滴灌条件下3种紫花苜蓿细根周转及不同土层分布特征

孙艳梅，苗晓茸，刘俊英，张前兵，于磊，马春晖

(石河子大学动物科技学院，新疆 石河子 832003)

紫花苜蓿(Medicagosativa)是多年生优质豆科牧草，具有产草量高、营养品质好、适应性强等特点，被誉为“牧草之王”[1-2]。随着新疆畜牧业的迅速发展，苜蓿在生态环境治理和畜牧业产业结构调整中显得越来越重要，对优良高产苜蓿品种的需求也日渐紧迫。不同品种的紫花苜蓿在不同地区有不同的环境适应性，在新疆引进适宜苜蓿品种是提高其产量和种植效益最经济有效的手段[3]。根系是吸收养分和水分的重要器官，是苜蓿生长和再生的物质基础，直接影响紫花苜蓿的生产性能和持续利用期的长短[4]。而细根(直径≤2 mm)是对土壤养分利用最活跃、最敏感的部分[5]。细根的周转与陆地生态系统生产力息息相关，是生态系统物质循环和能量流动的重要组成部分[6]，细根虽然只占植物根系总生物量的3%～30%，但植物细根周转却能够消耗植物光合作用生产的有机物总量的50%～70%[7]。因此，开展苜蓿细根周转的研究，对明确紫花苜蓿地上部分产量形成具有重要的意义。

细根周转是指细根在不断地生长和死亡[8]，研究认为，活根和死根之间处在不断地此消彼长的状态，细根具有生长-凋亡-再生长的周期性[9]。另有研究发现苜蓿细根的生长和死亡具有明显的季节性差异[10]，细根生物量一般有1或2个峰值，一般出现在春季前后、晚夏或秋季[11]，而不同苜蓿品种之间根系生长情况有较大差异[12]。对于细根的空间分布，研究认为苜蓿细根主要集中分布在0～20 cm土层[13]或0～50 cm土层中[9]。植物细根的生长与死亡一直是根系研究领域的热点，近年来对紫花苜蓿根系的研究主要集中于不同根系形态[14]、刈割次数[15]、丛枝菌根真菌[16]、施肥[17-18]等对紫花苜蓿产量和根系的影响方面。对于不同苜蓿品种之间地下部分细根生长及死亡动态的变化、苜蓿细根空间分布与产草量之间关系的分析研究相对较少。WL苜蓿系列品种因其生产性能和品质俱佳，近年来在新疆地区广泛推广种植[19-21]，故选取新疆北疆WL系列中种植比较广泛的3种紫花苜蓿作为研究对象，利用微根管根系监测技术对3种紫花苜蓿品种的细根生长、死亡及空间分布特征进行研究，明确3个紫花苜蓿品种的细根周转动态，分析苜蓿细根现存量、生长量、死亡量及细根周转率与干草产量之间的关系，以期为不同的苜蓿品种细根周转动态及新疆北疆苜蓿品种筛选提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在石河子农业示范园区试验田(N 44°26′，E 85°95′)进行。该地区属温带大陆性气候带，干燥少雨，气温日差较大，年平均气温为11.2～13.9 ℃，年平均降水量为203.1～394.9 mm，年蒸发量为1000～1500 mm。土壤类型为灰漠土，土壤容重为1.48 g·cm-3，田间持水量为24.6%，土壤饱和体积含水量为29.2%，0～20 cm耕层土壤含有机质25.3 g·kg-1，碱解氮72.6 mg·kg-1，全氮1.61 g·kg-1，速效磷16.3 mg·kg-1，全磷0.21 g·kg-1，速效钾139.6 mg·kg-1，pH为7.75。前茬作物为棉花(Gossypiumspp)。

1.2 试验材料及小区设计

紫花苜蓿于2016年4月19日播种，供试紫花苜蓿品种为WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ(来自北京克劳沃草业技术开发中心)。播种方式为人工条播，每个小区面积为5 m(宽)×8 m(长)=40 m2，每个小区3次重复，一共9个小区。苜蓿行间距为20 cm，播种量为18 kg·hm-2，播种深度为2.0 cm。灌溉方式为滴灌，滴灌带浅埋于地表8～10 cm，滴灌带间距60 cm，所用滴灌带为内镶式滴灌带(北京绿源有限公司生产)，滴头间距为20 cm，滴灌带与苜蓿条播方向平行。整个生育期灌溉量为6750 m3·hm-2(满足当地滴灌苜蓿高产的实际灌水量)，分8次进行灌溉，每茬刈割前10～12 d及刈割后3～5 d进行灌溉。

1.3 研究方法

利用CI-600根系监测系统(美国 CID BIO-Science公司生产)连续观察苜蓿根系的生长死亡动态，于2016年4月播种苜蓿的同时进行微根管的安装。每个小区埋设1根，共计9根微根管。参照Johnson等[22]的方法在试验小区中心位置安装微根管，微根管长度为1 m，据文献报道45°角更有利于细根的生长，故管子安装在与地面成45°角的位置[23]，露出土壤表面部分约12～15 cm，垂直深度约为60 cm。将配套的黑色微根管黑塑胶盖套在微根管管口，将露出地面的部分微根管用黑色的塑料袋包裹2层，用黄色橡皮筋扎紧，以防止在测根时扫描仪曝光，以及微根管盖子滑落或破损后灰尘和水分进入管内壁，并在微根管处用白色塑料桶将微根管罩住。再用长约1 m的木棍插在离微根管5 cm处的位置，以备在观测时能直观地找到微根管的位置，并防止在苜蓿刈割时人为不小心破坏微根管身。

于2017年5—10月每隔15 d用CI-600进行微根管内的根系生长图像分层扫描并进行影像收集，共计10次，具体图像扫描日期分别为5月22日、6月6日、6月21日、7月6日、7月21日、8月5日、8月20日、9月4日、9月19日、10月4日。每管收集图片40张，单张图片的面积为21.59 cm(长)×19.56 cm(宽)=422.3 cm2。将收集好的图片带回实验室用根系图像分析软件(WinRHIZO TRON MF 2014b)进行处理，每次观测后用5～10 d将细根数据分析出来。观测窗中出现的根显现为白色记为活根，变成褐色记为老根，而观测窗中出现的黑色，或者当细根完全变成黑色、皮层脱落或出现明显褶皱以及消失时，则记为死根。微根管的垂直深度约为60 cm，将其从上至下分为0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm。只记录观测窗中<2 mm的根，其中将活根和老根的根长密度(下方有计算方式)合记为现存量。

1.4 指标测定

1.4.1苜蓿干草产量 采用样方法测定，在每茬苜蓿初花期(开花5%左右)随机选取长势均匀一致且能够代表该小区长势的苜蓿植株，以1 m×1 m为一个样方，用剪刀剪取样方内的苜蓿植株(留茬高度5 cm)，称重，记录苜蓿植株鲜草产量，3次重复；另取3份300 g左右鲜草样品带回实验室，在烘箱中于105 ℃杀青30 min后，于65 ℃烘干至恒重，测定其含水率并计算出苜蓿干草产量(kg·hm-2)。具体计算公式如下：

干草产量=鲜草产量×(1-含水率)

2017年共刈割4茬，具体刈割时间分别为2017年5月25日、6月23日、7月30日和9月23日。

1.4.2细根根长密度的计算 以根长密度作为基本参数，将整个微根管中的细根现有的长度作为一个整体，求出整个根管的根长密度即为总现存量，而不同土层中细根现有的长度所求得的根长密度即为不同土层细根现存量，具体公式如下：

RLD=RL×sinθ/(A×4×DOF)

式中:RL为整个微根管的细根根长(root length)(cm)，A为扫描图片的面积(422.3 cm2)，A×4为整个微根管的面积(cm2)，RLD为根长密度(root length density production)(cm·cm-3)，DOF为田间深度(depth of field)，一般为0.2～0.3 cm，本研究中的DOF(cm)取0.2 cm[24]。因微根管与地面呈45°，故需要将所得细根根长密度再乘以sin45°得到垂直高度单位体积根长密度。微根管垂直深度约为60 cm，从上至下每隔20 cm表示0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土层细根现存量。

1.4.3苜蓿细根生产量和死亡量 细根根长生产量指取样间隔期内将同一位置的图片后一次采样时期所记录的新生根长和老根的伸长量减去前一次采样时期的细根现存量，细根死亡量则包括原有根的死亡量和食根动物取食导致原有根长的减少量[25]。

1.4.4周转率的计算

周转率(yr-1)=年细根生产量(cm·cm-3·yr-1)/年细根最大现存量(cm·cm-3)

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2007和DPS 7.05进行数据处理分析，采用新复极差法(Duncan)对数据进行差异显著性分析，用Sigmaplot 12.5软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同时期3种紫花苜蓿的细根总现存量

图1 不同品种苜蓿细根总现存量Fig.1 Total fine root standing crop of different alfalfa species 不同大写字母表示不同品种在0.05水平差异显著，不同小写字母表示不同时期在0.05水平差异显著，下同。The different capital letters indicate that different varieties have significant differences at the 0.05 level. The different lowercase letters in the picture indicate that the difference is significant at 0.05 levels in different periods, the same below.

细根总现存量是指整个根管的现存量，3种紫花苜蓿不同时期细根总现存量分析如图1所示。不同品种间苜蓿细根总现存量存在一定的差异，且在不同时期差异显著(P<0.05)，其中除8月20日WL363HQ与WL366HQ差异不显著，5月22日和6月6日WL363HQ小于WL366HQ，其他各时期细根总现存量均为WL363HQ显著大于WL366HQ(P<0.05)。随生育期的推进，WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿细根总现存量均出现3个峰值，分别在6月21日、7月21日和8月20日。其中WL343HQ数值分别为0.196、0.294和0.273 cm·cm-3，WL363HQ数值分别为0.594、0.861和0.634 cm·cm-3，WL366HQ数值分别为0.499、0.568和0.561 cm·cm-3。且WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿细根总现存量最大值均出现在7月21日。3种苜蓿细根的总现存量均在8月20日后逐渐减小，且均差异显著(P<0.05)，其总现存量大小顺序为WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。

2.2 3种紫花苜蓿不同土层细根现存量

3种紫花苜蓿不同空间细根现存量分析如图2所示。从整个根管分析来看，苜蓿细根现存量主要集中在0～20 cm，随着土层深度的加深，苜蓿细根现存量逐渐降低。0～20 cm土层，3个品种均在7月21日达到最大值，数值分别为0.165、0.330和0.540 cm·cm-3，除WL363HQ呈先增加后减小的趋势，其他2种紫花苜蓿在8月20日前规律不明显，在8月20日后细根现存量呈逐渐降低的趋势。在20～40 cm土层中，WL343HQ在8月5日达到最大值，数值为0.076 cm·cm-3，WL363HQ在9月19日达到最大值，数值为0.256 cm·cm-3，WL366HQ在9月4日达到最大值，数值为0.201 cm·cm-3。在40～60 cm土层，随着时间的推移，WL343HQ在7月21日达到最大值，数值为0.060 cm·cm-3。WL363HQ、WL366HQ苜蓿细根现存量均有先增后减再增再逐渐减小的趋势，8月5日达到最大值，数值分别为0.122和0.131 cm·cm-3。

2.3 不同时期3种紫花苜蓿细根生产量和死亡量

对3种紫花苜蓿不同时期细根生产量、死亡量分析如图3所示。3种紫花苜蓿细根生产量除在5月22日至6月6日、7月21日至8月5日差异不显著外(P>0.05)，其他时期差异均显著(P<0.05)，为WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。不同时期内3个品种苜蓿细根生产量均在7月6日至7月21日达到最大值，数值分别为0.116、0.455和0.260 cm·cm-3，其中在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日，3个紫花苜蓿品种细根生产量均有下降趋势。WL343HQ出现了2个峰

图2 不同土层细根现存量Fig.2 Fine root standing crop of three alfalfa species in different soil layers

值，分别在7月6日至7月21日和8月5日至8月20日，数值分别为0.116和0.077 cm·cm-3，且差异不显著(P>0.05)；WL363HQ出现了3个峰值，分别在6月6日至6月21日、7月6日至7月21日和8月5日至8月20日，数值分别为0.274、0.455和0.211 cm·cm-3，且差异显著(P<0.05)。WL366HQ出现了2个峰值，分别在6月6日至6月21日和7月6日至7月21日，数值分别为0.132和0.260 cm·cm-3，且差异显著(P<0.05)，在8月5日至8月20日后3个品种苜蓿细根生产量均逐渐降低。

WL343HQ死亡量出现了2个峰值，分别在7月21日至8月5日和8月20日至9月4日，数值分别为0.093和0.096 cm·cm-3，且差异不显著(P>0.05)。WL363HQ出现了2个峰值，但出现峰值的时间不同于WL343HQ，分别在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日，数值分别为0.186和0.447 cm·cm-3，且差异显著(P<0.05)。WL366HQ出现了3个峰值，分别在6月21日至7月6日、7月21日至8月5日和8月20日至9月4日，数值分别为0.160、0.203和0.141 cm·cm-3，其中7月21日至8月5日分别与6月21日至7月6日、8月20日至9月4日的峰值差异显著(P<0.05)。

图3 不同品种苜蓿细根生产量和死亡量Fig.3 Fine root production and mortality of different alfalfa species Ⅰ: 5-22—6-06；Ⅱ: 6-06—6-21；Ⅲ: 6-21—7-06；Ⅳ: 7-06—7-21；Ⅴ: 7-21—8-05；Ⅵ: 8-05—8-20；Ⅶ: 8-20—9-04；Ⅷ: 9-04—9-19；Ⅸ: 9-19—10-04。

2.4 不同时期3种紫花苜蓿细根周转率

对3种紫花苜蓿不同时期细根总生产量、总死亡量、年细根最大现存量和周转率分析如表1所示，3种苜蓿品种年细根生产量、年细根死亡量和年细根最大现存量均差异显著(P<0.05)，其大小顺序为WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ，3个苜蓿品种的周转率差异不显著(P>0.05)。

2.5 苜蓿干草产量

不同品种苜蓿干草产量如表2所示，不同品种间第1茬和第2茬WL363HQ显著大于WL343HQ和WL366HQ(P<0.05)，第3茬、第4茬WL363HQ和WL366HQ显著大于WL343HQ(P<0.05)。随着刈割茬次的递进，不同品种的苜蓿干草产量呈逐渐降低的趋势，且第1茬和第2茬显著大于第3茬和第4茬(P<0.05)，第3茬和第4茬各处理差异不显著(P>0.05)，且3个品种中总干草产量为WL363HQ>WL366HQ>WL343HQ。

2.6 苜蓿各指标相关性分析

皮尔逊相关系数是一种度量两个变量间相关程度的方法。它是一个介于1和-1之间的数值，其中，1表示变量完全正相关，0表示不相关，-1表示完全负相关。通过皮尔逊相关性分析表明(表3)，3个品种紫花苜蓿总干草产量与死亡量呈极显著正相关关系(P<0.01)，年细根生产量与年细根最大现存量呈极显著正相关关系(P<0.01)，其他各指标之间均为正相关。

表1 不同品种苜蓿细根周转率Table 1 Fine root turnover rate of different alfalfa species

注： 不同大写字母表示不同品种在0.05水平差异显著。

Note： Different capital letters indicate that difference varieties have significant differences at the 0.05 level.

表2 不同品种苜蓿干草产量Table 2 Hay yield of different alfalfa species (t·hm-2)

注： 不同大写字母表示不同茬次在0.05水平差异显著，不同小写字母表示不同品种在0.05水平差异显著。

Note： The different capital letters indicate that different cutting have significant differences at the 0.05 level. The different lowercase letters indicate that the difference species have significant differences at 0.05 level in different periods.

表3 各指标相关性分析Table 3 The correlation analysis of each index

注： * 表示在 0.05 水平(双侧)显著相关，** 表示在 0.01 水平(双侧)极显著相关。

Note： * indicate significant correlation at the 0.05 level (bilateral), ** indicate extremely significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

3 讨论

3.1 不同品种苜蓿细根总现存量、细根不同土层分布的变化

不同品种苜蓿细根的生长情况不同，与遗传因素、耕作措施、水肥条件及地上部分生长动态等有关，这些因素的综合作用使得其根系形态在不同时期内呈规律性变化[26-28]。研究表明，细根现存量峰值一般出现在春季或夏季[29]，本研究发现不同时期苜蓿细根总现存量有一定的差异(图1)，苜蓿细根整个根管的现存量最大峰值出现在7月21日(夏季)。另有研究认为，苜蓿细根现存量一般呈双峰形[24]。本研究中苜蓿细根现存量出现了3个峰值(图1)，均在6月21日、7月21日和8月20日，其中在7月6日，8月4日细根现存量有下降趋势，主要原因是本试验苜蓿刈割4次，时间分别在2017年5月25日、6月23日、7月30日和9月23日，其中6月23日刈割后，7月6日苜蓿现存量降低，7月30日刈割后，8月4日的细根现存量降低。研究表明，细根对周围环境的变化较为敏感，苜蓿在刈割后细根受到刺激迅速衰老脱落[30]，使得细根死亡或消失，说明刈割能够影响苜蓿细根的生长，并降低其现存量。从总体来看，处于刈割期的苜蓿细根现存量减少，本研究中苜蓿细根监测时间未能避开苜蓿刈割期，导致刈割对苜蓿细根现存量产生了一定的影响，但究竟是刈割对苜蓿细根现存量影响大，还是不同监测时期对苜蓿细根现存量影响大，仍需进一步的试验研究。

苜蓿细根现存量在不同土层分布取决于植物类型、植物种植年限、外界环境等有关因素[31]，本研究中在不同时期内0～20 cm细根现存量，与苜蓿细根整个根管现存量有相似趋势，均在7月21日达到最大值。细根具有向水性和向肥性[29]，表层土壤含有丰富的养分和水分，在养分不足时，大量的根际微生物能够将土壤难溶性物质转换成有机物供根系吸收[32]，故细根主要集中在表层土壤，使得不同土层细根现存量与整个根管细根总现存量生长趋势一致。本研究中WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ苜蓿细根现存量既有不同土壤深度之间的差异，又有不同的季节变化趋势(图2)。其中3种苜蓿在不同土层的细根现存量为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，是水分和养分造成这种差异，养分堆积在表层并能刺激作物生根，作物细根通过养分存活，二者密不可分；且滴灌带埋在8～10 cm左右的位置，相对其他土层，每次浇水时0～20 cm能充分吸收水分。本研究中，细根随着土层的下移，苜蓿细根现存量有减小的趋势，0～20 cm土层中，WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ均在7月21日达到最大值，20～40 cm均在8月5日及以后达到最大值。研究表明，随着土层的加深，土层的水分和养分降低，水分渗到土壤中之后才能对植物产生作用，而水分渗入深层土壤具有滞后的现象[33]，且温度对土层的影响随着土层的加深也有滞后现象[34]，使得有利的水热组合同步性较差，导致0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm细根现存量最大值出现的时期不一致，从而导致细根现存量最大值出现在20～40 cm的时间晚于0～20 cm。

3.2 细根生产量、死亡量、周转率和干草产量的关系

苜蓿是多年生豆科牧草，其根系的生长状态决定了地上部分的产量，以及苜蓿种植的持久性[4]。5月22日至6月6日(5月25日刈割第1茬)与6月6日至6月21日(未刈割时期)、6月21日至7月6日(6月23日刈割第2茬)和7月6日至7月21日(未刈割时期)、7月21日至8月5日(7月30日刈割第3茬)和8月5日至8月20日(未刈割时期)以及9月4日至9月19日(未刈割时期)和9月19日至10月4日(9月23日刈割第4茬)数据两两对比，刈割与未刈割的15 d内细根生产量相比较，细根生产量未刈割时期大于刈割时期(图3)，说明刈割能降低细根的生产量[30]，且生产量的高低会影响苜蓿细根的周转率，使得周转速度变慢。细根生长具有明显的季节性[35]，容易受到温度的影响，在温度适宜的条件下，促进根际微生物释放养分，使得细根生产量增加。7月6日至7月21日和8月5日至8月20日同是夏季，其中7月6日至7月21日的生产量大于8月5日至8月20日(图3)，适宜的温度能促进植物细根生长[10]，但当细根的数量达到一定的上限，会导致细根之间形成竞争机制，争夺土壤中的养分，吸收能力强的细根占优势，使细根生产量减少[36]，死亡量增高。处于刈割时期的苜蓿细根死亡量在6月21日至7月6日和7月21日至8月5日两个时期均大于未刈割时期内6月6日至6月21日和7月6日至7月21日，说明刈割加速了细根的死亡。其中从8月20日至9月4日到9月19日至10月4日细根死亡量超过了细根的生长量，呈逐渐降低的趋势。随着秋天的到来，温度降低，土壤温度随之降低，导致细根大量死亡，故细根死亡量超过了细根的生产量，而新疆北疆在九月底气温急剧下降，土壤温度随之降低，抑制了细根的活动，故死亡量也逐渐下降[10]。

细根对土壤养分极为敏感，通过巨大的吸收表面积储存营养物质，故细根不断地生产和死亡能使植物循环利用养分[37]。计算细根周转有不同的方法，2/3以上研究用年最大现存量来估测细根周转[10,38]，研究发现不同植物细根周转率的范围为0.019～2.644 yr-1，平均周转速率为0.56 yr-1[38]，本研究中，3个不同品种紫花苜蓿细根周转的平均周转率为1.8 yr-1，处于上述研究的周转速率范围内，且平均细根周转率处于较高水平，紫花苜蓿为多年生豆科牧草，通过多次刈割来获得经济效益，一是人为的调控刈割能刺激苜蓿的生长死亡[3]，二是牧草类植物一般种植密度大，同类之间的细根竞争促使苜蓿的细根生产死亡加速[39]，故周转率较大。本研究通过相关性分析表明，苜蓿细根死亡量与苜蓿的总干草产量呈极显著正相关，年细根生产量与年细根最大现存量呈极显著正相关关系(表3)，说明苜蓿细根死亡动态影响其地上部分干草产量的形成，年生产量越大，年细根现存量就越大。研究表明，植物地下部分的生长发育影响植物地上部分的产量[40]，植物为了维持自身生长发育需要不断地加快老根的脱落或死亡来产生新生的细根[32]，通过不断的死亡腐烂的细根可以促进根际微生物的活动，并将营养物质归还给土壤，利于植物的再吸收。植物较高的细根周转率是降低本身耗能的一种反映方式，植物保持高的细根现存量需要消耗大量的养分和能量，但植物细根周转率增高时可以以较低细根生物量满足植物对营养物质的需求，并保证对土壤养分和水分的有效吸收[41]，进而促进了其地上部分的生长。

4 结论

WL343HQ、WL363HQ和WL366HQ紫花苜蓿细根现存量既有不同土壤深度之间的差异，又有不同季节的变化趋势。总现存量均在7月21日(夏季)出现最大峰值。3个紫花苜蓿品种在不同土层的细根现存量均为0～20 cm>20～40 cm>40～60 cm，即随着土层深度的增加，苜蓿细根逐渐减少。通过相关性分析结果表明，苜蓿细根的死亡动态影响其地上部分植株的生长发育及干草产量。紫花苜蓿品种WL363HQ的细根现存量、生产量及干草产量均优于WL343HQ和WL366HQ，说明紫花苜蓿品种WL363HQ在当地的生产性能表现较好，故适宜在本地进行推广种植。