施氮與刈割對隴東地區高羊茅產量、品質及氮肥利用的影響

王 夏，石 薇，馬 澤，賈倩民*, 常生華，侯扶江

(1.蘭州大學草種創新與草地農業生態系統全國重點實驗室；蘭州大學農業農村部草牧業創新重點實驗室；蘭州大學草地農業教育部工程研究中心；蘭州大學草地農業科技學院；甘肅 蘭州 730020；2.寧夏回族自治區草原工作站，寧夏 銀川 750000)

隴東黃土高原自古農業發達，但由于地形溝壑縱橫以及過量施肥等原因造成該地區水土流失嚴重、土壤環境惡化[1-2]。研究表明，多年生牧草具有持續利用時間長、經濟效益高等優點[3]，并且多年生牧草固土改土、涵養水源等功能優于一年生牧草，具有水土保持、改善土壤環境等生態效益[4-5]。耕地農業向草地農業的轉化有利于生態建設與農業發展有效結合[6]。因此，在黃土高原地區種植多年生牧草可兼顧生態與經濟效益。高羊茅(FestucaarundinaceaL.)是一種禾本科多年生草本植物，其生長速度快且適應性強，是草地建設的重要草種[7]。Kunrath等[8]研究發現，土壤水分不足影響高羊茅根系氮吸收效率，進而影響牧草產量。然而，Errecart等[9]研究報道，高羊茅具有較強的吸氮能力，在極端水分脅迫下才會引起氮吸收量下降。隴東黃土高原地區降水較少，蒸散量大，水分虧缺嚴重，在該地區如何建植高產優質的高羊茅草地有待進一步研究。

氮肥對提高牧草產量、改善牧草品質具有重要作用，并且在不同生長階段牧草對氮素具有不同需求，氮肥施用量、施用期與牧草產量息息相關[10]。肖祥銘等[11]研究表明，隨著施氮量的增加牧草產量提高，并且施氮提高了牧草的粗蛋白和粗脂肪含量。史曉鵬等[12]研究發現，施氮可提高草地土壤銨態氮和硝態氮含量，利于牧草根系吸收養分，從而增加生物量。Shi等[13]研究表明，春季施用氮肥可增加牧草產量，秋季施用氮肥可提高氮肥利用效率。龐立東等[14]研究表明，追施合理氮肥可以提升牧草碳、氮代謝速率，從而有效提高牧草產量及氮肥利用效率。然而，也有一些研究認為，過量施氮不利于牧草生長[15-16]。王丹等[17]研究表明，氮素過量會抑制牧草對其他營養元素的吸收，使牧草產量和品質降低。秦文利等[18]研究發現，隨著氮肥施入量的增加，牧草根系形態發育改變，使牧草產量和品質呈先上升后下降趨勢。并且有研究發現，氮肥的過量施用，還會導致作物晚熟減產，降低氮肥利用效率[19]。因此，在黃土高原地區研究高羊茅適宜的施氮量對該地區草牧業發展具有重要意義。

除施氮外，合理刈割也是提高牧草產量和品質的有效措施[20]。李明和郭孝[21]對高羊茅進行不同刈割處理的研究發現，刈割高度和刈割周期對牧草生長有很大影響，頻繁刈割或不常刈割都將影響牧草的新陳代謝以及地上生物量積累。宋書紅等[22]研究發現，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)和紅豆草(OnobrychisviciifoliaScop.)的營養品質隨著刈割茬次的增加而降低，其中刈割第1茬的營養品質最高。徐然然等[23]研究表明，多次刈割較常規刈割有利于增加燕麥干草產量，改善牧草品質。楊利燁等[24]研究發現，多次刈割有益于提高‘隴東苜蓿’的產量和品質。但是，王德平等[25]研究顯示，刈割強度和刈割時間對大針茅(StipagrandisP.Smirn.)草地的飼用價值影響不顯著，并且隨刈割時間的推后牧草粗蛋白含量下降。另外，McCartney等[26]研究發現，多次刈割不僅會提高牧草的氮含量，并且牧草的氮吸收量比兩次刈割處理平均高出24%。然而，在黃土高原地區高羊茅草地適宜的刈割頻率仍不確定，有待進一步研究。為此，本研究于2019和2020年在黃土高原地區建植高羊茅草地，探究不同施肥量和刈割頻率對高羊茅草地產草量、品質及氮肥利用的影響，明確該地區高羊茅草地適宜的施肥量和刈割頻率，為該地區栽培草地建植和草牧業發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省慶陽市環縣蘭州大學草地農業試驗站(36°29′N,107°44′ E，海拔1 180 m)，為典型的黃土高原氣候區。該地區2019和2020年全年降水量分別為505 mm和434 mm，年平均溫度分別為10.0℃和10.5℃，降水主要集中在夏季，屬半干旱大陸性季風氣候。0～20 cm土層土壤有機碳為4.9 g·kg-1，全氮含量為0.67 g·kg-1，速效磷含量為11.6 mg·kg-1，速效鉀含量為142 mg·kg-1，pH值在8.5。

1.2 試驗設計和田間管理

本試驗采用裂區試驗設計，設置0 kg·hm-2(N1)，80 kg·hm-2(N2)和160 kg·hm-2(N3)3個施氮量，每個施氮量下設置每25 d刈割(M1)、每50 d刈割(M2)、每75 d刈割(M3)3個刈割頻率。共9個處理，每個處理重復3次，共27個小區，小區間設1 m保護行，小區面積為40 m2(8 m×5 m)。高羊茅品種為‘牛妞’(Festucaarundinacea‘Niuniu’)，播種量為45 kg·hm-2，于2017年8月施用225 kg·hm-2磷酸氫二銨作為基肥。2018年未進行試驗，2019年采用開溝條施的方法施氮肥，N1處理不施氮肥，N2處理在高羊茅返青期施氮80 kg·hm-2，N3處理在高羊茅返青期和第1次刈割后均施氮80 kg·hm-2。刈割處理在高羊茅抽穗時(2019年6月13日和2020年6月15日)進行第1次刈割,之后每種草地類型設置3個不同的刈割處理(每隔25 d、每隔50 d、每隔75 d進行刈割),留茬高度均為 8 cm。

1.3 測定項目及方法

每個小區隨機選取3個1 m2的樣地進行取樣，立即稱量鮮重，之后將樣品于65℃烘箱內烘48 h以上至恒重，測其干重計算干草產量。將烘干后的樣品粉碎，密封干燥儲存，用于營養成分的測定。使用近紅外分析儀(FOSS-NIRS DS 2500，丹麥)測定牧草粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)和中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)等營養成分含量以及氮含量。利用公式計算相對飼用價值(Relative feed value，RFV)、氮吸收量和氮肥利用效率。

運用灰色關聯度分析法[27]，以干草產量、粗蛋白產量、粗蛋白含量、粗脂肪含量、粗灰分含量、ADF含量、NDF含量和RFV這8個指標進行綜合評價。

1.4 數據處理與統計方法

采用Excel 2010 進行數據統計與制圖，使用SPSS18 軟件進行兩因素方差分析檢驗施氮量與刈割頻率及兩者交互作用對各指標的作用，采用圖基-B法(Tukey’s-B Method)對各處理間進行多重比較，顯著性水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 干草產量

如表1所示，同一施氮量下，2019年第1～3茬牧草的干草產量表現為M3>M2>M1，其中M3處理的第2，3茬干草產量顯著高于M1(P<0.05)。2020年各處理的第1茬干草產量無顯著差異，在同一施氮量下M3處理的第2，3茬干草產量顯著高于M1(P<0.05)。2019年各處理的第4茬干草產量差異不顯著，而在2020年M2處理的第4茬干草產量顯著高于M1(P<0.05)。相同刈割頻率下，2019年各茬干草產量表現為N3>N2>N1；2020年各茬干草產量表現為N3和N2處理高于N1。

表1 各茬高羊茅的干草產量

如圖1所示，2019和2020年施氮量和刈割頻率對全年干草產量影響極顯著(P<0.01),而兩者的交互作用影響不顯著。2019年在不施氮條件下M2的全年干草產量顯著高于M1和M3(P<0.05)，而在2019年低氮和高氮條件下以及2020年3個施氮條件下各刈割處理無顯著差異。平均值顯示，2019年M2處理的全年干草產量顯著高于M1和M3(P<0.05)，2020年M2處理顯著高于M3(P<0.05)。M1，M2處理的兩年平均全年干草產量較M3分別增加了4.7%和10.7%。2019年在M2刈割頻率下，N3的全年干草產量顯著高于N1(P<0.05)，而在M1和M3刈割頻率下各施氮處理無顯著差異。2020年在M1刈割頻率下，N2和N3處理的全年干草產量顯著高于N1(P<0.05)，而在M2和M3刈割頻率下各施氮處理無顯著差異。平均值顯示，兩年N2和N3處理的全年干草產量顯著高于N1(P<0.05)，兩年平均干草產量較N1分別增加了13.5%和15.5%。

圖1 不同處理下高羊茅的全年干草產量

2.2 粗蛋白產量

同一施氮量下，兩年各刈割處理的第1茬粗蛋白產量無顯著差異(表2)，2019年第2，3茬粗蛋白產量表現為M3>M2>M1，其中M3處理顯著高于M1(P<0.05)。2020年同一施氮量下M2和M3處理的第2，3茬粗蛋白產量顯著高于M1(P<0.05)。2019年在N1和N2條件下，M1處理的第4茬粗蛋白產量顯著高于M2(P<0.05)，而在2020年差異不顯著。兩年在M2刈割頻率下，第1～4茬牧草N3處理的粗蛋白產量顯著高于N1(P<0.05)，2020年在M1刈割頻率下，第4～6茬干草產量表現為N3和N2處理顯著高于N1(P<0.05)。

如圖2所示，2019和2020年施氮量和刈割頻率對全年粗蛋白產量影響極顯著(P<0.01),而交互作用影響不顯著。2019年在同一施氮條件下以及2020年N1條件下，各刈割處理的全年粗蛋白產量差異不顯著，2020年在低氮肥和高氮肥條件下M1處理的全年粗蛋白產量顯著高于M3(P<0.05)。平均值顯示，2019年M2處理的全年粗蛋白產量顯著(P<0.05)高于M3，與M1差異不顯著；2020年M1和M2處理顯著高于M3(P<0.05)。M1，M2處理的兩年平均全年粗蛋白產量較M3分別增加了12.25%和11.78%。兩年在M1和M2刈割頻率下，N3處理的全年粗蛋白產量顯著高于N1(P<0.05)。N2和N3處理的兩年平均全年粗蛋白產量較N1分別增加了21.34%和25.25%。

圖2 不同處理下高羊茅的全年粗蛋白產量

2.3 營養成分含量

如表3所示，2019和2020年施氮量和刈割頻率的交互作用對全年各營養成分影響不顯著。2020年施氮量對粗蛋白含量影響顯著(P<0.05)，而對其他營養成分含量無顯著影響；刈割頻率對NDF含量以及2019年ADF含量影響極顯著(P<0.01)。兩年在同一施氮量下，不同刈割頻率的各營養成分含量無顯著差異。平均值表明，M1處理兩年NDF含量以及2019年ADF含量顯著低于M2和M3(P<0.05)。兩年在同一刈割頻率下，不同施氮量處理的各營養成分含量無顯著差異。平均值顯示，2020年N2和N3處理的粗蛋白含量顯著高于N1(P<0.05)，較N1分別提高8.7%和10.8%。

表3 不同處理下高羊茅的全年營養成分含量

2.4 相對飼用價值

如圖3所示，2019和2020年刈割頻率對全年相對飼用價值影響極顯著(P<0.01),而施氮量及交互作用影響不顯著。2019年在不施氮條件下M1處理的相對飼用價值(Relative feed value，RFV)顯著高于M3(P<0.05)，而在2019年低氮和高氮條件下以及2020年3個施氮條件下各刈割處理無顯著差異。兩年在相同刈割頻率下，各施氮處理的RFV無顯著差異。因素水平的平均值顯示，兩年各施氮處理的RFV無顯著差異；M1處理的RFV顯著高于M2和M3(P<0.05)，兩年平均RFV較M2和M3分別提高出10.05%和17.22%。

圖3 不同處理下高羊茅的全年相對飼用價值

2.5 氮含量和氮吸收量

如表4所示，2019年施氮量和刈割頻率對氮含量影響不顯著，而在2020年影響程度分別達到極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)水平，兩年兩者的交互作用對氮含量影響不顯著。同一施氮條件下，兩年各刈割處理的氮含量無顯著差異。平均值顯示，兩年各處理的平均氮含量表現為M1>M2>M3，尤其在2020年M1處理顯著高于M2和M3(P<0.05)。兩年相同刈割條件下各施氮處理的氮含量無顯著差異。平均值顯示，2020年N2和N3處理的氮含量顯著高于N1(P<0.05)。2019和2020年施氮量和刈割頻率對氮吸收量影響極顯著(P<0.01),而兩者的交互作用影響不顯著。2020年在低氮肥和高氮肥條件下，M1處理的氮吸收量顯著高于M3(P<0.05)，而在2019年3個施氮條件下及2020年不施氮條件下各刈割處理無顯著差異。平均值顯示，兩年M2處理的氮吸收量顯著高于M3(P<0.05)，而與M1無顯著差異。M1，M2處理的兩年平均氮吸收量較M3分別增加了12.3%和11.8%。2019年在M2及2020年在M1和M2刈割頻率下，N2和N3處理的氮吸收量顯著高于N1(P<0.05)，而在M3刈割頻率下兩年各施氮處理無顯著差異。平均值顯示，兩年N2和N3處理的氮吸收量顯著高于N1(P<0.05)，兩年平均氮吸收量較N1分別增加了21.4%和25.3%。

2.6 氮肥利用效率和氮肥生理利用效率

如表4所示，2019和2020年施氮量、刈割頻率及兩者的交互作用對氮肥利用效率(Nitrogen use efficiency，NUE)影響極顯著(P<0.01)。在低氮和高氮條件下，2019年M2處理的NUE顯著高于M1和M3(P<0.05)，而在2020年M1和M2處理顯著高于M3(P<0.05)。平均值顯示，兩年M1和M2處理的NUE顯著高于M3(P<0.05)，兩年平均NUE較M3分別增加14.6%和22.9%。在M1和M2刈割頻率下，兩年N2處理的NUE顯著高于N3(P<0.05)，而在M3刈割頻率下各施氮處理無顯著差異。平均值顯示，N2處理的NUE顯著高于N3(P<0.05)，兩年平均NUE較N3提高71.0%。2019和2020年施氮量對氮肥生理利用效率(Nitrogen fertilizer physiological use efficiency，NPUE)影響不顯著，而刈割頻率的影響程度達到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)，2019年兩者的交互作用影響顯著(P<0.05)，而在2020年影響不顯著。2019年在低氮條件下，M3處理的NPUE顯著高于M1和M2(P<0.05)，而在高氮條件下各刈割處理無顯著差異。2020年在低氮和高氮條件下，M1處理的NPUE顯著高于M2和M3(P<0.05)。平均值顯示，2019年M3處理的NPUE顯著(P<0.05)高于M1，而2020年M1和M2處理顯著高于M3(P<0.05)；兩年平均NPUE表現為M1>M2>M3。2019年在M3刈割頻率下，N2處理的NPUE顯著高于N3(P<0.05)，而在2019年M1和M2刈割頻率下以及2020年3個刈割頻率下各施氮處理無顯著差異。

2.7 營養品質綜合評價

如表5所示，等權關聯度分析與加權關聯度分析結果基本一致。不同處理的綜合評價排序結果依次為N3-M2>N1-M1>N2-M2>N3-M1>N3-M3>N2-M1>N2-M3>N1-M3>N1-M2。加權關聯度數值越大，表示高羊茅的營養品質越高。結果表明，N3-M2處理下高羊茅的營養品質最優，其次是N1-M1和N2-M2處理。

表5 高羊茅牧草營養品質綜合評價關聯度

3 討論

3.1 施氮對牧草產量、品質及氮肥利用的影響

氮肥是影響牧草生長的重要因子之一，施加氮肥可有效提高牧草產量和粗蛋白含量[28]。謝開云等[29]對禾/豆混播草地進行的氮肥試驗研究發現，禾本科牧草的生物量隨施氮量的增加而顯著提高。本研究結果與以上研究相似，施氮處理的干草產量顯著高于不施氮。這是由于施氮促進了牧草對氮素的吸收與利用，提高了牧草的產量和營養品質[30]。在施氮量對牧草營養品質的一些研究中發現，施氮提高了牧草的粗蛋白含量，降低了ADF和NDF含量[31-32]。Kering等[33]研究表明，高施氮處理與未施氮處理相比，牧草的粗蛋白含量提高50%以上，ADF和NDF含量下降25%。宋建超等[34]在氮磷肥對垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)營養品質的研究發現，氮肥對垂穗披堿草的粗蛋白、粗灰分、ADF影響顯著，不同施氮處理下，垂穗披堿草兩茬牧草營養品質均有所提高。本研究結果顯示，施氮量對高羊茅大多數營養成分含量影響不顯著。隨著施氮量的增加，牧草生物量呈線性增加趨勢，但是氮肥利用效率通常在低施氮處理下更高[35]。黃勤樓等[36]研究發現，施氮達到一定水平后粗蛋白含量增幅減小，氮肥利用效率降低。張永亮等[37]研究表明，氮吸收量隨施氮量的增加而增加，但是當施氮量大于280 kg·hm-2時氮吸收量開始下降，高氮處理反而降低了氮肥利用效率。這與本研究結果相似，施氮處理的氮含量和氮吸收量顯著高于不施氮，而高氮肥處理下的氮肥利用效率顯著低于低氮肥處理。

3.2 刈割對牧草產量、品質及氮肥利用的影響

刈割是一種多年生禾本科牧草生產過程中極為重要的管理措施，合理的刈割頻率可有效提高牧草的產量和品質[38]。Rushing等[39]研究發現，試驗第1年牧草在30 d刈割頻率下的干物質產量最高，但是第2年30 d刈割處理干物質產量較其他處理下降最為嚴重。Min等[40]在刈割頻率對苜蓿干物質產量及營養價值的影響研究中發現，每隔42 d刈割頻率下的苜蓿產量較35 d增加了大約20%，每隔42 d的刈割頻率是苜蓿的最佳刈割周期。這與本研究結果相似，每隔50 d刈割處理的干草產量高于25 d和75 d。研究牧草刈割頻率，有助于優化牧草整個生長季干物質產量與營養品質的關系[41]。趙成振等[42]在不同刈割頻率對牧草營養品質的影響研究中發現，牧草粗蛋白含量隨著刈割頻率的增加呈增加趨勢，每隔30 d刈割處理的粗蛋白含量顯著高于40 d與50 d處理。張寅坤[43]在對刈割頻率影響狗牙根(CynodondactylonL.)品質的研究中表明，低刈割頻率下牧草的產量較高，但整體營養品質偏低,較高的刈割頻率可提升牧草的粗蛋白含量。本研究結果與以上研究相似，每隔25 d刈割處理的粗蛋白含量高于50 d和75 d。Kramberger等[44]研究表明，低刈割頻率下，氮肥難以被牧草完全吸收，因此氮含量較低。Elliott等[45]研究發現，隨著刈割頻率的增加，牧草的氮含量增加，但是氮肥利用效率降低。本研究中，每隔50 d刈割處理的氮吸收量和氮肥利用效率顯著高于75 d。合理的氮肥施用與刈割相結合是提升草地牧草產量和品質的有效方法[46]。張美艷等[47]研究表明，施肥和刈割能夠促進牧草的生長與分蘗，進而影響牧草品質和再生能力，并且二者存在交互作用。另有研究報道,在中高氮肥水平下對牧草進行刈割，可有效提高牧草的粗蛋白和粗脂肪含量[48]。本研究結果表明，所有處理中每隔50 d刈割結合低氮肥處理獲得了最高的兩年平均氮肥利用效率。本研究還發現，施氮量和刈割頻率的交互作用對干草產量、粗蛋白產量、營養成分含量及相對飼用價值無顯著影響，而對氮肥利用效率影響極顯著。

3.3 牧草品質綜合評價

灰色關聯度分析能夠較好地運用于牧草品質的綜合評價，通過評價結果可以對草地的整體生產水平提供科學參考。楊浩等[49]運用灰色系統理論中關聯度分析的基本原理和方法，對引進的7個多花黑麥草(LoliummultiflorumLamk.)品種的8個性狀進行綜合評價，發現了適宜四川省洪雅縣種植的多花黑麥草品種。田兵等[50]利用灰色關聯度分析法對貴州42種野生牧草的營養價值進行了評價，為貴州省牧草的開發利用提供了重要依據。王明等[51]在林芝地區采用灰色關聯度分析法對不同刈割茬次下紫花苜蓿和高羊茅單、混播草地的生產性能和營養品質進行了綜合評價，結果顯示混播草地刈割3茬是適宜當地的種植和管理模式。王紅林等[52]在刈割高度與施氮量對飼料桑的影響研究中，通過產量、營養品質等方面對飼料桑的飼用價值進行綜合評價，避免了單一指標的片面性，為飼料桑的推廣利用提供數據支撐。本研究通過綜合評價法對隴東黃土高原不同施氮量和刈割頻率下高羊茅的營養品質進行分析，結果表明在高氮肥(160 kg·hm-2)下結合每隔50 d刈割處理下高羊茅的綜合評價排名最優。

4 結論

施氮提高了高羊茅草地的全年干草產量、粗蛋白產量和氮吸收量，并且80 kg·hm-2處理較160 kg·hm-2處理顯著提高了氮肥利用效率。增加刈割頻率降低了酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量，進而提高相對飼用價值。每50 d刈割處理較每75 d刈割提高了干草產量、粗蛋白產量、氮吸收量和氮肥利用效率。所有處理中，施氮80 kg·hm-2且每隔50 d刈割獲得了較高的干草產量和氮肥利用效率，是一種氮肥高效利用的管理策略，而施氮160 kg·hm-2且每隔50 d刈割是一種提升高羊茅草地牧草品質的管理措施。