不同干旱处理对科尔沁沙地不同苜蓿品种生产性能的影响

郝培彤， 李玉龙， 宁亚明， 高 秋， 刘 芳， 吉 高， 张尚雄， 王显国*

(1. 中国农业大学草业科学系， 北京100193； 2. 全国畜牧总站， 北京100125)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.) 是优质的多年生豆科牧草被称为“牧草之王”，《全国苜蓿产业发展规划(2016—2020)》提出到2020年，建设优质苜蓿种植基地600万亩，优质苜蓿总产量达到540万吨[1]。紫花苜蓿与根瘤菌的共生固氮作用能改善土壤肥力，其根系十分发达具很强的水土保持和防风固沙能力[2]，可有效改善沙地生态环境。近年来，科尔沁沙地的苜蓿种植、加工业取得了快速发展，现已成为我国机械化程度最高、种植面积增长最快、投资力度最大、产业化水平较高的新兴苜蓿优势产区，是全国最大的优质苜蓿草生产基地。截止2017年以阿鲁科尔沁旗(阿旗)为主的科尔沁沙地现已建成集中连片紫花苜蓿种植基地107万亩。阿旗地区机械化、规模化的种植技术发展较成熟，全年可刈割3～4茬，干草产量达700～800 kg·亩-1。已有研究表明，决定阿旗地区紫花苜蓿越冬返青成败的限制因素为严寒和干旱，其中干旱是主要限制因素，严寒为次要因子[3-4]。因此选择抗旱丰产的苜蓿品种已是阿旗地区苜蓿产业所面临的主要问题。

紫花苜蓿生长期对水分需求较高，不同气区域、气候年份、刈割茬次及生长发育阶段都会影响紫花苜蓿的需水量[5]，而阿旗地区地处半干旱大陆季风性气候区，冬春季节风大干燥，常年干旱少雨。生长季刈割前为减轻机械对土壤的碾压，收获前4～5 d停止灌溉，刈割后就地晾晒4～5 d再打捆运出草田，整个收获过程会出现10 d左右的无浇灌期，加上沙土持水能力差使得苜蓿长时间处于干旱失水状态。普遍认为，紫花苜蓿草产量由3个主要因素决定：单位面积株数、单株茎数和单茎生物量，苜蓿根颈具有分生组织的特性，是产生分枝的主要部位[6]，直接影响着苜蓿的再生性、抗逆性[7-8]、抗病虫害性[9-10]和生产性能，由于不同紫花苜蓿品种根颈的耐旱程度不同，因此，刈割后恢复灌溉的时间和灌溉量对紫花苜蓿后期的生长速率、生产性能造成影响。赵海明[11]对紫花苜蓿抗旱性鉴定评价方法的研究表明：地上生物量、地下生物量、株高、根长、分枝数和根冠比均与平均抗旱系数、平均抗旱指数呈极显著相关性，均适宜作为苜蓿抗旱性鉴定指标，其中地上生物量、株高相关系数较高。因此，本文采用株高和地上生物量作为不同苜蓿品种抗旱能力的评价指标。

适宜的灌溉模式不仅可以促进植物生长增加干物质产量还能提高水分利用效率节约水资源[12]。目前，对于刈割作业之后的不同干旱处理对苜蓿生产性能方面的影响未见报道。田间试验由于不可控因素多，易受气候、风速、温度等因素的影响，基于此采取室内模拟生长季研究刈割后维持不同程度干旱2周再恢复灌溉对苜蓿产量、再生性的影响，探究刈割后不同品种苜蓿的抗旱能力，为指导田间制定适宜的灌溉模式提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2017年5月13日在内蒙古赤峰市阿鲁科尔沁旗(以下简称阿旗)试验地采集返青后株高、根颈大小相对一致的‘WL298’(秋眠级 3.2)、‘骑士T’(秋眠级 3.9)、‘巨能4015’(秋眠级 4)植株并带回中国农业大学农学院温室进行盆栽缓苗，种植土为阿旗当地沙土，每盆移栽5株(花盆上口径16 cm，下口径9.5 cm，高23 cm)，每处理5次重复，温室温度维持在25～30℃。

1.2 试验设计

将采集的‘WL298’、‘骑士T’、‘巨能4015’植株温室盆栽并缓苗20天后剪至3 cm，第一茬正常浇水(田间持水量的75%～80%)、除草，一周浇一次Hogland营养液，4周后进行刈割处理，留茬3 cm。

第二茬处理：刈割之后开始干旱处理，利用称重法控制土壤干旱程度，当土壤含水量降至试验要求时每天称重补水，继续维持相应干旱处理条件2周，之后恢复正常浇水，恢复正常浇水后每7天测一次株高，4周后进行第二茬测产，留茬3 cm。干旱处理分别为：轻度干旱(W1：田间持水量55%～60%)，中度干旱(W2：田间持水量35%～40%)，重度干旱(W3：田间持水量15%～20%)，CK为正常浇水(田间持水量的75%～80%)。

第三茬处理：同第二茬。

1.3 指标测定

株高：用卷尺测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)称量鲜重，105℃下杀青15 min后，65℃烘干24 h测得地上部干重。

1.4 数据处理与分析

试验数据用SPSS 19.0统计软件整理并进行分析，采用两因素方差分析和One-way ANOVA进行方差分析，用DUNCAN法多重比较，并用EXCEL 2013制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同品种第二茬株高及产量

由图1可知，‘WL298’品种材料刈割后不同水分条件干旱2周并恢复正常灌水后生长速度整体表现为先快速增长后缓慢增长。在田间持水量15%～20%的干旱处理条件下，前两周株高显著低于其余处理(P<0.05)，第四周生长速度最快增速达26.9%。而对于‘骑士T’品种而言，对照(田间持水量的75%～80%)条件下‘骑士T’第一周的株高为三个品种中最大值为21.21 cm，第四周株高在供试的三个品种中最高达34.96 cm。第一周株高结果显示，对照(田间持水量的75%～80%)条件下株高显著高于其他处理(P<0.05)，但在各个不同的干旱处理之间株高的差异不显著。‘骑士T’品种在田间持水量55%～60%和田间持水量35%～40%的干旱处理条件下生长速度都表现为先增加后减小的趋势。‘巨能4015’品种在第一周时，在田间持水量55%～60%和田间持水量35%～40%的干旱处理条件下，两者之间差异不显著，第二周之后，田间持水量35%～40%的干旱处理的生长动态几乎与田间持水量55%～60%的干旱处理的生长动态一致。‘巨能4015’田间持水量15%～20%的干旱处理条件下第一周株高最高为13.26 cm，但田间持水量15%～20%的干旱处理条件下其生长速度较慢平均增长率为14.3%。

图1 不同水分下各品种第二茬株高动态Fig.1 The dynamics of plant height under differentmoisture onditions of different varieties in the second cutting注：不同小写字母表示同一时间不同干旱处理之间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一干旱处理条件下不同时间之间差异显著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

由图2可知，除田间持水量35%～40%的干旱处理外，其余各处理梯度下鲜重均表现为‘骑士T’>‘WL298’>‘巨能4015’，‘巨能4015’受水分影响最严重，恢复速度最慢。在对照(田间持水量的75%～80%)和田间持水量55%～60%的干旱处理条件下，‘骑士T’、‘WL298’的鲜重较高，而‘巨能4015’的鲜重较低。‘骑士T’在田间持水量35%～40%和田间持水量15%～20%的干旱处理条件下鲜重显著降低。‘巨能4015’在田间持水量35%～40%的干旱处理条件下其鲜重显著低于对照(田间持水量的75%～80%)(P< 0.05)。由图2可知，除对照(田间持水量的75%～80%)外，其余各干旱处理条件下，样品的干重均表现为‘WL298’最大，‘骑士T’次之，‘巨能4015’最少。对照(田间持水量的75%～80%)处理条件下，‘骑士T’、‘WL298’材料的干重较高，‘巨能4015’材料的干重最低，但三者之间差异不显著，在田间持水量35%～40%的干旱处理条件下，‘巨能4015’材料的干重显著低于其他两个品种(P< 0.05)。

图2 不同水分处理对各品种第二茬鲜重、干重的影响Fig.2 The effects of fresh weight and dry weight underdifferent moisture treatments in the second cutting注：不同小写字母表示同一材料不同干旱处理条件之间差异显著(P< 0.05);不同大写字母表示同一干旱处理条件不同材料之间差异显著(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 不同品种第三茬株高及产量

由图3可知，‘WL298’品种材料在刈割后进行不同干旱处理2周，恢复灌水后，第三茬的生长整体表现为先快速增长后缓慢增长的趋势，且不同干旱处理条件下，第三周、第四周的株高差异均不显著。‘骑士T’品种材料恢复灌水后，第一周各干旱处理植株的株高显著低于对照(田间持水量的75%～80%)处理(P< 0.05)。在整个生长过程中，‘骑士T’品种在田间持水量的55%～60%的干旱处理和田间持水量的35%～40%的干旱处理之间没有显著性差异，在田间持水量的15%～20%的干旱处理条件下，‘骑士T’的生长速率表现为逐步加快，到了第四周，各干旱处理间的株高没有显著性差异。‘巨能4015’品种材料各干旱处理材料第一周的株高显著的低于对照(田间持水量的75%～80%)材料(P< 0.05)，但到了第二周、第三周，田间持水量的35%～40%干旱处理和田间持水量的15%～20%干旱处理的株高显著低于田间持水量的55%～60%干旱处理和对照(田间持水量的75%～80%)处理(P< 0.05)，到了第四周各个处理间的株高不存在显著性差异。

图3 不同水分下各品种第三茬株高动态Fig.3 The dynamics of plant height under differentmoisture conditions of different varieties in the third cutting注：不同小写字母表示同一时间不同干旱处理之间差异显著P<0.05；不同大写字母表示同一干旱处理条件下不同时间之间差异显著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

由图4可知，除对照(田间持水量的75%～80%)处理外，各干旱处理条件下鲜重均表现为‘WL298’最高。对于‘骑士T’材料而言，各干旱处理的鲜重显著的低于对照(田间持水量的75%～80%)处理(P< 0.05)。在对照(田间持水量的75%～80%)和田间持水量的55%～60%的干旱处理条件下，‘巨能4015’的鲜重为三个品种中最低的。‘巨能4015’和‘骑士T’的鲜重在田间持水量的55%～60%干旱处理时就显著的低于对照(田间持水量的75%～80%)处理(P<0.05)。再对照处理中，‘巨能4015’和‘骑士T’的鲜重产量构成显著性差异(P<0.05)。而通过各个材料的干重可以看出，除对照(田间持水量的75%～80%)处理外，各干旱处理条件下材料的干重均表现为‘WL298’最高，‘骑士T’次之而‘巨能4015’最低。田间持水量的55%～60%的干旱处理条件下，‘巨能4015’材料的干重显著低于‘WL298’材料(P<0.05)。在田间持水量35%～40%的干旱处理条件下，‘骑士T’、‘巨能4015’的干重低于‘WL298’，但三者之间差异不显著。干旱处理降低‘巨能4015’的植株干重，且干旱处理越严重，材料的干物质含量越低。

图4 不同水分处理对各品种第三茬鲜重、干重的影响Fig.4 The effects of fresh weight and dry weightunder different moisture treatments in the third cutting注：不同小写字母表示同一材料不同干旱处理条件之间差异显著P<0.05;不同大写字母表示同一干旱处理条件不同材料之间差异显著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 讨论

水分是植物生长过程必不可少的环境生态因子之一，水分通过影响土壤物理结构、紧实度、透气性、渗透压、微生物群落组成等间接影响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条件下的生存能力，作物的抗旱性不仅包括在土壤干旱或大气干燥条件下的生存能力，还包括作物产量稳定在一定水平的能力。不同种类作物对干旱或水分亏缺表现出不同的抗性，同一作物的不同品种也变现不同的抗旱性[14-15]。植物生长量是表征干旱胁迫条件下植物生理反应的敏感指标之一[16]，根据产量表现来判定苜蓿品种的抗旱性是筛选当地适宜品种的经典方法，所得结果在生产实践中真实可靠[17-20]。李跃[21]对不同紫花苜蓿品种幼苗生长对水分胁迫的响应研究结果表明紫花苜蓿茎、叶的干重对水分胁迫的响应依品种和胁迫程度的不同而不同。郭书嫄[22]在苜蓿的分枝期及开花期进行干旱胁迫，其结果表明干旱胁迫降低了紫花苜蓿叶片的生物量，但在一定范围内，抗旱性强的金皇后拥有更高的地上生物量，分枝期干旱胁迫地上生物量降幅大于开花期。本研究结果表明，在苜蓿生长季刈割后，进行干旱处理，不同苜蓿品种对水分胁迫的响应也各不相同。三个供试品种的影响大体都表现为随水分供应的恢复逐渐恢复生长。‘WL298’在轻度干旱(田间持水量55%～60%)下具有明显的生长优势，而当土壤含水量低于40%时‘WL298’生长受到的抑制作用较明显；在重度干旱(田间持水量15%～20%)的处理条件下，后期‘WL298’生长速度不断加快，株高增长率也为四个干旱梯度下最大值，可能是干旱胁迫解除后‘WL298’开始快速生长，即‘WL298’的抗旱能力较强。‘骑士T’对水分变化敏感，即使轻度干旱也会影响其再生性能。在重度干旱(田间持水量15%～20%)的处理条件下，恢复正常供水后‘骑士T’也没有恢复生长，说明干旱胁迫对苜蓿的抑制太大以至于干旱胁迫解除后也无法恢复其生长性能，说明田间管理时应在刈割后及时进行灌溉。这与阿旗田间试验结果表明轻微的干旱会显著抑制‘骑士T’的生长结果相一致。即使轻微干旱也会显著抑制‘巨能4015’的生长。各干旱条件下‘巨能4015’第一周的株高在供试品种中均表现良好，在田间持水量15%～20%的干旱处理条件下，其整体生长速度均表现缓慢，说明干旱处理对‘巨能4015’苜蓿的再生性造成一定的影响，所以恢复灌溉后也难以快速恢复。

刈割后持续2周不同程度干旱后复水对供试品种第二茬产量的鲜重、干重影响结果说明‘骑士T’对干旱的忍耐程度较强且恢复正常供水后能快速生长，虽然‘骑士T’株高并不是表现最好的，但‘骑士T’能积累更多的营养物质，增加产量及干物质的含量，田间种植‘骑士T’刈割后及时灌溉可以加快干物质的积累。综上，刈割后越早浇水苜蓿产量越好，当土壤田持降至55%以下显著减少各品种干、鲜重，即使恢复正常供水各品种的恢复程度也都较差。

由于采取室内试验，且第三茬试验期间由于温室开启补光的原因，造成第三茬各供试品种在株高、鲜重、干重上都显著高于第二茬，说明生产期间前茬刈割后恢复灌溉时间的早晚与后茬的产量及生长性状在一定程度上相关性不大，后茬加强田间管理可一定程度的补偿前茬带来的损失。

4 结论

不同干旱处理对不同品种苜蓿再生性能的影响不同，‘WL298’苜蓿的再生性能最强，即使在重度干旱(田间持水量15%～20%)的处理条件下，后期‘WL298’生长速度不断加快，株高增长率也为四个干旱梯度下最大值，可能是干旱胁迫解除后‘WL298’开始快速生长，只有在当田间持水量15%～20%的干旱处理条件下，其干物质含量才显著的低于对照处理，最多比对照降低了53.5%，说明‘WL298’苜蓿的抗旱能力较强。‘骑士T’对水分变化最为敏感，水分充足时‘骑士T’表现出最佳的生长及再生能力，相同条件下‘骑士T’能积累更多干物质，但进行干旱处理后，其干物质含量均显著的低于对照处理，降低值最高达57.8%。