西藏那曲適宜建植人工草地的牧草篩選研究

陳美镕,聶曉偉,張學民,王宗松,宋趙有,阿 旺,王 奇,汪詩平,李耀明,斯確多吉,張 林,嚴 俊,周華坤,石培禮,姜麗麗*

(1.中國科學院青藏高原研究所青藏高原地球系統科學國家重點實驗室,北京 100101;2.中國科學院大學,北京 100049;3.北京林業大學草業與草原學院,北京 100091;4.妙盈靈碳信息科技(北京)有限公司,北京 100020;5.那曲市農牧業(草業)科技研究推廣中心,西藏 那曲 852000;6.中國科學院西北高原生物研究所青海省寒區恢復生態學重點實驗室,青海 西寧 810008;7.中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101)

西藏是我國五大牧區之一,畜牧業是西藏經濟發展的優勢支柱產業[1],其中藏北地區(主要是那曲市和阿里地區)的牲畜數量約占全區的1/3[2],其畜牧業收入占比地區總收入的80%以上[3]。發展畜牧業的基礎是牧草,草地牧草產量是畜牧業發展的關鍵因素[4-5]。然而以高寒草地生態系統為主的藏北地區,由于受氣候變化、過載放牧等影響,天然草地生產力低下、退化現象嚴重,草畜矛盾尖銳[6-8]。在藏北地區建植人工草地,種植優良牧草不僅能有效緩解天然草地的放牧壓力,增加飼草供給,解決草畜矛盾,推動畜牧業經濟的發展,還有利于天然草地的生態恢復[7-10]。

那曲地區的人工草地建設最早可追溯到20世紀70年代[11],但受制于地理環境條件和氣候因素,以及當地牧草品種選擇、牧草生產利用方式不科學等,那曲人工草地鮮草總產量較低,位列西藏各市的末位[8,11]。截至目前,那曲地區能否建植人工草地仍然是理論和生產實踐爭論的焦點。段呈等[8]認為那曲地區雖然降水豐沛,但絕大部分區域的積溫無法滿足人工牧草生育期積溫的需求;而生產實踐中卻有燕麥(Avenasativa)等在那曲地區成功種植的案例,甚至產量(鮮草)可達天然草地產草量的50～100倍[11-13]。因此,那曲地區是否能建植人工草地,以及哪些牧草品種適宜在那曲地區建植人工草地是科研工作者及地方政府都非常關注的問題,也是那曲地區畜牧業發展亟需回答的問題。

本研究通過開展那曲適宜栽培牧草篩選試驗,篩選出產量高,適合那曲本地的牧草,同時通過調查那曲天然草地的地上生物量以及文獻收集中國四大草原區其他人工草地的產量,以期對比回答以下兩個問題：(1)那曲地區能否建植高產人工草地?(2)哪些高產抗寒牧草適宜在那曲地區建植人工草地?以期為西藏高寒牧區的人工牧草的引種與示范種植及后續推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于藏北高原的腹地那曲市色尼區(31°16′35″ N,92°06′19″ E;海拔4 450 m),鄰近那曲縣嘎爾德畜牧產業發展有限公司,地處唐古拉山脈與念青唐古拉山脈之間的那曲河流域,地勢相對平坦。該地區屬于高原亞寒帶季風半濕潤氣候區,年平均氣溫為-2.1℃,年降水量為406.2 mm,多集中在6—9月。年蒸發量為1 810.3 mm,相對濕度只有51%(氣候數據來源：http：//www.horn.ac.cn/)。全年沒有絕對無霜期,每年10月至次年5月為風雪期和土壤凍結期,而6月至8月為生長期。試驗區的草地類型屬高山嵩草草地[14],植被類型是典型的高寒草甸,植物優勢種有小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)和釘柱委陵菜(Potentillamultifida)等。土壤類型是高山草甸土,土壤發育相對年輕且質地較為粗糙[14]。

1.2 試驗材料

挑選抗寒抗旱積溫需求低的一年生或多年生牧草共57種(包含品種)(詳見表1),其中蕪菁(Brassicarapa)18個品種種子由中國科學院昆明植物研究所提供,紫花苜蓿(Medicagosativa)23個品種由北京正道種業有限公司和佰清源種子公司提供,苦荬菜(Ixerispolycephala)和菊苣(Cichoriumintybus)在京東商城購買,綠麥草(Triticumsecale)來自于青海省種子公司,其他牧草的種子均由四川省農業科學研究院提供。

表1 牧草篩選的試驗材料Table 1 Experimental materials for forage species screening

1.3 試驗設計

試驗于2021年5月中旬(5月15日—5月20日)開始播種,于生長季末(8月31日)收獲,播種前進行樣方建設、整地、施底肥(農家肥1 000 g·m-2)和澆水。試驗小區總面積為60 m×68 m,樣方布設包含10 m×10 m(大樣方)和2 m×2 m(小樣方)兩種規格,不同樣方間隔均為1 m,其中小樣方的設置旨在探究禾豆混播的適宜比例及水肥管理的問題。綠麥草與箭筈豌豆在小樣方中按不同比例(綠麥草∶箭筈豌豆= 1∶0或5∶1或10∶1)混播,其中綠麥草的播種量為337.5 kg·hm-2;其余牧草在大樣方中按行距30 cm起壟單行點播(蕪菁)和撒播(其他牧草)種植,蕪菁的播種量為每穴3粒,其他牧草的播種量為15～45 kg·hm-2,播后覆土澆水。小樣方在生長季早期隔4天澆水一次,每次澆水0.02 m3·(4 m2)-1,雨季停止澆水,并在生長季內追施2次復合肥(N∶P2O5∶K2O=25∶10∶16)和2次尿素共4次,間隔5天,每次25 g·m-2。大樣方在生長季內隔一周澆水1次,并追施復合肥2次,間隔20天左右,每次16 g·m-2。

1.4 牧草產量的測定方法

本試驗利用0.1 m×1 m的樣方框確定收獲范圍,對生長良好的牧草進行統一收獲。在生長良好的牧草種植范圍內,隨機選取3個0.1 m×1 m的樣段,對牧草進行單株收獲或刈割并測定其鮮重。由于蕪菁地上和地下部分均可飼用,故在樣段內采取單株收獲,同時收獲其地上和地下部分;除蕪菁外的其他牧草留茬5 cm后,刈割其地上部分。蕪菁的鮮草產量根據收獲的單株鮮重及單位面積(hm2)可種植的蕪菁株數獲得,其他牧草的鮮草產量根據刈割區面積以及牧草鮮重換算得到;干草產量由收獲的單株蕪菁或刈割的其他牧草鮮樣在65℃下烘干至恒重進一步通過計算獲得。

1.5 越冬能力

于播種次年(2022年)的生長季初期,實地監測多年生牧草的越冬情況,通過觀察樣地中的多年生牧草是否成功出苗進行判斷,有成功出苗的則認為該種牧草可越冬,無成功出苗的即為不可越冬。

1.6 數據收集與處理

1.6.1試驗區人工草地產量數據收集 依據1.3和1.4收集計算本試驗成功收獲的牧草產量作為試驗區人工草地的產量。

1.6.2那曲天然草地產量調查數據收集 2021年8月,團隊參加西藏林勘院草地三調任務,調查那曲地區高寒荒漠、高寒草原和高寒草甸的天然草地數據,基于此獲得那曲地區高寒荒漠、高寒草原和高寒草甸的天然草地平均干草產量,結合西藏高原不同草地類型牧草的平均干鮮比[15]換算得到不同類型草地的平均鮮草產量。

1.6.3中國四大草原區其他人工草地產量數據收集 中國草原按照區域性的特點可以劃分為四大草原區[16]：1)北方干旱半干旱草原區;2)東北華北濕潤半濕潤草原區;3)南方草地區;4)青藏高寒草原區。不同草原區的其他人工草地的平均產量取3篇及以上文獻中人工草地牧草產量數據的均值,數據來源如表2所示。

表2 其他人工草地的平均牧草產量來源Table 2 Source of data on the average yield of forages in other artificial grasslands

1.6.4數據處理 應用Microsoft Excel 2019進行前期的數據整理,取不同處理下牧草產量指標的均值作為不同牧草的最終產量數據(其中蕪菁的產量為18個蕪菁品種地上和地下部分總產量的均值;綠麥草、箭筈豌豆的產量分別為不同混播比例下對應牧草產量的均值),那曲天然草地平均產量及四大草原區其他人工草地的平均產量為本試驗的對比值,采用兩獨立樣本t檢驗對比試驗區人工草地的平均產量與其他草原區人工草地的平均產量的差異,用Origin 2022進行制圖。

2 結果與分析

2.1 未能成功收獲的牧草出苗及生長情況

本試驗同期種植的虉草、冰草和紅豆草出苗很晚、整個生長季未真正展葉生長,因此在生長過程中即被淘汰。在中國東北地區的抗寒牧草苦荬菜和菊苣在本試驗中出苗較好,但產量非常低,因此在收獲前被淘汰。‘炫麗’‘岷山’紅三葉與‘鄂收’‘紅龍’紅三葉的長勢和生物量無明顯差異,18個紫花苜蓿品種以及紫花苜蓿‘佰苜201包衣’‘佰苜202包衣’和‘佰苜201’‘佰苜202’在長勢和生物量上也無明顯差異,因此未再單獨收獲‘炫麗’‘岷山’紅三葉以及18個紫花苜蓿品種和紫花苜蓿‘佰苜201包衣’‘佰苜202包衣’等品種牧草,而是分別以‘鄂收’‘紅龍’紅三葉和‘佰苜201’‘佰苜202’作為紅三葉和紫花苜蓿多個品種的代表。

2.2 成功收獲的13種牧草的產量分析

如圖1所示本試驗在播種當年成功收獲13種牧草。這些牧草在播種當年均有良好的生長情況,其鮮草產量范圍為10.37～180.39 t·hm-2(圖1a),干草產量范圍為1.88～34.39 t·hm-2(圖1b)。其中,包含5種一年生牧草和8種多年生牧草。在5種一年生牧草中,燕麥和綠麥草屬于禾本科牧草,蕪菁和飼用油菜屬于十字花科牧草,箭筈豌豆屬于豆科牧草;而在8種多年生牧草中,老芒麥、垂穗披堿草和黑麥草為禾本科牧草,紅三葉的2個品種(‘鄂收’‘紅龍’)和紫花苜蓿的3個品種(‘佰苜201’‘佰苜202’‘綠思樂’)均屬于豆科牧草。

由圖2可知3種不同類型天然草地(高寒荒漠、高寒草原、高寒草甸)的平均鮮草產量為0.24～2.16 t·hm-2,干草產量為0.12～0.8 t·hm-2。與之相比,本試驗成功收獲的13種牧草的產量均高于那曲不同類型天然草地的產量。其中,5種禾本科牧草(燕麥、綠麥草、老芒麥、垂穗披堿草和黑麥草)和2種十字花科牧草(蕪菁和飼用油菜)在播種當年的鮮草產量為54.59～180.39 t·hm-2,干草產量10.52～34.39 t·hm-2,分別達到那曲天然草地平均鮮草產量和干草產量的83～227倍和42～88倍。

圖1 成功收獲的13種牧草產量Fig.1 Yield of 13 forages successfully harvested

圖2 那曲天然草地產量Fig.2 Yield of natural grasslands in Nagqu

圖3顯示了試驗區與其他人工草地的平均產量及對比結果,由圖可知試驗區人工草地的平均鮮草產量為60.24 t·hm-2,干草產量為12.14 t·hm-2;中國四大草原區其他人工草地的平均鮮草產量為17.98～61.46 t·hm-2,干草產量為3.53～9.82 t·hm-2。本試驗區人工草地的平均鮮草產量與南方草地區人工草地的產量無顯著差異,而顯著高于其他3個草原區人工草地的平均鮮草產量(P<0.05);本試驗區人工草地的平均干草產量與南方草地區和青藏高寒草原區無顯著差異,但高于其他2個草原區的人工草地干草產量。綜合圖3的兩獨立樣本t檢驗結果可知,本試驗區人工草地的平均產量不低于中國四大草原區人工草地的平均產量。

圖3 試驗區與其他區域人工草地的產量Fig.3 Comparison of the yield of artificial grasslands in the study area with other areas注：不同小寫字母表示試驗區與其他區域人工草地產量之間的差異顯著(P<0.05)Note：Different lowercase letters indicate a significant difference at the 0.05 level between the study area and the other areas for the yields of the artificial grasslands

2.3 越冬能力分析

根據次年的實地觀察,播種當年成功收獲的3種多年生禾本科牧草中,只有老芒麥和垂穗披堿草這2種禾本科牧草成功出苗,而黑麥草并未成功出苗。此外,播種當年成功收獲的5個多年生豆科牧草品種在次年均未能成功出苗。

3 討論

此前的研究從牧草積溫需求考慮,認為那曲地區無法滿足人工牧草生育期的積溫需求(以低積溫需求的燕麥為例),也不適宜選育積溫需求較高的牧草(如披堿草),因為會面臨較高的凍害風險[8]。然而,本試驗發現無論是燕麥還是垂穗披堿草在試驗區(海拔4 450 m)都能保持良好的營養生長;在水肥條件保障充分的情況下,這些牧草還可能取得較高的牧草產量。本試驗表明,充分利用生長季、并在水肥充足的情況下,試驗區能滿足牧草的營養生長,并可達到高效生產的目標。這在一定程度上證明了那曲地區建植人工草地的可行性。此外,本試驗收獲的‘阿壩燕麥’干草產量為16.89 t·hm-2,高于張光雨等[56]在西藏拉薩當雄(海拔4 333 m)種植的‘阿壩燕麥’產量約7 t·hm-2。不同研究中燕麥產量的差異可能是由不同區域的生境條件差異(如溫度、水分、土壤養分)所致[58],也有可能受不同的播種方案(如播種量、播種方式等)[61-63]、田間管理措施(如施肥、澆水、滅除雜草等)的影響[64]。相關研究表明,高寒牧區的土壤氮素含量是垂穗披堿草產量的制約因素,適量補充氮素能夠顯著提高垂穗披堿草人工草地的產量,并抑制雜草的養分和空間競爭能力[65];同時生育期內適量的灌溉(≤ 4次)可提高牧草產量[66],可見合理的水肥管理對于高產人工草地的建植具有重要意義。在實踐生產中,還需要注重人工草地的后期維護和管理,如滅除雜草、對長期進行人工草地種植的土壤施用氮肥和磷肥以提高土壤養分供應等。但這些生產管理過程的方法學研究仍需加強,以解決退化草地的修復和人工草地的可持續利用面臨的實際問題[64]。

牧草產量是衡量牧草生產能力和環境適應能力的重要指標[67]。本試驗成功收獲的生長良好的牧草共13種(含品種),其中4種高產的禾本科牧草(2種可越冬的多年生牧草：燕麥、綠麥草;2種一年生牧草：老芒麥、垂穗披堿草)和2種高產的十字花科牧草(蕪菁和飼用油菜)是本試驗首要推廣種植的牧草。需要說明的是,蕪菁的高產量主要為地下部分貢獻,約為蕪菁地上地下平均總產量的60%。此外,本試驗未考慮那曲地區常用的人工草地牧草品種青稞,理論上青稞能在那曲地區種植[8],且實踐中那曲也有多年種植青稞的歷史[68],因此本試驗未對青稞進行篩選。

而5個品種的多年生豆科牧草(紅三葉：‘鄂收’‘紅龍’;紫花苜蓿：‘佰苜201’‘佰苜202’‘綠思樂’)和1種多年生禾本科黑麥草在種植過程中未能成功越冬,做為一年牧草種植可以考慮,但不建議做為多年生牧草種植。一年生豆科牧草箭筈豌豆易倒伏(株高>50 cm以上),不建議進行單獨播種,但可考慮其與禾草混播,并探求適宜的混播比例以期發揮禾豆混播優勢[69-70]。同時,本試驗結果表明老芒麥和垂穗披堿草在播種當年有較高產量,并且可以成功越冬,但這只能證明其可作為多年生牧草種植。關于老芒麥和垂穗披堿草在越冬后的第二年及其后續年份能否保持穩定產量,并且是否適合作為多年生牧草在那曲地區建植人工草地在本實驗中尚不能確定。

4 結論

單從當季牧草產量上看,本試驗成功收獲的13種牧草的干草產量均高于天然草地,且13種牧草的平均產量不低于四大草原區其他人工草地的產量,表明那曲地區種植以上13種牧草并加以適當的水肥管理,是能夠建植高產人工草地的。綜合考慮播種當年牧草出苗及生長情況和多年生牧草次年的越冬能力,燕麥、綠芒草、蕪菁、飼用油芽、老芒麥和垂穗披堿草是本試驗優先篩選出的適宜在本地區栽培利用的高產抗寒的牧草。后續研究可進一步深入分析本試驗中所篩選出的高產牧草的飼用品質,探求綠麥草與箭筈豌豆適宜的混播比例及水肥管理措施,具體討論不同蕪菁品種的差異,對高產、高品質的蕪菁品種進行進一步篩選和推廣種植。