不同施氮量对饲用燕麦中蛋白质和纤维素的影响

王 静，田永雷，慕宗杰，王永荣，白春利

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.伊金霍洛旗科学技术综合服务中心，内蒙古 伊金霍洛旗 017200）

燕麦是禾本科燕麦属一年生草本植物，由于具有营养价值高、适口性好和易青贮等优点，适合作为栽培饲草［1］。燕麦的品质不仅由其自身的遗传基因决定，也受外界环境的影响［2］。燕麦是喜氮作物，增施氮肥会提高燕麦的品质［3］。氮肥的施用在饲用燕麦的高效栽培技术中起主导作用［4］。有研究表明，随着施肥量的增加燕麦的营养品质不断增加［5］。张玉霞等［6］研究表明，随着施氮量的增加，燕麦草品质呈线性变化，并且燕麦草对氮肥的吸收效率和利用率均有不同程度的改变。也有研究表明，燕麦的品质因为土壤施氮量的不同会产生提高或降低的现象［4］。韩文元等［7］研究表明，饲用燕麦的粗蛋白含量在高施氮水平下显著高于低施氮水平。超量供应氮素会导致植物易感病虫害，并且伴随抗旱抗逆性下降［8］。植物对土壤中营养物质的吸收存在最适量，超量施肥不仅会抑制植物生长，而且会增加农业成本，甚至对周围环境造成污染［7］。

氮素积累、转运以及蛋白质含量的提高是饲用燕麦品质提升的关键。饲用燕麦有较高的蛋白质含量，蛋白质含量是畜牧产业中选择优质牧草的重要指标［9］。蛋白质含量是氮素水平显著影响燕麦品质的关键指标，蛋白质是动物的重要营养素［10-11］，同时，大多数相关研究表明氮素水平是影响纤维素长度和粗细的关键因素［12］。在动物体内，通过微生物的发酵作用，纤维素被转化为挥发性脂肪酸或合成糖原，作为动物体葡萄糖来源之一，是粗饲料品质的评定指标［13］，但是，纤维素含量过高会影响适口性［14］。因此，蛋白质和纤维素含量是衡量饲用燕麦饲用价值的关键指标。

内蒙古自治区饲用燕麦的生产总量和品质位居我国前列，饲用燕麦种植面积占全国的35%～37%［7］。该地区的气候特征也代表了典型北方草地，适宜牧草的生长。内蒙古自治区拥有我国最大的畜牧产业体系，畜牧业的发展壮大对饲用燕麦有强烈的需求［15］。饲用燕麦的拔节期和抽穗期是生育快、生长量大、需水需肥最多的时期，氮肥在这两个时期对植物生长起着关键作用，主要影响蛋白质和纤维素这两个生产指标的变化，然而氮肥对饲用燕麦蛋白质和纤维素的影响尚未进行过量化研究，因此，本研究通过分析施氮量对饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量的影响，为施氮措施精准调控饲用燕麦品质提供理论依据，同时为栽培中减少氮素残留对生态环境危害提供科学途径。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验样地位于内蒙古呼和浩特市武川县（111°9'20″E，41°14'47″N），平均海拔1 680 m。该区域属于温带大陆性季风气候区，年均降水量340.5 mm，80%集中在7—9 月，年均气温2.9 ℃，≥0 ℃有效年低积温为2 570 ℃，无霜期108 d［16］。试验地土壤类型为栗钙土，地势平坦，地力均匀。

1.2 试验材料

试验材料为饲用燕麦 （Avena sativa L.），品种名为“三星”，播种量为120 kg/hm2，条播行距20 cm，播深3～4 cm。

1.3 试验设计

施肥采用大田小区的单因素随机区组设计，每个小区面积4 m×6 m，每组3 个重复，共计21 个小区。设置7 个施肥梯度，分别为0、175、200、225、250、275、300 kg/hm2（分别用N0、N175、N200、N225、N250、N275、N300 表示），分别于苗期、分蘖期、拔节期、抽穗期追施氮肥用量的15%、35%、30%、20%，供试氮肥为尿素（氮含量为46%）。

1.4 样品采集与指标测定

拔节期和抽穗期时，分别在每个小区内随机取5 点10 cm×10 cm 样方，齐地面刈割样方内的地上植物封装入袋，混成一个样带回实验室，并在该样方内取用土钻采取0～10 cm、10～20 cm 和20～30 cm 土层土壤样品，5 个点混合为1 个样品，去除石砾和植物根系带回实验室阴干备用。

土壤碱解氮（soil alkaline nitrogen）含量使用碱解扩散法测定，在扩散皿外室用碱性溶液水解土壤，将水解出的氨气用硼酸溶液吸收，根据盐酸标准溶液滴定时的消耗量计算土壤中碱解氮的含量［17］。分蘖数（number of tillers）在饲用燕麦的分蘖期，通过田间观测计数测定。牧草含氮量和蛋白质含量（crude protein，CP）用凯氏定氮法测定［18］。中性洗涤纤维（neutral detergent fiber，NDF），酸性洗涤纤维（acid detergent fiber，ADF）和半纤维素采用滤袋法测定［19］。

1.5 数据处理

土壤相同土层的不同施氮量下的碱解氮含量和植物纤维素各项指标数据均采用单因素方差分析（One-Way ANOVA），若差异显著则采用Duncan multiple-range test 法进行多重比较，英文上标表示显著性。利用Pearson 法对饲用燕麦分蘖期观测的分蘖数以及拔节期和抽穗期测定的蛋白质、牧草含氮量、中性洗涤纤维含量、酸性洗涤纤维含量、半纤维素含量、施氮量和各土层碱解氮含量进行相关性分析，P＜0.05 为差异显著，P＜0.01 为差异极显著。表格中试验数据以“平均值±标准差”的形式表示。采用Polynomial-Quadratic 方程对土壤碱解氮含量与饲用燕麦蛋白质和纤维素进行数据拟合。

通过以下公示数据拟合土壤碱解氮与蛋白质和中性洗涤纤维含量间的定量关系：

Y=Y0+aX+bX2式中Y 表示蛋白质含量或中性洗涤纤维含量；Y0表示方程拟合常数，X 表示土壤碱解氮含量。

使用Excel 2016 软件对数据进行初步整理，利用SPSS 20.0 统计学软件对数据进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），利用SigmaPlot 14.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对土壤碱解氮含量的影响

由图1 可以看出，在饲用燕麦的拔节期和抽穗期，随着施氮量的增加，总体上土壤碱解氮含量呈增加趋势，说明高氮处理可以直接影响土壤碱解氮的含量。总体上抽穗期比拔节期的各土层的碱解氮含量高，说明土壤碱解氮含量存在累积现象。

图1 施氮水平影响下饲用燕麦两个生长时期不同土层土壤碱解氮含量

拔节期不同土层的碱解氮在N0 处理下含量最低，在N300 处理下含量最高，N200～N275 处理间的碱解氮含量均无显著差异（P＜0.05）。0～10 cm土层，不施氮处理碱解氮的测定值为58.44 mg/kg，显著（P＜0.05）低于其他施氮水平，N300 处理下的土壤碱解氮含量显著（P＜0.05）高于其他处理，为83.62 mg/kg。10～20 cm 土层，N300 处理下的碱解氮含量是拔节期各土层不同施氮水平中最高，为98.56 mg/kg；N200～N275 处理的碱解氮含量间无显著性（P＞0.05）差异，为69.23～80.84 mg/kg；N175处理组的碱解氮含量为68.23 mg/kg，显著 （P＜0.05）低于N250 及以上水平；N0 处理组的碱解氮含量为52.37 mg/kg，显著（P＜0.05）低于其他处理。20～30cm 土层，N175、N200、N225、N250 之间的碱解氮含量无显著差异，均显著低于N300 处理组。总体来看，0～30 cm 土层的碱解氮含量为N0＜N175 ＜N200 ＜N225 ＜N250 ＜N275，N300 处 理 显 著（P＜0.05）高于其他施氮水平。

抽穗期不同土层厚度的碱解氮在N0 处理下含量最低，在N300 处理下含量最高且与其他处理组差异显著（P＜0.05）。0～10 cm 土层，N175～N275五个处理组之间的碱解氮含量无显著（P＞0.05）差异，N175～N225 三个处理组的碱解氮含量与N0 无显著（P＞0.05）差异。10～20 cm 土层的N0～N275 六个处理间的碱解氮含量无显著性（P＞0.05）差异。20～30 cm 土层，随着施氮水平的增加碱解氮含量增加，N225～N275 三个处理组之间的碱解氮含量无显著（P＞0.05）差异，N175～N225 三个处理组之间的碱解氮含量无显著（P＞0.05）差异，N175、N200处理组的碱解氮含量与N0 无显著（P＞0.05）差异。

2.2 施氮量对饲用燕麦分蘖数的影响

由图2 可知，氮肥用量影响了饲用燕麦的单株分蘖数的动态变化。在饲用燕麦的分蘖期，随着施氮水平的增加，植株分蘖数变化表现为“S”形曲线。与不施氮处理（N0 分蘖数中位数=5）相比，除N250 水平，不同施氮水平的饲用燕麦的单株分蘖数均增加。N175 水平分蘖数最大 （中位数=8），N250 水平分蘖数最小（中位数=5）。

图2 施氮水平影响下饲用燕麦的分蘖数

2.3 施氮量对饲用燕麦含氮量和蛋白质含量的影响

由图3 可知，对饲用燕麦的不同施氮处理会影响植株的含氮量和蛋白质含量。饲用燕麦两个生长期的不同施氮水平的蛋白质含量与含氮量总体趋势相一致，均随着施氮量的增加表现为先增加后降低。

图3 施氮水平下饲用燕麦的蛋白质含量和牧草含氮量

拔节期不施氮处理的含氮量和蛋白质含量分别为1.35%和8.36%，在施氮水平为N225 时饲用燕麦的含氮量和蛋白质含量达到最大，分别为1.82%和11.35%，增幅为34.81%和35.77%；N225处理以后再增加氮肥，饲用燕麦的含氮量和蛋白质含量均下降，蛋白质含量为9.79～10.13%。抽穗期饲用燕麦的含氮量和蛋白质含量在不施氮处理时依然最低，分别为1.69%和10.21%；随着施氮水平的增加，蛋白质含量在16.13%（N225）时达到最大值，增幅为57.98%，之后降低，N300 处理的含氮量和蛋白质含量分别为2.06%和12.86%。不同施氮处理对饲用燕麦含氮量和蛋白质含量的影响中，N225 为施氮水平影响饲用燕麦蛋白质含量的临界值，高施氮水平会抑制蛋白质的积累。

2.4 施氮量对饲用燕麦中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和半纤维素的影响

由表1 可知，施氮水平会使饲用燕麦的纤维素指标产生显著性差异，拔节期和抽穗期的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素的含量总体呈先升高后降低的趋势。饲用燕麦拔节期，N175 处理的中性洗涤纤维含量显著（P＜0.05）高于其他施氮水平，比不施氮处理高7.97 个百分点，N275 和N300 处理的中性洗涤纤维含量显著 （P＜0.05）低于不施氮处理组；在抽穗期时，N175、N200、N225、N250、N275 五个处理组的中性洗涤纤维含量与N0 组无显著（P＞0.05）差异，N300 的含量显著（P＜0.05）低于其他施氮水平。综上说明，施氮量的增加会促进饲用燕麦的纤维素进一步积累，但高氮水平的处理会降低纤维素在植株中的含量。

2.5 土壤碱解氮与饲用燕麦纤维素和蛋白质含量的相关性分析

由表2 和表3 的相关性分析可知，饲用燕麦生长的两个时期，施氮量与各个土层碱解氮含量都具有显著相关性，与碱解氮含量成正相关（P＜0.05）；施氮量还影响含氮量和蛋白质含量，均成正相关（拔节期P＜0.05，抽穗期P＜0.01）；饲用燕麦各个土层的碱解氮含量与中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素间呈负相关关系，并且在拔节期的各土层与中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维呈极显著相关，在抽穗期各土层与中性洗涤纤维和半纤维素呈极显著相关（P＜0.01）。在拔节期0～10 cm土层的碱解氮含量与蛋白质含量呈正相关 （P＜0.05）。综上说明，施氮量的改变会直接影响土壤中碱解氮的含量，并直接或者间接地影响饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量。

表2 拔节期施氮水平影响下饲用燕麦土壤氮素含量与品质的相关性

表3 抽穗期施氮水平影响下饲用燕麦土壤氮素含量与品质的相关性

2.6 不同土层碱解氮含量与饲用燕麦的蛋白质和中性洗涤纤维含量的动态曲线拟合

建立饲用燕麦土壤碱解氮与蛋白质和中性洗涤纤维含量的动态关系图（见图4）和曲线拟合方程（见表4）。土壤碱解氮含量与饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量动态拟合曲线方程的相关性系数皆达到了显著（P=0.05）水平（见表4）。由图4 可以看出，不同土壤碱解氮含量变化中存在最适值，使蛋白质含量和纤维素含量达到协同最适值。拔节期，0～10、10～20、20～30 cm 的土层碱解氮分别为79.76、83.60、79.91 mg/kg 时，蛋白质和纤维素含量分 别 为 10.41% 、10.47% 、10.56% 和 49.40% 、49.96%、49.25%；抽穗期，0～10、10～20、20～30 cm的土层碱解氮分别为85.04、97.41、74.56 mg/kg 为时，蛋白质和纤维素含量分别为15.52%、16.32%、15.36%和51.38%、47.33%、51.32%。综上分析，说明通过施氮量控制碱解氮的含量，实现调控饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量比例。

表4 不同土壤碱解氮含量影响蛋白质含量和中性洗涤纤维的回归方程

图4 土壤碱解氮含量与饲用燕麦的蛋白质和中性洗涤纤维含量的线性拟合

3 讨论

3.1 施氮量对土壤氮素养分含量的影响

土壤速效氮通常用碱解氮来表示，它包括无机氮和小分子有机氮，易于直接被植物吸收［20］。根据图1 可以看出，在施氮水平递增的前提下土壤碱解氮含量增加，极大地提高了土壤可利用氮素养分。抽穗期碱解氮含量高于拔节期，土壤碱解氮含量出现了累积现象，这可能是由于施氮量远远超过了饲用燕麦对氮素的利用阈值，过量的氮素残留在土壤使碱解氮含量累积，导致植物-土壤系统中氮素冗余，随施氮量的增加不断升高［21］。这种现象造成肥料浪费的同时也会产生环境问题。因此，要减少土壤氮素残留又保证饲用燕麦品质，必须合理施用氮肥，应该控制氮肥施用比例。

3.2 施氮量对饲用燕麦品质指标的影响

在燕麦生产中，分蘖是一个重要产量组成部分的决定因素，这一过程主要取决于栽培技术［22］。本研究结果表明，除N250 施氮处理以外，施氮处理比不施氮处理分蘖数增加（见图2），这可能是燕麦资源分配优先于主茎，损害了分蘖，燕麦分蘖需要更多的氮素养分［23］。氮肥施用后改善了植株体内的氮代谢和内源激素水平，进而有效地促进了饲用燕麦分蘖的发生［24］。在N175 水平分蘖数达到峰值后降低，说明植物在达到分蘖发生的氮素临界营养浓度后，施氮水平提升会在一定程度上抑制分蘖数，这与赵浩波等的研究结果一致［25］。这可能是由于施氮在一定范围内增加能提高氮代谢酶的活性，一旦施氮量超过植物对氮素的耐受水平则会损害植物［26］。

饲用燕麦因高蛋白特性成为优质的饲料作物，富含多种蛋白质的氨基酸组分位居饲料作物的首位［27］。本研究表明，在拔节期和抽穗期，与不施氮处理相比提高施氮水平促进了饲用燕麦的含氮量和蛋白质含量增加（见图3），这与多数的研究结果一致［28］。但直接参与氨基酸、蛋白质和其他细胞成分合成，这是植物生长和发育所必需的［29］。但是，本研究也发现，饲用燕麦蛋白质含量随施氮水平增加的过程中存在峰值，在N225 施氮水平时蛋白质含量达到最大，随后增加施氮量蛋白质含量下降（见图3），这可能是由于过量的氮肥添加让土壤中NH4+离子或NH3富集，植物吸收后不能合成过量的氨基酸，使NH4+离子或NH3在细胞的液泡内大量积累而毒害细胞，从而降低植物合成蛋白质的含量［30］。

中性洗涤剂纤维是植物的纤维部分，由纤维素、半纤维素和木质素组成，低ADF 和NDF 以及高蛋白质含量将更适合牲畜饲养［14］。本研究表明，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素含量在N175 时升高，之后随施氮水平增加而降低（见表1），这可能是由于N175 水平前是低施氮量，适宜的施氮量可以影响酶活性和基因表达，在生长季节，较高的生长速率导致茎的纤维素积累，因此中性洗涤纤维含量增加［31］。随着施氮量的增加，过高的施氮量激发了植物的反馈作用，植物转化碳来减少无机氮用于蛋白质合成，而不是产生结构碳水化合物合成纤维素［32］。中性洗涤纤维的浓度由于蛋白质和其他可溶性内容物的增加而降低，这些可溶性内容物积聚在细胞中并导致细胞壁的稀释［33］。

3.3 土壤氮素养分对饲用燕麦品质的调控作用

上述讨论中，研究了施氮量对土壤碱解氮的影响及施氮量对饲用燕麦品质关键指标的调控，但在人工草地的建植中前茬的氮素残留和种植时的施氮水平综合影响了饲用燕麦品质。根据相关性分析表明，施氮量的改变会直接影响土壤中碱解氮的含量，并直接或者间接地影响饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量（见图3、表2、表3），这可能是由于土壤氮素养分可以调节植物中氮浓度，从而调控蛋白质和纤维素的比例［34］。因此，本研究针对土壤中碱解氮与饲用燕麦的蛋白质和中性洗涤纤维做了线性拟合方程（见图4、表4），以期量化土壤氮素养分对饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量调控的规律。本研究结果表明，不同时期的饲用燕麦从不施氮到施氮后蛋白质含量达到最大时，饲用燕麦的中性洗涤纤维呈下降趋势，施氮量存在一个范围可以让饲用燕麦的蛋白质含量和纤维素含量协同达到最适值。在拔节期和抽穗期施氮水平为N225～N275 范围内蛋白质和纤维素达到协同最适值，此范围中饲用燕麦的蛋白质含量最高，中性洗涤纤维相对较低。有研究表明，用牧草中性洗涤纤维含量越少，在18%～25%范围最佳，越有利于提高牲畜生长性能［35］。

4 结论

施氮水平的差异会造成土壤碱解氮含量的改变，并且影响饲用燕麦的分蘖数、蛋白质及纤维素各项指标。施氮水平的提高会直接导致饲用燕麦种植过程中各土层土壤碱解氮含量的增加，土壤碱解氮存在累积现象。饲用燕麦的分蘖数受低氮素水平的促进，也会受到高氮素水平的抑制，在N175 施氮水平时分蘖数最大。饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量受到施氮量的直接或间接影响，随施氮量的增加蛋白质含量先增加，达到N225 水平后减少；纤维素含量在N175 水平达到峰值，随后降低。施氮量与碱解氮含量和蛋白质含量成正相关，碱解氮含量与纤维素含量成负相关。根据土壤科学氮素养分含量曲线对应的施氮水平，在N225～N275 范围内，饲用燕麦的蛋白质和纤维素含量达到协同最适值。