滴灌條件下3種紫花苜蓿細根周轉及不同土層分布特征

孫艷梅，苗曉茸，劉俊英，張前兵，于磊，馬春暉

(石河子大學動物科技學院，新疆 石河子 832003)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生優質豆科牧草，具有產草量高、營養品質好、適應性強等特點，被譽為“牧草之王”[1-2]。隨著新疆畜牧業的迅速發展，苜蓿在生態環境治理和畜牧業產業結構調整中顯得越來越重要，對優良高產苜蓿品種的需求也日漸緊迫。不同品種的紫花苜蓿在不同地區有不同的環境適應性，在新疆引進適宜苜蓿品種是提高其產量和種植效益最經濟有效的手段[3]。根系是吸收養分和水分的重要器官，是苜蓿生長和再生的物質基礎，直接影響紫花苜蓿的生產性能和持續利用期的長短[4]。而細根(直徑≤2 mm)是對土壤養分利用最活躍、最敏感的部分[5]。細根的周轉與陸地生態系統生產力息息相關，是生態系統物質循環和能量流動的重要組成部分[6]，細根雖然只占植物根系總生物量的3%～30%，但植物細根周轉卻能夠消耗植物光合作用生產的有機物總量的50%～70%[7]。因此，開展苜蓿細根周轉的研究，對明確紫花苜蓿地上部分產量形成具有重要的意義。

細根周轉是指細根在不斷地生長和死亡[8]，研究認為，活根和死根之間處在不斷地此消彼長的狀態，細根具有生長-凋亡-再生長的周期性[9]。另有研究發現苜蓿細根的生長和死亡具有明顯的季節性差異[10]，細根生物量一般有1或2個峰值，一般出現在春季前后、晚夏或秋季[11]，而不同苜蓿品種之間根系生長情況有較大差異[12]。對于細根的空間分布，研究認為苜蓿細根主要集中分布在0～20 cm土層[13]或0～50 cm土層中[9]。植物細根的生長與死亡一直是根系研究領域的熱點，近年來對紫花苜蓿根系的研究主要集中于不同根系形態[14]、刈割次數[15]、叢枝菌根真菌[16]、施肥[17-18]等對紫花苜蓿產量和根系的影響方面。對于不同苜蓿品種之間地下部分細根生長及死亡動態的變化、苜蓿細根空間分布與產草量之間關系的分析研究相對較少。WL苜蓿系列品種因其生產性能和品質俱佳，近年來在新疆地區廣泛推廣種植[19-21]，故選取新疆北疆WL系列中種植比較廣泛的3種紫花苜蓿作為研究對象，利用微根管根系監測技術對3種紫花苜蓿品種的細根生長、死亡及空間分布特征進行研究，明確3個紫花苜蓿品種的細根周轉動態，分析苜蓿細根現存量、生長量、死亡量及細根周轉率與干草產量之間的關系，以期為不同的苜蓿品種細根周轉動態及新疆北疆苜蓿品種篩選提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在石河子農業示范園區試驗田(N 44°26′，E 85°95′)進行。該地區屬溫帶大陸性氣候帶，干燥少雨，氣溫日差較大，年平均氣溫為11.2～13.9 ℃，年平均降水量為203.1～394.9 mm，年蒸發量為1000～1500 mm。土壤類型為灰漠土，土壤容重為1.48 g·cm-3，田間持水量為24.6%，土壤飽和體積含水量為29.2%，0～20 cm耕層土壤含有機質25.3 g·kg-1，堿解氮72.6 mg·kg-1，全氮1.61 g·kg-1，速效磷16.3 mg·kg-1，全磷0.21 g·kg-1，速效鉀139.6 mg·kg-1，pH為7.75。前茬作物為棉花(Gossypiumspp)。

1.2 試驗材料及小區設計

紫花苜蓿于2016年4月19日播種，供試紫花苜蓿品種為WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ(來自北京克勞沃草業技術開發中心)。播種方式為人工條播，每個小區面積為5 m(寬)×8 m(長)=40 m2，每個小區3次重復，一共9個小區。苜蓿行間距為20 cm，播種量為18 kg·hm-2，播種深度為2.0 cm。灌溉方式為滴灌，滴灌帶淺埋于地表8～10 cm，滴灌帶間距60 cm，所用滴灌帶為內鑲式滴灌帶(北京綠源有限公司生產)，滴頭間距為20 cm，滴灌帶與苜蓿條播方向平行。整個生育期灌溉量為6750 m3·hm-2(滿足當地滴灌苜蓿高產的實際灌水量)，分8次進行灌溉，每茬刈割前10～12 d及刈割后3～5 d進行灌溉。

1.3 研究方法

利用CI-600根系監測系統(美國 CID BIO-Science公司生產)連續觀察苜蓿根系的生長死亡動態，于2016年4月播種苜蓿的同時進行微根管的安裝。每個小區埋設1根，共計9根微根管。參照Johnson等[22]的方法在試驗小區中心位置安裝微根管，微根管長度為1 m，據文獻報道45°角更有利于細根的生長，故管子安裝在與地面成45°角的位置[23]，露出土壤表面部分約12～15 cm，垂直深度約為60 cm。將配套的黑色微根管黑塑膠蓋套在微根管管口，將露出地面的部分微根管用黑色的塑料袋包裹2層，用黃色橡皮筋扎緊，以防止在測根時掃描儀曝光，以及微根管蓋子滑落或破損后灰塵和水分進入管內壁，并在微根管處用白色塑料桶將微根管罩住。再用長約1 m的木棍插在離微根管5 cm處的位置，以備在觀測時能直觀地找到微根管的位置，并防止在苜蓿刈割時人為不小心破壞微根管身。

于2017年5—10月每隔15 d用CI-600進行微根管內的根系生長圖像分層掃描并進行影像收集，共計10次，具體圖像掃描日期分別為5月22日、6月6日、6月21日、7月6日、7月21日、8月5日、8月20日、9月4日、9月19日、10月4日。每管收集圖片40張，單張圖片的面積為21.59 cm(長)×19.56 cm(寬)=422.3 cm2。將收集好的圖片帶回實驗室用根系圖像分析軟件(WinRHIZO TRON MF 2014b)進行處理，每次觀測后用5～10 d將細根數據分析出來。觀測窗中出現的根顯現為白色記為活根，變成褐色記為老根，而觀測窗中出現的黑色，或者當細根完全變成黑色、皮層脫落或出現明顯褶皺以及消失時，則記為死根。微根管的垂直深度約為60 cm，將其從上至下分為0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。只記錄觀測窗中<2 mm的根，其中將活根和老根的根長密度(下方有計算方式)合記為現存量。

1.4 指標測定

1.4.1苜蓿干草產量 采用樣方法測定，在每茬苜蓿初花期(開花5%左右)隨機選取長勢均勻一致且能夠代表該小區長勢的苜蓿植株，以1 m×1 m為一個樣方，用剪刀剪取樣方內的苜蓿植株(留茬高度5 cm)，稱重，記錄苜蓿植株鮮草產量，3次重復；另取3份300 g左右鮮草樣品帶回實驗室，在烘箱中于105 ℃殺青30 min后，于65 ℃烘干至恒重，測定其含水率并計算出苜蓿干草產量(kg·hm-2)。具體計算公式如下：

干草產量=鮮草產量×(1-含水率)

2017年共刈割4茬，具體刈割時間分別為2017年5月25日、6月23日、7月30日和9月23日。

1.4.2細根根長密度的計算 以根長密度作為基本參數，將整個微根管中的細根現有的長度作為一個整體，求出整個根管的根長密度即為總現存量，而不同土層中細根現有的長度所求得的根長密度即為不同土層細根現存量，具體公式如下：

RLD=RL×sinθ/(A×4×DOF)

式中:RL為整個微根管的細根根長(root length)(cm)，A為掃描圖片的面積(422.3 cm2)，A×4為整個微根管的面積(cm2)，RLD為根長密度(root length density production)(cm·cm-3)，DOF為田間深度(depth of field)，一般為0.2～0.3 cm，本研究中的DOF(cm)取0.2 cm[24]。因微根管與地面呈45°，故需要將所得細根根長密度再乘以sin45°得到垂直高度單位體積根長密度。微根管垂直深度約為60 cm，從上至下每隔20 cm表示0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土層細根現存量。

1.4.3苜蓿細根生產量和死亡量 細根根長生產量指取樣間隔期內將同一位置的圖片后一次采樣時期所記錄的新生根長和老根的伸長量減去前一次采樣時期的細根現存量，細根死亡量則包括原有根的死亡量和食根動物取食導致原有根長的減少量[25]。

1.4.4周轉率的計算

周轉率(yr-1)=年細根生產量(cm·cm-3·yr-1)/年細根最大現存量(cm·cm-3)

1.5 數據處理

利用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進行數據處理分析，采用新復極差法(Duncan)對數據進行差異顯著性分析，用Sigmaplot 12.5軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同時期3種紫花苜蓿的細根總現存量

圖1 不同品種苜蓿細根總現存量Fig.1 Total fine root standing crop of different alfalfa species 不同大寫字母表示不同品種在0.05水平差異顯著，不同小寫字母表示不同時期在0.05水平差異顯著，下同。The different capital letters indicate that different varieties have significant differences at the 0.05 level. The different lowercase letters in the picture indicate that the difference is significant at 0.05 levels in different periods, the same below.

細根總現存量是指整個根管的現存量，3種紫花苜蓿不同時期細根總現存量分析如圖1所示。不同品種間苜蓿細根總現存量存在一定的差異，且在不同時期差異顯著(P<0.05)，其中除8月20日WL363HQ與WL366HQ差異不顯著，5月22日和6月6日WL363HQ小于WL366HQ，其他各時期細根總現存量均為WL363HQ顯著大于WL366HQ(P<0.05)。隨生育期的推進，WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿細根總現存量均出現3個峰值，分別在6月21日、7月21日和8月20日。其中WL343HQ數值分別為0.196、0.294和0.273 cm·cm-3，WL363HQ數值分別為0.594、0.861和0.634 cm·cm-3，WL366HQ數值分別為0.499、0.568和0.561 cm·cm-3。且WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿細根總現存量最大值均出現在7月21日。3種苜蓿細根的總現存量均在8月20日后逐漸減小，且均差異顯著(P<0.05)，其總現存量大小順序為WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。

2.2 3種紫花苜蓿不同土層細根現存量

3種紫花苜蓿不同空間細根現存量分析如圖2所示。從整個根管分析來看，苜蓿細根現存量主要集中在0～20 cm，隨著土層深度的加深，苜蓿細根現存量逐漸降低。0～20 cm土層，3個品種均在7月21日達到最大值，數值分別為0.165、0.330和0.540 cm·cm-3，除WL363HQ呈先增加后減小的趨勢，其他2種紫花苜蓿在8月20日前規律不明顯，在8月20日后細根現存量呈逐漸降低的趨勢。在20～40 cm土層中，WL343HQ在8月5日達到最大值，數值為0.076 cm·cm-3，WL363HQ在9月19日達到最大值，數值為0.256 cm·cm-3，WL366HQ在9月4日達到最大值，數值為0.201 cm·cm-3。在40～60 cm土層，隨著時間的推移，WL343HQ在7月21日達到最大值，數值為0.060 cm·cm-3。WL363HQ、WL366HQ苜蓿細根現存量均有先增后減再增再逐漸減小的趨勢，8月5日達到最大值，數值分別為0.122和0.131 cm·cm-3。

2.3 不同時期3種紫花苜蓿細根生產量和死亡量

對3種紫花苜蓿不同時期細根生產量、死亡量分析如圖3所示。3種紫花苜蓿細根生產量除在5月22日至6月6日、7月21日至8月5日差異不顯著外(P>0.05)，其他時期差異均顯著(P<0.05)，為WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。不同時期內3個品種苜蓿細根生產量均在7月6日至7月21日達到最大值，數值分別為0.116、0.455和0.260 cm·cm-3，其中在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日，3個紫花苜蓿品種細根生產量均有下降趨勢。WL343HQ出現了2個峰

圖2 不同土層細根現存量Fig.2 Fine root standing crop of three alfalfa species in different soil layers

值，分別在7月6日至7月21日和8月5日至8月20日，數值分別為0.116和0.077 cm·cm-3，且差異不顯著(P>0.05)；WL363HQ出現了3個峰值，分別在6月6日至6月21日、7月6日至7月21日和8月5日至8月20日，數值分別為0.274、0.455和0.211 cm·cm-3，且差異顯著(P<0.05)。WL366HQ出現了2個峰值，分別在6月6日至6月21日和7月6日至7月21日，數值分別為0.132和0.260 cm·cm-3，且差異顯著(P<0.05)，在8月5日至8月20日后3個品種苜蓿細根生產量均逐漸降低。

WL343HQ死亡量出現了2個峰值，分別在7月21日至8月5日和8月20日至9月4日，數值分別為0.093和0.096 cm·cm-3，且差異不顯著(P>0.05)。WL363HQ出現了2個峰值，但出現峰值的時間不同于WL343HQ，分別在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日，數值分別為0.186和0.447 cm·cm-3，且差異顯著(P<0.05)。WL366HQ出現了3個峰值，分別在6月21日至7月6日、7月21日至8月5日和8月20日至9月4日，數值分別為0.160、0.203和0.141 cm·cm-3，其中7月21日至8月5日分別與6月21日至7月6日、8月20日至9月4日的峰值差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同品種苜蓿細根生產量和死亡量Fig.3 Fine root production and mortality of different alfalfa species Ⅰ: 5-22—6-06；Ⅱ: 6-06—6-21；Ⅲ: 6-21—7-06；Ⅳ: 7-06—7-21；Ⅴ: 7-21—8-05；Ⅵ: 8-05—8-20；Ⅶ: 8-20—9-04；Ⅷ: 9-04—9-19；Ⅸ: 9-19—10-04。

2.4 不同時期3種紫花苜蓿細根周轉率

對3種紫花苜蓿不同時期細根總生產量、總死亡量、年細根最大現存量和周轉率分析如表1所示，3種苜蓿品種年細根生產量、年細根死亡量和年細根最大現存量均差異顯著(P<0.05)，其大小順序為WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ，3個苜蓿品種的周轉率差異不顯著(P>0.05)。

2.5 苜蓿干草產量

不同品種苜蓿干草產量如表2所示，不同品種間第1茬和第2茬WL363HQ顯著大于WL343HQ和WL366HQ(P<0.05)，第3茬、第4茬WL363HQ和WL366HQ顯著大于WL343HQ(P<0.05)。隨著刈割茬次的遞進，不同品種的苜蓿干草產量呈逐漸降低的趨勢，且第1茬和第2茬顯著大于第3茬和第4茬(P<0.05)，第3茬和第4茬各處理差異不顯著(P>0.05)，且3個品種中總干草產量為WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。

2.6 苜蓿各指標相關性分析

皮爾遜相關系數是一種度量兩個變量間相關程度的方法。它是一個介于1和-1之間的數值，其中，1表示變量完全正相關，0表示不相關，-1表示完全負相關。通過皮爾遜相關性分析表明(表3)，3個品種紫花苜蓿總干草產量與死亡量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，年細根生產量與年細根最大現存量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，其他各指標之間均為正相關。

表1 不同品種苜蓿細根周轉率Table 1 Fine root turnover rate of different alfalfa species

注： 不同大寫字母表示不同品種在0.05水平差異顯著。

Note： Different capital letters indicate that difference varieties have significant differences at the 0.05 level.

表2 不同品種苜蓿干草產量Table 2 Hay yield of different alfalfa species (t·hm-2)

注： 不同大寫字母表示不同茬次在0.05水平差異顯著，不同小寫字母表示不同品種在0.05水平差異顯著。

Note： The different capital letters indicate that different cutting have significant differences at the 0.05 level. The different lowercase letters indicate that the difference species have significant differences at 0.05 level in different periods.

表3 各指標相關性分析Table 3 The correlation analysis of each index

注： * 表示在 0.05 水平(雙側)顯著相關，** 表示在 0.01 水平(雙側)極顯著相關。

Note： * indicate significant correlation at the 0.05 level (bilateral), ** indicate extremely significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

3 討論

3.1 不同品種苜蓿細根總現存量、細根不同土層分布的變化

不同品種苜蓿細根的生長情況不同，與遺傳因素、耕作措施、水肥條件及地上部分生長動態等有關，這些因素的綜合作用使得其根系形態在不同時期內呈規律性變化[26-28]。研究表明，細根現存量峰值一般出現在春季或夏季[29]，本研究發現不同時期苜蓿細根總現存量有一定的差異(圖1)，苜蓿細根整個根管的現存量最大峰值出現在7月21日(夏季)。另有研究認為，苜蓿細根現存量一般呈雙峰形[24]。本研究中苜蓿細根現存量出現了3個峰值(圖1)，均在6月21日、7月21日和8月20日，其中在7月6日，8月4日細根現存量有下降趨勢，主要原因是本試驗苜蓿刈割4次，時間分別在2017年5月25日、6月23日、7月30日和9月23日，其中6月23日刈割后，7月6日苜蓿現存量降低，7月30日刈割后，8月4日的細根現存量降低。研究表明，細根對周圍環境的變化較為敏感，苜蓿在刈割后細根受到刺激迅速衰老脫落[30]，使得細根死亡或消失，說明刈割能夠影響苜蓿細根的生長，并降低其現存量。從總體來看，處于刈割期的苜蓿細根現存量減少，本研究中苜蓿細根監測時間未能避開苜蓿刈割期，導致刈割對苜蓿細根現存量產生了一定的影響，但究竟是刈割對苜蓿細根現存量影響大，還是不同監測時期對苜蓿細根現存量影響大，仍需進一步的試驗研究。

苜蓿細根現存量在不同土層分布取決于植物類型、植物種植年限、外界環境等有關因素[31]，本研究中在不同時期內0～20 cm細根現存量，與苜蓿細根整個根管現存量有相似趨勢，均在7月21日達到最大值。細根具有向水性和向肥性[29]，表層土壤含有豐富的養分和水分，在養分不足時，大量的根際微生物能夠將土壤難溶性物質轉換成有機物供根系吸收[32]，故細根主要集中在表層土壤，使得不同土層細根現存量與整個根管細根總現存量生長趨勢一致。本研究中WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ苜蓿細根現存量既有不同土壤深度之間的差異，又有不同的季節變化趨勢(圖2)。其中3種苜蓿在不同土層的細根現存量為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，是水分和養分造成這種差異，養分堆積在表層并能刺激作物生根，作物細根通過養分存活，二者密不可分；且滴灌帶埋在8～10 cm左右的位置，相對其他土層，每次澆水時0～20 cm能充分吸收水分。本研究中，細根隨著土層的下移，苜蓿細根現存量有減小的趨勢，0～20 cm土層中，WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ均在7月21日達到最大值，20～40 cm均在8月5日及以后達到最大值。研究表明，隨著土層的加深，土層的水分和養分降低，水分滲到土壤中之后才能對植物產生作用，而水分滲入深層土壤具有滯后的現象[33]，且溫度對土層的影響隨著土層的加深也有滯后現象[34]，使得有利的水熱組合同步性較差，導致0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm細根現存量最大值出現的時期不一致，從而導致細根現存量最大值出現在20～40 cm的時間晚于0～20 cm。

3.2 細根生產量、死亡量、周轉率和干草產量的關系

苜蓿是多年生豆科牧草，其根系的生長狀態決定了地上部分的產量，以及苜蓿種植的持久性[4]。5月22日至6月6日(5月25日刈割第1茬)與6月6日至6月21日(未刈割時期)、6月21日至7月6日(6月23日刈割第2茬)和7月6日至7月21日(未刈割時期)、7月21日至8月5日(7月30日刈割第3茬)和8月5日至8月20日(未刈割時期)以及9月4日至9月19日(未刈割時期)和9月19日至10月4日(9月23日刈割第4茬)數據兩兩對比，刈割與未刈割的15 d內細根生產量相比較，細根生產量未刈割時期大于刈割時期(圖3)，說明刈割能降低細根的生產量[30]，且生產量的高低會影響苜蓿細根的周轉率，使得周轉速度變慢。細根生長具有明顯的季節性[35]，容易受到溫度的影響，在溫度適宜的條件下，促進根際微生物釋放養分，使得細根生產量增加。7月6日至7月21日和8月5日至8月20日同是夏季，其中7月6日至7月21日的生產量大于8月5日至8月20日(圖3)，適宜的溫度能促進植物細根生長[10]，但當細根的數量達到一定的上限，會導致細根之間形成競爭機制，爭奪土壤中的養分，吸收能力強的細根占優勢，使細根生產量減少[36]，死亡量增高。處于刈割時期的苜蓿細根死亡量在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日兩個時期均大于未刈割時期內6月6日至6月21日和7月6日至7月21日，說明刈割加速了細根的死亡。其中從8月20日至9月4日到9月19日至10月4日細根死亡量超過了細根的生長量，呈逐漸降低的趨勢。隨著秋天的到來，溫度降低，土壤溫度隨之降低，導致細根大量死亡，故細根死亡量超過了細根的生產量，而新疆北疆在九月底氣溫急劇下降，土壤溫度隨之降低，抑制了細根的活動，故死亡量也逐漸下降[10]。

細根對土壤養分極為敏感，通過巨大的吸收表面積儲存營養物質，故細根不斷地生產和死亡能使植物循環利用養分[37]。計算細根周轉有不同的方法，2/3以上研究用年最大現存量來估測細根周轉[10,38]，研究發現不同植物細根周轉率的范圍為0.019～2.644 yr-1，平均周轉速率為0.56 yr-1[38]，本研究中，3個不同品種紫花苜蓿細根周轉的平均周轉率為1.8 yr-1，處于上述研究的周轉速率范圍內，且平均細根周轉率處于較高水平，紫花苜蓿為多年生豆科牧草，通過多次刈割來獲得經濟效益，一是人為的調控刈割能刺激苜蓿的生長死亡[3]，二是牧草類植物一般種植密度大，同類之間的細根競爭促使苜蓿的細根生產死亡加速[39]，故周轉率較大。本研究通過相關性分析表明，苜蓿細根死亡量與苜蓿的總干草產量呈極顯著正相關，年細根生產量與年細根最大現存量呈極顯著正相關關系(表3)，說明苜蓿細根死亡動態影響其地上部分干草產量的形成，年生產量越大，年細根現存量就越大。研究表明，植物地下部分的生長發育影響植物地上部分的產量[40]，植物為了維持自身生長發育需要不斷地加快老根的脫落或死亡來產生新生的細根[32]，通過不斷的死亡腐爛的細根可以促進根際微生物的活動，并將營養物質歸還給土壤，利于植物的再吸收。植物較高的細根周轉率是降低本身耗能的一種反映方式，植物保持高的細根現存量需要消耗大量的養分和能量，但植物細根周轉率增高時可以以較低細根生物量滿足植物對營養物質的需求，并保證對土壤養分和水分的有效吸收[41]，進而促進了其地上部分的生長。

4 結論

WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿細根現存量既有不同土壤深度之間的差異，又有不同季節的變化趨勢。總現存量均在7月21日(夏季)出現最大峰值。3個紫花苜蓿品種在不同土層的細根現存量均為0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，即隨著土層深度的增加，苜蓿細根逐漸減少。通過相關性分析結果表明，苜蓿細根的死亡動態影響其地上部分植株的生長發育及干草產量。紫花苜蓿品種WL363HQ的細根現存量、生產量及干草產量均優于WL343HQ和WL366HQ，說明紫花苜蓿品種WL363HQ在當地的生產性能表現較好，故適宜在本地進行推廣種植。