稻田埂種植三葉草的效能研究：固氮和對空心蓮子草的抑制作用

于文娟，劉龍生，鐘雪蓮，羅 涵，姬紅麗，彭云良，3*

(1.四川省農業科學院植物保護研究所/農業部西南作物有害生物綜合治理重點實驗室，四川 成都 610066；2.衡陽市農業科學研究所，湖南 衡陽 421101；3.中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 311401)

【研究意義】綠色革命在成功地提高水稻、小麥等主要農作物產量的同時，大量使用化學肥料和農藥也造成了土壤質量下降和生物多樣性降低、生產成本提高、環境污染和食品安全風險上升等一系列生態和社會問題[1-2]。田間生態工程技術，主要是利用工程和植被相結合技術來改善農田生態條件和生產功能，已被證明可以改善農田生態環境，特別是天敵昆蟲生存和取食條件，減少化學農藥投入[3-5]?！厩叭搜芯窟M展】豆科植物因為其較強的固氮效應可以增加農田系統中有機N含量[6-7]而作為農田生態工程的重要工程植物[8-10]。已有研究也發現種植豆科綠肥作物增加地面覆蓋度，且抑制雜草滋生[11-12]?！颈狙芯壳腥朦c】白三葉草(TrifoliumrepensL.)為多年生豆科草本植物[13-14]，在我國南方稻田田埂、溝渠、道路及空地常有零星分布。其花量豐富，葉形美觀，匍匐生長，侵占力強，耐踐踏，是園林綠化的良好材料；同時也因為其綠期長，消化率高，蛋白含量高，粗纖維含量低，適口性好成為飼料生產及草地改良中公認的優良牧草[15-17]。另外，該植物在改良土壤，提高土壤肥力，抑制雜草生長，增強生物防治能力等方面也均有很好的作用[18-21]?！緮M解決的關鍵問題】為明確其作為南方稻田田埂覆蓋植物的價值，本研究對其在田埂種植條件下作為飼料、肥料的價值以及對草空心蓮子草[Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.]的抑制作用進行了研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

白三葉草(T.repensL.)品種為Haifa,澳大利亞引種，購自四川林旺農牧科技有限公司?？招纳徸硬輀A.philoxeroides(Mart.) Griseb.]采自四川當地水稻田田埂。

1.2 試驗地地點

試驗地分別設置在四川省綿陽市江油市武都鎮海金村(E104°48′09″,N31°52′20″,H 569 m)和湖南省衡南市衡南縣三塘鎮大廣村(E112°49′14″,N26°89′06″,H 70.1 m)。 兩地均屬北亞熱帶濕潤季風氣候，其中江油試驗地具有夏熱冬暖，暑期長，降水豐沛，雨熱同步的特點，湖南衡南試驗地具有熱量充足，雨水集中，春暖多變，夏秋多旱，冬寒期短，暑熱期長的特征。

1.3 試驗方法

1.3.1 三葉草播種 2015年4月初選擇晴天用草甘膦防除田埂已有雜草，施藥7 d后將白三葉草分別播種于四川江油和湖南衡南基地的水稻田田埂上，田埂面積播種2 kg/667m2。播前不松土，播后不覆蓋，不再施用任何肥料和農藥。

1.3.2 三葉草固氮和磷、鉀吸收能力評價 2016年7月至2017年7月間，在2個基地各選取12個1.0 m×0.3 m(長×寬)長滿三葉草的田埂段，每3周割取所選區域內三葉草的地上部分，剔除雜草和雜質后用自來水清洗干凈，105 ℃殺青15 min后再經70 ℃烘干24 h，稱取各采集點的三葉草干重后樣品壓碎，保存于-20 ℃冰箱備用。樣品進一步分析前進行混樣，將同一季度和同一地點采集的三葉草烘干、粉碎樣品完全混合，稱取100 g樣品，送四川省農業科學院測試中心測定粗蛋白含量，測量方法依據為食品安全國家標準食品中蛋白質的測定(GB5009.5-2016)；送四川省農業科學院土壤肥料研究所測定N、P、K的含量，測量方法分別依據NY/T2419-2013 植株全氮含量測定 自動定氮儀法，NY/T2421-2013 植株全磷含量測定 鉬銻抗比色法，NY/T2420-2013 植株全鉀含量測定 火焰光度計法。

1.3.3 三葉草對空心蓮子草抑制作用評價 試驗于2017年夏季(7月26至 9月23日)和秋冬春(9月5日至次年3月5日)在大棚溫室內圓形水泥池(內徑1 m)中進行。試驗前先用水澆灌透徹整個水泥池，然后將3株三葉草(分蘗數1～2)和空心蓮子草(3節其中1節帶須根)對峙種植在水泥池內(圖1)，三葉草和空心蓮子草行間距20 cm。移栽后7 d內每天足量澆水，以保證全部植株存活。后續處理A為各水泥池每天澆水2 L，處理B為每5 d各水泥池澆水2 L，處理C為整個實驗期間不澆水。試驗為完全隨機排列，重復3次。實驗結束時，先對每個處理的水泥池進行整體拍照，計算三葉草和空心蓮子草所占面積；然后分別割取三葉草和空心蓮子草，清洗干凈稱其鮮重，再經105 ℃殺青15 min和70 ℃烘干24 h后，稱其干重。

圖1 三葉草與空心蓮子草競爭實驗的移栽圖示Fig.1 Illustration of white clover (Trifolium repens L.) and Alternanthera philoxeroides in the competition experiment

1.4 數據分析

單位面積三葉草干物質重量公式為(g/m2)=小區所采白三葉草樣品干重/0.3

粗蛋白、氮、磷、鉀固定和吸收量公式為：粗蛋白/氮/磷/鉀(g/kg)=A×B/1000

式中，A：所測樣品的粗蛋白/氮/磷/鉀重量；B：同一時間段該季度所有白三葉草干物質總量的總和。

利用Excel和SAS軟件(SAS Institute Inc.,NC,USA)進行實驗數據處理與單因素方差分析，用Duncan多重比較進行差異顯著性分析、Student t-test進行兩者差異性比較。

2 結果與分析

2.1 三葉草干物質重量

經過1年的刈割，江油和衡南2個試驗點每平方米共獲得白三葉草的平均干重分別為69.46和129.49 g。從2個試驗點的單位面積三葉草干重動態(圖2)可以看出，四川江油頭年三葉草最高干物質量出現在頭次收割的7月，其后逐漸減少，11、12至次年1月最低，然后又逐漸增加，其中次年5-7月所收獲的干物質顯著高于其他月份(P<0.05)；在湖南衡南，單位面積白三葉草干重收獲量第1次刈割以后，白三葉草干物質也下降，但自8月其收獲量逐漸增加，至次年4月達到高峰。

圖2 2016-2017年四川江油和湖南衡南三葉草干物質動態變化Fig.2 Dry matter dynamics of clover in Jiangyou,Sichuan province and Hengnan,Hunan province from 2016 to 2017

2.2 白三葉草固氮能力和磷、鉀吸收能力評價

圖3顯示，對2個試驗點不同季度三葉草樣品的粗蛋白含量及氮、磷、鉀含量進行分析，發現其含量在不同地點和季節均有顯著差異，其中四川江油試驗點以2017年1-3月混合樣品粗蛋白和氮含量最高，達到290和47.87 g/kg，顯著高于其他季度的標樣(P<0.05)，不同季度樣品中粗蛋白含量變化與氮含量相一致；磷含量也以2017年1-3月樣品含量最高，達到3.95 g/kg，顯著高于其他時段采獲樣品(P<0.05)；鉀含量則以2016年7-9月樣品中含量最高，達到27.29 g/kg，顯著高于其他標樣(P<0.05)。湖南衡南粗蛋白和氮含量也均以2017年1-3月混合樣品的含量最高，分別達到207和39.73 g/kg，2017年4-6月含量與之無顯著差異，但顯著高于其他時段采獲樣品(P<0.05)，磷和鉀含量也以2017年4-6月樣品含量最高，分別達到3.48和33 g/kg， 2017年1-3月含量與之無顯著差異，但顯著高于其他時段采獲樣品(P<0.05)。

不同字母表示粗蛋白/氮/磷/鉀在相同實驗地點不同采樣時間段的差異性，用新復極差法(Duncan’s multiple range test)在P=0.05 水平上進行差異顯著性分析；粗蛋白/氮/磷/鉀在不同實驗地點相同采樣時間段上的差異顯著性分析采用Student t-test檢測，“**”在P<0.01 水平上差異顯著

結合樣品干物質重量可以發現，江油試驗點白三葉草自2016年7月到次年6月共吸收和固定了氮41.568 g/m2，形成粗蛋白252.89 g/m2，其中以2017年1-3月時段吸收和固定氮含量最高，達到12.23 g/m2，在此12個月中白三葉草吸收磷3.781 g/m2和鉀26.311 g/m2，分別以2017年1-3月時段吸收量最高，達到1.12 和7.948 g。衡南試驗點三葉草在上述12個月中共吸收和固定了氮79.823g/m2，形成粗蛋白437.88 g/m2，其中以2017年4-6月的時段吸收和固定氮為最高，達到27.1 g/m2，在此12個月中白三葉草吸收磷 6.679 g/m2、鉀42.202 g/m2，分別以2017年4-6月時段吸收量最高，達到2.49和23.57 g/m2。對不同試驗點白三葉草固定和吸收氮磷鉀的能力進行比較，發現江油試驗點三葉草在一整年固定和吸收的氮磷鉀含量均低于衡南試驗點；除第一次采集外的其它相同時間段內，衡南試驗點每平方米白三葉草固氮和吸收磷鉀的能力均高于江油試驗點，除2016年7-9月磷和鉀吸收量。

2.3 三葉草對空心蓮子草的抑制作用

在夏季試驗(2017年7月26日至9月23日)中，不同灌溉條件下的空心蓮子草長勢明顯好于三葉草，但干旱條件下空心蓮子草所占面積有所減小，分別占整體面積的5/6(處理A)、3/4(處理B)及3/5(處理C)。而在秋冬春試驗(2017年9月5日至2018年3月5日)中，不同灌溉條件下三葉草長勢均明顯優于空心蓮子草，分別占整體面積的6/7(處理A)、3/4(處理B)及3/4(處理C)，隨著澆水減少，三葉草所占面積減少并不明顯(圖4、表1)。從2種植物的鮮重和干重看，夏季不同灌溉處理條件三葉草平均鮮重和干重無顯著差異，鮮重在10.581～14.789 g和干重在1.7856～1.8711 g；而空心蓮子草的鮮重則在41.9～196.55 g，干重4.634～16.576 g ，均極顯著高于白三葉草的重量(P<0.01)。在秋冬春試驗中，三葉草平均鮮重和干重顯著增加，分別為483.33～562.22和39.883～55.484 g，并不受灌溉條件的影響。與夏季試驗相比，秋冬春季節空心蓮子草的鮮重和干重除了未澆水處理下外，均顯著下降，并顯著低于同期三葉草的鮮重和干重，與夏季一樣，長期不澆水條件下空心蓮子草鮮重和干重與每5 d澆2 L水處理下的重量無顯著差異，但顯著低于每天澆水2 L條件下重量(P<0.05)。

表1 2017-2018年三葉草與空心蓮子草競爭實驗—三葉草/空心蓮子草競爭面積、鮮重、干重

S：夏季實驗(2017年7月26至9月23日)，W：冬春實驗(2017年9月5日至2018年3月5日)；A(處理A)：每天澆水2 L；B(處理B)：每5 d澆水2 L；C(處理C)：實驗期間不澆水S: Summer experiment (July 26-September 23,2017),W: Winter-spring experiment (September 5,2017-March 5,2018).A(Treatment A): Water 2 L every day; B(Treatment B): Watering 2 L every 5 days; C(Treatment C): No watering during the experiment

3 討 論

三葉草生長的最適溫度為 19～24 ℃，在氣溫較低的春、秋季，甚至冬季，三葉草生長良好，而在氣溫較高的夏季，三葉草受高溫影響而進入生長滯緩期[14]。每個月刈割后的三葉草獲得的干物質在隨著溫度的變化而變化；在四川江油的三葉草獲得干物質最多的季節在5-7月；而湖南衡南卻在3-4月，這可能與江油夏季最高溫度低于衡南有關。白三葉草自第1次刈割后，每3周內都能獲得一定量的干物質，并且干物質量在逐漸增加。說明三葉草是一種高產的豆科牧草，可以在整年中為家畜家禽提供充足的飼料及綠肥材料。家畜生產不僅受牧草的產量影響，更重要的是受牧草質量的影響[22]，粗蛋白質是衡量牧草品質的重要評價指標[23]。四川江油和湖南衡南每個季度的粗蛋白含量均在25 g/m2以上，在1-3月時含量最高，最高可達到145.7 g/m2以上；而在7-9月含量最低。因為粗蛋白質的含量隨著三葉草的成熟度的提高而下降，當三葉草由營養生長時期轉入到生殖生長時期時，為了適應開花的需要，使本身含氮物質降低，同時加上纖維素含量的增加，因此，三葉草的粗蛋白質含量就會相對降低[24-25]。白三葉與根瘤菌之間存在著特有的共生固氮體系[26]，無論是在低洼潮濕地帶還是坡坎干燥環境中生長的白三葉，都無一例外的有根瘤形成，結瘤率百分之百[20]。這在一定程度上說明了白三葉與根瘤菌的共生結瘤具有穩定性、強大性與適應區域的廣布性。除固氮作用外，白三葉草也有較強的對磷、鉀元素吸收能力，尤其在冬季含量最高，可以作優質牧草和綠肥。

植物的種間競爭總是趨于一邊，只有一個強者。由于三葉草和空心蓮子草占有的生態位不同，因此，對環境中的光、熱、水、土壤養分的利用也不同，但由于環境資源的有限性，兩者間必定存在著激烈的競爭，種間競爭通過影響兩者在群落中的地位，從而影響其生產能力[27-29]。植物的競爭是決定群落性質的主要因素，而植物的競爭能力又受到脅迫和干擾因子的制約。本研究發現，三葉草和空心蓮子草移栽成活后，隨著氣溫的升高空心蓮子草逐漸占據優勢地位。而在秋季溫度下降后，屬暖季型植物的空心蓮子草的競爭優勢逐漸減弱，三葉草卻長勢優良，競爭優勢逐漸突出，靠其強大的分蘗能力逐漸占據主導地位；水分的增減對三葉草的生長影響并不顯著，經歷7個月的干旱，其競爭力明顯高于空心蓮子草，最后占據群落中的主導地位。

4 結 論

在實際應用中，在秋季到來前除草播種，利用三葉草的競爭優勢，可以較好的抑制空心蓮子草。研究結果表明，干旱也不利于空心蓮子草與三葉草的競爭，因此，適當加高稻田田埂地勢，將有利于三葉草抑草作用的發揮。