紫花苜蓿产量、品质和根系对刈割高度的响应

杨 帆， 韦 宝， 王 瑜， 何 峰

(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所， 北京 100193)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是优良的多年生豆科牧草，因其生产性能优良，营养价值高，被誉为“牧草王后”[1]。紫花苜蓿利用方式广泛，可用于调制干草，青贮和放牧[2]。不同利用方式对最佳收获时期有不同要求，而收获时期不仅影响紫花苜蓿的产量和品质，还会影响其再生性、持久性以及安全越冬[3-4]。因此，研究刈割时期对紫花苜蓿生长发育的影响，将为科学利用紫花苜蓿草地提供依据。

按照生育时期，紫花苜蓿干草调制时的最佳收获时期一般为孕蕾期到初花期，此时收获可以兼顾干草产量、品质与持久性。虽然地上生物量可以持续增加到盛花期，但粗蛋白含量逐渐降低，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量逐渐升高，紫花苜蓿营养品质下降[5-8]。Atis等[9]的不同刈割间隔天数的收获时期研究发现，当生长季的刈割间隔期由20天增加到40天时，刈割频次由9次减少到4次，地上生物量由12.9 t·hm-2增加到18.6 t·hm-2，粗蛋白含量由21.2%降低到18.2%，相对饲喂价值由176.1降低到136.4。缩短刈割间隔期，增加刈割频次，使紫花苜蓿地上生物量降低，品质提高[10]。Moot等用紫花苜蓿高度30～35 cm作为放牧利用的最佳时期，比生育时期和间隔天数更为有效[11]。

刈割会刺激紫花苜蓿根颈生长点和基部腋芽处长出新的枝条，紫花苜蓿的再生过程主要由根颈和根系提供营养物质，低于4周的刈割间隔将导致根颈部分消耗的营养物质得不到足够补充，降低下一茬的紫花苜蓿产量[12]。多项研究表明，刈割频次过高根系生物量和根系体积总量减少[13-14]。目前，关于刈割对根系形态影响方面的研究还不够系统和深入。此外，有研究表明刈割频次过高会降低根系中氮和碳水化合物等营养物质的含量，这些物质与紫花苜蓿越冬性能密切相关[15]。

我国很多紫花苜蓿生产区处于季风性气候区，雨热同季，为了避开降雨，紫花苜蓿经常被迫提前收获。此外，为了获得高质量干草，收获时期也会提前[16]。因此，急需了解紫花苜蓿生长对不同刈割时期的响应机制，全面揭示不同刈割制度对紫花苜蓿生长，营养品质和持久性的影响规律。本研究根据紫花苜蓿的生长高度来确定每次刈割的时间，相比于根据生育期，根据生长高度确定刈割时间更加直观和方便判断，因此本研究中的刈割高度是指刈割时紫花苜蓿植株的生长高度。本研究通过盆栽试验，研究不同刈割高度对紫花苜蓿地上地下生物量，营养品质，再生速度以及根系形态特征的影响，揭示紫花苜蓿生长、品质和持久性对刈割高度的响应规律，为我国紫花苜蓿草地更广泛的可持续高效利用提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020年11月21日—2021年4月19日在中国农业科学院北京畜牧兽医研究所温室内进行。从河北廊坊试验基地挖取100株生长均匀一致的3年龄紫花苜蓿植株，品种为‘北极熊’(‘Gibraltar’)，秋眠级为2.0级。从中筛选出根系构型均匀一致的48株，将主根长度修剪至15 cm，去除侧根，之后移栽至装有营养土的塑料花盆中，每盆2株，于温室内培养12 d后，每盆仅留1株。温室每日14 h恒定光照，温度15℃～25℃，浇水使土壤含水量维持在田间持水量的40%～70%，用吡虫啉和粘虫板控制蚜虫。

试验设置4个刈割高度处理，分别在紫花苜蓿生长到30 cm(H30)，40 cm(H40)，50 cm(H50)和60 cm(H60)高度时刈割，留茬高度5 cm，每个处理6次重复。整个试验周期内，H30，H40，H50和H60分别刈割了4次，3次，2次和2次。为保证6个重复的株高均达到处理预设高度，部分重复的刈割高度会高于预设高度，H30，H40，H50和H60的实际平均刈割高度分别为34.77 cm，45.97 cm，51.85 cm和75.68 cm。

1.2 测定指标及方法

1.2.1地上部生长指标的测定 试验前测定每株材料的初始重量，每次刈割后测定地上生物量，并计算处理前生长速度，再生速度和平均生长速度。

地上生物量：105℃杀青30 min，65℃烘干48 h以上至恒重，称重[17]；

处理前生长速度(g·(10 d)-1·pot-1)=(第一次刈割的地上生物量)/(试验开始到第一次刈割间隔天数)×10；

再生速度(g·(10 d)-1·pot-1)=(第二次刈割的地上生物量)/(第一次刈割和第二次刈割间隔天数)×10；

平均生长速度(g·(10 d)-1·pot-1)=总地上生物量/总天数×10。

石警官收起笑容：“你挺有胆量。”以左手五指当梳子，将光亮的头发梳理一阵，“不过我告诫你，在警察面前，胆量大的人往往吃亏。我不希望把事情搞僵，这对双方都不利。”

1.2.2地上部营养品质的测定 地上部分烘干粉碎，测定粗蛋白(Crude protein，CP)，中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)的含量，由动物营养学国家重点实验室测定完成，并计算相对饲喂价值(Relative feed value，RFV)和粗蛋白产量。

CP含量采用GB/T 6432-2018饲料中粗蛋白测定方法；

NDF含量采用GB/T 20806-2006饲料中中性洗涤纤维的测定方法；

ADF含量采用NY/T 1459-2007饲料中酸性洗涤纤维的测定方法；

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29；

粗蛋白产量(g·pot-1)=粗蛋白含量(%)×地上生物量(g·pot-1)。

1.2.3根系生长指标和形态特征的测定 试验前测定每株主根直径，最后一次刈割后，测定地下生物量、主根直径和形态特征。

地下生物量：105℃杀青30 min，65℃烘干48 h以上至恒重，称重[17]；

形态特征：每个处理选3株，将根系放入透明丙烯酸托盘中(托盘内水深1 cm)，利用MICROTEK Scan Maker(i800plus)以600 dpi的分辨率进行扫描[18]，利用Win-RHIZO2017a软件分析总根长、根系直径，计算比根长与主根直径变化率；

比根长SRL(m·g-1)=根长/根干重；

主根直径变化率(%)=(刈割后主根直径-刈割前主根直径)/刈割前主根直径×100%。

1.3 数据处理与统计分析

使用SPSS 19.0进行单因素方差分析，利用回归模型建立主根直径与地下生物量和再生速度，刈割高度与粗蛋白产量和主根直径变化率的关系方程。使用Excel 2019进行制图。

2 结果与分析

2.1 不同刈割高度对紫花苜蓿地上生物量和营养品质的影响

随着刈割高度的增加，紫花苜蓿地上生物量显著增加，而相对饲喂价值(RFV)显著降低。H60的地上生物量最高，为9.56 g·pot-1，显著高于其它处理(P<0.05)；而RFV最低，为146，显著低于其他处理(P<0.05)。H30的地上生物量最低，为4.50 g·pot-1，显著低于H50和H60 (P<0.05)；而RFV最高，为199，显著高于其它处理(P<0.05)。H30，H40和H50的地上生物量分别较H60降低了52.93%，40.78%和32.02%，而RFV分别较H60增加了36.06%，19.68%和12.75%(图1)。

图1 刈割高度对地上生物量和相对饲喂价值的影响Fig.1 Effects of cutting height on aboveground biomass and relative feed value注：处理间不同字母表示差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters in treatments indicate significant difference at the 0.05 level

`2.2 不同刈割高度对紫花苜蓿生长速度的影响

刈割前，H30，H40和H50的生长速度为0.47～0.49 g·(10 d)-1·pot-1，处理间差异不显著；H60的生长速度为0.69 g·(10 d)-1·pot-1，显著高于其他3个处理(P<0.05)(表1)。

随着刈割高度的增加，紫花苜蓿的再生速度逐渐增加。H60的再生速度最高，为0.63 g·(10 d)-1·pot-1，显著高于H50处理的0.42 g·(10 d)-1·pot-1。H30的再生速度最低，仅为0.26 g·(10 d)-1·pot-1，显著低于H50和H60处理(P<0.05)。H30，H40和H50处理的再生速度分别较H60降低了59.42%，47.89%和33.97%(表1)。

随着刈割高度的增加，紫花苜蓿的平均生长速度逐渐增加。H60的平均生长速度最高，为0.66 g·(10 d)-1·pot-1，显著高于H50的0.44 g·(10 d)-1·pot-1。H30的平均生长速度最低，仅为0.32 g·(10 d)-1·pot-1，显著低于H50和H60 (P<0.05)。H30、H40和H50的平均生长速度分别较H60降低了51.75%，41.61%和32.49%(表1)。

表1 刈割高度对紫花苜蓿生长速度的影响Table 1 Effects of cutting height on growth rate of Alfalfa

2.3 不同刈割高度对紫花苜蓿根系特征的影响

随着刈割高度的增加，地下生物量增加。H60的地下生物量最高，为2.40 g·pot-1，显著高于其它3个处理(P<0.05)。比根长和各级细根平均直径也随着刈割高度的增加而增加，但处理内变异较大。H60的比根长为21.31 m·g-1，显著高于H30的7.14 m·g-1(P<0.05)，其它处理间差异不显著。H60的各级细根平均直径为0.60 mm，比H30的0.30 mm提高了1倍。刈割高度提高会使主根直径变粗，反之主根直径变细。H60主根直径较刈割处理前增加了18.58%，说明主根较刈割处理前变粗；H30的主根直径变化率为-7.86%，说明主根较刈割处理前变细(表2)。

表2 刈割高度对紫花苜蓿根系的影响Table 2 Effects of cutting height on alfalfa root characteristics

2.4 刈割高度与粗蛋白产量和主根直径变化率的关系

刈割高度与粗蛋白产量呈现加速度逐渐降低的二项式曲线关系(R2=0.7135，P<0.05)(图2)。而粗蛋白含量由27.94%降低至23.29%，粗蛋白产量则呈现先增加后降低的趋势。

图2 刈割高度和粗蛋白产量的关系Fig.2 Relationship between cutting height and crude protein yield

刈割高度与主根直径变化率符合正相关关系(R2=0.368，P<0.05)，由刈割高度和主根直径变化率建立的线性模型可得，刈割高度低于45.13 cm时，主根直径变化率为负值，说明根系变细变弱；当刈割高度大于45.13 cm时，主根直径变化率大于0，说明根系变粗(图3)。

图3 刈割高度和主根直径变化率的关系Fig.3 Relationship between cutting height and ratio of taproot diameter change

2.5 主根直径与紫花苜蓿地下生物量和再生速度的关系

主根直径与紫花苜蓿的地下生物量呈显著正相关关系，随着主根直径的增加，地下生物量显著增加(R2=0.7126，P<0.05)。由主根直径和地下生物量建立的线性模型可得，主根直径增加1 mm，地下生物量增加0.46 g(图4)。

图4 主根直径与地下生物量的关系Fig.4 Relationship between taproot diameter and underground biomass

主根直径与紫花苜蓿的再生速度呈显著正相关关系，随着主根直径的增加，再生速度显著增加(R2=0.4567，P<0.05)。由主根直径和再生速度建立的线性模型可得，主根直径增加1 mm，再生速度增加0.11 g·(10 d)-1·pot-1(图5)。

图5 主根直径与再生速度的关系Fig.5 Relationship between taproot diameter and regrowth rate

3 讨论

3.1 刈割高度对产量和品质的影响

刈割是紫花苜蓿最主要的利用方式，合理的刈割高度是收获高产优质紫花苜蓿的关键。本研究中，紫花苜蓿地上生物量随刈割高度的降低(或刈割频次的增加)而降低，而粗蛋白含量和RFV则随刈割高度的降低而升高。当刈割高度由H60(60 cm)降至H30(30 cm)时(刈割频次由2次增至4次)，地上生物量降低52.93%，RVF由146升至199(图1)。Kallenbach等[19]的试验结果表明，当刈割间隔期由43 d缩短为28 d时(刈割频次由4次增至6次)，产量降低28%，紫花苜蓿粗蛋白含量由19.5%升至25.0%。其他研究者[4-7]也发现紫花苜蓿粗蛋白含量随刈割间隔期的延长而下降。其原因在于，随着刈割高度的升高，叶面积增加，光合产物积累增加，紫花苜蓿茎叶比升高，ADF和NDF含量升高，粗蛋白含量下降，品质下降。而刈割高度较低时，叶面积小，光合效率低，光合产物积累少，在此基础上进行刈割，粗蛋白含量高，但单次刈割地上生物量小，虽然刈割频次高，但总地上生物量和总蛋白产量仍旧较低。因此，刈割高度较低的频繁刈割不利于紫花苜蓿进行光合作用和营养物质的积累。

3.2 刈割高度影响紫花苜蓿根系特征以及可持续性

紫花苜蓿刈割后，地上部分的再生需要由根颈和根系提供营养物质，待冠层生长到一定程度后，地上部光合产物开始反馈根系，根系与再生速度紧密相关(图5)。一般而言，不考虑田间胁迫因素的干扰，低于4周的刈割频次会导致根颈部分营养物质得不到足够的补充，从而降低下一茬的紫花苜蓿产量[12]，继而导致根系越来越弱，影响紫花苜蓿的可持续利用。

本研究中，随着刈割高度的降低(即刈割频次的增加)，紫花苜蓿地下生物量和主根直径均降低，这与郭正刚[13]、王坤龙等[14]的研究结果一致。当刈割高度由60 cm降至30 cm时，地下生物量降低45.42%，而主根直径变化率则由18.58%降为-7.86%。其原因主要有两方面：一方面刈割高度较低时，植株地上部进行光合作用的叶片数量较少，导致光合作用生产力降低，光合产物积累量较少，根系生长缓慢；另一方面，刈割后地上部的再生需要消耗根部贮存的营养物质，当地上部恢复生长后，光合产物尚未足量补充至根系又要面临下一次刈割，长此以往，根系碳水化合物的支出大于输入，根系变细，地下生物量降低[3]。与之相反，刈割高度较高时，植株叶片存留量大，叶片产生的光合产物不仅能够满足自身生长的需求，还可以向地下部分输送，促进地下生物量的积累[20]。

另外，本研究通过建立主根直径变化率与刈割高度的回归方程发现，当刈割高度为45.13 cm时主根变化率为0，我们可据此将45.13 cm设为刈割高度警戒值，低于该高度的频繁刈割会严重危害紫花苜蓿根系的健康生长。而根系是植物吸收、转化、储存营养和水分的重要器官，具有支持植株和释放分泌物的功能，其生长的健康与否又将直接影响植物的地上生物量和再生[21]。因此，在紫花苜蓿利用过程中，保持较高的刈割高度，将有利于紫花苜蓿根系生长和养分储存，可以增加紫花苜蓿的利用年限和持久性。

4 结论

本研究表明，刈割高度影响紫花苜蓿地下生物量，根系直径和比根长，进而影响枝条的再生速度、地上生物量和营养品质。根据主根直径变化率与刈割高度的线性关系分析表明，当刈割高度低于45.13 cm时，主根较刈割前变细，地上部分的生长会消耗根系储存的养分，从而降低草地持久性，限制紫花苜蓿生产潜力的发挥。因此，紫花苜蓿草地利用时，刈割高度不应低于45.13 cm。