切段长度、种植深度和覆草厚度对矩镰荚苜蓿地下茎扩展能力的影响

颜家全，魏甲科，齐帅，程家琦，蔡梅梅，方强恩

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

矩镰荚苜蓿(Medicagoarchiducis-nicolai)又称青海苜蓿，为豆科苜蓿属长根茎型无性系天然牧草，在青藏高原东部及其周围3 000～4 000 m的高寒草甸中广泛分布。在青藏高原牧区，矩镰荚苜蓿与禾草、苔草等形成的大面积无性系植物群落，草层低，草质良好，繁殖能力强，是优良的夏季牧场。观察发现，矩镰荚苜蓿的种子成活率极低，主要依靠地下茎进行种群繁殖和延续。地下根茎是根茎型植物所特有的，也是根茎型植物贮藏营养物质的重要器官[1]，它不仅具有营养繁殖和扩展种群生态位空间的功能[2-3]，也是植物无性繁殖分株的主要器官，在植物的养分储存、运输和无性繁殖、物质交换和器官可塑性等方面起着关键作用[4-10]。目前，关于豆科苜蓿属的研究主要倾向于逆境胁迫下的生理机能反应、生长发育和产量形成等方面，而且都集中于紫花苜蓿(MedicagoSativa)、花苜蓿(Medicagoruthenica)等常见苜蓿属牧草[11-14]。在高寒环境中，矩镰荚苜蓿地下茎具有很强的扩展能力，能够安全越冬，若合理利用则能为寒冷、干旱地区的草地建植和畜牧业发展发挥重要作用。目前矩镰荚苜蓿仍处于野生状态，关于影响其地下茎扩展能力因素的研究报道较少。本试验选取祁连山东段高山草原自然生长的矩镰荚苜蓿作为试验材料，拟在人工栽培条件下探究影响地下茎扩展能力的因素。

在人工栽培上，覆盖是一种常用的农作技术，能够保水保墒，抑制杂草，为植物发育提供稳定的土壤环境[15-17]。种植深度对植株的发芽和成苗有着直接影响，深度的不同，土壤性质可能也会不同，造成植物营养繁殖的状况不同，因此也是人工栽培时必须考虑的一个重要因素[18-19]。根茎片段是根茎型植物前期生长发育的营养库，能满足发芽成苗营养要求的适宜的片段长度，也是栽培和移植能否成功的关键因素。

目前的覆盖方式主要有地膜覆盖、秸秆覆盖、草类覆盖以及砂砾覆盖等。秸秆和稻草类覆盖也称之为有机覆盖，可以有效地保水保墒和抑制杂草，在一定程度上还可以增加土壤有机物质[20-21]。在我国，地膜覆盖技术多用于谷类等经济作物，根茎型作物集中在大蒜和甘薯等鳞茎和块茎类作物[22-23]，但是都没有涉及种植深度和地下茎长度这两个因素。因此，本试验运用灰色关联分析[24-28]和方差分析，确定矩镰荚苜蓿根茎扩展的最适覆草厚度、种植深度以及根茎片段长度，以期为矩镰荚苜蓿的人工栽培繁殖提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选取位于祁连山东段的天祝藏族自治县甘肃农业大学高山草原生态试验站内自然生长的矩镰荚苜蓿。

1.2 试验设计

1.2.1 田间处理与设计 育苗试验地设在天祝县高山草原生态试验站内。试验地原是燕麦种植田。前期对试验地进行深耕，人工拣出土壤中杂草的繁殖片段及杂物，除杂后耙平。将试验地分为4行(每行的种植方式依次为：短深、短浅、长深、长浅)，行长18 m，行与行之间间隔50 cm。再将每行等距分为3个不同覆草厚度的处理：3、1和0 cm(无覆盖)。再将每个处理等距分为3个重复，每个重复种植4行，每行等距放入5个根茎片段。片段选取处于营养生长初期(2020年5月)的矩镰荚苜蓿根状茎，挑选出带褐芽的根状茎片段，将其截为10 cm(短片段)和20 cm(长片段)的2种片段，每个片段至少含有3个褐芽，然后以5cm(浅种植)和10 cm(深种植)种植深度分别种植于3个不同覆草厚度的试验地中，使其自然生长。

1.2.1 试验地育苗与管理 在覆草上覆盖一层防尘网(网格稀疏，没有遮阴效果)，避免大风对覆草层的影响。在片段发育期内，不施肥和灌溉，定期田间除杂(一个月2次)，若防尘网出现破损以及覆草处理出现裸露，及时采取补救措施。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 取样 在矩镰荚苜蓿枯黄期之前，2020年10月初进行随机取样。为了保证取样植株地下部分的完整，以植株基苗为圆心，作半径为30 cm的圆(根据地上部分的生长情况可以适当增加或缩减半径)，在此范围内深挖30 cm，然后再从表层土壤开始逐步向下将土壤除去。对挖出的植株进行根部梳理，随后进行编号和拍照。

1.3.2 根茎扩展性综合评价指标测定 新根茎数量：从埋入的片段上新长出的地下横向生长的根茎数量。

根茎扩展最大距离：测量10株苜蓿根状茎的最远扩展距离，计算平均值。

地下生物量：地下部分洗净，在70℃下烘干至恒重，用电子天平称出每株干重，单位g/株。

地上生物量：地上部分洗净，在70℃下烘干至恒重，用电子天平称出每株干重，单位g/株。

新根茎发生率：在每个处理中，有新生根茎的植株占总取样数的比率。

1.4 数据统计

用Excel 2016进行数据整理， SPSS 26.0统计软件进行显著性检验(单因素方差分析)，使用sigmaplot10.0进行图表制作。

1.5 根状茎扩展的综合性评价方法

采用灰色关联分析的方法对植株的根茎扩展能力进行综合性测定。以X表示12种不用的处理组合，Y表示测定的各种指标，各处理与每个指标构成一个数列矩阵Xi。使X0作为母序列(以各指标最优值组成)。具体的计算步骤如下：

(1) 对矩阵中的各指标进行无量纲初始化处理。

(2) 计算矩阵中Yij的绝对值Δ(y)=∣X0(y)-Xi(y)∣

(3) 计算关联系数：εi(y)=

2 结果与分析

2.1 不同覆盖方式及种植方式下矩镰荚苜蓿的新生根茎数量

在无性繁殖为主的植物中，植株根茎的数量可以反映其生态位的占据能力和地下扩展能力。通过方差分析可知，无覆草处理下的20×10(20 cm片段长×10 cm种植深度)的种植方式为最优处理，新根茎数为3.941；覆草1 cm处理下的10×10(10 cm片段长×10 cm种植深度)的种植方式最差，新根茎数为1.000。因覆盖方式与种植方式之间无交互效应，所以对各主效应之间进行显著性检验。结果表明，在不同覆盖方式下，覆草3 cm与无覆盖和覆草1 cm之间均无显著差异(P>0.05)，覆草1 cm与无覆草存在显著差异(P<0.05)(图1-A)。4种不同的种植方式间均无显著的差异(图1-B)。

图1 不同覆盖方式及种植方式下新生根茎数量Fig.1 Number of newborn rhizomes under different mulching and planting methods注：不同的小写字母代表不同处理间存在显著差异(P<0.05)；盖0、盖1、盖3分别表示无覆草、覆草1 cm、覆草3 cm；10×5表示种植片段长10 cm，种植深度为5 cm，下同

2.2 不同覆盖方式及种植方式下矩镰荚苜蓿的根茎扩展距离

根茎的扩展距离可以直观的反应各处理下植株地下横向扩展能力。在12个处理中，覆盖方式为3 cm，种植方式为10×10的处理最好，为212.900 cm；覆盖方式为1 cm，种植方式为10×10的处理最差，为51.214 cm。通过方差分析，覆盖方式与种植方式之间不存在交互效应(P>0.05)。所以进行各主效应之间的显著性检验，在不同的覆盖方式下，覆草1 cm与无覆草和覆草3 cm之间均存在显著差异(图2-A)，覆草3cm与无覆草之间无显著差异。在不同的种植方式下，4种种植方式之间均无显著差异(图2-B)。

图2 不同覆盖方式及种植方式下根茎扩展最大距离Fig.2 Maximum distance of rootstock expansion under different mulching and planting methods

2.3 不同覆盖方式及种植方式下矩镰荚苜蓿的生物量变化

地下生物量(根茎、根)和地上生物量(茎、叶)之间存在相互促进的关系，茂盛的茎叶能吸收更多的太阳辐射和制造更多的有机物，有利于根茎与根的地下扩展；而发达的根与根茎能吸收更多的水分和无机物，有利于地上部分的生长。通过方差分析，覆盖方式与种植方式在地上生物量与地下生物量两个指标上均没有交互效应，需要进行各主效应之间的显著性检验。地上生物量无覆草与覆草1 cm和覆草3 cm处理均有显著差异(P<0.05)，覆草1 cm与覆草3cm处理间无显著差异(P>0.05)(图3-A)；20×10处理下的地上生物量最大，为0.141 g/株，10×5最小，为0.069 g/株，且这两种不同种植方式之间存在显著差异(P<0.05)，但20×10、 20×5、 10×10处理间均无显著差异，10×5与10×10和20×5处理间也没有显著差异(图3-B)。在地下生物量无覆草对于覆草1 cm和覆草3 cm均有显著差异(P<0.05)，覆草1 cm与覆草3 cm之间无显著差异(P>0.05)(图4-A)；4种不同的种植方式之间均不存在显著差异(P>0.05)(图4-B)。

图3 不同覆盖方式及种植方式下地上生物量Fig.3 Above-ground biomass under different mulching and planting methods

图4 不同覆盖方式及种植方式下地下生物量Fig.4 Belowground biomass under different mulching and planting methods

2.4 矩镰荚苜蓿根茎扩展能力综合性评价

用灰色关联度分析，取5个可以体现扩展能力的指标综合评价12种处理下的根茎扩展能力。选取各指标中的最优值组合成参考处理即扩展能力最强，再通过公式计算出12个处理下的关联度值，关联度值越大说明与参考处理的扩展能力越接近，则该处理的扩展能力越好。

2.4.1 数据无量纲化处理 由于各指标的单位不相同，需要对单位进行统一。首先要在原始数据中选出参考处理，见表1。再将12种处理下的五种指标进行无量纲初始化处理(表2)。

表1 参考处理及12种处理的各指标原始数据

表2 无量纲初始化

2.4.2 绝对差值 计算矩阵中各点(Yij)与CK的绝对值Δ(k)=∣X0(y)-Xi(y)∣(表3)。

表3 Δ(k)值

表4 各点Yij的关联系数

表5 关联度值ri和权重值Wi

表6 各处理的加权关联度值及排序

3 讨论

3.1 不同覆盖方式对矩镰荚苜蓿根茎发育的影响

覆盖是一种农业生产上常用的农作技术，具有保水保墒，改善地温的作用，采用地面覆盖的方式可以有效地减少土壤水分散失[29]。李文旺[23]等研究发现，增加地面覆草厚度，可以增加0～10 cm土层土壤含水量，显著促进大蒜植株生长，提高蒜薹产量。据此分析，本研究中盖3(覆草3 cm)下新根茎数、根茎扩展距离、地上地下生物量等生长指标高于盖1(覆草1 cm)(图1～4)，可能是因为增加覆草厚度后改善了土壤水分，调节了植物生长发育过程中对水分的需求和利用。在本试验中也发现，不同的覆草厚度对土壤水分含量有显著影响，其中盖3(覆草3 cm)的水分含量显著的高于盖1(覆草1 cm)和盖0(无覆草)，这结果与李文旺[23]的试验结果大致相同。这使得不同覆盖方式下的土壤水分得到改善，调节了植物生长发育过程中对水分的需求和利用。所以这造成了不同覆盖方式对新根茎数、根茎扩展最大距离、地上生物量、地下生物量都具有显著的影响，而且在出苗率上表现出盖0显著的高于盖1和盖3，盖3则与盖1没有显著差异。这可能是由于降雨造成覆草下的土壤积水，而草层过厚又无法及时挥发，进而使得土壤含水量过高，抑制了植株根茎的生长发育。在植物根茎成苗时期，虽然覆草会造成无效蒸发减少[16]，使得土壤含水量过高而抑制根茎的发育，但是在植株成苗，可以进行光合作用后，土壤含水量高则有利于进行有效蒸发，即蒸腾作用[17]，此时则有利于根茎与地上部分的发育。

土壤温度作为植物发育的重要因素，矩镰荚苜蓿只有在适宜的地温下才能正常的成苗以及根茎扩展。覆草虽然能有效的增加土壤含水量，但是土壤保温效果不佳，容易受到寒冷天气造成的低温冻害[30]。这可能是由于在白天，无覆草的土壤能直接吸收太阳辐射能量土壤温度因此升高，进而为埋入的地下片段提供了更好的发育条件。然而由于覆草的土壤有草层隔离，不能直接吸收太阳辐射，所以土壤温度较低，不利于成苗和根茎发育，造成在成苗率上盖0>盖1>盖3。

本试验研究结果表明在根茎扩展能力上，盖0为最优处理，盖3次之，盖1最差。结合上述的两种影响因素(可能还存在其他土壤性质的影响)，可解释为：(1)在埋入片段发育成苗时，盖0处理具有良好的土壤水分含量和土壤温度条件，因此可以更快的出苗，更早的进行光合作用，所以在这一时期内其发育速度相对于盖1和盖3是较快的。(2)当所有处理都已成苗后，主要进行营养生殖。这时候盖3处理则表现出了优势，因为气温的回升以及盖3处理具有良好的保水作用，土壤含水量高，有利于光合作用和蒸腾作用，进而对营养生殖产生促进作用。对于盖0，由于其土壤含水量低，此时的发育速度就较以前发育慢，但是前期建植早，有良好的基础，所以其发育速度可能比盖1快，与盖3相近。对于盖1，由于其在前期并没有很好地建植优势，在后期也没有良好的土壤条件，所以盖1处理下的植株一直保持着恒定的发育速度。即使在前期成苗率优于盖3，但是两者之间的成苗率差异并不显著，在营养繁殖时，盖3具有良好的发育条件，所以在发育速度上超过了盖1。但是有关这方面的研究甚少，本试验也无法参考前人的试验结果对此作出更进一步的解释，所以关于盖0、盖1、盖3处理在不同发育阶段下的发育速率问题，还需要后续的试验继续跟进，对以上讨论作出严密的，科学的论证。

3.2 不同种植方式对矩镰荚苜蓿根茎发育的影响

不同的种植方式对新根茎数、根茎扩展最大距离、地下生物量均没有显著影响，除地上生物量外(图3-B)。基于现有的数据分析，可以认为在种植深度上，10 cm深度和 5 cm深度的种植环境均是矩镰荚苜蓿的适宜生境。在片段长度上，20 cm长度和 10 cm长度的片段均能满足矩镰荚苜蓿早期发育需要的营养要求。也说明该植物根茎扩展能力很强，对土壤深度和自身养分的要求不高。但这一讨论还需要后续的试验扩大对种植深度和片段长度两个变量的范围，对此讨论作出进一步的补充和解释。

4 结论

矩镰荚苜蓿根茎切段在祁连山东段高山草原原生境种植条件下，根茎扩展最大距离、新根茎数和地上地下生物量均受覆草厚度的显著影响，在3种覆盖厚度(0 cm厚，1 cm厚，3 cm厚)处理下，影响效果表现为盖0>盖3>盖1。种植深度(5 cm深，10 cm深)和切段长度(10 cm长，20 cm长)对地上生物量有显著影响，但对根茎扩展距离等指标影响不显著。分析表明，高寒草原植物矩镰荚苜蓿地下茎切段在原生境下的适生性较强，在裸地(无草覆盖)约10 cm土层下、切段长度为20 cm的根茎扩展能力最强。