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苜蓿玉米间作系统饲料生产潜力及其机理的研究

张桂国  
【摘要】:现代农业一直追求产量的最大化,而对诸如,土壤生产力衰退、杀虫剂对地下水资源的污染及生物多样性的下降等后续的不良效应考虑甚少。此外,随着可利用耕地持续地减少,对人类和畜牧业供给的食物和饲料的匮乏正变得越来越严重。高产和可持续发展是21世纪农业生产的主题。由此,寻求一种更高产的作物栽培措施来应对食物供给危机成为当前迫切需要解决的问题,同时,还要能保持土地的可持续利用性和农业系统长期发展战略。间作,以其生物产量的优势(谷物和秸秆)、减少化肥农药的投入,以及增加的生物多样性和土地可持续利用性,已经引起前所未有的重视并且被认为是解决食品和饲料供给危机的一个可行的栽培方式。然而,现有的研究对于多年生豆科牧草和一年生禾本科谷物间作系统的涉及较少,虽然这种栽培模式在生产中早已广泛应用。本研究的主要目的在于测定不同苜蓿(Medicago sativa L.)+玉米(Zeamays L.)间作模式下地上部分生物产量的差异,并从种间竞争力、根系分布、氮素营养的角度阐明生物产量形成的机理,同时通过动物试验探明不同玉米+苜蓿间作模式下收获混合产物养分瘤胃降解率的大小,以及营养物质、可降解营养物质生产能力的差异,从而为生产应用苜蓿+玉米间作模式建立农区反刍动物饲料供应体系提供科学依据。试验设苜蓿、玉米行数比分别为2:2,3:2,4:2,5:2共4个间作处理,每处理3个重复,以玉米、苜蓿单作为对照组。连续开展三年的大田栽培试验(2007-2009),测定各处理地上部分生物产量,种间竞争力参数,包括土地当量比(land equivalent ratio,LER)、侵占力(aggressivity, A),相对拥挤系数(relative crowding coefficient, K values)和竞争比率(competitive ratio, CR)等指标,以及间作系统内的根系分布,氮的获取量及不同间作系统内苜蓿固氮量;在动物实验中测定了单位间作面积下的营养物质产量、养分瘤胃降解率、可降解营养成分产量,以及苜蓿、玉米茎秆在瘤胃中降解前后解剖结构的变化和收获产物做绵羊全日粮时瘤胃细菌总数的变化。主要研究结果如下: 1、不同苜蓿+玉米间作系统对单位土地面积生物产量的影响 在生物产量方面,苜蓿+玉米间作系统建立的第一年,只有5:2间作模式表现出生物产量优势;自栽培的第二年始,苜蓿开始进入高产期,所有的苜蓿玉米间作栽培模式都表现出比单作更高的产量优势和土地利用效率。单作苜蓿和所有间作模式的生物产量均随栽培年限的增加而增长。不考虑间作模式的差异,苜蓿平均的年度干物质产量随苜蓿在间作系统内所占间作比例的增加而呈线性增长,而玉米恰与此相反。然而,单作苜蓿、玉米和所有间作系统的总生物产量并没有随系统内作物间作搭配比例的变化而表现出线性反应。 从经济产出的角度考虑,苜蓿玉米间作系统较玉米单作有更多的经济收益,与苜蓿单作相比,5:2间作系统表现出经济收益的优势,其它间作系统经济产出无明显优势。 2、种间竞争力、根系分布和氮素营养对苜蓿+玉米间作系统生物产量的影响 在苜蓿+玉米间作系统中,苜蓿展现出比玉米更高的侵占力、相对拥挤系数和竞争比率,是群体内的优势品种和强势的竞争者,苜蓿产量的变化直接影响间作系统的总产量变化,苜蓿生物产量随栽培年度的增加是间作系统总生物产量比单作苜蓿和单作玉米更高的原因之一。 在苜蓿单作和苜蓿+玉米间作系统中,苜蓿根系重心均随生长年限的增加而在垂直方向下移至更深的土层。与苜蓿单作相比,在间作系统内苜蓿根系在更大的空间延伸,间作系统内的苜蓿有更大的RLD值,其根系延伸到相邻玉米行下方20-80cm土层。单作玉米的根系主要分布在0-20cm土壤上层。不同间作模式下玉米的根系在不同的土层内水平和垂直方向均展现出更大程度的延伸,并且在所有的土层与单作玉米相比都有更高的RLD值。此外,间作玉米的根系朝向邻近苜蓿行一方有更大程度的侧向延伸,并且伴随着间作苜蓿的根系在玉米带和苜蓿带之间的区域生长到更深的土层。对所有的间作处理,在玉米和苜蓿带之间是根系分布最密集的区域,有最大的根长密度值,苜蓿和玉米根系在此区域内有更大程度的交织和延展,与苜蓿和玉米单作相比RLD值显著提高。间作的苜蓿和玉米比单作玉米有更高的氮获取量优势(以NLER表示),并且间作系统氮获取数量和苜蓿所占的间作比例表现出正相关性,由此,在当前的试验中5:2间作模式展现出最佳的氮获取优势。在玉米苜蓿的间作组合中,无论何种间作模式,以氮的获取量为基础的CRac值均大于1,由此,苜蓿有着比邻近的玉米更强的获取氮的能力。在三年的试验期间,5:2间作模式始终表现出比单作苜蓿和其它间作模式更高的生物固氮量(Nfix),显示出生物固氮的优势,此外,间作系统的生物固氮量与苜蓿所占间作系统的土地比例成二次相关性。由此可见,间作苜蓿和玉米根系的兼容、互利是间作群体总氮吸收量和生物固氮量提高的重要原因,也是间作系统获得更大生物产量的生物学基础。 3、苜蓿+玉米间作系统收获产物饲料营养价值评定 从饲料营养的角度评定,与玉米单作相比,苜蓿+玉米间作系统可以提高粗蛋白质、碳水化合物、总能的降解率及单位面积粗蛋白质和可利用粗蛋白质产量,且随苜蓿间作比例的增加呈线性增加;与苜蓿单作相比,间作系统提高了粗脂肪、碳水化合物、总能产量和各成分降解率及相应的可利用营养成分产量,而粗蛋白质产量、降解率及可利用粗蛋白质产量均无显著差异;种植年限不影响营养物质的降解率,但苜蓿+玉米间作系统及苜蓿单作栽培的干物质、粗蛋白质、粗脂肪、总能产量及相应的可利用营养成分产量均随栽培年限增加而提高;苜蓿+米间作系统的混合收获产物作为反刍动物日粮,与玉米单作收获产物相比,提高了瘤胃PH值和氨氮浓度,使之在更小的范围内波动,更适合瘤胃微生物发酵。改善了瘤胃能氮平衡值,为瘤胃微生物发酵提供了更适合的内环境,从而增加了瘤胃细菌总数和微生物蛋白转化效率,以及苜蓿和玉米秸秆组织细胞的降解程度。 由此,从单位土地干物质产量,经济产出方面评价,苜蓿+玉米间作系统都比玉米单作和苜蓿单作有更好的生产性能。从饲料产出的角度评价,间作栽培系统混合收获产物具有更高的利用率,单位土地获得更多的营养物质产量、可降解营养物质产量,与单作相比具有更高的饲料生产潜力,是一种可行的饲料生产模式。


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