施氮和刈割对辽西北退化草地牧草产量和品质的影响

赵京东，宋彦涛，徐鑫磊，乌云娜

（大连民族大学环境与资源学院，辽宁 大连116600）

根据最新统计资料显示，我国草地总面积约为2.93×108hm2［1］，其中东北草地占全国草地面积的12.97%，是我国东北地区重要的天然生态屏障和畜牧业基地［2］。然而近年来，由于草地沙化和超载放牧等一系列生态问题，东北天然草地面积锐减，位于东北中部的科尔沁沙地，面积不断扩张，使得沙化问题愈演愈烈［3］。沙地相比未退化草地生态系统更为脆弱，导致放牧的风险远高于同地带的其他类型草地，如无科学管理，会衍生出水土流失、植被覆盖率降低以及土地退化等一系列生态问题［4］，而围栏封育作为退化草地恢复的主要措施之一，因其投资少、见效快而被广泛采用［5］。

辽宁省西北部地区的彰武县位于科尔沁沙地南缘，土地沙漠化较为严重［6］，退化草地经适时封育虽有利于植被功能多样性及土壤养分的恢复［5］，但长期围封而不利用也会对植被恢复和营养品质产生严重的负面影响［7-8］。施氮作为恢复退化草地的有效措施之一，通过增加土壤中可利用氮等养分含量，消除资源限制作用，提高草地生产力和牧草营养品质［9-10］。刈割是一种常见的草地利用措施，主要是利用植物均衡性及补偿性的特性来改变牧草产量和品质［11］，刈割措施的合理应用对牧草的粗蛋白、粗纤维等营养成分的提高具有重要意义［12］，由于沙地具有独特的植物功能群和土壤特性，牧草产量和品质对施氮和刈割的响应可能有所不同。

牧草作为饲养草食动物的重要资源，其品质高低关乎当地畜牧业的经济效益。本研究以辽西北退化草地围封区牧草为研究对象，探讨施氮和刈割两种管理方式对牧草产量和品质的影响，进一步认识施氮和刈割在退化草地生态系统恢复过程中的作用，为退化草地的合理开发利用和当地畜牧业发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于辽宁省沙地治理与利用研究所（121°53′-122°58′E，42°07′-42°51′N），海拔260~330 m。属于温和半湿润的季风大陆性气候，年均气温7.3℃，年均降水量400~450 mm［13］。土壤类型主要为风沙土。植被类型以灌丛和沙生植物为主，常见物种有糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）、马唐（Digitaria sanguinalis）、苔草（Carex）、猪毛菜（Salsola collina）、猪毛蒿（Artemisia scoparia）、虎尾草（Chloris virgata）、画眉草（Eragrostis pilosa）和狭叶米口袋（Gueldenstaedtia stenophylla）等。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，5个区组，间隔0.8 m。各区组设置施氮和刈割两个处理因素。施氮包括2个水平，N：0和10 g·m-2·a-1，分别记为N0和N10；刈割强度包括4个水平：留茬3、6、12 cm、不刈割（ND）。共计40个小区，小区面积3 m×3 m。

在试验开始之前，研究地点草地的利用方式为自由放牧，以放牧牛、羊为主，载畜量为2个羊单位·hm-2［14］。2017年6月开始围封，2017年开始每年8月进行留茬高度处理，2018年开始每年5月进行施氮处理。

1.3 牧草样品采集与前处理

于2018和2019年每年8月上旬地上生物量高峰期进行取样。每一个小区随机选取1个0.5 m×1.0 m样方，对植物地上部分进行齐地面刈割，除去黏附的土粒、砂石、杂质后，装入纸袋带回实验室，于65℃烘干24 h，至恒重后进行称重，粉碎并标记，保存待测。

1.4 牧草营养成分测定

由蓝德雷饲草·饲料品质检测实验室测定。采用NIRS近红外检测方法（FOSS福斯DS2500）测定牧草营养成分：粗蛋白（crude protein，CP）、粗灰分（ash）、粗脂肪（ether extract，EE）、木质素（lignin）、可溶性碳水化合物（water soluble carbohydrate，WSC）、非纤维性碳水化合物（non-fibrous carbohydrate，NFC）、酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）、中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF）；矿质元素：钙（Ca）、磷（P）、镁（Mg）、钾（K）；饲喂价值：可消化中性洗涤纤维（digestible neutral detergent fiber，d NDF，48 h）、中性洗涤纤维消化率（neutral detergent fiber digestibility，NDFD，48 h）、体外干物质消化率（in vitrodry-matter digestibility，IVDMD，48 h）、产奶净能（net energy lactation，NEL）、维持净能（net energy maintenance，NEm）、增重净能（net energy gain，NEg）、总可消化养分（total digestible nutrients，TDN）、奶吨指数（kg milk·t-1DM，MT）［15］、相对饲草品质（relative forage quality，RFQ）以及相对饲喂价值（relative feeding value，RFV）共22项营养指标。

1.5 数据分析

采用三因素方差分析检验年份、施氮以及刈割对牧草产量和品质各指标的作用，采用LSD检验方法对数据进行多重比较，显著性水平α=0.05，采用皮尔逊相关系数度量营养指标之间的相关性，粗蛋白与其他营养指标之间的关系进行线性回归分析，所有统计分析在SPSS 26.0中完成，采用SigmaPlot 12.5和Excel 2018作图。

2 结果与分析

2.1 施氮和刈割对产草量的影响

年份变化对产草量影响达到极显著水平（P<0.01），施氮处理对产草量的影响达到显著水平（P<0.05），刈割处理以及交互作用对产草量影响不显著（图1）。随着氮肥的添加，产草量呈增加趋势，但在不同留茬高度和不同年份，施氮对产草量的影响不同。2018年在留茬12 cm处理时，施氮和不施氮处理间差异显著（P<0.05），2019年在留茬3和6 cm处理时，施氮和不施氮处理间差异显著（P<0.05）。

图1 2018和2019年施氮和刈割对产草量的影响Fig.1 Effect of nitrogen application and mowing on forage yield in 2018 and 2019

2.2 施氮和刈割对牧草营养成分的影响

年份变化对Lignin、EE、NFC、ADF以及NDF影响达到显著水平（P<0.05）；施氮处理对CP、Ash以及ADF影响达到极显著水平（P<0.01）；刈割处理对Ash、EE、NFC以及NDF影响达到显著水平（P<0.05）；年份变化和施氮处理交互作用对CP和ADF影响达到显著水平（P<0.05）；施氮和刈割处理交互作用对CP和Ash影响达到极显著水平（P<0.01），年份变化和刈割处理交互作用以及三因子交互作用对8种营养成分影响未达到显著水平（表1）。

表1 2018和2019年施氮和刈割对牧草营养成分含量的方差分析Table 1 Variance analysis of nutrient composition content of herbage by nitrogen application and mowing in 2018 and 2019

随着氮肥的添加，牧草ADF呈降低的趋势（图2），但在不同年份和刈割处理下，施氮对ADF的影响不同，仅在2019年留茬3 cm和12 cm处理下，施氮和不施氮处理间差异显著（P<0.05）。

随着刈割强度的增加，牧草NFC呈增加的趋势，NDF呈降低的趋势，但在不同年份，刈割对NFC和NDF的影响不同。在2018年，留茬3和12 cm较不刈割处理显著降低了牧草NDF含量（P<0.05），与留茬6 cm间无显著差异；2019年，留茬3和6 cm较不刈割处理显著提高了牧草NFC含量（P<0.05），降低了NDF含量（P<0.05），与留茬12 cm间无显著差异（图2）。

在不同年份间的施氮和刈割共同作用下，牧草CP和Ash的变化趋势不同。在2018年，施氮区留茬3 cm处理下CP含量显著高于其他处理（P<0.01），在2019年，施氮区留茬3和12 cm处理下CP含量显著高于其他处理（P<0.001）；而2018和2019年Ash含量均在不施氮区留茬3 cm处理下达到峰值（P<0.05）（图2）。

2.3 施氮和刈割对牧草矿质元素的影响

年份变化对K元素影响达到显著水平（P<0.05）；刈割处理对Ca、P以及Mg元素影响达到显著水平（P<0.05）；施氮处理以及交互作用对4种矿质元素影响未达到显著水平（表2）。

表2 2018和2019年施氮和刈割对牧草矿质元素含量的方差分析Table 2 Variance analysis of the content of mineral elements in herbage by nitrogen application and mowing in 2018 and 2019

随着刈割强度的增加，不同年份间牧草Ca、P以及Mg元素含量变化趋势不同。在2018年，Ca、P以及Mg元素含量均呈先增加后降低再增加的趋势，留茬3和12 cm处理下Ca元素含量显著高于留茬6 cm和不刈割处理（P<0.01），留茬3 cm处理下P和Mg元素含量显著高于留茬6 cm和不刈割处理（P<0.05），与留茬12 cm间无显著差异；在2019年，Ca和P元素含量呈增加的趋势，留茬3和6 cm处理下Ca元素含量显著高于不刈割处理（P<0.01），与留茬12 cm间无显著性差异，而不同留茬处理下P元素含量均显著高于不刈割处理（P<0.01）（图3）。

图3 2018和2019年施氮和刈割对牧草矿质元素的影响Fig.3 Effect of nitrogen application and mowing on forage mineral elements in 2018 and 2019

2.4 施氮和刈割对牧草饲喂价值的影响

年份变化对d NDF和IVDMD影响达到显著水平（P<0.05）；施氮处理对NEL、NEm、NEg、MT以及TDN影响达到显著水平（P≤0.05）；刈割处理对IVDMD、NEL、NEm、NEg、MT、TDN、RFQ以及RFV影响达到显著水平（P<0.05）；年份变化和施氮处理交互作用对TDN影响达到显著水平（P<0.05）；施氮和刈割处理交互作用对牧草NEL和MT影响达到显著水平（P<0.05）；年份变化、施氮以及刈割处理交互作用对牧草NDFD影响达到显著水平（P<0.05）；年份变化和刈割处理交互作用对10种饲喂价值无显著影响（表3）。

表3 2018和2019年施氮和刈割对牧草饲喂价值含量的方差分析Table 3 Analysis of variance of feed value content of herbage by nitrogen application and mowing in 2018 and 2019

不同大写字母表示刈割处理间差异显著（P<0.05）；不同小写字母表示施氮和刈割处理互作显著（P<0.05）。下同。Different capital letters indicate the significant differences among the cutting treatments（P<0.05）；Different lowercase letters indicate significant interactions（P<0.05）between nitrogen application and clipping treatment.The same below.

随着氮肥的添加，牧草NEm、NEg以及TDN呈增加趋势（图4），且均在2019年与不刈割处理呈显著性差异（P<0.05）。

随着刈割强度的增加，不同年份间不同指标变化趋势各异。在2018年，牧草IVDMD和RFV呈先增加后降低再增加的趋势，留茬3 cm处理下IVDMD含量显著高于留茬6 cm和不刈割处理（P<0.05），与留茬12 cm间无显著差异，留茬3和12 cm处理下RFV含量显著高于不刈割处理（P<0.05），与留茬6 cm间无显著性差异；在2019年，牧草IVDMD、NEm、NEg、TDN、RFQ以及RFV呈增加趋势，留茬3 cm处理下IVDMD和RFQ含量显著高于不刈割处理（P<0.05），与留茬6和12 cm间无差异，留茬3和6 cm处理下NEm、NEg、TDN以及RFV含量显著高于不刈割处理（P<0.05），与留茬12 cm间无显著性差异（图4）。

在不同年份间的施氮和刈割共同作用下，牧草NEL和MT呈不同的变化趋势（图4），但两种指标均在2019年呈显著性差异。施氮区留茬3 cm处理下NEL含量显著高于其他处理（P<0.01），而MT含量在留茬3、12 cm施氮区以及留茬6 cm处理下达到峰值（P<0.01）。

图4 2018和2019年施氮和刈割对牧草饲喂价值的影响Fig.4 Effect of nitr ogen application and mowing on forage feeding value in 2018 and 2019

2.5 牧草营养品质之间的线性拟合关系

牧草Ash、ADF、NDF、d NDF、NDFD、Mg、NEL、NEm、NEg、MT、TDN以及RFV共12项营养品质指标与牧草CP之间存在显著相关关系（图5）。其中牧草Ash、ADF、NDF、d NDF以及NDFD与牧草CP显著负相关（P<0.05），牧草Mg、NEL、NEm、NEg、MT、TDN以及RFV与牧草CP显著正相关（P<0.05）（图5）。

图5 牧草粗蛋白与相关营养指标的线性拟合关系Fig.5 Linear fitting relationship between forage crude protein and related nutrient index

3 讨论

3.1 牧草营养成分

粗蛋白对维持和生成牧草新组织至关重要，对粗蛋白的评价具有重要意义［16］。本研究中2018和2019年施氮区牧草粗蛋白含量显著高于不施氮区，可能的原因是当地风沙土无法为牧草提供足够量的氮以实现最佳生长，而氮肥的施用消除了这种不足，留茬3 cm处理下施氮区牧草粗蛋白含量最高，这是由于牧草被利用后，根系和茎基部中的贮藏含氮物质被向上部转移用于再生，由于短茬处理下牧草损失大量的氮，根系对土壤氮的吸收能力不足以补充消耗，而随着再生的进行，根系呼吸供能增加，对氮的吸收能力加强，逐渐超过再生导致的消耗，牧草氮含量增加，并且随着留茬高度的降低，含氮量增加幅度越来越大［17］，另外，短茬高度处理后植物幼嫩组织占比较大，故营养价值较高［18］。石岳等［19］对近131个未受刈割和放牧干扰的不同类型草地采样点进行牧草营养品质分析发现：草甸草原、典型草原、荒漠草原、高寒草原、高寒草甸牧草粗蛋白含量平均为9.68%、12.15%、12.97%、12.35%、13.16%，本研究中未受干扰的草地牧草粗蛋白含量2018和2019年分别为10.42%和9.88%，位于草甸草原和典型草原之间，含量相对偏低，本研究中2018和2019年经施氮和刈割干扰后最高可达13.73%和14.27%，这表明施氮和刈割是提高退化草地牧草粗蛋白含量的有效措施。

灰分为牧草饲料中的矿物质，主要是矿质元素和其他微量元素的化合物［20］，本研究中粗灰分和粗蛋白呈显著负相关关系，无氮区牧草粗灰分含量较高，可达13.10%，而施氮降低了牧草2018和2019年粗灰分含量，但施氮区不同留茬高度处理下变化相对平稳，对维持牧草中的无机养分稳定起着关键性的作用。优质牧草中酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量低代表牧草适口性好，易消化［21］，本研究中牧草酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维与粗蛋白呈负相关，这与Hernández等［22］的研究结果一致，表明牧草中粗纤维的蓄积会导致氮浓度的下降，从而限制植物生长，降低营养品质［23］。在本研究中，施氮处理可通过降低牧草酸性洗涤纤维含量进而提高牧草适口性。

中性洗涤纤维包括纤维素、半纤维素和木质素，这些都是植物细胞壁的主要成分［24］。Minson［25］研究发现细胞壁含量低的植物具有较高的可消化非结构性碳水化合物，一般认为中性洗涤纤维含量20%~35%的牧草具有更高的消化率［26］，而中性洗涤纤维含量高于53%的牧草属三级青干草［27］。本研究中，2018和2019年牧草中性洗涤纤维含量均在留茬3 cm处理下最低，分别为59%和55%，在不刈割处理下最高，两年均为66%，可能的原因是短茬刈割处理在去除茎叶比较大的多年生丛生型禾草和多年生根茎型禾草产量的同时增加了茎叶比较小的多年生杂类草产量，牧草整体适口性显著提高［28-29］。另外，虽然刈割降低了粗纤维含量，但当地牧草仍处于劣质水平（高于50%），这可能与沙地贫瘠的养分供给条件相关，植物生长发育大大受限，与优质牧草间还存在一定差距。

牧草中可溶性糖是非纤维性碳水化合物的重要成分，草食动物更喜欢含有可溶性糖的植物［24］，而日粮中合理的非纤维性碳水化合物和中性洗涤纤维配比对反刍动物采食、生产性能、瘤胃发酵、营养物质消化和生理代谢等具有重要作用［30］，由于研究区牲畜以牛、羊为主，研究表明，增加日粮中NFC/NDF可提高山羊瘤胃和绵羊十二指肠中微生物蛋白含量以及山羊和肉用犊牛的平均日增重［31-33］，但过量的NFC/NDF（2.58）可能会导致奶山羊发生亚急性瘤胃酸中毒［34］，本研究发现，在2019年留茬3和6 cm处理下牧草非纤维性碳水化合物含量最高，分别为21.61%和22.02%，而中性洗涤纤维含量高出同处理下非纤维性碳水化合物含量两倍有余，NFC/NDF远远低于牲畜的需求极值，因此，在本研究中留茬3和6 cm处理下的牧草为最优NFC/NDF水平，可增进反刍动物对牧草的消化与利用。

3.2 牧草矿质元素

在草地生态系统中土壤-植物-动物是一个有机整体，每个环节都不可或缺，植物作为中间体，对土壤和动物之间营养元素交换起着至关重要的作用［35］，牧草中矿物元素通常含量较低，但却是草食动物的必需元素［15］。本研究发现牧草中镁元素与粗蛋白含量呈正相关，这与席冬梅等［36］的研究结果一致，镁元素能够促进植物体内维生素的形成，对提高产量改善牧草品质有重要作用［37］，而施氮对牧草4种矿质元素变化均无显著影响，刈割对钾元素含量影响未达到显著水平，而除钾元素外，刈割显著提高牧草钙、磷、镁元素含量，且留茬3 cm处理下3种矿质元素含量均最高。这可能是由于植物体内矿质元素营养的“饥饿效应”，即当植物体内矿质元素营养的供给不足时需要蓄积该矿质元素以供急需时所用［38］。对样地实施刈割，植物顶部大量的茎叶组织被移除，群落中矿质元素含量骤降，触发了“饥饿效应”。综上，刈割能显著提高牧草中的钙、磷以及镁元素含量，且在留茬3 cm下最高，施氮无影响。

3.3 牧草饲喂价值

牧草消化率的高低对应着牧草品质的优劣，牧草的消化率越高，其营养饲喂价值越大［39］。2018和2019年牧草体外干物质消化率变化趋势一致，均表现为不刈割处理下消化率最低，这可能是由于牧草经过刈割后，植物的补偿性生长特性得以发挥，消化率低的老叶被消化率高的新鲜嫩叶所取代，消化率提高。净能是牧草中被牲畜真正利用的能量，维持其基本的生命活动并进行生产（包括产奶、生长等），根据用途的不同划分为产奶净能、维持净能以及增重净能［40］。美国的Flatt在1969年提出奶牛净能体系，规定饲料对奶牛的能量价值用产奶净能表示，美国国家研究理事会于2001年给出的苜蓿（Medicago sativa）干草产奶净能奶牛饲养标准为0.28 MJ·kg-1［41］，本研究中2018和2019年各个处理下牧草产奶净能在0.27~0.32 MJ·kg-1，除2019年不施氮区留茬12 cm处理外，其余处理均符合优质牧草饲养标准，2018和2019年均表现为施氮区留茬3 cm处理下含量最高，分别为0.31、0.32 MJ·kg-1，奶吨指数与产奶净能变化一致，说明施氮结合留茬3 cm刈割可显著提高退化草地牧草产奶量。另外，牧草维持净能、增重净能以及总可消化养分三者变化趋势一致，且产奶净能、维持净能、增重净能、总可消化养分以及奶吨指数与粗蛋白均存在正相关关系，进一步说明施氮和刈割处理后的牧草对提高牲畜体内可利用能量和养分含量均有明显的促进作用。

基于洗涤纤维和干物质采食量，美国饲草和草原理事会1978年提出了相对饲喂价值，是广泛使用的粗饲料品质评定指数［42］，本研究中牧草相对饲喂价值与粗蛋白存在正相关关系，进一步表明相对饲喂价值是牧草品质优劣的重要预测指标。而近年来为了弥补相对饲喂价值的一些不足，有学者又提出了相对饲草品质这一评价指标［41］，相对饲草品质的优点是其预测模型相较于相对饲喂价值更加灵活［15］。在本研究中，刈割显著提高了牧草相对饲喂价值和相对饲草品质，留茬3 cm处理下牧草相对饲喂价值和相对饲草品质均最高。在退化草地恢复一段时间后，草质柔软适口性好且抗旱的糙隐子草在群落中处于优势地位［43］，但糙隐子草多铺散于土壤表面，而短茬刈割处理后高大的禾本科植被生态位下降，巩固了糙隐子草和茎叶比较小的多年生杂类草的优势地位，牧草的整体饲喂价值也因此提高。

3.4 牧草产量和品质对降水的响应

在2018和2019年，施氮区较不施氮区产草量也有较大提升，分别增加了约54%和31%，施氮区较高的产草量和品质可以归因于群落结构的改变。黄军等［44］对退化草甸植被结构和生物量的研究发现，施氮肥能够明显改善群落结构，增加牧草种类，降低杂草比例的同时提高优质禾草比例，最高可以占到60%以上，产量也明显提高，这对退化草地恢复具有重要意义。另外，两年产草量也有较大差异，2019较2018年增加了约42%，且2019年牧草各项品质指标对施氮和刈割的响应也更为敏感，这可能由于两年降水不同所致。2018和2019年研究区5-9月降水量分别为391.20和531.50 mm，而在干旱少雨的科尔沁沙地，土壤中充足的水分条件是植被正常生长的前提。Xu等［45］对半干旱草原群落稳定性的研究发现，降水量的增加可以提升土壤水分有效度，提高群落的抗旱性，水分则可以通过促进土壤中养分元素的溶解和植被根系的伸展，从而影响干物质积累［46］，牧草对氮素的吸收能力也会随之提升［23］。因此，在对退化草地改良时，保证水分充足的前提下，根据实际需要来适当地添加施氮和刈割两种人为干扰因素，牧草产量和品质会有更大提升。

4 结论

施氮可以提高产草量，施氮、刈割及其交互作用对退化草地牧草品质的提高均有促进作用，不同处理下牧草品质高低总体表现为施氮（N10）>不施氮（N0）、留茬3 cm>留茬6 cm≈留茬12 cm>不刈割（ND）。牧草粗蛋白与粗灰分、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、可消化中性洗涤纤维以及中性洗涤纤维消化率存在显著负相关关系，与镁元素、产奶净能、维持净能、增重净能、奶吨指数、总可消化养分以及相对饲喂价值存在显著正相关关系。综上，施氮结合留茬3 cm刈割处理下牧草产量和品质最高。在退化草地的恢复过程中，只保护不利用，会造成草地资源的浪费，而合理的管理和利用手段不仅可以对草地进行适度的开发利用，牧草的产量、营养成分、矿质元素以及饲喂价值含量也会得到较大提升，这为退化草地的可持续发展提供理论依据。