留茬高度与修剪频率互作对意大利黑麦草补偿性生长的影响

李明月，王晓凌，秦荣荣，郭亚丹

（河南科技大学农学院，河南 洛阳 471003）

意大利黑麦草(Lolium multiflorum)的补偿性生长是指其受到修剪、水分和温度等胁迫后会减缓生长，胁迫过后，当所处环境适宜其生长时，便快速再生以积累有机物，弥补甚至超过之前因胁迫所减少生物量的一种再生能力[1-3]。对草本植物构成的生态系统而言，修剪或牧食造成的去叶是一种常见干扰现象。针对此问题，众多学者对牧草的补偿性生长进行了广泛研究。例如，郭安琪等[4]的研究发现，黑麦草全割后叶片补偿性生长最明显，轻度和中度次之，重度修剪则不发生补偿性生长；Ren等[5]的研究发现，整个欧亚草原牧后会发生补偿性生长；而王梅等[6]通过野外修剪梯度试验，在群落、功能群和物种水平上的研究发现，我国南方草地在修剪后能发生补偿性生长。由此可见，修剪后的意大利黑麦草能够发生补偿性生长，提高草地生产力，但修剪程度对其再生有着极大影响。若能明确促进意大利黑麦草补偿性生长的最优修剪条件，便可依据此结果，对其修剪程度进行人为控制，以达到最大收获效果。

不仅修剪程度，修剪频率亦对牧草补偿性生长有着重要影响，并受到国内外众多学者的研究和报道。修剪频率不同，牧草的生长情况、产量高低及再生能力等均会发生一定程度的变化[7]。有研究表明，单次修剪牧草的密度、生长速度和强度以及叶片干物质累积量均显著高于多次修剪及不修剪牧草[8-9]。另有研究发现，不同修剪频率能不同程度上提高牧草地上生物量，且牧草品质不尽相同[10-12]。然而，修剪频率对意大利黑麦草补偿性生长的影响机制鲜见报道。因此，有必要对不同修剪频率的意大利黑麦草进行研究，以探索其补偿性生长的发生机制，进而为提高牧草再生能力提供依据。

牧草再生是草地持续利用的基础，从本质上讲，这种再生是叶片通过光合作用快速积累有机物的结果，而可溶性碳水化合物对此有着重要影响。因此，有必要对修剪意大利黑麦草根与茬中可溶性碳水化合物含量进行探究。有研究表明，去叶牧草留茬中储存的有机物有利于光合作用的发生，并促进叶片再生，使其发生补偿性生长[13-17]。而去叶意大利黑麦草光合面积的大幅下降直接导致其用于再生的有机物减少，此时，储存于茬或根中的有机物便成为其再生所需能量的重要来源。有研究表明，刈割牧草留茬中贮藏的可溶性碳水化合物能促进其再生[18-20]，茎叶中储存有机物质对牧草物质代谢及再生能力等方面也具有重要作用[21]。由此可见，可溶性碳水化合物能通过影响修剪牧草光合性能而对其再生产生影响，但究竟是根还是茬中有机物对修剪意大利黑麦草的再生影响力更大，目前尚不清楚。

意大利黑麦草因生长迅速、再生性强成为世界范围内的主要牧草，在我国也分布较广，是研究牧草的首选目标[22-23]。故本研究以此为试验材料，通过测定不同留茬高度及修剪频率下意大利黑麦草生物量、光合特性、可溶性碳水化合物含量等相关指标，并以留茬中有机物与光合作用的相互影响为基础，探讨留茬高度及修剪频率对意大利黑麦草补偿性生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究于河南科技大学试验田农场进行。农场 (34°32' N，112°16' E，海拔 138 m)位于河南省洛阳市，地属暖温带大陆性季风气候。该地区年均日照2 080～2 240 h、年均降水量601 mm、年均气温14.0 ℃。本研究以中国提供的意大利黑麦草为试验材料。

2018年3月初，将意大利黑麦草种植于100个花盆中，每盆50粒种子。花盆盆高19.0 cm，盆口直径20.0 cm，盆底直径19.0 cm。每盆填充有机碳含量为12.67 g·kg-1的土壤5.8 kg。意大利黑麦草出苗后于光照条件为10 000 lx、空气相对湿度40%～60%、温度为25 ℃温室中生长2周。每盆选择长势较好的15株幼苗用于试验，其余间苗。随后继续在25 ℃温室中生长2周，并选择63盆长势较好且均匀的幼苗用于本研究。

2018年3月底，将63盆幼苗移至室 外生长6周至拔节期前。该研究的预试验表明拔节期前黑麦草具有良好的再生能力，因此本试验选择在此期间进行。之后将63盆意大利黑麦草幼苗分成2组，分别为45和18盆。45盆进行光照试验(试验1)，并进一步分成5组，每组9盆；18盆进行黑暗试验(试验2)，并进一步分成3组，每组6盆。

接下来2周，试验1，共5个处理：1) 5 cm留茬修剪一次(HS)，并再生长14 d；2) 5 cm留茬修剪一次，生长7 d后以相同的方式再次修剪，并再生长7 d (HF)；3) 2 cm留茬修剪一次，并再生长14 d(LS)；4) 2 cm留茬修剪一次，生长7 d后以相同的方式再次修剪，并再生长7 d (LF)；5)14 d内不修剪(CK)。将上述各处理的9盆黑麦草分为3组，每组3盆。在各处理修剪前、HF及HS处理第一次修剪后7 d、LF处理第二次修剪后7 d测量各处理各部位生物量、根与茬中可溶性碳水化合物含量等相关指标。在各处理修剪前、HF及HS第一次修剪后5 d、LF第二次修剪后5 d测量各处理的Pn，Gs和Tr。选择此时测量光合指标是因为修剪后短时间内新生叶片太小不能用于测量，但修剪后5 d，意大利黑麦草新生叶长得更大，足以用来测量。试验1中，修剪一次和修剪两次分别称为单次修剪和多次修剪，5 cm和2 cm留茬分别称为高茬和低茬。

试验2中，将意大利黑麦草幼苗移栽至黑色花盆(盆口直径20.0 cm，盆高19.0 cm)，先置于正常光照环境中，然后进行修剪。分三组修剪：第一组、第二组和第三组分别被修剪成5、2和5 cm的茬，修剪后将同样大小花盆倒扣在这些修剪的幼苗上，完全覆盖使其处于黑暗环境中，在完全黑暗环境生长7 d，随后以相同方式再次修剪，并生长7 d，该试验为探究根与茬中储存的有机物对意大利黑麦草再生叶片的影响。第一次修剪前，第三组进行断根处理。断根方法为：将花盆置于水平桌面上，用长25 cm、宽2.5 cm的薄背刀沿花盆纵向的中间位置进行水平横向切割，使花盆及根系完全断为两半，再将断开的花盆按原来位置对齐，用胶带粘一起。断根期间确保花盆稳定，以避免土壤散乱。因此，试验2包括3个处理，每处理6盆：1) 5 cm留茬不断根(B5)；2) 2 cm留茬不断根(B2)；3) 5 cm留茬断根(BD5)。各处理修剪前、第一次修剪后7 d及第二次修剪后7 d，测量各处理新生叶片生物量。

1.2 生物量测定

将完整意大利黑麦草根系从花盆内取出，用水冲洗其根部土壤，使根系与土壤及所附杂质分离，用新报纸将水分吸干，随后将新生叶、留茬和根系分离，用信封包裹后放入65 ℃烘箱中烘至恒重，得到各部分生物量，并计算出地上生物量与总生物量。其中，地上生物量=新生叶生物量+茬生物量+之前去除叶片生物量；总生物量=地上生物量+根系生物量。

1.3 根与茬中可溶性碳水化合物含量测定

蒽酮比色法测定意大利黑麦草根与茬中可溶性碳水化合物含量 (mg·g-1)[24]。

1.4 光合指标的测定

每天11:00用LI-6400光合仪测定Pn(净光合速率)、Gs(气孔导度)和Tr(蒸腾速率)[25]。试验1中叶片光合速率除以再生期茬质量，称为相对光合指数(relative photosynthesis index, RPI)，因为此时留茬中有机物对叶片光合速率的影响最小。不同留茬高度和修剪频率对黑麦草叶片再生的贡献不同，但单位重量留茬的有机物对叶片再生的贡献相似。RPI计算公式如下：

式中：RPI为相对光合指数[μmol·(m2·s·g)-1]，LPn为第一次或第二次修剪后5 d叶片净光合速率[μmol·(m2·s)-1]；CBn为每次修剪后立即测量的留茬生物量(g)；n为修剪次数，值为1或2，当“n”值为1时，“CBn-1”为CB0，表示修剪前留茬生物量。此外，当“CBn-CBn-1”为正值时，RPI表示茬中有机物对光合速率有影响，RPI值越大，茬中有机物对光合速率的影响越大。相反，当“CBn-CBn-1”为负值或为零时，RPI表示茬中有机物对叶片光合速率无影响。

本文图表中所有数据均为平均值，Excel 2007进行分析。试验数据采用SAS(6.12)统计软件进行分析，最小显著差数法进行处理间的多重比较(P＜0.05)，以分析意大利黑麦草的生物量、可溶性碳水化合物含量及光合特性。

2 结果与分析

2.1 光照下留茬高度及修剪频率对意大利黑麦草生物量的影响

试验1中，第一次修剪后7 d，HS和HF新生叶生物量分别显著高于LS和LF(P＜0.05) (表1)。第二次修剪后7 d，各修剪处理新生叶生物量显著性为 HS＞HF＞LS＞LF (P＜0.05)。这表明，高茬和单次修剪意大利黑麦草的再生能力更强。第一次与第二次修剪后7 d，CK根系生物量显著高于各修剪处理，这表明修剪对根系生物量呈负面的影响。第一次和第二次修剪后7 d，HS和HF地上生物量均显著高于其他处理，且第二次修剪后7 d，HS地上生物量显著高于其余4组处理。这表明，单次修剪更有利于意大利黑麦草地上部分发生补偿性生长，而高茬与单次修剪相互作用下的补偿性生长效果更佳。第一次修剪后7 d，CK与HS及HF之间的总生物量并无显著差异(P＞0.05)，但均显著高于LS与LF。这表明高茬能使意大利黑麦草发生等补偿生长。第二次修剪后7 d，HS总生物量显著高于其他修剪处理及CK，且HF与CK间总生物量并无显著差异。此结果表明，高茬与单次修剪的综合作用能使意大利黑麦草发生超补偿生长，而低茬与单次修剪相互作用下的意大利黑麦草能够发生补偿性生长，即高茬单次修剪更有利于其补偿性生长的发生。

试验2中，第一次和第二次修剪后7 d，B5和BD5新生叶生物量均显著高于B2 (P＜0.05) (表2)，但两处理之间无显著差异(P＞0.05)。这表明高茬意大利黑麦草再生能力更强，断根对意大利黑麦草再生无显著影响，即意大利黑麦草叶片再生所需物质主要来源于茬。

表1 光照下不同修剪处理对意大利黑麦草生物量的影响Table 1 Effects of different clipping conditions on biomass of Italian ryegrass in the light experiment

表2 黑暗下修剪对意大利黑麦草新生叶片生物量的影响Table 2 Effects of clipping on newly-grown leaf biomass of Italian ryegrass under dark condition g·plant-1

2.2 光合特性

第一次修剪后5 d，各修剪处理的Pn、Gs和Tr均显著高于CK(P＜0.05)，且HS和LS的Pn、Gs分别高于HF和LF (表3)。这表明修剪有助于提高意大利黑麦草的净光合速率，且单次修剪比多次修剪更有助于黑麦草净光合速率的提高。第二次修剪后5 d，HS的Pn显著高于其他处理，HF的Pn显著高于LF。表明高茬单次修剪有助于促进意大利黑麦草的净光合速率。同时，HS和LS的Gs、Tr分别显著高于HF和LF。这表明单次修剪比多次修剪更有助于提高意大利黑麦草的Gs与Tr。

表3 光照下修剪对意大利黑麦草的光合特性的影响Table 3 Effects of clipping on photosynthetic characteristics of Italian ryegrass under light condition

第一次修剪后5 d，LS和LF的RPI分别显著高于HS和HF (图1)，这表明茬中有机物影响最小的情况下，低茬意大利黑麦草中有机物增加了叶片净光合速率。第二次修剪后5 d，HS和LS为负值，这表明单次修剪意大利黑麦草茬中有机物对其叶片光合速率几乎没有影响。

图1 光照下修剪对相对光合指数的影响Figure 1 Effects of clipping on the relative photosynthetic index (RPI) of Italian ryegrass under light condition

2.3 可溶性碳水化合物

修剪前，所有处理间根与茬中可溶性碳水化合物含量并无显著差异(图2)。第一次与第二次修剪后7 d，CK根与茬中可溶性碳水化合物含量显著高于其他修剪处理，且HS和HF分别显著高于LS和LF。此结果表明：不论修剪几次，修剪均会降低根和茬中可溶性碳水化合物含量，而高茬能够缓解这种下降趋势。但第二次修剪后7 d，HS根与茬中可溶性碳水化合物含量显著高于HF，而LS与LF间则并无显著差异，表明对高茬意大利黑麦草而言，单次修剪能够缓解根与茬中可溶性碳水化合物含量的下降趋势，而对低茬意大利黑麦草而言，修剪次数对此并无显著影响。因此，高茬单次修剪意大利黑麦草能为其再生提供更多可溶性碳水化合物，使其更易发生补偿性生长。

图2 光照下修剪对根与茬中可溶性碳水化合物含量的影响Figure 2 Effects of clipping on soluble carbohydrate concentration in the roots and crowns of Italian ryegrass under light condition

3 讨论

3.1 生物量与补偿性生长

意大利黑麦草修剪后的补偿性生长实质上是叶片通过光合作用快速积累有机物的过程。研究发现，高茬能实现草地群落地上生物量正补偿性生长[26]，刈割能刺激黑麦草叶片生长并促进分枝数增加，进而提高草地年生产力[27]。本研究光照试验和黑暗试验同样发现，高茬单次修剪的意大利黑麦草更易发生补偿性生长。Dyer等[28]也发现，高茬有利于草地群落生物量的提高，但不科学的刈割方式可能会导致杂类草等利用价值低的牧草的增加，引起草地退化。由此看来，科学的刈割方式对牧草再生而言至关重要，而从本研究结果来看，高茬单次修剪能最大限度增加意大利黑麦草地上生物量，使其发生补偿性生长，对维持草地可持续利用与生态环境保护具有十分重要的现实意义。

3.2 光合特性与补偿性生长

对植物而言，光合作用是其生长的基础。意大利黑麦草修剪后的补偿性生长实质上正是其去叶后通过快速光合作用再次积累有机物的过程[29-30]。本研究中，再生期间，各修剪处理的Pn、Gs和Tr均显著高于CK，HS的Pn显著高于其他处理，HS的Pn显著高于LS。也就是说，修剪有助于提高意大利黑麦草的净光合速率，且高茬单次修剪的效果更佳。因此，单次修剪意大利黑麦草通过较高的净光合速率产生更强的光合作用，而光合作用产生的有机物也随之增多，进而发生补偿性生长，这也正是补偿性生长发生的本质所在[31]。

研究发现，修剪使驼绒藜植株叶片的气孔导度明显增加，气孔限制值减小，CO2的摄入增加，出现补偿性光合作用现象[32-33]。本研究也发现类似现象：再生期间，高茬单次修剪意大利黑麦草的气孔更加开放，其净光合速率在一定程度上也更高，光合作用有所增强，积累更多有机物，促进补偿性生长的发生[34]。

另外，本研究发现茬中有机物影响最小的情况下，低茬意大利黑麦草中有机物增加了其叶片净光合速率。一般来说，修剪后不久，意大利黑麦草光合面积大量下降，威胁其正常生存。此时，留茬中有机物便成为其对抗胁迫、快速再生的能量源泉。而从本研究结果来看，高茬单次修剪意大利黑麦草的RPI表明茬中有机物对叶片光合作用的影响极小，即，修剪后意大利黑麦草叶片光合作用不因叶片的大量减少而受到极大影响，能够很好地进行光合作用，积累有机物，进而促进其补偿性生长的发生。

3.3 根与茬中可溶性碳水化合物与补偿性生长

沈波和王熹的研究发现，杂交稻根系大小直接影响其地上部分的生长发育和产量构成[35]；春小麦(Triticum aestivum)较大的根通常能支撑其地上较大的茎叶[36-37]。本研究也发现类似现象，高茬单次修剪意大利黑麦草具有较大的根，能够支撑地上较高的茬，而高茬中储存着的较多有机物用于叶片再生，能促进意大利黑麦草补偿性生长的发生。

王静等[38]研究发现，冷蒿(Artemisia frigida)可溶性碳水化合物库的变化趋势与其再生长趋势一致，说明可溶性碳水化合物库可以表征植物再生长能力。有研究表明，刈割后牧草再生初期所需能量主要来源于茎基和根部贮藏的碳水化合物[39]，但并未明确提出到底是哪个部位储存的碳水化合物起主要作用。而本研究黑暗试验结果明确提出，修剪意大利黑麦草再生所需能量主要来源于茬而非根系。原因可能是再生期间，高茬单次修剪意大利黑麦草具有较大根系，能够支撑地上较高的茬，而高茬中储存的碳水化合物足以供应其再生所需能量。同时，光照试验结果表明，高茬单次修剪意大利黑麦草的净光合速率及地上生物量明显高于其他处理。两试验结合而看不难发现，茬而非根系中储存的较多有机物能使修剪意大利黑麦草净光合速率提高，光合作用也因此增强，产生和积累有机物增多，进而发生补偿性生长。

3.4 留茬高度与修剪频率互作与补偿性生长

本研究结果显示，高茬单次修剪意大利黑麦草地上生物量明显增多，且高茬单次修剪意大利黑麦草能储存更多的有机物质，高茬意大利黑麦草相比于其他处理净光合速率明显提高，即高茬单次修剪意大利黑麦草更易发生补偿性生长。

因此，本研究条件下，高茬单次修剪的刈割方式能使意大利黑麦草茬中有机物含量更高，而大量的有机物有助于提高其净光合速率，增强光合作用，产生并积累较多有机物，从而发生补偿性生长，且留茬中储存的有机物才是意大利黑麦草再生所需能量的主要来源。

4 结论

光照试验表明，相对于低茬意大利黑麦草而言，高茬中储存的有机物较多，足以供应其再生期间所需能量；单次修剪对意大利黑麦草所造成的生存胁迫较低，它能靠自身较强的再生性快速生长。因此，高茬和单次修剪互作下意大利黑麦草地上生物量及总生物量显著高于其他修剪处理，发生补偿性生长。黑暗试验表明，修剪后意大利黑麦草再生所需能量主要来源于茬，而非根系。综上所述，高茬和单次修剪的综合作用更有利于意大利黑麦草利用茬而非根系中储存的较多有机物，增强光合作用，产生并积累有机物，进而发生补偿性生长。