引用本文
李源, 赵海明, 游永亮, 武瑞鑫, 刘贵波. 单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物生产性能、效益评价. 草业学报, 2019,28(2): 73-87
LI Yuan, ZHAO Hai-ming, YOU Yong-liang, WU Rui-xin, LIU Gui-bo. Evaluation on production performance and economic benefit of the single alfalfa filed interplanting different forage crops in summer. Acta Prataculturae Sinica,2019,28(2): 73-87  
Doi:10.11686/cyxb2018541
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单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物生产性能、效益评价
李源, 赵海明, 游永亮, 武瑞鑫, 刘贵波*
河北省农林科学院旱作农业研究所,河北省农作物抗旱研究重点实验室,河北 衡水 053000
*通信作者. E-mail:lgb2884@126.com

作者简介:李源(1981-),男,山西翼城人,副研究员,博士。E-mail:gsly868@163.com

收稿日期: 2018-08-29
基金项目:现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-34),河北省现代农业产业技术体系草业创新团队建设专项资金(HBCT2018160201),河北省现代农业创新工程项目(F18R31)和河北省农林科学院创新团队项目资助
摘要

为解决海河平原区苜蓿第3~5茬草雨季收获难的问题。于2011-2016年在位于河北衡水的河北省农林科学院旱作所试验站开展了单作紫花苜蓿田夏季套作5种不同饲草作物模式评价研究,以及单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较研究。结果表明,单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究得出,30-30 cm、20-40 cm两种行距处理下的单作苜蓿小区干草产量无显著差异( P>0.05);套作高丹草处理下苜蓿第2年前2茬干草产量显著低于单作苜蓿小区干草产量( P<0.05);套作青贮玉米处理后的总食物当量数显著高于单作苜蓿小区( P<0.05),但套作青贮玉米处理后的总经济效益与单作苜蓿小区无显著差异( P>0.05);套作青贮玉米处理下的平均光能利用率、水分利用效率、土地当量比均显著高于单作苜蓿小区( P<0.05)。单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较研究得出,30-30 cm、20-40 cm行距套作青贮玉米处理下的苜蓿前2茬干草产量、总食物当量数、总经济效益、平均光能利用率、水分利用效率、土地当量比均无显著差异( P>0.05)。综合得出,海河平原区单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的关键种植技术为:单作苜蓿田采用20-40 cm宽窄行秋播种植,于第2年前2茬苜蓿草收获后,在宽行中间套作青贮玉米,青贮玉米密度在6 万株·hm-2以内,9月底将套作的青贮玉米与苜蓿一起收获,之后苜蓿田苜蓿正常越冬,下一年再重复种植青贮玉米。该模式在保证与单作苜蓿同等经济效益的前提下,可有效解决苜蓿3~5茬草雨季收获难、资源利用效率低的问题。

关键词: 紫花苜蓿; 套作; 饲草作物; 生产性能; 效益评价
Evaluation on production performance and economic benefit of the single alfalfa filed interplanting different forage crops in summer
LI Yuan, ZHAO Hai-ming, YOU Yong-liang, WU Rui-xin, LIU Gui-bo*
Dryland Farming Institute, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Key Laboratory for Crop Drought Resistance of Hebei Province, Hengshui 053000, China
*Corresponding author. E-mail:lgb2884@126.com
Abstract

On the Haihe plain, the traditional 3-5 cutting of alfalfa are difficult to achieve in wet growing seasons. To explore this problem, two field experiments were conducted from 2011 to 2016 to analyze the production performance and economic benefit of interplanting alfalfa with various forage crops in summer. Five different forage crops were evaluated: silage maize, Sorghum bicolor× Sorghum sudanense, Dolichos lablab, fodder soybean, and forage millet. The results indicated that there were no significant differences between 30-30 cm and 20-40 cm row spacing treatments ( P>0.05). The hay yield of the first two cuts of alfalfa for the second year when alfalfa was interplanted with S. bicolor× S. sudanense was significantly lower than for alfalfa alone ( P<0.05). The total feed equivalent units when interplanting silage maize with alfalfa were significantly higher than for alfalfa alone ( P<0.05); but the total economic benefits were not significantly different ( P>0.05). The average solar energy use efficiency, water use efficiency, and land equivalent ratio when interplanting silage maize and alfalfa in summer were significantly higher than for alfalfa alone ( P<0.05. Other research into the yield performance for alfalfa interplanted with silage corn showed that there were no significant differences ( P>0.05) in the first two cuts between 30-30 cm and 20-40 cm row spacing treatments for hay yield, total feed equivalent units, total economic benefit, average solar energy use efficiency, water use efficiency, land equivalent ratio. Considering all the results, the optimal planting details for alfalfa interplanted with silage maize are as follows: the alfalfa field is planted in autumn using alternate wide and narrow row spaces of 20 and 40 cm. The silage corn is interplanted in the wide row space after the second cut of alfalfa is harvested in second year. The plant density of silage maize was less than 60000 plants·ha-1 and the maize is harvested with alfalfa at the end of September, after which the alfalfa overwinters normally. The following year silage maize is replanted as the above. The interplanting methodology developed in this study is more easily implemented than the traditional 3-5 cuts of alfalfa in wet growing seasons and enhances solar, water and land resource use efficiency with the promise of corresponding economic benefits.

Keyword: alfalfa; interplanting; forage crop; production performance; benefit evaluation

海河平原位于河北省的东南部, 属半干旱、半湿润季风气候, 地势平坦, 土层深厚, 光热资源丰富, 是河北省主要的粮食生产基地, 同时也是河北省草食畜牧业发展的重点区域。紫花苜蓿(Medicago sativa)作为全世界广泛栽培的豆科饲草作物, 具有适应性广、品质优良、高效固氮等特性, 海河平原区是紫花苜蓿传统优势产区, 种植紫花苜蓿对草食畜牧业发展具有重要意义。但在该地区苜蓿草生产中, 多年存在着以下主要问题, 一直没有得到彻底解决:1)海河平原苜蓿第3~4茬草收获期正值雨季, 导致雨季晾晒干草困难; 虽可进行青贮收获, 但50%的年份会出现连阴雨天气, 造成青贮机械根本无法下地收获; 2)海河平原苜蓿第3~5茬草生长的7-9月, 正值高温、高湿季节, 导致苜蓿生长缓慢, 产草量不足全年的40%[1, 2, 3], 造成所谓的苜蓿“ 夏眠” 现象[4, 5]; 而且此时, 蓟马、蚜虫等虫害严重, 苜蓿品质有所下降; 3)海河平原苜蓿第3~5茬草生长的季节(7-9月), 正是该区光、温、热资源最丰富时期, 其中:多年平均气温在25.9 ℃, 降水量329.9 mm, 占全年64.7%(图1), 苜蓿不能充分利用, 在一定程度上造成了光热水资源的浪费。基于此, 能否从种植制度出发, 在海河平原区创建一种新型间套作种植模式?既能解决单作苜蓿田第3~4茬草雨季收获难、同时又能提高苜蓿第3~5茬草的土地资源利用率, 是本研究的关键科学问题。

图1 试验地2012-2016年及多年(1981-2016)温度和降水量Fig.1 Meteorological parameters from 2012 to 2016 and long-term (1981-2016) at the experimental location

有关苜蓿间作技术的研究报道, 多以苜蓿间作于玉米(Zea mays)、小麦(Triticum aestivum)等粮食作物的行间为主, 刘忠宽等[6]在80 cm/50 cm、100 cm/40 cm、120 cm/35 cm、140 cm/24 cm玉米的大行距间作苜蓿处理, 明确间作单位面积纯收益均显著高于对照, 通过苜蓿间作有增加土壤有机质、有机氮、速效氮的趋势; 陈玉香等[7]研究得出, 间作条件下, 玉米、苜蓿产量均低于单作, 但间作的土地单位面积产值增加, 提高了土地利用率; 张桂香等[8]通过设置苜蓿、玉米行数比为2∶ 2, 3∶ 2, 4∶ 2, 5∶ 2的4个间作处理进行研究得出, 苜蓿和玉米以5∶ 2行数比进行间作, 生物产量最佳, 经济产出效益最高; Smith等[9]研究玉米和苜蓿带状间作得出, 在美国生产模式下6 m带宽是较为适合的间作模式; Skelton等[10]对苜蓿-小麦间作体系研究也得出, 相对于单作, 间作的产量优势和土地的可持续利用性明显。本研究主要针对单作紫花苜蓿田3~5茬草雨季收获难、资源利用效率低、病虫害严重的问题, 在单作紫花苜蓿田前2茬草收获后, 通过套作不同饲草作物, 旨在筛选一种适合于单作紫花苜蓿田套作的新型饲草种植模式, 为海河平原农区苜蓿草产品高效生产提供技术支撑。

1 材料与方法
1.1 试验地自然概况

试验在位于河北衡水的河北省农林科学院旱作农业研究所试验站进行。该站地处海河平原腹地(E 115° 42', N 37° 44', 海拔20 m), 属暖温带半干旱半湿润季风气候。多年(1981-2016年)平均气温14.1 ℃, 年平均降水509.8 mm, 其中7-9月降水量占全年64.7%。本试验所在地区, 2012-2016年, 年平均气温14.0 ℃, 平均降水量为474.0 mm, 7-9月降水量占全年62.5%, 气象因子与多年平均基本相同(图1)。试验田土壤为粘质壤土, 0~20 cm土壤pH为8.23, 全盐量为0.069%, 有机质8.8 g· kg-1, 碱解氮43.1 mg· kg-1, 速效磷6.6 mg· kg-1和速效钾94.1 mg· kg-1。

1.2 试验材料

试验紫花苜蓿品种为‘ 中苜1号’ , 由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所提供。

套作的饲草作物共5种, 所选用的品种均为本地主栽品种, 其中:高丹草(Sorghum bicolor× Sorghum sudanense)品种为‘ 冀草2号’ , 由河北省农林科学院旱作农业研究所提供; 青贮玉米品种为‘ 怀研青贮6号’ 、 ‘ 先玉335’ , 分别引自北京万农种子研究所有限公司、北京新实泓丰种业有限公司; 秣食豆(Glycine max)品种为‘ 牡丹江秣食豆’ , 引自东北农业大学; 拉巴豆(Dolichos lablab)品种为‘ 润高’ , 引自北京克劳沃集团; 饲用谷子(Setaria italica)品种为‘ 衡谷10号’ , 来自河北省农林科学院旱作农业研究所。

1.3 试验设计

1.3.1 单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究 套作饲草作物试验处理:于2011-2015年进行, 苜蓿田的苜蓿行距分为:30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行2种方式。套作饲草作物种类有5种, 分别为:高丹草(冀草2号)、青贮玉米(怀研青贮6号)、拉巴豆(润高)、秣食豆(牡丹江秣食豆)、饲用谷子(衡谷10号), 以单作苜蓿田不套作饲草作物为对照。表1为套作不同饲草作物的试验处理, 图2为饲草作物套作的田间种植示意图。套作时, 在苜蓿田30-30 cm等行距的隔行中间、20-40 cm宽窄行的宽行中间, 套作不同饲草作物。试验共12个组合, 3次重复, 单因素随机区组排列, 共36个小区, 小区面积16.5 m2(5.5 m× 3.0 m)。

表1 单作紫花苜蓿田夏季套作5种不同饲草作物试验处理 Table 1 Experiment treatment of the single alfalfa field interplanting five different forage crops in summer

图2 单作紫花苜蓿田夏季套作5种不同饲草作物的田间示意图Fig.2 Field diagram of the single alfalfa field interplanting five different forage crops in summer

田间管理:苜蓿于2011年9月3日秋播, 条播种植, 播种量15 kg· hm-2, 播深2~3 cm。采用造墒播种, 灌水量为600 m3· hm-2, 播前底施复合肥750 kg· hm-2(N、P、K含量各15%)。单作苜蓿小区(对照)管理同大田苜蓿正常管理, 以现蕾期为刈割标准, 每年均刈割5茬, 刈割时留茬高度3~5 cm。自播种后至试验结束, 单作苜蓿小区不再进行施肥、浇水。从2012年6月第2茬苜蓿草收获后, 连续4年(2012-2015年), 分别于当年的6月26日、6月25日、6月11日、6月12日开始套作饲草作物, 每小区套作4行(图2)。套作的青贮玉米、高丹草、拉巴豆、秣食豆、饲用谷子的留苗密度分别为7.5、15.0、22.5、37.5、40.5 万株· hm-2。套作后小区的施肥、浇水、病虫害防治等与生产上套作作物大田的正常管理一致, 分别于当年的9月27日、9月27日、9月25日、9月25日进行收获。套作不同饲草作物的苜蓿小区, 苜蓿每年刈割3次, 第1、2茬苜蓿的田间管理、收获同单作紫花苜蓿小区(对照)的1、2茬一致, 而种植套作作物后苜蓿小区的田间管理以套作作物为主, 苜蓿不再按单作时进行刈割, 第3茬收获同套作作物一起收获, 分别计算产量。

单作饲草作物试验处理:为比较不同套作模式下的土地当量, 在同等肥力临近地块, 于2013年6月25日、2014年6月11日, 连续2年设置了5种饲草作物的单作小区, 3次重复, 随机区组排列, 小区面积27.5 m2(5.5 m× 5.0 m), 单作青贮玉米(怀研青贮6号)、高丹草(冀草2号)、拉巴豆(润高)、秣食豆(牡丹江秣食豆)、饲用谷子(衡谷10号)的留苗密度分别为7.5、22.5、37.5、60.0、60.0万株· hm-2, 青贮玉米行距60 cm, 高丹草行距50 cm, 饲用谷子、拉巴豆、秣食豆行距40 cm。播种时, 底施复合肥375 kg· hm-2, 全生育期灌水1次, 灌水量675 m3· hm-2, 追施尿素375 kg· hm-2。刈割时期以青贮玉米进入蜡熟期后开始对各小区试验测产。

1.3.2 单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能比较研究 上述试验经过2012-2013两年实施, 初步得出套作青贮玉米效果更好。在此基础上, 2014-2016年进一步开展了单作苜蓿田套作青贮玉米模式的生产性能比较试验, 旨在探讨套作玉米后对苜蓿生长的影响情况。试验设2个套作方式处理:单作紫花苜蓿田等行距30-30 cm隔行套作青贮玉米、紫花苜蓿田宽窄行20-40 cm宽行套作青贮玉米; 2个单作处理对照:单作紫花苜蓿田, 行距为20-40 cm; 单作青贮玉米田, 行距为60-60 cm。采用单因素随机区组排列, 3次重复, 共12个小区。紫花苜蓿品种为中苜1号, 青贮玉米品种为先玉335。紫花苜蓿于2014年3月27日条播, 播种量15 kg· hm-2, 播深2~3 cm, 采用造墒播种, 灌水量为600 m3· hm-2, 苜蓿播前底施复合肥750 kg· hm-2(N、P、K含量各15%)。小区面积30 m2, 行长6 m, 苜蓿种植18行。由于苜蓿为春播种植, 因此当年套作的青贮玉米是从2014年6月11日苜蓿第1茬草收获后开始套作, 2015、2016年则分别是当年的6月12日、6月19日苜蓿第2茬草收获后开始套作青贮玉米, 各种植8行。单作青贮玉米小区的播期、种植行数同套作青贮玉米, 套作玉米小区的播种、施肥、浇水等同单作玉米正常田间管理, 分别于当年的9月23日、9月24日、9月24日进行收获, 收获时连同苜蓿一起收获, 分别计算产量。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 生产性能测定方法 苜蓿、套作作物的关键生育时期, 主要记载播种、出苗、拔节、现蕾(抽穗)、开花、成熟等时期。

苜蓿鲜干比测定, 在每小区取代表性样品500 g, 称其鲜重, 自然风干后称其干重, 然后计算鲜干比; 套作作物鲜干比测定, 每小区选取代表性单株10株, 称其鲜重, 自然风干后称其干重, 然后计算鲜干比。

苜蓿、套作作物草产量的测定, 测产时去掉小区两侧边行及行头各50 cm的区域, 对余下的中间行数以小区为面积称其小区鲜重, 然后换算成全年鲜草产量, 再通过鲜干比折算成全年干草产量。

1.4.2 效益指标计算方法 经济效益:经济效益=累计苜蓿干草产量× 苜蓿干草单价+累计套播作物鲜草产量× 套作作物鲜草价格-不同套作模式投入值; 投入值包括:种子、农药、化肥、播种、收获、管理等费用。其中, 单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究的年限为4年, 苜蓿干草及套作作物鲜草的单价均采用2012-2015年市场价的平均值; 单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能验证试验的年限为3年, 苜蓿干草及套作作物鲜草价格为2014-2016年市场价平均值。

水分利用效率:水分利用效率=Y/(W1-W2+P+G); 式中:Y为套作作物和苜蓿的地上部干草产量总和; W1为套作作物播前土壤贮水量(mm); W2为饲草收获时土壤贮水量(mm); P为套作作物播种开始到收获测产时的降水量(mm); G为套作作物种植期间的灌水量(mm), 水分利用效率用kg· hm-2· mm-1表示, 本试验计算的是0~60 cm土层的水分利用效率。

土地当量比:土地当量比(land equivalent ratio, LER)=套播作物干草产量/单作作物干草产量+套播苜蓿全年干草产量/单作苜蓿全年干草产量。当LER> 1时, 说明间作模式有增产效应; LER< 1说明间作模式与单作相比表现为产量劣势。

光能利用率:$能量产出=\Delta W\times H, 光能利用率=\Delta W\times H/\sum S$[11]式中:$\Delta$W为单位面积干物质产量; H为作物产热率(此处苜蓿、高丹草、青贮玉米、拉巴豆、秣食豆、饲用谷子H值的参照值分别为:16.58、18.07、17.79、13.98、15.11、14.86 kJ· g-1)[12, 13, 14]; ∑S为套作作物生长期内的总太阳辐射量, 其中套作作物年平均生长期为95 d, 日平均太阳辐射量为18.82 MJ· m-2[15]。

食物当量:就是以热量与蛋白质含量为基础综合而成的用以衡量食物的统一标准。其计算公式为:食物当量(food equivalent unit, FEU)=H/1585.0+P/77.0[16]; H、P分别为单位重量(100 g)食物中的热量和蛋白质含量。其中苜蓿、高丹草、青贮玉米、拉巴豆、秣食豆、饲用谷子H值的参照值分别为16.58、18.07、17.79、13.98、15.11、14.86 kJ· g-1[12, 13, 14]; P值分别为16、10、7、10、5、8 g· 100 g-1, 来自试验测定结果。

1.5 数据处理

运用Excel 2010软件对不同处理下的相关数据进行平均值计算, 表中所列数据均用“ 平均值± 标准偏差” 表示。采用SPSS 18.0软件进行方差统计分析, 采用Auto CAD 2008、SigmaPlot 12.0软件作图。

2 结果与分析
2.1 单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究

2.1.1 套作不同饲草作物处理下的生育期 2012-2015年连续4年对单作苜蓿田的苜蓿生育期调查发现(表2), 苜蓿第3茬草生长时期为6月下旬, 第5茬草刈割时期为9月下旬, 但产量数据表明, 苜蓿第3~5茬干草产量所占比例不足全年的45%(图3), 而此时期正是气温、降水等雨热资源在一年中最丰富的时期, 降水量占全年60.5%, 平均气温25 ℃(图4); 但生产的干草产量与雨热资源的不匹配导致资源浪费。对2012-2015年套作饲草作物的生育期调查显示(表2), 套作饲草作物的播种期为6月下旬, 收获时期为9月下旬, 套作的饲草作物播种和收获时期正好与苜蓿第3~5茬草的生长时期相吻合(图4虚线方框部分), 从时间上证明了单作紫花苜蓿田第3~5茬草套作饲草作物的合理性。

图3 单作苜蓿各茬次苜蓿干草产量所占比例Fig.3 The ratio of hay yield of each cutting for single alfalfa

图4 苜蓿、套作作物生育期及月平均气温、降水量Fig.4 Growth period of alfalfa and forage crops and monthly average temperature and precipitation

表2 单作苜蓿及套作饲草作物的生育期比较 Table 2 Growth period of the single alfalfa and interplanting forage crops (月-日 Month-day)

2.1.2 套作不同饲草作物处理下苜蓿第2年前2茬的干草产量 本研究主要目的是解决苜蓿第3~5茬雨季收获干草难的问题, 套作的前提是保证饲草作物套作后不能影响到第2年苜蓿前2茬的干草产量, 这是确定套作模式可行的必需条件。据此, 首先对不同饲草作物套作处理下第2年苜蓿前2茬干草产量进行了分析(表3), 结果得出, 2013-2015年, 12个不同套作作物处理下苜蓿前2茬干草产量差异显著(P< 0.05), 但在30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行套作青贮玉米、饲用谷子以及单作苜蓿小区处理下苜蓿前2茬干草产量无显著差异(P> 0.05)。累计3年得出, 在30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行套作青贮玉米、秣食豆、饲用谷子处理下苜蓿前2茬草的干草产量与单作紫花苜蓿小区无显著差异(P> 0.05), 但是套作高丹草、拉巴豆模式下苜蓿前2茬干草产量显著低于单作苜蓿小区处理的苜蓿前2茬干草产量(P< 0.05)。

表3 套作不同饲草作物对第2年苜蓿前2茬干草产量的影响 Table 3 Effect of interplanting different forage crops on the first two cutting hay yield for the second year’ s alfalfa (kg· hm-2)

2.1.3 套作不同饲草作物处理下的全年干草产量 对2012-2015年各年度的苜蓿干草产量分析得出(表4), 以30-30 cm、20-40 cm行距处理下的单作苜蓿小区的全年苜蓿干草产量为最高, 其次是套作青贮玉米、饲草谷子处理, 而套作高丹草、拉巴豆处理下的全年苜蓿干草产量最低; 不同饲草作物套作处理下的苜蓿干草产量差异显著(P< 0.05), 其中以套作高丹草、拉巴豆处理下的苜蓿干草产量显著低于单作苜蓿小区(P< 0.05)。对2012-2015年各年度的套作作物干草产量分析得出, 以套作高丹草、青贮玉米处理下的套作作物干草产量最高, 其次是套作拉巴豆处理, 而套作秣食豆、饲用谷子处理下的套作作物干草产量最低, 各年度套作作物处理间的干草产量差异显著(P< 0.05)。

表4 不同饲草作物套作处理下的苜蓿、套作作物全年干草产量 Table 4 Annual on the hay yield alfalfa, forage crops under the different intercropping treatment (kg· hm-2)

对2012-2015年累计4年的苜蓿干草产量得出(表5), 在30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行处理下的单作苜蓿小区的累计苜蓿干草产量为最高, 二者无显著差异(P> 0.05), 但均显著高于套作作物处理下的累计苜蓿干草产量(P< 0.05); 套作不同饲草作物处理下的累计苜蓿干草产量差异显著(P< 0.05), 其中以套作高丹草、拉巴豆处理下的累计苜蓿干草产量显著低于单作苜蓿小区以及套作饲用谷子、青贮玉米、秣食豆的苜蓿干草产量(P< 0.05)。对2012-2015年累计4年套作作物的干草产量分析得出(表5), 以套作高丹草的干草产量最高, 其次是套作青贮玉米, 而套作拉巴豆、秣食豆和饲用谷子的干草产量较低, 显著低于套作高丹草、青贮玉米的干草产量(P< 0.05)。

表5 2012-2015年累计4年不同饲草作物套作处理下的经济效益、食物当量分析 Table 5 Analysis on the economic benefit and food equivalent unit in different interplanting treatment for forage crops from 2012 to 2015

2.1.4 套作不同饲草作物处理下的经济效益、食物当量分析 本研究的经济效益, 指的是2012-2015年累计4年苜蓿干草与套作饲草作物的鲜草产量的净收入之和。对累计4年不同饲草作物套作处理下的经济效益分析得出(表5), 套作青贮玉米、高丹草的累计净收入与单作苜蓿处理下的净收入差异不显著(P> 0.05), 由此表明, 苜蓿第3~5茬草雨季收获困难而造成的经济损失, 可以通过套作不同饲草作物来弥补, 但套作拉巴豆、秣食豆和饲用谷子处理下的净收入显著低于套作青贮玉米、高丹草(P< 0.05)。

本研究由于套作的是不同饲草作物, 难以在相同量纲间比较产量和品质的差异, 为此, 引入了食物当量的概念[16]。通过分析比较不同种植模式处理的食物当量, 来进一步筛选评价不同种植模式。研究表明(表5), 不同饲草作物之间食物当量不同。2012-2015年, 连续4年分析得出, 套作高丹草处理下的累计食物当量数最高, 其次是套作青贮玉米, 不同处理间累计食物当量数差异显著(P< 0.05)。

2.1.5 套作不同饲草作物处理下的光能利用率、水分利用效率、土地利用效率分析 2012-2015年, 连续4年对套作不同饲草作物处理下的平均光能利用率、水分利用效率、土地当量比进行分析。结果得出(表6), 相同年份、不同套作处理间苜蓿第3~5茬平均干草产量差异显著(P< 0.05), 在30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行不套作饲草作物的产量为最高, 套作不同饲草作物的平均干草产量以高丹草为最高, 其次是青贮玉米, 不同处理间差异显著(P< 0.05)。平均能量产出以套作高丹草、青贮玉米处理为最高, 显著高于单作苜蓿、套作饲用谷子处理(P< 0.05); 相同年份的平均光能利用率以套作高丹草、青贮玉米处理较高, 其次是单作苜蓿、套作青贮玉米处理, 而套作拉巴豆、秣食豆处理下的能量产出均显著低于单作苜蓿小区处理。与单作苜蓿小区处理相比, 套作高丹草的光能利用率提高128.7%, 套作青贮玉米的光能利用率提高89.6%。

表6 套作不同饲草作物处理下的平均光能利用率、水分利用效率、土地当量比分析 Table 6 The average solar energy use efficiency, water use efficiency and land equivalent ratio under different interplanting treatment for forage crops

平均水分利用效率分析得出(表6), 相同年份、不同套作处理间苜蓿3~5茬干草产量与套作作物的总干草产量差异显著(P< 0.05), 以30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行套作高丹草、青贮玉米的产量较高; 宽窄行20~40 cm行距下套作青贮玉米处理下的平均耗水量与套作其他作物处理间无显著差异(P> 0.05); 套作高丹草处理下的平均水分利用效率最高, 其次是套作青贮玉米, 不同处理间平均水分利用效率差异显著(P< 0.05)。与单作苜蓿小区处理相比, 套作高丹草的水分利用效率平均提高89.5%, 套作青贮玉米的平均水分利用效率提高64.3%。

平均土地当量比分析得出(表6), 套作饲草作物处理下的苜蓿干草产量平均比单作苜蓿降低24.1%, 套作处理下的青贮玉米、拉巴豆、秣食豆、饲用谷子的干草产量平均比单作条件下的干草产量分别降低23.7%、47.4%、52.5%、60.3%, 而套作高丹草处理下的干草产量比单作条件下的干草产量增加15.4%。套作高丹草处理下的平均土地当量比最高, 其次是套作青贮玉米, 不同处理间平均土地当量比差异显著(P< 0.05)。与单作苜蓿小区处理相比, 套作高丹草处理下的土地当量比平均提高81.5%, 套作青贮玉米的平均土地当量比提高49.5%。

2.2 单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能比较研究

单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究的结果初步得出, 单作紫花苜蓿田套作青贮玉米效果较好, 但由于小区面积较小, 套作作物行数少, 通风透光较好, 可能影响试验结果的科学性, 为进一步验证上述试验的结果, 将试验小区面积变大为30 m2, 从2014年开始进一步进行了单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能比较研究的试验。与上述试验不同的是, 单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能比较研究的苜蓿小区是以春播苜蓿为基础, 是2014年春播苜蓿第1茬草收获后开始套作青贮玉米。连续3年开展单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较试验, 旨在探讨套作玉米后对苜蓿生长的影响情况。

试验结果得出(表7), 在30-30 cm、20-40 cm行距套作青贮玉米处理下, 苜蓿第2年苜蓿前2茬干草产量之间差异不显著(P> 0.05), 但显著低于单作苜蓿小区处理下的苜蓿干草产量(P< 0.05)。对2014-2016年连续3年的累计苜蓿干草产量分析得出, 30-30 cm、20-40 cm行距套作青贮玉米处理下的累计苜蓿干草产量无显著差异(P> 0.05), 但均显著低于单作苜蓿小区的苜蓿干草产量(P< 0.05); 对连续3年套作的累计青贮玉米干草产量分析得出, 30-30 cm、20-40 cm的套作青贮玉米处理下的累计青贮玉米干草产量无显著差异, 但均显著低于单作青贮玉米小区的青贮玉米干草产量(P< 0.05)。在20-40 cm单作苜蓿处理, 以及 30-30 cm、20-40 cm套作青贮玉米处理间的纯效益无显著差异(P> 0.05), 但均显著高于单作青贮玉米处理的纯效益(P< 0.05)。对连续3年的食物当量数分析得出, 30-30 cm、20-40 cm的套作青贮玉米处理下的累计食物当量数显著高于单作苜蓿处理小区和单作青贮玉米小区的累计食物当量(P< 0.05)。

表7 2014-2016年累计3年套作青贮玉米处理下的经济效益、食物当量分析 Table 7 Analysis on the economic benefit and food equivalent unit under the interplanting treatment for silage corn from 2014 to 2016

套作青贮玉米处理下的平均光能利用率、平均水分利用效率以及平均土地当量比分析得出(表8), 以30-30 cm、20-40 cm套作处理下的平均能量产出最高, 二者无显著差异(P> 0.05), 但均显著高于单作苜蓿、单作青贮玉米处理(P< 0.05); 与单作苜蓿小区处理相比, 套作青贮玉米的光能利用率平均提高152.6%。平均水分利用效率得出, 单作玉米水分利用效率最高, 其次是30-30 cm、20-40 cm套作青贮玉米处理, 而单作苜蓿的水分利用效率最低, 且显著低于套作青贮玉米处理下的水分利用效率(P< 0.05), 与单作苜蓿小区处理相比, 套作青贮玉米的平均水分利用效率提高79.4%。平均土地当量比可以看出, 套作青贮玉米处理下的土地当量比显著高于单作苜蓿、单作青贮玉米(P< 0.05), 表明套作可显著提高单作苜蓿的土地当量。与单作苜蓿小区处理相比, 套作青贮玉米的平均土地当量比提高58%。

表8 套作青贮玉米处理下的平均光能利用率!水分利用效率、土地当量比分析 Table 8 The average solar energy use efficiency, water use efficiency and land equivalent ratio under the interplanting treatment for silage corn
3 讨论

间套作种植, 是我国传统农业的精华, 对农业的可持续发展具有重要作用[17]; 通过合理的间套作, 不仅能够提高作物的产量和品质; 还可有效提高光、温、水等资源的利用效率, 抑制杂草、减少病虫害和农药使用[18, 19, 20, 21]。可以看出, 前人对间套作模式研究多是以粮食作物为基础的, 目的主要是用来增加粮食作物的产量, 如:小麦-大豆(Glycine max)、水稻(Oryza sativa)-花生(Arachis hypogaea)、苜蓿-玉米、玉米-大豆、马铃薯(Solanum tuberosum)-大豆以及小麦-玉米[22, 23, 24, 25, 26, 27]等。而且, 前人在苜蓿间套作研究上多集中在间作研究上[6, 7, 8], 是将两种以上的作物分行或分条带相隔种植, 不同作物虽种植在一块相同田间, 但均在各自空间生长。而本研究提到的苜蓿田夏季套作饲草作物模式研究, 指的是在单作苜蓿田收获前2茬草后, 于第3~5茬草生长期开始套作不同饲草作物, 这种模式下套作作物与苜蓿处在同一田地的同一空间内生长, 有关这种套作种植的模式创建研究国内外未见报道, 而且本研究中提到的单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米种植方法, 本课题组已申报并获国家发明专利[28], 这是紫花苜蓿栽培种植模式的创新。

连续4年对单作紫花苜蓿田套作不同饲草作物的模式评价分析表明, 在单作紫花苜蓿田套作高丹草、青贮玉米处理下的光能利用率, 水分利用效率、土地当量比值以及食物当量数均较高, 均显著高于单作苜蓿处理, 但套播高丹草处理后对苜蓿第2年前2茬草干草产量影响显著, 表明套作高丹草后对苜蓿生长影响较大, 这样就失去了本研究套作模式评价的意义, 本研究套作的前提是必须保证饲草作物套作后不能影响到第2年苜蓿前2茬的干草产量。通过经济效益分析得出, 虽然套作青贮玉米处理下的经济效益与单作苜蓿之间差异不显著, 但是生产上单作苜蓿3~5茬草一般由于雨季无法收获而损失; 这样套作青贮玉米后正好弥补了雨季对苜蓿的损失。而在套作拉巴豆、秣食豆、饲用谷子处理下的经济效益、光能利用率, 水分利用效率、土地当量比值以及总食物当量数均显著低于套作青贮玉米处理。因此, 综合分析得出, 单作紫花苜蓿田以套作青贮玉米的模式为最好。

海河平原区苜蓿田种植行距多为30-30 cm, 青贮玉米种植行距多60-60 cm, 苜蓿田套作青贮玉米的种植模式, 是将青贮玉米在苜蓿田隔行种植, 保持了青贮玉米行距60 cm不变, 但由于苜蓿行距太窄, 会不利于青贮玉米的机械播种。为此, 本研究设置20-40 cm宽窄行处理, 将套作青贮玉米播种在20-40 cm宽窄行的宽行中间。通过分析得出, 30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行处理下的苜蓿前2茬草的干草产量无明显差异, 其他生产性能指标、效益指标也无显著差异。由此表明, 采用20-40 cm宽窄行苜蓿种植方式, 既保证了套作青贮玉米行距60 cm不变, 又便于青贮玉米的机械播种, 符合青贮玉米田间管理, 也实现了农机农艺的有效结合。

单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究试验中, 由于小区面积较小, 套作作物行数少, 通风透光较好, 可能影响试验结果的科学性, 为进一步验证该试验结果, 于2014-2016年连续3年进一步开展单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较试验, 将试验小区面积变大为30 m2, 结果表明, 套作青贮玉米对苜蓿第2年前2茬干草产量产生影响, 但影响不是特别明显, 仅在P< 0.05条件下差异显著, 分析原因可能受两方面因素影响:一是2014年套作青贮玉米的苜蓿小区是当年建植的, 为春播条件下种植的苜蓿, 在苜蓿第1茬收获后直接套作青贮玉米, 可能由于当年苜蓿长势较弱, 根系较细, 套作青贮玉米会对苜蓿生长产生影响, 进而影响产量; 二是青贮玉米密度的因素, 单株青贮玉米田的种植密度一般在7.5 万株· hm-2, 而在紫花苜蓿田套作时也采用了这个种植密度, 密度过大可能也会对苜蓿生长造成影响, 因此, 建议在单作紫花苜蓿中套作的青贮玉米种植密度在6万株· hm-2可能会比较理想。同时研究得出, 套作青贮玉米后的经济效益、食物当量数、平均光能利用率、水分利用效率、土地当量比值均显著提高, 表明这种模式能有效解决苜蓿田3~4茬草雨季收获难的问题, 又能最大限度提高苜蓿3~5茬草的土地资源利用率, 但是, 本研究只是从栽培技术角度对不同饲草作物的套作模式进行了分析, 这种套作模式下苜蓿、青贮玉米苗期田间相互竞争问题, 肥水协同的作用机制, 以及是否对土壤肥力、土壤微生物产生影响等关键问题还需进一步从机理机制上深入研究。

在间套作模式评价指标研究上, 前人研究多集中在间套作的产量效应、光合作用以及生态效应、土壤理化性质方面, 而在间套作模式的效应评价研究上未给出统一的评价标准。基于此, 本研究从产草量、经济效益、食物当量以及光能利用率、水分利用效率以及土地当量比等指标对单作紫花苜蓿田套作不同饲草种植模式进行了综合评价研究, 得到了理想的结果。然而, 在上述评价指标中, 食物当量、光能利用率指标中的热量系数都是参考相关文献的数据得出的, 对试验结果有一定的误差, 但结果基本反映出了套作不同饲草作物模式的相对值; 在水分利用效率指标上, 采用的是将地上部干物质产量进行累加的基础上计算出的不同模式水分利用效率, 而忽略了不同作物干草量直接相加的科学性; 在经济效益评价上也存在一定的欠缺, 不同饲草作物的价格在不同年际间, 随市场变化会出现波动, 价格的不稳定会直接影响几种套作模式效益比较。试验结果总体具有一定的局限性, 因此, 进一步探讨科学合理的苜蓿套作模式评价方法还需进一步深入研究。同时, 单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较试验得出, 单作苜蓿处理以及30-30 cm、20-40 cm套作处理的平均光能利用率、水分利用率相比单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究中的结果较低, 可能是由于单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米的生产性能比较试验的套作处理是在春播苜蓿基础上进行的, 而单作紫花苜蓿田夏季套作不同饲草作物模式评价研究的套作处理都是在秋播苜蓿的基础上第2年开始的套作处理。

长期以来, 海河平原区单作苜蓿田3~5茬草雨季收获难、资源利用效率低、病虫害严重的问题, 一直是影响该区域苜蓿草产品高效生产的关键制约因素。本研究立足平原农区农作制度以及饲草高效生产, 在单作苜蓿田前2茬草收获后通过套作5种不同的暖季型饲草作物, 最终筛选出了在单作苜蓿田套作青贮玉米的饲草高效种植模式, 该模式在苜蓿前2茬草正常收获后套种青贮玉米, 有效解决苜蓿3~4茬草雨季收获难的问题, 同时在7~9月青贮玉米的生长期, 可有效提高土地、光、温、水等资源利用效率, 提高了资源的利用率, 9月底将套作的青贮玉米与苜蓿一起收获, 在此生长期不考虑苜蓿的生长, 也从生态角度上自然规避了苜蓿病虫害发生的问题。同时, 结合国家“ 振兴奶业苜蓿行动项目” “ 粮改饲” 等政策的实施, 以及从奶业发展对优质青贮玉米需求角度考虑, 在紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米更便于种植户接受, 苜蓿与青贮玉米结合后也便于牛场进一步利用。因此, 该模式在海河平原区具有广阔的推广前景。

4 结论

本研究以海河平原单作紫花苜蓿田为研究对象, 设置30-30 cm等行距、20-40 cm宽窄行不同行距苜蓿小区, 通过套作青贮玉米、高丹草、拉巴豆、秣食豆以及饲用谷子5种不同饲草作物, 分析了不同套作处理下苜蓿前2茬干草产量、全年经济效益, 光能利用率、水分利用效率、土地当量值、食物当量数等指标, 同时, 又进一步探讨了单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米生产性能比较研究。结果表明, 创建的单作紫花苜蓿田夏季套作青贮玉米种植模式, 在保证与单作苜蓿同等经济效益的前提下, 可有效解决苜蓿3~5茬草雨季收获难、资源利用效率低的问题。综合分析, 得出该模式的关键技术要点为:单作苜蓿田采用20-40 cm宽窄行秋播种植, 于第2年前2茬苜蓿草收获后, 在宽行中间套作青贮玉米, 青贮玉米密度在6 万株· hm-2以内, 9月底将套作的青贮玉米与苜蓿一起收获, 之后苜蓿田苜蓿正常越冬。下一年再重复种植青贮玉米。该模式可为海河平原农区苜蓿草产品高效生产提供技术支撑。

The authors have declared that no competing interests exist.

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