磷素对紫花苜蓿分枝生长及生理的影响

陆晓燕，胡汉锡，袁 庚，贺维维

(江苏农牧科技职业学院， 江苏 泰州 225300)

磷是影响植物生长发育的重要元素，在紫花苜蓿体内的含量为0.2%～0.5%，远低于氮和钾[1]。但研究表明，当氮磷钾配施时，紫花苜蓿产量高低的主要决定因素为磷，尤其在南方农区普遍缺磷的条件下，施用磷肥显得尤为重要[2]。豆科作物对氮、磷、钾的需求为2∶1∶2，而一般栽培作物为3∶1∶2.5，可见，豆科作物对磷的需求更为迫切。种植紫花苜蓿的土壤，磷元素会明显减少，其中15～30 cm土层下降60.8%， 75～90 cm土层亦有明显下降的现象[3]。

紫花苜蓿的产量构成因子包括单位面积株数、每株分枝数和每枝干重。当紫花苜蓿的播种密度一定时，其产量由每株分枝数和每枝干重决定。Sanderson等[4]研究发现，施磷处理显著增加了每株分枝数和每枝干重，从而使产量增加。有研究表明，磷肥显著增加了紫花苜蓿的每株分枝数[5]。Berg等[6]研究发现磷素处理并没有增加紫花苜蓿的每株分枝数，产量的增加主要是因为施磷增加了每枝干重。紫花苜蓿的分枝包括由根颈芽发育而来的根颈分枝和由腋芽发育而来的茎分枝。研究表明，南方农区紫花苜蓿与粮经作物复种的短期栽培模式下，根颈分枝是决定紫花苜蓿产量的主要分枝类型[7]。在此栽培模式下，磷素处理将对紫花苜蓿的分枝生长特性和产量产生怎样的影响，目前缺少相关的研究。本试验选用在南方农区产量比较稳定、表现较好的非秋眠性品种WL525HQ进行秋播翌年刈割2茬的短期栽培试验，研究磷素处理对紫花苜蓿分枝生长及相关生理的影响，以期为紫花苜蓿高产栽培及其机理研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试紫花苜蓿品种为WL525HQ(秋眠级8.2)，由北京正道生态科技有限公司提供。磷肥为过磷酸钙(P2O5≥12%)，湖北省当阳市星光磷化有限公司生产。

1.2 试验设计

试验由田间试验和盆栽试验两部分组成。

1.2.1田间试验 播种时间为2019年10月7日，样品采集分别于2020年5月6日和6月17日初花期进行，每次刈割留茬高度为5 cm。田间试验在江苏农牧科技职业学院园林园艺学院的实训基地进行，供试土壤为沙壤土，其中pH 7.02、碱解氮95 mg·kg-1、有效磷24 mg·kg-1、速效钾125 mg·kg-1。田间试验采用完全随机区组设计。设0(P1)、10(P2)、20(P3)、30(P4)和40(P5)g·m-2P2O5共5个磷素处理， 每个处理4次重复，共20个小区，小区面积1 m×1 m，小区间隔0.5 m，试验地周边设置0.5 m宽的保护行。条播，每个小区播种4条，条与条之间间隔0.5 m，播种量为1 g·条-1，播种深度1～2 cm。磷肥分3次在行间开沟施入，其中50%在播种前施入、25%在第1茬刈割前1周施入，25%在第2茬刈割前1周施入。

1.2.2盆栽试验 播种时间为2020年10月12日，样品采集分别于2021年5月15日和6月24日初花期进行，每次刈割留茬高度为5 cm。盆栽试验在江苏农牧科技职业学院园林园艺学院的温室进行，盆土质地为沙壤土，其中pH7.12、碱解氮108 mg·kg-1、有效磷18 mg·kg-1、速效钾105 mg·kg-1。盆栽试验采用完全随机区组排列。设0(P1)、5(P2)、10(P3)、15(P4)和20(P5) g P2O5盆共5个磷素处理， 每个处理4次重复，共20盆。盆钵直径27 cm，盆高31 cm，每盆装土10 kg。每盆播50粒种子，生长期内间苗，最终保留20株。磷肥在播种前一次性拌入盆装土。

1.3 测定项目与方法

1.3.1地上部分枝性状的测定 田间试验每次刈割时于各小区内挖取有代表性的植株10株，盆栽试验每次刈割时于各盆内挖取有代表性的植株5株，分别记录根颈分枝(分枝基部≤0 cm，地面高度视为0 cm)和茎分枝(0 cm<分枝基部<5 cm)的数量，60℃分类烘干至恒重，以此计算出各自的单枝干重和单株干重。

1.3.2根系养分含量的测定 盆栽试验中在上述植株取样时挖取其20 cm的根系，自来水洗净，蒸馏水冲洗，将根系切割成1～2 cm的小段，60℃烘干称重，粉碎过1 mm孔筛，供根系养分的测定。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[8]；淀粉含量采用高氯酸酸解法测定[9]；总的非结构性碳水化合物(TNC)含量为可溶性糖和淀粉含量之和；总氮含量采用全自动凯式定氮仪测定；各养分的贮存量为其含量乘以根系干重。

1.3.3地上部再生速度的测定 盆栽试验每次刈割后12 d于各盆内选取有代表性的植株5株，5 cm 刈割后将地上部105℃杀青30 min，60℃烘干48 h称重，计算地上部再生量及刈割后12 d内的干物质生长速率。干物质生长速率=刈割后12 d的地上部再生量/12。

1.3.4光合指标的测定 采用美国LI-COR公司生产的 LI-6400便携式光合仪测定。盆栽试验中，在各茬刈割前，于每盆分别选取4个方向自顶端向下第3～5片完全展开叶的中间小叶各1片进行光合参数测定，并采用方格法测定叶面积。测定时间均为上午9:30至11:30。

1.4 数据处理

利用Excel 2010和Word 2010软件处理试验数据并绘制表格；采用IBM SPSS Statistics 20软件进行方差分析和相关性分析，并用Duncan法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 磷素处理对紫花苜蓿分枝数的影响

由表1可知，除了田间试验第1茬中P1处理的根颈分枝数显著高于其他处理外(P<0.05)，其余各茬次的根颈分枝数和茎分枝数在处理间均无显著差异(P>0.05)。除田间试验中P1处理的每株总分枝数显著高于P4处理(P<0.05)外，各茬次的每株总分枝数在处理间亦无显著差异(P>0.05)。

2.2 磷素处理对紫花苜蓿分枝干重和单株干重的影响

由表2可知，田间和盆栽试验中各茬的根颈分枝单枝重、茎分枝单枝重和单株干重均随着磷肥用量的增加而显著增加(P<0.05)，除了田间试验第2茬的根颈分枝单枝重在处理间差异不显著(P>0.05)，但亦呈现出随着磷肥用量的增加而增加的趋势。

表2 不同磷素处理下紫花苜蓿各茬分枝干重和单株干重

2.3 磷素处理与紫花苜蓿分枝生长指标的相关性分析

由表3可知，磷素处理除在第1茬与根颈分枝数和总分枝数呈显著负相关外(P<0.05)，对第1茬茎分枝数以及第2茬根颈分枝数、茎分枝数和总分枝数的影响不相关。但磷素处理对分枝单枝重的影响较大，其中，根颈分枝单枝重在田间试验的第1茬和盆栽试验的各茬中均与磷素用量呈极显著正相关关系(P<0.01)；茎分枝单枝重在各茬中与磷素用量的正相关关系均达显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)水平。磷素用量与紫花苜蓿各茬单株干重均呈极显著正相关关系(P<0.01)。

表3 磷素处理与紫花苜蓿分枝生长指标的相关系数

2.4 磷素处理对紫花苜蓿光合性能的影响

净光合速率是反映牧草光合能力的重要指标，也是决定牧草产量的重要因素。由表4可知，第1茬除P2处理外，其余磷素处理的净光合速率均显著高于对照(P<0.05)；第2茬的净光合速率随着磷素用量的增加而提高，但处理间差异不显著(P>0.05)。气孔导度的大小会显著影响植物CO2的固定速率和水分的蒸腾速率。第1茬中使用磷素的处理，其气孔导度与对照相比均无显著性差异(P>0.05)；第2茬中除了P2处理显著高于对照外(P<0.05)，其余磷素处理亦与对照差异不显著(P>0.05)。细胞间CO2浓度是叶片光合反应的底物，一定程度上可反应光合速率的高低。第1茬中P3和P5处理的胞间CO2浓度显著高于对照(P< 0.05)；第2茬中P2处理的胞间CO2浓度最高，显著高于P3和P4(P<0.05)，但与对照差异不显著(P>0.05)。蒸腾作用是植物对水分和矿物质吸收和运输的主要动力，各处理间蒸腾速率的变化趋势与净光合速率基本保持一致。第1茬除P2处理的蒸腾速率低于对照外，其余各处理的蒸腾速率均显著高于对照(P<0.05)；第2茬中各处理的蒸腾速率均高于对照，但除了P2处理显著高于对照外(P<0.05)，其余各处理与对照相比，差异未达显著水平(P>0.05)。

表4 不同磷素处理下紫花苜蓿各茬的光合性能

2.5 磷素处理对紫花苜蓿根系养分含量的影响

由图1可知，第1茬刈割时根系中的可溶性糖含量、淀粉含量和TNC含量在处理间差异均不显著(P>0.05)。第2茬刈割时的可溶性糖含量和淀粉含量在处理间差异显著(P<0.05)，其中P2处理的可溶性糖含量显著高于对照(P<0.05)，而P5处理的淀粉含量显著高于对照(P<0.05)；TNC含量在处理间差异亦不显著(P>0.05)。各茬的可溶性糖贮存量、淀粉贮存量和TNC贮存量均呈现出随着磷素用量增加而增加的趋势。第一茬中，P4和P5处理的可溶性糖贮存量显著高于对照(P<0.05)，P2和P5的淀粉贮存量显著高于对照(P<0.05)，而P2、P4和P5的TNC贮存量显著高于对照(P<0.05)；第2茬中，P5的可溶性糖贮存量、淀粉贮存量和TNC贮存量均显著高于其他处理(P<0.05)。各茬的总氮含量和总氮贮量均随着磷素用量的增加而显著增加(P<0.05)。

2.6 磷素处理对紫花苜蓿再生速度的影响

紫花苜蓿刈割后地上部的生长速率是评价其再生性能的重要指标，与生物产量密切相关。由图2可知，每一茬刈割后的干物质增长速率均随着磷素用量的增加而显著升高，第1茬中P3、P4和P5处理的干重日增量显著高于对照(P<0.05)，第2茬中P4和P5处理的干重日增量亦显著高于对照(P<0.05)。

2.7 紫花苜蓿根系养分含量与地上部再生量的相关性分析

由表5可知，各茬刈割后的地上部再生量与可溶性糖、淀粉和TNC的含量的相关性均未达到显著水平(P> 0.05)，但与可溶性糖、淀粉和TNC的贮存量均达显著(P<0.05)或极显著水平(P<0.01)。各茬刈割后的地上部再生量分别与第1茬和第2茬的总氮含量呈极显著(P<0.01)和显著(P<0.05)正相关，与两茬的总氮贮存量均呈极显著(P<0.001)正相关关系。

注：同一茬次的不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，图2同。图1 不同磷素处理下紫花苜蓿根系养分的含量和贮存量Fig.1 Nutrient contents and storage capacity of Medicago sativa roots under different phosphorus treatments

图2 不同磷素处理下紫花苜蓿刈割后0～12 d的干重增长速率Fig.2 Dry weight growth rate of Medicago sativa at 0-12 d after mowing under different phosphorus treatments

表5 刈割后12 d 地上部的再生量与刈割时的根系养分含量和总量的相关系数

3 讨论与结论

3.1 磷素处理对紫花苜蓿分枝生长的影响

施肥促使紫花苜蓿产量增加主要是通过改变产量因子的性状引起的。田间试验和盆栽试验结果均表明：磷素处理对紫花苜蓿各茬的根颈分枝数、茎分枝数和总分枝数影响不显著(P>0.05)，除了田间试验第1茬刈割时的根颈分枝数和总分枝数外；但显著增加了各茬的根颈分枝单枝重和茎分枝单枝重(P<0.05)，从而提高了单株干重。Berg等[6]研究发现施磷处理后单株分枝数并没有增加，产量的增加主要是因为施磷增加了每枝干重。但也有研究表明，施用磷肥会降低紫花苜蓿的植株密度，紫花苜蓿植株密度的下降会使单株分枝数增加以维持高产。Sanderson等[4]研究发现，施磷59 kg· hm-2的处理，建植2年后紫花苜蓿的植株密度从495株·m-2下降至98株·m-2，而没有施磷的处理植株密度为134株·m-2；但施磷处理显著增加了每株分枝数和每茎干重，从而使产量增加。分析原因可能是本试验中紫花苜蓿是短期栽培，生长时期短于9个月，导致磷素处理对分枝数的影响不显著；另一方面田间试验中紫花苜蓿的播种密度(40 kg·hm-2)高于其他试验，播种密度的提高使得植株间对水分和光照的竞争增加，由于遮阴等原因，茎基部芽的发生发育受到限制，导致分枝数量的减少。

3.2 磷素处理对紫花苜蓿分枝生理的影响

光合作用是植物生长和积累干物质的基础，与牧草产量密切相关。本试验结果表明，磷素处理提高了紫花苜蓿的净光合速率。净光合速率是单位时间内单位叶面积固定CO2的量，净光合速率的增加意味着单位时间内光合作用产生的碳水化合物的增加，从而增加了紫花苜蓿的分枝干重。光合作用合成的碳水化合物除了满足自身生长的需要外，部分会以不同的形式贮存在贮藏器官内，当植株的光合能力不能维持正常的生长发育时(如春季返青后的快速生长期和刈割后的再生初期)，就会动用贮存的碳水化合物作为物质和能量的来源[10-11]。本试验结果也表明，磷素处理显著增加了紫花苜蓿根系碳水化合物(包括可溶性糖、淀粉和总的非结构性碳水化合物)的贮存量(P<0.05)，从而显著提高了紫花苜蓿刈割后的再生速度。研究表明，紫花苜蓿刈割后再生枝条中的氮主要来源于刈割时根系中贮存的氮，任何能够影响根系氮源积累的处理均会影响植株的再生能力[12]。本试验结果表明，紫花苜蓿总氮含量和贮存量均随着磷素水平的升高而显著增加(P<0.05)，且与紫花苜蓿刈割后的再生量达显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关关系。由此推测，磷素能够增加紫花苜蓿每枝干重的原因在于磷素促进了根系与新生枝间的养分流动，从而加快了新生枝的生长。