4种豆科牧草抗寒性能比较研究

乔 洁,刘元和,姚永华,娄玉杰

(1.黑河市畜牧兽医局,吉林黑河 164300;2.吉林农业大学,吉林长春 130118)

我国东北地区冬季寒冷,气温较低,全年无霜期90～120 d。年降水的60%集中在6～8月,春旱、秋霜冻为主要自然灾害。多年生牧草的越冬安全性问题一直是人们关注的首要问题。低温通过致命或非致命的冻害使多年生牧草生长分布也不同[1-6]。在我国北方部分地区,普遍存在着苜蓿等牧草越冬率低,容易发生冻害和死亡现象。研究报道,在冬季最低气温为-10～-15℃时,大多数牧草品种能够安全越冬,在最温度超过-20℃的地区,苜蓿等牧草越冬不稳定[7]。多年生牧草越冬抗寒研究方面,对苜蓿研究的较多,而对其他牧草的研究较少。本研究以吉林地区的主要豆科牧草为研究对象,研究紫花苜蓿(Medicago satira)、鹰嘴紫云英(Astragaluscicer)、红豆草(Onobrychisvicii folia)、百脉根(Lotus corniculatus)4种多年生豆科牧草越冬、返青期形态生理指标变化规律及对低温的适性,同时探索越冬力室内鉴定方法,为北方地区生态引种及抗寒性鉴定提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 自然概况

试验区位于吉林省长春市,吉林农业大学牧草饲料作物园 ,位居 E 124°18′～ 127°2′,N 43°5′～ 45°15′。气候界于东部山地湿润与西部平原半干旱区之间的过渡带,属温带大陆性半湿润季风气候类型。年平均气温4.8 ℃。最冷月(12、1月)和最热月(7、8月),平均气温为-11.2℃和23.1℃,最高气温39.5℃,最低气温-39.8℃;初霜期9月下旬,终霜期4月下旬,年平均日照为2 866 h,无霜期为140 d。封冻期10月下旬翌年3月下旬为130 d,最大冻土深度221 cm,,4月土壤昼融夜冻,平均降水量为567.0 mm。

1.2 供试牧草品种

试验牧草及种子选自吉林农业大学牧草饲料作物园多年定植品种(表1)。试验田中4种多年生豆科牧草,自然生长,每年秋季刈割,采集的样本均为生长3年以上。采样地每种牧草由砖铺成0.5 m的甬道隔开。

表1 供试牧草品种及来源Table 1 Forage species for test

1.3 田间和实验室试验

1.3.1 田间试验 试验区牧草自然生长,春季深耕除杂草,除紫花苜蓿8月、10月进行2次刈割外,其他牧草8月刈割1次。于越冬前分别在2007年9月 10日、9月 30 日、10月 20 日、11月 9日 、11 月29 日采样5次,2008年3月 1日、3月 11日、3月 21日、3月 31日、4月9日早春采样5次。

1.3.2 实验室试验 室内用4种牧草种子培育幼苗,并模拟入冻及早春(11～4月)处理。种子来源为吉林农业大学草地教研室上年收获草子。容器塑料花盆上下直径27 cm和20 cm,高17 cm。土壤取试验田表层土,混合均匀,等量放入盆中。选大小一致,无病虫害的种子,0.5%次氯酸钠消毒,后用自来水洗播种,盆播种30粒,每品种3盆。为缩短牧草生长周期,将牧草盆放入HP1000GS型智能人工气候箱培养,设定3:00～19:30:光照度 10 000 lx,温度37 ℃,湿度 50%;19:30～3:00,光照度0 lx,温度20 ℃,湿度50%(恒温波动度≤±0.7℃,温度均匀性≤±2℃,湿度波动≤7%)。等苗齐后间苗,每盆留长势均匀的健壮苗10株。出苗2周从气候箱取出,做降温受冷处理。根据天气记录,拿到室外做变温处理(表2),用温度计测试温度,温度波动范围±1℃,每温度处理时间3 d。模仿早春温度冷暖交替(T1～T5)及入冬降温(T6～T10)进行降温处理,2个阶段共计取样10次,进行相关形态、生理指标的测定[8,9]。

表2 变温处理温度Table 2 Treating temperature

1.4 形态观测指标

大田自然生长牧草在越冬前和返青期,实验室培育牧草在降温处理前和处理后分别测定分枝、越冬前株高、单株重、根颈直径、根颈入土深、越冬芽与长度、返青株高、越冬率等指标,从9月起至冰封土壤前每20 d测量1次,越冬幼苗自出芽起10 d/次。参照[10]的方法对4种冻害受冻与越冬率分析。

1.5 生理指标及数据分析

可溶性糖含量的测定—采用蒽酮比色法[11];过氧化氢酶(CAT)的测定—紫外吸收法[11];环境温度;分别于入冬及早春用温度计记录气温变化。

试验数据采用SAS6.12软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 早春气温变化

4种牧草开始萌动在3月中下旬,早春气温的变化对牧草安全越冬的影响很大,从图1可以看出,3月冷空气活动频繁,冷暖变化剧烈,气温变化呈现冷暖交替进行,最低-10℃,最高11℃,牧草根颈处于融冻交替过程中。

图1 3月气温波动状况Fig.1 Temperature change in March

2.2 形态指标与抗寒性关系

2.2.1 4种牧草越冬率与生长指标特征 大田牧草越冬率较高,而实验室一年生牧草幼苗受冻程度比较高,不同返青品种所占比例比较大,表明一年生牧草耐寒性不稳定,紫花苜蓿、百脉根不存在根颈和根全部受冻症状,相对来说抗寒能力也强(表3,4)。

各种牧草生长特征表现存在明显的差异。越冬前各种牧草株高顺序为紫花苜蓿＞鹰嘴紫云英＞红豆草＞百脉根,单株重大小顺序为紫花苜蓿＞红豆草＞百脉根＞鹰嘴紫云英根。颈直径差异明显,这也与牧草属有很大关系。不同种牧草在根颈入土深度上差异比较大,种间根颈入土深浅顺序为紫花苜蓿＞百脉根＞红豆草＞鹰嘴紫云英,越冬芽个数和长度各种牧草之间差异较大,但与牧草的科属和分枝越冬前株高无必然联系,返青株高则表现不规律。

由表4数据分析,越冬芽与处理前植株状态有密切关系。培育当年的根颈的粗度、分枝数的多少、株高及单株重量,在不同品种之间差异显著(P＜0.01)。各指标与品种间越冬率进行相关性分析发现,越年生牧草越冬率与各牧草的根颈直径、越冬芽数量成显著正相关,相关系数0.568 4和0.364 5(P＜0.01),而培育初年相应的相关系数为0.649 1和0.432 6(P＜0.01);越冬芽长度与越冬率(存活率)之间具有一定的相关性,但相关系数较小,均未达到显著水平。

2.3 生理指标与抗寒性关系

2.3.1 可溶性糖含量变化与抗寒性的关系 植物细胞内可溶性糖含量高,可以增加原生质浓度,降低细胞内含物的冰点,从而起到抗脱水作用及减少细胞内结冰的机会,对原生质、冻敏感蛋白质、偶联因子等起到保护作用。低温下植株中可溶性糖的积累是作为渗透调节物质和防脱水剂而起作用,在低温胁迫下,可以降低细胞水势,增强持水力(图2、3)。从秋季到冬季,随着季节温度的降低,选取5个时间点测定4种牧草根颈中可溶性糖的变化。

表3 4种豆科牧草越年生长指标特征Table 3 Growth index of different legumes forage in the second year

表4 4种豆科牧草一年生长特征Table 4 Growth characteristics of different legumes forage in one year cultivation

图2 不同豆科牧草越年植株越冬前可溶性糖含量变化Fig.2 Variations of soluble sugar of biennia legume forage before over-wintering.

图3 不同豆科牧草培育初年植株降温处理可溶性糖含量变化Fig.3 Variations of soluble sugar under lower temperature treatment in the initial year cultivation

9月中旬到10月初,4种牧草根颈中可溶性糖含量不断积累,紫花苜蓿、红豆草根颈中可溶性糖含量分别增加了114.29%,116.7%。10月最低气温-6.3℃到-15℃,紫花苜蓿进入休眠,根颈中可溶性糖含量出现峰值,11月至最冷月1月,紫花苜蓿进入深休眠期间,根颈中可溶性糖含量有少许的波动,并呈缓慢下降的趋势。其他牧草也呈相应变化。可溶性糖含量下降的原因是从夏末到深秋叶片进行光合作用,其产物向根中输送,可溶性糖增加,从初冬到深冬为了抵抗寒冷低温消耗可溶性糖。

从深冬到春季返青,由于温度导致融冻的变化以及春季生长对自身养分的消耗,各牧草可溶性糖含量的变化呈现先升高后降低的趋势;越年生与初年生长植株表现一致(图4,5)。

2.3.2 过氧化氢酶含量变化与抗寒性的关系 初冬和返青4种牧草根颈中的CAT酶活性随着温度的降低而呈现先上升后下降的趋势,在初冬和返青融冻交替时达到顶峰,进入冬季,酶活性有一定的波动,且活性明显下降。CAT能分解自由基H2O2防止膜脂过氧化对细胞起到保护作用,从而增强植物的抗逆性[12]。从CAT测定结果(图6,7)可以看出,紫花苜蓿CAT活性相对较低,但在秋眠期各牧草间的差异不显著。

CAT活性在低温胁迫下增加的幅度和下降的幅度都相对较大,并在深冬和返青时时保持相对较高活性(图6～9)。

图4 4种豆科牧草越年返青时节可溶性糖含量变化Fig.4 Variations of soluble sugar of different biennia legumes forage in turning green period

图5 4种豆科牧草培育初年变温处理可溶性糖含量变化Fig.5 Variations of soluble sugar under change-temperature treatment of forage different legumes in the initial year cultivation

图6 不同多年生豆科牧草越年植株越冬前过氧化氢酶含量变化Fig.6 Variations of hydrogen peroxidase of different biennia legumes forage before over-wintering

图7 不同豆科牧草越年植株返青时节过氧化氢酶含量变化Fig.7 Variationsof hydrogen peroxidase of biennia elegumes forag in turning green period

图8 不同豆科牧草培育一年降温处理过氧化氢酶含量变化Fig.8 Variations of hydrogen peroxidase under lower temperature treatment in one year cultivation

图9 不同豆科牧草培育一年变温处理过氧化氢酶含量变化Fig.9 Variations of hydrogen peroxidase under change-temperature treatment of different legumes forage in one year cultivation

3 结论与讨论

(1)紫花苜蓿、百脉根抗寒性能明显高于红豆草和鹰嘴紫云英,比较适宜在东北地区或相似气候地区引种,另外,对于多年定植的品种则抗寒性能均较稳定,因此,大批引种时应注意做好第1年越冬安全工作;室内模拟处理可作为抗寒引种的参考。

(2)可溶性糖含量在随着季节温度下降的过程中变化规律性明显,可以做为4种豆科牧草性鉴定的指标。

试验对4个不同抗寒性的豆科牧草测定了不同低温期间牧草的根颈中的可溶性糖、CAT活性等生理指标测定,探讨随着季节温度的降低,从越冬前到越冬、返青前及正常返青在某一个时期测定某综合指标,能够更加准确的判断各牧草品种的抗寒性。研究报道,可溶性糖等指标在随着季节温度下降的过程中变化规律性明显,可以做为植物抗寒性鉴定的指标[13-16],本试验结果也与此相符合。

对越冬率与不同测定时期的生理指标(可溶性糖、CAT)及形态学指标(分枝越冬前植株高度、单株重、根颈直径、根颈入土深、越冬芽、返青株高等)做相关分析,结果表明,在越冬前和返青两个时期,越冬率与CAT、分枝越冬前植株高度相关性不显著,而在初冬时节越冬率与可溶性糖根颈粗存在显著或极显著相关性。由初冬时期测定的各项形态学指标的相关数据(表3、4)可以看出,牧草抗寒性与生长指标具有显著相关性,可以做牧草抗寒性鉴定的辅助指标;CAT活性只与根颈直径具有相关性,其不能作为单一指标来衡量牧草抗寒性的强弱。对不同抗寒性的牧草进行抗寒指标测定时发现鹰嘴紫云英这一抗寒性弱的品种,在低温胁迫下可溶性糖含量的增加值反而大于抗寒性强的红豆草品种,但变化幅度大小、与抗寒性一致。

CAT在低温胁迫中所起的作用己经得到了证明。在正常条件下,植物体内的活性氧(O2-,H2O2,1O2等)的产生与清除处于平衡状态[17-21]。在遭受冷害后,植物体内活性氧的产生能力大于清除能力,相对过量的活性氧在体内过度积累,从而对植物造成伤害。CAT可以分解过氧化氢将其还原成水[22,23]。苜蓿在9月中旬,可溶性糖含量迅速增加,本实验结果与此相一致。实验结果明显看出,越冬率较低的牧草含糖不一定都高,可能是这一品种存活植株对当地气候条件适应性的反应。本实验研究结果表明,可溶性糖分含量是否可以做为牧草抗寒性鉴定的一项指标还有待确定。

(3)相关分析结果表明,与越冬率存在相关性的形态指标根茎直径和越冬芽数量可以作为抗寒性鉴定的主要指标,且对吉林地区而言,在入冬时期进行抗寒性鉴定是最佳时期。

牧草间抗寒性鉴定主要关系到两个方面的问题:一是抗寒性鉴定的时期,同一植物在不同的生长发育阶段具有不同的抵抗低温能力,紫花苜蓿在生长期抗寒性远低于休眠期。抗寒性在秋季低温短日照的诱导下才能表现出来。因此,紫花苜蓿的抗寒性应在休眠期鉴定才有一定的意义;二是抗寒性鉴定的生理指标。植物的耐寒性是植物在低温胁迫下,通过自身的遗传性和生理、生化等方面的反应,减弱低温伤害的影响而维持正常生长发育的一种特性[24]。所以,牧草的抗寒性在不同作物和不同品种之间表现不同,也是可以遗传,并能够在低温诱导过程中从植株相关的生理和生化指标上反映出来。因此,牧草耐寒性的鉴定,就是利用植株在低温胁迫条件下,相关的生理生化指标的变化分析植物适应性,所以,必须根据具体植物和具体环境条件采用适宜的鉴定指标,才能获得较好的试验结果。

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