秋末刈割处理对沙地苜蓿冬季根颈非结构碳氮的影响

朱爱民，张玉霞*，王显国，田永雷

(1.内蒙古民族大学农学院，内蒙古 通辽 028041；2.中国农业大学动物科技学院，北京 100083)

紫花苜蓿(Medicagosativa)作为优质的多年生豆科牧草[1]，在我国生态环境建设和畜牧业生产中发挥着重要作用[2]。目前，紫花苜蓿在中国的种植面积居世界第5位[3]，随着国家粮改饲农业结构调整的不断推进，紫花苜蓿人工草地面积会逐年增加，届时作为“中国草都”之称的阿鲁科尔沁旗紫花苜蓿种植面积将继续扩大。科尔沁地区冬季寒冷、降雪量少、风沙大等不利条件和管理水平限制共同制约着紫花苜蓿的栽培和潜在产量的发挥，其中沙地苜蓿越冬问题一直是各学者讨论和研究的关键问题。

刈割是人工草地利用的一种重要方式[4-5]，紫花苜蓿不同时期合理刈割能保障其安全越冬、促进牧草分枝和再生[6]，尤其末茬刈割是影响苜蓿越冬的关键管理因素之一。末茬刈割时期的掌握，许多学者有不同见解，如Silkett等[7]、Grandfield[8]、Jackobs等[9]、Smith[10]、Hanson[11]、Hanson[12]、Bélanger等[13]和Dhont等[14]认为第1次“杀霜(杀霜日是指气温首次降至-20 ℃)”(killing frost)之前4～6周是中、高维度地区紫花苜蓿刈割秋季敏感期(fall critical period)。此时期刈割将降低紫花苜蓿草地的持久性和来年的草产量；但Reynolds[15]、Mays等[16]、Marten[17]、Sholar等[18]、Tesar等[19]和Sheaffer等[20]的研究结果则表明，如果苜蓿品种秋眠和抗病性强、土壤肥力高、刈割次数和生育时期(或间隔期)适宜，秋季刈割也就不会造成草地持久性和产草量降低。这种有关刈割做法的争议，究竟孰是孰非，还是需要因地制宜，还有待于更多的研究去佐证。根系是植物吸收养分、转化和储藏营养物质的重要器官[21-22]，研究表明，根颈中可溶性糖、可溶性蛋白含量与植物抗逆性存在相关关系[23]。孙浩等[24]在2015年对阿鲁科尔沁旗最佳末次刈割期研究中表明，末茬秋季敏感期刈割导致苜蓿越冬率降低，但未对苜蓿根颈中各储藏物质做深入研究，究竟苜蓿根系中的非结构碳氮物质含量在植物越冬期间存在怎样的变化规律及与越冬有无直接联系还需进一步探究。

本试验通过在科尔沁地区对8个紫花苜蓿品种秋季敏感两时期刈割处理同未刈割对照，探究苜蓿根颈非结构碳氮物质变化，分析科尔沁沙地秋末是否应该刈割及最佳刈割时期，为解决科尔沁沙地苜蓿末茬刈割及越冬问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区自然概况

试验地设在内蒙古自治区通辽市阿鲁科尔沁旗草源合作社公司，地理位置东经116°21′-120°58′，北纬41°17′-45°24′，温带半干旱大陆性气候。年平均气温0～6 ℃，≥10 ℃年积温3000～3200 ℃，无霜期140～150 d，年平均降水量350～400 mm，蒸发量是降水量的5倍左右，年平均风速3.0～4.4 m·s-1。试验田土壤为沙土，新开垦草地。

1.2 试验材料

供试材料如表1所示。

表1 紫花苜蓿品种及来源Table 1 Alfalfa varieties and sources

1.3 试验方法

小区布局及管理：采用随机区组设计，小区试验面积20 m2(5 m×4 m)，8个品种，3次重复，共设24个小区，小区之间设50 cm过道。所有小区底肥均施750 kg·hm-2安琪有机肥、300 kg·hm-2过磷酸钙、7 kg·hm-2硫酸钾、60 kg·hm-2尿素(机施)，播量22.5 kg·hm-2，2016年8月4日播种，人工撒播，试验田正常管理。

刈割处理：分别于2016年10月1日和10月15日两秋季敏感期对每小区4.0 m×1.5 m进行刈割，并标记，未刈割作为对照。

取样时期：分别于土壤冻融交替时期(soil freezing and thawing period)(秋冬晚上温度低于0 ℃土壤冻结与白天温度大于0 ℃土壤松动交替出现的时期)、土壤封冻期(soil frozen period)(冬季全天温度低于0 ℃土壤完全冻结的时期)取样，并测定相关指标。

1.4 测定项目及方法

每处理随机挖取长势良好且根颈粗度一致的紫花苜蓿根系30株，于实验室中用蒸馏水冲洗干净后用滤纸吸出根系表面的水分，用刀片对根颈部进行切片，备用。

可溶性糖及淀粉含量用蒽酮比色法测定[25]；游离氨基酸含量用茚三酮染色法测定[26]；可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝法测定[27]。

C/N=(可溶性糖含量+淀粉含量)/(游离氨基酸含量+可溶性蛋白质含量)。

1.5 数据分析

用Microsoft Excel 软件处理试验数据、做表格，SPSS 17.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 秋末刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中可溶性糖含量的影响

由表2可知，土壤冻融交替期和土壤封冻期测定结果均表明秋末不同时期刈割处理紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量较未刈割显著降低(P<0.05)。

土壤冻融交错期，不同时期刈割苜蓿根颈中可溶性糖含量变化有所不同，龙牧801、草原3号、公农一号品种紫花苜蓿10月1日刈割根颈中可溶性糖含量显著高于10月15日刈割(P<0.05)，其他5个品种两时期刈割后紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量变化未达到显著水平(P>0.05)。刈割与未刈割不同品种紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量不同，秋季未刈割的紫花苜蓿公农1号、东苜1号及草原2号根颈中可溶性糖含量显著高于其他品种(P<0.05)，农菁1号、农菁8号、肇东三品种紫花苜蓿可溶性糖含量显著低于其他品种(P<0.05)；10月1日刈割龙牧801紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量显著高于其他品种；10月15日刈割东苜1号、草原2号紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量较其他品种高，与肇东、草原3号及农菁1号相比达到显著水平(P<0.05)。

土壤封冻期，不同时期刈割苜蓿根颈中可溶性糖含量变化有所不同，10月15日刈割龙牧801和草原2号品种紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量显著高于10月1日刈割根颈中可溶性糖含量(P<0.05)，其他品种间含量变化无显著性差异；刈割与未刈割品种间紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量不同：未刈割草原2号、公农1号苜蓿根颈中可溶性糖含量最高，较其他品种差异性显著(P<0.05)；10月1日刈割紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量最高的是农菁1号，其次是东苜1号；10月15日刈割紫花苜蓿根颈中可溶性糖含量最高的是草原2号，含量最低的是肇东苜蓿。

表2 刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中可溶性糖含量的影响Table 2 Effect of cutting on the soluble sugar content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

注：不同小写字母表示差异显著性水平(P<0.05)，“/”左边表示同列相同时期测定不同苜蓿品种间差异显著性，右边表示同一品种刈割处理差异显著性，下同。

Note: The different letters indicate significant differences atP<0.05 level. On the left side of “/” indicate significant difference of the same column between different alfalfa varieties that determined at the same time. On the right side of “/” indicate significant difference between the same variety of cutting treatment. The same below.

2.2 秋末刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中淀粉含量的影响

根据表3可知，土壤冻融交替期和土壤封冻期测定结果均表明秋末不同时期刈割处理紫花苜蓿根颈中淀粉含量较未刈割显著降低(P<0.05)。

土壤冻融交替期，不同时期刈割根颈中淀粉含量不同。10月1日刈割草原2号、草原3号两品种紫花苜蓿根颈中淀粉含量显著高于10月15日刈割的苜蓿根颈中淀粉含量(P<0.05)，其他6个品种含量变化未达到显著水平。不同品种间未刈割与刈割紫花苜蓿根颈中淀粉含量不同：未刈割与10月1日刈割草原2号紫花苜蓿淀粉含量均最高，10月15日刈割东苜1号品种紫花苜蓿根颈中淀粉含量最高；未刈割、10月1日刈割及10月15日刈割苜蓿根颈中淀粉含量最低的品种分别是肇东、龙牧801和农菁8号，且淀粉含量最高与含量最低间比较均达到显著水平(P<0.05)。

土壤封冻期，10月1日刈割与10月15日刈割8个紫花苜蓿品种根颈中淀粉含量变化无显著性差异(P>0.05)。不同品种间未刈割与刈割紫花苜蓿根颈中淀粉含量不同：未刈割、10月1日和10月15日刈割紫花苜蓿根颈中淀粉含量最高的品种分别是农菁8号、公农1号和农菁8号，含量最低的分别是草原3号、肇东和草原3号紫花苜蓿品种，含量最高与最低之间达到显著差异水平(P<0.05)。

表3 刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中淀粉含量的影响Table 3 Effect of cutting on the starch content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

2.3 秋末刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中游离氨基酸含量的影响

根据表4可知，10月15日刈割紫花苜蓿根颈中游离氨基酸含量高于未刈割和10月1日刈割的根颈中含量，与未刈割比有6个品种达到显著水平(P<0.05)，与10月1日比皆差异性显著(P<0.05)，而10月1日刈割与未刈割相比根颈中游离氨基酸含量降低，其中龙牧801、肇东、草原2号品种达到显著水平(P<0.05)。未刈割与不同时期刈割不同品种间游离氨基酸含量不同：未刈割的龙牧801、肇东、草原3号、公农1号和农菁8号品种紫花苜蓿根颈中游离氨基酸含量较其他品种含量高，且差异性显著(P<0.05)；10月1日刈割的草原3号品种紫花苜蓿根颈中游离氨基酸含量显著高于其他品种(P<0.05)；10月15日刈割的东苜1号、肇东和农菁1号苜蓿根颈中游离氨基酸含量显著高于其他品种(P<0.05)。

土壤封冻期测定紫花苜蓿根颈中游离氨基酸含量与土壤冻融交替期测定结果不同，如表4所列，未刈割苜蓿根颈中游离氨基酸含量高于不同时期刈割的苜蓿根颈中含量，其中与10月1日刈割相比有4个品种含量达到显著水平(P<0.05)，与10月15日刈割比较皆达到显著水平(P<0.05)。10月1日刈割8个紫花苜蓿品种根颈中游离氨基酸含量较10月15日刈割高，且龙牧801、肇东苜蓿、草原3号和公农1号品种达到显著水平(P<0.05)。

不同时期刈割处理不同品种间游离氨基酸含量不同。未刈割、10月1日刈割和10月15日刈割游离氨基酸含量最高的分别是草原2号、肇东苜蓿和龙牧801紫花苜蓿，含量最低的分别是农菁1号、东苜1号和草原3号紫花苜蓿。

表4 刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中游离氨基酸含量的影响Table 4 Effect of cutting on the free amino acids content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

2.4 秋末刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中游离氨基酸含量的影响

土壤冻融交替期，根据表5可知，刈割增加苜蓿根颈中可溶性蛋白含量。10月15日刈割8个紫花苜蓿品种根颈中可溶性蛋白含量均显著高于未刈割和10月1日刈割紫花苜蓿根颈中可溶性蛋白含量(P<0.05)。10月1日早割紫花苜蓿根颈中可溶性蛋白含量较未刈割根颈中可溶性蛋白含量增加，草原2号、草原3号品种达到显著水平(P<0.05)。不同品种间刈割与未刈割根颈中可溶性蛋白含量不同，未刈割、10月1日刈割、10月15日刈割根颈中可溶性蛋白最高的分别是公农1号、农菁1号和东苜1号，未刈割含量最低的是草原2号，两次刈割含量最低的均是肇东苜蓿，含量最低与最高相比差异显著(P<0.05)。

土壤封冻期，未刈割紫花苜蓿根颈中可溶性蛋白含量较不同时期刈割高，如表9所列，10月1日刈割8个紫花苜蓿品种根颈中可溶性蛋白含量均显著低于未刈割根颈中可溶性蛋白含量(P<0.05)；10月15日刈割除肇东、东苜1号、草原2号、农菁8号品种外，其他品种根颈中可溶性蛋白含量显著低于未刈割根颈中可溶性蛋白含量；10月15日刈割根颈可溶性蛋白含量显著高于10月1日刈割根颈中可溶性蛋白含量的品种有草原2号、农菁8号紫花苜蓿。不同品种间刈割与未刈割紫花苜蓿根颈中可溶性蛋白含量不同，其中未刈割、10月1日刈割、10月15日刈割可溶性蛋白含量较高的分别是农菁8号、公农1号和农菁8号品种，可溶性蛋白含量较低的分别是农牧801、农菁1号和东苜1号紫花苜蓿，含量最低与最高相比差异显著(P<0.05)。

2.5 秋末刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中C/N的影响

2.5.1土壤冻融交替期8个紫花苜蓿品种根颈中C/N 秋末刈割地上碳水化合物无法向地下根系中转移。如图1所示，土壤冻融交替期测得未刈割与不同时期刈割根颈中C/N差异显著(P<0.05)，未刈割8个紫花苜蓿品种根颈中C/N显著大于不同时期刈割的根颈中C/N，10月15日刈割根颈中C/N显著低于除农菁8号外10月1日刈割的根颈中C/N (P<0.05)。其中草原2号品种未刈割与刈割相比C/N下降54.9%～75.9%，变化最大。

2.5.2土壤封冻期8个紫花苜蓿品种根颈中C/N 土壤封冻期紫花苜蓿根系中可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白和游离氨基酸含量趋于稳定，如图2所示，未刈割紫花苜蓿根颈中C/N显著大于不同时期刈割根颈中C/N(P<0.05)。10月15日刈割的紫花苜蓿根颈中C/N除农菁1号外其他苜蓿品种均较10月1日刈割的根颈中C/N大，但均未达到显著水平(P>0.05)。未刈割东苜1号、草原2号根颈中C/N保持在较高水平，刈割后根颈中C/N较高的紫花苜蓿品种是东苜1号。

表5 刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中可溶性蛋白含量的影响Table 5 Effect of cutting on the soluble protein content of 8 alfalfa varieties in the root of neck (mg·g-1 FW)

图1 土壤冻融交替期刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中C/N影响Fig.1 Effect of cutting on the C/N of 8 alfalfa varieties in the root of neck during the freezing and thawing period A:龙牧801 Longmu No.801; B:肇东Zhaodong; C:东苜1号Dongmu No.1; D:草原2号Caoyuan No.2; E:草原3号Caoyuan No.3; F:公农1号Gongnong No.1; G:农菁1号Nongjing No.1; H:农菁8号Nongjing No.8. 不同字母表示差异显著(P<0.05)，下同。The different letters indicate significant differences at P<0.05 level, the same below.

图2 土壤封冻期刈割处理对8个紫花苜蓿品种根颈中C/N影响Fig.2 Effect of cutting on the C/N of 8 alfalfa varieties in the root of neck during the frozen period

3 讨论与结论

3.1 秋末刈割处理对沙地苜蓿根颈含碳物质的影响

可溶性糖是一种低温保护性物质，具有渗透调节的作用，研究表明，植物在抵御低温冷害时，细胞内糖含量会有所增加，尤其是根中的可溶性糖含量会在整个冬季维持很高的水平[28]；淀粉与可溶性糖在根系中互相转化对紫花苜蓿越冬和翌年春季返青具有重要作用[29]。林兴生等[30]在低温胁迫5种菌草的抗寒性评价中研究表明，低温胁迫下5种菌草根系中可溶性糖含量均上升。本研究表明，土壤封冻期刈割处理及未刈割苜蓿根颈中可溶性糖均低于土壤冻融交替期苜蓿根颈中含量。这是由于土壤冻融交替期温度变化剧烈，苜蓿根系为适应剧烈变化的温度产生较多可溶性糖，而土壤封冻期地温变化幅度小，苜蓿根颈可溶性糖含量维持在稳定水平，这与王丹等[31]的研究结果相似，其结果表明结缕草(Zoysiajaponica)在越冬期根系中可溶性糖含量先上升后下降，但其研究表明淀粉含量先下降后上升，本试验研究结果与此不同，本试验中苜蓿根颈中淀粉含量先上升后下降。有文章表明根中淀粉和糖的积累与不同品种苜蓿耐刈性及刈割有关[32-40]，本试验两时期测定结果均表明，越冬期未刈割紫花苜蓿根颈中可溶性糖和淀粉含量显著大于两时期刈割根颈中含量(P<0.05)，原因可能是刈割后苜蓿继续生长出新的枝条，消耗根系中大量碳水化合物，导致根系中淀粉和可溶性糖含量显著降低，未刈割紫花苜蓿地上碳水化合物向根系运输，从而积累大量碳水化合物。孙浩等[24]2015年研究科尔沁沙地末茬秋季敏感期刈割表明刈割处理降低苜蓿越冬率，结合本研究可知，刈割后苜蓿根颈中可溶性糖和淀粉含量降低是导致苜蓿越冬率降低的主要因素之一。

3.2 秋末刈割处理对沙地苜蓿根颈含氮物质的影响

氮是细胞原生质、蛋白质、酶、叶绿素的主要组成成分，在维持植物的生命和代谢过程中起着极其重要的作用[41]。游离氨基酸具有很强的亲和性，增加了细胞液的浓度，对原生质的保水能力及胶体稳定性有一定作用。卢太白等[42]研究表明正常条件下冬小麦(Triticumaestivum)氨基酸含量很低，而低温胁迫下，游离氨基酸含量显著升高。尹本丰等[43]研究表明荒漠齿肋赤藓越冬过程中可溶性蛋白含量显著下降，而翟飞飞等[44]研究表明人工低温胁迫下多年生黑麦草(Loliumperenne)叶片中可溶性蛋白含量短时间内测定均增加显著。本试验研究表明，可溶性蛋白含量与游离氨基酸变化趋势相似。在土壤冻融交替期测得10月15日刈割7个紫花苜蓿品种根颈中游离氨基酸含量、可溶性蛋白含量均显著高于未刈割苜蓿根颈中含量。原因可能是10月15日与测定时期间隔较短，刈割后根系产生抗逆性反应，短期内积累大量游离氨基酸和可溶性蛋白。而10月1日与测定时期间隔较长，刈割后根颈中游离氨基酸、可溶性蛋白含量经过“增长-降低-稳定”过程，所以土壤冻融交替期测得其根颈中含量比未刈割根颈中少，而土壤封冻期与两次刈割时期间隔较长，刈割后根颈中游离氨基酸、可溶性蛋白含量也经过“增长-降低-稳定”过程，所以土壤封冻期测得其根颈中含量比未刈割根颈中少。

3.3 秋末刈割处理对沙地苜蓿根颈C/N的影响

C/N间接反映植物组织中非结构碳氮物质含量，是衡量植物抗逆性指标之一，研究表明C/N越高对植物越冬越有利[45]。本试验研究表明，土壤冻融交替期和土壤封冻期未刈割紫花苜蓿根系中C/N显著大于不同时期刈割苜蓿根颈中含量。土壤冻融交替期，10月1日刈割苜蓿根颈C/N显著大于10月15日刈割苜蓿根颈中C/N(P<0.05)。土壤封冻期，早割和晚割根颈中C/N无差异显著性(P>0.05)。说明在土壤冻融交替期至土壤封冻期苜蓿根颈中的可溶性糖、淀粉、游离氨基酸和可溶性蛋白之间存在复杂变化过程，通过以上对苜蓿根颈中可溶性糖、淀粉、游离氨基酸和可溶性蛋白的分析。初步得出结论：科尔沁地区紫花苜蓿不适宜秋季敏感期刈割，若秋末刈割选择刈割后根系中C/N高的紫花苜蓿品种，如东苜1号等。

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