紫云英莢果成熟度對落莢及種子產量的影響

劉春增, 李本銀, 張 夢*, 呂玉虎, 潘滋亮, 郭曉彥, 曹衛東

(1. 河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所，河南 鄭州 450002; 2. 信陽市農業科學院，河南 信陽 464000; 3. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

紫云英(AstragalussinicusL.)，又名蓮花草、紅花草子、翹搖等，是豆科黃耆屬2年生草本植物，主要用作冬季綠肥和畜禽飼料，也是我國長江中下游及南方省區重要的優質蜜源植物[1-3]。紫云英具有較強的固氮能力，通過翻壓還田不僅可增加稻田土壤有機質，改善土壤理化和生物學性狀，提高水稻產量，同時也可有效減少化肥氮的施用和氮素流失[4-6]。紫云英鮮草產量可達15～30 t·hm-2，莖葉柔嫩，營養豐富，現蕾期干物質粗蛋白含量28.1%，粗脂肪含量3.8%，粗纖維含量11.7%，可作青飼、干草、干草粉或青貯料[3,7]。近年來，紫云英推廣種植面積逐年增大，種子的需求量大幅增加。

紫云英種子產量不僅受氣候環境[8]、播種時期和播量[9-10]、施肥及養分管理[11-12]、種質性狀特征[13-14]等因素影響，收獲前后種子的損失也對其產量有重要影響。對于大多數豆科綠肥作物，隨莢果成熟度增高會表現出不同程度的落粒落莢現象。目前認為豆科作物的落花落莢現象既是自身生理調控的表現，同時也是一種對有限光溫水資源的適應機制[15-16]。崔洪秋等[17]通過對大豆植株留莢和脫落莢莢皮的生理狀況以及外源配施生長調節劑進行研究，發現膜過氧化作用強度、保護酶系統平衡狀況、脫落酶活性均影響大豆莢果脫落。蔣利等[18]研究發現，套作玉米顯著降低大豆落莢量和落莢率，認為群落結構的改變，對大豆株型和生長條件產生了影響，從而協調了花莢的養分競爭。據統計，紫云英花莢脫落率可達50%以上，而成熟過程中莢果脫落率可達3%～25%[8,19]。我國紫云英留種地普遍采取提前采收的方式避免種子產量損失，如廣東、湖南在莢果80%成熟時開始采收[20-21]，浙江和河南則推薦75%成熟時采收[19,22]，福建為60%～80%成熟[23-25]，說明紫云英莢果成熟度與落莢損失存在內在聯系。

目前對于綠肥作物種子生產研究較少，尤其是豆科綠肥作物莢果成熟度對落莢發生及其對種子產量的影響尚不明確，脫落莢果與留枝莢果是否在成熟度和種子質量上存在差異尚不清楚，造成收獲時期選擇的理論和數據支撐不足。因此，本文選擇我國紫云英種子重要生產基地河南省信陽地區，通過設定莢果成熟度等級，研究不同時期紫云英莢果成熟特征與落莢發生規律，明確莢果成熟對落莢和種子產量和品質的影響，以期為紫云英種子生產提供理論及技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗區位于信陽市羅山縣周黨鎮桂店村(31°52′ N，114°31′ E，海拔78 m)，屬亞熱帶向暖溫帶過度區，日照充足，年均日照1 900～2 000 h；年平均氣溫15℃，降雨量1 060 mm左右。供試土壤為水稻土，土壤pH值6.7，有機質25.8 g·kg-1，堿解氮84.3 mg·kg-1，有效磷16.8 mg·kg-1，速效鉀79.1 mg·kg-1。常年實行紫云英—水稻兩季輪作制度，9月中下旬播種紫云英，4月下旬至五月上旬紫云英翻壓還田，5月下旬至6月初水稻插秧，9月中旬水稻收獲。

試驗期間日最高氣溫20～33℃，平均26.3℃，較之于近5年同期平均值(25.2℃)升高1.1℃；最低氣溫11～20℃，平均為15.6℃，較之于近5年同期平均值(16.0℃)降低0.4℃。盛花期后試驗區以晴天(天數比例40.6%)和多云/陰天(37.8%)為主，最高風力達3～4級(天數比例41.7%)，其余時間則以無風或微風為主(30.6%)。紫云英生長期間，試驗田未出現澇害和漬害現象。相關氣象數據由信陽市羅山縣氣象局提供(圖1)。

圖1 試驗區天氣狀況Fig.1 Weather condition of the experimental site

1.2 試驗設計

試驗在地勢平坦、灌排條件良好的4畝田塊上進行，供試紫云英品種為“信紫1號”。于2016年9月20日以22.5 kg·hm-2的播種量均勻撒播紫云英，同時以過磷酸鈣225 kg·hm-2為基肥，后期不追施其他肥料。田間管理(除草、排水等)以當地常規方式進行。

于盛花期(即75%莖枝開花[26])后第5天(2017年4月19日)開始，每隔7d收割一次，收割采樣共5次。每次收獲時于上午7：00至9：00間在試驗田中隨機選取1 m×1 m樣方3處，分別收集地面上脫落莢果(定義為自然落莢，編號為L)后，以距地面5 cm的高度人工收割紫云英地上部，在室內對枝數(S)、留枝花數(H)和留枝莢果(編號為P)進行統計；同時收集因收割、搬運等人為操作而從植株分枝上掉落的莢果(定義為擾動落莢，編號X)。所有莢果充分晾曬，至含水率10%左右分裝備測。

1.3 測定方法

1.3.1花序結莢數、最大莢果長與寬測定 采用抽樣調查的方式，以同一樣方莢果為總體，莢果花序(同一花序著生的莢果)為單元，四分法逐漸縮減樣本容量至40個，選擇花序莢果中最大的莢果測定其長度和寬度，同時記錄花序結莢數。

1.3.2莢果籽粒數測定 隨機選擇未開口莢果，置于底部照明的種子觀察臺上，調查莢果內籽粒數量，同一成熟度莢果重復15次。

1.3.3莢果重及籽粒千粒重測定 莢果性狀指標測定后稱取莢果總重量，以莢果總重∶莢果數為該類莢果重。采用人工脫粒，莢果置于100mm篩網之上，以硬質海綿帶動莢果摩擦粉碎莢皮，輕輕搖動除去果皮殘渣后，稱取籽粒總重，人工數粒萬分天平測定千粒重。

1.3.4莢果成熟度分級與成熟程度 根據紫云英莢果成熟規律，以莢果花序為單元，依照莢果長度和顏色將莢果分為6類(見圖1)，以羅馬數字表示，其中Ⅰ為帶花莢果，Ⅱ和Ⅲ為青色、長度<15 mm和>15 mm的未成熟莢果，Ⅳ為莢色黑綠交雜的莢果，Ⅴ和Ⅵ為黑色、長度<15 mm和>15 mm的成熟莢果。若莢果花序中存在不同成熟度莢果，則以該莢果蔟中多數莢果成熟度定級。成熟程度，為莢果中黑色莢果的比例表示。

圖2 紫云英莢果成熟度分級示意圖Fig.2 Maturing status of Chinese milk vetch pods注：照片中方格長×寬=10 mm×10 mmNote:grid square was 10 mm×10 mm

1.4 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2013和SPSS 22軟件進行數據錄入和統計分析，其中多元方差分析(Multi-way ANOVA)采用SPSS軟件GLM模塊，多重比較(Post Hoc Multiple Comparison)分別采用Scheffé法(樣本量不同)和Turkey HSD法(樣本量相同)，線型回歸(Linear Regression)采用Originlab 2017進行擬合作圖并檢驗顯著性。

2 結果與分析

2.1 紫云英花莢發育進程及落莢發生

盛花期后紫云英花序數量逐漸減少，莢果數量逐漸增加(見表1)。5～26 d花枝比從118.1%下降至19.3%，各時期差異顯著。總莢果數和留枝莢果數在26 d達到最大值，分別為8 334個·m-2和7 733個·m-2。盛花期后5 d～19 d采樣時沒有自然落莢發生，盛花期26 d紫云英發生自然落莢，此時自然落莢量約為總莢果量的3.9%，與采樣時的擾動落莢量相當。19 d時擾動落莢數量顯著(P<0.05)高于前兩個時期，可能與采收時降雨有關。第26 d，由于頂部花序莢果大量形成，留枝莢果數量達到峰值。然而，第33 d自然落莢數量顯著增加，達總莢果數的24.1%，顯著降低了留枝莢果數量。于此相對，擾動落莢比例僅為4.8%，未顯著增加。

表1 盛花期后不同時期紫云英花枝比及莢果數量Table 1 Pod number and flower/shoot ratio of CMV community at the different periods after the full-bloom stage

注：表中數字為均值±標準差；花:枝為個數比；不同小寫字母者為不同時期存在顯著差異(P<0.05,n=3,Turkey HSD),下同

Note:Values were mean±SD;Flower/shoot ratio was the proportion of the number of flower to the number of shoot;Different lowercase letters indicated significant difference among periods at the 0.05 level according to Turkey HSD test, The same as below

2.2 留枝與脫落莢果成熟度

不同莢果成熟度存在顯著差異(如圖3)。盛花期后第26 d，留枝莢果中61.1%莢果處于Ⅴ和Ⅵ成熟度，莢果達到表觀成熟(黑色)；由青轉黑莢果占總莢果數量的25.0%，另有13.9%的莢果為青色。與留枝莢果相似，擾動落莢中Ⅴ和Ⅵ類總占比為56.6%，各成熟度占比與留枝莢果無顯著性差異。此時，自然落莢莢果成熟度顯著高于P和X，Ⅴ和Ⅵ類總占比達83.6%，其余莢果基本處于由青轉黑階段(Ⅳ)，說明此時自然落莢莢果成熟度較高。至盛花期后33 d，留枝莢果和擾動落莢莢果成熟度顯著提高，其成熟莢果(Ⅴ和Ⅵ類)比例達88.8%，而此時自然落莢莢果已全為成熟黑莢。盛花期后26 d和33 d，擾動落莢莢果與留枝莢果成熟度狀況相近，推測擾動落莢主要受人為外力作用影響造成，與成熟度關聯性較低。與此相對，自然脫落莢果成熟度高于留枝莢果水平，說明莢果自然脫落受成熟度影響較大。

圖3 盛花期后26 d和33 d留枝莢果(P)、擾動落莢(X)和自然落莢(L)莢果成熟度Fig.3 Maturing status of the pods on plants (P),natural-dropped (L) and harvesting-dropped (X) at 26d and 33d after the full-bloom stage注：所示比例為莢果個數比，圖中羅馬數字表示莢果不同成熟度，由Ⅱ至Ⅵ成熟度依次增高;不同小寫字母者表示同一時期相同成熟度不同莢果存在差異，不同大寫字母者表示相同莢果同一成熟度不同時期存在差異(P<0.05);樣本數量np26d=871,np33d=761,nx26d=99,nx33d=98,nL26d=55,nL33d=56Note:Proportions were ratios for pod numbers. Roman number indicated the maturing status,increased from Ⅰ to Ⅵ while pod maturing;Different lowercase letters and uppercase letters indicated significant difference between pod sets at identical period and periods for identical pod set at the 0.05 level,respectively;njid was the sample size for pod set j at i d after the full-bloom stage

2.3 不同時期、類型和成熟度的莢果性狀

不同時期、莢果類型、成熟度的莢果性狀存在差異(表2)。盛花期后26 d～33 d，莢果籽粒數和千粒重分別顯著提高19.1%和21.6%。自然脫落莢果籽粒的千粒重顯著高于留枝莢果和擾動脫落莢果，其平均千粒重達留枝莢果的1.3倍，花序最大莢果的寬度在3種莢果類型間無顯著差異。成熟度對莢果籽粒數、莢果重以及籽粒千粒重存在顯著影響，隨成熟度升高3個參數值逐漸增大，其中Ⅵ類莢果的莢果籽粒數、千粒重、莢果重分別達Ⅱ類莢果的2.6,4.8和9.1倍。莢果籽粒數、最大莢果寬度和千粒重在莢果類型和成熟度間存在顯著的交互作用。值得注意的是，因子模型對花序結莢數的解釋率僅為8.3%，說明盛花期后第26d至33d的莢果類型和成熟度對其影響較小；籽粒千粒重、莢果內籽粒數和莢果重量對3因子模型響應度達91.0%,41.9%和47.6%，說明自然落莢發生前后，莢果成熟度和落莢對其造成顯著影響。

表2 盛花期后不同時期紫云英莢果性狀Table 2 Pod traits of Chinese milk vetch at the different periods after the full-bloom stage

注：1)括號內為因子效應值;表中數據為均值±標準誤；*、**和***分別表示在P<0.05，0.01和0.001顯著

Note:1) Value in parentheses was η2;Values were mean±SE;*,**and *** indicated significant differences at the 0.05,0.01 and 0.001 level

2.4 落莢對種子產量和質量的影響

莢果脫落對產量造成顯著影響(表3)。盛花期后26 d，留枝莢果重量和籽粒重量達205.8 g·m-2和121.2 g·m-2，均占總量的92.8%，此時自然脫落和擾動脫落莢果造成籽粒損失分別為5.1和4.5 g·m-2，占籽粒產量的4.3%。盛花期后33 d，莢果和籽粒總重增高，分別達到257.7 g·m-2和154.8 g·m-2，但留枝莢果及其籽粒重量降低了11.3%和4.7%；自然脫落莢果及其籽粒重量分別顯著增加6.3和5.1倍(P<0.05)，占莢果和籽粒總重量的24.3%和20.9%；擾動脫落莢果略有增加，但兩時期無顯著性差異，隨莢果進一步成熟，莢果和籽粒產量增高，但落莢造成的籽粒損失顯著增加，這種消長導致兩個時期留枝莢果及其籽粒重量無顯著差異。但值得注意的是，留枝莢果中Ⅵ類籽粒在兩個時期中的產量和占比相似，但第33 d自然落莢的急劇發生，造成Ⅵ類莢果籽粒的損失率達26.0%，顯著高于第26 d的3.4%。Ⅵ類莢果籽粒千粒重顯著高于其他莢果，Ⅵ類莢果損失率的增加反映了收獲種子的質量下降。

表3 紫云英盛花期后26 d和33 d脫落和留枝莢果及籽粒產量Table 3 Differences of the weights and proportions of pods and seeds among sets of pod of Chinese milk vetch at 26 d and 33 d after the full-bloom stage

注：表中數字為均值±標準差，比重為該類莢果占該時期莢果總重的百分比，Δ比重為Ⅵ籽粒占留枝籽粒總重的百分比。不同小寫字母者為不同時期不同莢果存在顯著差異，不同大寫字母者為同一莢果不同時期存在差異(P<0.05,n = 3,Turkey HSD)

Note:Values were mean±SD. Proportion was the percentage of the pod or seed weight to the total weight at the period，except Δ% showing the percentage of the weight of Ⅵ seed to the seeds on plant. Different small and capital letters indicated significant difference among pod sets and periods at the 0.05 level according Turkey HSD test

2.5 紫云英花莢表觀性狀與籽粒產量

莢果顏色和花序數是紫云英群體成熟度隨時間推移而變化較為明顯的性狀。如圖4所示，隨著紫云英各枝花序數量的逐漸減少，莢果逐漸成熟，籽粒產量逐漸增加。其中，花枝比與籽粒產量的變化呈近似“S”型曲線的關系，在30%～60%莢果成熟程度時花枝比變化速率最高，此時一周內花枝比降低了40%。根據回歸模型，二元方程較好的擬合了成熟程度與籽粒產量的變化關系，籽粒產量隨成熟度提高而逐漸增加，在成熟程度達68.7%時籽粒產量達到峰值，此時與植株花序急劇減少后期重合，可把紫云英群體花序消失作為紫云英種子最佳收獲期的表觀群體信號。本研究中，在0～90%的成熟程度區間內，單位成熟程度對籽粒產量的影響為3.4 g·m-2至-1.1 g·m-2，即成熟程度越高單位成熟度變化對應的籽粒產量增長越低。

圖4 成熟程度和花枝比與可收獲籽粒產量的關系Fig.4 Relationship of seed yields vs the mature ratios and Flower/Shoot of CMV community

3 討論

3.1 莢果成熟與落莢損失

落莢是豆科綠肥作物伴隨籽粒成熟過程普遍存在的現象[27]，這與果柄連接處離層的發生有關[28-29]。本研究中，由于采用清晨人工收割，紫云英在盛花期后不同時期因采收過程造成的籽粒損失為3.3%～5.7%；自然脫莢在盛花期后26 d(61.1%莢果成熟)出現，至盛花期33 d(88.8%莢果成熟)種子產量損失已達20.9%以上。鐘山[19]對寧波大橋種紫云英調查發現，在莢果達到76%,85%和95%成熟時，脫落黑莢數占全株莢果的比例分別為3.6%,9.3%和25.6%，落莢損失的變化與本研究結果相似。成熟前的花莢脫落普遍認為是養分資源競爭、極端氣候(強風和降雨)以及植株自身應對以上不利條件而進行的生理應激相應[17,30-31]。本研究中紫云英莢果自然脫落發生在莢果成熟后期，自然脫落莢果成熟度明顯高于留枝莢果成熟度，同時在盛花期26 d至33 d間氣候狀況良好，較之于盛花期前26 d，強降雨和大風氣候較少發生，說明本研究中紫云英莢果成熟后期自然落莢現象受成熟度作用較大，而這種自然落莢性將成為其種子產量進一步提高的限制因子。因此，如何通過品種選育、栽培及生理調節[32-33]，從而控制落莢損失、提高種子產量有待進一步研究。

3.2 落莢損失、種子質量與收獲時期

紫云英具有明顯的無限花序和莢果分層成熟特征，可充分利用光溫資源[6,19]，但由于花期較長、植株莢果成熟不一，生產中均選擇70%～90%留枝莢果成熟時收獲，造成不同程度的落莢損失和種子質量差異[19,34]。本研究中，不同成熟度莢果性狀存在顯著差異，自然脫落莢果的成熟度和種子千粒重顯著高于留枝莢果。在盛花期后第33 d時，自然脫落造成的Ⅵ類莢果籽粒的損失可達留枝Ⅵ籽粒的26.0%，高于自然脫落對種子總產量的影響，說明莢果自然落莢不僅降低了種子產量，也明顯影響了收獲紫云英種子的總體質量。如前所述，盛花期后5～26 d紫云英莢果數量和種子產量逐漸增加，而成熟過程中莢果的自然落莢與籽粒的成熟成為作用于種子產量的一對消長因素，即隨著紫云英莢果接近完全成熟，籽粒千粒重和莢果內籽粒數逐漸提高，而于此同時落莢損失顯著增加，從而形成了種子產量與成熟程度的二次曲線關系。對于紫云英最佳收獲時期的確定，不同品種、不同地區以及不同生產模式存在差異。鐘山[19]提出紫云英在75%果莢達到全黑成熟時,形成第2個黑莢高峰，即可進行收種，較之于本研究的種子最大收獲期(成熟程度達68.7%)略遲，究其原因應與紫云英品種以及研究的成熟度范圍有關。此外，如果生產中選擇紫云英免播收種的模式，即通過自然落莢籽粒實現紫云英年度更替，則收獲期可推遲至88%莢果成熟。值得注意的是，本研究中紫云英花序大量減少的時期接近于種子最高產量獲得的時期，此時與植株花序急劇減少后期重合，可把花序消失作為紫云英種子最佳收獲期的表觀群體信號。

4 結論

盛花期后紫云英莢果數量逐漸增加，而自然落莢量隨成熟度的升高顯著增加，在60%～88%莢果成熟時，自然落莢占總莢果數3.3%～21.4%，最高時落莢造成籽粒損失占總產量的20.9%。自然脫落莢果成熟度及種子千粒重顯著高于留枝莢果和擾動脫落莢果。自然落莢造成Ⅵ類莢果籽粒降幅最高達26.0%，導致種子整體質量下降。隨成熟程度升高，籽粒產量的增長率逐漸降低；在紫云英群體莢果68.7%成熟時，種子產量達到峰值為1 250 kg·hm-2，此時與植株花序急劇減少后期重合，可把花絮消失作為紫云英種子最佳收獲期的表觀群體信號。