0 引言
【研究意义】牧草生产是保证中国畜牧业生产的重要手段[1-3]。近年来,在饮食结构变化的驱动下,国人口粮消费比例由1980年的68%降至2010年的43%,畜牧业快速发展的新形势下,栽培牧草的种植势在必行[1,4-5]。苜蓿、黑麦草和燕麦草是中国3种最重要的栽培牧草,分别属于多年生牧草、一年生草本和一年生饲用作物[6]。产量潜力是在单位面积土地上,在水、肥和病虫害最优管理条件下,作物所能达到的最大产量[7]。产量差是指作物产量潜力与农户实际产量之间的差值[8-10]。产量潜力和产量差的研究可以指导农业生产,提高作物产量和经济效益[11-12]。播种、施肥和灌溉作为重要的栽培管理措施,会显著影响牧草的产量,是消减产量差的重要途径[13-16]。【前人研究进展】高产纪录、作物模型模拟、试验产量和高产农户是4种常用的探索作物产量潜力的方法[17-18]。MENG等[19]通过高产记录评估了中国玉米的产量潜力,收集了1990—2009年间中国玉米4个主产区的高产记录数据,50个高产地区的玉米高产记录为15 t·hm-2,通过137组田间试验,获得的试验产量为12 t·hm-2;WART等[20]使用模型模拟计算了德国小麦、美国灌溉玉米和中国水稻的产量潜力,指出三者的产量潜力分别为10、15和7.8 t·hm-2,产量差分别为1.9、3.4和1.4 t·hm-2;ITTERSUM等[21]使用高产农户的产量评估了肯尼亚雨养玉米和澳大利亚雨养小麦的产量潜力,选用农户产量的前5%作为产量潜力,结果表明肯尼亚的雨养玉米产量潜力为5.4 t·hm-2,澳大利亚雨养小麦产量潜力为2.6 t·hm-2。牧草产量潜力方面的研究鲜有报道,LIU等[22]基于模型分析了中国不同地区燕麦草产量潜力,指出燕麦草的产量主要受水热和播种等因素的影响,西部地区的燕麦鲜草产量潜力为30 t·hm-2。现有的研究多集中在肥效试验和栽培管理措施对牧草产量影响方面[23-25]。张菁等[15]研究了播种和施肥对冬闲田紫花苜蓿产量的影响,指出在15 kg·hm-2的播种量下,合理的播期和适当增施钾肥可以显著提高苜蓿的产量;CASSOL等[26]研究了巴西黑麦草和燕麦草混播草场产量受刈割时期和氮肥施用量的影响,认为出苗后45 d刈割,同时追施氮肥可获得最高的产量,两茬干草总产量为3.5 t·hm-2;钟声等[16]指出云南省黑麦草的适宜播种量为22 kg·hm-2;李小坤等[14]推荐南方地区黑麦草的配方施肥量为450 kg N·hm-2、45 kg P·hm-2、90 kg K·hm-2。【本研究切入点】产量潜力的研究可以指导农业生产,牧草产量潜力方面的研究重视不够,迫切需要开展相关研究。消减产量差的途径有很多,对于苜蓿、黑麦草和燕麦草等牧草,由于种植面积较小,栽培管理措施尚缺乏统一的规范,通过调整施肥、播种和灌溉等管理措施有很大的增产空间[6,17,22,26-27]。【拟解决的关键问题】定量苜蓿、黑麦草和燕麦草产量潜力和产量差,进而为牧草生产中养分资源管理提供依据;明确播种、施肥和灌溉对3种牧草产量的影响,确定最优的播种、施肥和灌溉量及其对消减产量差的贡献。1 材料与方法
1.1 数据来源
牧草产量和种植面积数据源于《中国草业统计2014》;施肥量、播种量、灌溉量和牧草氮磷养分含量等数据源于已发表的文章,利用文献数据库（中国知网和Web of Science）对2016年以前发表的关于苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量、施肥量、播种量、灌溉量和牧草养分含量的国内外期刊及硕、博士论文进行检索,输入关键词“苜蓿产量 施肥”“黑麦草产量 施肥”“燕麦草产量 施肥”“牧草栽培技术”“Alfalfa, Fertilizer, China”“Alfalfa, Irrigation, China”等获得相关文献。为确保数据具有代表性,本研究所建立的数据库具有如下的筛选条件：（1）试验必须为大田试验;（2）试验的数据必须包含施肥量和牧草产量的数据;（3）标明试验的时间、地点和播种量。符合上述筛选标准的文章共176篇文章,其中苜蓿101篇,黑麦草51篇,燕麦草24篇。本章中氮、磷、钾肥施用量不经特殊说明,均指N、P2O5和K2O的施入量。产量为干草的产量,对于没有记录干草产量的文献,通过牧草的干鲜比进行换算,苜蓿、黑麦草和燕麦草的干鲜比通过文献总结获得,分别为0.27、0.17和0.26。
1.2 数据分析
1.2.1 产量潜力与产量差 探索产量潜力的方法有作物模型模拟、高产纪录、田间试验和高产农户等,本文中产量潜力用高产纪录来定量。主要原因是牧草的高产纪录可以通过文献搜集获取,而另外3种定量产量潜力方法在牧草领域应用有各自的缺陷：模型本地化需要的参数获取较困难;田间试验的差异较大;农户调研数据难以获取。文中高产纪录指文献数据中产量的前5%的平均值。产量差的计算方法：产量差（t·hm-2）=潜力产量（t·hm-2）-农户产量（t·hm-2）。其中,潜力产量（t·hm-2）=高产纪录（t·hm-2）;农户产量（t·hm-2）=统计产量（t·hm-2）。1.2.2 施肥量 基于已发表文献中报道的牧草产量与施肥量的数据,分别拟合苜蓿、黑麦草和燕麦产量与氮磷肥施用量的关系,确定3种牧草的产量最佳氮磷施用量。
1.2.3 播种量 根据文献中牧草播种量的变异范围,将苜蓿的播种量划分为5个播种梯度,分别为<15、15—18、18—21、21—24、>24 kg·hm-2;将黑麦草的播种量划分为6个播种梯度,分别为<20、20—25、25—30、30—35、35—40、>40 kg·hm-2;将燕麦草的播种量划分为5个播种梯度,分别为<120、120—160、160—200、200—240、>240 kg·hm-2。基于上述播种梯度分析产量与播种量的关系。
1.2.4 灌溉量 本研究不涉及灌溉对黑麦草和燕麦草产量的影响,主要原因如下：黑麦草主要分布在中国的南方地区,很多地区是和水稻进行轮作,水分不是其主要的产量限制因子。燕麦草主要分布在中国的西部地区,水源不足,多为雨养种植。因此,上述两种牧草对灌水量响应的文章较少,本文不做研究。
利用SPSS 21.0进行相关的分析和检验,Excel 2010和Sigmaplot 12.5进行制图。
2 结果
2.1 苜蓿、黑麦草和燕麦草的生产现状及产量差
苜蓿作为中国种植面积最大的栽培牧草,几乎在所有省（自治区、直辖市）均有分布（表1）,但主产区在北方。苜蓿的总种植面积为4 745×103 hm2,其中以新疆、甘肃、陕西和内蒙古的种植面积最广,分别为1 153×103、800×103、731×103和692×103 hm2,4个地区的种植面积占全国总面积的71%。产量方面,全国的平均干草产量为6.9 t·hm-2,江苏、四川、贵州和重庆等南方地区的产量较高,超过全国平均产量的2倍。文献数据前5%的干草产量记为高产纪录,为24 t·hm-2（图1）。高产纪录的产量可以反映牧草的产量潜力,农户产量实现了苜蓿产量潜力的28%,相应的产量差为17 t·hm-2。中国黑麦草主要分布在南方地区（表1）,总种植面积为553×103 hm2,其中四川、云南和贵州的种植面积最大,分别为156×103、103×103和92×103 hm2,占全国总种植面积的64%。全国黑麦草干草单产为16 t·hm-2,不同地区黑麦草产量差异极大,湖南省的产量高达27 t·hm-2,山东省的产量最低,为6.9 t·hm-2,仅为湖南省的1/4。高产记录的产量为26 t·hm-2（图1）,农户产量实现了黑麦草产量潜力的63%,尚有9.7 t·hm-2的增产潜力。
中国燕麦草主要分布在西部地区（表1）,总种植面积为308×103 hm2,青海的种植面积远高于其他地区,为124×103 hm2,占全国总种植面积的40%。此外,甘肃和四川的种植面积也比较多,分别为80×103和40×103 hm2。全国燕麦草干草单产为8.8 t·hm-2,不同地区产量差异较大,云南省燕麦干草的产量最高,为13 t·hm-2,宁夏的产量最低,为4.3 t·hm-2,高产纪录22 t·hm-2（图1）。农户产量实现了燕麦草产量潜力的41%,增产潜力为13 t·hm-2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1中国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量潜力
农户产量为统计数据,苜蓿、黑麦草和燕麦草高产纪录为文献数据前5%的平均值
-->Fig. 1The yield potential of alfalfa, ryegrass and oat grass in China
Farmer’ yield is represented by statistical data; Recorded highest yield is represented by the average value of the highest 5% yield of published articles
-->
Table 1
表1
表1不同地区苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量和种草面积
Table 1The yield and planting area of alfalfa, ryegrass and oat grass in different areas
| 省（自治区、直辖市） Province (autonomous region, municipality) | 苜蓿 Alfalfa | 黑麦草 Ryegrass | 燕麦草 Oat grass | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 产量 Yield (t·hm-2) | 种草面积 Planting area (×103 hm2) | 产量 Yield (t·hm-2) | 种草面积 Planting area (×103 hm2) | 产量 Yield (t·hm-2) | 种草面积Planting area (×103 hm2) | |
| 北京 Beijing | 5.4 | 0.13 | — | — | — | — |
| 天津 Tianjin | 13 | 2.2 | — | — | — | — |
| 河北 Hebei | 5.3 | 149 | — | — | — | — |
| 山西 Shanxi | 9.5 | 220 | — | — | 6.8 | 7.3 |
| 内蒙古 Inner Mongolia | 3.8 | 692 | — | — | 6.9 | 23 |
| 辽宁 Liaoning | 6.8 | 157 | — | — | — | — |
| 吉林 Jilin | 4.8 | 41 | — | — | — | — |
| 黑龙江 Heilongjiang | 4.1 | 37 | — | — | — | — |
| 江苏 Jiangsu | 19 | 1.2 | 16 | 6.5 | — | — |
| 安徽 Anhui | 11 | 7.9 | 12 | 25 | — | — |
| 江西 Jiangxi | 10 | 0.067 | 15 | 65 | — | — |
| 山东 Shandong | 4.7 | 56 | 6.9 | 0.53 | — | — |
| 河南 Henan | 12 | 63 | 13 | 1.3 | — | — |
| 湖北 Hubei | 13 | 11 | 18 | 39 | 9.0 | 0.27 |
| 湖南 Hunan | 11 | 2.3 | 27 | 15 | — | — |
| 广西 Guangxi | 9.5 | 0.067 | 11 | 13 | — | — |
| 重庆 Chongqing | 14 | 3.5 | 14 | 19 | 9.0 | 0.67 |
| 四川 Sichuan | 17 | 43 | 16 | 156 | 11 | 40 |
| 贵州 Guizhou | 15 | 17 | 22 | 92 | — | — |
| 云南 Yunnan | 11 | 57 | 15 | 103 | 13 | 3.4 |
| 西藏 Tibet | 2.9 | 33 | 14 | 0.67 | 4.4 | 3.7 |
| 陕西 Shaanxi | 6.5 | 731 | 11 | 1.6 | 4.7 | 0.067 |
| 甘肃 Gansu | 8.4 | 800 | — | — | 6.8 | 80 |
| 青海 Qinghai | 9.7 | 67 | — | — | 11 | 124 |
| 宁夏 Ningxia | 7.2 | 401 | — | — | 4.3 | 24 |
| 新疆 Xinjiang | 6.8 | 1153 | — | — | 4.2 | 2.5 |
| 福建 Fujian | — | — | 12 | 1.2 | — | — |
| 广东 Guangdong | — | — | 14 | 14 | — | — |
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2.2 施肥对苜蓿、黑麦草和燕麦草产量的影响
当施氮量很低时,苜蓿的干草产量随施氮量增加迅速的增加,但施氮量>52 kg·hm-2时,苜蓿产量不再增加（图2-a）。苜蓿产量随施磷量的变化同施氮量有相同的趋势,当施磷量>141 kg·hm-2时,苜蓿产量不再增加,相应的最高产量为10 t·hm-2（图2-b）。因此苜蓿的最优施氮量为52 kg·hm-2,施磷量为141 kg·hm-2。相比农户的平均产量（6.9 t·hm-2）,合理的施肥可以使苜蓿增产3.4 t·hm-2。黑麦草的产量随施氮量的变化,呈“线性+平台”的趋势。黑麦草对氮肥的需求量远大于苜蓿,当施氮量达到500 kg·hm-2时,增产效果仍十分显著。黑麦草的最高产量为18 t·hm-2,此时的最小施氮量为585 kg·hm-2（图3-a）。适量的磷肥可以增加黑麦草的产量,但是当磷肥施用过量时,对牧草产量会有负面的影响（图3-b）。最优的氮磷肥施用量分别为585和46 kg·hm-2,相比农户的平均产量（16 t·hm-2）,优化施肥量可以使黑麦草增产1.5 t·hm-2。
在施氮量<225 kg·hm-2时,燕麦草产量随施氮量的增加呈线性的增加。当施氮量为225 t·hm-2时,燕麦草的产量为13 t·hm-2（图4-a）。燕麦草产量与施磷量呈二次曲线的关系,当施磷量<128 kg·hm-2时,产量随施磷的增加而增加,>128 kg·hm-2时,随施磷量的增加牧草产量反而下降,因而最优的施磷量为128 kg·hm-2（图4-b）。相比农户的平均产量（8.8 t·hm-2）,最优的氮磷肥施用量可以使燕麦草增产4.5 t·hm-2。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2苜蓿干草产量和施肥量的关系
a：苜蓿干草产量和施氮量的关系The relationship between alfalfa hay yield and N application rate;b：苜蓿干草产量和施磷量的关系The relationship between alfalfa hay yield and P2O5 application rate
-->Fig. 2The relationship between alfalfa hay yield and fertilizer application rate
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3黑麦草干草产量和施肥量的关系
a：黑麦草干草产量和施氮量的关系The relationship between ryegrass hay yield and N application rate;b：黑麦草干草产量和施磷量的关系The relationship between ryegrass hay yield and P2O5 application rate
-->Fig. 3The relationship between ryegrass hay yield and fertilizer application rate
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图4燕麦草干草产量和施肥量的关系
a：燕麦干草产量和施氮量的关系The relationship between oat grass hay yield and N application rate;b：燕麦干草产量和施磷量的关系The relationship between oat grass hay yield and P2O5 application rate
-->Fig. 4The relationship between oat grass hay yield and fertilizer application rate
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2.3 播种量对牧草产量的影响
苜蓿产量同播种量的关系如图5-a。通过文献收集了467组数据,其中超过半数的数据集中在15—18 kg·hm-2。草产量随播种量的增加呈先增加后降低的趋势,在18—21 kg·hm-2的播种范围内,苜蓿的产量达到峰值,为11 t·hm-2。在合理范围内的处理有48组,仅占全部处理的10%,可见优化播种量有很大的增产潜力。相比农户的平均产量,合理的播种量可以使苜蓿增产60%。黑麦草的产量和播种量的关系如图5-b。通过文献收集了250组数据,播种量的变化范围较广,20—40 kg·hm-2的范围内均有大量的分布。草产量随播种量的变化同样呈先增加后降低的趋势,最优的播种量约为30 kg·hm-2,此时的平均产量为12 t·hm-2。同农户的平均产量相比（16 t·hm-2）,仅通过调整播种量并不能使黑麦草增产。
燕麦草产量同播种量的关系如图5-c。通过文献收集了147组数据。播种量对燕麦草产量影响巨大,播种量<120 kg·hm-2时,草产量仅为7.6 t·hm-2,比农户产量低1.2 t·hm-2。播种量<180 kg·hm-2时,草产量随播种量的增加而增加,但是当播种量进一步增加时,草产量会大幅的下降,最终维持在10 t·hm-2的水平。最适的播种量为160—200 kg·hm-2,此时的产量为16 t·hm-2。相比农户的平均产量,合理的播种量可以使燕麦草增产78%。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图5牧草干草产量和播种量的关系
a：苜蓿干草产量和播种量的关系The relationship between alfalfa hay yield and sowing rate;b：黑麦草干草产量和播种量的关系The relationship between ryegrass hay yield and sowing rate;c：燕麦干草产量和播种量的关系The relationship between oat grass hay yield and sowing rate
-->Fig. 5The relationship between forage hay yield and sowing rate
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2.4 苜蓿产量和灌溉的关系
在灌水量较低时,苜蓿产量随灌水量的增加呈线性增加。但是当灌水量达到5 737 m3·hm-2时,苜蓿的产量不再随灌水量的增加而增加,其值稳定在16 t·hm-2,最优的灌水量为5 737 m3·hm-2（图6）。相比农户的平均产量（6.9 t·hm-2）,合理的灌溉可以使苜蓿增产9.1 t·hm-2。3 讨论
3.1 牧草的产量潜力与农户产量
苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量潜力分别为24、26和22 t·hm-2,而小麦、玉米和水稻的产量潜力仅为6.7、11和8.1 t·hm-2。可见,牧草的产量潜力大于粮食作物。主要原因是牧草以收获地上所有营养体为目标,粮食作物主要收获籽粒。牧草的农户产量较低,三者的产量分别为6.9、16和8.8 t·hm-2。主要原因如下：首先,牧草产业起步晚,目前的管理还不规范,刈割次数等技术措施尚需改进;再者,中国“以粮为纲”的传统观念影响农民种草的积极性[28]。黑麦草产量高与种植区的水热条件和土壤肥力状况相关[29]。黑麦草主要分布在中国南方地区,雨量丰沛,光照充足,且黑麦草多种植在水稻种植区的冬闲田,土壤肥力较高[30]。
4 结论
中国栽培苜蓿、黑麦草和燕麦草的产量潜力分别为24、26和22 t·hm-2,农户分别实现了产量潜力的28%、63%和41%,尚有很大的增产空间;优化施肥、播种和灌溉量可以不同程度地提高牧草产量,减小产量差。优化施肥量可以使苜蓿增产约3.4 t·hm-2,黑麦草增产约1.5 t·hm-2,燕麦草增产约4.2 t·hm-2。优化播种量可以使苜蓿增产60%,燕麦草增产78%,但是仅通过优化播种量并不能使黑麦草增产。优化灌溉量可以使苜蓿增产约9.1 t·hm-2。The authors have declared that no competing interests exist.
