张学梅, 马千虎, 张子龙, 王自奎^,, 杨惠敏, 沈禹颖兰州大学草地农业科技学院/草地农业生态系统国家重点实验室/草业科学国家级实验教学示范中心,兰州 730000

Effects of Fertilization Rate on Forage Yield and Water Use Efficiency of Artificial Grassland in an Alpine Arid Area

ZHANG XueMei, MA QianHu, ZHANG ZiLong, WANG ZiKui^,, YANG HuiMin, SHEN YuYingCollege of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University/State Key Laboratory of Grassland Agro-Ecosystem/National Demonstration Center for Experimental Grassland Science Education, Lanzhou 730020

通讯作者: 王自奎,E-mail：wzk@lzu.edu.cn

收稿日期:2018-12-3接受日期:2019-02-22网络出版日期:2019-04-16

基金资助:

国家重点研发计划.2016YFC04003 国家自然科学基金.51609112 国家牧草产业技术体系.CARS-34

Received:2018-12-3Accepted:2019-02-22Online:2019-04-16
作者简介 About authors
张学梅,E-mail： zhangxm16@lzu.edu.cn。








摘要
【目的】研究燕麦/箭筈豌豆混播及燕麦单播草地产量和水分利用对施肥的响应,以探明混播及施肥影响人工草地水分利用的效应及机理,并提出青藏高原荒漠草原区水分高效利用的栽培草地播种和施肥模式。【方法】大田试验于2017年和2018年在青海省乌兰县金泰牧场开展,试验设置2个种植方式,分别为燕麦/箭筈豌豆混播和燕麦单播,设置2个施肥水平,分别为高肥（120 kg N·hm ^-2, 103 kg P₂O₅·hm ^-2）和低肥（60 kg N·hm ^-2, 51.5 kg P₂O₅·hm ^-2）,共4个试验处理,完全随机区组设计。所有处理在春季播种前进行灌溉,生育期无灌溉。试验测定指标包括主要生育时期人工草地地上生物量、植株氮含量、土壤体积含水量等,计算指标包括牧草生育期内耗水量、干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率。 【结果】通过混播和施肥均可大幅提高草地产量,2017年和2018年高肥处理干物质产量比低肥处理分别提高34.7%和9.7%,粗蛋白产量分别提高41.3%和20.4%,混播处理干物质产量比单播处理分别提高14.4%和9.2%,粗蛋白产量分别提高74.7%和62.9%。混播高肥处理产量为所有处理中最高,2017年收获期干物质和粗蛋白产量分别为10 251.7和827.2 kg·hm ^-2,2018年分别为7 589.3和570.2 kg·hm ^-2。通过增施化肥增加了草地的水分消耗,同时大幅度提高了草地水分利用效率。2017和2018年两个生长季中高肥处理牧草耗水量分别比低肥处理增加6.2%和4.3%,干物质水分利用效率提高了21.0%和4.9%,粗蛋白水分利用效率提高了30.1%和17.4%。通过混播也增加了草地的耗水量,对草地的干物质水分利用效率影响不显著,但大幅提高了蛋白质水分利用效率。2017和2018年混播草地耗水量分别比单播处增加17.9%和9.2%,干物质水分利用效率比单播处理提高-5.9%和0.5%,粗蛋白水分利用效率比单播处理提高46.7%和51.3%。 【结论】通过混播和合理施肥能够减少土壤水分无效蒸发、促进土壤贮水有效利用,提高栽培草地产量、品质及水分利用效率,推荐在高寒荒漠草原区有春季灌溉条件的草地使用。研究可为我国高寒干旱、半干旱区栽培草地建设和优良饲草生产提供一定的借鉴。
关键词： 人工草地;混播;饲草产量;蛋白质产量;水分利用效率

Abstract
【Objective】 This study was conducted to investigate the production of artificial grassland and the response of water resource use to planting pattern and fertilization level, so as to provide the optimal planting pattern and fertilization level in the desert steppe region of the Qinghai-Tibet plateau. 【Method】 The field experiment was conducted at Jintai pasture of Wulan county, Qinghai province in 2017 and 2018. Two planting patterns were set up, namely oat/common vetch mixed sowing and sole oat, and two fertilization rates were set up, which were high rate (120 kg N·hm ^-2, 103 kg P₂O₅·hm ^-2) and low rate (60 kg N·hm ^-2, 51.5 kg P₂O₅·hm ^-2). Four treatments were completely randomized block designed. All treatments were irrigated before sowing in the spring and no irrigation during the growing season. The measured indexes included aboveground biomass, plant nitrogen content and soil water content at major growth stage; The calculated indexes included water consumption during the growing stage, dry matter water use efficiency, and crude protein water use efficiency. 【Result】 Through mixed sowing and adding fertilizer, grassland yield could be greatly improved. In 2017 and 2018, the dry matter yield of high-fertilizer treatment was 34.7% and 9.7% greater than that of low-fertilizer treatment, respectively, and the crude protein production was 41.3% and 20.4% greater, respectively. The dry matter yield of oat/common vetch mixed sowing was 14.4% and 9.2% greater than of sole oat treatment, respectively, and the crude protein yield was 74.7% and 62.9% greater, respectively. The yield of mixed sowing with high-fertilizer treatment was the highest under all treatments, the dry matter and crude protein yield at harvest were 10 251.7 and 827.2 kg·hm ^-2, respectively, in 2017, and 7 589.3 and 570.2 kg·hm ^-2, respectively, in 2018. Adding fertilizer increased the water consumption of grassland, and the water use efficiency of grassland was greatly improved. In the two growing seasons in 2017 and 2018, the water consumption of high-fertilizer treatment was 6.2% and 4.3% higher than that of low-fertilizer treatments, respectively, the water use efficiency of dry matter increased by 21.0% and 4.9%, respectively, and the water use efficiency of crude protein was increased by 30.1% and 17.4%, respectively. Mixed sowing also increased the water consumption of grassland, slightly reduced the water use efficiency of dry matter, but greatly improved the water use efficiency of crude protein. In 2017 and 2018, the water consumption of oat/common vetch mixed sowing grassland was 17.9% and 9.2% higher than that of sole oat grassland, respectively; The water use efficiency of crude protein was increased by 46.7% and 51.3%, respectively.【Conclusion】Mix sowing and rational fertilizer application could increase the forage yield and quality as well as water use efficiency of grassland by decreasing the ineffective evaporation, and enhance the utilization of soil water. Which was recommended to be applied with spring irrigation conditions in the arid alpine area, the research can provide some reference for the cultivated grassland and excellent forage production in alpine arid and semi-arid areas in China.
Keywords：artificial grassland;mixture sowing;forage yield;crude protein yield;water use efficiency


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本文引用格式
张学梅, 马千虎, 张子龙, 王自奎, 杨惠敏, 沈禹颖. 施肥对高寒荒漠草原区混播人工草地产量和水分利用的影响[J]. 中国农业科学, 2019, 52(8): 1368-1379 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.007
ZHANG XueMei, MA QianHu, ZHANG ZiLong, WANG ZiKui, YANG HuiMin, SHEN YuYing. Effects of Fertilization Rate on Forage Yield and Water Use Efficiency of Artificial Grassland in an Alpine Arid Area[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2019, 52(8): 1368-1379 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.007

0 引言

【研究意义】青藏高原中东部荒漠草原区气候以干旱和半干旱为主,降水稀少、地表和地下水资源匮乏,天然草地产量低,冬春季饲草短缺限制了当地草地畜牧业的发展,人工草地建设是解决该区饲草短缺的重要途径。但是目前该区多数人工草地生产管理粗放、水肥利用效率低,生产力还有大幅提升空间^[1,2]。燕麦（Avena sativa L.）是一年生禾本科粮饲兼用型作物,在籽粒不易成熟的高海拔地区,燕麦一般作为青贮饲料或用于调制干草,具有丰富的营养物质和良好的适口性。燕麦具有耐寒、产草量高、品质好、抗逆性强的特点,且能有效防止水土流失、减少无效蒸发和地表径流^[3,4]。箭筈豌豆（Vicia sativa L.）是一年生豆科作物,也是家畜的优质饲料,具有抗寒及高效利用氮肥的优势,但其单作产量较低,所以经常与燕麦混播种植^[5,6]。【前人研究进展】目前高寒地区针对燕麦单播及燕麦/箭筈豌豆混播草地的研究主要侧重于混播比例及密度等对饲草产量和品质的影响。例如孙杰等^[7]研究了海拔高度和混播比例对燕麦/箭筈豌豆混播群体的影响,结果表明混播干草产量显著高于燕麦单播和箭筈豌豆单播,同时混播提高了草地粗蛋白产量;崔莹^[8]研究了燕麦和箭筈豌豆混播条件下草地的生产效益与土壤生态效益的相互关系,发现燕麦和箭筈豌豆1:1混播的生产生态效益最佳。施肥是影响栽培草地产量和品质的关键因素之一,适量施肥有利于提高草地产量^[9,10],但过量施肥不仅不会提高产量,而且会导致肥料的浪费和土壤污染^[11,12]。混播条件下,养分也是影响种间竞争和群体生产潜力的主要因素^[13],并且养分对水分的种间竞争和利用格局具有重要的影响^[14]。因此,根据该区域特殊的气候条件和土壤环境,研究施肥对混播草地生产及资源利用的影响,对提高水肥高效利用有重要的现实意义。水分供应不足是高寒荒漠区牧草高产的主要制约因子^[15],但是以往关注该区域施肥对混播草地水分利用规律和机理的研究较少。【本研究切入点】大量研究表明,植物复合群体由于地上冠层和地下根系的相互协同作用,具有水分高效利用的优势^[16,17],但是高寒荒漠草原区混播对人工草地水分利用的影响效应还不确定,施肥对混播草地水分利用规律和机理的作用还需深入开展。【拟解决的关键问题】本研究以青海省海西荒漠草原区为典型研究区,拟通过田间试验,对西部高寒半干旱条件下燕麦和箭筈豌豆不同种植和施肥方式下草地产量和品质、土壤水分、耗水量及水分利用效率进行研究,在此基础上提出适合当地的人工草地种植和管理模式,以期为当地牧民增收和畜牧业健康持续发展提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

大田试验于2017和2018年在青海省乌兰县金泰牧场（36°47′N,99°05′E,海拔3 160 m）开展。试验区位于柴达木盆地东北缘,地势南低北高,冬季漫长、寒冷,夏季短暂、温凉,具有明显的高原大陆性气候特征。降水季节性分布不均,主要集中在6—9月份。多年平均降水量为211 mm,年蒸发量在2 000—2 400 mm,年平均气温为3.79oC。气象数据由距离试验地150 m的农业气象站测定。2017年为平水年,牧草生育期内（2017年6月18日至2017年10月10日）降水129.1 mm,日最大降水量为14.1 mm;生育期内最高温度为28.3oC,最低温度为-5.8oC,平均气温为13.0oC。2018年为丰水年,牧草生育期内（2018年5月15日至2018年9月20日）降水322.8 mm,日最大降水量为30.8 mm,牧草生育期内最高温度为27.7oC,最低温度为-2.8oC,平均温度为12.9oC。

试验地适宜作物生长的土层厚度在100 cm左右,0—40 cm为粉壤土,40—100 cm为砂壤土;100—140 cm为砂石土层,难以测定其水分养分含量。2个生长季大田试验均在同一块试验开展,2017年试验地开展试验前主要种植饲用油菜和燕麦,0—40 cm土层有机质和速效养分含量较高,土壤肥力较好,0—100 cm土层主要土壤基础理化性状参数列于表1。

Table 1
表1
表1播种前试验地土壤基本理化性状
Table 1Main soil physical and chemical properties of experimental field before sowing

土层 Layer (cm)	有机质 Soil organic matter (g·kg-1)	全氮 Total nitrogen (g·kg-1)	硝态氮 Nitrate nitrogen (mg·kg-1)	速效磷 Available phosphorus (mg·kg-1)	容重 Bulk density (g·cm-3)	田间持水量 Field capacity (cm3·cm-3)
0-10	19.92	0.75	25.82	6.11	1.44	0.278
10-20	20.90	1.02	14.68	5.43	1.48	0.292
20-30	24.74	0.75	9.09	5.56	1.63	0.269
30-40	15.30	0.49	4.83	2.93	1.60	0.273
40-60	10.60	0.21	2.76	2.18	1.46	0.270
60-100	6.73	0.15	2.53	2.12	1.55	0.263

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1.2 试验设计

供试的燕麦品种为“青引3号”,箭筈豌豆品种为“西牧333”,种子由青海省农林科学研究院提供。试验采用完全随机区组设计,设置2个施肥水平（低肥：60 kg N·hm^-2,51.5 kg P₂O₅·hm^-2;高肥：120 kg N·hm^-2,103 kg P₂O₅·hm^-2）和2个播种方式（燕麦单播;燕麦/箭筈豌豆混播,即将燕麦和箭筈豌豆种子混合后同行条播）,共4个处理,即燕麦单播高肥处理、燕麦单播低肥处理、燕麦/箭筈豌豆混播高肥处理、燕麦/箭筈豌豆混播低肥处理。每个处理设置4次重复,共包括16个试验小区。小区面积120 m²（6 m×20 m）,各试验小区周边用高30 cm的田埂分隔,小区间设1 m宽间隔。播量根据当地生产实践确定：单播燕麦播量180 kg·hm^-2;混播处理燕麦播量90 kg·hm^-2,箭筈豌豆播量105 kg·hm^-2。化肥使用尿素和磷酸二铵,均在播种时作为基肥施入。为了提高土壤墒情,保证牧草出苗率,两个生长季均在播种前2—3周进行一次灌溉。2017年试验地在5月下旬灌水120 mm左右;2018年试验地在4月下旬灌水100 mm左右,作物生长期无灌溉。2017年燕麦、箭筈豌豆均在6月18日播种,10月20日收获。2018年燕麦、箭筈豌豆均在5月15日播种,9月20日收获。播种方式为条播,播深3—4 cm,行距20 cm。

1.3 指标测定与计算

1.3.1 土壤含水量 土壤体积含水量采用Diviner 2000土壤水分测定仪测定。每个小区设1个测定点,水分测管布置于小区中央,在深度100 cm土层内每隔10 cm深度测定一次。从播种到收获期,每3—5 d测定一次,雨后加测。Diviner水分数据通过烘干法测定的土壤水分和容重计算的体积含水量进行校准。

1.3.2 植物干物质产量 每隔10—14 d在每个小区随机选取1.0 m长的样带,将牧草齐地面刈割,称取鲜重,然后在105oC的条件下杀青30 min以后,在65oC下烘干至恒重,称量其干物质重量。

1.3.3 粗蛋白含量和产量 分别在燕麦的拔节期、盛花期、乳熟期和收获期采集植株地上部分样品,经杀青、烘干、粉碎后采用凯氏定氮法测定植株含氮量,含氮量计算方法如下^[18]：

（1） ${{\omega }_{N}}=\frac{0.014({{V}_{2}}-{{V}_{0}})c}{m}$
式中,ω_N为植株含氮量,%;V₂为滴定时所消耗盐酸标准溶液体积,mL;V₀为滴定空白时消耗的标准盐酸体积,mL;c为盐酸的当量浓度,mol·L^-1;m为样品重,g;0.014为氮的毫克当量。

植株粗蛋白含量和粗蛋白产量：

（2）CP=6.25ω_N
（3）CPY=CP×DM
式中,CP为植株粗蛋白质量分数,%;6.25为换算系数^[19]。CPY为粗蛋白产量,kg·hm^-2;CP为粗蛋白质量分数,%;DM为干物质产量,kg·hm^-2。

1.3.4 草地耗水量与水分利用效率 不同处理草地的耗水量采用水量平衡计算。公式如下：

（4）ET_a=R+I+CP-△W-OF-P
式中,ET_a为耗水量,mm;R为降水量,mm;I为灌溉水量,mm;CR为地下水向上补给量,mm;△W为生育时期末土壤储水量与生育时期初土壤储水量之差,mm;OF为径流量,mm;P为深层渗漏量,mm。因试验地在两个生长季内无灌溉,并且试验地地势平坦,地下水埋藏较深,在40 m以下,I、CR和OF均可忽略不计。因此可将式（4）化简为：

（5）ET_a =R-△W
干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率通过干物质和粗蛋白产量以及草地耗水量进行计算^[20]：

（6） $WU{{E}_{DM}}=\frac{DM}{E{{T}_{\text{a}}}}$
（7） $WU{{E}_{CP}}=\frac{CPY}{E{{T}_{\text{a}}}}$
式中,WUE_DM为干物质水分利用效率,kg·m^-3;WUE_CP为粗蛋白水分利用效率,kg·m^-3。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2013整理数据,利用SPSS 22软件进行处理间数据的方差分析和多重比较,应用SigmaPlot 12.5做图。

2 结果

2.1 干物质和粗蛋白产量

2017—2018年燕麦和箭筈豌豆干物质积累量的变化动态结果如图1所示,其中单播处理为燕麦的干物质量,混播处理为燕麦和箭筈豌豆干物质量的总和。2017年盛花期高肥处理总产草量显著高于低肥处理（P<0.05）,同一施肥处理之间差异不显著（P>0.05）。收获时混播高肥处理干物质产量最高,达到10.3 t·hm^-2,比单播高肥处理高出5.2%;混播低肥处理干物质产量为8.3 t·hm^-2,比单播低肥处理高出23.6%。2018年盛花期,混播高肥处理总产量最高,但与单播高肥及混播低肥处理差异不显著（P>0.05）。收获期混播高肥处理总产量最高,达到7.6 t·hm^-2,比单播高肥处理高出12.4%;混播低肥处理干物质产量为6.7 t·hm^-2,比单播低肥处理高出6.0%（图1）。

图1

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图12017（A）和2018年（B）盛花期和成熟期各处理地上干物质产量

图中不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著,下同
Fig. 1Aboveground dry biomass at flowering and maturing stages in 2017 (A) and 2018 (B)

Different letters indicate significant differences at P<0.05, The same as below


粗蛋白产量主要和牧草干物质产量及其含氮量有关。从图2中可以看出,2017年盛花期高肥处理的粗蛋白产量显著高于低肥处理（P<0.05）,收获期混播高肥处理粗蛋白产量最高,达到827.2 kg·hm^-2,单播低肥处理最低,粗蛋白产量为339.9 kg·hm^-2。2018年盛花期混播高肥处理粗蛋白产量显著高于其他处理（P<0.05）;收获期混播高肥处理粗蛋白产量最高,达到570.2 kg·hm^-2,单播低肥处理最低,为293.5 kg·hm^-2。

图2

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图22017（A）和2018年（B）盛花期和成熟期各处理粗蛋白产量

Fig. 2Crude protein yield under different treatments at flowering and maturing stages in 2017 (A) and 2018 (B)



从表2可以看出,不同施肥处理对燕麦、箭筈豌豆和总干物质产量的影响达到极显著水平（P<0.01）,对燕麦和总粗蛋白产量的影响也达到极显著水平（P<0.01）,对箭筈豌豆粗蛋白产量影响显著（P<0.05）。不同播种方式对干物质产量和粗蛋白产量影响均达到极显著水平（P<0.01）。混播方式和施肥对燕麦干物质产量的交互作用达到了极显著的水平,对箭筈豌豆的干物质产量和粗蛋白产量的影响也达到了极显著的交互作用（P<0.01）,但对燕麦粗蛋白产量、总干物质和粗蛋白产量交互作用影响不显著（P>0.05）。

Table 2
表2
表2成熟期不同处理下干物质产量和粗蛋白产量方差分析
Table 2Variance analysis of dry matter and crude protein production of different treatments in maturing stage

方差分析 Analysis of variance	燕麦干物质产量 Dry matter of oat	燕麦粗蛋白产量 Crude protein of oat	箭筈豌豆干物质产量 Dry matter of vetch	箭筈豌豆粗蛋白产量 Crude protein of vetch	总干物质产量 Total dry matter	总粗蛋白产量 Total crude protein
P	**	**	**	**	**	**
F	**	**	**	*	**	**
P× F	**	NS	**	**	NS	NS

P in table represents the plant pattern; F represents the fertilization level. “*” is significant at 0.05 probability level; “**” is significant at the 0.01 probability level; NS is non-significant. The same as below
表中P表示种植方式;F表示施肥水平。*表示在0.05水平上存在显著差异,**表示在0.01水平上差异极显著,NS表示差异不显著。下同

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图3结果表明,2017年收获期混播条件下施肥水平对燕麦产量的影响不显著（P>0.05）,但高肥处理箭筈豌豆的产量显著高于低肥处理（P<0.05）;高肥和低肥处理下混播处理中燕麦干物质所占总牧草产量的比例分别为56.4%和60.6%;2018年收获期混播条件下高肥处理箭筈豌豆产量显著高于低肥处理,混播处理中燕麦干物质所占牧草总产量的比例分别为69.6%和71.4%。

图3

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图32017（A）和2018年（B）收获期混播处理中燕麦和箭筈豌豆地上干物质分配及其与单播处理的比较

Fig. 3Dry matter partitioning in the mixture and the comparison with sole oat in 2017 (A) and 2018 (B)



图4结果表明,收获期不同处理总粗蛋白产量的规律与干物质类似,但是混播处理中燕麦粗蛋白产量比例要低于箭筈豌豆,2017年混播条件下高肥和低肥处理中燕麦粗蛋白产量所占比例分别为24.7%和26.3%;2018年混播条件下高肥和低处理中燕麦粗蛋白产量所占比例分别为42.7%和35.9%。

图4

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图42017（A）和2018年（B）收获期混播处理中燕麦和箭筈豌豆粗蛋白分配及其与单播处理的比较

Fig. 4Crude protein partitioning in the mixture and the comparison with sole oat in 2017 (A) and 2018 (B)

2.2 土壤水分变化动态

图5显示了2个作物生长季降雨量分布及不同处理土壤水分动态（水分为0—100 cm土层平均含水率）。播种前两周对整个试验田进行了春季灌水,灌水量约为100—120 mm,所以作物播种时土壤水分状况良好,接近田间持水量。试验点6—9月的大气蒸发能力为全年中最强的阶段,所以2017年草地建植后土壤水分持续下降,仅在播种后65—79 d几次大降雨后出现了短暂的上升趋势。至生育期末,单播草地0—100 cm土层的平均含水率为13.3%,而混播草地为11.0%,比单播低17.3%。单播条件下高肥处理的土壤含水率比低肥处理低14.0%,但在混播条件下施肥处理间土壤水分差异不显著。

图5

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图52017（A）和2018（B）年作物生长季降雨分布及不同处理土壤水分动态

Fig. 5Rainfall distribution and soil moisture dynamics in different treatments in 2017 (A) and 2018 (B)



2018年草地建植后因为地表覆盖小、土壤蒸发量较大,土壤水分迅速下降,播种后24—50 d降水频繁且降雨量较大,所以土壤水分迅速回升。播种后第60天燕麦开始抽穗,耗水量增加,土壤水分下降速率较快,随后随着秋季降雨再次回升。至收获期单播草地0—100 cm土层的平均含水率为22.0%,而混播草地为18.0%,比单播低22.4%。

2017年生育期初各个处理土壤水分在各土层的分布趋势大致相似,20 cm以下土层水分含量都在25%以上。至收获期,所有处理土壤水分较播种前大幅下降,单播处理平均土壤水分为13.3%,混播处理为11.0%（图6）。2018年生育期初期土壤含水量最高值出现在40 cm土层,达到24%—35%,40 cm以下土层水分含量逐渐降低,水分含量都在10%以上。至收获期,0—10 cm土层因收获前降雨频繁导致水分含量大于生育初期,10 cm以下土层土壤水分较播种前均呈下降趋势,单播处理平均土壤水分为21.4%,混播处理为17.5%（图7）。2个生长季中混播处理的土壤水分都显著低于单播处理,特别是在40—80 cm土层,表明在生长季后期混播处理促进了中间土层土壤水分的消耗。

图6

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图62017年作物生长季生育期播种期（A）和收获期（B）不同处理间土壤含水量变化

Fig. 6Changes of soil water content in different treatments at the sowing stage (A) and harvest (B) of the growing season in 2017

图7

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图72018年作物生长季生育期播种期（A）和收获期（B）不同处理间土壤含水量变化

Fig. 7Changes of soil water content in different treatments at the sowing stage (A) and harvest (B) of the growing season in 2018

2.3 耗水量与水分利用效率

混播处理的牧草平均耗水量较高,2个生长季混播处理平均耗水量分别比单作处理高出17.9%和9.2%,其粗蛋白平均水分利用效率分别比单作处理高45.8%和51.7%;高肥处理下植被覆盖度和干物质产量较高,2017和2018 年2个生长季平均耗水量比低肥处理分别高出6.2%和4.3%,并且由于其无效消耗的水分较少,水分利用效率也大幅度高于低肥处理,干物质水分利用效率增加幅度为21.0%和4.9%,粗蛋白水分效率增加幅度为30.1%和17.4%（表3）。

Table 3
表3
表3不同处理下耗水量和水分利用效率
Table 3Water consumption and water use efficiency under different treatments

年份 Year	处理 Treatment	耗水量 Water consumption (mm)	干物质水分利用效率 Water use efficiency for dry matter (kg·m-3)	粗蛋白水分利用效率 Water use efficiency for crude protein (kg·m-3)
2017	单播高肥 Sole oat with high fertilization	254.1a	3.79a	0.212b
	单播低肥 Sole oat with low fertilization	219.9b	3.24b	0.155c
	混播高肥 Oat/Vetch with high fertilization	277.8a	3.69a	0.298a
	混播低肥 Oat/Vetch with low fertilization	281.1a	2.94c	0.237b
2018	单播高肥 Sole oat with high fertilization	353.5ab	1.90a	0.090b
	单播低肥 Sole oat with low fertilization	344.8b	1.84a	0.084b
	混播高肥 Oat/Vetch with high fertilization	392.0a	1.94a	0.147a
	混播低肥 Oat/Vetch with low fertilization	370.2ab	1.82a	0.117ab
方差分析 Analysis of variance
P		*	*	**
F		**	**	**
P×F		NS	NS	NS

The data in the table is average of three replicates. Different letters indicate significant differences at P<0.05
表中数据为平均值。不同小写字母表示处理在0.05水平差异显著

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2017年单播高肥处理干物质水分利用效率最高,为3.79 kg·m^-3,但与混播高肥处理差异不显著（P>0.05）,混播低肥处理干物质水分利用效率最低,仅为2.94 kg·m^-3;混播高肥处理粗蛋白水分利用效率最高,达到0.298 kg·m^-3,显著高于单播高肥处理（P<0.05）,比单播高肥高出40.6%,单播低肥处理粗蛋白水分利用效率最低,为0.155 kg·m^-3。2018年混播高肥干物质水分利用效率最高,但与单播高肥处理差异不显著（P>0.05）,混播低肥处理干物质水分利用效率最低,为1.82 kg·m^-3;混播高肥处理粗蛋白水分利用效率也最高,达到0.147 kg·m^-3,比单播高肥高出63.3%,单播低肥处理粗蛋白水分利用效率最低,为0.084 kg·m^-3。

从表3可知,施肥水平对牧草生育期内耗水量、干物质水分利用效率和粗蛋白水分利用效率的影响均达到极显著性水平（P<0.01）;播种方式对牧草生育期内耗水量和干物质水分利用效率的影响达到显著水平（P<0.05）,对粗蛋白水分利用效率的影响达到极显著水平（P<0.01）。混播方式配合施肥水平对耗水量和水分利用效率未达到显著的交互作用（P>0.05）。

3 讨论

3.1 施肥和混播对草地干物质和粗蛋白产量的影响

增加施肥量对饲草产量和品质具有非常显著的改善作用。氮素作为构成蛋白质的成分,增施氮肥不仅能提高牧草产量,还能提高牧草的粗蛋白产量,进而提高牧草品质。有研究表明,随着供氮量的增加,植株光合作用功能增强,产量和营养物质积累增加^[21,22]。本研究结果表明,2017年盛花期混播高肥处理干物质产量低于单播高肥处理,但是收获期干物质产量最大的是混播高肥处理,因为一方面从盛花期到收获期,混播高肥处理中箭筈豌豆地上部干物质增加速率较快,因此收获期干物质产量最高的为混播高肥处理。另一方面,施氮可促进营养生长期燕麦的迅速生长,增加地表覆盖,减少土壤水分蒸发,提高土壤水分有效性,从而促进饲草作物的生长。高肥条件下,混播处理干物质和粗蛋白产量2017年分别比单作燕麦高出5.2%和53.3%,2018年分别比单作燕麦高出12.4%和78.9%。这是因为高肥条件下燕麦/箭筈豌豆混播群体冠层和根系交互作用加强,资源利用的种间互补效应得到有效发挥,且由于混播处理中箭筈豌豆含氮量较高,因此燕麦/箭筈豌豆混播处理干物质产量和粗蛋白产量均为最高。

同一播种方式下,由于高肥处理地上部分含氮量较高,因此同一播种方式下不同施肥处理之间的粗蛋白产量差异幅度高于干物质差异。混播处理中高肥处理箭筈豌豆产量显著高于低肥处理,2017年和2018年分别比低肥处理高出37.4%和20.3%,是因为豆禾复合群体中禾本科作物一般处于竞争优势地位,其对豆科作物的资源胁迫作用在资源供应不足时更加显著^[23,24,25],所以低肥条件下箭筈豌豆的产量受到严重抑制。

3.2 施肥和混播对草地土壤水分和水分利用效率的影响

因为2个生长季中播种前均进行了春季灌水,所以作物播种时土壤水分状况良好,接近田间持水量。试验点6、7、8、9月的大气蒸发能力为全年中最强的阶段,地表覆盖度较低的情况下,土壤蒸发剧烈,覆盖度较高的处理会有效降低土壤水分的无效蒸发消耗 ^[26]。2个生长季播种后第59天和68天牧草分别进入生殖生长期。在生殖生长之前,草地处于营养生长期,高肥处理作物生长速率快、覆盖度高、耗水量大,土壤含水率下降速率显著高于低肥处理。生长后期,由于混播草地中箭筈豌豆需水关键期比燕麦滞后,并且生殖生长期其叶片凋萎的速率较慢,后期耗水量较大。因此混播草地土壤水分逐渐小于单播草地,并且他们之间的差距越来越大。本研究结果表明,增加施肥主要增加了牧草生长前期土壤有效贮水量的利用,而混播可有效利用生长后期秋季降水储存的土壤水分,所以混播高肥处理可有效利用有限水资源。

增施化肥一方面可以促进牧草营养生长阶段的生长速率,增加土壤覆盖度,提高牧草生长前期土壤水分的利用,另一方面施肥可促进牧草根系的生长,从而促进对土壤水分的吸收,因此同一播种方式下高肥处理土壤水分利用效率高于低肥处理^[27]。本研究中,2017和2018年2个生长季中高肥处理牧草耗水量分别比低肥处理高6.2%和4.3%,干物质平均水分利用效率比低肥处理增加21.0%和4.9%,粗蛋白水分利用效率比低肥处理增加30.1%和17.4%,说明通过增施肥料可以提高牧草水分利用效率。因为施肥对粗蛋白产量的提高作用更为显著,所以其对粗蛋白水分利用效率的影响也更为显著。

在混播及间套作等复合种植条件下,因为作物生长季地表覆盖度通常低于单作,土壤水分无效蒸发量大是降低群体水分利用效率的主要因素之一^[28,29]。本研究中,混播条件下燕麦的密度较低,特别是生长前期其地表覆盖度小,土壤无效蒸发耗水较大,整个生育期水分利用效率较低,特别是低肥条件下,该现象尤为明显。2017和2018年2个生长季中混播处理作物耗水量分别比单播处理高17.9%和9.2%,混播处理粗蛋白水分利用效率分别比单播处理高45.8%和51.7%。

本研究表明施肥能明显提高牧草的产草量和水分利用效率,并且在高肥处理下,混播群体具有更高的资源利用和生产效率,其干物质量、粗蛋白产量以及水分利用效率均为最大,能达到饲草高产、优质和水分高效利用的目标。因此,我们建议在当地使用燕麦/箭筈豌豆混播种植模式,并且使用常规施肥量,以保证有限水资源的高效利用。本研究的高肥处理施肥量及种植密度等根据当地实践确定,不一定为最优。目前通过作物生长模型模拟农作物生长,进而提高对资源的利用效率已经成为管理农田的主流方法^[30,31],但是在牧草生长管理方面应用较少^[32],本研究中最佳的种植及管理模式还需通过更加长期的试验结合模型优化方法确定。

4 结论

在高寒荒漠草原半干旱环境下,通过混播和增加施肥均可大幅提升栽培草地干物质和粗蛋白产量,2年试验中混播和增施化肥对草地干物质产量的提高幅度分别为9.2%—14.4%和9.7%—34.7%,对粗蛋白产量的提高幅度分别为20.4%—41.3%和62.9%—74.7%。同时,高肥处理可促进牧草营养生长阶段的生长速率,增加地表覆盖度,提高前期土壤水分的利用。通过混播可有效提高生育后期对土壤贮水的有效利用,所以混播高肥处理利用当地生产条件下有效土壤水分的效率最高。建议在当地有春季灌溉的条件下使用混播高肥饲草栽培模式。

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在西藏日喀则地区,将燕麦(<i>Avena sativa</i> L.)与箭筈豌豆(<i>Vicia sativa</i> L.)种子按不同比例进行混播试验,通过对混收牧草产量和品质的测定分析,研究适宜在当地生长的燕麦与箭筈豌豆的最佳混播比例,以期获得最大的生物产量和营养价值。结果表明:在燕麦播种量不变的情况下,随着箭筈豌豆混播比例的增加,粗蛋白质(CP)含量随之增加,而中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量降低。在49种混播组合中,混播播种量为燕麦210kg&#183;hm^-2和箭筈豌豆75kg&#183;hm^-2(G1)混播组合的干草产量和营养成分的综合指标最高,可在西藏日喀则地区推广应用。
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<p>以燕麦（Avena sativa）永久444为材料，研究播期与氮肥对高寒牧区燕麦生育期、株高、分蘖数及其青干草产量的影响。结果表明：随播期的推迟，燕麦种子成熟期推迟，而施氮量对燕麦生育期无明显影响；播期和氮肥对燕麦株高、分蘖数及草产量皆有显著影响，均随施氮量增加而增加。以开花期收获青干草为目的，则4月下旬-5月上旬播种且施氮量为100 kg/hm2时，可获燕麦高产。</p>
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了解作物在地上和地下与水分的相互作用对于研究间作系统的性能是很重要的。该文对近年来国内外对间作系统内水分在作物间的分配与利用的研究成果作了简单的综述，包括水分在间作作物间的分配、间作条件下作物需水量的估算模型和间作条件下的根系吸水模型。指出了此项研究存在的问题，进而对其今后研究方向和发展趋势进行了展望。
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基于盆栽试验，设置9个不同密度、不同施氮量的交互处理，研究了高寒地区燕麦(<i>Avena sativa</i>)的生长特性、生殖分配格局对不同密度和氮肥交互处理的响应。结果表明，1)同等密度水平下，随着氮肥量的增加，燕麦高度、叶长、穗长、分蘖数及各器官生物量显著增加，且高氮肥(2 g·盆^-1)处理下也极显著(<i>P</i>&lt;0.01)大于其他处理，施氮肥促进了燕麦植株生长，光合作用功能增强，分蘖数增加，营养物质的制造和积累增加。同等氮肥水平下，大部分性状随密度增加而减小，表现出竞争作用。不同密度、不同施氮量对叶长和生殖生物量的交互作用不显著(<i>P</i>&gt;0.05)。2)密度和氮肥交互作用下，燕麦的各生长指标之间均为极显著正相关。3)生殖生物量分配在高密度(50粒·盆^-1)×中氮肥(1 g·盆^-1)(HD×MF)交互处理下达到最大值(12.23%)，与已有的一年生植物生殖分配比例高于20%的结论不一致。4)燕麦各器官的资源分配方面都存在“此消彼长”的权衡关系。
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生态学报, 2011,31(6):1617-1630.
Magsci [本文引用: 1]
为河西走廊绿洲灌区豆科/禾本科间作体系的养分管理提供科学依据,于2007年在武威绿洲农业试验站应用田间原位根系行分隔技术研究了蚕豆/玉米种间互作和施氮对玉米抽雄期的根系空间分布、根系形态和作物地上部生长的影响。研究结果表明：种间互作和施氮均增加了玉米和蚕豆在纵向和横向两个尺度上的根重密度、根长密度、根表面积、根系体积。根长密度和根表面积与两种作物产量和氮素吸收均呈正相关,而与蚕豆的根瘤重呈负相关；抽雄期的土壤含水量与玉米产量和养分吸收呈显著的负相关。玉米根系可以占据蚕豆地下部空间,但蚕豆的根却较少到间作玉米的地下部空间,也就是间作后增加了玉米根系水平尺度的生态位。蚕豆和玉米根系主要分布分别在0—40 cm浅土层和0—60 cm 土层,且间作玉米根系在60—120 cm比单作和分隔的多。因此,种间互作和施氮扩大了两作物根系纵向和横向的空间生态位,改变了作物根系形态,即扩展了两者水分和养分吸收的生态位,增加了作物吸收养分的有效空间,从而提高了间作生态系统的生产力。
LI Y Y, HU H S, CHENG X, LI J H, LI L . Effects of interspecific interactions and nitrogen fertilization rates on above-and below- growth in faba bean/mazie intercropping system
Acta Ecologica Sinica, 2011,31(6):1617-1630. (in Chinese)
Magsci [本文引用: 1]
为河西走廊绿洲灌区豆科/禾本科间作体系的养分管理提供科学依据,于2007年在武威绿洲农业试验站应用田间原位根系行分隔技术研究了蚕豆/玉米种间互作和施氮对玉米抽雄期的根系空间分布、根系形态和作物地上部生长的影响。研究结果表明：种间互作和施氮均增加了玉米和蚕豆在纵向和横向两个尺度上的根重密度、根长密度、根表面积、根系体积。根长密度和根表面积与两种作物产量和氮素吸收均呈正相关,而与蚕豆的根瘤重呈负相关；抽雄期的土壤含水量与玉米产量和养分吸收呈显著的负相关。玉米根系可以占据蚕豆地下部空间,但蚕豆的根却较少到间作玉米的地下部空间,也就是间作后增加了玉米根系水平尺度的生态位。蚕豆和玉米根系主要分布分别在0—40 cm浅土层和0—60 cm 土层,且间作玉米根系在60—120 cm比单作和分隔的多。因此,种间互作和施氮扩大了两作物根系纵向和横向的空间生态位,改变了作物根系形态,即扩展了两者水分和养分吸收的生态位,增加了作物吸收养分的有效空间,从而提高了间作生态系统的生产力。

[25] LI Y L, YU C B, CHENG X, LI C J, ZHANG F S, LAMBERS H, LI L . Intercropping alleviates the inhibitory effect of N fertilization on nodulation and symbiotic N2 fixation of faba bean
Plant and Soil, 2009,323(1/2):295-308.
DOI:10.1007/s11104-009-9938-8URL [本文引用: 1]

[26] 杨轩, 王自奎, 曹铨, 张小明, 沈禹颖 . 陇东地区几种旱作作物产量对降水与气温变化的响应
农业工程学报. 2016,32(9):106-114.
Magsci [本文引用: 1]
研究作物产量对气候变化的响应，对于指导区域农业生产，保障粮食安全和生态安全具有一定的理论指导意义。结合大田试验与农业生产系统模拟模型（Agricultural Production Systems Simulator，APSIM），在验证模拟研究区冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量可靠性的基础上，分析5个降水变化梯度（降水量不变、降低10%和20%、升高10%和20%）和5个气温变化梯度（不变、降低1.5和1℃、升高1.5和1℃）组合情景下3种作物的产量变化趋势。结果表明：APSIM模型在试验点对3种作物籽粒产量和生物量的模拟精度较高，决定系数R2在0.80～0.93之间，归一化均方根误差在11.35%～22.48%之间，模型有效系数在0.53～0.91之间。冬小麦、玉米和紫花苜蓿在气温升高、降水量减少的情景下减产，减产的最大幅度分别为38.7%、40.3%和41.8%；冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产，增产的最大幅度分别为29.8%和51.7%；玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大，为22.0%。总之，在研究范围内，3种作物的产量随降水的增加而增高；玉米的产量随气温升高先增高后降低，另2种作物的产量随气温的升高而降低；紫花苜蓿适应气候变化的能力最强。结果对明确黄土高原地区主要作物的生产走势，制订农业布局、管理措施等具有一定意义。
YANG X, WANG Z K, CAO Q, ZHANG X M, SHEN Y Y . Effects of precipitation and air temperature changes on yield of several crops in eastern Gansu of China
Transactions of the Chines Society of Agricultural Engineering, 2016,32(9):106-114. (in Chinese)
Magsci [本文引用: 1]
研究作物产量对气候变化的响应，对于指导区域农业生产，保障粮食安全和生态安全具有一定的理论指导意义。结合大田试验与农业生产系统模拟模型（Agricultural Production Systems Simulator，APSIM），在验证模拟研究区冬小麦、玉米和紫花苜蓿产量可靠性的基础上，分析5个降水变化梯度（降水量不变、降低10%和20%、升高10%和20%）和5个气温变化梯度（不变、降低1.5和1℃、升高1.5和1℃）组合情景下3种作物的产量变化趋势。结果表明：APSIM模型在试验点对3种作物籽粒产量和生物量的模拟精度较高，决定系数R2在0.80～0.93之间，归一化均方根误差在11.35%～22.48%之间，模型有效系数在0.53～0.91之间。冬小麦、玉米和紫花苜蓿在气温升高、降水量减少的情景下减产，减产的最大幅度分别为38.7%、40.3%和41.8%；冬小麦、紫花苜蓿的在气温降低、降水量增加时增产，增产的最大幅度分别为29.8%和51.7%；玉米在降水量增加、温度不变的情景下增产幅度最大，为22.0%。总之，在研究范围内，3种作物的产量随降水的增加而增高；玉米的产量随气温升高先增高后降低，另2种作物的产量随气温的升高而降低；紫花苜蓿适应气候变化的能力最强。结果对明确黄土高原地区主要作物的生产走势，制订农业布局、管理措施等具有一定意义。

[27] MARIOTTI M, MASONI A, ERCOLI L, ARDUINI I . Nitrogen leaching and residual effect of barley/field bean intercropping
Plant, Soil and Environment, 2015,61(2):60-65.
[本文引用: 1]

[28] YIN W, YU A Z, CHAI Q, FH F L, FENG F X, GAN Y T . Wheat and maize relay-planting with straw covering increases water use efficiency up to 46%
Agronomy for Sustainable Development, 2015,35(2):815-825.
DOI:10.1007/s13593-015-0286-1URL [本文引用: 1]

[29] 王自奎, 吴普特, 赵西宁, 王玉定, 高莹 . 小麦/玉米套作田棵间土壤蒸发的数学模拟
农业工程学报, 2013,29(21):72-81.
Magsci [本文引用: 1]
为了探明小麦/玉米套作条件下棵间土壤蒸发规律及内在机制，该文将Ritchie模型和间套作群体光能传输模型结合起来模拟了小麦/玉米套作田的棵间土壤蒸发，并用2012年和2013年微型蒸渗仪的实测值对该方法进行了验证。结果表明，2 a模拟值和实测值的变化趋势都非常一致。与实测蒸发相比，该文所建模型2012年模拟结果的均方根误差为0.447 mm/d，平均绝对误差为0.331 mm/d，分别比原Ritchie模型降低16.8%和20.8%。在实测数据的88 d，累计实测蒸发量为107.2 mm，而模型的模拟值为100.5 mm，仅低估实测值6.7%。在2013年实测数据的68 d，累计实测蒸发量为83.1 mm，而模型的模拟值为73.7 mm，低估11.3%。模拟值与实测值的均方根误差和平均绝对误差分别为0.465和0.333 mm/d，略大于2012年。套作群体根系层水量平衡分析结果表明，小麦/玉米套作系统整个生育期土壤蒸发占总蒸发蒸腾的比例高达41.1%，故有必要在该套作农田实施秸秆覆盖等农艺措施，以减少棵间土壤蒸发，提高土壤水分的利用效率。该研究成果可为小麦套作种植模式下田间水分管理提供依据。
WANG Z K, WU P T, ZHAO X N, WANG Y D, GAO Y . Mathematical simulation of soil evaporation from wheat/maize intercropping field
Transactions of the Chines Society of Agricultural Engineering, 2013,29(21):72-81. (in Chinese)
Magsci [本文引用: 1]
为了探明小麦/玉米套作条件下棵间土壤蒸发规律及内在机制，该文将Ritchie模型和间套作群体光能传输模型结合起来模拟了小麦/玉米套作田的棵间土壤蒸发，并用2012年和2013年微型蒸渗仪的实测值对该方法进行了验证。结果表明，2 a模拟值和实测值的变化趋势都非常一致。与实测蒸发相比，该文所建模型2012年模拟结果的均方根误差为0.447 mm/d，平均绝对误差为0.331 mm/d，分别比原Ritchie模型降低16.8%和20.8%。在实测数据的88 d，累计实测蒸发量为107.2 mm，而模型的模拟值为100.5 mm，仅低估实测值6.7%。在2013年实测数据的68 d，累计实测蒸发量为83.1 mm，而模型的模拟值为73.7 mm，低估11.3%。模拟值与实测值的均方根误差和平均绝对误差分别为0.465和0.333 mm/d，略大于2012年。套作群体根系层水量平衡分析结果表明，小麦/玉米套作系统整个生育期土壤蒸发占总蒸发蒸腾的比例高达41.1%，故有必要在该套作农田实施秸秆覆盖等农艺措施，以减少棵间土壤蒸发，提高土壤水分的利用效率。该研究成果可为小麦套作种植模式下田间水分管理提供依据。

[30] KEATING B A, THORBURN P J . Modelling crops and cropping systems—Evolving purpose, practice and prospects
European Journal of Agronomy, 2018,100:163-176.
DOI:10.1016/j.eja.2018.04.007URL [本文引用: 1]

[31] SINGH S, BOOTE K J, ANGADI S V, GROVER K K . Estimating water balance, evapotranspiration and water use efficiency of spring safflower using the CROPGRO model
Agricultural Water Management, 2017,185:137-144.
DOI:10.1016/j.agwat.2017.02.015URL [本文引用: 1]

[32] KOMAREK A M, BELL L W, WHISH J P M, ROBERTSON M J, BELLOTTI W D . Whole-farm economic, risk and resource-use trade-offs associated with integrating forages into crop-livestock systems in western China
Agricultural Systems, 2015,133:63-72.
DOI:10.1016/j.agsy.2014.10.008URL [本文引用: 1]