西北旱區(qū)噴灌條件下紫花苜蓿生長特征與品質指標的關系

李巖，蘇德榮*，李宏韜

(1.北京林業(yè)大學草原生態(tài)資源研究中心，北京 100083；2.國家林業(yè)局西北林業(yè)調查規(guī)劃設計院，陜西 西安 710048)

紫花苜蓿(Medicagosativa)由于產量和營養(yǎng)價值高，被譽為“牧草之王”[1]，在世界范圍內廣泛種植[2]。自從2012年中國政府頒布了奶業(yè)振興計劃，截至2015年底，中國紫花苜蓿的種植面積已經達到了471 萬hm2，高品質的紫花苜蓿干草產量為2010年的8.2倍[3]。西北干旱地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥，紫花苜蓿規(guī)?；a完全依賴大型噴灌機進行噴灌或更為節(jié)水的地下滴灌，在這種氣候條件下生產的苜蓿干草產品不僅產量高，而且保持了較高的品質特性。紫花苜蓿草產品的市場定價主要以粗蛋白(CP，%)，中性洗滌纖維(NDF，%)，酸性洗滌纖維(ADF，%)以及由中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維計算而得到的相對飼喂價值(RFV)做參考[4]。在紫花苜蓿規(guī)?；N植、集約化管理及商品化生產條件下，如何根據田間生長狀況估測苜蓿干草的品質參數(shù)，可以使苜蓿種植者預先做出適當?shù)漠a品銷售推介，對于苜蓿干草用戶也能從這些估測結果中了解產品品質參數(shù)，為苜蓿干草產品的市場交易提供更多的參考。如何利用田間易測定的指標對紫花苜蓿的品質進行估測，國外學者已經做了一些相關研究，主要是利用株高[5-7]，分枝數(shù)[6, 8]以及一些氣象數(shù)據[7,9-10]對紫花苜蓿的品質進行預測，其研究結果均表明紫花苜蓿的品質可以利用田間易于測定的生長或氣象數(shù)據進行預測，且結果較為準確，但由于種植、管理方式以及氣候條件的差別，其預測結果不一定適用于其他地區(qū)[9,11]。我國目前針對西北旱區(qū)噴灌條件下紫花苜蓿生長，品質及相關性的研究較少，采用田間易測定的指標估測紫花苜蓿干草產品的品質研究方面也鮮有報道。因此，本試驗的目的是探究在噴灌條件下紫花苜蓿生長及品質的變化規(guī)律，并利用生長指標對紫花苜蓿的各品質指標進行預測，以便為紫花苜蓿種植者提供一些使其產品預先為消費者理解或認可的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

圖1 2014, 2015年紫花苜蓿生育期內月降水量及平均溫度Fig.1 Monthly precipitation and average temperature during growing seasons in 2014 and 2015 柱狀圖為平均氣溫，折線圖為降水量。The bars represent temperature and the lines denote precipitation.

試驗區(qū)位于甘肅省武威市中國農業(yè)大學石羊河生態(tài)節(jié)水試驗站(37°52′20″ N, 102°50′50″ E)，平均海拔1581 m, 試驗地地處典型的內陸沙漠氣候區(qū)，年平均溫度為8 ℃，年平均降水164.4 mm，主要分布于7月至8月，年水面蒸發(fā)量為1132～1509 mm，年均日照時間大于3000 h，無霜期150 d。地下水位于地表下40～50 m。試驗地土壤為沙壤土，0～160 cm深度土壤容重1.52 g·cm-3，孔隙度52%，田間持水量為0.29 cm3·cm-3。

2014，2015年紫花苜蓿生育期內的月降水量與月平均溫度如圖1所示。2014，2015年生育期內的總降水量分別為243.8和145.6 mm，為常年年均降水量的149%和89%，2015年春季紫花苜蓿返青時氣溫較低，使得紫花苜蓿的返青日期較晚，2014年第一茬于3月23日返青，2015年第一茬于4月2日返青。

1.2 試驗設計

供試紫花苜蓿品種為“皇冠”，由北京克勞沃草業(yè)技術開發(fā)中心提供，于2013年5月2日播種，條播，播種量為15 kg·hm-2。種植小區(qū)面積為9 m2(3.0 m×3.0 m)，采用完全隨機區(qū)組布置。灌溉每5～10 d進行一次，在進行土壤水分測定后進行灌溉。共設3個灌溉量處理，A1: 兩次土壤水分測定之間 100%紫花苜蓿的蒸騰蒸散量(evapotranspiration, ETc, mm)；A2：A1處理灌溉量的66%；A3：A1處理灌溉量的33%；一個不灌溉處理(rain-fed) A4作為對照。每個處理設3個重復，在小區(qū)之間設置1 m寬的間距以減小水分側向移動對試驗結果的影響。利用噴灌進行灌溉，噴頭設置于小區(qū)對角，用支管架設于離地面70 cm的高度，散射角度為90°。噴頭型號為73001，噴嘴型號為kv8，由美國科雨公司提供(K-Rain Ltd., Riviera Beach, FL, USA)，在140 kPa下流量為0.16 m3·h-1,噴灑半徑為3 m，灌溉量利用水表計數(shù)，在清晨無風時進行以保證噴灌均勻度。紫花苜蓿在初花期刈割(10%開花)，從每年春季返青起，刈割4次，各小區(qū)的除草，除蟲等田間管理均一致，在試驗期間，試驗區(qū)紫花苜蓿長勢良好，并未出現(xiàn)病蟲害。

1.3 指標測定

1.3.1生長指標測定 株高(height, H, cm)：利用1.5 m的直尺進行測量從植物基部到頂端的長度，精確到1 mm，每個小區(qū)取5株進行測定，從分枝期起，每5～10 d測定1次。

莖葉比(stem-leaf ratio, SLR)：在測定株高的同時，在每個小區(qū)內取5株紫花苜蓿，在105 ℃下殺青0.5 h后在85 ℃下烘48 h至恒重，將葉莖分離后稱重，莖葉比利用以下公式進行計算：

SLR=莖干重/葉干重

(1)

鮮干比(fresh-dry ratio, FDR)：在分枝期，現(xiàn)蕾期及初花期，每個小區(qū)取0.45 m×0.45 m的樣方稱鮮重，之后按SLR烘干方式烘干至恒重后稱干重，鮮干比利用以下公式計算：

FDR=鮮重/干重

(2)

1.3.2品質測定 利用在分枝期，現(xiàn)蕾期及初花期所取的鮮干比樣方測定紫花苜蓿品質。粗蛋白(crude protein，CP,%)的含量根據FOSS公司公布的Kjeltec 8000試驗手冊中的方法進行測定[12]，中性洗滌纖維(neutral detergent fiber，NDF,%)和酸性洗滌纖維(acid detergent fiber，ADF,%)根據Ankom科技公布的飼料質量分析標準實驗室程序進行測定[13]。

在2014年，由于鋪設噴灌設備，所以在整個第1茬未進行灌溉，2015年第1次灌溉在分枝期之后，所以2014年第1茬及2015年第1茬分枝期中將各小區(qū)測定指標的平均值作為各處理指標的數(shù)值。

1.4 數(shù)據分析

采用PASW 18.0中的ANOVA和LSD進行統(tǒng)計分析，使用Origin 7.0 進行作圖。

2 結果與分析

2.1 生長指標

2.1.1株高 2014，2015年不同茬次紫花苜蓿的株高如圖2所示，灌溉量顯著影響紫花苜蓿的株高。灌溉量最大的A1處理株高最高，其次為A2，A3，不灌溉處理A4的株高最低。除2014年第1茬與2015年第1茬外，其余茬次所有處理在初花期(2014年各茬次初花期日期為：6月4日，7月14日，8月22日，9月27日；2015年為：6月5日，7月15日，8月19日，9月27日)的株高均兩兩具有顯著差異(P<0.05)。從第1茬到第4茬在初花期所有處理的平均株高為90.6，49.8，59.3和34.4 cm，第1，3茬的較高，第2，4茬的較低。雖然第1茬的株高在所有茬次中最高，但是所有處理的平均生長速率在第3茬最高，第1茬和第2茬次之，第4茬的最低。

2.1.2鮮干比 2014，2015年各茬次的鮮干比如圖3所示，隨著生育期的推進，紫花苜蓿的鮮干比呈下降的趨勢，所有處理在分枝期，現(xiàn)蕾期和初花期的鮮干比平均值分別為6.62，5.73和4.75，在同一生育時期內，隨著灌溉量下降，鮮干比呈現(xiàn)下降的趨勢，但只有2015年第3茬初花期時處理之間兩兩都具有顯著差異(P<0.05)。在初花期，A1處理所有茬次的鮮干比均值為5.14，A2為4.97，A3為4.83，A4為4.32。茬次間，從第1茬到第3茬，所有處理在初花期鮮干比的平均值由5.82下降至4.32，鮮干比呈現(xiàn)下降的趨勢，第3茬到第4茬則變化不大，第4茬的鮮干比平均值為4.45。

2.1.3莖葉比 2014，2015年不同茬次莖葉比如圖4所示，與株高的增長趨勢相同，隨著紫花苜蓿生育期的推進，所有處理的莖葉比呈現(xiàn)上升的趨勢，所有處理莖葉比的均值由分枝期的0.50上升至初花期1.38，茬次間，第1，2茬初花期的莖葉比較高，隨著茬次的推進，初花期的莖葉比呈下降趨勢，從第1茬的1.84下降至第4茬的0.84。隨著灌溉量的增加，莖葉比呈現(xiàn)上升的趨勢，各處理初花期的莖葉比平均值由A4的1.17上升至A1的1.57，但不是所有處理之間均具有顯著差異(P<0.05)。

圖2 2014, 2015年不同茬次株高Fig.2 The alfalfa height in different growth periods in 2014 and 2015 同一日期不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters in the same date means significant difference among treatments (P<0.05).

2.2 品質指標

2.2.1粗蛋白 2014，2015年各茬次不同處理的粗蛋白含量如圖5所示，隨著生育期的推進，紫花苜蓿的粗蛋白含量的變化趨勢與株高和莖葉比相反，呈下降趨勢，所有處理粗蛋白平均含量由分枝期的28.02%下降至初花期的20.99%。此外，灌溉量也顯著影響紫花苜蓿的粗蛋白含量，隨著灌溉量下降，粗蛋白的含量呈現(xiàn)上升的趨勢，2014年的第2、3茬，2015年第2，3，4茬中，所有處理在初花期均兩兩具有顯著差異(P<0.05)，尤其在2015第3茬，降水量僅為0.6 mm，這一茬中各處理在初花期粗蛋白含量差異最大，灌溉量最大的A1處理中僅為18.91%，而不灌溉處理A4中則達到了26.86%。A1至A4處理在初花期的粗蛋白平均值為18.99%，20.29%，21.68%和22.99%。茬次之間，第1，3茬初花期時的粗蛋白含量較低，第2，4茬較高，從第1茬到第4茬各處理分別為15.64%，22.43%，20.87%以及25.02%。

圖3 2014, 2015年不同茬次鮮干比Fig.3 The alfalfa fresh-dry ratio in different growth periods in 2014 and 2015 同一生育期內不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters in the same growth stage mean significant difference among treatments (P<0.05).

圖4 2014, 2015年不同茬次莖葉比Fig.4 The alfalfa stem-leaf ratio in different growth periods in 2014 and 2015 同一日期不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。Different letters in the same date means significant difference among treatments (P<0.05).

2.2.2中性洗滌纖維 2014, 2015年各茬次不同處理的中性洗滌纖維含量如圖6所示，與株高和莖葉比的變化趨勢相同，隨著生育期的推進，紫花苜蓿的中性洗滌纖維呈現(xiàn)上升的趨勢，所有處理中性洗滌纖維含量平均值由分枝期的35.33%上升至初花期的42.30%。在茬次間，所有處理在初花期的中性洗滌纖維含量均值在第1茬最高，為47.48%，第2茬和第3茬低于第1茬且差別不大，分別為41.68%和42.77%，第4茬最低，為39.22%。在紫花苜蓿的所有生長階段，隨著灌溉量的下降，中性洗滌纖維含量呈現(xiàn)下降的趨勢，灌溉量最大的A1處理含量最高，在初花期均值為45.34%，A2至A4處理在初花期時的中性洗滌纖維含量分別為43.65%，42.49%和40.92%，2014年第3茬，2015年第2，3，4茬次中所有處理在初花期的中性洗滌纖維含量均兩兩具有顯著差異(P<0.05)。

2.2.3酸性洗滌纖維 2014，2015年不同茬次不同處理的酸性洗滌纖維含量如圖7所示，與中性洗滌纖維的變化趨勢相同，隨著紫花苜蓿生育期的推進，各處理的酸性洗滌纖維含量呈現(xiàn)上升的趨勢，但各處理在不同生育期的酸性洗滌纖維含量均低于中性洗滌纖維含量，酸性洗滌纖維含量均值由分枝期的21.01%上升至初花期的26.54%。在茬次間，也與中性洗滌纖維的變化趨勢相似，第1茬初花期所有處理的酸性洗滌纖維含量均值最高，為31.07%，第2，3茬初花期時均值低于第1茬且差別不大，分別為26.03%和26.42%，第4茬最低，為24.35%。隨著灌溉量的下降，各處理在初花期酸性洗滌纖維含量呈現(xiàn)下降趨勢，均值由A1處理的29.08%下降至A4處理的25.29%，在2014年第3茬，2015年第2，3，4茬次中所有處理酸性洗滌纖維含量兩兩具有顯著差異(P<0.05)。

2.2.4生長指標與品質的擬合關系 紫花苜蓿生長指標與品質的擬合關系如圖8所示，擬合結果表明，株高與粗蛋白，中性洗滌纖維，酸性洗滌纖維含量的擬合關系好，P值均小于0.001，且相關性高，R2均大于0.900，莖葉比與品質的擬合中，P值也均小于0.001，但其相關性低于株高的擬合結果，R2的值從0.699到0.769。此外，雖然紫花苜蓿的鮮干比隨著生育期的推進呈下降趨勢，但與粗蛋白，中性洗滌纖維，酸性洗滌纖維的擬合中P值分別為0.472，0.211，0.615，與各品質相關不顯著，R2的最高值為與酸性洗滌纖維的擬合結果，也僅為0.615。

圖6 2014, 2015年不同茬次中性洗滌纖維含量Fig.6 The NDF content of alfalfa in different growth periods in 2014 and 2015

圖7 2014, 2015年不同茬次酸性洗滌纖維含量Fig.7 The ADF content of alfalfa in different growth periods in 2014 and 2015

3 討論

3.1 生長指標

本試驗的結果表明，隨著生育期的推進，紫花苜蓿所有處理的株高增加，灌溉量顯著影響紫花苜蓿的株高，隨著灌溉量的減少，株高呈現(xiàn)下降的趨勢，在大多數(shù)茬次初花期各處理之間均兩兩呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05)。這與之前的一些研究結果一致[14-18]，在Montazar等[17]的研究中，株高與灌溉量呈近似線性的關系；此外，不同的種植方式也會影響紫花苜蓿的株高[16]。然而，Ismail等[19]的研究結果表明在大多數(shù)茬次中，灌溉量并不顯著影響紫花苜蓿的株高，其研究中，只有第7茬次的各處理之間有顯著差異。

圖8 生長指標與品質線性擬合Fig.8 The correlation between the growth characteristics and the quality index

鮮干比反映了植物體內的含水狀況，在土壤含水量或灌溉量較為充足的情況下，由于紫花苜蓿生長環(huán)境的水分充足，其植物體內含水量也較高，雖然在灌溉量較大的處理中，紫花苜蓿的干物質產量增加，但是其干物質所占的比例卻呈現(xiàn)下降的趨勢，因而在灌溉量較高的處理中的鮮干比值較高，這與Lathwell等[20]的研究結論相同。

本試驗的結果中，莖葉比隨著灌溉量的減少而降低，這是由于在干旱脅迫下，紫花苜蓿株高降低，分枝數(shù)及節(jié)間長度減少，從而使得葉生物量的比重上升[21]，本試驗結論相同[21-23]，在干旱脅迫下紫花苜蓿的莖葉比呈上升趨勢[19,24]。隨著生育期的推進，紫花苜蓿的株高增加，呈現(xiàn)出的結果為莖生物量在紫花苜蓿中所占的比重增加，因而莖葉比也隨著生育期的推進而上升，這與Testa等[25]的研究結論相同。

3.2 品質指標

如本試驗的結果所示，紫花苜蓿的株高和莖葉比隨著生育期的推進而上升，在處理間則隨著灌溉量的減少而減少。在紫花苜蓿中，葉中的粗蛋白含量要高于莖，而纖維含量則較低[26]，因而紫花苜蓿的品質與株高和莖葉比的變化趨勢呈現(xiàn)相關性。因此，隨著紫花苜蓿生育期的推進，粗蛋白呈現(xiàn)下降的趨勢，而中性洗滌纖維與酸性洗滌纖維呈現(xiàn)上升的趨勢，本研究有相同的結論[27-30]。而在不同處理間，由于灌溉量較少的處理中株高和莖葉比降低，所以相較于灌溉量較大的處理，其粗蛋白含量上升，而中性洗滌纖維，酸性洗滌纖維含量則下降，本研究的結論相同[14,19,22,30-32]。但在有的研究中，雖然中性洗滌纖維或酸性洗滌纖維的含量在干旱條件下較低，但是其粗蛋白含量卻變化不明顯[21,23]。而在Ismail等[19]的研究中，灌溉量最大的處理中品質較高。

3.3 生長與品質的擬合關系

利用田間易測定的指標對紫花苜蓿的品質進行預測，前人已經做了一些研究，其研究結果也均表明，株高或分枝數(shù)可以較為準確地預測紫花苜蓿品質[7-10]，而在紫花苜蓿長勢較差，雜草較多時，其預測結果則較差，而其他指標如有效積溫或紫花苜蓿的生長階段與株高的多項擬合結果可以提高R2[7,9]。本試驗中，由于田間管理措施得當，試驗地中并無病蟲害發(fā)生，且雜草極少，株高與粗蛋白，中性洗滌纖維，酸性洗滌纖維呈顯著相關(P<0.001)，且決定系數(shù)R2較高，莖葉比雖然也與品質指標顯著相關(P<0.001)，但是其決定系數(shù)R2低于株高與品質的擬合結果。在實際生產中，紫花苜蓿生產地的氣象數(shù)據在某些情況下并不能及時獲取，利用田間測定的紫花苜蓿株高預測紫花苜蓿的品質在雜草較多，紫花苜蓿長勢較差時并不一定十分準確，但是對于生產者而言則是極為簡便的預測方式，在田間管理較好，雜草與病蟲害較少時，可以通過測量紫花苜蓿的株高和莖葉比以滿足紫花苜蓿實際生產中對于品質預測的需要。

4 結論

本試驗研究了西北旱區(qū)噴灌條件下紫花苜蓿生長，品質指標的變化規(guī)律，并利用生長指標預測紫花苜蓿的品質。結果表明，隨著紫花苜蓿生育期的推進，各處理間的株高，莖葉比呈現(xiàn)上升趨勢，鮮干比呈現(xiàn)下降趨勢；隨著灌溉量的減少，生長指標均呈現(xiàn)下降的趨勢。品質方面，由于株高與莖葉比的變化趨勢及莖葉中粗蛋白與纖維含量的差別，使紫花苜蓿的各項品質指標也呈一定的變化規(guī)律：所有處理粗蛋白含量隨著紫花苜蓿生育期推進呈下降趨勢，而中性洗滌纖維與酸性洗滌纖維則呈現(xiàn)上升的趨勢；中性洗滌纖維與酸性洗滌纖維在灌溉量較少的處理中較低，而粗蛋白含量則較高。生長指標與品質指標單項擬合的結果表明，在紫花苜蓿長勢良好，田間雜草較少時，株高、莖葉比均可以較好地預測紫花苜蓿的品質，其中株高與品質指標的擬合相關系數(shù)R2較高，而鮮干比與品質并不顯著相關。利用株高來預測品質極為簡便，因此，在我國西北旱區(qū)紫花苜蓿的種植中，在田間管理較好的情況下，可以通過測量株高來預測品質，以滿足實際生產的需要。