根瘤菌、施氮量及頻率對苜蓿生長和纖維含量的影響

王瑞峰， 閆 偉， 石鳳翎

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部飼草栽培加工與高效利用重點(diǎn)實驗室/草地資源教育部重點(diǎn)實驗室/內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

氮素在苜蓿生長的各個階段都不可或缺[1]。施用氮肥可以提高苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]，Hojjati等[4]研究表明，氮肥可有效提高豆科植物地上生物量。不同的氮素添加水平，對苜蓿的生長影響也大不相同[5]。合理的氮肥施用量，可以有效地提高苜蓿的產(chǎn)量[6]。研究表明過量的氮肥會降低苜蓿的產(chǎn)量[7]。自荷蘭學(xué)者Beijerinck從豆科植物中分離出了根瘤菌以來，學(xué)者們對根瘤菌展開了大量研究。聞志彬等[8]根據(jù)多年種植苜蓿的土壤中硝態(tài)氮的動態(tài)變化證明了苜蓿的根瘤菌具有固氮作用。Gasser和馬霞等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，苜蓿接種根瘤菌后，其干草產(chǎn)量提高了31.2%，且接種根瘤菌可以提高紫花苜蓿的結(jié)瘤率與根瘤重量。苜蓿作為優(yōu)質(zhì)粗飼料，我國規(guī)模化苜蓿生產(chǎn)面積逐年增加，但施肥成本占生產(chǎn)成本比例也逐年上升，規(guī)模化生產(chǎn)中施肥成本占總生產(chǎn)成本約15%～25%，所以研究合理施肥策略降低生產(chǎn)成本，對于現(xiàn)代規(guī)模化人工苜蓿草生產(chǎn)意義重大。本文通過設(shè)置不同施氮量、施肥頻率及有無接種根瘤菌處理，探究其對‘草原3號’雜花苜蓿生長速率、地上生物量、纖維素含量等的影響，以期為生產(chǎn)實踐提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古通遼市扎魯特旗蒙草苜蓿種植基地(44.383 36° N，121.311 49° E)，海拔211 m。該地氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫6.6℃；年均降水量382.5 mm，年均蒸發(fā)量1 800 mm以上，無霜期130～147 d。試驗地選擇多年未種植豆科牧草的沙地。土壤全氮全磷含量見表1。

表1 不同土層深度全氮全磷含量Table 1 Total nitrogen and phosphorus content in different soil depths

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選擇‘草原3號’雜花苜蓿(來自于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué))作為研究對象，試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)置接種(G)與未接種(NG)根瘤菌(來自于克勞沃商品菌種‘多萌’)、5個施氮量梯度(W1：600 kg·hm-2，W2：750 kg·hm-2，W3：900 kg·hm-2，W4：1 050 kg·hm-2，W5：1 200 kg·hm-2)與3個施肥頻率(T1：4次，T2：6次，T3：8次)，開展三因素試驗研究。每個小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)，每個處理5次重復(fù)，共150個小區(qū)，試驗布置圖見表2。于2016年6月進(jìn)行條播種植，種肥施用二胺75 kg·hm-2，建植時區(qū)分為接種與不接種根瘤菌處理，之后進(jìn)行正常的田間管理。2017年開始進(jìn)行施肥量和施肥頻率處理。施肥處理時間詳見表3。肥料來源及成分見表4。

表2 試驗小區(qū)設(shè)計示意表Table 2 Test plot design diagram

表3 2017年不同施肥頻率的具體施肥時間及刈割時間Table 3 Specific fertilization time and cutting time for different fertilization frequencies in 2017

1.3 試驗測定指標(biāo)及方法

1.3.1苜蓿生長速率 各小區(qū)隨機(jī)選取10株樣品進(jìn)行觀察記錄，從紫花苜蓿出苗開始，每7 d測定一次植株高度,記錄并計算。

生長速度(cm·d-1)=高度差(cm)/間隔時間(d)。

1.3.2苜蓿地上生物量測定 試驗小區(qū)隨機(jī)選取3個面積為1 m2(1 m × 1 m)大小的樣方，在三茬次的初花期留茬齊地刈割后進(jìn)行烘干稱重，將樣品放入烘箱中，在65℃干燥至恒重后稱重，記錄。

1.3.3紫花苜蓿莖葉酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)、中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)含量測定 將苜蓿樣品進(jìn)行莖葉分離和烘干后，利用ANKOM A220全自動纖維儀分析樣品的酸性洗滌纖維(ADF)與中性洗滌纖維(NDF)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及計算，使用SAS 9.4統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析等，使用Sigma Plot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根瘤菌、施氮量及頻率對苜蓿生長速率的影響

如圖1所示，施氮量為600 kg·hm-2時，第一茬刈割前，施肥頻率為4次、6次和8次的苜蓿的生長速率均呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。但在施肥頻率為4次時，接種根瘤菌的苜蓿生長速率要大于未接種根瘤菌，而施肥頻率為6次時，未接種根瘤菌的苜蓿生長速率變化幅度偏大。第二茬接種根瘤菌的苜蓿生長速率要遠(yuǎn)高于未接種根瘤菌。第二茬刈割前，苜蓿的生長速率表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢，在施肥頻率為4次時，接種根瘤菌的苜蓿開始時生長速率略大于未接種根瘤菌的苜蓿，但后期接種根瘤菌的苜蓿生長速率急速下降。施肥頻率為6次和8次時，接種根瘤菌和未接種根瘤菌的苜蓿生長速率變化趨勢基本一致。第三茬刈割前，所有施肥頻率處理均表現(xiàn)為未接種根瘤菌的苜蓿生長速率呈下降趨勢，但后期降低的幅度逐漸變小；而接種根瘤菌的苜蓿的生長速率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，苜蓿生長出現(xiàn)二次增長。另外，對施肥量為750 kg·hm-2，900 kg·hm-2，1 050 kg·hm-2和1 200 kg·hm-2的試驗樣地苜蓿生長速率進(jìn)行測定，變化趨勢與600 kg·hm-2的試驗樣地變化趨勢基本一致。

圖1 接種根瘤菌與未接種根瘤菌下苜蓿生長速率變化(以施肥量600 kg·hm-2為例)Fig.1 Diagram of growth rate of sputum inoculated with rhizobium and uninoculated rhizobium(An example of 600 kg·hm-2 of fertilizer)

2.2 根瘤菌、施肥量及頻率對苜蓿生物量的影響

2.2.1接種根瘤菌接種對苜蓿生物量的影響 分析根瘤菌接種對苜蓿地上生物量的影響，結(jié)果如圖2所示。除了第二茬W4T2和W5T3處理和第三茬W2T1處理，接種根瘤菌苜蓿的地上生物量均大于未接種根瘤菌的試驗區(qū)。在施氮量600 kg·hm-2，750 kg·hm-2，900 kg·hm-2，1 050 kg·hm-2，1 200 kg·hm-2時，接種根瘤菌處理比未接種處理地上生物量高8.11%，9.12%，14.43%，9.03%，4.38%。第一茬至第三茬接種根瘤菌的處理組比未接種的處理組地上生物量分別高38.60%，45.05%，79.13%，表明接種根瘤菌可顯著提高苜蓿地上生物量，尤其是在第三茬，這與根瘤菌影響苜蓿的生長速率結(jié)果一致。進(jìn)一步表明接種根瘤菌可以節(jié)約肥料的施用量。

圖2 接種根瘤菌對苜蓿地上生物量的影響Fig.2 Effects of rhizobium inoculation on aboveground biomass of alfalfa注：字母不同表示接種根瘤菌與未接種根瘤菌之間差異性顯著(P<0.05)，未標(biāo)記字母表示接種根瘤菌與未接種根瘤菌之間差異性不顯著；T1表示共計施肥4次，T2表示共計施肥6次，T3表示共計8次施肥Note:Difference letters indicates significant difference between inoculated rhizobium and uninoculated rhizobium at the 0.05 level,the unlabeled letters indicate that the difference between the inoculated rhizobium and the uninoculated rhizobium is not significant;T1 indicates 4 times fertilizer applying in total,T2 means 6 times ferilizer applying in total,and T3 means 8 times fertilizer applying in total

2.2.2施氮量對苜蓿生物量的影響 分析施氮量對苜蓿地上生物量的影響，結(jié)果如圖3所示。不論是接種還是未接種，苜蓿地上生物量由高到低依次為第一茬>第二茬>第三茬。未接種根瘤菌的處理中，3個茬次地上生物量最高的處理組依次為W4T2，W5T3，W1T1處理組。接種根瘤菌的處理中，3個茬次地上生物量最高的處理組依次為W3T2，W3T3，W2T2處理組。比較接種與未接種根瘤菌處理組的三茬總地上生物量，未接種根瘤菌組最高處理為W4，而接種根瘤菌組的最高處理為W3，且接種根瘤菌組的總地上生物量隨著施肥量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。比較三茬總地上生物量，GW3T2組合的總地上生物量最高，為17 228.25 kg·hm-2；NGW1T3組合的總地上生物量最低，為12 302.70 kg·hm-2。本試驗所用水溶肥最高的價格為5.1 kg·元-1，每公頃施肥成本增加1 530元，干草每噸單價按照2 000元計算，每公頃增加牧草產(chǎn)值為9 851.1元。

圖3 不同施肥量下苜蓿地上生物量的影響Fig.3 Effects of aboveground biomass of alfalfa under different fertilization rates注：字母不同表示不同施肥量之間差異性顯著(P<0.05)，下同Note:Different letters mean significant differences between different fertilizing amount at the 0. 05 level,the same as below

2.2.3施肥頻率對苜蓿生物量的影響 分析施肥頻率對苜蓿地上生物量的影響，結(jié)果如圖4所示。苜蓿第一茬刈割時，GW3T2和NGW3T2處理組的地上生物量顯著T1和T3(P<0.05)；GW2T3，GW5T3，NGW2T3，NGW5T3處理組的地上生物量顯著高于T1和T2的試驗區(qū)(P<0.05)；接種根瘤菌和未接種根瘤菌的試驗區(qū)，施肥量為900 kg·hm-2處理不同施肥頻率的地上生物量無顯著性差異；GW4T2和GW4T3的地上生物量要顯著高于GW4T1(P<0.05)；而NGW4T2的地上生物量要顯著高于施肥頻率為NGW4T1(P<0.05)。

圖4 不同施肥頻率下苜蓿的地上生物量Fig.4 Effects of different fertilization frequency on aboveground biomass of alfalfa注：字母不同表示不同施肥頻率之間差異性顯著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between different fertilization frequencies at the 0.05 level

苜蓿第二茬刈割時，NGW1T1和NGW1T3的地上生物量要顯著高于T2試驗區(qū)；而NGW5T1的地上生物量要顯著高于T2和T3的試驗區(qū)；GW5T1和GW5T2的地上生物量要顯著高于T3的試驗區(qū)；第三茬刈割時，GW1T1，GW1T2，NGW1T1，NGW1T2的地上生物量要顯著高于T3的試驗區(qū)。

綜上分析，針對第一茬刈割時苜蓿地上生物量，施肥量高的試驗區(qū)，施肥頻率越高，苜蓿地上生物量也就越高；而施肥量低的試驗區(qū)，中等施肥頻率(本研究為6次)下，苜蓿地上生物量最高。針對第二茬及第三茬，苜蓿地上生物量的變化數(shù)據(jù)得知，低施肥量搭配低施肥頻率可使苜蓿地上生物量達(dá)到最大值。結(jié)合整體三茬地上生物量分析，高施肥量搭配高施肥頻率、低施肥量搭配低施肥頻率獲得更高的地上生物量。

2.3 根瘤菌、施肥量及頻率對苜蓿纖維含量的影響

2.3.1根瘤菌對苜蓿ADF和NDF含量的影響 如圖5所示，與接種根瘤菌處理相比，未接種根瘤菌處理苜蓿莖部的ADF含量顯著提高(P<0.05)。而其他情況下，接種與未接種根瘤菌的苜蓿莖葉之間的ADF和NDF含量均無顯著差異，說明苜蓿莖葉中的NDF含量和葉片中ADF含量不受根瘤菌的顯著影響。

圖5 根瘤菌處理下苜蓿莖葉的ADF和NDFFig.5 Effects of rhizobium treatment on ADF and NDF of alfalfa stem and leaves注：字母不同表示種根瘤菌處理之間差異性顯著(P<0.05)，0表示未接種根瘤菌，1表示接種根瘤菌Note:Different letters indicated that there were significant differences among rhizobium treatments at the 0.05 level，0 means no rhizobium was inoculated,1 means rhizobium inoculation

2.3.2施肥量對苜蓿ADF和NDF含量的影響 如圖6所示，不同施氮量下苜蓿莖葉的ADF與NDF含量均無顯著差異，但與苜蓿葉片相比，莖中ADF與NDF含量均較高。

圖6 不同施肥量下苜蓿莖葉ADF和NDF的影響(接種根瘤菌)Fig.6 Effects of different fertilization amount on ADF and NDF of alfalfa stems and leaves (inoculation of rhizobium)

2.3.3施肥頻率對苜蓿ADF和NDF的影響 如圖7所示，施肥頻率為T1和T2的處理，苜蓿葉片中的ADF顯著高于施肥頻率為T3的處理(P<0.05)。同時，施肥頻率為T1的處理，苜蓿莖部中NDF顯著高于施肥頻率為T2的處理(P<0.05)。其他情況下，不同施肥頻率之間，苜蓿莖葉ADF和NDF均無顯著性差異。未接種根瘤菌的處理下，施肥頻率對苜蓿莖葉ADF和NDF的影響結(jié)果與接種根瘤菌的苜蓿結(jié)果一致。

圖7 不同施肥頻率下接種根瘤菌苜蓿莖葉ADF和NDF的影響Fig.7 Effects of different fertilization frequency on ADF and NDF of alfalfa stems and leaves(inoculation rhizobium)

3 討論與結(jié)論

3.1 施肥及根瘤菌對苜蓿生長及產(chǎn)量的影響

本研究在比較三次刈割之間苜蓿的地上生物量的大小發(fā)現(xiàn)，第一茬刈割>第二茬刈割>第三茬刈割，刈割時間的不同對苜蓿的產(chǎn)量同樣產(chǎn)生顯著的影響。這與肖燕子、趙海明等研究得出的結(jié)論保持一致[12-13]。田間試驗研究表明，在中等(W3)或中等以上施肥量水平下，可提升苜蓿的生產(chǎn)速率及苜蓿干草產(chǎn)量。這與當(dāng)前主流學(xué)者的觀點(diǎn)基本保持一致，只是在不同的地區(qū)，中等施肥量的水平不同而已。Hannaway等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤硝酸鹽含量大于15 ppm時，有利于紫花苜蓿有效結(jié)瘤。科學(xué)合理的施肥策略量，既可滿足苜蓿對各營養(yǎng)元素的需求，又不至于造成養(yǎng)分缺失或者過量導(dǎo)致燒苗。

本文研究發(fā)現(xiàn)，接種根瘤菌會提高第三茬刈割前苜蓿的生長速率，苜蓿自身具有固氮作用，但其所固定的氮素不能滿足自身的需求，需要外源施氮以保證其正常生長[15]。張慶昕等[16]研究發(fā)現(xiàn)，對沙地苜蓿接種不同種類的根瘤菌后，顯著提高了苜蓿的產(chǎn)量及生長速率。劉若慈等[17]研究指出，接種根瘤菌的苜蓿種子，其產(chǎn)量明顯提高。接種根瘤菌是提高苜蓿生長速率的重要手段[18]，這與本文的研究結(jié)論一致。李富寬等[19]通過試驗分析得出，接種根瘤菌的紫花苜蓿，根系根瘤數(shù)量顯著增加，與未接種根瘤菌苜蓿相比，紫花苜蓿的結(jié)瘤率顯著提高。房增國等[20]研究發(fā)現(xiàn)，為蠶豆(ViciafabaL.)接種根瘤菌可以顯著提高蠶豆和玉米(ZeamaysL.)的產(chǎn)量以及蠶豆結(jié)瘤率，同時，顯著地提高了間作生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效益。

3.2 施肥及根瘤菌對苜蓿纖維含量的影響

纖維素含量是影響苜蓿品質(zhì)的重要指標(biāo)。本文發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌可降低苜蓿莖葉中纖維素的含量，但效果不顯著。在未接種根瘤菌的處理，施肥頻率對苜蓿莖葉ADF和NDF的影響結(jié)果與接種根瘤菌的苜蓿結(jié)果一致，接種或未接種根瘤菌的處理，施肥量對苜蓿莖葉ADF和NDF含量沒有顯著影響，且苜蓿莖中的ADF和NDF含量比葉高。有研究認(rèn)為，配合施加氮、磷、鉀肥，還可以顯著降低紫花苜蓿的纖維含量，同樣，配施效果明顯優(yōu)于單施效果[21]。而本研究發(fā)現(xiàn)，施肥沒有對苜蓿中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維產(chǎn)生規(guī)律性影響，一方面可能是由于刈割時間的差異導(dǎo)致紫花苜蓿的品質(zhì)性狀發(fā)生改變，而當(dāng)前多數(shù)學(xué)者的研究指出，在中國北方，大部分具有灌溉條件的干旱區(qū)，施加氮肥可以有效地提升苜蓿中粗蛋白的含量，減少粗纖維(包括ADF和NDF)的含量[22]與本文研究結(jié)論一致。外源補(bǔ)充氮、磷、鉀，在紫花苜蓿的建植過程中有著極其重要的作用。有研究指出，增施氮肥，可以有效地提高苜蓿的產(chǎn)量，改善苜蓿品質(zhì)[22]。有研究發(fā)現(xiàn)[23]，不同劑量的施肥處理的干物質(zhì)含量存在顯著差異，但品種間沒有顯著差異；而在品種或不同施肥處理之間，苜蓿的纖維含量沒有顯著差異。有關(guān)施肥量及施肥頻率對紫花苜蓿品質(zhì)產(chǎn)生哪些具體影響，還需要后期的跟蹤調(diào)查與研究。

綜上所述，根瘤菌接種會促進(jìn)苜蓿第三茬刈割前苜蓿的生長速率并降低肥料的使用量。低施肥量的條件下，降低施肥頻率有助于產(chǎn)量增加，高施肥量條件下，高施肥頻率有助于產(chǎn)量增加，中等施肥水平及接種根瘤菌可顯著提高苜蓿地上生物量。苜蓿地上生物量最大的組合為接種根瘤菌、施肥量為900 kg·hm-2，施肥6次的組合，其生物量為17 228.3 kg·hm-2。