摘要：为了解黄土高原降水对牧草生产力的影响，本研究以大豆、燕麦和箭筈豌豆等牧草为研究对象，以探究不同降水条件下牧草产量的变化。研究结果表明，在正常降水情况下，大豆、燕麦和箭筈豌豆的干物质产量为3617.56、5284.00和2631.00 kg ha-1，粗蛋白质产量分别为555.20、518.37和 467.57 kg ha-1。与正常降雨相比，降雨量增加30%的条件下的大豆、燕麦和箭筈豌豆的干物质产量分别增加26.25%、13.16%和26.38%。
关键词：牧草生产力；降水变化；降水利用率
文 章 信 息
译名：降水变化对半干旱环境下夏季牧草生产力和降水利用效率的影响
发表时间：2022年11月7日
期刊影响因子：4.5（2023）
第一单位：兰州大学草地农业科技学院
通讯单位：兰州大学草地农业科技学院
文 章 亮 点
1.牧草产量受降水变化的显著影响；
2.增加降水量可提高牧草产量，但会降低水分利用率；
3.燕麦具有干物质产量优势，而大豆具有粗蛋白产量优势。
文 章 简 介
1 研究意义
畜牧业生产是我国黄土高原农业生产和农民经济收入的重要组成部分。种植一年生牧草可增加饲料供应，增加农民经济收入，确保畜牧业生产安全高效的发展。但由于黄土高原的水资源短缺，导致当地牧草产量差异较大。为保证降水变化下区域畜牧业的可持续性，本研究旨在评价3种牧草（燕麦、大豆和箭筈豌豆）在3种降雨条件下的生产稳定性，分析3种牧草作物在3种降雨条件下的水分利用和降水利用效率，为黄土高原牧草生产和当地种植制度优化提供指导。
2 研究方法
2.1 研究地概况
试验地位于兰州大学庆阳试验站（35°40′N, 107°51′E，海拔高度为1298 m），该地属于暖温带大陆性季风气候，年平均温度为9.75℃，长期年平均降水量为534.59 mm，主要发生在7-9月。2016、2017和2018年的年平均降水量分别为478.40 mm、746.20 mm和653.10 mm，年平均温度分别为11.30 ℃、10.63 ℃和9.95 ℃（Fig. 1）。
2.2试验设计
本试验为双因素试验：（1）三种牧草：燕麦（Avena sativa L.）、大豆（Glycine max L.）和箭筈豌豆（Vicia sativa L.）；（2）三种降雨条件：降雨量减少30%（R-30%）、正常降雨量（CK）和降雨量增加30%（R+30%）。本试验采用完全随机设计，设置9个处理，3个重复。样地大小为3×3 m，样地间距为1 m。具体牧草种植日期、终止日期、施肥量和播种量见Table 1。
2.3 数据收集
2.3.1 干物质产量和粗蛋白产量
在开花期收获三种牧草，并从每个小区中选取1 m2的样方测干物质产量。将所有样品在105℃下烘干0.5 h，然后在75℃下烘干至恒重。通过凯氏定氮法测定粗蛋白含量，从而计算粗蛋白产量，其公式为：
2.3.2 土壤储水量和用水量
在每次作物播种和收获时，通过重力测量法测量土壤含水量（0-200 cm）和土壤储水量（SWS, mm）：
其中ρ是土壤容重，w是含水量，h是土壤深度。
使用水平衡方程计算土壤用水量：
其中P是牧草生长季节的有效降水量，SWSs和SWSh分别是饲料作物播种和收获阶段的土壤储水量。
2.3.3 水分利用效率
牧草干物质产量和粗蛋白产量的水分利用效率的计算公式如下：
2.3.4 降水利用率
牧草干物质产量和粗蛋白产量的降水利用效率的计算公式如下：
2.3.5 干旱指数
干旱指数（DI）用于将降水类型分类为湿润、正常或干燥，其计算公式如下：
其中P是生长季节的降水量，M是长期平均降水量，σ是长期降水量的标准差。根据DI <-0.35、-0.35 ≤ DI ≤ 0.35和DI > 0.35，分别对干旱、正常和湿润生长季节进行分类。
3 研究结果
3.1降水分布
在牧草生长季节（7-9月），长期年平均降水量为311.69 mm。在2016年，R-30%、CK和R+30%条件下7-9月的总降水量分别为131.25 mm、187.50 mm和243.75 mm。而2017年分别为237.51 mm、339.30 mm和441.09 mm，2018年分别为264.67 mm、378.10 mm和491.53 mm（Table 2）。根据DI，一个生长季为正常（2017年CK条件下）；三个季节为湿润（2017年R+30%，2018年CK和R+30%），其余便为干旱。
3.2 牧草生产
牧草DM产量和CP产量受年份、降雨条件和牧草种类的显著影响，但不受三者的交互作用所影响（Table 3）。2017年，牧草的干物质产量和粗蛋白产量均随降水量的增加而增加，但燕麦粗蛋白产量在R-30%、CK和R+30%条件下差异不显著。燕麦和箭筈豌豆的DM产量值在2017年生长季分别显著增加了22.61%、16.60%和16.77%。2018年，燕麦在R+30%条件下达到最大DM产量（7657 kg ha−1）（Fig. 2a-c）。而箭筈豌豆的DM产量低于燕麦，但在2018年的CK情景下，箭筈豌豆的CP产量显著高于燕麦20.93%（Fig. 2d-f）。
3.3 土壤储水量和用水量
SWS与WU随年份、降水条件和牧草种类而变化，但不受三者的交互作用所影响（Table 3）。降水显著影响了SWS，SWS随降水量的增加而上升，但在2016年R-30%、CK和R+30%条件下燕麦收获期的SWS没有差异。大豆、燕麦和箭筈豌豆收获期的平均SWS分别为364.60、304.24和337.86 mm（Table 4）。在三个生长季中，燕麦在大多数降雨条件下WU最高。在2017年正常生长季节，在CK条件下，大豆、燕麦和箭筈豌豆的WU分别为227.61、263.63和248.00 mm（Table 4）。
3.4 水分利用效率
牧草干物质产量的水分利用效率（WUEDM）和粗蛋白产量的水分利用效率（WUECP）随年份、降雨条件和牧草种类而变化，但不受三者的交互作用所影响（Table 3）。除2016年外，牧草WUEDM和WUECP均随降水量增加而下降。在2017年正常生长季节，在对照情景下，大豆、燕麦和箭筈豌豆的WUEDM分别为15.90、20.11和10.61 kg ha−1 mm−1（Fig. 3a-c）。在三个季节中，大豆在所有降水条件下WUECP最高。与大豆相比，2018年CK条件下燕麦和箭筈豌豆的WUECP值分别低50.94%和31.83%。箭筈豌豆的WUEDM低于燕麦，但2018年在CK和R +30%情景下，箭筈豌豆的WUECP分别高出38.9%和21.1%（Fig. 3d-f）。
3.5 降水利用效率
牧草干物质产量的降水利用效率（PUEDM）和粗蛋白产量的降水利用效率（PUECP）随年份、降雨条件和牧草种类而变化，但不受三者的交互作用所影响（Table 3）。随降水量的增加，牧草的PUEDM降低，但在2016年，在R-30%、CK和R +30%情景下，箭筈豌豆的PUEDM没有差异。在2017年正常生长季节，在对照条件下，大豆、燕麦和箭筈豌豆的PUEDM值分别为11.75、17.16和8.54 kg ha−1 mm−1（Fig. 4a-c）。在三个生长季中，大豆在所有降雨情景中的PUEDM最高。与R-30%条件相比，CK条件下大豆、燕麦和箭筈豌豆的PUECP值在2018年分别显著降低了26.05%、24.52%和13.76%。与大豆相比，2016年CK条件下燕麦和箭筈豌豆的PUECP值分别低16.09%和35.51%（Fig. 4d-f）。
4 讨论
4.1 降水变化对牧草生产的影响
DM产量是评价牧草生产力的主要指标，3种牧草的干物质产量值存在显著差异，并受年份和降雨量条件的影响。在干旱季节，燕麦的干物质产量显著高于大豆和豌豆，说明燕麦在缺水条件下具有干物质产量优势。3种牧草的干物质产量均随生长季降水量的增加而增加，在正常生长季和湿润生长季燕麦的干物质产量仍最高。因此，就牧草干物质产量而言，燕麦具有较大的优势，应在中国黄土高原的干旱、正常和湿润生长季种植。
CP产量是评价牧草品质的另一个重要指标。燕麦、大豆和箭筈豌豆的干物质产量分别为5526.83、4141.09和2733.30 kg ha−1；粗蛋白质含量分别为9.37%、15.40%和17.57%；粗蛋白质产量分别为508.84、634.36和481.82 kg ha−1。因此，燕麦具有较大的干物质产量优势，但其粗蛋白产量低于大豆。3种牧草的CP产量值差异显著，且受年份和降雨条件的影响。在干旱季节，大豆的CP产量显著高于其他两种作物，说明大豆在干旱季节具有CP产量优势。3种牧草的CP产量均随生长季降水量的增加而增加，大豆在正常生长季和湿润生长季的CP产量仍最高。因此，在牧草CP产量方面，大豆具有更大的CP产量优势，应在中国黄土高原的干旱、正常和湿润生长季种植。
4.2 降水变化对牧草资源利用效率的影响
用水量是评估半干旱地区作物适应性的重要指标。燕麦、大豆和箭筈豌豆的平均水分利用分别为278.73、219.55和246.84 mm。燕麦需要更多的水，因为它们的干物质产量比大豆高，这意味着大豆和箭筈豌豆在收获时可以储存更多的土壤水分。因此，种植大豆和箭筈豌豆更适合于为后续作物生长储存更多土壤水分。
WUEDM和WUECP是评价可利用水资源的两个指标。大豆和燕麦的水分利用效率在干旱季节最高，其它研究也表明在黄土高原燕麦的WUEDM大于箭筈豌豆的WUEDM。因此，在黄土高原干旱季节，大豆和燕麦的水分利用效率具有较大的优势。
降水是牧草生长季中最主要的水源，较高的PUEDM对牧草干物质产量具有一定的优势。干旱、正常和湿润3种降雨条件下，燕麦的PUEDM显著高于2种豆科作物。因此，就PUEDM而言，应选择燕麦进行种植。但在干旱季节，大豆的PUECP显著高于燕麦和箭筈豌豆，表明大豆具有PUECP优势。在正常生长季节和湿润生长季节，大豆的PUECP优势仍大于燕麦和箭筈豌豆。
5 主要结论
本试验结果表明，黄土高原降水变化对3种牧草的产量、水分利用、水分利用效率和降水利用效率均有显著影响。3种牧草的干物质产量、粗蛋白产量、土壤含水量和水分利用率均随降水量的增加而增加，而水分利用效率、水分利用效率、水分利用效率和水分利用效率均随降水量的增加而降低。燕麦、大豆和箭筈豌豆在不同降雨条件下具有不同的优势。在3个生长季中，在R-30%、CK和R+30%降雨条件下，燕麦具有DM产量、WUEDM和PUEDM优势，但牧草品质较低，需水量较大，而大豆具有CP产量、WUECP和PUECP优势，但牧草产量较低。因此，燕麦和大豆是两种可以整合到现有种植系统中的牧草类型。在湿润条件下，应在休闲期将燕麦与休闲-冬小麦和休闲-玉米-冬小麦种植系统结合生产饲料牧草。在干旱和正常气候条件下，应在休闲-冬小麦和休闲-玉米-冬小麦种植系统中种植大豆，以减少土壤水分利用，提高土壤健康和环境可持续性。
Reference:
Lai X F, Shen Y Y, Wang Z K, et al. Impact of precipitation variation on summer forage crop productivity and precipitation use efficiency in a semi-arid environment[J]. European Journal of Agronomy, 2022, 141: 126616.
https://doi.org/10.1016/j.eja.2022.126616
本期分享来自2023级农艺与种业专业硕士研究生曾祥明
