根瘤菌、施氮量及频率对苜蓿生长和纤维含量的影响

王瑞峰， 闫 伟， 石凤翎

(农业农村部饲草栽培加工与高效利用重点实验室/草地资源教育部重点实验室/内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010000)

氮素在苜蓿生长的各个阶段都不可或缺[1]。施用氮肥可以提高苜蓿的产量和品质[2-3]，Hojjati等[4]研究表明，氮肥可有效提高豆科植物地上生物量。不同的氮素添加水平，对苜蓿的生长影响也大不相同[5]。合理的氮肥施用量，可以有效地提高苜蓿的产量[6]。研究表明过量的氮肥会降低苜蓿的产量[7]。自荷兰学者Beijerinck从豆科植物中分离出了根瘤菌以来，学者们对根瘤菌展开了大量研究。闻志彬等[8]根据多年种植苜蓿的土壤中硝态氮的动态变化证明了苜蓿的根瘤菌具有固氮作用。Gasser和马霞等[9-10]研究发现，苜蓿接种根瘤菌后，其干草产量提高了31.2%，且接种根瘤菌可以提高紫花苜蓿的结瘤率与根瘤重量。苜蓿作为优质粗饲料，我国规模化苜蓿生产面积逐年增加，但施肥成本占生产成本比例也逐年上升，规模化生产中施肥成本占总生产成本约15%～25%，所以研究合理施肥策略降低生产成本，对于现代规模化人工苜蓿草生产意义重大。本文通过设置不同施氮量、施肥频率及有无接种根瘤菌处理，探究其对‘草原3号’杂花苜蓿生长速率、地上生物量、纤维素含量等的影响，以期为生产实践提供指导依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古通辽市扎鲁特旗蒙草苜蓿种植基地(44.383 36° N，121.311 49° E)，海拔211 m。该地气候属中温带大陆性季风气候，年均温6.6℃；年均降水量382.5 mm，年均蒸发量1 800 mm以上，无霜期130～147 d。试验地选择多年未种植豆科牧草的沙地。土壤全氮全磷含量见表1。

表1 不同土层深度全氮全磷含量Table 1 Total nitrogen and phosphorus content in different soil depths

1.2 试验设计

本试验选择‘草原3号’杂花苜蓿(来自于内蒙古农业大学)作为研究对象，试验采用完全随机区组设计，设置接种(G)与未接种(NG)根瘤菌(来自于克劳沃商品菌种‘多萌’)、5个施氮量梯度(W1：600 kg·hm-2，W2：750 kg·hm-2，W3：900 kg·hm-2，W4：1 050 kg·hm-2，W5：1 200 kg·hm-2)与3个施肥频率(T1：4次，T2：6次，T3：8次)，开展三因素试验研究。每个小区面积为20 m2(4 m×5 m)，每个处理5次重复，共150个小区，试验布置图见表2。于2016年6月进行条播种植，种肥施用二胺75 kg·hm-2，建植时区分为接种与不接种根瘤菌处理，之后进行正常的田间管理。2017年开始进行施肥量和施肥频率处理。施肥处理时间详见表3。肥料来源及成分见表4。

表2 试验小区设计示意表Table 2 Test plot design diagram

表3 2017年不同施肥频率的具体施肥时间及刈割时间Table 3 Specific fertilization time and cutting time for different fertilization frequencies in 2017

1.3 试验测定指标及方法

1.3.1苜蓿生长速率 各小区随机选取10株样品进行观察记录，从紫花苜蓿出苗开始，每7 d测定一次植株高度,记录并计算。

生长速度(cm·d-1)=高度差(cm)/间隔时间(d)。

1.3.2苜蓿地上生物量测定 试验小区随机选取3个面积为1 m2(1 m × 1 m)大小的样方，在三茬次的初花期留茬齐地刈割后进行烘干称重，将样品放入烘箱中，在65℃干燥至恒重后称重，记录。

1.3.3紫花苜蓿茎叶酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber，ADF)、中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber，NDF)含量测定 将苜蓿样品进行茎叶分离和烘干后，利用ANKOM A220全自动纤维仪分析样品的酸性洗涤纤维(ADF)与中性洗涤纤维(NDF)含量。

1.4 数据分析

使用Excel 2007进行数据整理及计算，使用SAS 9.4统计软件进行方差分析等，使用Sigma Plot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 根瘤菌、施氮量及频率对苜蓿生长速率的影响

如图1所示，施氮量为600 kg·hm-2时，第一茬刈割前，施肥频率为4次、6次和8次的苜蓿的生长速率均呈现先降低后增加再降低的趋势。但在施肥频率为4次时，接种根瘤菌的苜蓿生长速率要大于未接种根瘤菌，而施肥频率为6次时，未接种根瘤菌的苜蓿生长速率变化幅度偏大。第二茬接种根瘤菌的苜蓿生长速率要远高于未接种根瘤菌。第二茬刈割前，苜蓿的生长速率表现为逐渐降低的趋势，在施肥频率为4次时，接种根瘤菌的苜蓿开始时生长速率略大于未接种根瘤菌的苜蓿，但后期接种根瘤菌的苜蓿生长速率急速下降。施肥频率为6次和8次时，接种根瘤菌和未接种根瘤菌的苜蓿生长速率变化趋势基本一致。第三茬刈割前，所有施肥频率处理均表现为未接种根瘤菌的苜蓿生长速率呈下降趋势，但后期降低的幅度逐渐变小；而接种根瘤菌的苜蓿的生长速率呈现出先降低后增加的趋势，苜蓿生长出现二次增长。另外，对施肥量为750 kg·hm-2，900 kg·hm-2，1 050 kg·hm-2和1 200 kg·hm-2的试验样地苜蓿生长速率进行测定，变化趋势与600 kg·hm-2的试验样地变化趋势基本一致。

图1 接种根瘤菌与未接种根瘤菌下苜蓿生长速率变化(以施肥量600 kg·hm-2为例)Fig.1 Diagram of growth rate of sputum inoculated with rhizobium and uninoculated rhizobium(An example of 600 kg·hm-2 of fertilizer)

2.2 根瘤菌、施肥量及频率对苜蓿生物量的影响

2.2.1接种根瘤菌接种对苜蓿生物量的影响 分析根瘤菌接种对苜蓿地上生物量的影响，结果如图2所示。除了第二茬W4T2和W5T3处理和第三茬W2T1处理，接种根瘤菌苜蓿的地上生物量均大于未接种根瘤菌的试验区。在施氮量600 kg·hm-2，750 kg·hm-2，900 kg·hm-2，1 050 kg·hm-2，1 200 kg·hm-2时，接种根瘤菌处理比未接种处理地上生物量高8.11%，9.12%，14.43%，9.03%，4.38%。第一茬至第三茬接种根瘤菌的处理组比未接种的处理组地上生物量分别高38.60%，45.05%，79.13%，表明接种根瘤菌可显著提高苜蓿地上生物量，尤其是在第三茬，这与根瘤菌影响苜蓿的生长速率结果一致。进一步表明接种根瘤菌可以节约肥料的施用量。

图2 接种根瘤菌对苜蓿地上生物量的影响Fig.2 Effects of rhizobium inoculation on aboveground biomass of alfalfa注：字母不同表示接种根瘤菌与未接种根瘤菌之间差异性显著(P<0.05)，未标记字母表示接种根瘤菌与未接种根瘤菌之间差异性不显著；T1表示共计施肥4次，T2表示共计施肥6次，T3表示共计8次施肥Note:Difference letters indicates significant difference between inoculated rhizobium and uninoculated rhizobium at the 0.05 level,the unlabeled letters indicate that the difference between the inoculated rhizobium and the uninoculated rhizobium is not significant;T1 indicates 4 times fertilizer applying in total,T2 means 6 times ferilizer applying in total,and T3 means 8 times fertilizer applying in total

2.2.2施氮量对苜蓿生物量的影响 分析施氮量对苜蓿地上生物量的影响，结果如图3所示。不论是接种还是未接种，苜蓿地上生物量由高到低依次为第一茬>第二茬>第三茬。未接种根瘤菌的处理中，3个茬次地上生物量最高的处理组依次为W4T2，W5T3，W1T1处理组。接种根瘤菌的处理中，3个茬次地上生物量最高的处理组依次为W3T2，W3T3，W2T2处理组。比较接种与未接种根瘤菌处理组的三茬总地上生物量，未接种根瘤菌组最高处理为W4，而接种根瘤菌组的最高处理为W3，且接种根瘤菌组的总地上生物量随着施肥量的增加呈现先增加后降低的趋势。比较三茬总地上生物量，GW3T2组合的总地上生物量最高，为17 228.25 kg·hm-2；NGW1T3组合的总地上生物量最低，为12 302.70 kg·hm-2。本试验所用水溶肥最高的价格为5.1 kg·元-1，每公顷施肥成本增加1 530元，干草每吨单价按照2 000元计算，每公顷增加牧草产值为9 851.1元。

图3 不同施肥量下苜蓿地上生物量的影响Fig.3 Effects of aboveground biomass of alfalfa under different fertilization rates注：字母不同表示不同施肥量之间差异性显著(P<0.05)，下同Note:Different letters mean significant differences between different fertilizing amount at the 0. 05 level,the same as below

2.2.3施肥频率对苜蓿生物量的影响 分析施肥频率对苜蓿地上生物量的影响，结果如图4所示。苜蓿第一茬刈割时，GW3T2和NGW3T2处理组的地上生物量显著T1和T3(P<0.05)；GW2T3，GW5T3，NGW2T3，NGW5T3处理组的地上生物量显著高于T1和T2的试验区(P<0.05)；接种根瘤菌和未接种根瘤菌的试验区，施肥量为900 kg·hm-2处理不同施肥频率的地上生物量无显著性差异；GW4T2和GW4T3的地上生物量要显著高于GW4T1(P<0.05)；而NGW4T2的地上生物量要显著高于施肥频率为NGW4T1(P<0.05)。

图4 不同施肥频率下苜蓿的地上生物量Fig.4 Effects of different fertilization frequency on aboveground biomass of alfalfa注：字母不同表示不同施肥频率之间差异性显著(P<0.05)Note:Different letters indicate significant differences between different fertilization frequencies at the 0.05 level

苜蓿第二茬刈割时，NGW1T1和NGW1T3的地上生物量要显著高于T2试验区；而NGW5T1的地上生物量要显著高于T2和T3的试验区；GW5T1和GW5T2的地上生物量要显著高于T3的试验区；第三茬刈割时，GW1T1，GW1T2，NGW1T1，NGW1T2的地上生物量要显著高于T3的试验区。

综上分析，针对第一茬刈割时苜蓿地上生物量，施肥量高的试验区，施肥频率越高，苜蓿地上生物量也就越高；而施肥量低的试验区，中等施肥频率(本研究为6次)下，苜蓿地上生物量最高。针对第二茬及第三茬，苜蓿地上生物量的变化数据得知，低施肥量搭配低施肥频率可使苜蓿地上生物量达到最大值。结合整体三茬地上生物量分析，高施肥量搭配高施肥频率、低施肥量搭配低施肥频率获得更高的地上生物量。

2.3 根瘤菌、施肥量及频率对苜蓿纤维含量的影响

2.3.1根瘤菌对苜蓿ADF和NDF含量的影响 如图5所示，与接种根瘤菌处理相比，未接种根瘤菌处理苜蓿茎部的ADF含量显著提高(P<0.05)。而其他情况下，接种与未接种根瘤菌的苜蓿茎叶之间的ADF和NDF含量均无显著差异，说明苜蓿茎叶中的NDF含量和叶片中ADF含量不受根瘤菌的显著影响。

图5 根瘤菌处理下苜蓿茎叶的ADF和NDFFig.5 Effects of rhizobium treatment on ADF and NDF of alfalfa stem and leaves注：字母不同表示种根瘤菌处理之间差异性显著(P<0.05)，0表示未接种根瘤菌，1表示接种根瘤菌Note:Different letters indicated that there were significant differences among rhizobium treatments at the 0.05 level，0 means no rhizobium was inoculated,1 means rhizobium inoculation

2.3.2施肥量对苜蓿ADF和NDF含量的影响 如图6所示，不同施氮量下苜蓿茎叶的ADF与NDF含量均无显著差异，但与苜蓿叶片相比，茎中ADF与NDF含量均较高。

图6 不同施肥量下苜蓿茎叶ADF和NDF的影响(接种根瘤菌)Fig.6 Effects of different fertilization amount on ADF and NDF of alfalfa stems and leaves (inoculation of rhizobium)

2.3.3施肥频率对苜蓿ADF和NDF的影响 如图7所示，施肥频率为T1和T2的处理，苜蓿叶片中的ADF显著高于施肥频率为T3的处理(P<0.05)。同时，施肥频率为T1的处理，苜蓿茎部中NDF显著高于施肥频率为T2的处理(P<0.05)。其他情况下，不同施肥频率之间，苜蓿茎叶ADF和NDF均无显著性差异。未接种根瘤菌的处理下，施肥频率对苜蓿茎叶ADF和NDF的影响结果与接种根瘤菌的苜蓿结果一致。

图7 不同施肥频率下接种根瘤菌苜蓿茎叶ADF和NDF的影响Fig.7 Effects of different fertilization frequency on ADF and NDF of alfalfa stems and leaves(inoculation rhizobium)

3 讨论与结论

3.1 施肥及根瘤菌对苜蓿生长及产量的影响

本研究在比较三次刈割之间苜蓿的地上生物量的大小发现，第一茬刈割>第二茬刈割>第三茬刈割，刈割时间的不同对苜蓿的产量同样产生显著的影响。这与肖燕子、赵海明等研究得出的结论保持一致[12-13]。田间试验研究表明，在中等(W3)或中等以上施肥量水平下，可提升苜蓿的生产速率及苜蓿干草产量。这与当前主流学者的观点基本保持一致，只是在不同的地区，中等施肥量的水平不同而已。Hannaway等[14]研究发现，当土壤硝酸盐含量大于15 ppm时，有利于紫花苜蓿有效结瘤。科学合理的施肥策略量，既可满足苜蓿对各营养元素的需求，又不至于造成养分缺失或者过量导致烧苗。

本文研究发现，接种根瘤菌会提高第三茬刈割前苜蓿的生长速率，苜蓿自身具有固氮作用，但其所固定的氮素不能满足自身的需求，需要外源施氮以保证其正常生长[15]。张庆昕等[16]研究发现，对沙地苜蓿接种不同种类的根瘤菌后，显著提高了苜蓿的产量及生长速率。刘若慈等[17]研究指出，接种根瘤菌的苜蓿种子，其产量明显提高。接种根瘤菌是提高苜蓿生长速率的重要手段[18]，这与本文的研究结论一致。李富宽等[19]通过试验分析得出，接种根瘤菌的紫花苜蓿，根系根瘤数量显著增加，与未接种根瘤菌苜蓿相比，紫花苜蓿的结瘤率显著提高。房增国等[20]研究发现，为蚕豆(ViciafabaL.)接种根瘤菌可以显著提高蚕豆和玉米(ZeamaysL.)的产量以及蚕豆结瘤率，同时，显著地提高了间作生态系统的生态效益。

3.2 施肥及根瘤菌对苜蓿纤维含量的影响

纤维素含量是影响苜蓿品质的重要指标。本文发现接种根瘤菌可降低苜蓿茎叶中纤维素的含量，但效果不显著。在未接种根瘤菌的处理，施肥频率对苜蓿茎叶ADF和NDF的影响结果与接种根瘤菌的苜蓿结果一致，接种或未接种根瘤菌的处理，施肥量对苜蓿茎叶ADF和NDF含量没有显著影响，且苜蓿茎中的ADF和NDF含量比叶高。有研究认为，配合施加氮、磷、钾肥，还可以显著降低紫花苜蓿的纤维含量，同样，配施效果明显优于单施效果[21]。而本研究发现，施肥没有对苜蓿中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维产生规律性影响，一方面可能是由于刈割时间的差异导致紫花苜蓿的品质性状发生改变，而当前多数学者的研究指出，在中国北方，大部分具有灌溉条件的干旱区，施加氮肥可以有效地提升苜蓿中粗蛋白的含量，减少粗纤维(包括ADF和NDF)的含量[22]与本文研究结论一致。外源补充氮、磷、钾，在紫花苜蓿的建植过程中有着极其重要的作用。有研究指出，增施氮肥，可以有效地提高苜蓿的产量，改善苜蓿品质[22]。有研究发现[23]，不同剂量的施肥处理的干物质含量存在显着差异，但品种间没有显着差异；而在品种或不同施肥处理之间，苜蓿的纤维含量没有显著差异。有关施肥量及施肥频率对紫花苜蓿品质产生哪些具体影响，还需要后期的跟踪调查与研究。

综上所述，根瘤菌接种会促进苜蓿第三茬刈割前苜蓿的生长速率并降低肥料的使用量。低施肥量的条件下，降低施肥频率有助于产量增加，高施肥量条件下，高施肥频率有助于产量增加，中等施肥水平及接种根瘤菌可显著提高苜蓿地上生物量。苜蓿地上生物量最大的组合为接种根瘤菌、施肥量为900 kg·hm-2，施肥6次的组合，其生物量为17 228.3 kg·hm-2。