稻田埂种植三叶草的效能研究：固氮和对空心莲子草的抑制作用

2020-08-28于文娟刘龙生钟雪莲姬红丽彭云良

西南农业学报 2020年7期

于文娟，刘龙生，钟雪莲，罗涵，姬红丽，彭云良，3*

(1.四川省农业科学院植物保护研究所/农业部西南作物有害生物综合治理重点实验室，四川成都 610066；2.衡阳市农业科学研究所，湖南衡阳 421101；3.中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，浙江杭州 311401)

【研究意义】绿色革命在成功地提高水稻、小麦等主要农作物产量的同时，大量使用化学肥料和农药也造成了土壤质量下降和生物多样性降低、生产成本提高、环境污染和食品安全风险上升等一系列生态和社会问题[1-2]。田间生态工程技术，主要是利用工程和植被相结合技术来改善农田生态条件和生产功能，已被证明可以改善农田生态环境，特别是天敌昆虫生存和取食条件，减少化学农药投入[3-5]。【前人研究进展】豆科植物因为其较强的固氮效应可以增加农田系统中有机N含量[6-7]而作为农田生态工程的重要工程植物[8-10]。已有研究也发现种植豆科绿肥作物增加地面覆盖度，且抑制杂草滋生[11-12]。【本研究切入点】白三叶草(TrifoliumrepensL.)为多年生豆科草本植物[13-14]，在我国南方稻田田埂、沟渠、道路及空地常有零星分布。其花量丰富，叶形美观，匍匐生长，侵占力强，耐践踏，是园林绿化的良好材料；同时也因为其绿期长，消化率高，蛋白含量高，粗纤维含量低，适口性好成为饲料生产及草地改良中公认的优良牧草[15-17]。另外，该植物在改良土壤，提高土壤肥力，抑制杂草生长，增强生物防治能力等方面也均有很好的作用[18-21]。【拟解决的关键问题】为明确其作为南方稻田田埂覆盖植物的价值，本研究对其在田埂种植条件下作为饲料、肥料的价值以及对草空心莲子草[Alternantheraphiloxeroides(Mart.) Griseb.]的抑制作用进行了研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

白三叶草(T.repensL.)品种为Haifa,澳大利亚引种，购自四川林旺农牧科技有限公司。空心莲子草[A.philoxeroides(Mart.) Griseb.]采自四川当地水稻田田埂。

1.2 试验地地点

试验地分别设置在四川省绵阳市江油市武都镇海金村(E104°48′09″,N31°52′20″,H 569 m)和湖南省衡南市衡南县三塘镇大广村(E112°49′14″,N26°89′06″,H 70.1 m)。两地均属北亚热带湿润季风气候，其中江油试验地具有夏热冬暖，暑期长，降水丰沛，雨热同步的特点，湖南衡南试验地具有热量充足，雨水集中，春暖多变，夏秋多旱，冬寒期短，暑热期长的特征。

1.3 试验方法

1.3.1 三叶草播种 2015年4月初选择晴天用草甘膦防除田埂已有杂草，施药7 d后将白三叶草分别播种于四川江油和湖南衡南基地的水稻田田埂上，田埂面积播种2 kg/667m2。播前不松土，播后不覆盖，不再施用任何肥料和农药。

1.3.2 三叶草固氮和磷、钾吸收能力评价 2016年7月至2017年7月间，在2个基地各选取12个1.0 m×0.3 m(长×宽)长满三叶草的田埂段，每3周割取所选区域内三叶草的地上部分，剔除杂草和杂质后用自来水清洗干净，105 ℃杀青15 min后再经70 ℃烘干24 h，称取各采集点的三叶草干重后样品压碎，保存于-20 ℃冰箱备用。样品进一步分析前进行混样，将同一季度和同一地点采集的三叶草烘干、粉碎样品完全混合，称取100 g样品，送四川省农业科学院测试中心测定粗蛋白含量，测量方法依据为食品安全国家标准食品中蛋白质的测定(GB5009.5-2016)；送四川省农业科学院土壤肥料研究所测定N、P、K的含量，测量方法分别依据NY/T2419-2013 植株全氮含量测定自动定氮仪法，NY/T2421-2013 植株全磷含量测定钼锑抗比色法，NY/T2420-2013 植株全钾含量测定火焰光度计法。

1.3.3 三叶草对空心莲子草抑制作用评价试验于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)在大棚温室内圆形水泥池(内径1 m)中进行。试验前先用水浇灌透彻整个水泥池，然后将3株三叶草(分蘖数1～2)和空心莲子草(3节其中1节带须根)对峙种植在水泥池内(图1)，三叶草和空心莲子草行间距20 cm。移栽后7 d内每天足量浇水，以保证全部植株存活。后续处理A为各水泥池每天浇水2 L，处理B为每5 d各水泥池浇水2 L，处理C为整个实验期间不浇水。试验为完全随机排列，重复3次。实验结束时，先对每个处理的水泥池进行整体拍照，计算三叶草和空心莲子草所占面积；然后分别割取三叶草和空心莲子草，清洗干净称其鲜重，再经105 ℃杀青15 min和70 ℃烘干24 h后，称其干重。

图1 三叶草与空心莲子草竞争实验的移栽图示Fig.1 Illustration of white clover (Trifolium repens L.) and Alternanthera philoxeroides in the competition experiment

1.4 数据分析

单位面积三叶草干物质重量公式为(g/m2)=小区所采白三叶草样品干重/0.3

粗蛋白、氮、磷、钾固定和吸收量公式为：粗蛋白/氮/磷/钾(g/kg)=A×B/1000

式中，A：所测样品的粗蛋白/氮/磷/钾重量；B：同一时间段该季度所有白三叶草干物质总量的总和。

利用Excel和SAS软件(SAS Institute Inc.,NC,USA)进行实验数据处理与单因素方差分析，用Duncan多重比较进行差异显著性分析、Student t-test进行两者差异性比较。

2 结果与分析

2.1 三叶草干物质重量

经过1年的刈割，江油和衡南2个试验点每平方米共获得白三叶草的平均干重分别为69.46和129.49 g。从2个试验点的单位面积三叶草干重动态(图2)可以看出，四川江油头年三叶草最高干物质量出现在头次收割的7月，其后逐渐减少，11、12至次年1月最低，然后又逐渐增加，其中次年5-7月所收获的干物质显著高于其他月份(P<0.05)；在湖南衡南，单位面积白三叶草干重收获量第1次刈割以后，白三叶草干物质也下降，但自8月其收获量逐渐增加，至次年4月达到高峰。

图2 2016-2017年四川江油和湖南衡南三叶草干物质动态变化Fig.2 Dry matter dynamics of clover in Jiangyou,Sichuan province and Hengnan,Hunan province from 2016 to 2017

2.2 白三叶草固氮能力和磷、钾吸收能力评价

图3显示，对2个试验点不同季度三叶草样品的粗蛋白含量及氮、磷、钾含量进行分析，发现其含量在不同地点和季节均有显著差异，其中四川江油试验点以2017年1-3月混合样品粗蛋白和氮含量最高，达到290和47.87 g/kg，显著高于其他季度的标样(P<0.05)，不同季度样品中粗蛋白含量变化与氮含量相一致；磷含量也以2017年1-3月样品含量最高，达到3.95 g/kg，显著高于其他时段采获样品(P<0.05)；钾含量则以2016年7-9月样品中含量最高，达到27.29 g/kg，显著高于其他标样(P<0.05)。湖南衡南粗蛋白和氮含量也均以2017年1-3月混合样品的含量最高，分别达到207和39.73 g/kg，2017年4-6月含量与之无显著差异，但显著高于其他时段采获样品(P<0.05)，磷和钾含量也以2017年4-6月样品含量最高，分别达到3.48和33 g/kg， 2017年1-3月含量与之无显著差异，但显著高于其他时段采获样品(P<0.05)。

不同字母表示粗蛋白/氮/磷/钾在相同实验地点不同采样时间段的差异性，用新复极差法(Duncan’s multiple range test)在P=0.05 水平上进行差异显著性分析；粗蛋白/氮/磷/钾在不同实验地点相同采样时间段上的差异显著性分析采用Student t-test检测，“**”在P<0.01 水平上差异显著

结合样品干物质重量可以发现，江油试验点白三叶草自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月时段吸收和固定氮含量最高，达到12.23 g/m2，在此12个月中白三叶草吸收磷3.781 g/m2和钾26.311 g/m2，分别以2017年1-3月时段吸收量最高，达到1.12 和7.948 g。衡南试验点三叶草在上述12个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月的时段吸收和固定氮为最高，达到27.1 g/m2，在此12个月中白三叶草吸收磷 6.679 g/m2、钾42.202 g/m2，分别以2017年4-6月时段吸收量最高，达到2.49和23.57 g/m2。对不同试验点白三叶草固定和吸收氮磷钾的能力进行比较，发现江油试验点三叶草在一整年固定和吸收的氮磷钾含量均低于衡南试验点；除第一次采集外的其它相同时间段内，衡南试验点每平方米白三叶草固氮和吸收磷钾的能力均高于江油试验点，除2016年7-9月磷和钾吸收量。

2.3 三叶草对空心莲子草的抑制作用

在夏季试验(2017年7月26日至9月23日)中，不同灌溉条件下的空心莲子草长势明显好于三叶草，但干旱条件下空心莲子草所占面积有所减小，分别占整体面积的5/6(处理A)、3/4(处理B)及3/5(处理C)。而在秋冬春试验(2017年9月5日至2018年3月5日)中，不同灌溉条件下三叶草长势均明显优于空心莲子草，分别占整体面积的6/7(处理A)、3/4(处理B)及3/4(处理C)，随着浇水减少，三叶草所占面积减少并不明显(图4、表1)。从2种植物的鲜重和干重看，夏季不同灌溉处理条件三叶草平均鲜重和干重无显著差异，鲜重在10.581～14.789 g和干重在1.7856～1.8711 g；而空心莲子草的鲜重则在41.9～196.55 g，干重4.634～16.576 g ，均极显著高于白三叶草的重量(P<0.01)。在秋冬春试验中，三叶草平均鲜重和干重显著增加，分别为483.33～562.22和39.883～55.484 g，并不受灌溉条件的影响。与夏季试验相比，秋冬春季节空心莲子草的鲜重和干重除了未浇水处理下外，均显著下降，并显著低于同期三叶草的鲜重和干重，与夏季一样，长期不浇水条件下空心莲子草鲜重和干重与每5 d浇2 L水处理下的重量无显著差异，但显著低于每天浇水2 L条件下重量(P<0.05)。

表1 2017-2018年三叶草与空心莲子草竞争实验—三叶草/空心莲子草竞争面积、鲜重、干重

S：夏季实验(2017年7月26至9月23日)，W：冬春实验(2017年9月5日至2018年3月5日)；A(处理A)：每天浇水2 L；B(处理B)：每5 d浇水2 L；C(处理C)：实验期间不浇水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 讨论

三叶草生长的最适温度为 19～24 ℃，在气温较低的春、秋季，甚至冬季，三叶草生长良好，而在气温较高的夏季，三叶草受高温影响而进入生长滞缓期[14]。每个月刈割后的三叶草获得的干物质在随着温度的变化而变化；在四川江油的三叶草获得干物质最多的季节在5-7月；而湖南衡南却在3-4月，这可能与江油夏季最高温度低于衡南有关。白三叶草自第1次刈割后，每3周内都能获得一定量的干物质，并且干物质量在逐渐增加。说明三叶草是一种高产的豆科牧草，可以在整年中为家畜家禽提供充足的饲料及绿肥材料。家畜生产不仅受牧草的产量影响，更重要的是受牧草质量的影响[22]，粗蛋白质是衡量牧草品质的重要评价指标[23]。四川江油和湖南衡南每个季度的粗蛋白含量均在25 g/m2以上，在1-3月时含量最高，最高可达到145.7 g/m2以上；而在7-9月含量最低。因为粗蛋白质的含量随着三叶草的成熟度的提高而下降，当三叶草由营养生长时期转入到生殖生长时期时，为了适应开花的需要，使本身含氮物质降低，同时加上纤维素含量的增加，因此，三叶草的粗蛋白质含量就会相对降低[24-25]。白三叶与根瘤菌之间存在着特有的共生固氮体系[26]，无论是在低洼潮湿地带还是坡坎干燥环境中生长的白三叶，都无一例外的有根瘤形成，结瘤率百分之百[20]。这在一定程度上说明了白三叶与根瘤菌的共生结瘤具有稳定性、强大性与适应区域的广布性。除固氮作用外，白三叶草也有较强的对磷、钾元素吸收能力，尤其在冬季含量最高，可以作优质牧草和绿肥。

植物的种间竞争总是趋于一边，只有一个强者。由于三叶草和空心莲子草占有的生态位不同，因此，对环境中的光、热、水、土壤养分的利用也不同，但由于环境资源的有限性，两者间必定存在着激烈的竞争，种间竞争通过影响两者在群落中的地位，从而影响其生产能力[27-29]。植物的竞争是决定群落性质的主要因素，而植物的竞争能力又受到胁迫和干扰因子的制约。本研究发现，三叶草和空心莲子草移栽成活后，随着气温的升高空心莲子草逐渐占据优势地位。而在秋季温度下降后，属暖季型植物的空心莲子草的竞争优势逐渐减弱，三叶草却长势优良，竞争优势逐渐突出，靠其强大的分蘖能力逐渐占据主导地位；水分的增减对三叶草的生长影响并不显著，经历7个月的干旱，其竞争力明显高于空心莲子草，最后占据群落中的主导地位。