9种豆科饲草越冬性能对晚播期的响应

李 强，周道玮，张 慧

(1.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130102； 2.吉林省草地畜牧重点实验室，吉林 长春 130102)

因豆科饲草饲喂价值高，兼具生物固氮的功能[1-2]，草地中混播豆科饲草是国内外培肥草地土壤、提升饲草产量和质量的成功经验[3-7]。然而，生产实践中，补播豆科饲草在天然草地中的成功建植极具挑战。草地中混播豆科饲草的成功率受气候、物种、草地管理等系列因素制约[8]，这些因素决定了豆科饲草补播的时间、物种和播种技术选择。

播种时间是决定草地豆科饲草补播成功率的关键因素。南方草地的气候和土壤相对温润，适宜牧草生长时间长，豆科牧草较少遭受冬季冻害，豆科补播在时间选择上弹性较大[8]。而在北方草原区，尤其东北地区，生长季短，冬季寒冷，能否安全越冬是决定补播的豆科植物在草丛中建植及后续生态效应的关键。如仅从越冬前植物发育时间考量，在北方草地，春季补播对豆科植物越冬最有利。然而，北方草原区的雨季为6月中旬至8月下旬，春季干旱频发，如在春季补播，豆科植物发芽、出土和早期生长极易受到干旱限制，幼苗很难存活[9-10]。一些研究建议北方草地应在雨季前抢墒补播(6月初)[8]，但此时，草地中其他植物已经返青较长时间，并处于旺盛生长期，出土的豆科植物幼苗极易遭受其他植物遮阴和竞争排挤。此外，传统上，在8月中旬，北方草地即将面临割草，此时割草很可能抑制豆科植物再生，导致其再生限制或死亡。割草期后，草地植物再生发育减弱[11]，如果豆科播种期能够延后至割草期前后，出土的豆科幼苗将承受较低的竞争压力，有利于幼苗存活。但此时播种至生长季结束前，豆科植物发育时间有限，光合产物在根系等越冬组织的积累有限，对其越冬能力提出了挑战。不同豆科植物越冬能力对晚播期的反应决定了该时期播种豆科的可行性。已有针对晚播期对豆科作物生长和产量的影响的研究，如曹宏等[12]研究了秋播对陇东地区紫花苜蓿(Medicagosativa)干产量的影响，韩文斌等[13]研究了晚播期对山黧豆(Lathyrusquinquenervius)产量及农艺性状的影响。然而，揭示晚播期对多年生豆科植物越冬率的影响研究较少，一些研究检验了紫花苜蓿等少数豆科物种越冬率对较晚播期的响应[14]，然而，在其他物种上及多物种间开展的相关对比研究很少。

为此，本研究利用北方草地天然分布和人工培育的9种豆科饲草为材料，在松嫩草地通过田间试验研究了晚播期对幼苗生长、生理及与其相关的越冬能力的影响，以期为该区域天然割草草地豆科补播的物种、播期和播种数量选择提供借鉴，对草地管理实践有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究地点

田间试验于2016年7月在中国科学院长岭草地农牧生态研究站执行(44°33′N, 123°31′E, 海拔145 m)。该实验站地处松嫩草地腹地，属于半湿润半干旱温带大陆性季风气候。据实验站附近气象站2010-2016年间气象数据统计，年均温5.2～7.0 ℃ (平均6 ℃)，冬季最冷月1月平均日温-12.3～20.0 ℃(平均-16.3 ℃)，最低日均温-21.6～27.9 ℃(平均-24.8 ℃)，年际极端最低温-25.5～32.5 ℃(平均-29.7 ℃)。年降水量297～631 mm(平均444 mm)，降水季节性分布明显，春季(3-5月)降水较少，3个月合计占年降水量25%，降水主要集中在6-8月， 6、7、8月降水分别占全年降水量的18.7%、18.8%和18.9%，入冬前9-10月降水占全年降水量12%，入冬后4个月(11月至翌年2月)降水很少。土壤类型为草甸盐碱土。主要植被类型为羊草(Leymuschinensis)草甸，近年来，受人类活动干扰，草甸开垦现象严重，部分开垦草甸经长期开垦后地力下降，弃耕成为撂荒地。本研究即在种植玉米(Zeamays)后弃耕当年的撂荒地中执行，该样地土壤pH为9.2，土壤有机质、总氮和总磷含量分别为18.1、0.98、0.27 g·kg-1。

1.2 试验设计和取样分析

2016年7月初，在弃耕当年的撂荒地中，选择地势均匀地块，旋耕30 cm后，进一步平整土地后布置实验小区。试验为5个播期(B)和9个物种(品种)交互处理，随机区组设计，3次重复。5个播期分别为B1(7月15日)、B2(7月25日)、B3(8月5日)、B4(8月15日)、B5(8月25日)，9个豆科物种(品种)分别为紫花苜蓿敖汉(M.sativa‘Aohan’)、紫花苜蓿公农1号(M.sativa‘Gongnong No.1’)、紫花苜蓿甘农3号(M.sativa‘Gannong No.3’)、龙牧801苜蓿(Melilotoidesruthenicus×Medicagosativa‘Longmu No.801’)、杂花苜蓿草原3号(M.varia‘Caoyuan No.3’)、黄花苜蓿(M.falcate)、扁蓿豆(M.ruthenica)、兴安胡枝子(Lespedezadaurica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)。其中，敖汉种子来自内蒙古赤峰草原站，公农1号种子来自吉林省农业科学院，甘农3号种子来自甘肃农业大学，龙牧801苜蓿种子来自黑龙江省畜牧研究所，草原3号种子来自内蒙古农业大学，黄花苜蓿种子采集自呼伦贝尔天然草地，扁蓿豆、兴安胡枝子和沙打旺种子均采集自松嫩平原天然草地。

试验开始前，筛选豆科植物种子，选取均匀、饱满的种子保存，待播种。播种前，预先检测豆科饲草种子发芽率，结果表明9种豆科饲草发芽率无显著差异(P>0.05)，平均发芽率为88%。在每个播种期，于每个小区中均匀撒播对应的豆科植物种子500粒·m-2，播后覆土深度为0.5 cm，覆土后轻微镇压。小区播种后，未灌水、未施肥，且每天观察记录豆科植物开始出土的天数。2016年10月20日(入冬前)，在每个小区中间，设置1个1 m×1 m的样方并保留在小区中，测量并记录样方内豆科植物植株数目。然后，于小区样方外(为避免边缘效应，距离小区边际30 cm以内)随机小心挖取5株植物(挖掘深度35 cm)，带回实验室，经清水仔细清洗去掉根部泥土，用于室内测定。2017年5月20日，植物完全返青后，测量并记录留置样方中的豆科植物植株数目。

越冬率：越冬率=(返青后苗数/入冬前苗数)×100%。株高：用直尺测量根基部向上的自然高度。叶片数：查数每株植物上所有叶片的数目。根颈基径：用游标卡尺测量，不同方向两次测量取平均值。主根长度：用直尺测量主根长度。地上部干重：植株茎叶部分经65 ℃烘干72 h后称重。根干重：植株根系部分经65 ℃烘干72 h后称重。根系可溶性糖含量：根系样品烘干、研磨过0.2 mm筛后，经水浴提取滤液后，采用蒽酮比色法在分光光度计上测定[15]。根系氮含量：根系样品烘干、研磨过0.2 mm筛后，经98%浓硫酸消煮后取过滤液在凯氏定氮仪上测定[16]。气象数据收集自实验站附件的气象站。

1.3 数据分析

每个小区5株植物各项形态、生理指标的平均值被用于进一步统计分析。使用Excel 2003 进行数据计算、整理和图表绘制。采用双因素方差分析(Two-way ANOVA)统计播期和物种对各项指标的影响，采用线性回归分析统计不同豆科种类间越冬率与植物形态生理特征关系，采用邓肯多重检验进行均值比较。数据统计通过SPSS 16.0 软件完成，所有统计的显著性水平设置为0.05。

2 结果

不同物种和播期对豆科植物越冬前形态、生理特征及越冬率均有极显著影响(P<0.01)，两者互作除对越冬前苗数、主根长、地上生物量/根生物量、根的可溶性糖含量和根氮含量无极显著影响外，对其余指标均有极显著影响(表1)。

2.1 出苗天数及越冬前苗数

同一播期下，不同豆科饲草出苗天数无显著差异(P>0.05，数据未展示)。受播期影响，豆科饲草出苗天数在4～9 d内变化(表2)。所有豆科饲草越冬前苗数在7月25日播种时最高，其次是8月5日，7月15日播种时最少；同一播期下，龙牧801苜蓿的越冬前苗数高于其他豆科饲草，而公农1号、草原3号和沙打旺的越冬前苗数低于其他豆科植物(表3)。

2.2 越冬前生长发育

总体上，随播期延后，豆科植物的株高、叶片数、根颈直径和主根长度显著降低(P<0.05)，尤其从7月15日到8月5日，4项指标在不同豆科种类间平均降低66%、67%、49%和26%(图1)。同一播期下，兴安胡枝子和沙打旺的植株高度和叶片数明显低于其他豆科植物，且兴安胡枝子的根颈直径明显小于其他植物(图1)。

随播期延后，豆科植物的地上生物量、根生物量显著降低(P<0.05)，从7月15日到8月5日，豆科平均地上和根系生物量分别降低76%和82%，8月5日以后播期，各豆科植物地上和根系生物量变化相对较小(图2)。植株地上和根系生物量在豆科种类间差异极显著(P<0.01)，尤其在7月15日和7月25日两个播期下，兴安胡枝子的地上和根生物量显著低于其他豆科植物(P<0.05)，而扁蓿豆的地上和根系生物量显著高于其他植物(图2)。随播期延后，豆科植物地上生物量/地根系生物量比例显著增加，相同播期下，沙打旺、兴安胡枝子和扁蓿豆的地上生物量/地根系生物量比值低于其他豆科植物(图2)。

随播期延后，越冬前豆科植物根系可溶性糖和氮素含量显著降低，从7月15日到8月25日，豆科根系可溶性糖和氮素含量平均降低24%和13%(图3)。相同播期下，龙牧801苜蓿、沙打旺、兴安胡枝子和扁蓿豆的根系可溶性糖和氮素含量高于其他豆科植物(图3)。

2.3 越冬后苗数及越冬率

相对7月15日播期，7月25日至8月25日播期下，豆科饲草的越冬后苗数平均从每平方米195株下降到143株、91株、17株和6株(图4)。在7月15日至8月5日播期，龙牧801苜蓿、兴安胡枝子和扁蓿豆的越冬后苗数明显高于其他豆科饲草，在8月15日和8月25日播期，兴安胡枝子和沙打旺的越冬后苗数显著高于其他豆科饲草(P<0.05)(图4)。相对7月15日播期，7月25日至8月25日播期下豆科植物越冬率平均从80%下降到52%、35%、7%和3%(图4)。相同播期下，尤其在8月15日和8月25两播期下，龙牧801苜蓿、沙打旺、兴安胡枝子和扁蓿豆的越冬率明显高于其他豆科植物，5个播期平均后，这4种豆科植物的越冬率较其他豆科植物平均增加16%～35%(图4)。

表1 物种和播期对豆科植物越冬前形态和生理特征及越冬率的影响Table 1 Effect of species and sowing date on morphological and physiological features of legumes before overwintering, and overwintering rates of legumes

表2 不同播期的气候条件及豆科植物出土天数Table 2 The climate conditions and emergence days of legumes under different sowing dates

不同小写字母表示不同播期间差异显著(P<0.05)。

Different lowercase letters indicate significant difference between the different sowing date at the 0.05 level.

表3 播期对9种豆科植物越冬前苗数的影响Table 3 The influence of sowing date on seedling number before overwintering for nine legumes seedling·m-2

不同大写字母表示9种植物间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示播种期间差异显著(P<0.05),下同。

Different capital letters indicate significant differences between the different legumes at the 0.05 level, and different lowercase letters indicate significant differences between the different sowing dates at the 0.05 level; similarly for the following tables and figures.

综合5个播期的研究结果：豆科饲草越冬能力与其株高和地上生物量/根生物量比值呈显著负相关关系(P<0.05)，与根系可溶性糖和氮素含量呈极显著的正相关关系(P<0.01)(图5)。

3 讨论

推迟播期缩短了豆科植物在越冬前的发育时间，限制了枝条和叶片的发育，进而降低了地上部光合作用及光合产物在根部的累积，导致根系发育受限[17]。以往研究表明，受播期影响的豆科植物的根系发育特征，如根颈直径、根系入土深度、根系组织有机物含量等与其越冬性能有重要关联[18-20]，本研究结果也发现，随着播期延后，所有豆科植物根颈直径缩小、主根长度降低、根系组织可溶性糖和氮素含量下降，而随之发生的是植物越冬率的下降。不同豆科植物发育，包括枝条和根系的发育速率、形态等存在差异，这些差异是否导致豆科植物越冬性能的种间差异？这在以往的研究中鲜有报道。本研究结果显示：不同种类豆科植物间，地上与根系生物量分配与其越冬率显著负相关，而根系组织可溶性糖和氮素含量与其越冬率显著正相关。这表明在发育过程中，能更多地将生物量分配给根系的豆科植物(如兴安胡枝子、沙打旺、扁蓿豆等)及拥有更高的根系组织有机物含量的豆科植物(如兴安胡枝子、沙打旺、龙牧801苜蓿等),这些豆科植物将具有更高的抗寒能力。

天然草地中补播豆科饲草，对提高草地饲草产量、质量和草地可持续性具有重要意义[21-23]。豆科饲草植物发挥的生态效应依赖于其在草地中建植的数量。不同于单一的豆科作物种植，要想维持草地结构、功能稳定性和持续性，天然草地中的豆科植物数量并不宜过多。如前期研究发现：在松嫩平原羊草-紫花苜蓿混播草地中，当豆科植物数量维持在草地总植物密度的25%～50%时，草地的植物多样性和饲草生产可持续性最高[24]。对于紫花苜蓿等豆科单作种植，有研究建议为保障越冬率，其在松嫩平原的种植时间不应晚于8月初[14]。本研究结果同样发现，8月5日以后播种，豆科饲草越冬率普遍低于50%。 然而，需要指出的是，即使在此时播种，成功返青的豆科植物数量平均每平方米仍可达到90株以上。事实上，在松嫩草地，这个密度已经远远超过天然草地中豆科植物的平均分布数量，近似于羊草-杂类草群落的豆科密度水平[25]。因此，本研究认为在8月5日进行豆科补播，越冬的豆科植物数量仍可实现改良草地效果。实际上，可能受到土壤盐碱和干旱影响，本研究中，各豆科植物越冬前苗数远远低于按理论发芽率计算的苗数，最终可能限制了返青后的豆科植物株数。因此，如果适当提高播种量，可能进一步提高草地中豆科植物越冬后苗数。研究发现，当播期延后至8月15日以后，各豆科植物平均越冬率和越冬苗数分别降至7%和每平方米17株以下，显然，若要通过补播改豆科改良草地，8月15日以后的播期是不适宜的。

图1 播期对9种植物豆科植物株高、叶片数、根颈直径和主根长度的影响Fig. 1 The influence of sowing date on height, leaf number, root collar diameter, and main root length of nine legumes

敖汉：紫花苜蓿敖汉Medicagosativa‘Aohan’；甘农：紫花苜蓿甘农3号Medicagosativa‘Gannong No.3’；紫花苜蓿工农：公农1号Medicagosativa‘Gongnong No.1’；龙牧：龙牧801苜蓿Melilotoidesruthenicus×Medicagosativa‘Longmu No.801’；草三：杂花苜蓿草原3号Medicagovaria‘Caoyuan No.3’；黄花：黄花苜蓿Medicagofalcate；沙打旺：沙打旺Astragalusadsurgens；兴安：兴安胡枝子Lespedezadaurica；扁蓿豆：扁蓿豆Melilotoidesruthenica。下图同similarly for the following figures。

图2 播期对9种豆科植物地上生物量、根系生物量和地上生物量/根系生物量的影响Fig. 2 The influence of sowing date on above-ground biomass, root biomass, and above-ground biomass/root biomass of nine legumes

仅从豆科植物越冬率来看，7月15日和7月25日进行豆科补播较其他播期更适合。但此时，草地中现存植物高度较高，不仅不利于播种，也不利于种子与土壤接触，可能导致种子发芽和出土限制，即使种子能顺利发芽，出土的幼苗也极易受到邻居植物遮蔽，限制其生长。如果播种后草地不进行割草，越冬前草地中豆科植物存活苗数量将很低。而如果草地割草，包括松嫩草地在内的北方草地，传统的草地割草时间为8月中旬，割草过程可能对尚未发育完善的幼苗造成严重损伤，导致其再生限制和死亡。在松嫩草地，本研究建议的豆科补播日期为8月5日前后，然而，这个日期仍在传统割草期之前，出土的豆科幼苗仍可能面临遮阴、竞争胁迫和割草伤害。实际上，对于羊草草地，进入8月，草地地上生物量已经接近峰值，如割草期提前到8月初，对饲草产量的影响很小。因此，建议在松嫩草地，豆科补播日期应为8月5日前后，同时为利于豆科植物建植，应将补播当年割草期提前至豆科补播前至种子发芽出土前这一时间段内。如果可操作，可将豆科补播与割草同时进行，割草和搂草过程可促进豆科种子与土壤接触，在较小干扰的前提下达到覆土效果，促进豆科种子萌发。播期前后的温度和降雨可能影响种子发芽出土时间，最终影响幼苗越冬，经2010-2016年近7年的气象数据统计发现，8月5日前后近10日内降雨和8月5日后5日内平均气温均高于其他播期，这表明5个晚播期中，8 月5日在历史气候上对豆科补播最有利。而且，本研究中8月5日前后10日内降水量实际上低于历史同期平均水平，因此，本研究认为8月5日前后进行豆科补播可获得良好效果(表1)。包括8月5日在内的5个播期下，兴安胡枝子、沙打旺、扁蓿豆、龙牧801苜蓿的越冬率和越冬苗数均高于其他豆科植物。因此，仅从豆科植物建植成功率角度考量，在任一晚播期下，这4种豆科植物是松嫩草地豆科补播的优选植物。

图3 播期对9种豆科植物根系可溶性糖和氮素含量的影响Fig. 3 The influence of sowing date on the soluble sugar and nitrogen concentrations in roots for nine legumes

图4 播期对9种豆科植物越冬后苗数及越冬率的影响Fig. 4 The influence of sowing date on the seedling number after overwintering and overwintering rate for nine legumes

图5 豆科植物形态和生理特征与越冬率关系Fig. 5 The relationships between morphological and physiological features and overwintering rate of legumes

4 结论

播期延后限制豆科植物形态和生理发育，进而导致其越冬率降低。对比7月15日，7月25日、8月5日、8月15日、8月25日播期下，豆科饲草平均越冬率(越冬苗数)分别从80%(每平方米195株)降至52%(每平方米143株)、35%(每平方米91株)、7%(每平方米17株)和3%(每平方米6株)。豆科越冬性能表现显著的种类间差异，龙牧801苜蓿、扁蓿豆、沙打旺和兴安胡枝子的越冬性能明显优于其他豆科饲草。本研究表明，在松嫩平原割草地进行晚播期补播豆科具有可行性，并建议松嫩平原天然割草草地的适宜豆科补播日期是8月5日。从越冬性能考虑，龙牧801苜蓿、扁蓿豆、沙打旺和兴安胡枝子是补播优选植物，为促进补播豆科植物建植，建议将补播当年草地割草时间从传统的8月中旬提前至豆科补播前至种子发芽出土前这一时间段内。