河西灌区青贮玉米/秣食豆间作体系高产优质高效的密度与氮肥调控思考

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论文字数:39855 论文编号:sb2022022117023643734 日期:2022-03-01 来源:硕博论文网

本文是一篇农业论文,笔者认为随着密度增加,青贮玉米的茎粗显著降低,而 LAI 显著增高。两年在收获期 N3 和 N4 处理的平均株高、茎粗、SPAD、LAI 均显著高于 N1,且 N3与 N4 无显著差异。2019 年青贮玉米的穗长、穗粒数随施氮量的增加显著增高, 2020 年穗粒数随施氮量的增加显著增高,两年各施氮处理的穗粗无显著差异。总体上看,D2-N3 处理改善了饲草作物的农艺性状,提高了 LAI。

第一章   前言

1.1  研究背景与意义
1.1.1  研究背景
随着膳食结构不断变化,人们对牛、羊肉及乳产品的需求量将持续增加[1]。饲草作物是牛、羊等牲畜的主要食物来源,但目前我国饲料短缺现象愈发严重,饲料危机正威胁着食物安全[2]。2015 年以来,我国牧草产业步入了现代化发展阶段,国家进一步将发展牧草产业纳入―中央一号文件‖,饲草产业发展迎来了前所未有的历史机遇。其中,青贮玉米(Zea mays L.)是反刍动物最重要的饲料之一,其在产量、营养品质、适口性等方面具有优势[3]。大力发展青贮玉米对促进种植业结构调整、推动草牧业升级和转型以及加快畜牧业发展具有重要意义[4-5]。
近几年,随着农业种植结构的调整,全国青贮玉米的种植比例不断提高。但是,青贮玉米的蛋白质含量低,营养成分不均衡,在饲喂牲畜时还需要补充豆粕等高蛋白精料[6]。同时,玉米、小麦(Triticum aestivum L.)等禾本科作物单一化种植和长期连作会破坏土壤有机氮矿化,并且大量施氮造成当季肥料利用率低,还可能引起土壤酸化、温室气体排放增加等环境问题[7-8]。然而,为保障粮食安全,农业生产中大量施用氮肥仍是获取作物高产的主要手段[9-10],目前我国氮肥用量高于世界平均水平,尤其在灌溉农业区氮肥用量高达 450 kg hm-2[11-13]。大量氮肥的使用造成地下水污染严重、温室效应加剧、病虫害增加等多种环境和生态问题[14-16]。因此,合理使用氮肥以及采用有效且经济的栽培措施,是解决氮素污染及提高氮素利用效率的关键[17-18]。
禾本科与豆科作物间作(禾/豆间作)在我国有悠久的历史,由于禾/豆间作中的豆科作物具有生物固氮作用,因此可减少氮肥投入并提高氮素利用率[19-20]。禾/豆间作也是一项重要的增产措施,有研究证明,一些以玉米为主的禾/豆间作体系可以提高青贮玉米的产量和品质,并且在我国被广泛应用[21-22]。有研究表明,在禾/豆间作或混播体系中,植物能够高效利用光、热、水、肥等资源[23],进而提高系统产量和品质[24-25],同时提升土壤肥力并减轻杂草危害[26]。可见,间作是一种生态友好型农业生产方式,其不仅可以解决草牧业饲料供给不足的问题,还能实现经济建设与生态保护的协同发展[27]。因此,研究禾/豆间作体系高产优质高效的栽培技术对我国绿色农业发展具有重大意义。
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1.2  国内外研究进展
1.2.1  禾/豆间作对饲草作物产量、品质和氮肥利用的影响
禾/豆间作是指两种或两种以上的禾本科与于豆科作物进行间隔种植,是一种影响饲草作物产量的重要种植方式。冯晓敏等[41]的研究结果表明,燕麦(Avena sativa L.)/大豆 2:2 间作与燕麦单作相比,饲草产量增加了 41%~63%,间作能够更好地利用土地等有限资源。张永亮等[42]研究发现,禾/豆间作方式对牧草总产量和各个组分饲草产量均有显著影响,禾/豆 1:1 间作处理的平均总产量最高,但组分稳定性较差。Pilli 等[43]研究表明,在玉/豆间作体系中豆科作物的加入改善了体系的产量构成,并具有一定的增产效果,其中玉米/黑绿豆(Vigna mungo L.)2:2 间作模式下玉米产量较玉米单作增产 34.2%。然而,范元芳[44]研究表明,在玉米/大豆间作体系中,随着群体的生长,玉米对大豆的荫蔽程度增加,导致大豆的光合作用减弱,进而使大豆得单株荚数、单株粒数、百粒重显著降低。因此,为了提高禾/豆间作体系的产量,要根据不同豆科作物的生长特征,科学进行禾本科与豆科作物间作,以提高资源利用效率。
此外,禾/豆间作对饲草作物的营养品质也有明显的影响。蔺芳[45]研究表明,与单作相比,禾/豆间作体系下饲草的粗蛋白、粗灰分含量和相对饲用价值(RFV)降低,中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)含量增加。方萍等[46]研究表明,在玉米/大豆间作体系下大豆的外观品质降低,但蛋白质含量显著提高,粗脂肪含量降低。瓮巧云等[47]在冀西北地区进行了 5 种不同间作模式试验发现,间作较玉米单作显著提高了青贮玉米的粗蛋白和淀粉含量,改善营养品质。Javanmard 等[48]研究发现,玉米与不同豆科作物间作较单作显著增加了粗蛋白产量,降低了 NDF 和 ADF 含量。马垭杰等[49]研究发现,与单播相比,青贮玉米与秣食豆混作增加了群体地上生物产量,显著提高群体蛋白含量,并降低粗纤维、ADF 和 NDF 含量,从而使饲草的营养品质得到改善。
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第二章   材料与方法

2.1  研究区概况
本试验于 2019 年和 2020 年在兰州大学临泽草地农业试验站(100°02′E,39°15′N)进行,属于温带大陆性干旱气候,海拔 1390  m,30 年(1981-2010)的年平均气温为 8.94℃,年平均潜在蒸发量为 2337.6  mm,年平均降雨量为113.6mm,且降雨主要集中在夏、秋两季,约占全年总降水量的 60%以上。2019年试验站全年降水为 167.7 mm,属于降水较多的年份,2020 年全年降水为 122.1 mm,为降水正常年份。2019 年在播种前我们对 0~30 cm 土层土壤进行了分析,土壤 pH 为 8.65,容重为 1.33 g cm-3,土壤有机质含量为 8.3 g kg-1,碱解氮含量为 30.2 mg kg-1,有效磷含量为 21.5 mg kg-1,速效钾含量为 126.6 mg kg-1。

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2.2  试验设计与田间管理
采用裂区试验设计,以青贮玉米和秣食豆为试验材料进行间作试验,主区为3 个种植密度(D1:7.5 万株 hm-2;D2:9.0 万株 hm-2;D3:10.5 万株 hm-2),副区为 4 个施氮水平(N1:0 kg hm-2;N2:120 kg hm-2;N3:240 kg hm-2;N4:360 kg hm-2),共 12 个处理,每个处理 3 个重复,共 36 个小区,小区面积为 38.5 m2(7 m×5.5 m),各小区间设 1.2 m 隔离带,防止水分渗漏。各处理的行距为 60 cm,D1、D2 和 D3 密度的株距分别为 24.2、20.2 和 17.3  cm,在两株玉米中间播种 2 粒秣食豆。各处理均施用 138 kg hm-2过磷酸钙(以 P2O5 计)作为底肥,施氮处理选用尿素,N2 处理在播种前施氮肥 120 kg hm-2,N3 处理在播种前和 6叶期各施氮肥 120 kg hm-2,N4 处理在播种前、6 叶期和 12 叶期均施氮肥 120 kg hm-2。两年各处理在 6 叶期和吐丝期各灌水 2000 m3 hm-2。2019 年播种时间为 4月 22 日,2020 年播种时间为 4 月 29 日,各处理除草和病虫害防治措施一致。
在玉米吐丝期和收获期,各小区随机选取 6 株青贮玉米和 12 株秣食豆,使用卷尺测定株高,电子游标卡尺测定茎粗,便携式叶绿素仪(SPAD-502,Konica Minolta 公司,日本)测定相对叶绿素含量。使用直尺测定叶片的长度和宽度,根据王皓的方法[89]计算群体叶面积指数。收获期,各小区随机选取 10 个玉米果穗,测定穗长、穗粗、穗行数和行粒数,并计算穗粒数。
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第三章   结果分析 ............................... 11
3.1  农艺性状 ........................................ 11
3.1.1  株高 ................................... 11
3.1.2  茎粗 .................................... 12
第四章   讨论................................. 56
4.1  玉米/豆科作物间作下密度对饲草产量、品质和氮肥利用的影响 .......... 56
4.1.1  玉米/豆科作物间作下密度对饲草农艺性状和产量的影响 ........... 56
4.1.2  玉米/豆科作物间作下密度对饲草营养品质的影响 ....................... 56
第五章   结论与展望 ............................ 60
5.1  主要结论................................ 60
5.2  存在的问题与展望............................... 60

第四章   讨论

4.1  玉米/豆科作物间作下密度对饲草产量、品质和氮肥利用的影响
4.1.1  玉米/豆科作物间作下密度对饲草农艺性状和产量的影响
科学合理的田间配置是获得高产的基础保障,在玉米/豆科间作体系中,玉米种植密度是影响实际产量最敏感的因素之一[90]。有研究表明,随着种植密度的增加,青贮玉米的茎粗降低[91],但也有研究表明玉米种植密度对株高影响较小,而茎粗随着密度的增加而降低[92]。本试验结果显示,随着密度的增加,2019 年收获期青贮玉米株高显著增加,而茎粗变化不显著,但 2020 年各时期青贮玉米株高变化不显著,茎粗显著降低,两年密度对株高、茎粗的影响效应不同。这可能是由于受降水量影响,2019 年降水较多,青贮玉米株高随密度的增加而增高,2020 年降水较少,这限制了植株的生长,随密度的增加茎粗降低。华劲松研究表明,随密度的增加,玉米/芸豆间作的叶面积指数增大[92]。本研究结果与其相似,增加密度使两年开花期和收获期的群体叶面积指数明显提高。代希茜研究表明[93],玉米穗长、穗粗、穗行数随密度的增加而降低,但是高慧研究发现[94],玉米种植密度对玉米穗长和穗粒数的影响较小。本试验研究表明,2019 年密度对青贮玉米穗长、穗粗和穗粒数无显著影响,2020 年随密度的增加,穗长和穗粒数显著降低,这可能是由于在降水较少的年份,增加密度加剧了青贮玉米个体对光、热、水、肥等资源的竞争,具体原因仍需进一步研究。
有研究表明,在玉米/豆科间作体系中,玉米产量随种植密度的增加而升高,而大豆产量则随玉米密度的增加逐渐降低[95],间作体系总产量随密度的增加而增高[96-97],这与本试验 2019 年的研究结果类似,随着密度增加,秣食豆的鲜干草产量先增加后降低,而青贮玉米和间作体系的鲜干草产量逐渐增高,但高密度(D3)与中密度(D2)无显著差异,且在 2020 年中密度下间作体系的鲜干草产量高于高密度。这可能是因为 2020 年青贮玉米的穗长、穗粒数随密度的增加显著降低(表 3-5)。有研究表明,穗粒数、穗数等是玉米产量构成的重要因素[98-99],密度过高会使玉米的穗粒数、百粒重等农艺性状恶化[100],进而降低群体产量。可见,适宜的种植密度可以优化植株农艺性状,是实现高产稳产的重要措施之一。 
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第五章   结论与展望

5.1  主要结论
(1)随着密度增加,青贮玉米的茎粗显著降低,而 LAI 显著增高。两年在收获期 N3 和 N4 处理的平均株高、茎粗、SPAD、LAI 均显著高于 N1,且 N3与 N4 无显著差异。2019 年青贮玉米的穗长、穗粒数随施氮量的增加显著增高, 2020 年穗粒数随施氮量的增加显著增高,两年各施氮处理的穗粗无显著差异。总体上看,D2-N3 处理改善了饲草作物的农艺性状,提高了 LAI。
(2)两年 D2 和 D3 处理的青贮玉米、秣食豆及间作体系的鲜草产量、干草产量、淀粉产量显著高于 D1,且在 2020 年 D2 处理的青贮玉米、秣食豆及间作体系的粗蛋白产量显著高于 D1 和 D3。两年 N3 和 N4 处理的青贮玉米、秣食豆及间作体系的鲜草产量、干草产量、粗蛋白产量、淀粉显著高于 N2 和 N1。所有处理中 D2-N3 获得了最高的两年平均总干草产量(31.74 t hm-2)。
(3)两年在吐丝期和收获期,随着密度的增加青贮玉米、秣食豆和间作体系的粗蛋白、淀粉、粗脂肪含量及 RFV 呈下降趋势,而粗灰分、NDF 和 ADF含量呈增加趋势。两年在收获期施氮处理下青贮玉米、秣食豆、间作体系的粗蛋白、淀粉含量及 RFV 显著高于不施氮处理,而在吐丝期和收获期青贮玉米、秣食豆、间作体系的 NDF 和 ADF 随施氮量的增加呈下降趋势。2019 年收获期 N2、N3、N4 处理下间作系统的粗脂肪含量显著高于 N1,而在 2020 年 N2、N3 与 N1无显著差异。两年 N3、N4 处理的粗灰分含量显著低于 N1,而 N3 与 N4 无显著差异。所有处理中 D2-N3 获得了较高的粗蛋白含量和 RFV,提高了饲草品质。
(4)两年 D2 处理下间作体系的氮含量、氮吸收量和 NUE 显著高于 D3,而 NupE 显著低于 D3。两年施氮处理下间作体系的氮含量和氮吸收量显著高于不施氮处理,且 N3 处理的 AEN、NupE、NUE 显著高于 N4。所有处理中 D2-N3获得了最高的两年平均 NUE(1.14 kg kg-1)。
因此,9.0 万株 hm-2的种植密度和 240 kg hm-2的施氮量(D2-N3)是河西灌区青贮玉米/秣食豆间作体系适宜的管理措施,该措施可改善饲草作物的农艺性状,提高饲草产量、品质和 NUE,具有推广价值。
参考文献(略)


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