秋末刈割處理對沙地苜蓿冬季根頸非結構碳氮的影響

朱愛民，張玉霞*，王顯國，田永雷

(1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028041；2.中國農業大學動物科技學院，北京 100083)

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為優質的多年生豆科牧草[1]，在我國生態環境建設和畜牧業生產中發揮著重要作用[2]。目前，紫花苜蓿在中國的種植面積居世界第5位[3]，隨著國家糧改飼農業結構調整的不斷推進，紫花苜蓿人工草地面積會逐年增加，屆時作為“中國草都”之稱的阿魯科爾沁旗紫花苜蓿種植面積將繼續擴大。科爾沁地區冬季寒冷、降雪量少、風沙大等不利條件和管理水平限制共同制約著紫花苜蓿的栽培和潛在產量的發揮，其中沙地苜蓿越冬問題一直是各學者討論和研究的關鍵問題。

刈割是人工草地利用的一種重要方式[4-5]，紫花苜蓿不同時期合理刈割能保障其安全越冬、促進牧草分枝和再生[6]，尤其末茬刈割是影響苜蓿越冬的關鍵管理因素之一。末茬刈割時期的掌握，許多學者有不同見解，如Silkett等[7]、Grandfield[8]、Jackobs等[9]、Smith[10]、Hanson[11]、Hanson[12]、Bélanger等[13]和Dhont等[14]認為第1次“殺霜(殺霜日是指氣溫首次降至-20 ℃)”(killing frost)之前4～6周是中、高維度地區紫花苜蓿刈割秋季敏感期(fall critical period)。此時期刈割將降低紫花苜蓿草地的持久性和來年的草產量；但Reynolds[15]、Mays等[16]、Marten[17]、Sholar等[18]、Tesar等[19]和Sheaffer等[20]的研究結果則表明，如果苜蓿品種秋眠和抗病性強、土壤肥力高、刈割次數和生育時期(或間隔期)適宜，秋季刈割也就不會造成草地持久性和產草量降低。這種有關刈割做法的爭議，究竟孰是孰非，還是需要因地制宜，還有待于更多的研究去佐證。根系是植物吸收養分、轉化和儲藏營養物質的重要器官[21-22]，研究表明，根頸中可溶性糖、可溶性蛋白含量與植物抗逆性存在相關關系[23]。孫浩等[24]在2015年對阿魯科爾沁旗最佳末次刈割期研究中表明，末茬秋季敏感期刈割導致苜蓿越冬率降低，但未對苜蓿根頸中各儲藏物質做深入研究，究竟苜蓿根系中的非結構碳氮物質含量在植物越冬期間存在怎樣的變化規律及與越冬有無直接聯系還需進一步探究。

本試驗通過在科爾沁地區對8個紫花苜蓿品種秋季敏感兩時期刈割處理同未刈割對照，探究苜蓿根頸非結構碳氮物質變化，分析科爾沁沙地秋末是否應該刈割及最佳刈割時期，為解決科爾沁沙地苜蓿末茬刈割及越冬問題提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然概況

試驗地設在內蒙古自治區通遼市阿魯科爾沁旗草源合作社公司，地理位置東經116°21′-120°58′，北緯41°17′-45°24′，溫帶半干旱大陸性氣候。年平均氣溫0～6 ℃，≥10 ℃年積溫3000～3200 ℃，無霜期140～150 d，年平均降水量350～400 mm，蒸發量是降水量的5倍左右，年平均風速3.0～4.4 m·s-1。試驗田土壤為沙土，新開墾草地。

1.2 試驗材料

供試材料如表1所示。

表1 紫花苜蓿品種及來源Table 1 Alfalfa varieties and sources

1.3 試驗方法

小區布局及管理：采用隨機區組設計，小區試驗面積20 m2(5 m×4 m)，8個品種，3次重復，共設24個小區，小區之間設50 cm過道。所有小區底肥均施750 kg·hm-2安琪有機肥、300 kg·hm-2過磷酸鈣、7 kg·hm-2硫酸鉀、60 kg·hm-2尿素(機施)，播量22.5 kg·hm-2，2016年8月4日播種，人工撒播，試驗田正常管理。

刈割處理：分別于2016年10月1日和10月15日兩秋季敏感期對每小區4.0 m×1.5 m進行刈割，并標記，未刈割作為對照。

取樣時期：分別于土壤凍融交替時期(soil freezing and thawing period)(秋冬晚上溫度低于0 ℃土壤凍結與白天溫度大于0 ℃土壤松動交替出現的時期)、土壤封凍期(soil frozen period)(冬季全天溫度低于0 ℃土壤完全凍結的時期)取樣，并測定相關指標。

1.4 測定項目及方法

每處理隨機挖取長勢良好且根頸粗度一致的紫花苜蓿根系30株，于實驗室中用蒸餾水沖洗干凈后用濾紙吸出根系表面的水分，用刀片對根頸部進行切片，備用。

可溶性糖及淀粉含量用蒽酮比色法測定[25]；游離氨基酸含量用茚三酮染色法測定[26]；可溶性蛋白質含量用考馬斯亮藍法測定[27]。

C/N=(可溶性糖含量+淀粉含量)/(游離氨基酸含量+可溶性蛋白質含量)。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 軟件處理試驗數據、做表格，SPSS 17.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 秋末刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中可溶性糖含量的影響

由表2可知，土壤凍融交替期和土壤封凍期測定結果均表明秋末不同時期刈割處理紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量較未刈割顯著降低(P<0.05)。

土壤凍融交錯期，不同時期刈割苜蓿根頸中可溶性糖含量變化有所不同，龍牧801、草原3號、公農一號品種紫花苜蓿10月1日刈割根頸中可溶性糖含量顯著高于10月15日刈割(P<0.05)，其他5個品種兩時期刈割后紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量變化未達到顯著水平(P>0.05)。刈割與未刈割不同品種紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量不同，秋季未刈割的紫花苜蓿公農1號、東苜1號及草原2號根頸中可溶性糖含量顯著高于其他品種(P<0.05)，農菁1號、農菁8號、肇東三品種紫花苜蓿可溶性糖含量顯著低于其他品種(P<0.05)；10月1日刈割龍牧801紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量顯著高于其他品種；10月15日刈割東苜1號、草原2號紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量較其他品種高，與肇東、草原3號及農菁1號相比達到顯著水平(P<0.05)。

土壤封凍期，不同時期刈割苜蓿根頸中可溶性糖含量變化有所不同，10月15日刈割龍牧801和草原2號品種紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量顯著高于10月1日刈割根頸中可溶性糖含量(P<0.05)，其他品種間含量變化無顯著性差異；刈割與未刈割品種間紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量不同：未刈割草原2號、公農1號苜蓿根頸中可溶性糖含量最高，較其他品種差異性顯著(P<0.05)；10月1日刈割紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量最高的是農菁1號，其次是東苜1號；10月15日刈割紫花苜蓿根頸中可溶性糖含量最高的是草原2號，含量最低的是肇東苜蓿。

表2 刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中可溶性糖含量的影響Table 2 Effect of cutting on the soluble sugar content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

注：不同小寫字母表示差異顯著性水平(P<0.05)，“/”左邊表示同列相同時期測定不同苜蓿品種間差異顯著性，右邊表示同一品種刈割處理差異顯著性，下同。

Note: The different letters indicate significant differences atP<0.05 level. On the left side of “/” indicate significant difference of the same column between different alfalfa varieties that determined at the same time. On the right side of “/” indicate significant difference between the same variety of cutting treatment. The same below.

2.2 秋末刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中淀粉含量的影響

根據表3可知，土壤凍融交替期和土壤封凍期測定結果均表明秋末不同時期刈割處理紫花苜蓿根頸中淀粉含量較未刈割顯著降低(P<0.05)。

土壤凍融交替期，不同時期刈割根頸中淀粉含量不同。10月1日刈割草原2號、草原3號兩品種紫花苜蓿根頸中淀粉含量顯著高于10月15日刈割的苜蓿根頸中淀粉含量(P<0.05)，其他6個品種含量變化未達到顯著水平。不同品種間未刈割與刈割紫花苜蓿根頸中淀粉含量不同：未刈割與10月1日刈割草原2號紫花苜蓿淀粉含量均最高，10月15日刈割東苜1號品種紫花苜蓿根頸中淀粉含量最高；未刈割、10月1日刈割及10月15日刈割苜蓿根頸中淀粉含量最低的品種分別是肇東、龍牧801和農菁8號，且淀粉含量最高與含量最低間比較均達到顯著水平(P<0.05)。

土壤封凍期，10月1日刈割與10月15日刈割8個紫花苜蓿品種根頸中淀粉含量變化無顯著性差異(P>0.05)。不同品種間未刈割與刈割紫花苜蓿根頸中淀粉含量不同：未刈割、10月1日和10月15日刈割紫花苜蓿根頸中淀粉含量最高的品種分別是農菁8號、公農1號和農菁8號，含量最低的分別是草原3號、肇東和草原3號紫花苜蓿品種，含量最高與最低之間達到顯著差異水平(P<0.05)。

表3 刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中淀粉含量的影響Table 3 Effect of cutting on the starch content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

2.3 秋末刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中游離氨基酸含量的影響

根據表4可知，10月15日刈割紫花苜蓿根頸中游離氨基酸含量高于未刈割和10月1日刈割的根頸中含量，與未刈割比有6個品種達到顯著水平(P<0.05)，與10月1日比皆差異性顯著(P<0.05)，而10月1日刈割與未刈割相比根頸中游離氨基酸含量降低，其中龍牧801、肇東、草原2號品種達到顯著水平(P<0.05)。未刈割與不同時期刈割不同品種間游離氨基酸含量不同：未刈割的龍牧801、肇東、草原3號、公農1號和農菁8號品種紫花苜蓿根頸中游離氨基酸含量較其他品種含量高，且差異性顯著(P<0.05)；10月1日刈割的草原3號品種紫花苜蓿根頸中游離氨基酸含量顯著高于其他品種(P<0.05)；10月15日刈割的東苜1號、肇東和農菁1號苜蓿根頸中游離氨基酸含量顯著高于其他品種(P<0.05)。

土壤封凍期測定紫花苜蓿根頸中游離氨基酸含量與土壤凍融交替期測定結果不同，如表4所列，未刈割苜蓿根頸中游離氨基酸含量高于不同時期刈割的苜蓿根頸中含量，其中與10月1日刈割相比有4個品種含量達到顯著水平(P<0.05)，與10月15日刈割比較皆達到顯著水平(P<0.05)。10月1日刈割8個紫花苜蓿品種根頸中游離氨基酸含量較10月15日刈割高，且龍牧801、肇東苜蓿、草原3號和公農1號品種達到顯著水平(P<0.05)。

不同時期刈割處理不同品種間游離氨基酸含量不同。未刈割、10月1日刈割和10月15日刈割游離氨基酸含量最高的分別是草原2號、肇東苜蓿和龍牧801紫花苜蓿，含量最低的分別是農菁1號、東苜1號和草原3號紫花苜蓿。

表4 刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中游離氨基酸含量的影響Table 4 Effect of cutting on the free amino acids content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

2.4 秋末刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中游離氨基酸含量的影響

土壤凍融交替期，根據表5可知，刈割增加苜蓿根頸中可溶性蛋白含量。10月15日刈割8個紫花苜蓿品種根頸中可溶性蛋白含量均顯著高于未刈割和10月1日刈割紫花苜蓿根頸中可溶性蛋白含量(P<0.05)。10月1日早割紫花苜蓿根頸中可溶性蛋白含量較未刈割根頸中可溶性蛋白含量增加，草原2號、草原3號品種達到顯著水平(P<0.05)。不同品種間刈割與未刈割根頸中可溶性蛋白含量不同，未刈割、10月1日刈割、10月15日刈割根頸中可溶性蛋白最高的分別是公農1號、農菁1號和東苜1號，未刈割含量最低的是草原2號，兩次刈割含量最低的均是肇東苜蓿，含量最低與最高相比差異顯著(P<0.05)。

土壤封凍期，未刈割紫花苜蓿根頸中可溶性蛋白含量較不同時期刈割高，如表9所列，10月1日刈割8個紫花苜蓿品種根頸中可溶性蛋白含量均顯著低于未刈割根頸中可溶性蛋白含量(P<0.05)；10月15日刈割除肇東、東苜1號、草原2號、農菁8號品種外，其他品種根頸中可溶性蛋白含量顯著低于未刈割根頸中可溶性蛋白含量；10月15日刈割根頸可溶性蛋白含量顯著高于10月1日刈割根頸中可溶性蛋白含量的品種有草原2號、農菁8號紫花苜蓿。不同品種間刈割與未刈割紫花苜蓿根頸中可溶性蛋白含量不同，其中未刈割、10月1日刈割、10月15日刈割可溶性蛋白含量較高的分別是農菁8號、公農1號和農菁8號品種，可溶性蛋白含量較低的分別是農牧801、農菁1號和東苜1號紫花苜蓿，含量最低與最高相比差異顯著(P<0.05)。

2.5 秋末刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中C/N的影響

2.5.1土壤凍融交替期8個紫花苜蓿品種根頸中C/N 秋末刈割地上碳水化合物無法向地下根系中轉移。如圖1所示，土壤凍融交替期測得未刈割與不同時期刈割根頸中C/N差異顯著(P<0.05)，未刈割8個紫花苜蓿品種根頸中C/N顯著大于不同時期刈割的根頸中C/N，10月15日刈割根頸中C/N顯著低于除農菁8號外10月1日刈割的根頸中C/N (P<0.05)。其中草原2號品種未刈割與刈割相比C/N下降54.9%～75.9%，變化最大。

2.5.2土壤封凍期8個紫花苜蓿品種根頸中C/N 土壤封凍期紫花苜蓿根系中可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游離氨基酸含量趨于穩定，如圖2所示，未刈割紫花苜蓿根頸中C/N顯著大于不同時期刈割根頸中C/N(P<0.05)。10月15日刈割的紫花苜蓿根頸中C/N除農菁1號外其他苜蓿品種均較10月1日刈割的根頸中C/N大，但均未達到顯著水平(P>0.05)。未刈割東苜1號、草原2號根頸中C/N保持在較高水平，刈割后根頸中C/N較高的紫花苜蓿品種是東苜1號。

表5 刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中可溶性蛋白含量的影響Table 5 Effect of cutting on the soluble protein content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

圖1 土壤凍融交替期刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中C/N影響Fig.1 Effect of cutting on the C/N of 8 alfalfa varieties in the root of neck during the freezing and thawing period A:龍牧801 Longmu No.801; B:肇東Zhaodong; C:東苜1號Dongmu No.1; D:草原2號Caoyuan No.2; E:草原3號Caoyuan No.3; F:公農1號Gongnong No.1; G:農菁1號Nongjing No.1; H:農菁8號Nongjing No.8. 不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。The different letters indicate significant differences at P<0.05 level, the same below.

圖2 土壤封凍期刈割處理對8個紫花苜蓿品種根頸中C/N影響Fig.2 Effect of cutting on the C/N of 8 alfalfa varieties in the root of neck during the frozen period

3 討論與結論

3.1 秋末刈割處理對沙地苜蓿根頸含碳物質的影響

可溶性糖是一種低溫保護性物質，具有滲透調節的作用，研究表明，植物在抵御低溫冷害時，細胞內糖含量會有所增加，尤其是根中的可溶性糖含量會在整個冬季維持很高的水平[28]；淀粉與可溶性糖在根系中互相轉化對紫花苜蓿越冬和翌年春季返青具有重要作用[29]。林興生等[30]在低溫脅迫5種菌草的抗寒性評價中研究表明，低溫脅迫下5種菌草根系中可溶性糖含量均上升。本研究表明，土壤封凍期刈割處理及未刈割苜蓿根頸中可溶性糖均低于土壤凍融交替期苜蓿根頸中含量。這是由于土壤凍融交替期溫度變化劇烈，苜蓿根系為適應劇烈變化的溫度產生較多可溶性糖，而土壤封凍期地溫變化幅度小，苜蓿根頸可溶性糖含量維持在穩定水平，這與王丹等[31]的研究結果相似，其結果表明結縷草(Zoysiajaponica)在越冬期根系中可溶性糖含量先上升后下降，但其研究表明淀粉含量先下降后上升，本試驗研究結果與此不同，本試驗中苜蓿根頸中淀粉含量先上升后下降。有文章表明根中淀粉和糖的積累與不同品種苜蓿耐刈性及刈割有關[32-40]，本試驗兩時期測定結果均表明，越冬期未刈割紫花苜蓿根頸中可溶性糖和淀粉含量顯著大于兩時期刈割根頸中含量(P<0.05)，原因可能是刈割后苜蓿繼續生長出新的枝條，消耗根系中大量碳水化合物，導致根系中淀粉和可溶性糖含量顯著降低，未刈割紫花苜蓿地上碳水化合物向根系運輸，從而積累大量碳水化合物。孫浩等[24]2015年研究科爾沁沙地末茬秋季敏感期刈割表明刈割處理降低苜蓿越冬率，結合本研究可知，刈割后苜蓿根頸中可溶性糖和淀粉含量降低是導致苜蓿越冬率降低的主要因素之一。

3.2 秋末刈割處理對沙地苜蓿根頸含氮物質的影響

氮是細胞原生質、蛋白質、酶、葉綠素的主要組成成分，在維持植物的生命和代謝過程中起著極其重要的作用[41]。游離氨基酸具有很強的親和性，增加了細胞液的濃度，對原生質的保水能力及膠體穩定性有一定作用。盧太白等[42]研究表明正常條件下冬小麥(Triticumaestivum)氨基酸含量很低，而低溫脅迫下，游離氨基酸含量顯著升高。尹本豐等[43]研究表明荒漠齒肋赤蘚越冬過程中可溶性蛋白含量顯著下降，而翟飛飛等[44]研究表明人工低溫脅迫下多年生黑麥草(Loliumperenne)葉片中可溶性蛋白含量短時間內測定均增加顯著。本試驗研究表明，可溶性蛋白含量與游離氨基酸變化趨勢相似。在土壤凍融交替期測得10月15日刈割7個紫花苜蓿品種根頸中游離氨基酸含量、可溶性蛋白含量均顯著高于未刈割苜蓿根頸中含量。原因可能是10月15日與測定時期間隔較短，刈割后根系產生抗逆性反應，短期內積累大量游離氨基酸和可溶性蛋白。而10月1日與測定時期間隔較長，刈割后根頸中游離氨基酸、可溶性蛋白含量經過“增長-降低-穩定”過程，所以土壤凍融交替期測得其根頸中含量比未刈割根頸中少，而土壤封凍期與兩次刈割時期間隔較長，刈割后根頸中游離氨基酸、可溶性蛋白含量也經過“增長-降低-穩定”過程，所以土壤封凍期測得其根頸中含量比未刈割根頸中少。

3.3 秋末刈割處理對沙地苜蓿根頸C/N的影響

C/N間接反映植物組織中非結構碳氮物質含量，是衡量植物抗逆性指標之一，研究表明C/N越高對植物越冬越有利[45]。本試驗研究表明，土壤凍融交替期和土壤封凍期未刈割紫花苜蓿根系中C/N顯著大于不同時期刈割苜蓿根頸中含量。土壤凍融交替期，10月1日刈割苜蓿根頸C/N顯著大于10月15日刈割苜蓿根頸中C/N(P<0.05)。土壤封凍期，早割和晚割根頸中C/N無差異顯著性(P>0.05)。說明在土壤凍融交替期至土壤封凍期苜蓿根頸中的可溶性糖、淀粉、游離氨基酸和可溶性蛋白之間存在復雜變化過程，通過以上對苜蓿根頸中可溶性糖、淀粉、游離氨基酸和可溶性蛋白的分析。初步得出結論：科爾沁地區紫花苜蓿不適宜秋季敏感期刈割，若秋末刈割選擇刈割后根系中C/N高的紫花苜蓿品種，如東苜1號等。

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