榆林风沙草滩地不同品种紫花苜蓿的根系形态特征

2022-08-09葛志超徐伟洲武治兴耿金才

贵州农业科学 2022年8期

葛志超，徐伟洲*，武治兴，刘阳，史雷，乔雨，耿金才

(1.榆林学院生命科学学院，陕西榆林 719000； 2.榆林市经济发展服务中心，陕西榆林 719000； 3.陕西省畜牧技术推广总站，陕西西安 710014)

0 引言

【研究意义】紫花苜蓿(Medicagosativa)为多年生豆科牧草，具有产量高、营养价值丰富等特点[1]。且根茎深入地下，具有很好的蓄水保土功能[2]。近年来，随着我国牧草产业在“粮经饲”种植结构中的比例不断加大[3]，苜蓿种植面积也不断增大。榆林市位于毛乌素沙漠和黄土高原过渡地带，是传统的农牧交错地带，但土壤质地粗疏、孔隙大和土壤水分易流失[4]。因此，筛选适宜榆林北部风沙草滩地的苜蓿品种在生产上推广应用具有重要意义。【前人研究进展】根系是植物吸收水分和养分的重要器官，同时又是植物生长发育与新陈代谢的功能器官之一[5-6]。根系生长状况的优劣直接影响地上部分的产量及其水土保持能力[7]。根系与地上部分生长紧密相关，强大的根系优势是紫花苜蓿高产重要的生理基础[8]。因此，研究紫花苜蓿不同品种的根系发育特征是引种的先决条件[9]。【研究切入点】引进敖汉苜蓿、甘农3号和甘农4号等20个品种紫花苜蓿进行试验，考察其根系表面积、平均根直径、根系体积、总根长及根系生物量等指标的变化，探究其根系在榆林北部风沙草滩地的生长发育状况。【拟解决关键问题】探明敖汉苜蓿、甘农3号和甘农4号等20个品种紫花苜蓿在榆林北部风沙草滩地根系形态特征和根系生物量等的变化，以期为榆林北部风沙草滩地苜蓿品种的合理选用及品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于榆林横山区黑龙湾镇周界村(109°19′E，37°99′N)风沙草滩地，四季分明，夏季炎热，秋季多雨，属于典型的温带半干旱大陆性季风气候；年均气温8.9℃，>10℃有效积温3 000℃以上，年均无霜期175 d，年均日照时数2 800.8 h，年均降水量352.2 mm。

1.2 材料

紫花苜蓿品种共计20个，国内品种：敖汉苜蓿、甘农3号、甘农4号、中苜1号、中苜2号、中苜3号、陕北苜蓿和隆冬苜蓿，其中，中苜1号、中苜2号和中苜3号种子来源于中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，其余国内苜蓿种子来源于宁夏西贝农林牧生态科技有限公司；美国品种：DS310FY、康赛、擎天柱、皇后、普沃4.2、WL343HQ和WL354HQ，来源于宁夏西贝农林牧生态科技有限公司；加拿大品种：阿迪娜、MF4020和SK3010，来源于宁夏西贝农林牧生态科技有限公司；荷兰品种：三得利，来源于宁夏西贝农林牧生态科技有限公司；法国品种：大银河，来源于宁夏西贝农林牧生态科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 试验设计试验于2019年在榆林横山区黑龙湾镇周界村风沙草滩地进行，每个品种为1个处理，共计20个处理。小区面积25.2 m2(6.0 m×4.2 m)，垄高0.1 m，四周用农膜埋深30 cm，以防灌水侧渗影响。采用穴播法于5月3日播种，播种量1.0 kg/667m2，株行距40 cm，条间距30 cm，每2条间安装1条滴灌带。为保证苜蓿出苗率，第1次每个小区灌水1 m3，作为播后灌水量，采用滴灌管灌溉，支管直径为1 cm，定额灌水期间同大田。

1.3.2 取样于开花期每个小区随机取2个点按对角线进行采样，取样样方100 cm×100 cm，每个样地取样3次，离地1～2 cm刈割，带回实验室分离，用清水冲洗至表面无杂质，用于后续指标测定。

1.3.3 指标测定

1) 根系形态。根系形态指标主要为根颈直径、根颈分枝数、根芽数、主根长和侧根数，采用Johnson法进行测定，即主根直径截取根茎以下1 cm处直径，主根长度截取根颈以下0.1 cm处的长度，侧根数测定离主根0.5 cm处的侧根，侧根直径测定靠近主根处直径。

2) 根系分层生物量。将根系按土层0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm和30～40 cm等分分离后分别称鲜重，3次重复，取平均值。

3) 选取3株分离苜蓿根系，采用EPSON扫描仪进行扫描，然后采用Win-RHIZO根系图像分析系统进行根系形态指标分析，最后经过扫描根系和总根系质量比换算获得苜蓿总根长、根系表面积、根系体积(root volume, RV)及根直径等指标。烘干处理好的分离根系样品放置在65℃恒温条件下烘干至恒重，3次重复，求取平均值为干重。

1.3.4 20个苜蓿种质资源根系综合优势分析利用各品种根系形态的总生物量、根直径(平均)和总根长等利用隶属函数进行评价。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2000和SPSS 11.5对数据进行处理与分析。

2 结果与分析

2.1 不同品种苜蓿的根系形态

从表1可知，不同品种紫花苜蓿根颈直径、根颈分枝数和根芽数等的变化。根颈直径：各品种为3.68～11.63 mm，DS310FY最大，为11.63 mm；甘农4号其次，为7.74 mm；MF4020最小，为3.68 mm。根颈分枝数：各品种为2.00～5.00条，DS310FY最多，为5.00条；MF4020其次，为4.00条；敖汉苜蓿、阿迪娜、康赛、甘农3号、甘农4号、三得利和中苜1号最少，均为2.00条。根芽数：各品种为4.00～12.00条，大银河最多，为12.00条；擎天柱其次，为9.00条；WL354HQ最少，为4.00条。主根长：各品种为23.67～34.67 cm，阿迪娜和普沃4.2最长，均为34.67 cm；DS310FY其次，为33.67 cm；皇后最短，为23.67 cm。侧根数：各品种为3.67～25.33条，皇后最多，为25.33条；WL354HQ其次，为23.67条；中苜2号最少，为3.67条。

表1 不同苜蓿品种的根颈直径、根颈总分支、根芽数、主根长及侧根数

2.2 不同品种苜蓿的根系生物量

从表2看出，不同品种紫花苜蓿各土层根系生物量和根系总生物量的变化。0～10 cm土层：各品种为4.53～31.12 g/m2，DS310FY最大，为31.12 g/m2；中苜3号其次，为19.36 g/m2；甘农3号最小，为4.53 g/m2。10～20 cm土层：各品种为2.35～17.17 g/m2，DS310FY最大，为17.17 g/m2；甘农4号其次，为11.72 g/m2；甘农3号最小，为2.35 g/m2。20～30 cm土层：各品种为0.33～43.92 g/m2，中苜3号最大，为43.92 g/m2；敖汉苜蓿其次，为6.05 g/m2；甘农3号最小，为0.33 g/m2。30～40 cm土层： MF4020、康赛、擎天柱、甘农3号、WL343HQ、WL354HQ、三得利、中苜1号、中苜2号、皇后和陕北苜蓿11个品种在该土层无根系分布，有根系分布的9个品种为6.24～31.12 g/m2，DS310FY最大，为31.12 g/m2；中苜3号其次，为19.36 g/m2；SK3010最小，为6.24 g/m2。根系总生物量：各品种为7.22～55.23 g/m2，DS310FY最大，为55.23 g/m2；中苜3号其次，为36.47 g/m2；甘农3号最小，为7.22 g/m2。

表2 不同品种紫花苜蓿各土层的根系生物量

2.3 不同品种苜蓿的根系体积

从表3可知，不同品种紫花苜蓿各土层根系体积和根系总体积的变化。0～10 cm土层：各品种为1.02～10.67 cm3，敖汉苜蓿最大，为10.67 cm3；DS310FY其次，为8.66 cm3；MF4020最小，为1.02 cm3。10～20 cm土层：各品种为0.72～6.86 cm3，皇后最大，为6.86 cm3；敖汉苜蓿其次，为6.76 cm3；MF4020最小，为0.72 cm3。20～30 cm土层：各品种为0.32～7.57 cm3，DS310FY最大，为7.57 cm3；甘农4号其次，为5.20 cm3；擎天柱最小，为0.32 cm3。30～40 cm土层：除11个无根系分布的品种外，有根系分布的9个品种为0.17～2.42 cm3，甘农4号最大，为2.42 cm3；中苜3号其次，为1.23 cm3；阿迪娜最小，为0.17 cm3。根系总体积：各品种为2.23～22.67 cm3，敖汉苜蓿最大，为22.67 cm3；DS310FY其次，为21.71 cm3；MF4020最小，为2.23 cm3。

表3 不同品种紫花苜蓿各土层的根系体积

2.4 不同品种苜蓿的根系直径

从表4看出，不同品种紫花苜蓿各土层根系直径和根系平均直径的变化。0～10 cm土层：各品种为0.10～4.36 mm，DS310FY最大，为4.36 mm；敖汉苜蓿其次，为4.25 mm；甘农3号和三得利最小，均为0.10 mm。10～20 cm土层：各品种为0.65～3.75 mm，DS310FY最大，为3.75 mm；皇后其次，为3.38 mm；阿迪娜最小，为0.65 mm。20～30 cm土层：各品种为0.39～5.63 mm，DS310FY最大，为5.63 mm；甘农4号其次，为3.49 mm；阿迪娜最小，为0.39 mm。30～40 cm土层：除11个无根系分布的品种外，有根系分布的9个品种为0.41～2.39 mm，甘农4号最大，为2.39 mm；DS310FY其次，为1.55 mm；阿迪娜最小，为0.41 mm。根系平均直径：各品种为0.56～8.01 mm，皇后最大，为8.01 mm；隆冬苜蓿其次，为7.98 mm；阿迪娜最小，为0.56 mm。

表4 不同品种紫花苜蓿各土层的根系直径

2.5 不同品种苜蓿的根长

从表5可知，不同品种紫花苜蓿各土层根长和根系总根长的变化。0～10 cm土层：各品种为116.1～965.9 cm，甘农4号最长，为965.9 cm；DS310FY其次，为816.4 cm；中苜2号最短，为116.1 cm。10～20 cm土层：各品种为145.5～1 279.6 cm，皇后最长，为1 279.6 cm；DS310FY其次，为872.8 cm；三得利最短，为145.5 cm。20～30 cm土层：各品种为81.7～1 177.1 cm，DS310FY最长，为1 177.1 cm；甘农4号其次，为857.4 cm；康赛最短，为81.7 cm。30～40 cm土层：除11个无根系分布的品种外，有根系分布的9个品种为15.0～489.8 cm，甘农4号最长，为489.8 cm；敖汉苜蓿其次，为192.1 cm；隆冬苜蓿最短，为15.0 cm。总根长：各品种为403.4～2 978.8 cm，DS310FY最长，为2 978.8 cm；甘农4号其次，为2 705.3 cm；中苜2号最短，为403.4 cm。

表5 不同品种紫花苜蓿各土层的根长

2.6 不同品种苜蓿的根系表面积

从表6看出，不同品种紫花苜蓿各土层根系表面积和总表面积的变化。0～10 cm土层：各品种为51.1～234.2 cm2，DS310FY最大，为234.2 cm2；甘农4号其次，为231.1 cm2；MF4020最小，为51.1 cm2。10～20 cm土层：各品种为40.4～300.6 cm2，皇后最大，为300.6 cm2；敖汉苜蓿其次，为197.3 cm2；MF4020最小，为40.4 cm2。20～30 cm土层：各品种为19.4～302.9 cm2，DS310FY最大，为302.9 cm2；甘农4号其次，为239.0 cm2；擎天柱最小，为19.4 cm2。30～40 cm土层：除11个无根系分布的品种外，有根系分布的9个品种为7.0～120.3 cm2，甘农4号最大，为120.3 cm2；敖汉苜蓿其次，为37.3 cm2；隆冬苜蓿最小，为7.0 cm2。总表面积：各品种为127.8～725.0 cm2，DS310FY最大，为725.0 cm2；甘农4号其次，为691.6 cm2；MF4020最小，为127.8 cm2。

表6 不同品种紫花苜蓿各土层的根系表面积

2.7 20个紫花苜蓿种质资源根系的综合表现

从表7可知，不同品种总生物量、根直径、总根长、根系总体积、总表面积、根颈直径、根颈分枝数、根芽数、主根长和侧根数各指标的属函数平均值存在差异，所有指标的属函数平均值为0.138～0.822，20个紫花苜蓿种质资源根系的综合表现依次为DS310FY>甘农4号>皇后>隆冬苜蓿>大银河>敖汉苜蓿>中苜3号>普沃4.2>SK3010>擎天柱>WL354HQ>本地苜蓿>阿迪娜>WL343HQ>4020MF>中苜1号>中苜2号>甘农3号>三得利>康赛。可见，根系综合表现位居前3位的品种分别为DS310FY、甘农4号和皇后。

表7 不同品种紫花苜蓿根系综合表现的隶属函数分析结果

3 讨论

根系形态变化与其生物量存在密切的相关性，与根系直径和根系表面积、体积与生物量联系最为紧密[10]。植物根系体积越大，根系所接触的土壤面积越大，其吸收有效养分、水分和微量元素的能力越强。随着土层深度的增加，部分紫花苜蓿品种根系体积逐渐减小[11]。植物总根长越长，根部在土壤中的空间分布范围越广，越有利于提高根系的发育、代谢和保水能力[12]。根系的平均直径表征根系的粗细程度[12]，反映植物根系形态结构特征的变化[13]。根表面积是根系与土壤之间进行营养交换的直接参与者，与水分和养分吸收密切相关[14]。主根直径的大小直接影响根系体积的大小和根系生物量的多少[15]，而根系体积与地下空间占有量成正相关，主根越粗，根系地下空间占有量越大，所吸收水分和养分越多[16-17]。侧根数量的多少直接影响苜蓿根系吸收养分和水分的能力以及其抗旱性的强弱[18]。侧根的发生能力主要由苜蓿品种的生物学特性决定，侧根直径越发达，根系总根长和表面积就越大，其对水分及养分的吸收能力就越强，苜蓿品种的适应性就越强[19]。研究结果表明，不同品种的根颈直径、根颈分枝数、根芽数和侧根数分别为3.68～11.63 mm、2.00～5.00条、4.00～12.00条和3.67～25.33条，分别为DS310FY、DS310FY、大银河和皇后最大或最多，MF4020、三得利等、WL354HQ和中苜2号最小或最少；总生物量为7.22～55.23 g/m2，DS310FY最大(55.23 g/m2)，中苜3号其次(36.47 g/m2)，甘农3号最小(7.22 g/m2)，其中，MF4020、康赛、擎天柱、甘农3号、WL343HQ、WL354HQ、三得利、中苜1号、中苜2号、皇后和陕北苜蓿11个品种在30～40 cm土层无根系分布；根系总体积为2.23～22.67 cm3，敖汉苜蓿最大(22.67 cm3)，DS310FY其次(21.71 cm3)，MF4020最小(2.23 cm3)；各土层根系平均直径为0.56～8.01 mm，皇后最大(8.01 mm)，隆冬苜蓿其次(7.98 mm)，阿迪娜最小(0.56 mm)；不同品种总根长为403.4～2 978.8 cm，DS310FY最长(2 978.8 cm)，甘农4号其次(2 705.3 cm)，中苜2号最短(403.4 cm)；根系总表面积为127.8～725.0 cm2，DS310FY最大(725.0 cm2)，甘农4号其次(691.6 cm2)， MF4020最小(127.8 cm2)；20个紫花苜蓿种质资源根系的综合表现依次为DS310FY>甘农4号>皇后>隆冬苜蓿>大银河>敖汉苜蓿>中苜3号>普沃4.2>SK3010>擎天柱>WL354HQ>本地苜蓿>阿迪娜>WL343HQ>4020MF>中苜1号>中苜2号>甘农3号>三得利>康赛。根系体积变化与刘瑞峰等[8-9]报道的豆科牧草根系的体积从土壤表层向深层依次递减的情况基本一致。侧根数与根系总根长和表面积的变化与洪绂曾等[19]的研究结果相近。紫花苜蓿根系由主根和侧根组成，其地下生物量与根颈直径、入土深度、分枝数、芽数、主根长和主根直径均呈极显著正相关，可见其生长与多种因素有关，其根系特征是所有因素共同作用的结果。不同发育阶段根系发育的特性，反映品种在该生长期对环境中主导因子的响应，说明其在该环境下品种地下根系的生长能力[20-21]。总体看，在该研究的20个品种中，DS310FY和甘农4号总根长、根系表面积、根颈直径、根颈分枝数最大或最多，根系结构的的综合表现最好。