人工條播，油菜青雜4號播種量為15 kg·hm-2，播種行距為25 cm，播種深度為4 cm；箭筈豌豆蘭箭1號的播種量為119 kg·hm-2，播種行距均為20 cm，播種深度為5 cm，播種前接種來自中國農(nóng)業(yè)大學的箭筈豌豆根瘤菌CCBAU01069[11]；冬青稞冬青18號的播種量為225 kg·hm-2，播種行距為20 cm，播種深度為5 cm。播種時不施基肥，生育期于冬青稞越冬期間(2016年12月5日)和返青期(2017年3月23日)對所有小區(qū)進行漫灌，并在種植冬青稞的小區(qū)追施氮肥(尿素，有效氮含量 ≥45%，四川萬稼宜化肥有限公司生產(chǎn))，施肥量為120 kg·hm-2。

1.4 觀測項目與方法

1.4.1 作物產(chǎn)量測定

于箭筈豌豆、油菜和冬青稞的收獲期，采用五點取樣法取樣。在每個小區(qū)按照對角線隨機取5個1 m2樣方，齊地面刈割樣方內(nèi)所有植株的地上部分，分離籽實與其他營養(yǎng)體，分裝在大信封中，每個樣品稱鮮重后放入烘箱內(nèi)，先在105 ℃下殺青10 min，后調(diào)節(jié)溫度至65 ℃烘48 h，直至樣品恒重后，迅速取出，稱量并記錄干物質(zhì)重量。

1.4.2 作物粗蛋白質(zhì)含量測定

采用流動分析法[12]，利用凱氏定氮儀進行植物全氮含量測定。粗蛋白含量(CP)按以下公式計算，式中TN為全氮含量，6.25為轉(zhuǎn)化系數(shù)：

粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量為粗蛋白含量與對應(yīng)干物質(zhì)產(chǎn)量的乘積。

1.4.3 土壤養(yǎng)分測定

于各輪作系統(tǒng)結(jié)束后，在每小區(qū)按“S”形路線用直徑為38 mm的管型土鉆進行打孔取樣，取樣深度為0-30 cm土層，將隨機5個樣點按土層混合為一個土壤樣品。將采集的土壤樣品用中號塑料自封袋密封保存，帶回實驗室放置于陰涼處打開袋口自然風干備用。

土壤全氮使用流動分析法進行測定[12]；土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀法[13]。

1.4.4 經(jīng)濟收入

本研究中箭筈豌豆籽粒、油菜籽粒、青稞籽粒、飼草和青稞秸稈均為干物質(zhì)重量，產(chǎn)品價格參照當?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品市場價格。其中冬青稞籽粒價格為 2 800 CNY·t-1，冬青稞秸稈為 300 CNY·t-1，油菜籽粒價格為2 670 CNY·t-1，油菜秸稈價格為1 000 CNY·t-1，箭筈豌豆籽粒價格為 7 000 CNY·t-1，箭筈豌豆干草價格為1 000 CNY·t-1。輪作系統(tǒng)的經(jīng)濟產(chǎn)值的計算公式如下[14]：

式中：E表示經(jīng)濟產(chǎn)值(CNY·hm-2)，Y表示有輪作系統(tǒng)各組分產(chǎn)量(t·hm-2)；P表示各組分單價(CNY·t-1)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS17.0(USA Inc.)軟件對數(shù)據(jù)進行分析。利用單因素方差分析在0.05水平上分析比較5個輪作系統(tǒng)產(chǎn)量、粗蛋白產(chǎn)量、經(jīng)濟收益、不同土層土壤全氮與有機碳含量，比較采用Duncan法。由Microsoft Excel 2010和Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地上干物質(zhì)產(chǎn)量

在系統(tǒng)總干物質(zhì)產(chǎn)量方面，2016-2017年輪作模式V-H-R和R-H-R產(chǎn)量較高，分別為27.24和26.89 t·hm-2(P＜ 0.05)。有蘭箭 1 號參與的 V-H-R、V-H-V和R-V-R輪作系統(tǒng)產(chǎn)量分別比當?shù)貍鹘y(tǒng)F-H-F 高 116.5%、113.8% 和 39.3%(P＜ 0.05)(圖2)。整體來看，V-H-R輪作系統(tǒng)優(yōu)勢較大。R-H-R系統(tǒng)與V-H-R產(chǎn)量接近，比V-H-V和R-V-R分別提高了10.2%和53.5%。

圖2 不同輪作系統(tǒng)總干物質(zhì)產(chǎn)量Figure 2 Total dry matter yield of different rotation systems

F-H-F、R-H-R、V-H-V和V-H-R輪作系統(tǒng)中茬的青稞籽粒和秸稈產(chǎn)量無顯著差異(P＞ 0.05)，青稞籽粒產(chǎn)量均為6.01 t·hm-2，青稞秸稈產(chǎn)量均為7.22 t·hm-2；比較前茬作物，油菜產(chǎn)量在R-H-R和R-V-R輪作系統(tǒng)中均為8.42 t·hm-2，顯著高于箭筈豌豆產(chǎn)量 6.54 t·hm-2(P＜ 0.05)；比較后茬作物，V-H-R后茬的油菜產(chǎn)量達7.47 t·hm-2，顯著高于其他輪作系統(tǒng)，以后依次分別為R-H-R、V-HV和R-V-R，產(chǎn)量分別為6.53、4.63和4.02 t·hm-2(表1)。

2.2 植物粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量

R-H-R和R-V-R前茬收獲的油菜的粗蛋白質(zhì)含量顯著高于V-H-V和V-H-R前茬的箭筈豌豆粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量(P＜ 0.05)，油菜的粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量為1.93 t·hm-2，箭筈豌豆的粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量為 0.78 t·hm-2(表2)。V-H-V和V-H-R輪作模式的中茬冬青稞籽粒粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量相同，為0.63 t·hm-2，分別比傳統(tǒng)的F-H-F和R-H-R輪作系統(tǒng)高26.0%(P＜ 0.05)和8.6%(P＞ 0.05)，中茬冬青稞秸稈粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量的差異不顯著。R-H-R輪作系統(tǒng)后茬的油菜粗蛋白質(zhì)含量最高，為1.01 t·hm-2，比V-H-V的后茬箭筈豌豆粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量高98.0%(P＜ 0.05)。

各輪作總系統(tǒng)粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量R-H-R輪作系統(tǒng)最高(圖3)，為3.68 t·hm-2，顯著高于其他輪作系統(tǒng)(P＜ 0.05)，以后依次為 R-V-R、V-H-R、V-H-V和 F-H-F，分別為 3.33、2.50、2.13 和 0.78 t·hm-2，各系統(tǒng)間粗蛋白產(chǎn)量均存在顯著差異(P＜ 0.05)。

2.3 土壤全氮含量

不同輪作方式對0-30 cm平均土壤全氮含量變化有顯著影響(圖4)，兩年后土壤全氮含量差異顯著(P＜ 0.05)。輪作系統(tǒng)V-H-V和V-H-R土壤全氮含量較高，為2.46和2.25 g·kg-1，分別比傳統(tǒng)的F-H-F高59.7%和46.1%(P＜ 0.05)，比R-H-R輪作系統(tǒng)高15.0%和5.1%(P＜ 0.05)，R-V-R 0-30 cm平均土壤全氮比F-H-F高20.8%(P＜ 0.05)。與R-H-R系統(tǒng)相比，V-H-V和V-H-R土壤全氮含量分別提升了19.6%和9.8%，而R-H-R系統(tǒng)比R-V-R提高了 15.1%(P＜ 0.05)。

表1 不同輪作系統(tǒng)各組分產(chǎn)量Table 1 Yield of each component in different rotation systems t·hm-2

表2 不同輪作系統(tǒng)各組分粗蛋白質(zhì)含產(chǎn)量Table 2 Yield of crude protein in each component of different rotation system t·hm-2

圖3 不同輪作系統(tǒng)粗蛋白質(zhì)產(chǎn)量Figure 3 Crude protein yield in different rotation systems

圖4 各輪作系統(tǒng)0-30 cm平均土壤全氮含量Figure 4 Average soil total nitrogen content of 0-30 cm in each rotation system

2.4 土壤有機碳含量

研究各輪作模式結(jié)束后0-30 cm土層深度土壤有機碳的含量得知，F(xiàn)-H-F、R-H-R、V-H-V和R-V-R 0-30 cm土層深度土壤有機碳含量沒有明顯差異（P＞0.05)，R-H-R，V-H-V，R-V-R 0-30 cm土層深度土壤有機碳含量分別為6.25、6.58和6.40 g·kg-1，顯著高于V-H-R輪作系統(tǒng)(P＜ 0.05)(圖5)。

圖5 各輪作系統(tǒng)0-30 cm平均土壤有機碳含量Figure 5 Average soil organic carbon content of 0-30 cm in each rotation system

2.5 經(jīng)濟收入

5個不同種植系統(tǒng)的經(jīng)濟收入如圖6所示。其中飼草產(chǎn)品、青稞籽粒及青稞秸稈為干物質(zhì)重量。V-H-R和V-H-V系統(tǒng)總收入較高，為44 284和41 444 CNY·hm-2，分別比傳統(tǒng)的F-H-F高150.6%和 134.5%(P＜ 0.05)，比R-H-R 高21.9% 和14.1%(P＜0.05)。R-V-R輪作系統(tǒng)總收入為29 242.7 CNY·hm-2，比 F-H-F 高 65.5%(P＜ 0.05)。

圖6 各輪作系統(tǒng)經(jīng)濟產(chǎn)出Figure 6 Economic output of each rotation system

3 討論

地上干物質(zhì)產(chǎn)量是表現(xiàn)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平的重要指標[15]。前人研究表明，前茬種植箭筈豌豆和油菜可以有效改良土壤結(jié)構(gòu)[16-17]，從而提高后茬禾本科糧食的產(chǎn)量[18]。在本研究中，V-H-R和R-H-R輪作系統(tǒng)產(chǎn)量較高，這與前人結(jié)果一致。R-V-R和R-H-R輪作系統(tǒng)粗蛋白含量較高，這是由于雖然油菜在粗蛋白質(zhì)含量方面低于箭筈豌豆，但其生物產(chǎn)量顯著高于豆科牧草，因此有油菜參與的R-V-R和R-H-R系統(tǒng)彌補了飼草品質(zhì)較低的問題。

在不同輪作方式中，影響土壤營養(yǎng)的因素是多方面的。澳大利亞新南威爾士州的學者發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的氮平衡受豆科作物影響很大[19]。且土壤氮素和有機質(zhì)的提高不僅與豆科作物自身固氮能力相關(guān)，還與豆科作物在生育代謝活動中產(chǎn)生的大量根系分泌物和根莖葉殘留物歸還于土壤有緊密關(guān)系[20]，使得土壤中氮素和機物質(zhì)的補充大于消耗。可見，豆科牧草地下部固氮量也不能忽視。前人曾有研究，砂質(zhì)土壤生長的豆科植物在盆栽條件下，占植物總氮吸收39%～49%的氮由地下部分提供[21]。當窄葉羽扇豆(Lupinus micranthus)地上生物量達到最大值(231 kg·hm-2)時，根瘤菌固氮的13%來自地下[22]，豌豆(Pisum sativum)地上部固定氮量為121 kg·hm-2以上時，整株植物固定氮量可以達到181 kg·hm-2以上[23]。殘留物質(zhì)的多少也是提高土壤營養(yǎng)的一個重要因素。邊巴卓瑪[24]的研究結(jié)果表明，豆科作物平均殘留物質(zhì)的返田量一般在8.57～14.65 kg·hm-2，比青稞殘留量高31.5%。本研究的結(jié)果與前人研究一致，各不同輪作系統(tǒng)收獲后，0-30 cm平均土壤全氮含量較高的是V-H-V和V-H-R系統(tǒng)，為2.46和2.25 g·kg-1，其中V-H-V系統(tǒng)顯著高于其他4個輪作系統(tǒng)(P＜ 0.05)，0-30 cm平均土壤有機碳含量最高的也是V-H-V系統(tǒng)，為6.58 g·kg-1。而加入春箭筈豌豆的R-V-R系統(tǒng)雖未進行施肥，其土壤全氮含量仍高于F-H-F，有機碳含量與兩種傳統(tǒng)輪作系統(tǒng)無顯著差異(P＞ 0.05)。可見將春箭筈豌豆引入冬青稞輪作系統(tǒng)，可有效增加土壤營養(yǎng)。

比較各輪作系統(tǒng)經(jīng)濟收益，加入蘭箭1號的V-H-R、V-H-V和R-V-R輪作系統(tǒng)收益分別為44 284和41 444 CNY·hm-2，比當?shù)貍鹘y(tǒng)的F-H-F系統(tǒng)提高了 150.6%、134.5%和 65.5%(P＜ 0.05)，V-H-V和V-H-R比R-H-R提高了21.9%和14.1%(P＜ 0.05)。此外，輪作比休閑連作能顯著提高土地的經(jīng)濟收益。在前人的研究中，輪作的經(jīng)濟效益是通過提高單位產(chǎn)量實現(xiàn)的[25]。長期輪作試驗發(fā)現(xiàn)，未施氮肥的玉米(Zea mays)-苜蓿(Medicago sativa)輪作制度下，玉米產(chǎn)量接近或超過施肥的連作下的玉米產(chǎn)量[26]。小麥-大豆-油菜-玉米輪作下，延長種植年限，作物產(chǎn)量愈顯優(yōu)勢[27]。胡麻(Ricinus communis)在輪作下比連作下可以增產(chǎn)15.3%[28]。由于輪作和連作制度不同，土壤肥力發(fā)生改變，病蟲害發(fā)生嚴重程度各異，牧草品質(zhì)間接發(fā)生改變。長期連作促使燕麥根系分泌有毒物質(zhì)，進而改變根際微生態(tài)環(huán)境，降低燕麥品質(zhì)減低[29]。此外，本研究在測定經(jīng)濟效益時，為方便統(tǒng)一，各青稞秸稈和飼草產(chǎn)量都使用了干物質(zhì)重量而非常見的風干重量，因此本研究中各輪作系統(tǒng)的經(jīng)濟效益還有一定的提升空間。

在本研究中，有蘭箭1號參與的V-H-R和V-H-V輪作系統(tǒng)整體表現(xiàn)更優(yōu)，雖R-V-R系統(tǒng)在生產(chǎn)力方面略低，但比傳統(tǒng)的耕作模式F-H-F提升很多，且避免了施肥對土壤的破壞，在土壤改良方面效果更佳。因此，蘭箭系列春箭筈豌豆有效改善了青藏高原貧瘠的土壤環(huán)境，為緩解青藏高原畜牧業(yè)飼草料短缺提供了優(yōu)良的飼草，有巨大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

1)參試的5個輪作系統(tǒng)中，以蘭箭1號-冬青稞-油菜和油菜-冬青稞-油菜產(chǎn)量較高，分別達27.24和26.89 t·hm-2，粗蛋白質(zhì)總產(chǎn)量仍是油菜-蘭箭1號-油菜系統(tǒng)最高。

2)各輪作系統(tǒng)相比，加入蘭箭1號的蘭箭1號-冬青稞-蘭箭1號和蘭箭1號-冬青稞-油菜系統(tǒng)平均土壤全氮含量均顯著高于傳統(tǒng)輪作系統(tǒng)。

3)比較各輪作系統(tǒng)經(jīng)濟產(chǎn)值，蘭箭1號-冬青稞-蘭箭1號和蘭箭1號-冬青稞-油菜最高，分別達 44 284 和 41 444 CNY·hm-2。

4)總體而言有蘭箭1號參與的蘭箭1號-冬青稞-油菜和蘭箭1號-冬青稞-蘭箭1號輪作系統(tǒng)更適合在拉薩地區(qū)推廣種植。