接种根瘤菌对林下红三叶草产量与品质及土壤特性影响

熊海琳, 毛培春, 田小霞, 郑明利, 付娟娟, 孟 林*

(1.北京市农林科学院草业花卉与景观生态研究所, 北京 100097; 2. 西北农林科技大学草业与草原学院, 陕西 杨凌 712100)

林草复合经营是一种重要的林下经济高质量发展模式,有利于实现林草立体融合发展和资源循环利用,有利于促进和带动林下特色优势产业的健康发展[1],已在全球广泛分布和应用[2]。随着林草业的高度融合渗透及对生态环境综合治理和林草产业发展的客观需要,林草复合高质量发展受到国内外专家学者的高度重视。特别是2023年中央1号文件明确提出“发展林下种养”,对高效挖掘和充分合理利用林下水土资源、构建功能结构合理的林草复合生态系统提出了更高要求。据第三次全国国土调查主要数据公报,我国林地面积28 412.59万hm2,园地2017.16万hm2,但存在林下大面积土地资源开发利用不足、林草结合不紧密和林下效益低等的生态生产问题,迫切需要开展林下优质饲草的高效栽培与管理技术的试验研究。目前,我国林草复合种植的研究主要集中在探索林草复合系统的高效建植、作用关系与效益分析[3-4]及不同生态地理区域适宜林下种植的优良草种筛选,生态适应性评价[5],特定环境条件下部分草种如菊苣(Cichoriumintybus)[6]、白三叶(Trifoliumrepens)[7]、紫花苜蓿(Medicagosativa)和鸭茅(Dactylisglomerata)[8]等的高产栽培技术。

接种专一高效的根瘤菌和施肥处理是建立林下优质饲草高效生产体系的重要方法,特别是根瘤菌与豆科饲草形成的共生固氮体系具有较高的固氮效率[9],不仅能固定空气中的游离氮形成氮化物发挥固氮作用,有利于产量提高与品质改善[10],而且还可减少化肥给环境带来的负面影响。因此,林下适宜优质豆科饲草品种的选择及其高效栽培技术已成为构建林草复合高效利用模式的重要基础。红三叶(Trifoliumpratense)又名红车轴草,豆科车轴草属多年生草本植物,喜温暖湿润气候,因产量高、营养价值丰富、饲料转化率高且草质柔软、适口性好,已成为我国较广泛种植的优质饲草之一[11]。红三叶还是水土保持和园林绿化的理想植物。根瘤菌和红三叶等豆科植物具有专一性选择侵染关系[12],影响着宿主植物的生长发育和土壤性质,研究表明,接种根瘤菌可提高豆科牧草生长速度,促进根系生长,增加草产量,提高粗蛋白含量并减少中性洗涤纤维含量[13],改善土壤理化性质[14]。宋建超等[15]对高寒地区垂穗披碱草(Elymusnutans)配施氮磷肥和何飞等[16]对紫花苜蓿田配施氮磷钾肥的研究发现,适宜的施肥处理能够有效提高牧草生产性能和营养品质。目前,关于接种根瘤菌和不同配比施肥复合处理对苜蓿[17]和大豆(Glycinemax)[18]等豆科植物草产量和土壤肥力的影响已有研究报道,但对林草复合种植体系下优质饲草高产栽培技术的研究,特别是接种根瘤菌对林下红三叶草产量和营养品质及土壤理化性质的影响研究尚未见报道。基于此,本研究选择在相对较低郁闭度(约0.4)的人工生态林地,开展单一接种根瘤菌、接种根瘤菌+返青后追施NPK复合肥等不同处理对林下红三叶‘Rustler’品种的生长表型、草产量和营养品质及土壤特性的影响,以期为林下红三叶高效栽培提供重要理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地选择在北京房山区大石窝镇辛庄林下经济示范园(115°80′55″E,39°55′15″N),属于暖温带半湿润大陆季风气候,冬季寒冷干燥,夏季炎热,年温差和日温差均很大,年均降水量600～650 mm,最高气温36℃,最低气温—13℃。试验地为人工杨树林地,林分郁闭度约0.4左右,株行距4 m×4 m,地势平坦,有良好的灌溉条件,光照及通风条件良好。林下主要以狗尾草(Setariaviridis)、稗草(Echinochloacrusgalli)和藜(Chenopodiumalbum)等一年生草本植物为主要优势植物,土壤pH值为8.0～8.5,0～20 cm土层土壤有机质含量为9.27 g·kg-1,全氮、全磷和全钾含量分别为0.44 g·kg-1,0.53 g·kg-1和20.00 g·kg-1。

1.2 供试材料与设计

1.2.1供试材料 供试材料为红三叶品种‘红龙’(Rustler),草种引自美国俄勒冈州并由北京百斯特草业有限公司提供;根瘤菌(豌豆根瘤菌Rhizobiumleguminosarum)菌液含菌量达108cfu·mL-1,由甘肃农业大学草业学院提供,编号为GAU-00006。NPK复合肥为谷雨三安牌腐殖酸螯合型复合肥,购自北京绿得利工贸有限公司,NPK配比为N-P2O5-K2O=18-18-18,总养分≥54%。

1.2.2试验设计 于7月下旬实施树行间机械条播建植林下红三叶草地(播种量30 kg·hm-2,行距25 cm,播深2 cm左右),每个树行间草地面积3 m×80 m,共建植9个树行。设置红三叶接种根瘤菌(IR)、红三叶接种根瘤菌+次年返青追施NPK复合肥(IR+AF)和不接种根瘤菌+不施肥(对照组CK)3种处理,每个处理重复3次。随机选取9个定位测试小区,每小区面积为3 m×5 m=15 m2。其中:(1)播种前,按根瘤菌菌剂与红三叶种子重量75 mL·kg-1的比例进行种子均匀拌菌处理;(2)红三叶次年返青后(3月下旬)追施NPK复合肥,施肥量150 kg·hm-2,施肥后,与其他参试小区同时浇透返青水1次。所有参试小区定期人工除草,并根据自然降水情况适时等量灌溉,其他田间管理措施保持一致。

1.3 指标测定

1.3.1生长表型 分别于红三叶分枝期和初花期,每小区随机选取15株,用直尺测定植株生长高度,即每株茎的最底部至叶尖或花序最顶端的高度,以cm表示;用游标卡尺测量植株基部靠近地面的主茎直径即茎粗,以mm表示;每个植株选取5个分枝,从植株上端往下数的第3片顶叶用直尺测定叶长(叶片尖端到底端的长度)和叶宽(叶片中间最宽处长度),以cm表示;均为3个生物学重复。

1.3.2草产量 于红三叶次年返青后生长至初花期,每处理的每个小区选取1 m×1 m测产样方,刈割留茬高度5～8 cm,重复3次,刈割后用电子秤分别称其鲜重,后将鲜样带回实验室,将其剪成3～4 cm长的草段,置于105℃烘箱内杀青10 min后,65℃烘48 h至恒重[16],冷却后称量干重并记录。

1.3.3根系形态与根瘤数量 于红三叶初花期,每处理每个小区随机选取10株,以植株为中心,取周围离地约30 cm处锥形土壤(挖土深度30 cm),抖去根系浮土,剔除周围枯叶和杂草等,粗洗后分别编号,置于冰盒内保存带回并及时放入4℃冰箱内保鲜。

将洗净的红三叶植株(10株)分别均匀铺开放置于干燥阴凉通风的室内,待水分晾干,将地上部和根系分离,采用全自动根系扫描分析仪对根样进行扫描,并利用Win-Rhizo根系分析软件系统对根长、根平均直径、根表面积、根尖数、分枝数和交叉数进行分析,计算其平均数。同时,统计单一植株红三叶根系的有效根瘤数,用电子数显游标卡尺测量根瘤直径大小,划分为0～0.5 mm,0.5～1.0 mm和>1.0 mm三个类别并分别记数。

1.3.4营养品质 与草产量测定同步进行,随机选取每处理每个小区的红三叶鲜草草样500 g,经烘干处理后送至北京谱尼测试集团股份有限公司实验室测试营养成分含量,其中,粗蛋白(Crude protein,CP)含量采用凯氏定氮法测定;粗灰分(Crude ash,ASH)含量采用马弗炉(550℃)直接灰化法测定;粗脂肪(Crude fat,EE)含量采用索氏抽提法测定;酸性洗涤纤维(Acid detergent fiber,ADF)和中性洗涤纤维(Neutral detergent fiber,NDF)含量分别采用Van Soest法和Roberston法测定[19]。计算相对饲喂价值(Relative feed value,RFV)=DDM×DMI/1.29,式中可消化干物质(Digestible dry matter,DDM)=88.9-0.779×ADF,干物质采食量(Dry matter intake,DMI)=120/NDF[20];计算可消化总养分(Total digestible nutrient,TDN)=82.38-0.751 5×ADF[21]。

1.3.5土壤理化分析 于红三叶初花期植株取样后,每处理每个小区按照“S”形分别选取5个样点并用直径4 cm的土钻采集0～10 cm,10～20 cm,20～30 cm土层土壤,拣去植物残体、杂质和石块等,混匀,标注标签,分别编号并装入自封袋中置于冰盒内保存带回实验室,然后及时置于阴凉通风室内自然风干,经常翻动,防止污染。待土壤样品完全风干后,碾磨,过0.5 mm孔径的筛子后装袋封存,备用待测。土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量等均按鲍士旦[22]的方法测定。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 对所有实验数据进行统计处理,运用IBM SPSS Statistic 26.0进行单因素方差分析(ANOVA),采用Pearson统计方法进行分析变量间的相关关系,运用Word 2010和Origin 2021进行相关图表绘制。

2 结果与分析

2.1 接种根瘤菌对林下红三叶生长表型及根系的影响

2.1.1IR和IR+AF处理对林下红三叶生长表型的影响 由表1可知,红三叶分枝期和初花期的株高、茎粗、叶长和叶宽均呈IR+AF>IR>CK的趋势。分枝期时IR+AF处理的红三叶株高较IR增加23.98%,较CK显著增加 57.14%(P<0.05);初花期时IR+AF处理的红三叶株高达114.50 cm,较CK显著增加18.70%(P<0.05),IR处理则较CK增加7.85%。分枝期时IR+AF处理的茎粗较CK显著增加45.31%,叶长和叶宽分别较CK显著增加35.05%和22.05%(P<0.05),IR处理的茎粗较CK显著增加19.42%(P<0.05),叶长和叶宽分别较CK增加20.90%和16.54%;初花期时IR+AF处理的茎粗较CK显著增加19.39%(P<0.05),各处理间叶长和叶宽差异不显著。由此可见,IR+AF和IR处理均能促进红三叶植株的生长发育,特别是IR+AF处理更利于植株地上部的生长。

表1 IR和IR+AF处理对林下红三叶株高、茎粗、叶长和叶宽的影响Table 1 Effects of IR and IR+AF treatments on plant height,stem diameter,leaf length and leaf width of red clover underwood planting in woodland

2.1.2IR和IR+AF处理对林下红三叶根系形态和结瘤影响 植物根长、根表面积及根系直径是衡量和决定根系形态的主要指标。由表2可知,红三叶生长至初花期时,总根长呈IR>CK>IR+AF的趋势,处理间呈显著差异(P<0.05),其中IR处理较CK显著增加38.33%,为IR+AF处理下的2.04倍;而根表面积则呈IR>IR+AF>CK的趋势,其中IR处理分别较CK和IR+AF处理显著增加79.01%和31.19%(P<0.05);IR和IR+AF处理下的根平均直径分别为3.50 mm和2.34 mm,较CK增加86.17%和24.47%。豆科牧草根系根尖数、分枝数及交叉数可以反映出根系的生长和延伸状态,也是衡量根系性状的重要指标。初花期时IR和IR+AF处理后的红三叶根尖数较CK有显著增加(P<0.05),其中IR根尖数为CK的3.72倍,为IR+AF处理的1.77倍;IR和IR+AF处理分枝数均显著高于CK(P<0.05),交叉数则分别增至CK的2.54和2.49倍(P<0.05),而IR相较于IR+AF分枝数和交叉数分别增加6.19%和1.76%。由此可见,IR处理更有利于促进红三叶根系性状的生长发育。

表2 IR和IR+AF处理对林下红三叶根系形态的影响Table 2 Effects of IR and IR + AF treatments on root morphological traits of red clover underwood planting in woodland

由表3所示,IR和IR+AF处理的红三叶植株的总根瘤数均大于CK,IR处理的结瘤总数(92.33个·株-1)约为CK的2倍(P<0.01),而IR+AF处理(34.67个·株-1)则较CK减少27.27%;IR,IR+AF和CK处理下单株有效根瘤数从多到少的次序均为0～0.5 mm,0.5～1.0 mm,1.0 mm,IR处理分别较CK显著提高46.80%,155.57%和384.36%。由此可见,IR处理显著促进红三叶结瘤,根瘤质量好,而IR+AF复合处理并不能显著提高红三叶根瘤数(表3)。

表3 IR和IR+AF处理对林下红三叶结瘤数的影响Table 3 Effects of IR and IR + AF treatments on nodule number of red clover underwood planting in woodland

2.2 IR和IR+AF处理对林下红三叶初花期草产量和品质的影响

于红三叶初花期刈割,IR和IR+AF处理后的红三叶鲜草产量分别较CK显著提高69.49%和65.27%(P<0.05),干草产量分别较CK显著提高75.15%和76.31%(P<0.05),但IR和IR+AF处理间无显著差异(表4);与CK相比,IR和IR+AF处理下的CP含量(17.99%和19.05%)分别提高7.15%和13.46%,Ash含量分别提高19.13%和22.67%,ADF含量分别降低11.83%和16.22%(P<0.05),NDF含量分别降低9.88%和14.57%(P<0.05),RFV分别显著提高18.65%和28.29%(P<0.05),TDN分别提高7.52%和10.30%(P<0.05)(表4)。

表4 IR和IR+AF处理对林下红三叶初花期草产量和品质的影响Table 4Effects of IR and IR + AF on yield and nutritional quality of red clover underwood planting in woodland

2.3 林下红三叶生长表型与营养品质间相关性分析

由表5可知,林下红三叶株高与ADF和NDF含量呈负相关关系,与其他营养物质含量及RFV呈正相关关系,但相关性均不显著;茎粗与Ash和EE含量呈显著正相关关系(P<0.05),与CP含量呈极显著正相关关系(P<0.01);鲜草重与Ash,CP和EE含量之间均呈极显著正相关关系(P<0.01),与RFV呈显著正相关关系(P<0.05),与ADF和NDF含量均呈显著负相关关系(P<0.05)(表5);而根瘤数仅与RFV呈正相关关系。

表5 林下红三叶植株生长表型与营养品质间的相关性分析Table 5 Correlation analysis between growth phenotype and nutritional quality of red clover under forest

2.4 IR和IR+AF处理对土壤有机质和NPK含量的影响

2.4.1IR和IR+AF处理对土壤有机质含量的变化 如图1所示,IR+AF处理下0～10 cm和10～20 cm土壤有机质含量(15.40和13.60 g·kg-1)分别较CK(10.90和10.03 g·kg-1)显著增加41.28%和35.59%(P<0.05),IR处理下0～10 cm和10～20 cm土壤有机质含量(11.80和10.80 g·kg-1)分别较CK增加8.26%和7.68%;而IR+AF和IR处理下20～30 cm土壤有机质含量与CK相比无显著差异。由此可见,IR+AF处理更有利于0～20 cm土壤有机质的增加。

图1 IR和IR+AF处理对土壤有机质含量的影响Fig.1 Effects of IR and IR + AF treatments on soil organic matter content注:不同小写字母表示相同土层不同处理差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differeces at the 0.05 level between different treatment at the same soil layer

2.4.2IR和IR+AF处理对土壤NPK含量的影响 由图2可知,IR+AF,IR和CK处理下土壤全氮含量随土层加深呈降低趋势,其中IR+AF处理下0～10 cm和10～20 cm土壤全氮含量(0.58和0.47 g·kg-1)分别较CK显著降低24.68%和28.79%(P<0.05),IR降幅不明显;IR+AF处理下10～20 cm和20～30 cm土壤全磷含量(0.62和0.60 g·kg-1)分别较CK显著增加17.65%和38.10%(P<0.05),IR+AF处理下20～30 cm土壤全钾含量(22.00 g·kg-1)较CK显著增加28.65%(P<0.05)。

图2 IR和IR+AF处理对土壤NPK含量的影响Fig.2 Effects of IR and IR + AF treatments on soil NPK contents

IR+AF,IR和CK处理下土壤碱解氮含量均随土层逐渐加深呈降低趋势,0～10 cm土层中,IR(59.70 mg·kg-1)和IR+AF处理(51.90 mg·kg-1)的碱解氮含量较CK显著降低22.97%和33.03%(P<0.05),而IR处理下20～30 cm土壤碱解氮含量(36.10 mg·kg-1)则显著高于CK和IR+AF(P<0.05)。IR+AF和IR处理下0～10 cm(23.40和22.40 mg·kg-1)和10～20 cm(17.30和12.40 mg·kg-1)土壤速效磷含量分别较CK增加12.50%,7.69%和51.75%,8.77%;IR+AF和IR处理下各层土壤速效钾含量间均无显著差异,仅在20～30 cm土层IR+AF速效钾含量(76.30 mg·kg-1)较IR处理(67.60 mg·kg-1)增加12.87%,较CK(74.40 mg·kg-1)增加2.55%(图2)。

3 讨论

3.1 接种根瘤菌和施肥有利于促进林下红三叶生长和根系结瘤

根瘤菌与豆科植物共生固氮是重要的生物固氮途径[9],接种适宜根瘤菌可有效促进植物生长和根系结瘤数量与质量。徐玥等[23]研究表明SN7-2根瘤菌拌种处理对复播大豆根系结瘤和生长发育具有促进作用,结瘤数达58.83个·株-1,根瘤菌鲜重达2.61 g·株-1,有效促进根系结瘤。魏启舜等[24]报道适宜施肥条件下,接种费氏中华根瘤菌处理有利于促进鲜食大豆根系结瘤数和根瘤菌质量,花荚期和采青期根瘤数分别达18.67 个·株-1和41.33 个·株-1,根瘤鲜质量分别为0.39和1.39 g·株-1。本研究表明用豌豆根瘤菌GAU-00006进行红三叶拌种处理(IR)、根瘤菌拌种与配施NPK复合肥处理(IR+AF)均对林下红三叶株高、茎粗、叶长叶宽、草产量和营养品质具有一定程度的促进作用,特别是IR+AF复合处理对其生长表型和产量品质的促进作用更佳。

植物根系可分泌生长素和生物碱等内源物质,影响土壤中矿物质和肥料有效性[25],而根瘤菌与豆科作物共生固氮可提高土壤可利用氮素含量[26-27],且结瘤量是验证根瘤菌效果的重要指标。李智燕等[25]研究发现75%化肥+微生物专用菌肥组合处理对岷山红三叶根系具有较好的促进作用,能显著促进根系结瘤,提高结瘤率,有效减少化肥施用量。本试验结果表明,IR和IR+AF处理对林下红三叶植株根系生长和结瘤特性等均有不同程度的促进作用,特别是IR处理显著增加了林下红三叶根系的结瘤数和根瘤菌质量。朱铁霞等[28]研究报道接种根瘤菌和配施磷肥处理可有效提高‘公农1号’紫花苜蓿根系的结瘤数、根瘤重和分枝数,且效果明显优于单施磷肥。本试验结果显示接种根瘤菌IR处理显著提高了红三叶的根尖数、分枝数和交叉数。这可能是因为接菌后豆科植物根系具有较高固氮酶活性,加速根瘤菌活动和繁殖,促进根系生长,从而提高植株根系结瘤率[29]。

3.2 接种根瘤菌配施复合肥有利于提升林下红三叶营养品质

饲草料作物营养品质的优劣不仅直接影响家畜的生长发育,还影响畜产品品质。通常评价饲草营养品质指标包括粗蛋白、粗灰分、粗脂肪、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量等。粗蛋白含量越高,牧草品质越好,NDF和ADF含量则决定了牧草采食率和消化率[30]。武慧娟等[31]研究报道施用复合菌肥+75%化肥的组合处理能显著改善岷山红三叶饲草营养品质。本试验结果显示,IR和IR+AF处理均可提高林下红三叶Ash,CP,EE含量以及RFV,显著降低ADF和NDF含量(P<0.05);红三叶生长表型和营养品质间的相关性分析表明,株高和鲜草重与CP,Ash,EE含量间均呈正相关关系,根瘤数量与营养物质含量间均呈负相关关系。钱亚斯[32]研究表明苜蓿株高与根瘤重量呈显著正相关关系,根瘤数量、根瘤重量和单株生物量均与CP含量呈负相关关系。本研究结果显示,IR处理能有效促进红三叶根部结瘤,IR+AF复合处理更有利于红三叶地上部增产,株高、茎粗、草产量和根瘤数均与RFV呈正相关关系,充分说明IR和IR+AF均能有效促进林下红三叶生长和根部结瘤,提升营养品质。

3.3 接种根瘤菌配施复合肥有利于改善林下红三叶草地土壤特性

豆科牧草接种具有较高固氮酶活性的根瘤菌,可通过生物固氮途径提高固氮效率,促进植株生长发育,改善营养品质,提高土壤肥力[33]。王金华等[14]研究发现红三叶接种根瘤菌处理可显著提高石漠化土壤有机质、速效NPK含量,促进红三叶根系生长,增加根系结瘤数量和根瘤质量。本试验结果显示IR+AF复合处理可显著提高林下红三叶草地0～10 cm和10～20 cm土壤有机质含量,促进养分稳定持久供给,IR单一处理效果次之。钱亚斯[32]研究发现‘草原3号’杂花苜蓿和‘敖汉’紫花苜蓿经接种根瘤菌处理后,土壤全氮、全磷、全碳和硝态氮含量有所降低,碳氮比值增加。这表明根瘤菌能通过改善土壤中元素的比例促进植株生长发育。另据研究报道,植物结瘤和保持固氮酶活性要比正常生长需要更多的磷[27],接种根瘤菌可有效提高豆科牧草对磷的吸收利用效率[34-35],钾可影响根瘤重量、根瘤数量和固氮效率,土壤中氮磷钾含量保持一定的水平可促进根瘤生长[36]。本试验结果显示,IR和IR+AF处理后红三叶草地土壤全氮和碱解氮含量较对照CK有所降低,且IR和IR+AF处理后林下红三叶草地10～20 cm和20～30 cm土壤全磷含量有所提高,特别是IR+AF处理可显著提高20～30 cm土层土壤全钾含量及10～20 cm土层土壤速效磷含量。结果充分说明接种根瘤菌和NPK复合处理能有效改善红三叶草地土壤理化性质,促进植株生长和结瘤。

4 结论

单一接种根瘤菌处理(IR)利于促进红三叶植株根系生长和结瘤,接种根瘤菌和NPK配施复合处理(IR+AF)可显著提高红三叶草产量和CP含量,降低ADF和NDF含量,显著提升红三叶RFV和TDN。同时IR和IR+AF处理均能有效改善林下红三叶草地土壤特性,对土壤有机质、碱解氮含量具有正向促进作用,研究结果可为林下红三叶丰产高效栽培提供科学依据和技术支撑。