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石鹏飞, 杨东玉, 郑媛媛, 梁鸣媛, 党静, 王贵彦. 华北平原粮饲复合种植模式. 草业科学, 2015,32(12):2107-2113
SHI Peng-fei, YANG Dong-yu, ZHENG Yuan-yuan, LIANG Ming-yuan, DANG Jing, WANG Gui-yan. Study on compound cropping systems of food and forage in North China Plain. Pratacultural Science,2015,32(12): 2107-2113  
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华北平原粮饲复合种植模式
石鹏飞, 杨东玉, 郑媛媛, 梁鸣媛, 党静, 王贵彦
河北农业大学农学院,河北 保定 071001
通讯作者:王贵彦(1971-),女,河北行唐人,教授,博士,研究方向为循环农业和集约持续农作制度。E-mail:guiyanwang@sina.com

第一作者:石鹏飞(1989-),男,陕西榆林人,在读硕士生,研究方向为集约持续农作制度。E-mail:390933472@qq.com

收稿日期: 2015-06-23
基金: 国家科技支撑计划循环农业科技工程项目(2012BAD14B07-06-02); 河北省教育厅项目(Z2010270)
摘要

构建生产饲料为主、满足养殖业需求的高效种植制度,可以加速种养生产高效耦合,从而解决华北平原种养一体规模化农业园区中优质粗饲料不足和农田种植模式单一等问题。本研究采用田间试验和实验室测定的方法,构建不同粮饲复合种植模式,并比较其生产效果、光能利用效率、中性洗涤纤维(NDF)、酸性洗涤纤维(ADF)、粗蛋白(CP)、粗纤维(CF)营养产量及总能量(GE)产量和净能(NE)产量。结果表明,春玉米( Zea mays) -夏玉米与传统冬小麦( Triticum aestivum)-夏玉米(CK)相比,全年干物质产量增加了5.95%,光能生产效率、温度生产效率和年总辐射利用率分别提高了52.00%、49.55%和56.25%。高丹草( Sorghum vulgare×S. sudanense) -黑麦草( Lolium multiflorum)、春玉米 -黑麦草和春玉米‖苜蓿( Medicago sativa)具有较高干物质产量、营养产量及能量产量,而且光能利用效率也较高。高丹草-黑麦草的CP产量比春玉米-黑麦草、春玉米‖苜蓿和春玉米-夏玉米分别高65.92%、80.65%和132.03%;高丹草-黑麦草的NE产量比CK高21.63%,比春玉米-夏玉米和春玉米-黑麦草分别高21.50%和24.08%。综合分析得出,春玉米-夏玉米、高丹草-黑麦草、春玉米-黑麦草和春玉米‖苜蓿模式可作为传统冬小麦-夏玉米种植制度的重要补充,是适合华北平原种养一体规模化农业发展的高效种植制度。

关键词: 华北平原; 粮饲复合种植; 生产效果; 光能利用效率; 营养和能量产量
中图分类号:S816 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2015)12-2107-07 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0241
Study on compound cropping systems of food and forage in North China Plain
SHI Peng-fei, YANG Dong-yu, ZHENG Yuan-yuan, LIANG Ming-yuan, DANG Jing, WANG Gui-yan
College of Agronomy, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China
Corresponding author: WANG Gui-yan E-mail:guiyanwang@sina.com
Abstract

The shortage of high quality roughage has become the limited factors in the large-scale mixed farm in North China Plain. The present study constructed the compound cropping systems which adapt to the demands of the livestock and improve the productivity of the mixed farm, and also can provide the scientific basic for cropping structure adjustment. According to the practice, seven compound cropping systems were built with food and forage crops. Combined field experiment and laboratory measurement, the production effect, the light energy use efficiency and the yields of neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF), crude protein (CP), crude fiber (CF), general energy (GE), net energy (NE) of these seven systems were compared. Compared with the compound cropping system of winter wheat-summer maize (CK), the yields of dry matter production of the compound cropping system of spring maize-summer maize increased 5.95%, the light energy use efficiency, temperature efficiency and the radiation use efficiency of whole year in this system increased 52.00%, 49.55%, 56.25%, respectively. The nutrient and energy yields of the compound cropping system of sorghum sudangrass-ryegrass were the highest, and also had the higher light use efficiency. Compared with the systems of spring maize-ryegrass, spring maize intercropping alfalfa and spring maize-summer maize, the yield of CP of the compound cropping system of sorghum sudangrass-ryegrass increased 65.92%, 80.65% and 132.03%, respectively. The yield of NE of the compound cropping system of sorghum sudangrass-ryegrass increased 21.63% compared with CK, and increased 21.50% and 24.08%, compared with the systems of spring maize-summer maize and spring maize-ryegrass. The cropping systems of spring maize-summer maize, sorghum sudangrass-ryegrass, spring maize-ryegrass and spring maize intercropping alfalfa were the important supplement cropping systems of winter wheat-summer maize, and also adapted to the development of the mixed farm in North China Plain, with high-yielding and high light use efficiency cropping systems.

Keyword: North China Plain; compound cropping systems of food and forage; production effect; light use efficiency; nutrient and energy yield

近年来华北平原农区畜牧业发展迅速, 2013年该区畜牧业产值占农业总产值的32.78%[1], 由此可见, 该区畜牧业在全国畜牧业的地位重要。随着种植和养殖规模的不断扩大, 种养一体规模化、集约化将成为发展趋势, 而作物种植模式单一、优质粗饲料不足等问题日趋明显, 这已成为农区畜牧业发展的主要制约因素[2, 3]。目前, 华北平原主要种植制度为小麦(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)一年两熟, 虽然可以为牛、羊等以粗饲料为主的反刍动物提供充足的玉米秸秆资源, 但由于玉米秸秆适口性较差, 粗蛋白含量低, 可消化性差[4, 5], 与养殖对粗饲料营养需求不匹配[6], 从而导致种植和养殖相互脱节, 未形成良性的耦合态势。因此, 调整作物种植结构, 将饲料作物纳入种植制度中[7], 大力发展营养体产业[8], 对解决农区畜牧业粗饲料来源十分必要。尤其是针对种养一体规模化、集约化农业园区发展趋势, 构建粮饲复合种植模式, 生产优质饲料作物, 促进种植和养殖系统之间物质和能量利用高效、合理[9], 对华北平原农牧结合可持续发展具有重要意义。近年来, 大量研究表明, 苜蓿(Medicago sativa)、饲用玉米和黑麦草(Lolium multiflorum)具有较高的饲料营养价值, 是反刍动物理想的粗饲料[10-16]。除此之外, 在受热量限制的两熟地区, 双季青贮玉米模式、冬牧70黑麦(Secale cereale)-青饲玉米-青饲玉米模式、冬牧70黑麦-高丹草(Sorghum vulgare× S. sudanense)模式与传统冬小麦-夏玉米相比, 全年干物质生产量、光能利用率、营养与能量产量和饲料价值具有明显的提高[17, 18]。本研究针对华北平原种养一体规模化农业园区中农田种植模式单一, 且主要以玉米秸秆作为粗饲料来源和缺乏高蛋白饲料作物的关键性问题, 构建粮饲复合种植模式, 生产高产和高营养价值的饲料作物, 以期为养殖发展提供充足和高质量饲料, 促进农牧系统耦合, 为华北平原农牧结合中种植结构调整提供科学依据, 从而为农业系统整体发展提供动力基础。

1 材料与方法
1.1 研究区概况

试验于2013年在河北津龙公司循环农业园区进行。河北津龙公司是集种植、养殖、沼气发电、饲料加工等多项产业于一体的国家级农业园区, 是华北平原典型的循环农业模式。目前园区可利用耕地面积1 000 hm2, 主要种植小麦-玉米两熟和高丹草、苜蓿等牧草, 牧草种植面积较少, 为30 hm2; 养殖主要为奶牛、肉牛和生猪饲养, 其中奶牛存栏1 300头, 肉牛3 000头, 年出栏生猪6万头。该公司地处河北省景县, 属华北平原黑龙港中部, 海河低平原区。该地区年均降水量544 mm, 年平均气温13.1 ℃, 无霜期191 d。试验地土壤为潮褐土, 土壤养分状况(0-20 cm):pH值7.8, 有机质10.25 g· kg-1, 全氮0.72 g· kg-1, 碱解氮64.56 mg· kg-1, 速效磷14.52 mg· kg-1, 速效钾123.85 mg· kg-1。

1.2 试验材料与方法

根据园区养殖需求, 选择生产效果较好的粮食作物、牧草种类和品种构建了7个复合种植模式。模式1为冬小麦-夏玉米(CK):冬小麦10月6日播种, 6月15日收获, 品种为石新828; 夏玉米于6月16日播种, 10月5日收获, 品种为先玉335。

模式2为春玉米-夏玉米:春玉米于3月20日覆膜播种, 播种方式为宽窄行, 7月15日收获; 夏玉米于7月16日播种, 10月20日收获, 品种都是先玉335。

模式3为春玉米‖ 苜蓿:春玉米和苜蓿均于5月10日播种, 株行距配置为两行玉米、5行苜蓿, 玉米行距60 cm, 株距20 cm, 苜蓿行距20 cm, 株距15 cm。春玉米品种为饲用玉米BMS002, 苜蓿品种为中苜1号。

模式4为春玉米‖ 大豆:春玉米和大豆均于5月10日播种, 株行距配置为两行玉米、4行大豆, 玉米行距60 cm, 株距20 cm, 大豆行距40 cm, 株距15 cm。春玉米品种为饲用玉米BMS002, 大豆品种为冀花4号。

模式5为春玉米‖ 花生:春玉米和花生均于5月10日播种, 株行距配置为两行玉米、4行花生, 玉米行距60 cm, 株距20 cm, 花生行距30 cm, 株距15 cm。春玉米品种为饲用玉米BMS002, 花生品种为中黄13。

模式6为春玉米-黑麦草:春玉米于5月10日播种, 9月20日收获, 品种为饲用玉米BMS002; 黑麦草于9月25日播种, 5月5日收获, 品种为邦德。

模式7为高丹草-黑麦草:高丹草于5月10日播种, 9月20日收获, 品种为冀花2号; 黑麦草于9月25日播种, 5月5日收获, 品种为邦德。

各处理随机区组排列, 3次重复, 小区面积200 m2。田间管理同常规高产田。

1.3 田间取样和分析方法

玉米、小麦、饲用玉米、花生和大豆在成熟期收获并测产, 测产方法同常规大田。苜蓿在开花期测定鲜重并收获, 高丹草在抽穗初期刈割, 刈割两次。黑麦草在开花期收获。刈割时选取1 m2齐地面刈割, 取样时避免边行, 取样后立即称取总鲜重, 然后从中取出部分称其鲜重, 放入烘箱内105 ℃杀青30 min, 然后80 ℃烘干至恒重, 称重后粉碎, 过0.425 mm筛以备分析。

采用杨胜[19]的分析方法, 测定各作物的干物质(DM)、粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、粗灰分(ASH)、粗纤维(CF)。酸性洗涤纤维(ADF)和中性洗涤纤维(NDF)采用范氏(Van Soest)[20]洗涤法进行测定, 并按照标准方法计算各作物的无氮浸出物(NFE)[21]。

1.4 计算方法

1.4.1 物质、能量生产与生态因素资源效率的计算

干物质生产能量[22]=干物质产量/单位面积× 干重热值[其中, 干重热值(GCV)是指每千克干物质完全燃烧所释放的能量(J· g-1)];

光能生产效率=干物质产量/单位面积的太阳辐射× 100%;

年总辐射效率[23]=干物质产能/单位面积的太阳辐射× 100%;

温度生产效率[24]=单位面积干物质生产量/生育期间有效积温× 100%.

1.4.2 粗饲料能量计算

总能量GE(MJ· kg-1) [17]=(CP× 5.7+EE× 9.4+ADF× 4.2+NFE× 4.2)/100× 4.184;

净能NEL(MJ· kg-1) [25]=[1.044-0.011 9× ADF(%DM)]/0.45× 4.184。

1.5 数据统计分析

所有试验数据用Excel 2003进行整理, 采用SPSS 21.0的单因素方差分析(Duncan’ s法多重比较)对不同粮饲复合种植模式的全株干物质产量、干物质生产能量及不同作物秸秆的常规营养成分进行差异显著性分析。

2 结果与分析
2.1 不同粮饲复合种植模式的生产效果

2.1.1 干物质产量和生产能量分析 模式2籽粒干物质产量最高, 比CK高3.29%。而秸秆产量以模式7最高, 比CK增产33.05%, 比模式2、6和3分别高23.30%、35.87%和61.64%(表1)。从全株干物质产量看, 模式2最高, 比CK增产5.95%, 显著高于其他模式(P< 0.05)。3种间作模式中, 模式3具有较高的秸秆干物质产量和全株干物质产量, 其全株干物质产量与模式4差异显著(P< 0.05), 与模式5差异不显著(P> 0.05)。热值是评价植物太阳能累积和化学能转化效率高低的重要指标[23]。从周年物质生产能量看, 能量生产和干物质生产趋势一致。模式2能量生产具有明显优势, 与其他6种模式差异均显著(P< 0.05), 比传统小麦-玉米高8.13%, 比模式7、6、3分别高25.69%、38.06%和68.58%, 说明双季玉米模式提高了对光能的转化和利用。

表1 不同粮饲复合种植模式周年干物质产量和生产能量 Table 1 The dry matter production and the energy of dry matter production of different compound cropping systems of food and forage

2.1.2 不同作物秸秆常规营养成分分析 小麦和玉米的NDF含量显著高于除高丹草外的其他作物(P< 0.05), 高丹草、黑麦草的NDF含量显著高于饲用玉米和花生, 苜蓿与黑麦草、饲用玉米差异不显著(P> 0.05), 而显著低于高丹草(P< 0.05); 大豆的ADF含量最高, 显著高于苜蓿、高丹草、黑麦草、饲用玉米、花生和小麦, 苜蓿显著高于黑麦草、高丹草、饲用玉米花生和小麦, 而高丹草与黑麦草之间差异不显著, 花生和小麦差异之间不显著; 苜蓿、高丹草的CP含量显著高于其他作物, 苜蓿的CP含量与高丹草差异不显著; 大豆和苜蓿的CF含量显著高于其他作物, 而高丹草、黑麦草和小麦之间差异不显著(表2)。

表2 不同作物秸秆常规营养成分含量 Table 2 The conventional nutrient content of different crop straws %DM

2.1.3 不同粮饲复合种植模式的营养产量和能量产量比较 7种不同种植模式的营养产量和能量产量差异较大(表3)。模式7的NDF、ADF、CF营养产量均最高, 其次是模式2、模式1、模式6和模式3, 模式7的CP产量也最高, 为3 196.95 kg· hm-2, 分别是模式1(CK)和模式2的3.17倍和2.32倍, 比模式6和3分别高65.92%和80.65%; 3种间作模式中, 模式3的NDF、ADF、CP、CF营养产量最高。

表3 不同粮饲复合种植模式的营养和能量产量 Table 3 The nutrient and energy yield of different compound cropping systems of food and forage

模式7的总能量(GE)和净能(NE)产量也最高, 其中GE产量比CK高33.56%, 比模式2、6、3分别高16.06%、34.98%和64.37%; NE产量为157 216.63 MJ· hm-2, 比CK高21.63%, 比模式2、6、3分别高21.50%、24.08%和58.41%。3种间作模式中, 模式3的GE和NE产量均高于其他两种模式。

2.2 不同粮饲复合种植模式光能利用效率分析

模式2的周年光能生产效率、周年温度生产效率和年总辐射利用率都最高, 其中周年光能生产效率比CK高52.00%, 比模式3、6和7分别高32.55%、54.05%和56.16%; 周年温度生产效率比CK高49.55%, 比模式6、7和3分别高58.23%、60.77%和91.32%; 年总辐射利用率比CK高56.25%, 比模式3、7和6分别高28.68%、42.28%和56.25%(表4)。3种间作模式中模式5的光能、温度生产效率和总辐射利用效率均高于模式6和7, 而模式6和7的光能生产效率和温度生产效率差别不大。

表4 不同粮饲复合种植模式光能生产效率、温度生产效率和总辐射利用率 Table 4 The light energy production efficiency, temperature production efficiency and light energy efficiency of whole year of different compound cropping systems of food and forage
3 讨论

在农业生态系统运行中, 养殖业能够加速能流传递、物流周转并提高资金流的量级和周转, 实现资源的高效利用[26]。发达国家经验表明, 畜牧业的迅速发展是以挖掘优质牧草和其他青绿饲料潜力来突出发展草食家畜生产为前提的, 欧美发达国家畜产品的60%以上是由优质饲草转化而来的[27]。

春玉米-夏玉米种植模式与传统的冬小麦-夏玉米模式相比, 干物质产量、总辐射利用效率、光能和温度生产效率具有明显优势, 同时又能提供较高的营养产量和能量产量, 可为养殖业提供更多精饲料和粗饲料, 是适应种养一体规模化农业园区的种植模式。在生产中, 还可以根据当地气候特点, 选择早春季或晚夏季作全株青贮饲料, 青贮玉米收获时茎叶保持青绿, 纤维素和木质素含量低, 而且青贮发酵后, 产生大量的芳香有机酸, 使茎秆软化, 易于消化, 适口性好[28]。选用全株青贮玉米饲喂奶牛, 可节约精饲料成本30%, 奶牛的产量增加25%, 同时可有效地改善牛奶的品质[29]。

粮饲间作模式不仅能够充分利用光热资源, 而且还能为畜牧业提供更多优质粗饲料。苜蓿‖ 玉米间作系统提高了单位面积营养物质产量和营养物质瘤胃降解率, 具有比玉米或苜蓿单作系统更高的饲料生产潜力[12]。玉米秸秆是我国主要的秸秆资源, 瘤胃微生物可以利用秸秆中一定量的中性洗涤纤维(NDF)经发酵产生挥发性脂肪酸(VFA), 产生的VFA是反刍动物主要的能量来源[30], 并且使用玉米秸秆饲喂肉牛, 可以显著降低牛肉当中胆固醇含量[31]。春玉米和高丹草一熟收获后会出现大量的冬闲田, 而复种一年生黑麦草可充分利用冬闲期内的光温和土地资源, 来年5月初开花期收获, 可以补充草食家畜早春青饲料供应, 在一定程度上缓解早春粗饲料不足的问题。利用冬闲田种植饲料作物, 发展营养体产业, 实行粮草轮作既充分利用冬季光热资源, 又解决了冬季青饲料不足, 从而促进了农牧业的高效耦合[8]。此外, 种植黑麦草还可以起到增加土壤有机质、改善土壤结构和提高土壤肥力的作用[32]。

“ 家庭农场” 作为引领适度规模经营、发展现代农业的新型农业经营主体, 种养结合家庭农场在增收、增效、减氮(化肥氮)等方面效果明显[33]。种养一体规模化、集约化是今后我国农业发展的必然趋势。种植和养殖的“ 系统耦合” , 实现物质流的多样化和良性循环[34], 环境负荷小, 资源利用效率高, 可持续发展潜力提高, 生态经济效益突出[35]。另外, 随着农区畜牧业的发展, “ 草地农业” 应逐步纳入以收获籽实为主的传统种植模式中, 增加农牧产品的多重效率, 促进农牧业的可持续发展[36]。因此, 种养一体规模化循环农业园区作为华北平原典型的农牧结合模式, 构建合理的、满足猪牛等养殖需求的粮饲复合种植模式可为种养结合家庭农场种植结构调整提供科学依据。

4 结论

在7种粮饲复合种植模式中, 春玉米-夏玉米的干物质产量和光能利用效率最高, 与传统冬小麦-夏玉米(CK)相比, 全年干物质产量增加了5.95%, 光能生产效率、温度生产效率和年总辐射利用率分别提高52.00%、49.55%和56.25%。高丹草-黑麦草、春玉米-黑麦草和春玉米‖ 苜蓿模式具有较高的干物质产量、营养产量及能量产量, 而且光能利用效率也较高。综合分析得出, 春玉米-夏玉米、高丹草-黑麦草、春玉米-黑麦草和春玉米‖ 苜蓿模式可作为传统冬小麦-夏玉米种植制度的重要补充, 是适应华北平原种养一体规模化农业发展的高效种植制度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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