末次刈割时间和低温处理对苜蓿根颈抗寒性的影响

张庆昕，张玉霞，2，陈卫东，刘庭玉，王显国，王东儒

(1 内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽 028041；2 内蒙古自治区饲用作物工程中心，内蒙古 通辽 028000；3 中国农业大学 草业科学与技术学院,北京 100193；4 呼和浩特市农牧技术推广中心 种业发展科，内蒙古 呼和浩特 010000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科(Leguminosae)苜蓿属多年生草本植物[1]，因其生产性能高、适口性好，且兼具高蛋白、低纤维的营养特点，在全球广泛种植[2]。紫花苜蓿抗寒性较强，在中原一带、甘肃地区甚至有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，因冬季少雪，冬春土壤温湿度变化剧烈，因此紫花苜蓿面临着严重的低温冷冻和倒春寒问题[3-5]，冻害是限制内蒙古科尔沁沙地苜蓿持续稳定生产的关键问题。安全越冬是我国北方干旱地区实现苜蓿稳产高产的基础[6]，秋季末次刈割时间是决定苜蓿安全越冬的关键栽培技术之一[7]。王伟东等[8]研究表明，2年生紫花苜蓿在8月23日进行末次刈割处理，其越冬率最高，最有利于越冬。武瑞鑫等[9]研究表明，北京平原区紫花苜蓿秋季末次刈割的最佳时期大致为10月29日-11月5日。Bertrand等[10]研究发现，苜蓿越冬前根内可溶性糖含量积累与苜蓿安全越冬和春季返青有着密切联系。张玉霞等[11]和朱爱民等[12]研究表明，淀粉与可溶性糖在根颈中的互相转化对紫花苜蓿越冬和翌年春季返青具有重要作用，且不同苜蓿品种表现不同。陈卫东等[13]研究表明，蔗糖、果糖等可溶性糖可以提高苜蓿的抗寒性。然而，有关秋季末次刈割时间对苜蓿越冬抗寒影响的研究尚少[14-15]。目前关于科尔沁沙地生境下不同末次刈割时间处理苜蓿的抗寒性是否存在差异，以及刈割时间对低温胁迫下苜蓿糖类物质含量的影响尚不清楚。因此，本研究通过大田试验，于秋末对紫花苜蓿进行不同刈割时间处理，越冬前期挖取不同刈割时间处理紫花苜蓿的根颈，进行低温冷藏(4 ℃)和低温冷冻(-10，-15，-20，-25，-30 ℃)处理，研究紫花苜蓿根颈糖类物质含量的变化，分析紫花苜蓿在不同刈割时间处理下适应低温冷冻的抗寒保护机制，确定科尔沁沙地紫花苜蓿秋季是否刈割或刈割最佳时间，以期为提高科尔沁沙地紫花苜蓿安全越冬提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古通辽市开鲁县东风镇林辉草业公司(43°37′ N， 121°34′ E)，年平均气温6.2 ℃，≥10 ℃年活动积温3 137 ℃，年平均日照时数3 000 h，无霜期135～145 d，年平均降水量376.1 mm，蒸发量是降水量的4.8倍，年平均风速3.1～4.3 m/s，为典型的温带大陆性季风气候。试验田为新开垦沙化草地，土壤为沙土，0～20 cm土层土壤理化性质为：pH 8.2，有机质6.3 g/kg，全氮0.37 g/kg，碱解氮36.17 mg/kg，速效钾76.78 mg/kg，速效磷3.68 mg/kg。

1.2 试验材料

供试公农1号紫花苜蓿种子，由吉林省农业科学院草原所提供。

1.3 试验设计

公农1号紫花苜蓿种子于2019年7月30日播种，播种方式为条播，播种量为22.5 kg/hm2，行距15 cm，小区试验面积16 m2(4 m×4 m)，3次重复，共设27个小区，小区之间设0.5 m过道。施肥量为75 kg/hm2K2O，100 kg/hm2P2O5;翌年再次施入150 kg/hm2K2O、200 kg/hm2P2O5，K2O均分为2次施入，分别为4月3日和6月3日，P2O5于4月3日一次性施入。分别于2020年5月1日和7月3日对所有小区进行第一茬与第二茬刈割。紫花苜蓿生长过程中进行适时喷灌、除草、防治病虫害等田间管理。

采用随机区组试验设计，于2020年8月25日-11月5日，每处理间隔10 d，分别为8月25日、9月5日、9月15日、9月25日、10月5日、10月15日、10月25日和11月5日，共设置8个刈割时间处理，以未刈割为对照。于封冻前期(11月15日)挖取紫花苜蓿越冬材料(苜蓿根系)，每个小区挖取90株粗细均匀一致的根系，平均分成6份。将其中1份放在4 ℃冰箱进行低温冷藏处理，剩余5份于可程式恒温恒湿试验箱模拟低温冷冻处理，处理时先将根系用脱脂棉包裹，加水适量，再用锡纸包裹，注明编号，处理温度分别为 -10，-15，-20，-25，-30 ℃，以0 ℃为起点，4 ℃/h的速率降温，到达预设温度后保持6 h；再以4 ℃/h的速率升温至0 ℃，取出置于4 ℃下保持12 h。分别切取根颈及根颈下主根1 cm，测定其相对电导率及糖类物质含量。

1.4 测定指标及方法

参考邹琦[16]的方法测定生理指标，其中相对电导率采用DDS-302电导率仪测定，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，相关性分析数据选择半致死温度与不同温度处理下所有刈割处理的均值进行分析。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理、绘图和制作表格，结果用“平均值±标准差”表示，各低温处理下的相对电导率数据使用SPSS17.0软件拟合logistic回归方程[17-18]y=k/(1+ae-bx)，其中y为相对电导率，x为处理温度，k为x趋于无穷大时的值，a、b为方程参数。相对电导率极大值与极小值的中位数对应的温度为低温半致死温度(LT50)。

2 结果与分析

2.1 不同末次刈割时间对苜蓿根颈半致死温度(LT50)的影响

由表1可知，不同末次刈割时间苜蓿受不同低温胁迫后，用其根颈相对电导率拟合的logistic回归方程不同，差异显著水平均小于0.05。

表1 不同末次刈割时间处理苜蓿根颈相对电导率拟合的logistic回归方程及LT50

由表1还可知，在未刈割和8月25日、9月5日、9月15日、9月25日、10月5日、10月15日、10月25日、11月5日进行末次刈割时，苜蓿根颈的半致死温度分别为-18.03，-17.61，-17.03，-16.59，-15.80，-15.82，-16.83，-16.34，-17.12 ℃。表明苜蓿在不同末次刈割时间的抗寒能力强弱依次为：未刈割>8月25日末次刈割>11月5日末次刈割>9月5日末次刈割>10月15日末次刈割>9月15日末次刈割>10月25日末次刈割>10月5日末次刈割>9月25日末次刈割。

2.2 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的可溶性糖含量

由表2可知，在同一末次刈割时间下，随着处理温度的降低，苜蓿根颈可溶性糖含量呈先升高后降低的变化趋势，在-20 ℃下苜蓿根颈的可溶性糖含量最高，且均与其他温度处理差异显著(P<0.05)，说明在低温胁迫下，苜蓿根颈受到伤害，通过提高可溶性糖的含量来保护细胞的稳定性。

由表2还可知，在-10，-20和-30 ℃下，9月25日末次刈割时间处理苜蓿根颈的可溶性糖含量最低，其中在-10 ℃下苜蓿根颈可溶性糖含量显著低于未刈割、8月25日刈割和11月5日刈割处理(P<0.05)，-20 ℃处理显著低于除10月5日刈割处理外的其他刈割处理(P<0.05)，-30 ℃处理则显著低于8月25日刈割处理(P<0.05)。说明不同刈割时间处理苜蓿根颈的可溶性糖含量在低温冷冻胁迫下存在明显差异，9月25日和10月5日末次刈割处理苜蓿根颈的可溶性糖含量相对较低；未刈割及8月25日、9月5日、10月15日、11月5日末次刈割处理则相对较高。进一步说明，9月25日和10月5日刈割苜蓿的抗寒性较弱，与其在低温冷冻胁迫下的可溶性糖含量较低有关，反之抗寒性较强的未刈割处理、8月25日和11月5日末次刈割处理也与其在低温冷冻胁迫下可溶性糖含量较高密切相关。

2.3 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的蔗糖含量

由表3可知，随着处理温度的降低，在8月25日、9月5日、10月5日、10月15日以及10月25日末次刈割时间处理下，苜蓿根颈的蔗糖含量呈增加-降低-增加-降低的双峰型变化趋势，其中在-25 ℃下蔗糖含量达到最高，且与对照(4 ℃)、-15及-30 ℃处理差异显著(P<0.05)，说明苜蓿根颈在低温胁迫下，通过增加蔗糖含量来保护细胞的稳定性，且在-25 ℃下，蔗糖在细胞中的调节能力最强，表明蔗糖亦是苜蓿抵御低温冷冻胁迫的渗透调节物质之一。

由表3还可知，在-15和-20 ℃下，未刈割处理苜蓿根颈的蔗糖含量最高，其中在-15 ℃下，未刈割处理苜蓿根颈的蔗糖含量显著高于9月5日、9月25日、10月5日、10月15日末次刈割处理(P<0.05)；-20 ℃下未刈割处理苜蓿根颈的蔗糖含量均显著高于其他刈割处理(8月25日末次刈割处理除外)(P<0.05)。说明不同末次刈割时间处理下苜蓿根颈的蔗糖含量在低温冷冻胁迫下存在明显差异，9月25日和10月5日末次刈割处理苜蓿根颈的蔗糖含量相对较低，未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、11月5日末次刈割处理则相对较高。进一步说明9月25日和10月5日末次刈割处理的苜蓿抗寒性较弱，这与其在低温冷冻胁迫下蔗糖含量较低有关，反之抗寒性较强的未刈割处理和8月25日、11月5日末次刈割处理与其在低温冷冻胁迫下蔗糖含量较高密切相关。

表3 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的蔗糖含量

2.4 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的果糖含量

由表4可知，随着处理温度的降低，苜蓿根颈的果糖含量呈增加-降低-增加的双峰型趋势，其中在-15 ℃下果糖含量达到最高，且与其他温度处理差异较大，说明在低温胁迫下，苜蓿通过增加根颈果糖含量来保护细胞的稳定性，且以-15 ℃下果糖在细胞中的调节能力最强，表明果糖亦是苜蓿抵御低温冷冻胁迫的渗透调节物质之一。

表4 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的果糖含量

由表4还可知，在-15和-20 ℃下，9月25日末次刈割处理苜蓿根颈的果糖含量最低，其中在-15 ℃下，9月25日末次刈割处理苜蓿根颈的果糖含量显著低于未刈割和8月25日、9月5日、10月25日、11月5日末次刈割处理(P<0.05)；在-20 ℃下，9月25日末次刈割处理苜蓿根颈的果糖含量均显著低于除9月5日和10月25日刈割处理外的其他处理(P<0.05)。说明不同末次刈割时间处理苜蓿根颈的果糖含量在低温冷冻胁迫下存在明显差异，9月25日末次刈割处理苜蓿根颈的果糖含量相对较低，未刈割和8月25日、11月5日末次刈割苜蓿根颈的果糖含量则相对较高。由此进一步说明，9月25日刈割苜蓿的抗寒性较弱，与其在低温冷冻胁迫下果糖含量较低有关；反之抗寒性较强的未刈割处理和8月25日、11月5日末次刈割处理与其在低温冷冻胁迫下果糖含量较高密切相关。

2.5 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的淀粉含量

由表5可知，随着处理温度的降低，苜蓿根颈的淀粉含量呈逐渐降低趋势，其中在-30 ℃下淀粉含量达到最低，且与其他温度处理差异较大，说明在低温胁迫下，苜蓿根颈通过促进淀粉向糖的转化，从而保护细胞的稳定性。

由表5还可知，在-15和-20 ℃下，未刈割处理苜蓿根颈的淀粉含量最低，其中在-15 ℃下，未刈割处理苜蓿根颈的淀粉含量显著低于其他处理(除8月25日刈割处理外)(P<0.05)，-20 ℃下，未刈割处理苜蓿根颈的淀粉含量显著低于9月25日刈割处理(P<0.05)。表明不同末次刈割时间处理下苜蓿根颈的淀粉含量在低温冷冻胁迫下存在明显差异，9月25日刈割处理苜蓿根颈的淀粉转化相对较弱，未刈割、8月25日刈割处理苜蓿根颈的淀粉转化则相对较强。进一步说明，9月25日末次刈割苜蓿的抗寒性较弱，与其在低温冷冻胁迫下淀粉转化成可溶性糖的能力较弱有关，反之抗寒性较强的未刈割处理、8月25日刈割处理，与其低温冷冻胁迫下淀粉转化为可溶性糖的能力较强密切相关。

表5 不同末次刈割时间苜蓿根颈在低温处理下的淀粉含量

2.6 苜蓿根颈的半致死温度与其糖类物质含量的相关性

由表6可知，在不同低温冷冻胁迫下，紫花苜蓿根颈的半致死温度均与淀粉含量呈正相关，且在-15，-20 ℃下呈极显著正相关；与可溶性糖、蔗糖和果糖含量呈负相关(除4 ℃的蔗糖含量外)；紫花苜蓿根颈的LT50与-10，-20，-30 ℃下的可溶性糖含量呈极显著负相关(P<0.01)；与-15，-20 ℃下的蔗糖含量呈显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)负相关，与-15 ℃下的果糖含量呈极显著负相关(P<0.01)。

表6 苜蓿根颈的半致死温度与其糖类物质含量的相关性

3 讨论与结论

3.1 末次刈割时间对苜蓿抗寒性的影响

在冬季寒冷的北方地区，末次刈割时间的选择对于苜蓿的抗寒性至关重要[19]，LT50为苜蓿抗寒性的评价指标[20]。本研究通过对不同末次刈割时间处理苜蓿根颈在不同低温胁迫下的相对电导率进行测定，协同logistic方程计算苜蓿LT50，发现未刈割至9月25日刈割处理，苜蓿的抗寒性逐渐降低；9月25日末次刈割处理后苜蓿抗寒性有所增强，说明在初霜期(9月25日左右)来临之前对苜蓿进行末次刈割，苜蓿抗寒性较低，而在初霜期之后进行末次刈割，则对苜蓿越冬无显著影响。这可能是因为苜蓿刈割后，即开始利用根系根颈中贮藏的物质进行再生，此时根系营养物质为新生茎叶提供了大量的营养物质，导致根系营养物质减少；而早期(9月5日前)刈割后，苜蓿仍有很长的生长时间，新生的茎叶到了一定阶段就开始进行光合积累，营养物质又开始返还地下，所以早期刈割的苜蓿根系营养物质更丰富，有助于越冬；随着刈割时间的推迟，苜蓿地上部分生长时间越来越短，营养物质返还较少甚至还未来得及返还就已经进入休眠状态；因此10月25日末次刈割处理苜蓿的抗寒性有所下降。但11月5日刈割苜蓿的抗寒性反而增强，主要是由苜蓿的生理特性决定的，因为苜蓿到了寒冷时期，就会停止地上部分的生长而将养分转移至地下根系，用作越冬储备。

3.2 末次刈割时间对苜蓿糖类物质含量的影响

Haagenson等[21]研究表明，秋末刈割冬季苜蓿根颈的淀粉含量明显减少，但可溶性糖含量提高，同时抗寒性减弱。在逆境胁迫下，植物体内可溶性糖大量积累，一方面作为能量储存，另一方面作为植物体内的主要渗透调节物质，用于缓解逆境对植物造成的伤害[8，22-23]。果糖、蔗糖和葡萄糖总称为可溶性糖，郝培彤等[24]和孙明雪等[25]的研究结果表明，可溶性糖中的蔗糖和果糖含量与苜蓿抗寒性有关。本研究结果表明，末次刈割时间处理苜蓿的半致死温度与其蔗糖、果糖等可溶性糖含量呈负相关，且在一定低温冷冻胁迫处理下达到极显著水平，进一步说明苜蓿根颈的蔗糖、果糖等可溶性糖含量是苜蓿安全越冬的关键所在。王伟东等[8]研究了末次刈割时间对苜蓿抗寒性的影响，发现随着末次刈割时间的推迟，苜蓿根颈中淀粉含量呈下降趋势，苜蓿的越冬存活率也随之下降，因此，越冬前苜蓿根颈积累的淀粉越多，其越冬存活率越高。表明淀粉虽然未直接发挥越冬期苜蓿的抗寒保护作用，但淀粉是植物体内果糖和蔗糖等可溶性糖的来源。本研究中，不同末次刈割时间处理抗寒性强的苜蓿淀粉含量明显低于抗寒性弱的处理，表明在低温处理下淀粉转化为蔗糖、果糖等可溶性糖，从而提高了苜蓿根颈对低温冷冻伤害的抵御能力。

4 结 论

在不同低温冷冻胁迫处理下，不同末次刈割时间的苜蓿抗寒能力强弱依次为：未刈割>8月25日末次刈割>11月5日末次刈割>9月5日末次刈割>10月15日末次刈割>9月15日末次刈割>10月25日末次刈割>10月5日末次刈割>9月25日末次刈割。低温冷冻胁迫下，不同末次刈割时间对苜蓿根颈的可溶性糖、蔗糖、果糖、淀粉含量均有明显影响，在相同低温胁迫处理下，抗寒性强的末次刈割处理苜蓿根颈的蔗糖、果糖等可溶性糖含量明显提高，淀粉含量降低，因此，建议在科尔沁沙地应于9月5日之前或11月5日之后进行苜蓿末次刈割，以提高苜蓿的安全越冬率。