刈割強(qiáng)度對(duì)不同根型苜蓿主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量的影響

李冰月，南麗麗，溫素軍，張亞楠，陳 潔，朱?；?/p>

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

碳水化合物(carbohydrate，CHO)是植物光合作用的主要產(chǎn)物，可分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物(木質(zhì)素、纖維素等)和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(葡萄糖、蔗糖、果糖等)兩類，其中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是植物貯藏養(yǎng)分的主要存在形式，對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)代謝、翌年萌發(fā)和刈后再生等具有重要作用[1]，并在一定程度上反映了其對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)策略[2]。苜蓿(Medicagosativa)是當(dāng)今世界上栽培面積最大的牧草，具適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)草量高、品質(zhì)優(yōu)、能夠改土培肥、持久性好、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)，素有“牧草之王”之稱，也是我國(guó)當(dāng)前生態(tài)建設(shè)工程中應(yīng)用最為廣泛的草種，其根系類型可劃分為直根型(tap rooted)、側(cè)根型(branch rooted)、根蘗型(creeping rooted)和根莖型(rhizomatous rooted)4類[3]。直根型苜?；蛟粗饕獊?lái)自于紫花苜蓿，根莖型、側(cè)根型和根蘗型苜蓿都不同程度地具有野生黃花苜蓿的基因，其對(duì)干旱、嚴(yán)寒的抵抗力較強(qiáng)。我國(guó)生態(tài)型苜蓿品種僅有4個(gè)，其中3個(gè)為根蘗型，分別為甘農(nóng)2號(hào)雜花苜蓿(M.variaMartin.cv.Gannong No.2)、中苜2號(hào)紫花苜蓿(M.sativaL.cv.Zhongmu No.2)和公農(nóng)3號(hào)雜花苜蓿(M.variaMartin.cv.Gongnong No.3)[4]，其根系強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)，適宜于水土保持、防風(fēng)固沙、護(hù)坡固土。受基因來(lái)源及生態(tài)環(huán)境的影響，根蘗型苜蓿僅具有最高60%的根蘗株率，自我繁殖更新能力相對(duì)較弱；清水紫花苜蓿(M.sativaL.cv.Qingshui)是我國(guó)首個(gè)育成的根莖型苜蓿國(guó)審品種，該苜蓿品種莖細(xì)且硬，耐旱[5]、耐寒[6]、飼用價(jià)值優(yōu)[7]，根莖率100%，具有強(qiáng)大的根莖擴(kuò)展能力和地上覆蓋面積擴(kuò)張能力，是干旱地區(qū)建立生態(tài)型苜蓿草地和地被覆蓋的優(yōu)良豆科專用品種。

刈割是草地利用管理的重要手段，而碳水化合物是構(gòu)成草地初級(jí)生產(chǎn)力的物質(zhì)基礎(chǔ)，刈割后牧草的再生與留茬高度、刈割時(shí)間、刈割頻率及殘茬和根系中貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量密切相關(guān)[8-10]。目前不同刈割方式對(duì)我國(guó)天然草地群落結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力、貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等方面已有大量報(bào)道[11-13]，為不同類型草地的刈割利用提供了參考，而有關(guān)刈割對(duì)不同根型苜蓿貯藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的影響少見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以根莖型、直根型和根蘗型苜蓿為研究對(duì)象，對(duì)不同根型苜蓿不同器官(葉、莖、根)的主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量(可溶性糖、淀粉、還原性糖、蔗糖)進(jìn)行研究，揭示不同刈割程度下各根型苜蓿貯藏物質(zhì)的分配情況以及變化規(guī)律，為揭示不同根型苜蓿刈割后翌年再生狀況及其合理有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)武威黃羊鎮(zhèn)牧草試驗(yàn)站進(jìn)行(102°40′E ，37°55′N)，試驗(yàn)區(qū)年均溫7.2℃，年降水量150 mm，年蒸發(fā)量2 019.9 mm，海拔1 530.88 m，無(wú)霜期154 d，屬于溫帶干旱荒漠氣候。土壤類型為沙壤土，0～20 cm土層pH為8.70，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷含量分別為10.60、7.07 g·kg-1和3.32 g·kg-1，速效氮、磷、鉀含量分別為88.2、13.24 mg·kg-1和119.95 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試苜蓿為：Ⅰ. 直根型‘隴東’紫花苜蓿(tap root ofM.sativacv.‘Longdong’)，Ⅱ.根蘗型‘甘農(nóng)2號(hào)’雜花苜蓿，Ⅲ. 根莖型‘清水’紫花苜蓿，種子均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。2018年4月3日人工開(kāi)溝條播，播深2 cm，播種量15.0 kg·hm-2，小區(qū)面積50 m2(5 m×10 m)，重復(fù)3次。播前澆一次底墑水，施磷酸二胺500 kg·hm-2作為基肥。生長(zhǎng)期間，干旱時(shí)進(jìn)行灌溉。每個(gè)品種設(shè)置4個(gè)刈割強(qiáng)度：Q1， 距離上次刈割恢復(fù)生長(zhǎng)20 d；Q2， 距離上次刈割恢復(fù)生長(zhǎng)27 d；Q3， 距離上次刈割恢復(fù)生長(zhǎng)34 d；Q4， 距離上次刈割恢復(fù)生長(zhǎng)41 d。2019年4月6日，待各根型苜蓿返青至分枝期且高度達(dá)20 cm時(shí)，進(jìn)行不同處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。

分別于2019年6月6日、9月14日采集不同處理的鮮草各1 kg，于65℃烘干、粉碎，過(guò)0.45 mm篩后測(cè)定可溶性糖(Soluble sugar)、還原性糖(Reducing sugar)、淀粉(Starch)及蔗糖(Sucrose)含量。其中可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測(cè)定，還原性糖含量采用3，5二硝基水楊酸比色法測(cè)定[14]，蔗糖含量=(可溶性糖含量-還原性糖含量)×0.95[15]，其中0.95為轉(zhuǎn)化系數(shù)。以上各糖含量用百分?jǐn)?shù)表示。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，不同處理之間的差異采用Duncan’s方法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各器官可溶性糖含量的分布特征

由圖1可知，6月份不同器官可溶性糖含量表現(xiàn)為葉>根>莖，葉、莖、根可溶性糖含量分別在3.63%～8.03%、2.50%～4.19%、3.73%～6.12%范圍內(nèi)變動(dòng)；9月份不同器官可溶性糖含量表現(xiàn)為根>莖>葉，葉、莖、根可溶性糖含量分別在2.88%～4.47%、4.29%～5.33%、12.71%～21.37%范圍內(nèi)變動(dòng)；隨刈割強(qiáng)度加大，不同根型苜蓿各器官可溶性糖含量呈增加趨勢(shì)；不同刈割強(qiáng)度下，6月份可溶性糖含量苜蓿Ⅱ高于Ⅰ、Ⅲ，9月份可溶性糖含量苜蓿Ⅱ、Ⅲ相近但都高于Ⅰ，且9月份每41 d刈割強(qiáng)度下3種根型苜蓿其根可溶性糖含量均最高。

由表1可知，刈割強(qiáng)度、品種及二者互作均對(duì)6月份各根型苜蓿葉和根的可溶性糖含量有顯著影響(p<0.05)，而對(duì)莖的含量影響不顯著；刈割強(qiáng)度、品種和二者互作對(duì)9月份各根型苜蓿根、莖、葉可溶性糖含量均有顯著影響(p<0.05)。

表1 不同根型苜蓿葉、莖、根可溶性糖含量(%)及其與刈割強(qiáng)度的互作

2.2 各器官還原性糖含量的分布特征

由圖2可知，6月份不同器官還原性糖含量為莖>葉>根，其葉、莖、根還原性糖含量變化范圍分別為0.65%～2.20%、1.70%～2.95%、0.81%～1.58%；9月份不同器官還原性糖含量為根>葉>莖，其葉、莖、根還原性糖含量變化范圍分別為1.66%～2.55%、0.95%～1.96%、1.79%～3.00%；隨刈割強(qiáng)度減弱，不同根型苜蓿各器官還原性糖含量呈降低趨勢(shì)；不同刈割強(qiáng)度下，苜蓿Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ在不同月份其還原性糖含量差異不顯著。

由表2可知，除品種對(duì)9月份莖還原性糖含量無(wú)顯著影響外，刈割強(qiáng)度、品種和二者互作對(duì)6月份葉、莖、根和9月份葉、根還原性糖含量均有顯著影響(p<0.05)。

表2 不同根型苜蓿葉、莖、根還原性糖含量(%)及其與刈割強(qiáng)度的互作

2.3 各器官淀粉含量的分布特征

由圖3可知，6月份不同器官淀粉含量為根>莖>葉，葉、莖、根淀粉含量變化范圍分別為0.48%～1.70%、1.71%～3.98%、1.90%～4.74%；9月份不同器官淀粉含量為根>葉>莖，葉、莖、根淀粉含量范圍分別為1.33%～2.60%、0.87%～2.03%、3.54%～9.84%；隨著刈割程度減弱，不同根型苜蓿各器官淀粉含量呈增加趨勢(shì)；不同刈割強(qiáng)度下，6月、9月淀粉含量苜蓿Ⅱ高于Ⅰ、Ⅲ，且6月、9月每41 d刈割強(qiáng)度下其淀粉含量均值最高。

由表3可知，品種對(duì)6月份葉、莖、根淀粉含量均無(wú)顯著影響，刈割強(qiáng)度、刈割強(qiáng)度與品種互作均對(duì)6月份葉、莖、根淀粉含量有顯著影響(p<0.05)；刈割強(qiáng)度、品種和二者互作對(duì)9月份葉、莖、根淀粉含量均有顯著影響(p<0.05)。

表3 不同根型苜蓿葉、莖、根淀粉含量(%)及其與刈割強(qiáng)度的互作

2.4 各器官蔗糖含量的分布特征

由圖4可知，6月份不同器官蔗糖含量為根>葉>莖，葉、莖、根蔗糖含量變化范圍為1.61%～4.11%、0.55%～2.37%、2.59%～6.54%；9月份不同器官蔗糖含量為根>莖>葉，葉、莖、根蔗糖含量范圍分別為0.66%～2.95%、2.15%～6.07%、6.54%～20.55%。隨著刈割程度減弱，不同根型苜蓿各器官蔗糖含量呈增加趨勢(shì)；不同刈割強(qiáng)度下，6月、9月苜蓿Ⅱ的葉、根蔗糖含量均高于Ⅰ、Ⅲ，且6月、9月每41 d刈割強(qiáng)度下其蔗糖含量均值最高。從表4可以看出，刈割強(qiáng)度、品種和二者互作對(duì)6月份莖、根蔗糖含量影響顯著(p<0.05)，對(duì)葉無(wú)顯著影響；刈割強(qiáng)度、品種和二者互作對(duì)9月份葉、莖、根蔗糖含量有極顯著影響(p<0.01)。

表4 不同根型苜蓿葉、莖、根蔗糖含量(%)及其與刈割強(qiáng)度的互作

3 討 論

可溶性糖是植物體內(nèi)碳水化合物能夠互相轉(zhuǎn)化和再利用的主要物質(zhì)，其含量變化與光合作用和產(chǎn)量密切相關(guān)，其含量高低與植物體內(nèi)碳水化合物的合成、運(yùn)輸和利用情況有關(guān)，反映了葉源端的同化物供應(yīng)能力及籽粒對(duì)同化物的轉(zhuǎn)化、利用能力[16]。本研究中不同根型苜蓿在6月、9月隨著刈割強(qiáng)度的減弱可溶性糖含量呈升高趨勢(shì)，在輕度刈割下(41 d)可溶性糖含量達(dá)到最高，這與代紅軍等[17]針對(duì)不同刈割程度對(duì)紫花苜蓿相關(guān)生理指標(biāo)的研究結(jié)果相一致，輕度刈割下可溶性糖含量最高；不同根型苜蓿可溶性糖含量均為6月在葉中最高，9月在根中最高。6月正值夏季，光合作用較強(qiáng)，可溶性糖處于被利用狀態(tài)，植物合成后選擇就近儲(chǔ)存[18]，9月因當(dāng)?shù)毓庹諟p少，紫花苜蓿生長(zhǎng)速度減慢甚至停止，對(duì)可溶性糖消耗小，光合產(chǎn)物開(kāi)始向根部?jī)?chǔ)存，為其春季萌發(fā)、抵御寒冷脅迫等生命活動(dòng)做準(zhǔn)備[19-20]。

蔗糖是可溶性糖的一種，也是植株體內(nèi)的能量載體，光合作用的終產(chǎn)物，可以提供植物生化過(guò)程中所必需的能量和碳源，亦影響庫(kù)器官的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。本研究中，6月、9月苜蓿不同器官的蔗糖含量均在根部最高，這與白永飛等[22]對(duì)典型草原主要牧草植株貯藏碳水化合物分布部位的研究結(jié)論相一致，植物的根系、根頸、莖、葉片、種子等器官都可以貯藏碳水化合物，但牧草各個(gè)器官貯藏的碳水化合物含量不同，其中根系是碳水化合物的主要貯藏器官，對(duì)多年生牧草早春的萌發(fā)和刈割后的再生最為重要。淀粉是植物體內(nèi)養(yǎng)分的庫(kù)存。劉曉冰等[23]研究認(rèn)為可溶性糖是淀粉合成的底物。本研究中9月刈割強(qiáng)度、品種及刈割強(qiáng)度和品種互作對(duì)各根型苜蓿葉、莖、根淀粉與蔗糖含量有顯著影響，且6月、9月各根型苜蓿的淀粉、蔗糖、可溶性糖含量的變化趨勢(shì)相同，這與王仕元[24]等研究結(jié)論一致，可溶性糖含量與蔗糖、淀粉含量呈正相關(guān)。Ball等[25]研究指出，抗寒性越強(qiáng)的牧草其地下根系蔗糖、可溶性糖等含量越高。根蘗型、根莖型苜蓿9月根中可溶性糖、淀粉、蔗糖含量相接近并高于直根型苜蓿，表明其抗寒性較強(qiáng)，有利于翌年再生，且根蘗型、根莖型苜蓿的抗旱能力也較強(qiáng)，二者機(jī)理有一定的相關(guān)性。

還原糖為單糖，經(jīng)常處于被植物利用狀態(tài)或被合成為雙糖，是植物再生和翌年萌發(fā)時(shí)可直接利用的生長(zhǎng)指示劑[26]。本研究中，6月和9月各器官還原性糖含量均低于可溶性糖含量，且不同刈割強(qiáng)度對(duì)還原性糖含量的影響與可溶性糖、淀粉、蔗糖含量的變化趨勢(shì)相反，表明刈割后植物體內(nèi)合成的還原性糖會(huì)很快被利用合成其他類糖。

4 結(jié) 論

本研究對(duì)不同刈割強(qiáng)度下直根型、根蘗型、根莖型苜蓿葉、莖、根中主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物進(jìn)行了研究。結(jié)果表明6月可溶性糖在葉中最高，還原性糖含量在莖中最高，淀粉、蔗糖含量在根中最高；9月4種主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量均在根中最高。3種根型苜蓿均在輕度刈割下可溶性糖、淀粉、蔗糖含量最高，根蘗型‘甘農(nóng)2號(hào)’雜花苜蓿和根莖型‘清水’紫花苜蓿秋季根的主要非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量接近并高于直根型‘隴東’紫花苜蓿，表明根蘗型、根莖型苜?？购蕉暂^強(qiáng)。