不同磷肥處理下苜蓿根頸抗寒性及在低溫脅迫下糖類物質變化

陳衛東，張玉霞*，叢百明，夏全超，田永雷，張慶昕，杜曉艷

（1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古自治區飼用作物工程中心，內蒙古 通遼 028041；2.內蒙古通遼市畜牧獸醫科學研究所，內蒙古 通遼 028000；3.內蒙古自治區農牧業科學院，呼和浩特 010010）

紫花苜蓿（MedicagosativaL.）是一種豆科（Leguminosae sp.）苜蓿屬（Medicago）多年生草本植物，是世界上種植面積最大的牧草之一[1]。苜蓿對氮肥要求不高，但需施用磷、鉀等肥料，尤其磷肥對苜蓿具有至關重要的作用[2-3]。研究表明，磷肥有利于提高苜蓿的固氮能力及抗寒能力[4-5]。因此，合理施用磷肥成為苜蓿能否安全越冬的一個重要因素。魯劍巍等[6]研究表明，合理施用磷肥是高羊茅安全越冬的有效措施之一，這在水稻[7]、大豆[8]、葡萄[9]的抗寒能力研究中也有所體現。沈祥軍等[10]研究表明，施磷可以促進低溫脅迫下苜蓿根頸中幾種抗寒保護物質（可溶性糖、淀粉）含量的積累，且隨著磷肥施用量的增加而增強。但目前關于磷肥提高苜蓿越冬器官中哪種糖類物質含量、不同種類磷肥及用量是否存在差異的研究尚未見報道，因此，本研究對紫花苜蓿分別施用重過磷酸鈣和磷酸二銨2種磷肥，并進一步設置不同施肥量處理，于越冬前期挖取苜蓿越冬器官，進行冷藏（4℃）和冷凍（—20℃）處理，研究不同處理下苜蓿根頸的活力及糖類物質含量的變化，分析苜蓿的抗寒保護機制，探討科爾沁沙地紫花苜蓿安全越冬的磷肥類型及施用量，為科爾沁沙地紫花苜蓿抗寒越冬提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古通遼市內蒙古民族大學科技示范園區（N 43°36′，E 122°22′），試驗地為典型的溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫6.4℃，≥10℃年活動積溫3 184℃，年均日照時數3 000 h，無霜期150 d，年均降水量379.1 mm，蒸發量約為降水量的5倍，年平均風速3～4 m·s-1。試驗田土壤為沙土，新開墾沙化草地，土壤0—20 cm堿解氮含量35.37 mg·kg-1，速效鉀含量77.51 mg·kg-1，速效磷含量3.70 mg·kg-1，pH 8.3。

1.2 試驗設計

供試苜蓿品種為紫花苜蓿‘公農1號’，由吉林省農業科學院提供。于2018年7月17日播種，播種量22.5 kg·hm-2，條播行距15 cm。播種前撒施氯化鉀150 kg·hm-2（K2O），苜蓿生長過程中進行適時噴灌水、除草及病蟲害防治等田間管理。8月20日采用溝施方式施用不同種類和不同水平的磷肥。試驗采用二因素隨機區組試驗設計，共設置2種磷肥處理，分別為重過磷酸鈣（P2O5含量為44%）和磷酸二銨（P2O5含量為46%）；每種磷肥的施用量均分別設置為100、200、300和400 kg·hm-2，同時設置不施磷肥處理為對照，每個處理3次重復。小區種植面積4 m×5 m，四周設保護行。于封凍期前（11月15日）取樣，挖取苜蓿越冬器官，每處理取粗細均勻一致的材料50株，平均分成2份。其中，1份置于4℃冰箱（低溫冰箱，溫度誤差±1℃）中儲存；另1份置于程序式低溫處理箱模擬低溫處理（—20℃）。低溫處理時，材料采用脫脂棉包裹，加水適量，再用錫紙包裹，注明編號；處理溫度為—20℃的低溫處理，以0℃為起點，4℃·h-1的速率降溫，到達設定溫度—20℃后保持6 h，然后按照4℃·h-1的速率升溫至4℃后，取出置于4℃下保持12 h后進行糖類物質的測定。

1.3 測定指標及方法

可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測定；蔗糖和果糖含量采用間苯二酚法測定；根系（根頸）活力采用TTC比色法測定[11]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理和分析，采用DPS軟件進行二因素試驗統計分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同磷肥處理下苜蓿根頸活力在低溫脅迫下的變化

不同磷肥處理苜蓿越冬材料在低溫冷藏（4℃）處理后，根頸活力隨著磷肥施用量的增加呈先升高后降低的趨勢（表1）；其中，磷肥施用量為300 kg·hm-2（P2O5）時，根頸活力最強，且顯著高于其他處理；當磷肥施用量為200、300和400 kg·hm-2時，施用重過磷酸鈣處理苜蓿的根頸活力顯著高于施用磷酸二銨處理。經過低溫冷凍（—20℃）處理，所有處理的根頸活力均有所減弱，但不同磷肥類型及用量間存在差異；兩種磷肥中均以300 kg·hm-2（P2O5）施用量處理紫花苜蓿的根頸活力最高，顯著高于無肥對照和100、200、400 kg·hm-2施用量處理；當施用量為300、400 kg·hm-2時，重過磷酸鈣處理苜蓿的根頸活力顯著高于磷酸二銨處理。由此表明，秋季施用磷肥能夠顯著提高苜蓿的抗寒性，且施用重過磷酸鈣的效果優于施用磷酸二銨，施用量以 300 kg·hm-2（P2O5）為宜。

表1 苜蓿根頸在不同處理下的根頸活力Table 1 Root neck vitalities of alfalfa root necks under different treatments

2.2 不同磷肥處理下苜蓿根頸在低溫脅迫下可溶性糖含量的變化

如表2所示，低溫冷藏（4℃）處理后，隨著磷肥施用量的增加，苜蓿根頸中可溶性糖含量呈先升高后降低的趨勢。施用量為300 kg·hm-2時可溶性糖含量最高，且顯著高于除400 kg·hm-2磷酸二銨處理外的其他處理；當施用量為100、200、300 kg·hm-2時，施用重過磷酸鈣苜蓿根頸中可溶性糖含量顯著高于施用磷酸二銨處理。低溫冷凍（—20℃）處理后，苜蓿根頸中可溶性糖含量升高，但不同磷肥用量間存在差異；施肥處理苜蓿根頸中可溶性糖含量顯著高于不施肥對照（除100 kg·hm-2磷酸二銨處理）；當施用量為300 kg·hm-2時，苜蓿根頸中可溶性糖含量顯著高于其他處理及不施肥對照（除400 kg·hm-2磷酸二銨處理）。由此說明，秋季施用磷肥有利于提高苜蓿在低溫冷凍處理后根頸中的可溶性糖含量，且施用量以300 kg·hm-2（P2O5）時可溶性糖含量最高。

表2 苜蓿根頸在不同處理下的可溶性糖含量Table 2 Soluble sugar contents of alfalfa root necks under different treatments

2.3 不同磷肥處理下苜蓿根頸在低溫脅迫下的蔗糖含量的變化

如表3所示，低溫冷藏（4℃）后，苜蓿根頸中蔗糖含量隨著磷肥施用量的增加呈先增加后降低或一直增加的變化趨勢。其中，施用重過磷酸鈣300 kg·hm-2（P2O5）時，根頸中蔗糖含量最高，顯著高于除400 kg·hm-2處理外的其他處理；施用磷酸二銨400 kg·hm-2時，蔗糖含量最高，顯著高于除300 kg·hm-2處理外的其他處理。低溫冷凍（—20℃）處理后，苜蓿根頸中蔗糖含量升高，但不同磷肥用量之間存在差異；施肥處理根頸中蔗糖含量均顯著高于不施肥對照。由此說明，秋季施用磷肥能夠提高苜蓿根頸在低溫冷凍處理后的蔗糖含量，施用重過磷酸鈣時施用量以300 kg·hm-2（P2O5）處理蔗糖含量最高；施用磷酸二銨時施用量以 400 kg·hm-2（P2O5）處理蔗糖含量最高。

表3 苜蓿根頸在不同處理下的蔗糖含量Table 3 Sucrose contents of alfalfa root necks under different treatments

2.4 不同磷肥處理下苜蓿根頸在低溫脅迫下果糖含量的變化

如表4所示，低溫冷藏（4℃）處理后，根頸中果糖含量隨著磷肥施用量的增加呈先升高后降低的趨勢；其中，施用量為300 kg·hm-2時根頸中果糖含量最高，顯著高于除400 kg·hm-2處理外的其他處理；且施用量為 300、400 kg·hm-2時，施用重過磷酸鈣處理苜蓿根頸中果糖含量均顯著高于施用磷酸二銨處理。低溫冷凍（—20℃）處理后，根頸中果糖含量升高，除100 kg·hm-2處理外，施肥處理根頸中果糖含量均顯著高于不施肥對照，但不同磷肥種類及用量之間存在差異；當施用量為100和300 kg·hm-2時，施用重過磷酸鈣處理根頸中果糖含量顯著高于磷酸二銨處理；施用量為300 kg·hm-2時，根頸中果糖含量顯著高于除400 kg·hm-2處理外的其他施用量處理及不施肥對照。由此說明，秋季施用磷肥有利于提高苜蓿根頸在低溫冷凍處理后的果糖含量，且施用重過磷酸鈣效果略優于磷酸二銨，施用量以300 kg·hm-2（P2O5）最佳。

表4 苜蓿根頸在不同處理下的果糖含量Table 4 Fructose contents of alfalfa root necks under different treatments

2.5 不同磷肥處理下苜蓿根頸在低溫脅迫下淀粉含量的變化

如表5所示，低溫冷藏（4℃）處理后，苜蓿根頸中淀粉含量隨著磷肥施用量的增加呈先降低后升高的趨勢；其中，當施用量為300 kg·hm-2時，根頸中淀粉含量最低，顯著低于其他處理；施用量為200、300、400 kg·hm-2時，施用重過磷酸鈣處理根頸中淀粉含量顯著低于施用磷酸二銨處理。低溫冷凍（—20℃）處理后，淀粉含量降低；不施肥對照根頸的淀粉含量高于或顯著高于其他處理，但不同磷肥種類及用量之間存在差異；當施用量為200、300、400 kg·hm-2時，重過磷酸鈣處理根頸中淀粉含量顯著低于磷酸二銨處理；不同施用量間進行比較，300 kg·hm-2處理根頸淀粉含量顯著低于除400 kg·hm-2處理外的其他處理及不施肥對照。由此說明，秋季施用磷肥有利于促進苜蓿在低溫冷凍處理下淀粉的轉化，且施用重過磷酸鈣效果優于磷酸二銨，施用量以300 kg·hm-2（P2O5）最佳。

表5 苜蓿根頸在不同處理下的淀粉含量Table 5 Starch contents of alfalfa root necks under different treatments

2.6 根頸活力與糖類物質含量的相關性分析

如表6所示，低溫冷藏處理（4℃）后，根頸活力與果糖含量呈極顯著正相關，與淀粉呈極顯著負相關；重過磷酸鈣處理中，根頸活力與可溶性糖、蔗糖含量呈極顯著正相關；磷酸二銨處理中，根頸活力與可溶性糖含量呈顯著正相關。低溫冷凍（—20℃）后，根頸活力與可溶性糖含量呈極顯著正相關；重過磷酸鈣處理中，根頸活力與蔗糖、果糖含量呈極顯著正相關，與淀粉含量呈極顯著負相關；磷酸二銨處理中，根頸活力與淀粉含量呈顯著負相關。由此表明，在低溫處理下，苜蓿根頸中可溶性糖、蔗糖和果糖含量越高、淀粉含量越低，根頸活力越高，苜蓿根頸受傷害程度越輕。

表6 苜蓿根頸活力與糖類物質含量的相關性Table 6 Correlation between root neck activity and carbohydrate content of alfalfa under different treatments

3 討論

根頸是水分和養分在植物體內運輸的重要通道，也是苜蓿枝條再生的主要部位，根頸活力與植物抗寒性顯著相關[12]。朱愛民等[13]研究表明，根頸活力越強苜蓿抗寒能力越強。本研究表明，低溫冷凍處理后的根頸活力較低溫冷藏處理明顯降低，不同磷肥種類及用量處理間存在差異；重過磷酸鈣處理苜蓿根頸的抗寒性優于磷酸二銨，且兩種磷肥均以300 kg·hm-2（P2O5）施用量時根頸活力最強。由繼紅等[14]研究表明，Ca2+能夠提高苜蓿的抗寒性，因此重過磷酸鈣處理苜蓿根頸的抗寒性優于磷酸二銨處理的原因可能是重過磷酸鈣中Ca2+的作用。

可溶性糖在植物遭遇低溫時可通過提高細胞滲透勢來降低細胞結冰溫度，促進脯氨酸等抗寒保護物質的積累來增加膜穩定性，并直接作為保護劑來保護原生質體、線粒體及膜上敏感偶聯因子，從而全面提高植物的抗寒性[15]。本研究表明，低溫冷凍處理（—20℃）后紫花苜蓿根頸中可溶性糖、蔗糖和果糖含量均高于低溫冷藏處理（4℃），與葡萄[16]、甜瓜[17]、八角金蟬[18]等作物在面臨低溫可溶性糖含量升高的結果相一致。可溶性糖直接或間接響應低溫脅迫，其中蔗糖作為植物光合作用中的主要產物，在植物遇到低溫脅迫時起重要作用[19]。Jiang等[9]研究表明，在越冬期葡萄枝條中蔗糖含量較高并持續上升，由此表明蔗糖與葡萄抗寒性密切相關。楊寧寧等[20]研究表明，冬油菜中淀粉含量隨著溫度的降低有所提升，與本研究結果不同，可能是由于本研究的低溫脅迫溫度為—20℃，促進了淀粉向可溶性糖轉化以提高細胞滲透調節能力，增強抗寒性。本研究表明，低溫冷藏處理后，紫花苜蓿根頸中可溶性糖、蔗糖和果糖含量均隨著磷肥施用量的增加先升高后降低，由此說明，適量施用磷肥有利于提高苜蓿根頸中可溶性糖、蔗糖、果糖含量，但過量施用則降低，可能是由于過量的磷元素會限制苜蓿對Ca2+的吸收，從而導致可溶性糖等含量下降。且低溫冷凍處理苜蓿根頸中蔗糖、果糖及可溶性糖含量較冷藏處理增加，淀粉含量降低，說明低溫冷凍脅迫下淀粉轉化為可溶性糖，尤其果糖和蔗糖，提高苜蓿抗寒性。