钾肥对紫花苜蓿抗寒性及糖类物质变化的影响

陈卫东，张玉霞，丛百明，孙明雪，田永雷，张庆昕，杜晓艳

(1内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028041；2通辽市农牧科学研究所，内蒙古 通辽 028000；3 内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010010)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科(Leguminosaesp.)苜蓿属多年生草本植物，是世界上种植面积最大的牧草之一[1]。紫花苜蓿属于耐寒的长日照植物，在我国中原一带以及西北的甘肃地区和积雪覆盖的黑龙江地区均可安全稳定越冬。但在内蒙古科尔沁沙地，冬季少雪，冬春土壤温湿度变化剧烈[2-3]，因此紫花苜蓿面临着严重的低温冷冻和倒春寒问题[4-6]。

紫花苜蓿对氮肥要求不高，但需要施用磷、钾等肥料，紫花苜蓿对钾的需求量高于其他任何一种元素[7-10]。前人研究表明，磷肥施用量、土壤含水量、冬灌等因素对苜蓿的抗寒性均有影响[11-13]，施用钾肥也能提高紫花苜蓿的抗寒性[14]。有研究表明，施用钾肥可以通过提高紫花苜蓿根颈抗氧化酶的活性而增强其抗寒性[14]。因此，合理施用钾肥成为紫花苜蓿安全越冬的一个至关重要的因素。目前，关于科尔沁沙地生境下钾肥种类及用量对苜蓿的抗寒性，以及钾肥对低温冷冻胁迫苜蓿糖类物质含量的影响尚不清楚。因此，本试验通过大田试验，于秋季对紫花苜蓿进行不同钾肥种类(硫酸钾和氯化钾)及其施用量处理，越冬前期挖取不同钾肥处理紫花苜蓿的根颈进行冷藏(4 ℃)和冷冻(-20 ℃)，研究低温胁迫苜蓿根颈糖类物质含量的变化，分析紫花苜蓿在不同钾肥种类及施用量处理下适应低温冷冻胁迫的抗寒保护机制，以期确定科尔沁沙地苜蓿秋季施用钾肥的最佳种类及用量，进而为科尔沁沙地紫花苜蓿秋季钾肥施用方案的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古通辽市内蒙古民族大学科技示范园区(43°36′N， 122°22′E)，年平均气温 6.4 ℃，≥10 ℃年活动积温3 184 ℃；年平均日照时数3 000 h，无霜期150 d；年平均降水量379.1 mm，蒸发量是降水量的5倍；年平均风速3～4 m/s，为典型的温带大陆性季风气候。试验田为新开垦的沙化草地，土壤为沙土，0～20 cm土层土壤理化性质为：pH 8.3，有机质含量6.4 g/kg，全氮含量0.36 g/kg，碱解氮含量35.37 mg/kg，速效钾含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.70 mg/kg。

1.2 试验设计

供试紫花苜蓿品种为北极熊，由北京百斯特草业有限公司提供。试验材料于2018年7月17日播种，播种量22.5 kg/hm2，条播行距 15 cm，播种前撒施磷酸二铵150 kg/hm2。紫花苜蓿生长过程中，适时进行喷灌、除草、病虫害防治等田间管理。

8月20日采用沟施方式施用不同种类和不同用量的钾肥，其中钾肥种类为K2SO4和KCl，钾肥(K2O)施用量设0(对照)，50，100，150，200 kg/hm25个水平。采用随机区组试验设计，每处理设3个重复，共30个小区，小区种植面积4 m×5 m，四周设保护行。

于封冻前期(11月20日)取样，挖取紫花苜蓿根颈。每小区挖取根颈50株(粗细均匀一致)，平均分成2份，其中1份于4 ℃冰箱中进行冷藏处理，另 1 份于可程式恒温恒湿试验箱中模拟冷冻处理。处理时根颈先用脱脂棉包裹，加水适量，再用锡纸包裹，注明编号。以0 ℃为起点，4 ℃/h的速率降温至-20 ℃后保持6 h，取出于4 ℃下保持12 h。2种低温处理结束后，分别切取新鲜根颈(根颈及根颈下主根1 cm)直接进行糖类物质含量及根颈活力测定。

1.3 测定指标及方法

参考邹琦[15]的方法测定生理指标，其中根颈活力采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)比色法测定，可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法测定，蔗糖和果糖含量采用间苯二酚法测定。

1.4 数据处理

采用DPS(Data Processing System)软件(中国)进行数据统计和相关性分析，用Microsoft Excel 2010进行数据处理及表格制作。

2 结果与分析

2.1 钾肥和低温处理对紫花苜蓿根颈活力的影响

由表1可知，在相同钾肥及其施用量下，冷冻处理紫花苜蓿根颈活力低于冷藏处理。在冷藏处理下，当施用量为150 kg/hm2时，2种钾肥处理紫花苜蓿的根颈活力均达到最高，且均显著高于施用量0，50，100 kg/hm2处理(P<0.05)，但与施用量200 kg/hm2处理差异不显著。在冷冻处理下，当2种钾肥施用量为150 kg/hm2时，苜蓿的根颈活力均显著高于其他所有施肥处理(P<0.05)。不论是在冷藏还是在冷冻处理下，当施用量为150，200 kg/hm2时，K2SO4处理苜蓿的根颈活力均显著高于KCl处理(P<0.05)。由此说明，秋季增施钾肥可以增强紫花苜蓿的抗寒性，减缓其根颈活力的降低，其中以施用量150 kg/hm2效果最佳，且K2SO4处理强于KCl处理。

2.2 钾肥和低温处理对紫花苜蓿根颈可溶性糖含量的影响

由表2可知，在相同钾肥及相同施用量下，冷冻处理紫花苜蓿根颈的可溶性糖含量均较冷藏处理明显增加。在冷藏处理下，当2种钾肥施用量为150，200 kg/hm2时，紫花苜蓿根颈的可溶性糖含量较其他处理明显增加，并显著高于0，50 kg/hm2处理(P<0.05)，且在施用量为150，200 kg/hm2时，K2SO4处理的可溶性糖含量显著高于KCl处理(P<0.05)。在冷冻处理下，当K2SO4施用量为150，200 kg/hm2时，苜蓿根颈的可溶性糖含量显著高于0，50，100 kg/hm2处理(P<0.05)；当KCl施用量为150，200 kg/hm2时，苜蓿根颈的可溶性糖含量显著高于0，50 kg/hm2处理(P<0.05)。不论是冷冻处理还是冷藏处理，在施用量为150，200 kg/hm2时，K2SO4处理苜蓿根颈的可溶性糖含量显著高于KCl处理(P<0.05)。由此说明，秋季增施钾肥可以提高紫花苜蓿根颈的可溶性糖含量，尤其可以有效促进冷冻处理下苜蓿根颈可溶性糖含量的增加，且以施用150～200 kg/hm2K2SO4效果更佳。

表2 不同钾肥处理紫花苜蓿低温处理下根颈可溶性糖含量的变化Table 2 Changes of soluble sugar content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.3 钾肥和低温处理对紫花苜蓿根颈蔗糖含量的影响

由表3可知，在相同钾肥及其施用量下，冷冻处理紫花苜蓿根颈蔗糖含量高于冷藏处理，其中当K2SO4施用量为0，50，100，150，200 kg/hm2时，冷冻处理苜蓿根颈的蔗糖含量分别较冷藏处理提高了0.15%，12.13%，20.02%，21.46%和18.18%，当KCl施用量为0，50，100，150，200 kg/hm2时，冷冻处理苜蓿根颈的蔗糖含量分别较冷藏处理提高0.15%，0.70%，10.36%，12.23%和10.61%，说明蔗糖也是紫花苜蓿的一种抗寒保护物质。在冷藏处理下，施用50 kg/hm2钾肥时紫花苜蓿根颈蔗糖含量较高；但在冷冻处理下，施用150 kg/hm2钾肥时紫花苜蓿根颈蔗糖含量最高，总体显著高于其他处理(200 kg/hm2KCl处理除外)，且K2SO4处理高于KCl处理。该结果说明，施用150 kg/hm2K2SO4时，紫花苜蓿根颈蔗糖含量增加最为明显，适应低温能力最强。

表3 不同钾肥处理紫花苜蓿低温处理下根颈蔗糖含量的变化Table 3 Changes of sucrose content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.4 钾肥和低温处理对紫花苜蓿根颈果糖含量的影响

由表4可知，与冷藏处理相比，当K2SO4施用量为0，50，100，150，200 kg/hm2时，冷冻处理紫花苜蓿根颈的果糖含量分别提高36.26%，55.45%，67.13%，67.05%和43.01%，施用相同量的KCl时，冷冻处理苜蓿根颈的果糖含量分别提高36.26%，34.86%，37.56%，45.69%和37.91%。由此可见，果糖也是紫花苜蓿的抗寒保护物质之一。不论是冷冻还是冷藏处理下，当2种钾肥施用量均为150～200 kg/hm2时，紫花苜蓿根颈的果糖含量均高于其他施用量处理，且在冷冻处理下差异均达显著水平。表明秋季增施钾肥能够提高紫花苜蓿根颈的果糖含量，尤其可以促进冷冻条件下苜蓿根颈果糖含量的增加，且以施用150～200 kg/hm2K2SO4的处理效果最佳。

表4 不同钾肥处理紫花苜蓿低温处理下根颈果糖含量的变化Table 4 Changes of fructose content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.5 钾肥和低温处理对紫花苜蓿根颈淀粉含量的影响

由表5可知，在相同钾肥及其施用量下，冷冻处理紫花苜蓿根颈的淀粉含量低于冷藏处理。与冷藏处理相比，在冷冻处理下，当K2SO4施用量为0，50，100，150，200 kg/hm2时，苜蓿根颈的淀粉含量分别降低了16.43%，21.14%，26.47%，45.13%和34.55%，施用相同量的KCl时，淀粉含量分别降低了16.43%，18.15%，20.81%，36.52%和27.72%。在冷冻处理下，当2种钾肥施用量均为150 kg/hm2时，紫花苜蓿根颈的淀粉含量均为最低，且显著低于其他施用量处理(P<0.05)；当施用量为50～200 kg/hm2时，KCl处理的淀粉含量均显著高于K2SO4处理。说明增施钾肥能够促进淀粉的转化，尤其以施用150 kg/hm2K2SO4的效果最为明显。

表5 不同钾肥处理紫花苜蓿低温处理下根颈淀粉含量的变化Table 5 Changes of starch content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.6 紫花苜蓿根颈活力与糖类物质含量的相关性

表6显示，在冷藏处理下，不同钾肥种类及施用量处理紫花苜蓿的根颈活力与可溶性糖、淀粉、果糖含量呈显著或极显著正相关，表明可溶性糖、果糖、淀粉含量越高，根颈活力就越高，说明施用钾肥能够提高紫花苜蓿越冬前期的可溶性糖、果糖、淀粉含量，紫花苜蓿根颈受冷害的影响越轻。

由表6还可知，经冷冻处理后，不同钾肥种类及施用量处理紫花苜蓿的根颈活力与淀粉含量均呈极显著负相关(P<0.01)，与蔗糖、果糖含量及KCl处理的可溶性糖含量之间呈显著或极显著正相关，与K2SO4处理的可溶性糖含量也呈正相关，但相关性不显著。该结果表明，在冷冻条件下，苜蓿根颈可溶性糖、蔗糖、果糖含量越高，淀粉含量越低，则其根颈活力越高，紫花苜蓿根颈受冻害的影响越轻。

表6 钾肥和低温处理紫花苜蓿根颈活力与糖类物质含量的相关性Table 6 Correlation between alfalfa root neck vitality and carbohydrate contents under potassium fertilizer and low temperature treatments

3 讨 论

根颈是豆科牧草重要的营养运输器官，根颈的生长状况及其活力水平直接影响牧草的抗寒能力，因此根颈活力可以反映紫花苜蓿抗寒性的强弱，根颈活力高的品种抗寒性越强[16]。有研究表明，在低温胁迫下，与紫花苜蓿同是宿根的“野牛草”(Buchloedactyloides)的根颈活力与植物抗寒性呈显著的正相关关系[17]。本研究结果表明，与冷藏处理相比，冷冻处理紫花苜蓿根颈活力明显降低，不同钾肥种类及用量处理亦存在一定差异，但无论是低温冷藏还是冷冻，两种钾肥施用量均以150 kg/hm2(K2O)时根颈活力最大，且K2SO4处理紫花苜蓿的根颈活力高于KCl处理。

可溶性碳水化合物是植物抗寒性的重要保护物质之一。作为渗透保护物质，其可提高细胞液的浓度，增加细胞持水组织中的非结冰水，从而降低细胞质的冰点，提高植物抗寒性[18]。碳水化合物是植物同化作用的主要产物，其中的可溶性糖和淀粉不仅可以为植物代谢提供重要能量，还能在一定程度上反映植物对外界环境的适应策略[19-21]。王淑杰等[22]对不同葡萄品种抗寒性的分析发现，抗寒性强的葡萄品种的可溶性糖含量均高于抗寒性弱的品种。郝培彤等[23]研究了不同水分处理对紫花苜蓿抗寒性的影响，表明干旱处理会显著影响紫花苜蓿根颈蔗糖、果糖的积累，蔗糖、果糖含量越高紫花苜蓿越冬存活率越高。由此说明，蔗糖、果糖、可溶性糖均是紫花苜蓿的抗寒保护物质。本研究结果表明，与冷藏处理相比，冷冻处理紫花苜蓿可溶性糖、蔗糖、果糖含量均明显增加，亦证明可溶性糖中的蔗糖、果糖是紫花苜蓿的抗寒保护物质。关于淀粉对紫花苜蓿抗寒性的影响，已有学者进行了研究，例如朱爱民等[16]和王伟东等[24]研究了末次刈割对紫花苜蓿抗寒性的影响，发现随着末次刈割时间的推迟，苜蓿根颈中的淀粉含量呈下降趋势，紫花苜蓿的越冬存活率也随之下降。因此，越冬前植物根颈积累的淀粉越多，植物越冬存活率越高。以上研究表明，淀粉虽然未直接参与越冬期植物的渗透保护作用，但淀粉是植物体内可溶性糖、果糖和蔗糖的源。在本研究中，冷冻处理紫花苜蓿根颈的淀粉含量明显低于冷藏处理，表明在冷冻条件下有更多的淀粉转化为了小分子的可溶性糖，从而能抵御-20 ℃低温对根颈的伤害。

适当施用钾肥能促进糖代谢，增加植物组织的糖分含量[25]。张晓燕等[26]的大田试验结果表明，施钾可以促进紫花苜蓿碳水化合物 (尤其是可溶性糖)的合成。李亚姝等[27]分析了钾元素对紫花苜蓿碳水化合物分配的影响，表明施钾提高了紫花苜蓿的碳水化合物含量，并可以调控其在紫花苜蓿各器官中的合理分配，进而增强紫花苜蓿的抗性。周敏[28]研究了钾肥对刺葡萄果实糖分积累的影响，表明钾营养可以影响果实糖分代谢相关酶的活性，适量供钾可以促进蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性的升高，从而提高葡萄果实的糖分含量。本研究亦得到同样的结果，说明钾肥能促进紫花苜蓿可溶性糖类物质的积累，在低温胁迫下可以促进淀粉转化为可溶性糖，尤其是果糖和蔗糖，以提高紫花苜蓿的抗寒性。

4 结 论

不论是在冷冻还是在冷藏条件下，施用不同量的K2SO4和KCl，均会对紫花苜蓿根颈活力和可溶性糖、蔗糖、果糖、淀粉含量产生明显的影响，其中施用150 kg/hm2的K2SO4和KCl，总体上均可以明显提高紫花苜蓿的根颈活力和可溶性糖、蔗糖、果糖含量，降低根颈的淀粉含量，且以K2SO4处理的效果优于KCl处理。由此可知，施用钾肥可以通过促进紫花苜蓿根颈蔗糖、果糖等可溶性糖类物质的积累，从而提高紫花苜蓿的抗寒性，其中K2SO4对苜蓿抗寒性的增强效果优于KCl，在科尔沁沙地施用150 kg/hm2K2SO4(K2O)有利于紫花苜蓿的安全越冬。