试验设在位于高山草原地区的甘南州夏河县桑科乡(35° 06'086″ N, 102° 25'03″ E), 海拔3 050 m, 属高寒湿润型气候区, 年均温4.2 ℃, 年降水量440~800 mm, 年蒸发量1 232 mm, 无霜期56~105 d, 日照时间2 296 h, 辐射量8.2× 10⁶ kJ· m^-2。> 0 ℃的年积温为2 800~3 600 ℃· d。试验地土壤为黑钙土, 0-20 cm土层土壤养分含量:有机质42.2 g· kg^-1、全氮2.1 g· kg^-1、全磷0.9 g· kg^-1、全钾17 g· kg^-1、速效氮23 mg· kg^-1、速效磷7.5 mg· kg^-1、速效钾175 mg· kg^-1。试验期间逐月均温和降水量如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 试验区2010年3-8月份月均温和降水量Fig.1 Monthly mean temperature and precipitation of experiment field

供试材料为兰州大学草地农业科技学院选育的箭筈豌豆新品种兰箭1号。

试验材料于2010年5月1日种植。采用随机区组试验设计, 小区面积4 m× 5 m, 间隔80 cm, 重复3次。人工播种, 播种量均为75 kg· hm^-2, 播种方式为条播, 播种深度为2~3 cm, 行距30 cm。试验期间不灌溉, 不施肥, 出苗后人工除草两次。于分枝期在每个小区随机选取长势一致的1 m× 1 m样方(边行除外)4个, 用标记牌做标记, 用于现蕾期、开花期、结荚期与成熟期刈割。

物候期:兰箭1号的物候期记载标准参照国家草品种审定技术规程^[9]。

干草产量:在兰箭1号现蕾期、开花期、结荚期与成熟期, 分别选取3个样方, 齐地面刈割样方内所有植株的地上部分, 然后将其置于自然条件下风干, 称取得到干草重, 计算干草产量。

常规养分:粗蛋白(CP)采用凯氏定氮法^[10]; 可溶性糖(WSC)采用硫酸-蒽酮比色法^[11]; 粗脂肪(EE)采用索氏抽提法提取, 用差量法测定^[12]; 中性洗涤纤维(NDF)采用范氏中性洗涤纤维测定法^[13]。

矿物元素:常量元素磷(P)、钾(K)、钠(Na)、钙(Ca)、镁(Mg), 以及微量元素铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)。经硫酸-过氧化氢消煮, P用钒钼黄比色法测定, K和Na用火焰光度法测定, Ca、Mg、Cu、Mn和Zn用火焰原子吸收法测定^[14]。

按照灰色系统理论, 将4个物候期的干草产量、4种常规养分和8种矿物元素看成一个灰色系统。选取各参试指标的最佳值构成“ 标准箭筈豌豆” ^[15], 本研究选取干草产量、常规养分和矿物元素含量的最高值, 其中NDF采用最适宜值27.5%^[16], 作为参考数据列X₀。以测试性状的各项性能指标所构成的数列作为对应的比较数据列X_i。由于各性状量纲不同, 所以先按式(1)对各性状原始数据进行无量纲化处理。各原始数据经无量纲化处理后, 按式(2)计算参考数列(各指标最佳值)X₀与比较数列(各指标)X_i各对应值的关联系数r₀i(k) ^[17], 由于比较数列与参考数列各指标的关联系数较多, 信息量较分散, 不便进行比较, 为此将各性状的关联系数集中为一个值, 称为各物候期的干草产量、常规养分和矿物成分的关联度^[18], 记为r₀i, 按式(3)分别计算。

X'i(k)= Xi(k)Xmax(1)

式中, X_i(k)为原始数据, X'_i(K)为原始数据无量纲处理后结果, X_max为同一指标最大值。

r₀i(k)= minimink|X'0(k)-X’i(k)|+Pmaximaxk|X'0(k)-X'i(k)||X'0(k)-X'i(k)|-Pmaximaxk|X'0(k)-X'i(k)|(2)

式中, i为某个指标, r₀i(k)为比较数列X_i对参考数列X₀在第k点的关联系数, p为分辨系数, 本研究中取p=0.05, 认为同等重要。

r₀i= 1n∑k=1nr₀i(k) i=1, 2, …, n(3)

式中, r₀i为比较数列X_i与参考数列X₀的关联度, n为所测指标总数, 对于干草产量、常规养分和矿物元素的综合价值评价, n分别为1、4和8。

利用SPSS 13.0软件对不同物候期各性状指标进行方差分析, 用Duncan多重比较分析是否存在显著差异; 用灰色关联度和权重赋值法^{[19, 20]}对各物候期的草产量、常规养分和矿物元素进行权重综合评价。

兰箭1号播种后24 d(2010年5月24日)出苗, 7月25日现蕾, 8月5日开花, 8月21日结荚, 10月9日成熟, 全生育期为160 d。

兰箭1号的干草产量随物候期的变化而增加, 成熟期干草产量最高(4.40 t· hm^-2)。方差分析结果表明, 成熟期干草产量极显著高于其他物候期(P< 0.01), 而其他物候期之间干草产量存在显著差异(P< 0.05)(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 兰箭1号在不同物候期的草产量 注:不同小写字母和大写字母分别表示相同指标在不同物候期差异显著(P< 0.05)和极显著(P< 0.01)。下同。Fig.2 Herbage yield of Lanjian No. 1 at different phenological periods Note: Different lower case letters and capital letters within the same parameter mean significant difference among different phenological periods at 0.05 and 0.01 level, respectively. The same below.

兰箭1号的CP和WSC含量均随物候期的推移而降低(图3), 各物候期CP含量均高于20%, CP含量除开花期与结荚期之间无显著差异(P> 0.05)外, 其他物候期之间差异极显著(P< 0.01)。WSC含量在现蕾期和开花期极显著高于结荚期和成熟期。EE含量随物候期的变化先增后减, 开花期最高(1.53%), 现蕾期最低(0.74%), 结荚期和成熟期之间无显著差异, 其他物候期之间均差异极显著。NDF含量随着生长逐渐增加, 各物候期之间含量介于35.84%~61.25%, 开花期和结荚期之间无显著差异, 其他物候期之间均差异极显著。

图3

Fig.3

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	图3 兰箭1号在不同物候期的CP、WSC、EE和NDF含量Fig.3 CP, WSC, EE and NDF content of Lanjian No. 1 at different phenological periods

兰箭1号大量元素含量在各物候期的变化规律不尽一致(表1)。其中, P含量随物候期的变化逐渐下降, 各物候期含量介于2.18~3.07 g· kg^-1, 开花期和结荚期之间无显著差异(P> 0.05), 其他物候期之间差异极显著(P< 0.01)。K和Na含量在各物候期的变化趋势相同, 均在结荚期最高(分别为29.83和2.16 g· kg^-1), 成熟期最低(分别为24.96和1.30 g· kg^-1), 但K含量在不同物候期之间无显著差异, 而Na含量在结荚期极显著高于其他物候期。Ca含量随物候期整体呈逐渐增加的变化趋势, 成熟期最高(6.58 g· kg^-1), 现蕾期最低(4.41 g· kg^-1), 开花期和成熟期含量均极显著高于现蕾期。Mg含量随着生长逐渐降低, 现蕾期最高(7.82 g· kg^-1), 成熟期最低(6.21 g· kg^-1), 开花期和结荚期之间无显著差异, 其他物候期之间含量差异显著(P< 0.05)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 兰箭1号在不同物候期的常量元素含量 Table 1 Contents of major elements of Lanjian No. 1 at different phenological periodsg· kg-1 物候期Phonological period 磷P 钾K 钠Na 钙Ca 镁Mg 现蕾期Squaring period 3.07± 0.21Aa 27.64± 1.34Aa 1.51± 0.01Bb 4.41± 0.11Cc 7.82± 0.03Aa 开花期Flowering period 2.66± 0.15Bb 25.67± 1.48Aa 1.44± 0.38Bb 5.96± 0.46ABab 6.97± 0.41ABb 结荚期Podding period 2.61± 0.08Bb 29.83± 2.71Aa 2.16± 0.89Aa 5.09± 0.22BCbc 6.90± 0.39ABb 成熟期Mature period 2.18± 0.16Cc 24.96± 4.84Aa 1.30± 0.99Bc 6.58± 0.76Aa 6.21± 0.32Bc

表1 兰箭1号在不同物候期的常量元素含量 Table 1 Contents of major elements of Lanjian No. 1 at different phenological periodsg· kg-1

各物候期微量元素含量如表2所示。其中, Cu含量在各物候期变化趋势有所不同, 结荚期最高(6.70 mg· kg^-1), 开花期最低(5.59 mg· kg^-1), 但不同物候期之间含量无显著差异(P> 0.05)。Mn和Zn含量随着生长逐渐降低, 含量变化范围分别为51.88~103.94和24.22~34.88 mg· kg^-1, Mn含量在现蕾期极显著高于其他物候期(P< 0.01), Zn含量在成熟期极显著低于其他物候期。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 兰箭1号在不同物候期的微量元素含量 Table 2 Contents of trace elements of Lanjian No. 1 at different phonological periods mg· kg-1 物候期Phonological period 铜Cu 锰Mn 锌Zn 现蕾期Squaring period 5.74± 0.22Aa 103.94± 5.40Aa 34.88± 1.45Aa 开花期Flowering period 5.59± 0.91Aa 72.30± 9.55Bb 30.63± 0.35Aa 结荚期Podding period 6.70± 1.78Aa 67.21± 10.55Bb 30.55± 2.99Aa 成熟期Mature period 5.73± 1.64Aa 51.88± 3.99Bc 24.22± 1.92Bb

表2 兰箭1号在不同物候期的微量元素含量 Table 2 Contents of trace elements of Lanjian No. 1 at different phonological periods mg· kg-1

灰色关联度分析结果(表3)显示, 成熟期干草产量的关联度最大, 为0.89, 现蕾期的常规养分和矿物元素的关联度最大, 均为0.81。根据上述指标的重要程度, 本研究采用赋值法分别赋值(Wk)为0.40、0.30和0.30, 权重总和为1。即兰箭1号各物候期的综合评价值(Zk)=干草产量× 40%+常规养分× 30%+矿物元素× 30%。4个物候期的Zk值表现为:成熟期> 开花期> 结荚期≈ 现蕾期。Zk值越高, 说明其综合生产性能越好, 越接近于“ 标准箭筈豌豆” 。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同物候期干草产量、常规养分和矿物元素的关联度(r0i)和综合评价值(Zk) Table 3 Relational degree (r0i) of dry matter yield, conventional nutrient, mineral in different phonological periods, and comprehensive evaluation value(Zk) 物候期 Phonological period 干草产量 Hay yield 常规养分 Conventional nutrient 矿物元素 Mineral 综合评价值(Zk) Comprehensive evaluation value 现蕾期Squaring period 0.33 0.81 0.81 0.617 6 开花期Flowering period 0.41 0.78 0.74 0.620 6 结荚期Podding period 0.49 0.66 0.75 0.617 8 成熟期Mature period 0.89 0.67 0.62 0.742 3

表3 不同物候期干草产量、常规养分和矿物元素的关联度(r0i)和综合评价值(Zk) Table 3 Relational degree (r0i) of dry matter yield, conventional nutrient, mineral in different phonological periods, and comprehensive evaluation value(Zk)

前人对豆科牧草最佳刈割期的研究较多, 但结论不尽一致。陈宝书^[7]认为豆科牧草的最佳刈割时期为初花期。贾慎修^[21]指出紫花苜蓿(Medicago sativa)的适宜刈割期为现蕾至开花期; 马春晖和韩建国^{[22, 23]}研究发现, 用作调制干草或制作青贮的一年生饲草作物(如, 箭筈豌豆)最佳刈割期为成熟期, 该研究同时指出, 一年生和多年生豆科牧草的最佳刈割期有所不同, 是因为多年生豆科饲草的刈割需要考虑其再生性, 而一年生饲草作物如果在生长季较短的高寒地区种植, 开花期刈割几乎没有再生产量, 而进入结荚期以后, 在草产量增加的同时其籽实成分也逐渐增加, 从而抵消了一部分营养物质的损失, 所以较宜在结荚期之后刈割。因此, 牧草最佳刈割期的确定必须综合考虑生长习性, 草产量和营养品质等因素。

草产量是影响饲草生产性能的重要因素, 兰箭1号不同物候期的草产量差异较大。成熟期干草产量最高, 但低于箭筈豌豆在西藏日喀则地区初花期^[24]和青海三角城地区结荚期^[25]的干草产量。与本研究相比, 这两个地区种植的箭筈豌豆干草产量更高, 但需要指出的是这两个地区在试验过程中增施了肥料。所以, 兰箭1号在高寒地区的饲草生产潜力, 有望进一步通过施肥试验来发掘。

CP含量是评价牧草饲用价值的重要因素, CP含量高的牧草在高山草原地区更具饲用价值。本研究中兰箭1号各物候期的CP含量介于20.22%~31.25%, 其开花期CP含量高于箭筈豌豆在西藏日喀则初花期的报道含量^[24], 结荚期CP含量高于箭筈豌豆在青海三角城地区的同期含量^[25]。WSC和EE是牧草的能量贮存物质^{[26, 27]}, 本研究中, 兰箭1号各物候期的WSC含量均低于箭筈豌豆在西藏日喀则地区的报道含量^[28], 各物候期的EE含量均低于箭筈豌豆在青海三角城地区的同期含量^[25], 这可能是由于这两个研究区域海拔更高, 年积温更低, 所以牧草中贮存了更多的能量物质以耐受低温环境^[29]。牧草NDF含量会影响反刍动物的消化率, 本研究中兰箭1号的NDF含量, 除现蕾期外, 其他物候期含量均高于西藏日喀则地区初花期含量^[24]和青海三角城地区结荚期含量^[25]。夏河地区种植的兰箭1号, 与相同气候类型区种植的箭筈豌豆相比, 其各物候期的粗蛋白含量较高, 因此可将其作为高蛋白牧草在高山草原地区进行栽培和饲用。

本研究中, 兰箭1号的P、K、Na和Mg含量, 分别高于西藏那曲^[30]和甘南玛曲^[31]放牧草地的报道含量(表4); Cu和Zn含量在张均^[30]和辛国省^[31]报道的高寒草地的含量范围内。Mn含量虽然高于甘南玛曲^[31]典型草地的报道含量, 但低于西藏那曲^[30]高寒草地的含量, 而Ca含量均低于西藏那曲和甘南玛曲的报道含量^{[30, 31]}。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 西藏那曲和甘南玛曲放牧草地的矿物元素含量 Table 4 The level of mineral elements in grazing land of Naqu, Tibet and Maqu, Gansu 元素 Element 西藏那曲[30] Naqu, Tibet 甘南玛曲[31] Maqu, Gansu P/g· kg-1 1.20~1.52 0.67~2.10 K/g· kg-1 3.80~15.40 2.50~15.70 Na/g· kg-1 0.10~0.70 0.04~0.14 Ca/g· kg-1 6.70~14.90 6.90~8.70 Mg/g· kg-1 1.00~2.80 1.10~2.00 Cu/mg· kg-1 2.71~9.30 2.50~15.80 Mn/mg· kg-1 55.11~127.54 35.80~78.50 Zn/mg· kg-1 8.31~27.82 17.30~36.40

表4 西藏那曲和甘南玛曲放牧草地的矿物元素含量 Table 4 The level of mineral elements in grazing land of Naqu, Tibet and Maqu, Gansu

相比较美国肉牛^[32]和山羊^[33]矿物元素饲喂标准(表5), 本研究中兰箭1号的P、Na、Ca、Zn含量适中, 而K、Mg和Mn分别是推荐标准的3~5倍、3~8倍和1~5倍, 但Cu含量略低于该标准。所以, 与高寒草地牧草矿物养分水平和美国NRC标准相比较, 兰箭1号除Ca、Mn和Cu外, 能够基本满足高寒地区草地家畜对P、K、Na、Mg和Zn元素的营养需求。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 美国肉牛和绵羊矿物元素需求量(以干草计) Table 5 Mineral element requirements of cattle and sheep (based on dry matter) 元素 Element 肉牛[32] Cattle 绵羊[33] Sheep P/g· kg-1 0.5~2.0 1.6~3.8 K/g· kg-1 6.0 5.0~8.0 Na/g· kg-1 0.6~0.8 0.9~1.8 Ca/g· kg-1 1.0~5.0 2.0~8.2 Mg/g· kg-1 1.0 1.2~1.8 Cu/mg· kg-1 10 7~11 Mn/mg· kg-1 20 20~40 Zn/mg· kg-1 30 20~33

表5 美国肉牛和绵羊矿物元素需求量(以干草计) Table 5 Mineral element requirements of cattle and sheep (based on dry matter)

本研究根据灰色系统理论和模糊数学中的权重赋值法, 对甘肃夏河地区栽培的箭筈豌豆兰箭1号的多个品质性状进行分析, 并综合评价各物候期的利用价值。结果表明, 兰箭1号在夏河地区成熟期的综合评价最优, 最接近“ 标准箭筈豌豆” 。此时刈割饲草产量最高, CP含量达到美国一等饲草的标准^[34](CP含量> 17%), 而WSC、EE和NDF含量适中, 矿物元素P、K、Na、Mg和Zn含量能够基本满足高寒草地家畜的营养需求。综上所述, 本研究建议在夏河地区, 兰箭1号的较佳刈割期为成熟期。