留茬高度與修剪頻率互作對意大利黑麥草補償性生長的影響

李明月，王曉凌，秦榮榮，郭亞丹

（河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471003）

意大利黑麥草(Lolium multiflorum)的補償性生長是指其受到修剪、水分和溫度等脅迫后會減緩生長，脅迫過后，當所處環(huán)境適宜其生長時，便快速再生以積累有機物，彌補甚至超過之前因脅迫所減少生物量的一種再生能力[1-3]。對草本植物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)而言，修剪或牧食造成的去葉是一種常見干擾現(xiàn)象。針對此問題，眾多學(xué)者對牧草的補償性生長進行了廣泛研究。例如，郭安琪等[4]的研究發(fā)現(xiàn)，黑麥草全割后葉片補償性生長最明顯，輕度和中度次之，重度修剪則不發(fā)生補償性生長；Ren等[5]的研究發(fā)現(xiàn)，整個歐亞草原牧后會發(fā)生補償性生長；而王梅等[6]通過野外修剪梯度試驗，在群落、功能群和物種水平上的研究發(fā)現(xiàn)，我國南方草地在修剪后能發(fā)生補償性生長。由此可見，修剪后的意大利黑麥草能夠發(fā)生補償性生長，提高草地生產(chǎn)力，但修剪程度對其再生有著極大影響。若能明確促進意大利黑麥草補償性生長的最優(yōu)修剪條件，便可依據(jù)此結(jié)果，對其修剪程度進行人為控制，以達到最大收獲效果。

不僅修剪程度，修剪頻率亦對牧草補償性生長有著重要影響，并受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究和報道。修剪頻率不同，牧草的生長情況、產(chǎn)量高低及再生能力等均會發(fā)生一定程度的變化[7]。有研究表明，單次修剪牧草的密度、生長速度和強度以及葉片干物質(zhì)累積量均顯著高于多次修剪及不修剪牧草[8-9]。另有研究發(fā)現(xiàn)，不同修剪頻率能不同程度上提高牧草地上生物量，且牧草品質(zhì)不盡相同[10-12]。然而，修剪頻率對意大利黑麥草補償性生長的影響機制鮮見報道。因此，有必要對不同修剪頻率的意大利黑麥草進行研究，以探索其補償性生長的發(fā)生機制，進而為提高牧草再生能力提供依據(jù)。

牧草再生是草地持續(xù)利用的基礎(chǔ)，從本質(zhì)上講，這種再生是葉片通過光合作用快速積累有機物的結(jié)果，而可溶性碳水化合物對此有著重要影響。因此，有必要對修剪意大利黑麥草根與茬中可溶性碳水化合物含量進行探究。有研究表明，去葉牧草留茬中儲存的有機物有利于光合作用的發(fā)生，并促進葉片再生，使其發(fā)生補償性生長[13-17]。而去葉意大利黑麥草光合面積的大幅下降直接導(dǎo)致其用于再生的有機物減少，此時，儲存于茬或根中的有機物便成為其再生所需能量的重要來源。有研究表明，刈割牧草留茬中貯藏的可溶性碳水化合物能促進其再生[18-20]，莖葉中儲存有機物質(zhì)對牧草物質(zhì)代謝及再生能力等方面也具有重要作用[21]。由此可見，可溶性碳水化合物能通過影響修剪牧草光合性能而對其再生產(chǎn)生影響，但究竟是根還是茬中有機物對修剪意大利黑麥草的再生影響力更大，目前尚不清楚。

意大利黑麥草因生長迅速、再生性強成為世界范圍內(nèi)的主要牧草，在我國也分布較廣，是研究牧草的首選目標[22-23]。故本研究以此為試驗材料，通過測定不同留茬高度及修剪頻率下意大利黑麥草生物量、光合特性、可溶性碳水化合物含量等相關(guān)指標，并以留茬中有機物與光合作用的相互影響為基礎(chǔ)，探討留茬高度及修剪頻率對意大利黑麥草補償性生長的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本研究于河南科技大學(xué)試驗田農(nóng)場進行。農(nóng)場 (34°32' N，112°16' E，海拔 138 m)位于河南省洛陽市，地屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。該地區(qū)年均日照2 080～2 240 h、年均降水量601 mm、年均氣溫14.0 ℃。本研究以中國提供的意大利黑麥草為試驗材料。

2018年3月初，將意大利黑麥草種植于100個花盆中，每盆50粒種子。花盆盆高19.0 cm，盆口直徑20.0 cm，盆底直徑19.0 cm。每盆填充有機碳含量為12.67 g·kg-1的土壤5.8 kg。意大利黑麥草出苗后于光照條件為10 000 lx、空氣相對濕度40%～60%、溫度為25 ℃溫室中生長2周。每盆選擇長勢較好的15株幼苗用于試驗，其余間苗。隨后繼續(xù)在25 ℃溫室中生長2周，并選擇63盆長勢較好且均勻的幼苗用于本研究。

2018年3月底，將63盆幼苗移至室 外生長6周至拔節(jié)期前。該研究的預(yù)試驗表明拔節(jié)期前黑麥草具有良好的再生能力，因此本試驗選擇在此期間進行。之后將63盆意大利黑麥草幼苗分成2組，分別為45和18盆。45盆進行光照試驗(試驗1)，并進一步分成5組，每組9盆；18盆進行黑暗試驗(試驗2)，并進一步分成3組，每組6盆。

接下來2周，試驗1，共5個處理：1) 5 cm留茬修剪一次(HS)，并再生長14 d；2) 5 cm留茬修剪一次，生長7 d后以相同的方式再次修剪，并再生長7 d (HF)；3) 2 cm留茬修剪一次，并再生長14 d(LS)；4) 2 cm留茬修剪一次，生長7 d后以相同的方式再次修剪，并再生長7 d (LF)；5)14 d內(nèi)不修剪(CK)。將上述各處理的9盆黑麥草分為3組，每組3盆。在各處理修剪前、HF及HS處理第一次修剪后7 d、LF處理第二次修剪后7 d測量各處理各部位生物量、根與茬中可溶性碳水化合物含量等相關(guān)指標。在各處理修剪前、HF及HS第一次修剪后5 d、LF第二次修剪后5 d測量各處理的Pn，Gs和Tr。選擇此時測量光合指標是因為修剪后短時間內(nèi)新生葉片太小不能用于測量，但修剪后5 d，意大利黑麥草新生葉長得更大，足以用來測量。試驗1中，修剪一次和修剪兩次分別稱為單次修剪和多次修剪，5 cm和2 cm留茬分別稱為高茬和低茬。

試驗2中，將意大利黑麥草幼苗移栽至黑色花盆(盆口直徑20.0 cm，盆高19.0 cm)，先置于正常光照環(huán)境中，然后進行修剪。分三組修剪：第一組、第二組和第三組分別被修剪成5、2和5 cm的茬，修剪后將同樣大小花盆倒扣在這些修剪的幼苗上，完全覆蓋使其處于黑暗環(huán)境中，在完全黑暗環(huán)境生長7 d，隨后以相同方式再次修剪，并生長7 d，該試驗為探究根與茬中儲存的有機物對意大利黑麥草再生葉片的影響。第一次修剪前，第三組進行斷根處理。斷根方法為：將花盆置于水平桌面上，用長25 cm、寬2.5 cm的薄背刀沿花盆縱向的中間位置進行水平橫向切割，使花盆及根系完全斷為兩半，再將斷開的花盆按原來位置對齊，用膠帶粘一起。斷根期間確保花盆穩(wěn)定，以避免土壤散亂。因此，試驗2包括3個處理，每處理6盆：1) 5 cm留茬不斷根(B5)；2) 2 cm留茬不斷根(B2)；3) 5 cm留茬斷根(BD5)。各處理修剪前、第一次修剪后7 d及第二次修剪后7 d，測量各處理新生葉片生物量。

1.2 生物量測定

將完整意大利黑麥草根系從花盆內(nèi)取出，用水沖洗其根部土壤，使根系與土壤及所附雜質(zhì)分離，用新報紙將水分吸干，隨后將新生葉、留茬和根系分離，用信封包裹后放入65 ℃烘箱中烘至恒重，得到各部分生物量，并計算出地上生物量與總生物量。其中，地上生物量=新生葉生物量+茬生物量+之前去除葉片生物量；總生物量=地上生物量+根系生物量。

1.3 根與茬中可溶性碳水化合物含量測定

蒽酮比色法測定意大利黑麥草根與茬中可溶性碳水化合物含量 (mg·g-1)[24]。

1.4 光合指標的測定

每天11:00用LI-6400光合儀測定Pn(凈光合速率)、Gs(氣孔導(dǎo)度)和Tr(蒸騰速率)[25]。試驗1中葉片光合速率除以再生期茬質(zhì)量，稱為相對光合指數(shù)(relative photosynthesis index, RPI)，因為此時留茬中有機物對葉片光合速率的影響最小。不同留茬高度和修剪頻率對黑麥草葉片再生的貢獻不同，但單位重量留茬的有機物對葉片再生的貢獻相似。RPI計算公式如下：

式中：RPI為相對光合指數(shù)[μmol·(m2·s·g)-1]，LPn為第一次或第二次修剪后5 d葉片凈光合速率[μmol·(m2·s)-1]；CBn為每次修剪后立即測量的留茬生物量(g)；n為修剪次數(shù)，值為1或2，當“n”值為1時，“CBn-1”為CB0，表示修剪前留茬生物量。此外，當“CBn-CBn-1”為正值時，RPI表示茬中有機物對光合速率有影響，RPI值越大，茬中有機物對光合速率的影響越大。相反，當“CBn-CBn-1”為負值或為零時，RPI表示茬中有機物對葉片光合速率無影響。

本文圖表中所有數(shù)據(jù)均為平均值，Excel 2007進行分析。試驗數(shù)據(jù)采用SAS(6.12)統(tǒng)計軟件進行分析，最小顯著差數(shù)法進行處理間的多重比較(P＜0.05)，以分析意大利黑麥草的生物量、可溶性碳水化合物含量及光合特性。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照下留茬高度及修剪頻率對意大利黑麥草生物量的影響

試驗1中，第一次修剪后7 d，HS和HF新生葉生物量分別顯著高于LS和LF(P＜0.05) (表1)。第二次修剪后7 d，各修剪處理新生葉生物量顯著性為 HS＞HF＞LS＞LF (P＜0.05)。這表明，高茬和單次修剪意大利黑麥草的再生能力更強。第一次與第二次修剪后7 d，CK根系生物量顯著高于各修剪處理，這表明修剪對根系生物量呈負面的影響。第一次和第二次修剪后7 d，HS和HF地上生物量均顯著高于其他處理，且第二次修剪后7 d，HS地上生物量顯著高于其余4組處理。這表明，單次修剪更有利于意大利黑麥草地上部分發(fā)生補償性生長，而高茬與單次修剪相互作用下的補償性生長效果更佳。第一次修剪后7 d，CK與HS及HF之間的總生物量并無顯著差異(P＞0.05)，但均顯著高于LS與LF。這表明高茬能使意大利黑麥草發(fā)生等補償生長。第二次修剪后7 d，HS總生物量顯著高于其他修剪處理及CK，且HF與CK間總生物量并無顯著差異。此結(jié)果表明，高茬與單次修剪的綜合作用能使意大利黑麥草發(fā)生超補償生長，而低茬與單次修剪相互作用下的意大利黑麥草能夠發(fā)生補償性生長，即高茬單次修剪更有利于其補償性生長的發(fā)生。

試驗2中，第一次和第二次修剪后7 d，B5和BD5新生葉生物量均顯著高于B2 (P＜0.05) (表2)，但兩處理之間無顯著差異(P＞0.05)。這表明高茬意大利黑麥草再生能力更強，斷根對意大利黑麥草再生無顯著影響，即意大利黑麥草葉片再生所需物質(zhì)主要來源于茬。

表1 光照下不同修剪處理對意大利黑麥草生物量的影響Table 1 Effects of different clipping conditions on biomass of Italian ryegrass in the light experiment

表2 黑暗下修剪對意大利黑麥草新生葉片生物量的影響Table 2 Effects of clipping on newly-grown leaf biomass of Italian ryegrass under dark condition g·plant-1

2.2 光合特性

第一次修剪后5 d，各修剪處理的Pn、Gs和Tr均顯著高于CK(P＜0.05)，且HS和LS的Pn、Gs分別高于HF和LF (表3)。這表明修剪有助于提高意大利黑麥草的凈光合速率，且單次修剪比多次修剪更有助于黑麥草凈光合速率的提高。第二次修剪后5 d，HS的Pn顯著高于其他處理，HF的Pn顯著高于LF。表明高茬單次修剪有助于促進意大利黑麥草的凈光合速率。同時，HS和LS的Gs、Tr分別顯著高于HF和LF。這表明單次修剪比多次修剪更有助于提高意大利黑麥草的Gs與Tr。

表3 光照下修剪對意大利黑麥草的光合特性的影響Table 3 Effects of clipping on photosynthetic characteristics of Italian ryegrass under light condition

第一次修剪后5 d，LS和LF的RPI分別顯著高于HS和HF (圖1)，這表明茬中有機物影響最小的情況下，低茬意大利黑麥草中有機物增加了葉片凈光合速率。第二次修剪后5 d，HS和LS為負值，這表明單次修剪意大利黑麥草茬中有機物對其葉片光合速率幾乎沒有影響。

圖1 光照下修剪對相對光合指數(shù)的影響Figure 1 Effects of clipping on the relative photosynthetic index (RPI) of Italian ryegrass under light condition

2.3 可溶性碳水化合物

修剪前，所有處理間根與茬中可溶性碳水化合物含量并無顯著差異(圖2)。第一次與第二次修剪后7 d，CK根與茬中可溶性碳水化合物含量顯著高于其他修剪處理，且HS和HF分別顯著高于LS和LF。此結(jié)果表明：不論修剪幾次，修剪均會降低根和茬中可溶性碳水化合物含量，而高茬能夠緩解這種下降趨勢。但第二次修剪后7 d，HS根與茬中可溶性碳水化合物含量顯著高于HF，而LS與LF間則并無顯著差異，表明對高茬意大利黑麥草而言，單次修剪能夠緩解根與茬中可溶性碳水化合物含量的下降趨勢，而對低茬意大利黑麥草而言，修剪次數(shù)對此并無顯著影響。因此，高茬單次修剪意大利黑麥草能為其再生提供更多可溶性碳水化合物，使其更易發(fā)生補償性生長。

圖2 光照下修剪對根與茬中可溶性碳水化合物含量的影響Figure 2 Effects of clipping on soluble carbohydrate concentration in the roots and crowns of Italian ryegrass under light condition

3 討論

3.1 生物量與補償性生長

意大利黑麥草修剪后的補償性生長實質(zhì)上是葉片通過光合作用快速積累有機物的過程。研究發(fā)現(xiàn)，高茬能實現(xiàn)草地群落地上生物量正補償性生長[26]，刈割能刺激黑麥草葉片生長并促進分枝數(shù)增加，進而提高草地年生產(chǎn)力[27]。本研究光照試驗和黑暗試驗同樣發(fā)現(xiàn)，高茬單次修剪的意大利黑麥草更易發(fā)生補償性生長。Dyer等[28]也發(fā)現(xiàn)，高茬有利于草地群落生物量的提高，但不科學(xué)的刈割方式可能會導(dǎo)致雜類草等利用價值低的牧草的增加，引起草地退化。由此看來，科學(xué)的刈割方式對牧草再生而言至關(guān)重要，而從本研究結(jié)果來看，高茬單次修剪能最大限度增加意大利黑麥草地上生物量，使其發(fā)生補償性生長，對維持草地可持續(xù)利用與生態(tài)環(huán)境保護具有十分重要的現(xiàn)實意義。

3.2 光合特性與補償性生長

對植物而言，光合作用是其生長的基礎(chǔ)。意大利黑麥草修剪后的補償性生長實質(zhì)上正是其去葉后通過快速光合作用再次積累有機物的過程[29-30]。本研究中，再生期間，各修剪處理的Pn、Gs和Tr均顯著高于CK，HS的Pn顯著高于其他處理，HS的Pn顯著高于LS。也就是說，修剪有助于提高意大利黑麥草的凈光合速率，且高茬單次修剪的效果更佳。因此，單次修剪意大利黑麥草通過較高的凈光合速率產(chǎn)生更強的光合作用，而光合作用產(chǎn)生的有機物也隨之增多，進而發(fā)生補償性生長，這也正是補償性生長發(fā)生的本質(zhì)所在[31]。

研究發(fā)現(xiàn)，修剪使駝絨藜植株葉片的氣孔導(dǎo)度明顯增加，氣孔限制值減小，CO2的攝入增加，出現(xiàn)補償性光合作用現(xiàn)象[32-33]。本研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象：再生期間，高茬單次修剪意大利黑麥草的氣孔更加開放，其凈光合速率在一定程度上也更高，光合作用有所增強，積累更多有機物，促進補償性生長的發(fā)生[34]。

另外，本研究發(fā)現(xiàn)茬中有機物影響最小的情況下，低茬意大利黑麥草中有機物增加了其葉片凈光合速率。一般來說，修剪后不久，意大利黑麥草光合面積大量下降，威脅其正常生存。此時，留茬中有機物便成為其對抗脅迫、快速再生的能量源泉。而從本研究結(jié)果來看，高茬單次修剪意大利黑麥草的RPI表明茬中有機物對葉片光合作用的影響極小，即，修剪后意大利黑麥草葉片光合作用不因葉片的大量減少而受到極大影響，能夠很好地進行光合作用，積累有機物，進而促進其補償性生長的發(fā)生。

3.3 根與茬中可溶性碳水化合物與補償性生長

沈波和王熹的研究發(fā)現(xiàn)，雜交稻根系大小直接影響其地上部分的生長發(fā)育和產(chǎn)量構(gòu)成[35]；春小麥(Triticum aestivum)較大的根通常能支撐其地上較大的莖葉[36-37]。本研究也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，高茬單次修剪意大利黑麥草具有較大的根，能夠支撐地上較高的茬，而高茬中儲存著的較多有機物用于葉片再生，能促進意大利黑麥草補償性生長的發(fā)生。

王靜等[38]研究發(fā)現(xiàn)，冷蒿(Artemisia frigida)可溶性碳水化合物庫的變化趨勢與其再生長趨勢一致，說明可溶性碳水化合物庫可以表征植物再生長能力。有研究表明，刈割后牧草再生初期所需能量主要來源于莖基和根部貯藏的碳水化合物[39]，但并未明確提出到底是哪個部位儲存的碳水化合物起主要作用。而本研究黑暗試驗結(jié)果明確提出，修剪意大利黑麥草再生所需能量主要來源于茬而非根系。原因可能是再生期間，高茬單次修剪意大利黑麥草具有較大根系，能夠支撐地上較高的茬，而高茬中儲存的碳水化合物足以供應(yīng)其再生所需能量。同時，光照試驗結(jié)果表明，高茬單次修剪意大利黑麥草的凈光合速率及地上生物量明顯高于其他處理。兩試驗結(jié)合而看不難發(fā)現(xiàn)，茬而非根系中儲存的較多有機物能使修剪意大利黑麥草凈光合速率提高，光合作用也因此增強，產(chǎn)生和積累有機物增多，進而發(fā)生補償性生長。

3.4 留茬高度與修剪頻率互作與補償性生長

本研究結(jié)果顯示，高茬單次修剪意大利黑麥草地上生物量明顯增多，且高茬單次修剪意大利黑麥草能儲存更多的有機物質(zhì)，高茬意大利黑麥草相比于其他處理凈光合速率明顯提高，即高茬單次修剪意大利黑麥草更易發(fā)生補償性生長。

因此，本研究條件下，高茬單次修剪的刈割方式能使意大利黑麥草茬中有機物含量更高，而大量的有機物有助于提高其凈光合速率，增強光合作用，產(chǎn)生并積累較多有機物，從而發(fā)生補償性生長，且留茬中儲存的有機物才是意大利黑麥草再生所需能量的主要來源。

4 結(jié)論

光照試驗表明，相對于低茬意大利黑麥草而言，高茬中儲存的有機物較多，足以供應(yīng)其再生期間所需能量；單次修剪對意大利黑麥草所造成的生存脅迫較低，它能靠自身較強的再生性快速生長。因此，高茬和單次修剪互作下意大利黑麥草地上生物量及總生物量顯著高于其他修剪處理，發(fā)生補償性生長。黑暗試驗表明，修剪后意大利黑麥草再生所需能量主要來源于茬，而非根系。綜上所述，高茬和單次修剪的綜合作用更有利于意大利黑麥草利用茬而非根系中儲存的較多有機物，增強光合作用，產(chǎn)生并積累有機物，進而發(fā)生補償性生長。