氮肥施用量和播種密度對甘南高寒牧區小黑麥生產性能和營養價值的影響

任昱鑫，劉漢成，田新會，杜文華

（甘肅農業大學草業學院 / 草業生態系統教育部重點實驗室 / 中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070）

禾本科作物本身沒有固氮能力，需要從土壤中吸收氮素以維持個體生長發育，但土壤中氮素含量有限，難以滿足作物需求，影響作物生產[1]。增施氮肥可提高作物產量[2]。施肥量過低時不能滿足作物生長需要，但過量或不合理施氮不僅會影響作物產量，而且會由于氮肥利用率低而造成氮肥損失，甚至污染環境[3]。王玉峰等[4]認為，氮肥利用率隨著施用量增加而降低。因此，確定適宜的氮肥施用量是實現節能減排、提高作物產量和農業效益的重要保障。

種植密度是影響作物生產性能的主要因素之一[5]。種植密度過高會導致單位面積生物量過大、種群早衰、單株瘦弱，易倒伏，對草產量影響極大[6]；種植密度過低時，雖然單株生物量高，但由于單位面積枝條數少，群體生物量仍然較低，同樣不利于高產[7]。合理的種植密度有利于提高產量，獲得最大經濟效益。游永亮等[8]研究發現，不同種植密度對河北省衡水市飼用型小黑麥草產量和倒伏性的影響較大，播種密度以110萬基本苗·hm-2最適宜。

畜牧業是青藏高原高寒牧區的支柱產業，畜牧業發展狀況直接影響牧區群眾的生活水平[9]。青藏高原生態脆弱，長期以來，由于過度放牧和氣候變化，天然草地嚴重退化[10]，飼草不足和季節不平衡嚴重制約其畜牧業發展[11]。近年來，農業科技工作者大力發展栽培草地建設，以減輕對天然草地壓力。有關燕麥(Avena sativa)栽培技術方面的研究較多[12-14]，種植技術也相對成熟。小黑麥(× Triticosecale Wittmack)是小麥屬(Triticum)和黑麥屬(Secale)植物雜交形成的新物種[15]，具有小麥高產穩產的性能和黑麥抗寒、抗旱等抗逆性強的特點[16]，在中國新疆、河北和黑龍江等地已大面積推廣種植[17]。近年來，雖然小黑麥已在青藏高原高寒牧區推廣種植，并取得了良好的示范推廣效果[18-19]，但關于小黑麥在青藏高原高寒牧區高產栽培技術尚未有相關報道。本研究擬通過研究氮肥施用量和播種密度對青藏高原東北緣甘南高寒牧區小黑麥草產量和營養價值的影響，探尋栽培小黑麥的適宜氮肥施用量和播種密度。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在合作市蘭州大學高寒草甸與濕地生態系統定位研究站進行。34°57′136″ N，102°53′54″ E，海拔2 954 m，年平均氣溫3.2 ℃，無霜期113 d，年降水量671.7 mm。高寒草甸土，土壤有機質7.56 g·kg-1，速效氮 382.25 mg·kg-1，速效磷 98.84 mg·kg-1，速效鉀45.33 mg·kg-1，pH為7.55。無灌溉條件。播種日期為2016年5月8日。

1.2 試驗材料

甘肅農業大學培育的甘農2號小黑麥品種，發芽率95%。

1.3 試驗設計

裂區設計，主區為氮肥施用量，設5個水平：A1，0 kg·hm-2；A2，120 kg·hm-2；A3，240 kg·hm-2；A4， 360 kg·hm-2； A5， 480 kg·hm-2， 分 3 次 施 入(播種前 25%，出苗期 37.5%，拔節期 37.5%)。副區為小黑麥播種密度，設5個水平：B1，506 萬基本苗·hm-2；B2，675 萬基本苗·hm-2；B3，843 萬基本苗·hm-2；B4，1 011 萬基本苗·hm-2；B5，1 180 萬基本苗·hm-2。條播，行距20 cm，播種深度3～5 cm，小區面積為4 m2( 1 m × 4 m)。試驗地周圍1 m種植保護行，試驗期間及時清除雜草，無灌溉條件。

1.4 測定指標及方法

枝條數：開花期刈割前進行。每個小區內隨機選取1 m樣段(除邊行和距地頭50 cm部分)，參考文獻[19]，并做適當調整，數取樣段內株高高于30 cm的枝條數。

株高：開花期刈割前進行。每個小區內選擇代表性植株10株，測量從地面至最高點的自然高度。10株的平均值作該區小黑麥的株高。

草產量：開花期進行[19]。齊地面刈割每個小區內所有植株的地上部分(除去邊行和地頭兩邊50 cm部分)，稱重，得到鮮草產量。從每個小區分別取樣500 g，105℃烘箱中殺青30 min，然后在70 ℃烘箱中烘7 h，恒重，稱重得到干草重，計算鮮干比。根據500 g鮮草樣的鮮干比計算每個小區的干草產量。

營養價值：將草樣粉碎，過1 mm篩子，從混合均勻的草樣中隨機取3份樣品，平行測定各項指標，粗蛋白(CP)含量測定采用凱氏定氮法，中性洗滌纖維(NDF)和酸性洗滌纖維(ADF)含量測定采用范氏的洗滌纖維分析法[20]。

1.5 綜合評價

用隸屬函數法對5個氮肥施用量和播種密度下的小黑麥營養價值進行綜合評價。隸屬函數值[X(μ1)、X(μ2)]計算公式為：

式中：X為某一小黑麥氮肥施用量(或播種密度)某一指標的測定值；Xmax為小黑麥在所有氮肥施用量(或播種密度)下該指標的最大值；Xmin為小黑麥在所有氮肥施用量(或播種密度)該指標的最小值。若所測指標與小黑麥價值呈正相關關系，則采用(1)式計算隸屬值，負相關則用(2)式。

式中：i代表氮肥施用量，1～5分別代表A1～A5氮肥施用量；j代表播種密度，1～5分別代表B1～B5播種密度；k代表小黑麥飼草綜合品質，1代表干草產量，2代表CP，3代表ADF，4代表NDF；代表小黑麥在第i個氮肥施用量、第j個播種密度下的營養評價值；代表第i個氮肥施用量、第j個播種密度下營養價值對應的隸屬函數值；代表營養價值指標權重。

小黑麥營養價值綜合評價時，根據CP、ADF和NDF在小黑麥生產中的重要程度，對各指標的分配權重，利用公式(3)計算不同氮肥施用量和播種密度下的營養評價值。

1.6 數據統計

用Microsoft Excel 2010進行數據整理和作圖。用SPSS19.0軟件進行方差分析，用裂區試驗設計的方差分析法分析氮肥施用量間、播種密度間、氮肥施用量 × 播種密度交互作用間小黑麥株高、枝條數、干草產量、粗蛋白含量、中性洗滌纖維含量和酸性洗滌纖維含量的差異顯著性。如果差異顯著，分別用Duncan法進行多重比較。用隸屬函數法對每個處理的干草產量和營養價值進行綜合評價。

2 結果與分析

從方差分析結果(表1)來看，除氮肥施用量間小黑麥的枝條數無顯著差異外，其余處理均有顯著或極顯著差異，需要進行多重比較。

2.1 株高

2.1.1 不同氮肥施用量對小黑麥株高的影響

在不同氮肥施用量下，小黑麥的株高各不相同(圖1)。其中，A3水平下小黑麥株高最高(108.8 cm)，除與A2和A5無顯著差異外(P ＞ 0.05)，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)；A4水平時，小黑麥的株高最低 (103.77 cm)，顯著低于 A3和 A5(P ＜ 0.05)。

表1 氮肥施用量、播種密度及其交互作用對小黑麥株高、枝條數以及干草產量的影響方差分析(F)Table 1 Variance analysis of the plant height, number of branches and hay yield within the nitrogen fertilizer rate,sowing density, and the interaction of the nitrogen fertilizer rate and sowing density(F)

圖1 不同氮肥施用對小黑麥株高和干草產量的影響Figure 1 Effect of different nitrogen fertilizer rates on the plant height and hay yield

2.1.2 不同播種密度對小黑麥株高的影響

隨著播種密度增加，小黑麥株高呈現出先升高后下降的趨勢(圖2)。播種密度為B4水平時，株高最高(108.87 cm)，除與B2和B3無顯著差異外(P ＞0.05)，顯著高于 B1和 B5(P ＜ 0.05)；B1播種密度下，小黑麥的株高最低，為103.33 cm，與B2、B3和 B5無顯著差異 (P ＞ 0.05)，但顯著低于 B4(P ＜ 0.05)。

2.1.3 氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥株高的影響

氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥株高有顯著影響(表2)。A3B4處理的小黑麥株高最高，為 115.67 cm，除與 A2B2、A3B3、A5B1和 A5B4差異不顯著外(P ＞ 0.05)，與其他處理間均存在顯著差異(P ＜ 0.05)；株高最低的處理為A2B1，株高為96 cm，除與A1B2、A4B1、A4B2間無顯著差異外 (P ＞ 0.05)，均顯著低于其他處理 (P ＜ 0.05)。

2.2 枝條數

2.2.1 不同播種密度對小黑麥枝條數的影響

隨著播種密度增加，小黑麥枝條數表現出先增加后減少的趨勢(圖2)。播種密度為B3時小黑麥的枝條數最多，為 742萬·hm-2，且顯著高于 B1、B2和B5(P ＜ 0.05)，B5播種密度下，平均枝條數顯著低于 B3和 B4(P ＜ 0.05)，為 543.67 萬·hm-2。

圖2 不同播種密度對小黑麥株高和枝條數的影響Figure 2 Effect of different sowing density on the plant height and the number of branches

2.2.2 氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥枝條數的影響

氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥枝條數有顯著影響，整體表現為先上升后下降的趨勢(表2)。A4B3交互作用下，小黑麥枝條數最多，為833.33 萬·hm-2，除與 A3B3、A3B4、A4B4無顯著差異外 (P ＞ 0.05)，顯著高于其他處理 (P ＜ 0.05)；A5B5處理枝條數最少；A4B3的枝條數是A5B5的1.69倍。

2.3 干草產量

2.3.1 不同氮肥施用量對小黑麥干草產量的影響

隨著氮肥施用量增加，小黑麥干草產量先增加后減少(圖1)。氮肥施用量為A3時，干草產量最高，為 15.63 t·hm-2，顯著高于 A1、A2和 A5(P ＜ 0.05)，但與A4無顯著差異(P ＞ 0.05)；A1處理的干草產量最低，為10.13 t·hm-2，顯著低于A3和A4處理(P ＜0.05)。

2.3.2 不同播種密度對小黑麥干草產量的影響

隨著播種密度增加，小黑麥干草產量先增大后減小 (圖 3)。B3的干草產量最高，為 15.30 t·hm-2，顯著高于其他處理(P ＜ 0.05)；B5播種密度的小黑麥干草產量顯著低于B3和B4處理(P ＜ 0.05)，干草產量為 10.47 t·hm-2。

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圖3 不同播種密度對小黑麥干草產量的影響Figure 3 Effect of different sowing density on the hay yield

2.3.3 氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥干草產量的影響

A3B3處理下的干草產量最高(22.13 t·hm-2)，其次 為 A4B3(16.79 t·hm-2)、 A4B4(16.24 t·hm-2)和A3B4(15.9 t·hm-2)(表2)；氮肥施用量和播種密度交互作用下干草產量最低的處理為A2B5(8.24 t·hm-2)，除與 A1B1、A1B5、A5B1無顯著差異外 (P ＞ 0.05)，與其他處理間均存在顯著差異(P ＜ 0.05)；其余處理的干草產量居中。總體來看，小黑麥干草產量在播種密度為B3和B4時較高，氮肥施用量為A3和A4時較高。

2.4 營養價值

2.4.1 不同氮肥施用量對小黑麥營養價值的影響

氮肥施用量對小黑麥營養價值影響極明顯(表3)。A3和A4處理下小黑麥青干草的CP含量無顯著差異(P ＞ 0.05)，但顯著高于其他處理(P ＜0.05)；A3處理的ADF含量最低，且顯著低于其他處理，A1處理的含量最高；隨著氮肥施用量增加，小黑麥青干草的NDF含量先降低后升高，A2處理的含量最低。

2.4.2 不同播種密度對小黑麥營養價值的影響

隨著甘農2號小黑麥播種密度的增加，CP含量先降低后增加，B5時CP含量最高(表4)；ADF和NDF含量則隨著播種密度增加而降低，播種密度最大時，ADF和NDF含量最高。

2.4.3 氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥營養價值的影響

不同處理間營養成分差異較大(表2)，A3B5的CP含量最高，顯著高于除A4B1外的其他處理(P ＜ 0.05)，A1B1條件下CP含量最低；A3B5和A4B5的ADF含量無顯著差異(P ＞ 0.05)，且顯著低于其他處理，A1B1的ADF含量顯著高于其他處理；A5B5、A4B5和A4B4的NDF含量無顯著差異，顯著低于其他處理，A1B1和A1B2的NDF 含量顯著高于其余處理。

表3 氮肥施用量對小黑麥營養價值的影響Table 3 Effect of different nitrogen fertilizing rates on the nutritional value

表4 播種密度對小黑麥營養價值的影響Table 4 Effect of different Sowing density on the nutritional value

3 綜合評價

由于本研究不同處理下甘農2號小黑麥的干草產量和營養價值表現不一致，無法獲得最佳氮肥施用量和播種密度。隸屬函數法可以消除個別指標帶來的片面性，使各處理下小黑麥草產量和營養價值的差異具有真實可比性，所以本研究利用隸屬函數法對不同處理下甘農2號小黑麥的草產量和營養價值進行綜合評價。根據干草產量和營養價值在小黑麥飼草生產中的重要程度，各指標的權重值分別為干草產量0.4，CP含量0.30，ADF和NDF分別為0.15。利用公式(3)計算各個氮肥施用量和播種密度下的營養評價值(表5)。5個氮肥施用量中A3的綜合評價值最高(0.53)，A4次之(0.45)；5個播種密度中B3的綜合評價值最高，為0.55。氮肥施用量 × 播種密度交互作用下，A3B3的綜合評價值最高。由此說明，無論播種密度高低，氮肥施用量為240 kg·hm-2時，甘農2號小黑麥草產量和營養價值的綜合表現最好；無論氮肥施用量高低，播種密度為843萬基本苗·hm-2時，甘農2號小黑麥草產量和營養價值的綜合表現最好；甘農2號小黑麥獲得較高草產量和營養價值的適宜氮肥施用量為 240 kg·hm-2，播種密度為 843 萬基本苗·hm-2。

表5 單因素間和氮肥施用量 × 播種密度交互作用的小黑麥綜合評價值Table 5 Comprehensive evaluation values within the single factors and the interactions of nitrogen fertilization rate and sowing density

4 討論與結論

青藏高原地理環境獨特、氣候條件惡劣，近年來，人們片面追求經濟效益而不注重生態環境的保護，超載過載放牧等行為致使草地退化，草原荒漠化和沙化面積不斷增加，當地農牧民的生產受到嚴重威脅。在這種情況下，研究青藏高原高寒牧區小黑麥高產栽培技術對提高單位面積草產量，發展現代草地畜牧業具有重要意義。

4.1 氮肥施用量對小黑麥生產性能和營養價值的影響

氮肥施用量影響作物的生長發育狀況、草產量及種子產量[21]。氮素影響小黑麥草產量[22]，在小麥生長期，氮素會影響土壤氧化酶活力，進而影響作物從土壤中吸取養分的能力，影響作物產量[23]。本研究表明，隨著氮肥施用量增加，甘農2號小黑麥的干草產量先增加后降低，施肥量為240 kg·hm-2時最高，施肥量達到480 kg·hm-2時干草產量顯著降低。從而說明，在一定范圍內，小黑麥草產量隨著氮肥施用量的增加而增加，但施氮量過多時會使草產量降低，這與前人的研究結果一致。但本研究最佳施肥量要比王春宏等[24]高，可能是由于高寒牧區溫度較低，作物吸收的養分除構成機體所需外，還需要消耗部分養分用于御寒[25]，因此對肥力要求較高。另外和土壤本身的肥力狀況有關。氮肥施肥量為240 kg·hm-2時，雖然甘農2號小黑麥的枝條數和其他施肥量無顯著差異，但其株高達到最大值(圖1)，這也是獲得較高草產量的原因。CP和ADF、NDF含量是評價飼草營養價值的重要指標。增施氮肥能夠顯著提高裸燕麥的CP含量，但氮肥施用量超過一定限度時，營養價值有所下降[26]。本研究表明，隨著氮肥施用量增加，甘農2號小黑麥的CP含量先增加后降低，NDF和ADF含量先降低后增加，氮肥施用量為240 kg·hm-2時營養價值最高。這主要是因為氮肥施用量太大時(360～480 kg·hm-2)，有些單株的葉片出現燒苗現象，葉尖開始變黃，甚至枯死，造成營養價值下降。

4.2 播種密度對小黑麥生產性能和營養價值的影響

播種密度對作物產量有顯著影響，密度太小時，雖然單株生物量較高，但群體密度較低；密度太大時則由于作物群落結構的重疊，會降低單位葉片的葉綠素含量和比葉重等指標，使作物產量下降[27]。本研究得出，播種密度為B3(843萬基本苗·hm-2)時，甘農2號小黑麥的干草產量達到最高水平，這主要是因為該播種密度下，甘農2號小黑麥的枝條數最多，株高較高(圖2)，而小黑麥的草產量與枝條數極顯著正相關，與株高顯著正相關[28]。該播種密度是游永亮等[8]最佳播種密度(110萬基本苗·hm-2)的8倍，這說明，小黑麥進行干草生產(本研究)時的播種密度要高，進行種子生產(游永亮等[8])時則要求播種密度低。播種密度是造成紫花苜蓿(Medicago sativa)CP含量差異的主要因素，在一定范圍內，隨著播種密度增加，CP含量呈上升趨勢[29]。本研究得出，隨著播種密度增加，甘農2號小黑麥的CP含量先降低后升高，ADF和NDF含量持續降低，可能是因為播種密度較低時，蛋白酶的活性降低，蛋白質的降解能力減弱，蛋白質積累增多[30]，但隨著密度進一步增加，甘農2號小黑麥的莖稈越來越細，莖稈的占比越來越小，因此CP含量逐漸增加，而ADF和NDF含量逐漸降低。

4.3 氮肥施用量 × 播種密度交互作用對小黑麥生產性能和營養價值的影響

增施氮肥和適當增加種植密度可在一定程度上控制雜草，有利于作物生長發育[31]。播種密度和施肥影響作物葉面積系數和機體的葉綠素含量[32]。但不同作物有其適宜的氮肥需要量和播種密度。隨著施肥量和種植密度的增加，糯高粱(Sorghum bicolor)的株高、莖粗、穗長和產量均表現出先增大后減小的趨勢[33]。肥料和密度的互作效應對蔗糖產量的影響較大，中等肥力和中高密度處理的蔗糖產量最高[34]。隨著播種密度增加和施肥水平提高，密植大豆(Glycine max)產量呈先升高后降低的趨勢[35]。本研究表明，隨著氮肥施用量和播種密度的增加，甘農2號小黑麥的株高、枝條數、干草產量均表現出先增加后降低的趨勢，A3B3(氮肥施用量為240 kg·hm-2，播種密度為843萬基本苗·hm-2)處理的干草產量最高。隨著氮肥施用量和播種密度的進一步增大，干草產量逐漸降低(表2)。牧草營養價值的高低直接影響其飼喂效果，CP含量越高，NDF、ADF含量越低，牧草的飼喂效果越好。CP含量是牧草中含氮物質的總和，是決定牧草營養價值的重要指標；NDF含量的高低則影響飼草的適口性，含量高則適口性差，使家畜的采食量降低；ADF含量影響飼草消化率，其含量越高，家畜對牧草的消化率越低[36]，本研究發現隨著氮肥施用量增加甘農2號小黑麥的CP含量先升高后降低，NDF和ADF含量總體呈降低趨勢，這與賈志峰等[37]的結果一致。

綜上，甘南高寒牧區甘農2號小黑麥春播條件下的最佳氮肥施用量為240 kg·hm-2，播種密度為843 萬基本苗·hm-2。