不同干旱處理對科爾沁沙地不同苜蓿品種生產性能的影響

郝培彤， 李玉龍， 寧亞明， 高 秋， 劉 芳， 吉 高， 張尚雄， 王顯國*

(1. 中國農業大學草業科學系， 北京100193； 2. 全國畜牧總站， 北京100125)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.) 是優質的多年生豆科牧草被稱為“牧草之王”，《全國苜蓿產業發展規劃(2016—2020)》提出到2020年，建設優質苜蓿種植基地600萬畝，優質苜蓿總產量達到540萬噸[1]。紫花苜蓿與根瘤菌的共生固氮作用能改善土壤肥力，其根系十分發達具很強的水土保持和防風固沙能力[2]，可有效改善沙地生態環境。近年來，科爾沁沙地的苜蓿種植、加工業取得了快速發展，現已成為我國機械化程度最高、種植面積增長最快、投資力度最大、產業化水平較高的新興苜蓿優勢產區，是全國最大的優質苜蓿草生產基地。截止2017年以阿魯科爾沁旗(阿旗)為主的科爾沁沙地現已建成集中連片紫花苜蓿種植基地107萬畝。阿旗地區機械化、規模化的種植技術發展較成熟，全年可刈割3～4茬，干草產量達700～800 kg·畝-1。已有研究表明，決定阿旗地區紫花苜蓿越冬返青成敗的限制因素為嚴寒和干旱，其中干旱是主要限制因素，嚴寒為次要因子[3-4]。因此選擇抗旱豐產的苜蓿品種已是阿旗地區苜蓿產業所面臨的主要問題。

紫花苜蓿生長期對水分需求較高，不同氣區域、氣候年份、刈割茬次及生長發育階段都會影響紫花苜蓿的需水量[5]，而阿旗地區地處半干旱大陸季風性氣候區，冬春季節風大干燥，常年干旱少雨。生長季刈割前為減輕機械對土壤的碾壓，收獲前4～5 d停止灌溉，刈割后就地晾曬4～5 d再打捆運出草田，整個收獲過程會出現10 d左右的無澆灌期，加上沙土持水能力差使得苜蓿長時間處于干旱失水狀態。普遍認為，紫花苜蓿草產量由3個主要因素決定：單位面積株數、單株莖數和單莖生物量，苜蓿根頸具有分生組織的特性，是產生分枝的主要部位[6]，直接影響著苜蓿的再生性、抗逆性[7-8]、抗病蟲害性[9-10]和生產性能，由于不同紫花苜蓿品種根頸的耐旱程度不同，因此，刈割后恢復灌溉的時間和灌溉量對紫花苜蓿后期的生長速率、生產性能造成影響。趙海明[11]對紫花苜蓿抗旱性鑒定評價方法的研究表明：地上生物量、地下生物量、株高、根長、分枝數和根冠比均與平均抗旱系數、平均抗旱指數呈極顯著相關性，均適宜作為苜蓿抗旱性鑒定指標，其中地上生物量、株高相關系數較高。因此，本文采用株高和地上生物量作為不同苜蓿品種抗旱能力的評價指標。

適宜的灌溉模式不僅可以促進植物生長增加干物質產量還能提高水分利用效率節約水資源[12]。目前，對于刈割作業之后的不同干旱處理對苜蓿生產性能方面的影響未見報道。田間試驗由于不可控因素多，易受氣候、風速、溫度等因素的影響，基于此采取室內模擬生長季研究刈割后維持不同程度干旱2周再恢復灌溉對苜蓿產量、再生性的影響，探究刈割后不同品種苜蓿的抗旱能力，為指導田間制定適宜的灌溉模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2017年5月13日在內蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗(以下簡稱阿旗)試驗地采集返青后株高、根頸大小相對一致的‘WL298’(秋眠級 3.2)、‘騎士T’(秋眠級 3.9)、‘巨能4015’(秋眠級 4)植株并帶回中國農業大學農學院溫室進行盆栽緩苗，種植土為阿旗當地沙土，每盆移栽5株(花盆上口徑16 cm，下口徑9.5 cm，高23 cm)，每處理5次重復，溫室溫度維持在25～30℃。

1.2 試驗設計

將采集的‘WL298’、‘騎士T’、‘巨能4015’植株溫室盆栽并緩苗20天后剪至3 cm，第一茬正常澆水(田間持水量的75%～80%)、除草，一周澆一次Hogland營養液，4周后進行刈割處理，留茬3 cm。

第二茬處理：刈割之后開始干旱處理，利用稱重法控制土壤干旱程度，當土壤含水量降至試驗要求時每天稱重補水，繼續維持相應干旱處理條件2周，之后恢復正常澆水，恢復正常澆水后每7天測一次株高，4周后進行第二茬測產，留茬3 cm。干旱處理分別為：輕度干旱(W1：田間持水量55%～60%)，中度干旱(W2：田間持水量35%～40%)，重度干旱(W3：田間持水量15%～20%)，CK為正常澆水(田間持水量的75%～80%)。

第三茬處理：同第二茬。

1.3 指標測定

株高：用卷尺測量基部到植株最高部位的自然高度。

地上生物量：剪取地上部分(留茬3 cm)稱量鮮重，105℃下殺青15 min后，65℃烘干24 h測得地上部干重。

1.4 數據處理與分析

試驗數據用SPSS 19.0統計軟件整理并進行分析，采用兩因素方差分析和One-way ANOVA進行方差分析，用DUNCAN法多重比較，并用EXCEL 2013制作圖表。

2 結果與分析

2.1 不同品種第二茬株高及產量

由圖1可知，‘WL298’品種材料刈割后不同水分條件干旱2周并恢復正常灌水后生長速度整體表現為先快速增長后緩慢增長。在田間持水量15%～20%的干旱處理條件下，前兩周株高顯著低于其余處理(P<0.05)，第四周生長速度最快增速達26.9%。而對于‘騎士T’品種而言，對照(田間持水量的75%～80%)條件下‘騎士T’第一周的株高為三個品種中最大值為21.21 cm，第四周株高在供試的三個品種中最高達34.96 cm。第一周株高結果顯示，對照(田間持水量的75%～80%)條件下株高顯著高于其他處理(P<0.05)，但在各個不同的干旱處理之間株高的差異不顯著。‘騎士T’品種在田間持水量55%～60%和田間持水量35%～40%的干旱處理條件下生長速度都表現為先增加后減小的趨勢。‘巨能4015’品種在第一周時，在田間持水量55%～60%和田間持水量35%～40%的干旱處理條件下，兩者之間差異不顯著，第二周之后，田間持水量35%～40%的干旱處理的生長動態幾乎與田間持水量55%～60%的干旱處理的生長動態一致。‘巨能4015’田間持水量15%～20%的干旱處理條件下第一周株高最高為13.26 cm，但田間持水量15%～20%的干旱處理條件下其生長速度較慢平均增長率為14.3%。

圖1 不同水分下各品種第二茬株高動態Fig.1 The dynamics of plant height under differentmoisture onditions of different varieties in the second cutting注：不同小寫字母表示同一時間不同干旱處理之間差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示同一干旱處理條件下不同時間之間差異顯著P<0.05Note:Different lower case letters within the same time mean significant difference among different water content at 0.05 level；Different capital letters within the same water content mean significant difference among different times at 0.05 level

由圖2可知，除田間持水量35%～40%的干旱處理外，其余各處理梯度下鮮重均表現為‘騎士T’>‘WL298’>‘巨能4015’，‘巨能4015’受水分影響最嚴重，恢復速度最慢。在對照(田間持水量的75%～80%)和田間持水量55%～60%的干旱處理條件下，‘騎士T’、‘WL298’的鮮重較高，而‘巨能4015’的鮮重較低。‘騎士T’在田間持水量35%～40%和田間持水量15%～20%的干旱處理條件下鮮重顯著降低。‘巨能4015’在田間持水量35%～40%的干旱處理條件下其鮮重顯著低于對照(田間持水量的75%～80%)(P< 0.05)。由圖2可知，除對照(田間持水量的75%～80%)外，其余各干旱處理條件下，樣品的干重均表現為‘WL298’最大，‘騎士T’次之，‘巨能4015’最少。對照(田間持水量的75%～80%)處理條件下，‘騎士T’、‘WL298’材料的干重較高，‘巨能4015’材料的干重最低，但三者之間差異不顯著，在田間持水量35%～40%的干旱處理條件下，‘巨能4015’材料的干重顯著低于其他兩個品種(P< 0.05)。

圖2 不同水分處理對各品種第二茬鮮重、干重的影響Fig.2 The effects of fresh weight and dry weight underdifferent moisture treatments in the second cutting注：不同小寫字母表示同一材料不同干旱處理條件之間差異顯著(P< 0.05);不同大寫字母表示同一干旱處理條件不同材料之間差異顯著(P<0.05)Note:Different lower case letters within the same same material mean significant difference among different water content at 0.05 level;Different capital letters within the same water content mean significant difference among different materials at 0.05 level

2.2 不同品種第三茬株高及產量

由圖3可知，‘WL298’品種材料在刈割后進行不同干旱處理2周，恢復灌水后，第三茬的生長整體表現為先快速增長后緩慢增長的趨勢，且不同干旱處理條件下，第三周、第四周的株高差異均不顯著。‘騎士T’品種材料恢復灌水后，第一周各干旱處理植株的株高顯著低于對照(田間持水量的75%～80%)處理(P< 0.05)。在整個生長過程中，‘騎士T’品種在田間持水量的55%～60%的干旱處理和田間持水量的35%～40%的干旱處理之間沒有顯著性差異，在田間持水量的15%～20%的干旱處理條件下，‘騎士T’的生長速率表現為逐步加快，到了第四周，各干旱處理間的株高沒有顯著性差異。‘巨能4015’品種材料各干旱處理材料第一周的株高顯著的低于對照(田間持水量的75%～80%)材料(P< 0.05)，但到了第二周、第三周，田間持水量的35%～40%干旱處理和田間持水量的15%～20%干旱處理的株高顯著低于田間持水量的55%～60%干旱處理和對照(田間持水量的75%～80%)處理(P< 0.05)，到了第四周各個處理間的株高不存在顯著性差異。

圖3 不同水分下各品種第三茬株高動態Fig.3 The dynamics of plant height under differentmoisture conditions of different varieties in the third cutting注：不同小寫字母表示同一時間不同干旱處理之間差異顯著P<0.05；不同大寫字母表示同一干旱處理條件下不同時間之間差異顯著P<0.05Note:Different lower case letters within the same time mean significant difference among different water content at 0.05 level；Different capital letters within the same water content mean significant difference among different times at 0.05 level

由圖4可知，除對照(田間持水量的75%～80%)處理外，各干旱處理條件下鮮重均表現為‘WL298’最高。對于‘騎士T’材料而言，各干旱處理的鮮重顯著的低于對照(田間持水量的75%～80%)處理(P< 0.05)。在對照(田間持水量的75%～80%)和田間持水量的55%～60%的干旱處理條件下，‘巨能4015’的鮮重為三個品種中最低的。‘巨能4015’和‘騎士T’的鮮重在田間持水量的55%～60%干旱處理時就顯著的低于對照(田間持水量的75%～80%)處理(P<0.05)。再對照處理中，‘巨能4015’和‘騎士T’的鮮重產量構成顯著性差異(P<0.05)。而通過各個材料的干重可以看出，除對照(田間持水量的75%～80%)處理外，各干旱處理條件下材料的干重均表現為‘WL298’最高，‘騎士T’次之而‘巨能4015’最低。田間持水量的55%～60%的干旱處理條件下，‘巨能4015’材料的干重顯著低于‘WL298’材料(P<0.05)。在田間持水量35%～40%的干旱處理條件下，‘騎士T’、‘巨能4015’的干重低于‘WL298’，但三者之間差異不顯著。干旱處理降低‘巨能4015’的植株干重，且干旱處理越嚴重，材料的干物質含量越低。

圖4 不同水分處理對各品種第三茬鮮重、干重的影響Fig.4 The effects of fresh weight and dry weightunder different moisture treatments in the third cutting注：不同小寫字母表示同一材料不同干旱處理條件之間差異顯著P<0.05;不同大寫字母表示同一干旱處理條件不同材料之間差異顯著P<0.05Note:Different lower case letters within the same same material mean significant difference among different water content at 0.05 level;Different capital letters within the same water content mean significant difference among different materials at 0.05 level

3 討論

水分是植物生長過程必不可少的環境生態因子之一，水分通過影響土壤物理結構、緊實度、透氣性、滲透壓、微生物群落組成等間接影響植物的光合作用及呼吸作用[13]。植物的抗旱性是指植物在干旱條件下的生存能力，作物的抗旱性不僅包括在土壤干旱或大氣干燥條件下的生存能力，還包括作物產量穩定在一定水平的能力。不同種類作物對干旱或水分虧缺表現出不同的抗性，同一作物的不同品種也變現不同的抗旱性[14-15]。植物生長量是表征干旱脅迫條件下植物生理反應的敏感指標之一[16]，根據產量表現來判定苜蓿品種的抗旱性是篩選當地適宜品種的經典方法，所得結果在生產實踐中真實可靠[17-20]。李躍[21]對不同紫花苜蓿品種幼苗生長對水分脅迫的響應研究結果表明紫花苜蓿莖、葉的干重對水分脅迫的響應依品種和脅迫程度的不同而不同。郭書嫄[22]在苜蓿的分枝期及開花期進行干旱脅迫，其結果表明干旱脅迫降低了紫花苜蓿葉片的生物量，但在一定范圍內，抗旱性強的金皇后擁有更高的地上生物量，分枝期干旱脅迫地上生物量降幅大于開花期。本研究結果表明，在苜蓿生長季刈割后，進行干旱處理，不同苜蓿品種對水分脅迫的響應也各不相同。三個供試品種的影響大體都表現為隨水分供應的恢復逐漸恢復生長。‘WL298’在輕度干旱(田間持水量55%～60%)下具有明顯的生長優勢，而當土壤含水量低于40%時‘WL298’生長受到的抑制作用較明顯；在重度干旱(田間持水量15%～20%)的處理條件下，后期‘WL298’生長速度不斷加快，株高增長率也為四個干旱梯度下最大值，可能是干旱脅迫解除后‘WL298’開始快速生長，即‘WL298’的抗旱能力較強。‘騎士T’對水分變化敏感，即使輕度干旱也會影響其再生性能。在重度干旱(田間持水量15%～20%)的處理條件下，恢復正常供水后‘騎士T’也沒有恢復生長，說明干旱脅迫對苜蓿的抑制太大以至于干旱脅迫解除后也無法恢復其生長性能，說明田間管理時應在刈割后及時進行灌溉。這與阿旗田間試驗結果表明輕微的干旱會顯著抑制‘騎士T’的生長結果相一致。即使輕微干旱也會顯著抑制‘巨能4015’的生長。各干旱條件下‘巨能4015’第一周的株高在供試品種中均表現良好，在田間持水量15%～20%的干旱處理條件下，其整體生長速度均表現緩慢，說明干旱處理對‘巨能4015’苜蓿的再生性造成一定的影響，所以恢復灌溉后也難以快速恢復。

刈割后持續2周不同程度干旱后復水對供試品種第二茬產量的鮮重、干重影響結果說明‘騎士T’對干旱的忍耐程度較強且恢復正常供水后能快速生長，雖然‘騎士T’株高并不是表現最好的，但‘騎士T’能積累更多的營養物質，增加產量及干物質的含量，田間種植‘騎士T’刈割后及時灌溉可以加快干物質的積累。綜上，刈割后越早澆水苜蓿產量越好，當土壤田持降至55%以下顯著減少各品種干、鮮重，即使恢復正常供水各品種的恢復程度也都較差。

由于采取室內試驗，且第三茬試驗期間由于溫室開啟補光的原因，造成第三茬各供試品種在株高、鮮重、干重上都顯著高于第二茬，說明生產期間前茬刈割后恢復灌溉時間的早晚與后茬的產量及生長性狀在一定程度上相關性不大，后茬加強田間管理可一定程度的補償前茬帶來的損失。

4 結論

不同干旱處理對不同品種苜蓿再生性能的影響不同，‘WL298’苜蓿的再生性能最強，即使在重度干旱(田間持水量15%～20%)的處理條件下，后期‘WL298’生長速度不斷加快，株高增長率也為四個干旱梯度下最大值，可能是干旱脅迫解除后‘WL298’開始快速生長，只有在當田間持水量15%～20%的干旱處理條件下，其干物質含量才顯著的低于對照處理，最多比對照降低了53.5%，說明‘WL298’苜蓿的抗旱能力較強。‘騎士T’對水分變化最為敏感，水分充足時‘騎士T’表現出最佳的生長及再生能力，相同條件下‘騎士T’能積累更多干物質，但進行干旱處理后，其干物質含量均顯著的低于對照處理，降低值最高達57.8%。