滴灌條件下不同灌水處理對(duì)秋播紫花苜蓿根瘤數(shù)的影響

王亞東，蘇德榮，焦 健，李興福，羅 琰

(北京林業(yè)大學(xué)草地資源與生態(tài)研究中心，北京 100083)

0 引 言

土壤微生物作為長足久遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃已經(jīng)在國際上得到認(rèn)可[1]，生物固氮能在減少化肥用量的同時(shí)不降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[2,3]，小小的紫花苜蓿根瘤菌年均固氮量為100～300 kg/hm2[4]，而人工接種根瘤菌使得紫花苜蓿能從空氣中獲取更多氮素[5]。影響紫花苜蓿根瘤形成有諸多因素：水分[6]、溫度[7]、光照[7]、土壤pH值[8]、化合態(tài)氮[8]、微量元素[9]、磷鉀營養(yǎng)[10]及刈割[11]。土壤水分對(duì)根瘤菌與豆科植物構(gòu)建的共生固氮體系具有很大的影響，土壤水分或多或少都對(duì)紫花苜蓿根瘤的形成有影響。水分過量致使土壤氧氣偏少形成厭氧環(huán)境、土壤降溫、養(yǎng)分流失或有效性改變，使得作物根部呼吸困難，結(jié)瘤效果也會(huì)隨之變差[12]。而土壤水分較少的情況下，植物根系的延伸受阻，就會(huì)減少紫花苜蓿根瘤的侵染機(jī)會(huì)，根瘤繁殖也會(huì)受到阻礙，并且根瘤大小、形態(tài)以及生理特性都或多或少受到影響[6]。水分干旱直接影響豆科作物的根瘤形態(tài)與生理作用，間接影響寄主作物的蒸騰作用以及光合作用[13,14]。在干旱條件下，光合產(chǎn)物的減少導(dǎo)致更少的糖類用于調(diào)節(jié)根瘤[15]；或者由于水分的缺乏，碳水化合物運(yùn)輸被阻止[16]。

本文對(duì)滴灌條件下對(duì)秋播苜蓿的不同灌水處理的試驗(yàn)，研究紫花苜蓿在不同灌水處理對(duì)其根瘤數(shù)量的影響，探討秋播苜蓿根瘤數(shù)隨水分變化規(guī)律，為苜蓿栽培生長提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2015年在北京克勞沃草業(yè)技術(shù)開發(fā)中心試驗(yàn)基地(116°28′N，39°34′E)進(jìn)行，海拔50 m左右，年均溫10～12 ℃，全年無霜期190～200 d，≥10 ℃年積溫4 200 ℃；多年平均降水量在600 mm，75%集中在7-9月。試驗(yàn)地整體地勢平坦開闊，光照以及通風(fēng)條件良好。前茬作物為紫花苜蓿。試驗(yàn)地為中壤土，土壤速效氮為48.48 mg/kg，土壤速效磷為14.36 mg/kg，土壤速效鉀為70.33 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為5.29%，土壤pH值為7.89，土壤容重為1.62，田間持水量重量百分比為27.02%，萎蔫含水量重量百分比為9.01%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以皇冠(Medicago sativa L. cv. Phabulous)紫花苜蓿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)小區(qū)面積為1.5 m×3 m，每個(gè)小區(qū)11行，行距15 cm。試驗(yàn)為6種灌水處理方式，處理方式見表1，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)。相鄰兩小區(qū)間隔1 m作為保護(hù)行。播種時(shí)期為秋播，試供品種均在2015年8月10日播種，播前對(duì)紫花苜蓿種子進(jìn)行拌菌，種子與根瘤菌(Dormal根瘤菌)的重量為1 000 g:100 g[17]。播種量為15 kg/hm2，播前進(jìn)行機(jī)械耕耙，細(xì)平整后使用專業(yè)鋤具開溝約2 cm深，拌沙后人工條播，播前施基肥。播后當(dāng)天灌水，灌水方式為噴灌。待出苗整齊后采用地面滴灌的灌水方式。滴灌材料由北京雙羽技術(shù)開發(fā)中心提供，滴灌系統(tǒng)主管道直徑25 mm，支管道直徑20 mm，毛管為行列式，直徑16 mm，滴頭流量1.6 L/h，滴頭間距30 cm。每個(gè)小區(qū)單獨(dú)設(shè)置一個(gè)開關(guān)閥門，每個(gè)小區(qū)鋪設(shè)6條滴灌管。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.1 Experimental design

注：這里的灌水下限指灌水前1～2 d土壤含水量進(jìn)行測定后，根據(jù)當(dāng)前土壤含水量計(jì)算30 cm土層所需最少灌水量。

測得試驗(yàn)期間各個(gè)處理30 cm土壤含水量見圖1，試驗(yàn)期間水量補(bǔ)給見表2。

圖1 試驗(yàn)期間各處理30 cm土壤含水量Fig.1 Treatment of 30 cm soil moisture content during the test

表2 試驗(yàn)期間大田補(bǔ)給水量Tab.2 Water supply in field during the experiment

注：分枝期滴灌開始時(shí)間為9月18日；8月10日為播種后的第一次灌水；8月12日-9月5日為分枝前期滴灌灌水量；提前1～2 d測量土壤含水量，再進(jìn)行水分補(bǔ)給。

采用烘干法測量土壤的含水量，根據(jù)土壤的含水量確定每次的灌水量。根據(jù)監(jiān)測到的土壤現(xiàn)狀含水量，應(yīng)用田間持水量以及植物當(dāng)前的根系層深度(i設(shè)定值為30 cm),就可以計(jì)算最大灌水量，即一次的灌水定額。如果土壤現(xiàn)狀含水量為θ，則一次最大向上土壤中補(bǔ)充的水量，即灌水量就是：

(1)

式中：Ii為第i次最大的灌水深度，cm；FC為土壤的田間持水量，用質(zhì)量百分比表示，%；θi為當(dāng)前土壤含水量，用質(zhì)量百分比表示，%；γ為30 cm層的土壤干容重，g/cm3；γw為水的容重，g/cm3；Hi為第i次灌水時(shí)的植物根系層深度，30 cm。

1.3 測定指標(biāo)與方法

在播種后50 d后進(jìn)行根樣的收取工作，用深30 cm取根器將根取出后，隨機(jī)選取10株根，沖洗干凈，數(shù)其根瘤總數(shù)、有效根瘤數(shù)[18]、主根根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)。將清洗干凈的根系部分在距離根莖處5 cm用電子數(shù)顯(精度為0.02 mm)游標(biāo)卡尺測其根粗與將游標(biāo)卡尺旋轉(zhuǎn)90°測得的根粗取平均值，為其根粗。稱取重量后，于烘箱105 ℃殺青1 h，70 ℃烘干至恒重，冷卻后取出稱為干根重。根干鮮比=干根重/根系生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，并用LSD法進(jìn)行差異顯著性多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌水量對(duì)秋播紫花苜蓿根的影響

在秋播條件下，不同灌水處理?xiàng)l件對(duì)紫花苜蓿根粗、根系生物量與干根重均無影響(P<0.05),見圖2(a),(b),(c)，而對(duì)苜蓿根干鮮比有極顯著影響(P<0.01)，見圖2(d)。①隨著干旱的加重，秋播紫花苜蓿根粗在W4、W6灌水條件下最大，說明灌水下限較灌水時(shí)間間隔更能影響紫花苜蓿的根粗，但是各個(gè)處理之間未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。②整體來看隨著干旱的加重，紫花苜蓿根系生物量與干根重呈增長的趨勢，在灌水條件W6比灌水條件W1分別增加了55.56%、31.21%。③秋播紫花苜蓿根干鮮比隨著干旱時(shí)間間隔(10、20、30 d)的增加呈減少的趨勢，說明干旱時(shí)間間隔較灌水下限更能影響紫花苜蓿的根干鮮比，灌水處理W6(灌水時(shí)間間隔30 d+灌水量下限為60%FC)時(shí)，根干鮮比最大為27.75%。

注：不同小寫字母表示表示差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。圖2 不同灌水量對(duì)秋播紫花苜蓿根的影響Fig.2 The influence of different irrigation treatment of alfalfa root

2.2 不同灌水量對(duì)秋播紫花苜蓿根瘤菌的影響

不同灌水處理對(duì)紫花苜蓿的根瘤總數(shù)與有效根瘤數(shù)有顯著性影響(P<0.05)，對(duì)主根根瘤數(shù)并無顯著性影響(P<0.05)，而側(cè)根根瘤數(shù)則在P<0.01水平上有極顯著差異。灌水處理為W6(灌水時(shí)間間隔30 d+灌水量下限為60%FC)時(shí)秋播苜蓿的總根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)最多，側(cè)根根瘤數(shù)在灌水W6比灌水W4增加94.29%，灌水處理為W5(灌水時(shí)間間隔20 d+灌水量下限為60%FC)時(shí)秋播苜蓿的有效根瘤數(shù)最多，比W4增加91.67%。整體來看并不是灌水越多根瘤數(shù)越多，根瘤總數(shù)、有效根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)均在灌水條件W4時(shí)最少，見表3。

隨著滴灌定額的減少，根瘤總數(shù)、有效根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)均在灌水條件W5與W6表現(xiàn)出數(shù)量優(yōu)勢，而且適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行灌水時(shí)間間隔秋播苜蓿根瘤數(shù)呈增長的趨勢(W1除外)。由此可見，對(duì)秋播苜蓿進(jìn)行適當(dāng)調(diào)虧滴灌有利于其根瘤菌的形成。

3 結(jié) 語

環(huán)境保護(hù)與生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展使得微生物肥料發(fā)揮了舉足輕重的作用[19]。土壤微生物作為長足久遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃已經(jīng)在國際上得到了認(rèn)可[1]。在不增加土地面積和礦質(zhì)化肥的前提下達(dá)到預(yù)期的高產(chǎn)是農(nóng)業(yè)科研工作者面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)之一。

表3 不同灌水處理下紫花苜蓿的根瘤數(shù)Tab.3 The influence of different irrigation treatment of alfalfa nodule number

注：①同行中不同大寫字母表示各指標(biāo)在不同灌水處理?xiàng)l件下差異顯著(P<0.01)，同行中不同小寫字母表示各指標(biāo)在不同灌水處理?xiàng)l件下差異顯著(P<0.05)。②TNN指根瘤總數(shù)；ENN指有效根瘤數(shù)；MLL指主根根瘤數(shù)；LNN指側(cè)根根瘤數(shù)。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)比較有效的辦法就是讓豆科植物參與到作物輪作當(dāng)中，只有生物固氮能在減少化肥用量的同時(shí)不降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[2,3]。人工接種根瘤菌使得紫花苜蓿能從空氣中固定更多氮素，接種根瘤菌紫花苜蓿全年產(chǎn)量增長大于10%，而且接種根瘤菌可以提高紫花苜蓿的蛋白質(zhì)含量[20]。土壤水分對(duì)根瘤菌與豆科植物構(gòu)建的共生固氮體系具有很大的影響。在適宜的土壤水分環(huán)境中生長的豆科植物根瘤數(shù)要顯著的多于水分過高或過低的土壤環(huán)境[11, 21]。

研究發(fā)現(xiàn)灌水處理為W6(灌水時(shí)間間隔30 d+灌水量下限為60%FC)時(shí)秋播苜蓿的總根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)最多，灌水處理為W5(灌水時(shí)間間隔20 d+灌水量下限為60%FC)時(shí)秋播苜蓿的有效根瘤數(shù)最多，整體來看并不是灌水越多根瘤數(shù)表現(xiàn)為越好。灌水越多則致使土壤水分越大，水分過量對(duì)豆科植物生長的影響比較復(fù)雜，此環(huán)境中土壤氧氣偏少形成厭氧環(huán)境、土溫降低、養(yǎng)分流失或有效性改變，因此使作物根部呼吸困難，導(dǎo)致水肥吸收受阻[12]。支金虎等[21]對(duì)新疆南部不同灌水量對(duì)紫花苜蓿的結(jié)瘤情況進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)灌水量并非越多越好，適量的灌水量更能促進(jìn)紫花苜蓿結(jié)瘤固氮，增加產(chǎn)量。Carter和Sheaffer[11]也發(fā)現(xiàn)灌溉對(duì)紫花苜蓿根瘤的形成有影響，根瘤數(shù)與根瘤干重均在水分灌溉條件下表現(xiàn)良好。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱的加重，根瘤總數(shù)、有效根瘤數(shù)與側(cè)根根瘤數(shù)均在干旱條件下表現(xiàn)為數(shù)量優(yōu)勢，這與許多人的研究結(jié)果不一致[6,22]。

植物根系從土壤中吸收水分以及養(yǎng)分供植物生長，根系是最早感知非生物脅迫的最重要的營養(yǎng)器官[23]。根系生物量在不同的灌水處理?xiàng)l件下雖然沒有顯著性差異，但是，呈現(xiàn)出隨著灌水的減少或者干旱時(shí)間間隔的加大，秋播苜蓿根系生物量增加，這樣更有利于根瘤菌的形成與根系營養(yǎng)的供給。范俊俊等[24]在室內(nèi)盆栽發(fā)現(xiàn)，在苗期苜蓿根瘤數(shù)量竟不超過10個(gè)，而本試驗(yàn)為分枝期生長進(jìn)行觀測，但是最少根瘤數(shù)為13.3個(gè)，可見大田根瘤數(shù)比盆栽結(jié)瘤情況較好，可能是因?yàn)榇筇镌瓲钔廉?dāng)中有土著根瘤菌存在。

寇丹等[25]對(duì)甘肅石羊河流域地下滴灌紫花苜蓿進(jìn)行調(diào)虧灌溉，發(fā)現(xiàn)在分枝期進(jìn)行虧水處理，更有利于紫花苜蓿的莖葉比降低，增加蛋白營養(yǎng)指數(shù)。蔡煥杰等[26]在陜西長武以及甘肅民勤分析適度虧缺水分對(duì)作物產(chǎn)量的有益效應(yīng)，表明調(diào)虧灌溉適宜時(shí)段應(yīng)該在作物的早期生長階段。而本試驗(yàn)對(duì)苜蓿分枝期進(jìn)行調(diào)虧滴灌發(fā)現(xiàn)，分枝期進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)虧灌溉可以增加苜蓿的結(jié)瘤數(shù)。

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