刈割留茬高度對青稞飼草與籽粒產量及飼用品質的影響

王小萍,白羿雄,2,姚曉華,姚有華,李 新,安立昆,吳昆侖

(1.青海大學/青海省農林科學院/青海省青稞遺傳育種重點實驗室/國家麥類改良中心青海青稞分中心,青海西寧 810016; 2.西北農林科技大學農學院,陜西楊凌 712100)

青稞(HordeumvulgareL. var.nudumHook. f.)又稱裸大麥、米大麥和元麥,是最早被馴化的農作物之一[1],也是青藏高原地區主要的糧食作物和藏族群眾賴以生存的基本口糧,已有3 500多年的種植歷史[2]。青稞屬一年生糧飼兼用作物,具有耐寒、抗旱、適應性廣等特點,而且植株繁茂、分蘗多、再生能力強、飼草產量高,其苗草飼草(青苗)和秸稈飼草是高寒區重要的補飼飼草[5];其籽粒營養豐富,富含β-葡聚糖、多酚、生育酚等活性物質,具有一定藥用價值[3-4]。相較于其他干草,青稞青苗的適口性好、含糖量高、木質素和纖維素等難消化物質少,有利于牲畜生長。青稞秸稈作為重要的再生資源,在一定程度上可以解決飼料短缺的問題,是高原地區重要的青貯飼料[6]。近年來,青海省部分生態區由于水土大面積流失,引發草地退化,導致畜牧業發展受阻。開展青稞多元化利用對于提高飼料供給、促進畜牧業發展、保護生態環境、提高農牧民的收入具有重要意義。

刈割是作物多元化利用的有效方式之一,糧飼兼用作物刈割可以提供飼草,提升作物綜合效益。刈割可解除作物頂端優勢,刺激產生新組織,提高凈光合速率和初級生產力[7],如燕麥(AvenasativaL. )[8]、大麥(HordeumvulgareL.)[9]和甜高粱(Sorghumdochna)[10]刈割后會刺激植株分蘗芽的再生,使分蘗數和地上部生物量增大,在保障籽粒產量的前提下,提升了飼草產量,使作物綜合經濟產值提升。飼草產量提高主要是利用作物補償性生長來實現,補償性生長是指植物在放牧或機械損傷后通過自身一系列調控以抵消組織損傷的不利影響、恢復機體功能以維持植株正常生長的能力[11],可劃分為超補償、等補償和欠補償三種類型[12]。

不同的刈割留茬高度對飼草品質的影響有所不同[13]。Yang等[14]研究表明,隨著刈割留茬高度的降低,再生牧草的N和P含量呈上升的趨勢,且營養品質呈升高趨勢。盧 強等[15]研究發現,隨著留茬高度的降低即刈割強度的增強,苜蓿中蛋白質含量呈降低的趨勢,當留茬高度為5～8 cm時,苜蓿相對飼用價值(RFV)和飼草產量均較高,其經濟價值達到最大。

適當的留茬高度有利于實現群落地上生物量正補償性生長,從而提高飼草產量[16]。目前,關于刈割留茬高度對于再生青稞飼草產量和相關品質特性的研究尚未見相關報道。本研究擬分析不同刈割留茬高度對青稞飼草產量及品質、再生青稞農藝性狀、再生青稞秸稈產量和飼用品質的影響,以確定適宜于青稞飼草和籽粒兼收的最佳刈割留茬高度,為青稞多元化利用提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以青海省大面積種植及主推的3個青稞品種為參試材料:昆侖14號為穗粒數多、穗部飽滿、抗逆性強、豐產性好、適應廣的國審青稞品種;柴青1號為適宜于柴達木灌區大面積種植、株型緊湊、耐寒、耐旱的青稞品種;昆侖18號株型緊湊、抗逆性強、豐產性好,為適宜于高寒區種植的青稞新品種。昆侖14號和柴青1號的生育期為122 d,昆侖18號的生育期為120 d。3個參試材料均屬春性、中熟品種,由青海省農林科學院提供。

1.2 試驗區概況

試驗于2020年4-8月在青海省西寧市城北區的青海省農林科學院作物所試驗田(101°74′E,36°56′N)進行。試點海拔2 261 m,屬于大陸性高原半干旱氣候,降雨量少,蒸發量大,無霜期短,晝夜溫差大。土壤耕作層含有機質22.02 g·kg-1、全氮1.15 g·kg-1、有效磷22.60 mg·kg-1、速效鉀160.18 mg·kg-1、總磷1.178 g·kg-1,總鉀19.31 g·kg-1,硝酸鹽氮11.80 mg·kg-1,銨態氮4.61 mg·kg-1。

1.3 試驗設計

采用兩因素裂區設計,以 3個品種為主區;留茬高度為裂區,設置4個留茬高度,分別為H1(8 cm)、H2(7 cm)、H3(6 cm)、H4(5 cm),未刈割處理為對照(CK)。3次重復,共計45個小區。小區面積為10 m2(2.5 m×4.0 m)。采用等行距人工點播,行距為20 cm,株距為5 cm。于各品種分蘗盛期進行刈割,刈割面積為10 m2。留茬高度參照邢虎成等[17]研究,通過割草機(HD20,諸暨市海道機械有限公司)的高度檔桿控制。耕前施磷銨300 kg·hm-2和尿素150 kg·hm-2作為基肥,苗期進行人工除草,刈割后追施尿素37.5 kg·hm-2。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 青稞飼草產量測定

青苗產量:刈割前人工除雜草,于分蘗盛期按試驗設計用割草機對各小區開展刈割,將采收后的青苗立即稱重并放置于網袋;置于干燥箱80 ℃烘干至恒重,計算青苗產量、青苗含水量。干草用于后續飼用品質指標的測定。

秸稈產量:參考趙方媛等[18]的方法測定。

1.4.2 青稞相關農藝性狀測定

成熟期在各小區選長勢一致具有代表性的植株10株,參照白羿雄等[19]的方法取完整根系,用根系掃描儀(WinRHIZO STD4800 LA2400+ scanner, Canada) 掃描根系,用WinRHIZO 根系分析系統分析根系動力學參數并統計不同處理下的根系體積、根表面積、根直徑、根尖數等指標;將根系烘干,測定根干重。利用莖稈強度測定儀(YYD-1,浙江托普)測定莖稈強度;利用游標卡尺測量植株壁厚和莖粗;株高利用卷尺測量穗頂至地面高度;利用卷尺測量穗長;統計小穗數;利用微電腦自動數粒器(杭州大吉光電儀器有限公司)隨機測1 000粒種子重量。

1.4.3 青苗和秸稈飼用品質測定

將青苗和秸稈干樣利用高速萬能粉碎機(FW100,天津華鑫)粉碎成粉末,過60目篩,置于密封袋中保存。采用范式洗滌法測定酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)和中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF)含量[20];高溫灼燒法(箱式電阻爐SX2-4-10,沈陽市節能電爐廠)測定灰分(ash)含量;用凱氏定氮法測定粗蛋白(crude protein,CP)[21]含量;用酶聯免疫試劑盒(ELISA)測定木質素、纖維素和半纖維素含量。青苗和秸稈相對飼用價值(relative feed value,RFV)根據以下公式計算[22]。

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120÷NDF)÷1.29

1.4.4 青稞經濟產值計算

青稞的經濟產值計算公式如下[23]:青苗經濟產值(FEP)=青苗產量×青苗價格( 1 200 元·t-1);秸稈經濟產值(SEP)= 秸稈產量×秸稈價格(914元·t-1);籽粒經濟產值(GEP)=籽粒產量×籽粒價格(3 000元·t-1)。綜合經濟產值(CEP)=FEP+SEP+GEP。

1.5 數據處理與分析

采用 Excel 2010進行繪圖和數據處理,利用SPSS 20.0對數據開展方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同留茬高度對飼草產量和品質的影響

2.1.1 對青苗產量和含水量的影響

隨著留茬高度降低,青稞青苗產量(鮮重、干重)均呈顯著提高趨勢(圖1)。相較于H1處理,昆侖14號在H2、H3和H4處理下青苗鮮重增幅分別為14.23%、29.90%、42.82%;昆侖18號的增幅分別為28.99%、55.31%、90.10%;柴青1號分別增高約0.34倍、1.44倍、2.63倍(圖1A)。H2、H3和H4處理下昆侖14號干重較H1處理分別增加17.90%、34.41%、53.76%,昆侖18號分別增加35.56%、82.22%、131.22%,柴青1號分別增加0.58倍、1.92倍、3.58倍(圖1B)。青苗含水量隨留茬高度的降低呈降低趨勢,不同品種間降幅不同(圖1C)。在同一刈割高度下,昆侖14號青苗產量最高,說明其適于青苗飼用。

A:青苗鮮重;B:青苗干重;C:青苗含水量。H1:留茬高度8 cm;H2:留茬高度7 cm;H3:留茬高度6 cm;H4:留茬高度5 cm;相同品種圖柱上不同小寫字母表示不同留茬高度差異達顯著水平(P<0.05)。下圖同。

2.1.2 對青苗飼用品質的影響

由表1可知,留茬高度對青苗飼用品質有顯著效應。隨著留茬高度降低,青苗中粗蛋白含量呈逐漸降低趨勢,纖維類物質含量呈增加趨勢,導致其RFV呈逐漸降低的趨勢。相較于H1處理,在H2、H3、H4處理下青苗粗蛋白含量平均降幅分別為7.75%、10.51%、13.15%;RFV平均降幅分別為2.91%、11.98%、13.44%。青苗中纖維素含量平均增幅分別為7.71%、28.57%、 32.74%;木質素的平均增幅分別為32.04%、 54.69%、68.41%,酸性洗滌纖維的平均增幅分別為7.45%、12.81%、5.16%;中性洗滌纖維的平均增幅分別為 1.70%、11.50%、14.85%。各青稞品種H1處理下青苗中CP含量最高,纖維素類物質含量最低, RFV最高。

表1 不同留茬高度對青稞青苗飼草品質的影響

隨留茬高度降低,柴青1號青苗中灰分含量逐漸增加,而昆侖14號和昆侖18號青苗中灰分含量呈先增后降趨勢;昆侖14號和柴青1號的半纖維素含量呈先降后升趨勢,而昆侖18號表現為先增后降的變化規律。在同一處理下,柴青1號粗蛋白含量顯著高于其他品種,纖維素類物質的含量均顯著低于其他品種(P<0.05),RFV高于其他品種。說明品種對青苗飼用品質有顯著 影響。

2.1.3 對秸稈產量的影響

相較于未刈割處理(CK),H1處理下,昆侖14號秸稈產量增加0.27%,昆侖18號和柴青1號的秸稈產量降低34.75%(差異顯著)、 7.35%;在H2、H3、H4處理下,昆侖14號秸稈產量降幅分別為5.56%、34.42%、65.22%;昆侖18號秸稈產量降幅分別為34.75%、45.32%、 54.49%;柴青1號秸稈產量降幅分別為22.05%、 41.74%、81.31%,差異均顯著(圖2),說明刈割留茬高度顯著影響青稞秸稈產量(P<0.05)。在同一留茬高度下,昆侖14號秸稈產量顯著高于其他品種(P<0.05),其最優刈割處理H1的秸稈產量與CK間差異不顯著,其秸稈產量為8.99 t·hm-2。

CK:未刈割。下圖同。

2.1.4 對秸稈飼用品質的影響

由表2可知,刈割使青稞秸稈中粗蛋白含量增多,纖維類物質減少,RFV升高。相較于CK,在各刈割處理下,秸稈中的粗蛋白含量和RFV的平均增幅分別為8.63%和14.06%;木質素、纖維素、半纖維素、ADF、NDF平均降幅分別為6.99%、10.87%、14.30%、9.51%、7.11%。隨著留茬高度的降低,秸稈中纖維素、木質素、ADF含量逐漸降低;CP和RFV呈先降后升的趨勢。H4處理下各青稞品種的RFV最高。相較于H1處理,在H2、H3、H4處理下青稞秸稈中纖維素平均降幅分別為2.73%、4.33%、15.41%;木質素平均降幅分別為2.63%、9.82%、16.76%;ADF平均降幅分別為1.25%、5.05%、8.23%。

表2 不同留茬高度對青稞秸稈飼用品質的影響

隨著留茬高度的降低,柴青1號秸稈中半纖維素含量逐漸降低,而其在昆侖14號和昆侖18號中則呈先增高后降低的趨勢;昆侖14號和昆侖18號秸稈中灰分呈先降低后升高的趨勢,而其在柴青1號中呈先升高后降低趨勢。昆侖18號和柴青1號秸稈中粗蛋白含量均在H1處理時最高,而昆侖14號H4處理最高。在同一處理下,昆侖14號秸稈中粗蛋白含量顯著高于其他品種(P<0.05);木質素、ADF、NDF含量均顯著低于其他品種,RFV則顯著高于其他品種(P< 0.05)。說明留茬高度對不同品種青稞秸稈飼用品質的影響存在差異。

2.2 不同刈割留茬高度對青稞農藝性狀的影響

2.2.1 對青稞莖部性狀的影響

由表3可知,相較于CK,在H1處理下,昆侖14號和昆侖18號的莖稈變粗、壁厚變厚、稈強增強、株高增高。隨著刈割留茬高度的降低,各青稞品種的株高、壁厚、莖粗和莖稈強度均降低。相較于H1處理,在H2、H3、H4處理下,株高、壁厚、莖粗和莖稈強度平均降幅分別為 11.38%、42.51%、5.43%和17.67%。相較于CK,當留茬高度低于6 cm時,莖稈中有效分蘗數顯著降低(P< 0.05),且降幅隨著留茬高度的降低而增大,說明刈割會對再生青稞莖稈特性產生顯著影響(P<0.05),輕度刈割(H1)有助于促進青稞莖稈生長發育,使青稞植株更繁茂,而重度刈割(H3、H4)會抑制青稞莖稈縱向和橫向的生長。

表3 不同留茬高度對青稞莖部性狀的影響

2.2.2 對青稞根系的影響

由表4可知,相較于H1處理,在H2、H3、H4處理下3個品種根長平均值分別降低13.64%、 21.97%、32.43%;根表面積平均值分別降低17.24%、31.66%、36.62%;根系直徑平均值分別降低6.41%、10.53%、16.20%;根體積平均值分別降低22.85%、 41.39%、52.75%;根干重平均增加23.43%、 43.99%、52.30%。相較于CK,昆侖18號H4處理的根系生長發育受到嚴重抑制,其根長、根表面積、根系直徑、根體積及根干重分別降低33.80%、39.73%、189.19%、51.67%、 51.95%。這說明輕度刈割(H1)會促進青稞根系生長,而重度刈割(H4)則會限抑制根系發育。

表4 不同留茬高度對青稞根系性狀的影響

相較于CK,當留茬高度大于7 cm(H1和H2),刈割使昆侖18號根長、根表面積、根系直徑、總體積和根重均增加,使根系更發達;當留茬高度低于6 cm(H3和H4)時,昆侖14號和昆侖18號根長、根系直徑、根體積、根干重變小,而柴青1號的根長、根面積在各個處理下均高于CK;說明不同類型青稞品種根系對刈割響應存在差異。在同一刈割處理下,昆侖14號根系中各指標均高于其他品種,其根系更發達。

2.2.3 對青稞穗部性狀的影響

相較于CK,H3和H4處理使青稞穗長變短、小穗數和穗粒數減少(表5);H3和H4處理穗長平均降幅分別為3.76%和16.14%;小穗數的降幅分別為12.31%和20.32%;穗粒數降幅分別為15.16%和24.10%;千粒重的降幅分別為5.66%和13.81%。相較于CK,H1處理的小穗數、穗粒數和千粒重均增加。H1處理小穗數、穗粒和千粒重平均增幅分別為12.46%、6.24%和9.24%。相較于CK,在H1處理下,昆侖14號和昆侖18號的單株穗數均降低,而柴青1號單株穗數增多,表明青稞品種對刈割留茬高度的響應存在差異。在同一處理下,昆侖14號穗長和穗粒數均高于其他品種。

表5 不同留茬高度對青稞穗部性狀的影響

2.3 刈割留茬高度對青稞籽粒產量的影響

由圖3可知,隨著刈割留茬高度降低,青稞籽粒產量呈逐漸降低趨勢。相較于CK,3個青稞品種在H1和H2處理下籽粒產量均顯著增大(昆侖18號的H2處理除外)。相較于H1,在H2、H3、H4處理下籽粒產量平均降幅分別為5.49%、 44.32%、65.59%。相較于CK,當留茬高度低于6 cm時,青稞籽粒產量顯著降低,H3和H4處理平均降幅分別為28.93%和54.50%。各品種籽粒產量均在H1時最大,其中昆侖14號的籽粒產量最高,為5.09 t·hm-2。通徑分析表明,產量構成因子中,對刈割留茬高度響應最敏感的指標為穗粒數,其次為千粒重,影響最小的指標為有效穗數(表6)。

表6 產量構成因素對產量影響的通徑分析

圖3 不同留茬高度下青稞籽粒產量

2.4 刈割留茬高度對青稞綜合經濟產值的影響

由表7可知,在H1處理下青稞綜合經濟產值最高,隨著刈割留茬高度的降低,青稞綜合經濟產值呈降低的趨勢;相較于CK,在H1、H2、H3、H4處理下綜合經濟產值的平均增幅分別為 53.97%、48.28%、26.73%、8.89%。隨著留茬高度的降低,各青稞品種飼草經濟產值(青苗經濟產值、秸稈經濟產值)和籽粒經濟產值呈逐漸降低趨勢,降幅隨留茬高度的降低而增大;最終使青稞品種的綜合效益呈逐漸降低趨勢。相較于H1,在 H2、H3、H4處理下,青稞的青苗經濟產值平均增幅分別為25.85%、76.45%、131.90%;秸稈平均經濟產值降幅分別為 11.09%、26.19%、 49.42%;籽粒經濟產值的平均降幅分別為 10.77%、40.42%、 67.71%;綜合經濟產值的平均降幅分別為 3.62%、17.37%、29.06%。在同一留茬高度下,昆侖14號青苗經濟產值、秸稈經濟產值、籽粒經濟產值均高于其他品種,使其綜合經濟產值最高。

表7 不同留茬高度下青稞的經濟產值

3 討 論

3.1 刈割留茬高度對青稞生產性能的影響

農藝性狀是評價作物或牧草生產性能的重要標準,生產性能是青稞產草量和籽粒產量的綜合表現,其中株高、分蘗數、莖粗與植株的產草量顯著相關[24-25],青稞穗長、穗粒數、千粒重等指標直接影響青稞籽粒產量[26],根系作為植株汲取營養物質和水分的重要器官,間接影響青稞的產草量和籽粒產量[27]。因此,青稞莖部、根系和穗部的農藝性狀在一定程度上反映青稞生產性能。

留茬高度決定青稞殘留光合作用器官(葉)數量和芽生長點的被破壞程度,對植物生長發育有顯著影響[28]。本研究結果表明,高留茬刈割(H1)會促進青稞莖部的橫縱向生長,導致分蘗數增多、莖稈變粗、壁厚變厚、稈強增大(表3),這與王 茜等[29]對冬小麥的研究結果一致?？赡芤驗楦吡舨缲赘钊コ饲囡先~,使植株產生超補償效應,產生更多的分蘗芽,形成更多新組織,最終使地上部凈光合速率提升,導致青稞秸稈各指標均升高。隨著刈割留茬高度的降低,莖部生長點被破壞,引發地上部葉面積指數迅速下降[30],當刈割留茬高度小于6 cm時,會嚴重抑制青稞根系發育,對植株產生不可逆的損害,導致植株光合速率降低,影響同化物合成,不利于青稞正常生長發育[31]。

3.2 刈割留茬高度對青稞產量的影響

留茬高度影響作物同化物生成以及分配,最終對作物產量產生影響。本研究結果表明,隨著留茬高度的降低,青苗飼草產量均呈逐漸增大的趨勢,該研究結果同彭 廷等[32]對水稻的研究結果一致。高寒區青稞的生育期為110～135 d,本研究中青稞飼草刈割時間為播種后49 d(分蘗盛期),高強度刈割(H2、H3、H4)處理使秸稈產量顯著降低,可能因為青稞種植區風力大、積溫低、光照輻射過強,導致青稞在高強度刈割處理下其再生速率降低,致使青稞秸稈產量顯著降低。品種對刈割響應存在一定差異,H1處理下,昆侖18號和柴青1號的秸稈產量顯著下降,昆侖14號秸稈產量則與CK差異不顯著,可能刈割分蘗芽再生分化能力激活程度不同。

適宜的留茬高度可在不影響作物籽粒產量情況下,為生產提供補飼用飼料[33]。本研究結果表明,適度刈割(H1、H2)可以顯著提高青稞籽粒產量,當留茬高度為8 cm(H1)時,青稞單株穗數、穗粒數和千粒重均顯著增高,最終致使青稞籽粒顯著增產?？赡苓m度刈割刺激青稞植株產生超補償效應,使機體凈光合速率提升,積累的同化物總量升高,植株將更多同化物輸送至穗部以保障籽粒生長發育,促進穗部生長發育,達到增產的效應。低留茬刈割(H3、H4)處理下,青稞穗部生長發育受到了嚴重抑制,使穗粒數、千粒重、單株穗數均顯著降低,導致青稞籽粒產量銳減?？赡芤驗榱舨绺叨冉档?源器官產生不可逆的損傷,葉面積生長恢復速率降低,引起同化物總量降低。同化物總量降低可能導致穗部分配的營養物質與能量減少,導致單株穗數減少,致使庫器官數量減少,使分配到青稞穗部的同化物受限,引發植株生育期推遲,導致穗長變短、籽粒小,使穗粒數和千粒重顯著降低,導致籽粒產量銳減。

3.3 刈割留茬高度對青稞青苗及秸稈飼用品質的影響

本研究結果表明,隨著留茬高度的降低,青稞青苗的RFV呈不斷降低的趨勢,該研究結果與刈割留茬高度對苜蓿、雀芒草、黑麥草[34-36]中飼用品質指標的規律一致?？赡芤驗橹参镏械鞍踪|合成的組織為葉片,留茬高度越高,采收的葉片比例越高,其粗蛋白含量越高。留茬高度越低,青苗中莖稈組織的比例越高,而秸稈纖維類物質含量相對較高,導致其飼用品質降低。

青稞秸稈中木質素、纖維素、半纖維素、ADF和NDF含量相對較高,在秸稈的機械固持發揮重要支撐作用。刈割后,秸稈中粗蛋白含量高于CK,纖維類物質的含量低于CK,導致其RFV升高,使秸稈的飼用品質升高。在H4處理下,三個品種秸稈RFV均達到最大值。昆侖18號和柴青1號的粗蛋白含量在H4處理下最高,而昆侖14號粗蛋白含量則在H1處理時達到最大值,可能秸稈中粗蛋白積累量在不同品種間存在差異。除了刈割留茬高度顯著影響青苗和秸稈的營養品質,刈割期和刈割頻次都會對飼草及秸稈的品質指標產生不同程度的影響[37]。

4 結 論

隨著刈割留茬高度的降低,各青稞品種的青苗產量呈升高的趨勢,而秸稈產量和籽粒產量呈降低的趨勢;H1處理下各青稞品種的綜合經濟產值最高,其中昆侖14號的經濟產值最高,可達2.861×104元·hm-2。留茬高度的降低使青苗中的粗蛋白含量降低,纖維類物質含量升高,RFV降低,其中柴青1號青苗的RFV在各個處理下均顯著高于其他品種(P<0.05)。刈割會使青稞秸稈中粗蛋白含量增多,使其RFV升高,昆侖18號和柴青1號秸稈中粗蛋白含量均在H1處理達最高,而昆侖14號秸稈中粗蛋白在H4處理下最高。綜合青稞的經濟產值和飼草的品質來看,昆侖14號為最適宜飼草與籽粒兼收的青稞品種,H1(留茬8 cm)為最佳刈割留茬高度。