施肥對黃土高原紫花苜蓿產量及品質的影響

陳香來，潘 佳，陳利軍，袁 禎，胡小文

（蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室 / 蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室 /蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州 730020）

紫花苜蓿(Medicago sativa)是一種重要的多年生豆科草本植物，其產草量高，草質優良，營養含量高，適口性好，具有較高的飼用價值，被廣泛用作飼料與牧草[1-2]。紫花苜蓿是全球種植面積最大的多年生作物之一，也是世界分布最廣、栽培歷史最悠久的飼草作物之一。

施肥是保證苜蓿田持續利用和高產的有效手段[3]。氮、磷、鉀的合理施用量及配比是提高苜蓿對肥料利用率，增加苜蓿產量，提高苜蓿品質的重要因素[4]。施肥對苜蓿產量及品質的影響已被廣泛研究。尚晨等[5]通過在黑龍江對苜蓿進行施肥研究表明，刈割后施肥可以顯著提高苜蓿產量，但對苜蓿粗蛋白含量無顯著影響。胡華鋒等[6]在河南通過研究氮、磷、鉀配施對苜蓿飼草產量與微量元素營養的影響，結果表明，氮、磷、鉀肥配施效果顯著優于單施，且能提高苜蓿草產量及鐵、錳等微量元素的含量。在寧夏的研究結果顯示，施氮肥可達到明顯的增產效果，施磷肥效果不顯著，過量施鉀肥導致草產量降低[7]。Jone 等[8]研究表明，施加磷肥可提高苜蓿產量，然而添加微量元素則不會增加苜蓿產量。Berg 等[9]研究發現，磷肥和鉀肥通過改善苜蓿本身的生產性能和其生長的持久性，進而達到增產的效果。Hakl 等[10]研究表明，在磷肥和鉀肥施量不變的條件下，苜蓿產量隨氮肥的添加呈現減產趨勢。綜合國內外研究表明，施肥對苜蓿產量和品質的影響因其栽培區域與土壤環境不同而表現各異。因而，針對特定區域，開展施肥對苜蓿產量和品質的影響對于其栽培利用具有重要的生產實踐價值。

紫花苜蓿在我國黃土高原地區具有1 000 多年的種植歷史[11-12]。但長期以來，在黃土高原地區特別是傳統農區，紫花苜蓿通常只是作為一種輔助性的飼草來源在邊際土地上進行種植，苜蓿栽培普遍存在管理粗放、單產不高、品質差、經濟效益低等問題[13-14]，這在一定程度限制了苜蓿這一優質飼草資源在當地的利用?；诖?，本研究通過連續3 年的試驗探討不同氮、磷、鉀施肥配比對苜蓿產量及品質的影響，以期為黃土高原區苜蓿生產提供最佳施肥方案和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于蘭州大學慶陽黃土高原試驗站(35°40′ N，107°52′ E)，屬于典型的大陸性氣候，海拔1 146 m，年均降水量562 mm，全年降水的70%集中于7 月- 9 月，年均潛在蒸發量1 504 mm，≥10 ℃年平均積溫為3 446 ℃·d，極端最高氣溫39.6 ℃，極端最低氣溫為-22.4 ℃，無霜期161 d，生長季225 d[15]。試驗地土壤全氮含量0.6 g·kg-1，速效磷含量23.0 mg·kg-1，速效鉀含量179.4 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1 供試材料

供試苜蓿品種為甘農3 號。2015 年9 月8 日播種，自2016 年開始測定苜蓿干草產量和品質，連續測定3 年。施用肥料：尿素，含N 46%；過磷酸鈣，含P2O516%；硫酸鉀，含K2O 51%。

1.2.2 試驗設計

施肥設置氮、磷、鉀3 個因子，每個因子4 個水平，其中N：0、50、100 和50 kg·hm-2，分別記為N0、N1、N2和N3；P2O5：0、60、120 和180 kg·hm-2，分 別 記 為P0、P1、P2和P3；K2O：0、60、120 和180 kg·hm-2，分別記為K0、K1、K2和K3。共30 個處理(表1)，每個處理重復3 次，共90 個小區。田間試驗采用隨機區組設計，小區面積為4 m × 5 m，小區間隔0.5 m。

1.2.3 栽培與施肥管理

于2015 年9 月8 日條播，行距30 cm，播量為22.5 kg·hm-2。播 種 當 年 不 施 肥，于2016、2017、2018 年進行施肥處理，1/2 的氮肥、全部的磷肥和鉀肥混合，在返青時一次性施入，第1 次刈割后追肥1/2 的氮肥，開溝條施。整個試驗期不進行人工灌水處理。每年頭茬在初花期進行刈割，而后每45 d 刈割1 茬，共3 茬。

1.2.4 測定項目及方法

鮮、干重測定：在初花期開花數為10%時刈割，各小區收割面積為9 m2，留茬5 cm 左右，稱鮮重，并隨機稱取各處理的鮮草300 g 左右，試驗室殺青后置于65 ℃烘箱烘干至恒重，測其干重，得到鮮干比，進而換算出其干草產量。最后將干草樣用粉草機粉碎，置于自封袋中，用作牧草品質分析。

品質測定：2016、2017 年使用KDN-103F 半自動凱氏定氮儀采用凱氏定氮法測定粗蛋白含量[16]；用ANKOM2000 纖維分析儀測定中、酸性洗滌纖維含量[17]；用干灰分法測定粗灰分含量[18]。研究表明，國標法與NIR 光譜測定品質，相對誤差小于5%[19]。2018 年 使 用FOSS 公 司 的NIR System 5000近紅外光譜分析儀掃描分析品質。工作參數：波長范圍1 100-2 500 nm，波長間隔2 nm，每個樣品重復裝樣及掃樣3 次，取平均值，并轉化為lg1/R形式記錄光譜數據。定標軟件為 WinI-SIⅢ，工作條件室溫25 ℃穩定[20]。

表 1 各處理施肥量Table 1 Fertilizer treatment

1.3 數據分析

將2016、2017、2018 年干草產量直接相加得出3 年干草產量，運用SPSS 21.0 軟件對數據進行統計分析，對氮、磷、鉀肥的主效應和互作效應進行方差分析，采用LSD 法進行多重比較，利用Excel 2010 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 施肥對紫花苜蓿產量的影響

2.1.1 不同施肥處理對紫花苜蓿草產量的影響

2016、2017、2018 各年以及3 年干草產量，施肥處理均高于對照處理(N0P0K0)，不同年份間施肥影響效果各異(表2)。2016 年產量數據顯示，施肥處理均顯著提高了苜蓿干草產量(P＜0.05)，增產幅度為9.6%～44.0%，其中，N2P3K2處理干草產量最高，為14.66 t·hm-2，對照處理干草產量最低，為10.18 t·hm-2。2017 年產量數據顯示，23 個施肥處理顯著高于對照處理(P＜0.05)，增產幅度為13.4%～57.5%。N1P2K1處理干草產量最高，為13.70 t·hm-2，對 照 處 理 產 量 最 低，為8.70 t·hm-2。2018 年 產量 數 據 顯 示，N0P1K0、N0P2K0、N1P0K1、N1P1K0、N1P2K1、N1P2K2等10 個處理干草產量顯著高于對照(P＜0.05)，增產幅度為10.1%～37.5%。其中，對照處理干草產量為8.85 t·hm-2，N1P2K1處理干草產量最高，為12.16 t·hm-2。

2.1.2 主效應和互作效應的差異顯著性分析

氮、磷、鉀肥的主效應和互作效應方差分析結果顯示(表3)，鉀肥對苜蓿干草產量無顯著影響(P ＞0.05)，而氮肥和磷肥能顯著增加苜蓿干草產量(P ＜0.05)。施氮肥顯著增加了2016 年和2017 年干草產量，施磷肥顯著增加了2016 年和2018 年干草產量。氮肥和磷肥的互作對對2016 年干草產量有顯著影響(P＜0.05)，對3 年干草產量無顯著影響(P ＞0.05)。

氮肥各水平間的多重比較顯示(表4)，當氮肥水平為50 和100 kg·hm-2時，3 年干草產量均顯著高于0 和150 kg·hm-2水平(P＜0.05)。磷肥各水平間的多重比較顯示，當磷肥水平為120 kg·hm-2時，3 年干草產量顯著高于0 kg·hm-2水平(P＜0.05)，與60 和180 kg·hm-2水平接近(表5)。

表 2 氮、磷、鉀配比施肥對紫花苜蓿干草產量的影響Table 2 Effects of combinations of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer on hay yield of alfalfa

2.1.3 不同施肥處理對3 年紫花苜蓿干草總產量的影響

利用3 年總干草產量與施肥處理進行二次肥料效應函數的擬合，建立了氮、磷、鉀3 種肥料用量與產量的回歸方程Y = 3.312 + 2.596 N + 2.513 P +2.546 K + 1.168 N2+ 3.106 P2+ 1.554 K2-2.895 NP -1.836 NK + 1.364 PK。經過F 檢驗，3 年產量F 值為4.60，達到極顯著水平(P＜0.01)，表明上述模型擬合性好，可用于決策苜蓿的合理施肥。通過對肥料效應函數進行求解，獲得不同函數類型下的最高產量與適宜施肥量?？色@得的最高年產量(Y)為41.18 t·hm-2，其相應施肥方案為N 68.3 kg·hm-2、P2O5130.7 kg·hm-2、K2O 55.0 kg·hm-2。

2.2 施肥對紫花苜蓿品質的影響

從3 年苜蓿品質的均值分析可得，隨年際增加，粗蛋白含量和相對飼用價值呈先上升后下降趨勢，中性洗滌纖維含量呈下降趨勢，酸性洗滌纖維含量呈先下降后上升趨勢，粗灰分含量無明顯變化(表6、表7)。施肥處理對2016、2017、2018 年苜蓿干草粗蛋白含量均有顯著影響(P＜0.05)，且各施肥處理影響效果各異。2016 年，N2P2K0處理粗蛋白含量最高，為19.18%，較對照增加了39%；2017 年，N1P2K1處理粗蛋白含量最高，為19.54%，較對照增加了47%；2018 年，N2P1K2處理粗蛋白含量最高，為19%，較對照增加了31%。施肥處理顯著影響了中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量(P ＜0.05)，與對照相比，2016、2017 和2018 年中性洗滌纖維含量最大降幅分別為21%、22%和22%，酸性洗滌纖維含量最大降幅分別為24%、23%和22%。施肥顯著提高了苜蓿相對飼用價值(P＜0.05)，相對飼用價值因施肥處理不同表現各異，2016、2017和2018 年最大增幅分別為27%、23%和26%。粗灰分含量隨年際增加無明顯變化，且各施肥處理間無顯著差異(P ＞ 0.05)。

表 3 氮、磷、鉀配比施肥對紫花苜蓿干草產量影響的方差分析Table 3 Variance analysis of the hay yield of alfalfa fertilized with various combinations of nitrogen, phosphorus, and potassium fertilizer

表 4 氮肥各水平間的多重比較Table 4 Multi-comparison of the hay yield of alfalfa among different nitrogen levels

表 5 磷肥各水平間的多重比較Table 5 Multi-comparison of the hay yield of alfalfa among different phosphorus levels

3 討論

草產量是衡量牧草生產性能的重要指標。本研究中，3 年苜蓿干草產量具有一定的差異，這說明年限差異會對產量造成一定影響[21]。溫洋[22]通過研究磷、鉀施肥配比對苜蓿產量的影響，發現第1 年與第2 年具有基本一致的生長規律，且第2 年較第1 年增產34.6%。但在本研究中，苜蓿干草產量隨年際增加呈下降趨勢，且3 年氮、磷、鉀配比施肥造成的產量變化規律不一致，造成這一結果的原因可能與施肥的苜蓿地土壤肥力高低有關。研究表明，在低肥供應能力的土壤上施加適量的氮、磷、鉀肥有利于苜蓿增產，而在土壤肥力較高的土壤上施肥則會導致草產量降低[23]。本研究顯示，2016 年首次施肥顯著提高了干草產量(P ＜0.05)，這說明該試驗地在施肥前，土壤肥力相對較低，不能夠滿足苜蓿正常生長所需。在2017 年和2018 年施肥后，干草產量呈下降趨勢，這說明在施肥第2 年，該試驗地的土壤肥力已經達到苜蓿生長的需要，過量的施肥則會導致干草產量下降。此外，苜蓿受年降水量的影響，產草量波動較大[24]。慶陽地區年降水量數據顯示，2016 年降水量為577 mm，2017 年降水量為522 mm，2018 年降水量為497 mm，這說明降水量的減少影響了苜蓿生長，這有可能是導致苜蓿干草產量隨年際增加呈下降趨勢的原因。

表 7 不同施肥處理對紫花苜蓿相對飼用價值和粗灰分含量的影響Table 7 Effects of fertilizer treatment on relative feeding value of alfalfa

氮肥可以提高苜蓿草產量[25-26]。施氮肥顯著提高了苜蓿3 年的干草產量(P＜0.05)，其中對2016年和2017 年干草產量具有顯著影響(P＜0.05)，這一結果與成紅等[27]的研究結果相似，然而對2018 年干草產量無顯著影響(P ＞ 0.05)，這說明苜蓿在生長發育過程中可以形成根瘤菌，并進行固氮作用，對根瘤菌已經形成的苜蓿地過量施氮肥，這并不能顯著提高干草產量甚至產生負效應[28-29]。隨著氮肥施入量的增加，苜蓿干草產量呈先上升后下降趨勢，這說明氮肥施量過高，導致根系產量減少，根系形態發育改變，進而影響到幼苗生長而減產[30]。施磷肥能夠增加苜蓿根重、增加根瘤菌數，有效提高苜蓿鮮干草產量[31]。本研究中，在土壤缺磷時施適量的磷肥可顯著提高苜蓿干草(P＜0.05)，施磷量為180 kg·hm-2時，干草產量降低，這說明干草產量隨施磷量增加而增加，超出范圍后產量呈下降趨勢[32]。研究表明，高氮、高磷、高鉀條件則會導致草產量大幅度下降[33]，說明過量施氮、磷、鉀肥不能提高干草產量，而且造成肥料的浪費。綜上所述，在黃土高原區，氮肥的施肥量不宜超過100 kg·hm-2, 磷肥的施肥量不宜超過180 kg·hm-2。

本研究表明，不同年際間苜蓿品質差異不大，這與苗福泓等研究結果相似[34]。牧草蛋白質含量是評價飼草質量的重要指標，粗蛋白含量越高，中性洗滌纖維含量越低，適口性高，易消化，故營養價值越高[35]。本研究結果基本反映了上述研究觀點，施肥顯著增加粗蛋白含量，降低中性洗滌纖維與酸性洗滌纖維含量，提高相對飼用價值，但對粗灰分含量無明顯影響。不施氮肥條件下，粗蛋白含量隨磷肥和鉀肥的增加而增加，原因可能是磷肥能增加根瘤菌數，進而增強固氮作用[36]，鉀肥能增加苜蓿生物產量，進而增加了粗蛋白含量[37]。施氮量為100 和150 kg·hm-2，粗蛋白含量隨磷肥增加而降低，這可能是因為已經形成了以磷促氮的效果，過量的氮肥反而降低了苜蓿品質[38]。粗蛋白含量隨鉀肥的增加無明顯變化，這可能是由于黃土高原區土壤鉀含量較高，足以滿足紫花苜蓿的正常生長，過高的鉀含量則會抑制紫花苜蓿生長[39]。綜合前人研究與本研究結果，適當施用氮、磷、鉀肥能夠提高紫花苜蓿的品質。

4 結論

合理的配比施肥可有效提高黃土高原區紫花苜蓿產量與品質。年際不同，則各施肥處理對苜蓿干草產量和品質的影響效果亦表現各異。隨年際增加，苜蓿干草產量整體呈下降趨勢，首次施肥苜蓿產量最高為14.66 t·hm-2，第2 年為13.70 t·hm-2，第3 年為12.16 t·hm-2。基于3 年干草總產量與施肥處理的函數關系得出，施氮肥68.3 kg·hm-2、磷肥130.7 kg·hm-2、鉀肥55.0 kg·hm-2，可獲得最高年產量41.18 t·hm-2。綜合3 年的苜蓿品質數據，施肥能增加粗蛋白含量，降低中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量，提高相對飼用價值，而粗灰分含量無明顯變化，其中，N2P2K0處理下粗蛋白含量最高。