磷素對紫花苜蓿分枝生長及生理的影響

陸曉燕，胡漢錫，袁 庚，賀維維

(江蘇農牧科技職業學院， 江蘇 泰州 225300)

磷是影響植物生長發育的重要元素，在紫花苜蓿體內的含量為0.2%～0.5%，遠低于氮和鉀[1]。但研究表明，當氮磷鉀配施時，紫花苜蓿產量高低的主要決定因素為磷，尤其在南方農區普遍缺磷的條件下，施用磷肥顯得尤為重要[2]。豆科作物對氮、磷、鉀的需求為2∶1∶2，而一般栽培作物為3∶1∶2.5，可見，豆科作物對磷的需求更為迫切。種植紫花苜蓿的土壤，磷元素會明顯減少，其中15～30 cm土層下降60.8%， 75～90 cm土層亦有明顯下降的現象[3]。

紫花苜蓿的產量構成因子包括單位面積株數、每株分枝數和每枝干重。當紫花苜蓿的播種密度一定時，其產量由每株分枝數和每枝干重決定。Sanderson等[4]研究發現，施磷處理顯著增加了每株分枝數和每枝干重，從而使產量增加。有研究表明，磷肥顯著增加了紫花苜蓿的每株分枝數[5]。Berg等[6]研究發現磷素處理并沒有增加紫花苜蓿的每株分枝數，產量的增加主要是因為施磷增加了每枝干重。紫花苜蓿的分枝包括由根頸芽發育而來的根頸分枝和由腋芽發育而來的莖分枝。研究表明，南方農區紫花苜蓿與糧經作物復種的短期栽培模式下，根頸分枝是決定紫花苜蓿產量的主要分枝類型[7]。在此栽培模式下，磷素處理將對紫花苜蓿的分枝生長特性和產量產生怎樣的影響，目前缺少相關的研究。本試驗選用在南方農區產量比較穩定、表現較好的非秋眠性品種WL525HQ進行秋播翌年刈割2茬的短期栽培試驗，研究磷素處理對紫花苜蓿分枝生長及相關生理的影響，以期為紫花苜蓿高產栽培及其機理研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紫花苜蓿品種為WL525HQ(秋眠級8.2)，由北京正道生態科技有限公司提供。磷肥為過磷酸鈣(P2O5≥12%)，湖北省當陽市星光磷化有限公司生產。

1.2 試驗設計

試驗由田間試驗和盆栽試驗兩部分組成。

1.2.1田間試驗 播種時間為2019年10月7日，樣品采集分別于2020年5月6日和6月17日初花期進行，每次刈割留茬高度為5 cm。田間試驗在江蘇農牧科技職業學院園林園藝學院的實訓基地進行，供試土壤為沙壤土，其中pH 7.02、堿解氮95 mg·kg-1、有效磷24 mg·kg-1、速效鉀125 mg·kg-1。田間試驗采用完全隨機區組設計。設0(P1)、10(P2)、20(P3)、30(P4)和40(P5)g·m-2P2O5共5個磷素處理， 每個處理4次重復，共20個小區，小區面積1 m×1 m，小區間隔0.5 m，試驗地周邊設置0.5 m寬的保護行。條播，每個小區播種4條，條與條之間間隔0.5 m，播種量為1 g·條-1，播種深度1～2 cm。磷肥分3次在行間開溝施入，其中50%在播種前施入、25%在第1茬刈割前1周施入，25%在第2茬刈割前1周施入。

1.2.2盆栽試驗 播種時間為2020年10月12日，樣品采集分別于2021年5月15日和6月24日初花期進行，每次刈割留茬高度為5 cm。盆栽試驗在江蘇農牧科技職業學院園林園藝學院的溫室進行，盆土質地為沙壤土，其中pH7.12、堿解氮108 mg·kg-1、有效磷18 mg·kg-1、速效鉀105 mg·kg-1。盆栽試驗采用完全隨機區組排列。設0(P1)、5(P2)、10(P3)、15(P4)和20(P5) g P2O5盆共5個磷素處理， 每個處理4次重復，共20盆。盆缽直徑27 cm，盆高31 cm，每盆裝土10 kg。每盆播50粒種子，生長期內間苗，最終保留20株。磷肥在播種前一次性拌入盆裝土。

1.3 測定項目與方法

1.3.1地上部分枝性狀的測定 田間試驗每次刈割時于各小區內挖取有代表性的植株10株，盆栽試驗每次刈割時于各盆內挖取有代表性的植株5株，分別記錄根頸分枝(分枝基部≤0 cm，地面高度視為0 cm)和莖分枝(0 cm<分枝基部<5 cm)的數量，60℃分類烘干至恒重，以此計算出各自的單枝干重和單株干重。

1.3.2根系養分含量的測定 盆栽試驗中在上述植株取樣時挖取其20 cm的根系，自來水洗凈，蒸餾水沖洗，將根系切割成1～2 cm的小段，60℃烘干稱重，粉碎過1 mm孔篩，供根系養分的測定。可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[8]；淀粉含量采用高氯酸酸解法測定[9]；總的非結構性碳水化合物(TNC)含量為可溶性糖和淀粉含量之和；總氮含量采用全自動凱式定氮儀測定；各養分的貯存量為其含量乘以根系干重。

1.3.3地上部再生速度的測定 盆栽試驗每次刈割后12 d于各盆內選取有代表性的植株5株，5 cm 刈割后將地上部105℃殺青30 min，60℃烘干48 h稱重，計算地上部再生量及刈割后12 d內的干物質生長速率。干物質生長速率=刈割后12 d的地上部再生量/12。

1.3.4光合指標的測定 采用美國LI-COR公司生產的 LI-6400便攜式光合儀測定。盆栽試驗中，在各茬刈割前，于每盆分別選取4個方向自頂端向下第3～5片完全展開葉的中間小葉各1片進行光合參數測定，并采用方格法測定葉面積。測定時間均為上午9:30至11:30。

1.4 數據處理

利用Excel 2010和Word 2010軟件處理試驗數據并繪制表格；采用IBM SPSS Statistics 20軟件進行方差分析和相關性分析，并用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 磷素處理對紫花苜蓿分枝數的影響

由表1可知，除了田間試驗第1茬中P1處理的根頸分枝數顯著高于其他處理外(P<0.05)，其余各茬次的根頸分枝數和莖分枝數在處理間均無顯著差異(P>0.05)。除田間試驗中P1處理的每株總分枝數顯著高于P4處理(P<0.05)外，各茬次的每株總分枝數在處理間亦無顯著差異(P>0.05)。

2.2 磷素處理對紫花苜蓿分枝干重和單株干重的影響

由表2可知，田間和盆栽試驗中各茬的根頸分枝單枝重、莖分枝單枝重和單株干重均隨著磷肥用量的增加而顯著增加(P<0.05)，除了田間試驗第2茬的根頸分枝單枝重在處理間差異不顯著(P>0.05)，但亦呈現出隨著磷肥用量的增加而增加的趨勢。

表2 不同磷素處理下紫花苜蓿各茬分枝干重和單株干重

2.3 磷素處理與紫花苜蓿分枝生長指標的相關性分析

由表3可知，磷素處理除在第1茬與根頸分枝數和總分枝數呈顯著負相關外(P<0.05)，對第1茬莖分枝數以及第2茬根頸分枝數、莖分枝數和總分枝數的影響不相關。但磷素處理對分枝單枝重的影響較大，其中，根頸分枝單枝重在田間試驗的第1茬和盆栽試驗的各茬中均與磷素用量呈極顯著正相關關系(P<0.01)；莖分枝單枝重在各茬中與磷素用量的正相關關系均達顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)水平。磷素用量與紫花苜蓿各茬單株干重均呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

表3 磷素處理與紫花苜蓿分枝生長指標的相關系數

2.4 磷素處理對紫花苜蓿光合性能的影響

凈光合速率是反映牧草光合能力的重要指標，也是決定牧草產量的重要因素。由表4可知，第1茬除P2處理外，其余磷素處理的凈光合速率均顯著高于對照(P<0.05)；第2茬的凈光合速率隨著磷素用量的增加而提高，但處理間差異不顯著(P>0.05)。氣孔導度的大小會顯著影響植物CO2的固定速率和水分的蒸騰速率。第1茬中使用磷素的處理，其氣孔導度與對照相比均無顯著性差異(P>0.05)；第2茬中除了P2處理顯著高于對照外(P<0.05)，其余磷素處理亦與對照差異不顯著(P>0.05)。細胞間CO2濃度是葉片光合反應的底物，一定程度上可反應光合速率的高低。第1茬中P3和P5處理的胞間CO2濃度顯著高于對照(P< 0.05)；第2茬中P2處理的胞間CO2濃度最高，顯著高于P3和P4(P<0.05)，但與對照差異不顯著(P>0.05)。蒸騰作用是植物對水分和礦物質吸收和運輸的主要動力，各處理間蒸騰速率的變化趨勢與凈光合速率基本保持一致。第1茬除P2處理的蒸騰速率低于對照外，其余各處理的蒸騰速率均顯著高于對照(P<0.05)；第2茬中各處理的蒸騰速率均高于對照，但除了P2處理顯著高于對照外(P<0.05)，其余各處理與對照相比，差異未達顯著水平(P>0.05)。

表4 不同磷素處理下紫花苜蓿各茬的光合性能

2.5 磷素處理對紫花苜蓿根系養分含量的影響

由圖1可知，第1茬刈割時根系中的可溶性糖含量、淀粉含量和TNC含量在處理間差異均不顯著(P>0.05)。第2茬刈割時的可溶性糖含量和淀粉含量在處理間差異顯著(P<0.05)，其中P2處理的可溶性糖含量顯著高于對照(P<0.05)，而P5處理的淀粉含量顯著高于對照(P<0.05)；TNC含量在處理間差異亦不顯著(P>0.05)。各茬的可溶性糖貯存量、淀粉貯存量和TNC貯存量均呈現出隨著磷素用量增加而增加的趨勢。第一茬中，P4和P5處理的可溶性糖貯存量顯著高于對照(P<0.05)，P2和P5的淀粉貯存量顯著高于對照(P<0.05)，而P2、P4和P5的TNC貯存量顯著高于對照(P<0.05)；第2茬中，P5的可溶性糖貯存量、淀粉貯存量和TNC貯存量均顯著高于其他處理(P<0.05)。各茬的總氮含量和總氮貯量均隨著磷素用量的增加而顯著增加(P<0.05)。

2.6 磷素處理對紫花苜蓿再生速度的影響

紫花苜蓿刈割后地上部的生長速率是評價其再生性能的重要指標，與生物產量密切相關。由圖2可知，每一茬刈割后的干物質增長速率均隨著磷素用量的增加而顯著升高，第1茬中P3、P4和P5處理的干重日增量顯著高于對照(P<0.05)，第2茬中P4和P5處理的干重日增量亦顯著高于對照(P<0.05)。

2.7 紫花苜蓿根系養分含量與地上部再生量的相關性分析

由表5可知，各茬刈割后的地上部再生量與可溶性糖、淀粉和TNC的含量的相關性均未達到顯著水平(P> 0.05)，但與可溶性糖、淀粉和TNC的貯存量均達顯著(P<0.05)或極顯著水平(P<0.01)。各茬刈割后的地上部再生量分別與第1茬和第2茬的總氮含量呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)正相關，與兩茬的總氮貯存量均呈極顯著(P<0.001)正相關關系。

注：同一茬次的不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，圖2同。圖1 不同磷素處理下紫花苜蓿根系養分的含量和貯存量Fig.1 Nutrient contents and storage capacity of Medicago sativa roots under different phosphorus treatments

圖2 不同磷素處理下紫花苜蓿刈割后0～12 d的干重增長速率Fig.2 Dry weight growth rate of Medicago sativa at 0-12 d after mowing under different phosphorus treatments

表5 刈割后12 d 地上部的再生量與刈割時的根系養分含量和總量的相關系數

3 討論與結論

3.1 磷素處理對紫花苜蓿分枝生長的影響

施肥促使紫花苜蓿產量增加主要是通過改變產量因子的性狀引起的。田間試驗和盆栽試驗結果均表明：磷素處理對紫花苜蓿各茬的根頸分枝數、莖分枝數和總分枝數影響不顯著(P>0.05)，除了田間試驗第1茬刈割時的根頸分枝數和總分枝數外；但顯著增加了各茬的根頸分枝單枝重和莖分枝單枝重(P<0.05)，從而提高了單株干重。Berg等[6]研究發現施磷處理后單株分枝數并沒有增加，產量的增加主要是因為施磷增加了每枝干重。但也有研究表明，施用磷肥會降低紫花苜蓿的植株密度，紫花苜蓿植株密度的下降會使單株分枝數增加以維持高產。Sanderson等[4]研究發現，施磷59 kg· hm-2的處理，建植2年后紫花苜蓿的植株密度從495株·m-2下降至98株·m-2，而沒有施磷的處理植株密度為134株·m-2；但施磷處理顯著增加了每株分枝數和每莖干重，從而使產量增加。分析原因可能是本試驗中紫花苜蓿是短期栽培，生長時期短于9個月，導致磷素處理對分枝數的影響不顯著；另一方面田間試驗中紫花苜蓿的播種密度(40 kg·hm-2)高于其他試驗，播種密度的提高使得植株間對水分和光照的競爭增加，由于遮陰等原因，莖基部芽的發生發育受到限制，導致分枝數量的減少。

3.2 磷素處理對紫花苜蓿分枝生理的影響

光合作用是植物生長和積累干物質的基礎，與牧草產量密切相關。本試驗結果表明，磷素處理提高了紫花苜蓿的凈光合速率。凈光合速率是單位時間內單位葉面積固定CO2的量，凈光合速率的增加意味著單位時間內光合作用產生的碳水化合物的增加，從而增加了紫花苜蓿的分枝干重。光合作用合成的碳水化合物除了滿足自身生長的需要外，部分會以不同的形式貯存在貯藏器官內，當植株的光合能力不能維持正常的生長發育時(如春季返青后的快速生長期和刈割后的再生初期)，就會動用貯存的碳水化合物作為物質和能量的來源[10-11]。本試驗結果也表明，磷素處理顯著增加了紫花苜蓿根系碳水化合物(包括可溶性糖、淀粉和總的非結構性碳水化合物)的貯存量(P<0.05)，從而顯著提高了紫花苜蓿刈割后的再生速度。研究表明，紫花苜蓿刈割后再生枝條中的氮主要來源于刈割時根系中貯存的氮，任何能夠影響根系氮源積累的處理均會影響植株的再生能力[12]。本試驗結果表明，紫花苜蓿總氮含量和貯存量均隨著磷素水平的升高而顯著增加(P<0.05)，且與紫花苜蓿刈割后的再生量達顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)正相關關系。由此推測，磷素能夠增加紫花苜蓿每枝干重的原因在于磷素促進了根系與新生枝間的養分流動，從而加快了新生枝的生長。