灌溉、施磷量及AM真菌對紫花苜蓿產量和水磷利用效率的影響

孟 翔, 孫伶俐, 謝開云, 劉 偉, 褚皓清, 趙 越

(新疆農業大學草業學院/新疆草地資源與生態重點實驗室/西部干旱荒漠區草地資源與生態教育部重點實驗室， 新疆 烏魯木齊 830052)

新疆作為我國畜牧業大區，地處世界干旱中心，水資源不足嚴重威脅著綠洲農牧業的可持續發展[1-2]。通過發展節水灌溉，實現水肥一體化來提高水分和養分等資源利用效率是新疆地區實現農牧業可持續發展的有效途徑[3-4]。紫花苜蓿(Medicagosativa. L)作為優質豆科牧草，具有適應性強，產草量高，品質好等優點，目前也是我國栽培和利用最廣泛和重要的牧草之一，種植面積占人工草地面積的79%[5-6]。與作物相比，紫花苜蓿的耗水性更強，水資源相對不足限制著紫花苜蓿生產，研究紫花苜蓿的水分管理對其栽培有重要的意義。目前的研究主要集中在噴灌[7]和滴管[8]兩種灌溉方式對紫花苜蓿產量和水分利用效率影響。調虧灌溉作為平衡水分投入和產量輸出的重要手段，在干旱半干旱地區研究主要集中玉米(Zeamays.L)[9]、小麥(Triticumaestivum.L)等[10]作物上，而針對紫花苜蓿的研究較少。

我國西北地區土壤普遍偏堿性，干旱缺水和土壤磷含量不足是限制紫花苜蓿產量和品質的重要原因[11]。目前，關于施磷肥對紫花苜蓿產量的影響主要集中在施肥量等方面[12]，而結合節水灌溉方式實現水肥一體化方面的研究較少。另外，叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal，AM)真菌作為自然界存在的重要的共生微生物，能夠與宿主植物形成菌根[13]，有效的擴大了植物根系表面積，可以顯著的提高植物對水分和養分的吸收效率[14-15]，特別是在貧瘠土地中對水和磷的吸收[16-18]。本研究以紫花苜蓿為對象，設置2種灌溉量、4種磷肥梯度以及2種AM真菌處理，研究灌溉、施磷及菌根真菌互作對紫花苜蓿的產量和磷素利用效率的影響機制，為干旱半干旱地區紫花苜蓿優質高產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于新疆烏魯木齊市頭屯河區新疆農業大學三坪實習農場(43°92′ E，87°35′ N，海拔580 m)，屬于溫帶大陸性半干旱氣候，日照充足，年日照時數為2 829.4 h，年降水量為228.8 mm，年均蒸發量為2 647 mm，無霜期為163 d，年均氣溫7.2℃，最高氣溫42℃。土壤類型為含礫砂壤土，偏黏性，有機質含量15.998 g·kg-1，全氮1.632 g·kg-1、速效氮60.223 mg·kg-1、全磷0.215 g·kg-1、有效磷18.569 mg·kg-1、全鉀18.440 g·kg-1、速效鉀296.659 mg·kg-1、pH值為8.37。

1.2 試驗設計

試驗采用再裂區設計，主區設置定額灌溉(Quota irrigation，QI)和調虧灌溉(Regulated deficit irrigation，RDI)，灌溉量分別14 000 m3·hm-2和9 800 m3·hm-2(QI的70%)[19]，灌溉方式采用地表滴灌，每個小區鋪設5條滴灌帶，間距60 cm，用水表控制灌溉量，實際灌溉量如表1所示。副區設置不滅土壤AM真菌(AM)和滅土壤AM真菌處理(-AM)，滅AM真菌處理每小區定期噴施苯菌靈(5 L水+6 g·m-2苯菌靈)，試驗期間噴施苯菌靈(50%)180 g，間隔20天噴施1次[20]。通過計算紫花苜蓿侵染率，得出AM處理下紫花苜蓿侵染率(36%)顯著高于-AM處理下紫花苜蓿侵染率(15%，P<0.05)。施磷量設0 kg·hm-2，60 kg·hm-2，120 kg·hm-2，180 kg·hm-24個肥力梯度，試驗所用磷肥為磷酸鈣(P2O5≥ 46%)，小區用量為0 g，174.4 g，348.8 g，523.2 g。共16個處理，每個處理4次重復，共計64個小區，小區面積15 m2(3 m×5 m)，小區間隔1 m。2021年5月10日對每個小區補施鉀肥(硫酸鉀) 82.5 g。紫花苜蓿選用‘新牧4號’品種(MedicagosativaL. ‘Xinmu No.4’)，播種時間為2020年9月30日，三次刈割時間為2021年7月5日、2021年8月20日、2021年10月1日。

表1 定額和調虧灌溉的實際灌溉量Table 1 Actual irrigation amount under two irrigation methods

1.3 測定指標與方法

1.3.1干物質產量測定 在紫花苜蓿初花期選取3個樣方(1 m×1 m)，齊地面刈割，稱重并記錄鮮草產量，每個樣方隨機抽取1 kg左右鮮草樣品帶回實驗室，在烘箱中于105℃殺青30 min后，置于65℃烘箱烘干48 h至恒重，計算紫花苜蓿干物質產量(kg·hm-2)。

1.3.2地下生物量測定 在紫花苜蓿最后一茬刈割后(2021年10月1日)，各小區隨機確定0.2 m×0.2 m的樣方，將根系和周圍的土壤整體挖起取樣，用清水沖洗干凈，收集苜蓿根系，在105℃烘箱中殺青30 min后，置于65℃烘箱烘干48 h至恒重，計算紫花苜蓿地下生物量(kg·hm-2)。

1.3.3植株磷含量測定 將上一步操作的樣品進行粉碎并過篩，用鉬銻抗比色法[21]測苜蓿植株磷含量。磷吸收量計算公式：磷吸收量(kg·hm-2)=植株磷濃度(%)×干草產量(kg·hm-2)

1.3.4水分利用效率 水分利用效率(kg·m-3)=干草總產量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

1.4 數據統計

所有數據采用Office Excel 2013軟件匯總，用SPSS 20進行統計分析，Graphpad Prism 8.0 軟件進行制圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下紫花苜蓿生物量

由表2可知，灌溉、磷肥和AM真菌處理對每茬草干草產量和總產量具有極顯著影響(P<0.01)，磷肥和AM真菌處理交互作用對苜?？偖a量具有極顯著影響(P<0.01)，磷肥和AM真菌處理對地下生物量具有極顯著影響(P<0.01)，灌溉和AM真菌處理交互作用對地下生物量具有極顯著影響(P<0.01)。

干草產量在QI處理顯著高于RDI處理(第1茬：|t|=6.533，P<0.01；第2茬：|t|=10.297，P<0.01；第3茬：|t|=5.079，P<0.01；總產量：|t|=13.863，P<0.01)，地下生物量在QI處理與RDI處理之間無顯著性差異(|t|=0.373，P=0.712)。紫花苜蓿的干草產量和地下生物量在AM處理下均顯著高于-AM處理(第1茬：|t|=7.444，P<0.01；第2茬：|t|=5.954，P<0.01；第3茬：|t|=5.338，P<0.01；總生物量：|t上|=9.675，P<0.01；地下生物量：|t下|=5.858，P<0.01)。

隨著施磷量的增加3茬苜蓿干草產量呈先增加后降低趨勢，在P2磷肥處理產量最高；地下生物量隨著施磷量的增加呈逐漸增加趨勢，在P3磷肥處理地下生物量最大(圖1，圖2)。

表2 不同處理下紫花苜蓿干草產量和地下生物量方差分析Table 2 Variance analysis of alfalfa hay yield and underground biomass under different treatments

圖1 不同處理下紫花苜蓿干草產量(刈割3次)Fig.1 Alfalfa hay yield under different treatments (cutting for 3 times)注：圖中同一真菌處理(AM或-AM)下，RDI條件小寫字母表示磷肥梯度差異顯著(P<0.05)，QI條件大寫字母表示磷肥梯度差異顯著(P<0.05)。下圖同Note:In theFigure,under the same (AM or -AM) fungal treatment,the small letters under RDI condition indicate significant difference in phosphorus fertilizer gradient (P<0.05),and the capital letters under QI condition indicate significant difference in phosphorus fertilizer gradient (P<0.05). The same as below

圖2 不同處理下紫花苜蓿干草總產量和地下生物量Fig.2 Alfalfa hay yield and underground biomass under different treatments

2.2 不同處理下紫花苜蓿植株磷含量

由表3可知，灌溉處理對地下部磷含量具有極顯著影響(P<0.01)；磷肥處理對第2茬、第3茬草磷含量具有極顯著影響(P<0.01)，對地上部分平均磷含量具有顯著影響(P<0.05)，對地下部磷含量具有極顯著影響(P<0.01)。AM真菌處理對第2茬和第3茬草磷含量具有顯著影響(P<0.05)，對地下部磷含量具有極顯著影響(P<0.01)。灌溉、磷肥處理、AM真菌處理交互作用對地下部分磷含量具有極顯著影響(P<0.01)。

紫花苜蓿地上部分平均磷含量在QI處理與RDI處理之間無顯著差異(第1茬：|t|=0.373，P=0.712；第2茬：|t|=0.442，P=0.661；第3茬：|t|=1.008，P=0.321；地上部分平均磷含量：|t|=0.732，P=0.470)，但地下磷含量RDI處理下顯著高于QI處理(|t|=9.272，P<0.01)。

第2茬和第3茬紫花苜蓿植株磷含量在AM處理顯著高于-AM處理(第2茬：|t|=2.109，P=0.043；第3茬：|t|=2.040，P=0.050)，第1茬和地上部分平均磷含量AM處理與-AM處理無顯著差異(第1茬：|t|=1.611，P=0.117；地上部分平均磷含量：|t|=0.455，P=0.652)，地下部分磷含量在AM處理顯著高于-AM處理(|t|=3.034，P=0.005)；隨施磷量的增加苜蓿地上部分磷含量呈先增加后降低的趨勢，在P2磷肥處理磷含量最高(圖3，圖4)。

表3 不同處理下紫花苜蓿植株地上部分和地下部分磷含量方差分析Table 3 Variance analysis of phosphorus content in alfalfa under different treatments

圖3 不同處理下紫花苜蓿植株磷含量(刈割3次)Fig.3 Alfalfa phosphorus concentration under different treatments (cutting for 3 times)

圖4 不同處理下紫花苜蓿地上和地下部分磷含量Fig.4 Alfalfa phosphorus concentrations under different treatments

2.3 不同處理下紫花苜蓿磷吸收量

由表4可知，施磷肥對3茬草及地下部分磷吸收量具有極顯著影響(P<0.01)，灌溉和AM真菌處理對苜蓿第2茬、第3茬、地上部分、地下部分磷吸收量具有極顯著影響(P<0.01)。

第2茬、第3茬和地上部分總磷吸收量在QI處理下顯著高于RDI處理(第2茬：|t|=7.337，P<0.01；第3茬：|t|=1.008，P<0.01；地上部分總磷吸收量：|t上|=4.505，P<0.01)，第1茬RDI條處理與QI處理無顯著差異(|t|=1.881，P=0.069)；地下部分磷吸收量在RDI處理顯著高于QI處理(|t|=3.525，P<0.01)。

第2茬、第3茬和地上部分總磷吸收量在AM處理顯著高于-AM處理(第2茬：|t|=5.676，P<0.01；第3茬：|t|=5.057，P<0.01；地上部分總磷吸收量：|t|=3.798，P<0.01)，第1茬磷吸收量在AM處理與-AM處理無顯著差異(|t|=1.245，P=0.223)，地下部分磷吸收量在-AM處理顯著高于AM處理(|t|=6.545，P<0.01)。

隨著施磷量的增加，地上部分總磷吸收量呈先增加后降低趨勢，地下部分磷吸收量在-AM處理呈先增加后降低趨勢，在AM處理下增加(圖5和圖6)。

表4 不同處理下紫花苜蓿磷吸收量方差分析Table 4 Variance analysis of phosphorus uptake in alfalfa under different treatments

圖5 不同處理下紫花苜蓿磷吸收量(刈割3次)Fig.5 Alfalfa Phosphorus uptake under different treatments (cutting for 3 times)

圖6 不同處理下紫花苜蓿地上部分和地 下部分磷吸收量Fig.6 phosphorus uptake of aboveground and underground part of Alfalfa under different treatments

2.4 水分利用效率

由表5可知，灌溉、施磷肥、AM真菌處理及灌溉和磷肥處理交互作用、磷肥和AM真菌處理交互作用、灌溉和AM真菌處理交互作用均對水分利用效率具有極顯著影響(P<0.01)。水分利用效率在RDI處理顯著高于QI處理(|t|=30.678，P<0.01)，AM處理顯著高于-AM處理(圖7，|t|=9.358，P<0.01)，隨著施磷量的增加水分利用效率呈先增加后降低的趨勢，在P2磷肥處理水分利用效率最高。

表5 不同處理下紫花苜蓿水分利用效率方差分析Table 5 Variance analysis of water use efficiency in alfalfa under different treatments

圖7 不同處理下紫花苜蓿水分利用效率Fig.7 Water use efficiency of alfalfa under different treatments

3 討論

水分是影響紫花苜蓿產量和養分利用的主要因素，因而合理灌溉和科學施肥是保證紫花苜蓿優質高產的重要措施。有研究表明，紫花苜蓿的產量與灌溉量之間呈拋物線的變化趨勢[22]。在拋物線最高點之前，產量與灌溉量呈正相關關系，超過最高點后，產量隨著灌溉量的增加而降低[23-25]。在本研究中，與本試驗中RDI處理下紫花苜蓿平均總產量比QI處理高8.1%，平均水分利用率低24.3%，這與沙栢平[26]和李天琦[27]等的研究一致，灌溉量的增加有利用干草產量的增加，同時灌溉量的增加會降低水分利用效率。另外，隨著施磷量的增加，水分利用效率先增加后降低，P2處理達到最大為1.64 kg·m-3，這與Hammad研究結果一致[28]。這說明水磷之間存在協同效應，適量施磷肥促進植物根系的生長和分布，有利于對水分和養分的吸收[29-30]，從而提高缺水條件下苜蓿對水分的利用效率。

本試驗中施磷肥能顯著提高紫花苜蓿干草產量。與不施磷相比，各施磷處理下苜蓿干草產量提高15.40%～39.96%。主要是因為施磷肥能夠顯著增加紫花苜蓿葉片中的葉綠素含量，提高苜蓿光合作用速率[31]，進而提高紫花苜蓿干草產量[32]。隨著施磷量的增加，紫花苜蓿干草產量先增加再降低，這與劉煥鮮[33]研究一致，該研究認為紫花苜蓿牧草產量在P2(100 kg·hm-2)處理時最大為4 807 kg·hm-2，施磷量過多也會造成干物質量的降低。其原因是由于苜蓿植株對磷的吸收也有閾值[34]，當達到閾值前能夠促進其生長發育[35]，當超過閾值后，苜蓿植株磷含量反而降低[36]。在本試驗中紫花苜蓿地上部分磷吸收量在QI處理下比RDI處理下平均高7.09%；相反，地下部分磷吸收量在RDI處理下比QI處理下平均高5.88%。主要原因是調虧灌溉下土壤水分相對虧缺，導致運輸到地上部分的養分量減少，在地下根系中積累的磷的量增加[37]。另外，本研究中紫花苜蓿的磷吸收量隨著施磷量增加呈先增加后降低，與產量的變化趨勢一致，但隨著生育期的遞進逐漸減弱，主要是由于土壤中的金屬離子固定導致磷肥的當季利用率較低[38]。一般農作物對磷肥的利用率為5%～25%[39]，在本研究中紫花苜蓿對磷肥的利用效率在1.57%～13.49%。另外，隨著施磷量的增加，苜蓿地上部分磷含量逐漸增加，而地下部分磷含量先增加后降低，主要是因為磷肥具有后效作用，由于土壤對磷的吸附作用使得土壤中磷被固定而難以被植物吸收利用[34]，當年施入的磷肥在植物生長后期或后茬中緩慢地釋放出來被植物吸收利用[41]。

在自然條件下，AM真菌與植物共生形成的菌根對磷的吸收和利用具有重要貢獻[15]。本研究中，本研究中，AM真菌對紫花苜蓿的產量貢獻為11.1%，對水分利用效率的貢獻為7.5%，這與劉俊英[42]的研究結果一致。AM處理下，紫花苜蓿地上植株的平均磷吸收量比-AM處理高6.5%，地下部平均磷吸收量比-AM高16.2%，這表明AM菌根真菌對紫花苜蓿磷元素的吸收有一定的作用，但這種促進作用會隨著施肥量的增加而降低，主要是因為當土壤中磷含量較高時，一方面會抑制菌根真菌孢子的發育[43]，另一方面植物通過根系吸收的磷素已滿足需求，從而降低了植物對AM真菌的依賴性；當土壤磷含量較低的情況下，更有利于植物與AM真菌共生，植物依靠與AM真菌共生形成的菌絲來吸收土壤有效磷[44-45]。

4 結論

紫花苜蓿平均總產量在QI和RDI下分別為14 487.08 kg·hm-2，13 395.23 kg·hm-2，QI與RDI相比產量高出8.1%，但其水分利用效率降低了24.3%。與不施磷處理相比，施磷處理下紫花苜?？偖a量提高15.40%～39.96%。平均總產量在AM處理和-AM處理下分別為14 938.47 kg·hm-2，13 450.22 kg·hm-2，AM處理與-AM處理相比產量高出11.1%。綜合來講，QI+P2+AM處理下(即灌溉量14 000 m3·hm-2、施磷量120 kg·hm-2和土壤不滅AM真菌)，紫花苜?？偢刹莓a量最高，為17 343.69 kg·hm-2，總吸磷量最高，為51.46 kg·hm-2；在RDI+P2+AM處理組的水分利用效率最高為1.64 kg·m-3。