切段長度、種植深度和覆草厚度對矩鐮莢苜蓿地下莖擴展能力的影響

顏家全，魏甲科，齊帥，程家琦，蔡梅梅，方強恩

(甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

矩鐮莢苜蓿(Medicagoarchiducis-nicolai)又稱青海苜蓿，為豆科苜蓿屬長根莖型無性系天然牧草，在青藏高原東部及其周圍3 000～4 000 m的高寒草甸中廣泛分布。在青藏高原牧區(qū)，矩鐮莢苜蓿與禾草、苔草等形成的大面積無性系植物群落，草層低，草質(zhì)良好，繁殖能力強，是優(yōu)良的夏季牧場。觀察發(fā)現(xiàn)，矩鐮莢苜蓿的種子成活率極低，主要依靠地下莖進行種群繁殖和延續(xù)。地下根莖是根莖型植物所特有的，也是根莖型植物貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官[1]，它不僅具有營養(yǎng)繁殖和擴展種群生態(tài)位空間的功能[2-3]，也是植物無性繁殖分株的主要器官，在植物的養(yǎng)分儲存、運輸和無性繁殖、物質(zhì)交換和器官可塑性等方面起著關(guān)鍵作用[4-10]。目前，關(guān)于豆科苜蓿屬的研究主要傾向于逆境脅迫下的生理機能反應、生長發(fā)育和產(chǎn)量形成等方面，而且都集中于紫花苜蓿(MedicagoSativa)、花苜蓿(Medicagoruthenica)等常見苜蓿屬牧草[11-14]。在高寒環(huán)境中，矩鐮莢苜蓿地下莖具有很強的擴展能力，能夠安全越冬，若合理利用則能為寒冷、干旱地區(qū)的草地建植和畜牧業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。目前矩鐮莢苜蓿仍處于野生狀態(tài)，關(guān)于影響其地下莖擴展能力因素的研究報道較少。本試驗選取祁連山東段高山草原自然生長的矩鐮莢苜蓿作為試驗材料，擬在人工栽培條件下探究影響地下莖擴展能力的因素。

在人工栽培上，覆蓋是一種常用的農(nóng)作技術(shù)，能夠保水保墑，抑制雜草，為植物發(fā)育提供穩(wěn)定的土壤環(huán)境[15-17]。種植深度對植株的發(fā)芽和成苗有著直接影響，深度的不同，土壤性質(zhì)可能也會不同，造成植物營養(yǎng)繁殖的狀況不同，因此也是人工栽培時必須考慮的一個重要因素[18-19]。根莖片段是根莖型植物前期生長發(fā)育的營養(yǎng)庫，能滿足發(fā)芽成苗營養(yǎng)要求的適宜的片段長度，也是栽培和移植能否成功的關(guān)鍵因素。

目前的覆蓋方式主要有地膜覆蓋、秸稈覆蓋、草類覆蓋以及砂礫覆蓋等。秸稈和稻草類覆蓋也稱之為有機覆蓋，可以有效地保水保墑和抑制雜草，在一定程度上還可以增加土壤有機物質(zhì)[20-21]。在我國，地膜覆蓋技術(shù)多用于谷類等經(jīng)濟作物，根莖型作物集中在大蒜和甘薯等鱗莖和塊莖類作物[22-23]，但是都沒有涉及種植深度和地下莖長度這兩個因素。因此，本試驗運用灰色關(guān)聯(lián)分析[24-28]和方差分析，確定矩鐮莢苜蓿根莖擴展的最適覆草厚度、種植深度以及根莖片段長度，以期為矩鐮莢苜蓿的人工栽培繁殖提供理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選取位于祁連山東段的天祝藏族自治縣甘肅農(nóng)業(yè)大學高山草原生態(tài)試驗站內(nèi)自然生長的矩鐮莢苜蓿。

1.2 試驗設計

1.2.1 田間處理與設計 育苗試驗地設在天?？h高山草原生態(tài)試驗站內(nèi)。試驗地原是燕麥種植田。前期對試驗地進行深耕，人工揀出土壤中雜草的繁殖片段及雜物，除雜后耙平。將試驗地分為4行(每行的種植方式依次為：短深、短淺、長深、長淺)，行長18 m，行與行之間間隔50 cm。再將每行等距分為3個不同覆草厚度的處理：3、1和0 cm(無覆蓋)。再將每個處理等距分為3個重復，每個重復種植4行，每行等距放入5個根莖片段。片段選取處于營養(yǎng)生長初期(2020年5月)的矩鐮莢苜蓿根狀莖，挑選出帶褐芽的根狀莖片段，將其截為10 cm(短片段)和20 cm(長片段)的2種片段，每個片段至少含有3個褐芽，然后以5cm(淺種植)和10 cm(深種植)種植深度分別種植于3個不同覆草厚度的試驗地中，使其自然生長。

1.2.1 試驗地育苗與管理 在覆草上覆蓋一層防塵網(wǎng)(網(wǎng)格稀疏，沒有遮陰效果)，避免大風對覆草層的影響。在片段發(fā)育期內(nèi)，不施肥和灌溉，定期田間除雜(一個月2次)，若防塵網(wǎng)出現(xiàn)破損以及覆草處理出現(xiàn)裸露，及時采取補救措施。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 取樣 在矩鐮莢苜?？蔹S期之前，2020年10月初進行隨機取樣。為了保證取樣植株地下部分的完整，以植株基苗為圓心，作半徑為30 cm的圓(根據(jù)地上部分的生長情況可以適當增加或縮減半徑)，在此范圍內(nèi)深挖30 cm，然后再從表層土壤開始逐步向下將土壤除去。對挖出的植株進行根部梳理，隨后進行編號和拍照。

1.3.2 根莖擴展性綜合評價指標測定 新根莖數(shù)量：從埋入的片段上新長出的地下橫向生長的根莖數(shù)量。

根莖擴展最大距離：測量10株苜蓿根狀莖的最遠擴展距離，計算平均值。

地下生物量：地下部分洗凈，在70℃下烘干至恒重，用電子天平稱出每株干重，單位g/株。

地上生物量：地上部分洗凈，在70℃下烘干至恒重，用電子天平稱出每株干重，單位g/株。

新根莖發(fā)生率：在每個處理中，有新生根莖的植株占總?cè)訑?shù)的比率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理， SPSS 26.0統(tǒng)計軟件進行顯著性檢驗(單因素方差分析)，使用sigmaplot10.0進行圖表制作。

1.5 根狀莖擴展的綜合性評價方法

采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對植株的根莖擴展能力進行綜合性測定。以X表示12種不用的處理組合，Y表示測定的各種指標，各處理與每個指標構(gòu)成一個數(shù)列矩陣Xi。使X0作為母序列(以各指標最優(yōu)值組成)。具體的計算步驟如下：

(1) 對矩陣中的各指標進行無量綱初始化處理。

(2) 計算矩陣中Yij的絕對值Δ(y)=∣X0(y)-Xi(y)∣

(3) 計算關(guān)聯(lián)系數(shù)：εi(y)=

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的新生根莖數(shù)量

在無性繁殖為主的植物中，植株根莖的數(shù)量可以反映其生態(tài)位的占據(jù)能力和地下擴展能力。通過方差分析可知，無覆草處理下的20×10(20 cm片段長×10 cm種植深度)的種植方式為最優(yōu)處理，新根莖數(shù)為3.941；覆草1 cm處理下的10×10(10 cm片段長×10 cm種植深度)的種植方式最差，新根莖數(shù)為1.000。因覆蓋方式與種植方式之間無交互效應，所以對各主效應之間進行顯著性檢驗。結(jié)果表明，在不同覆蓋方式下，覆草3 cm與無覆蓋和覆草1 cm之間均無顯著差異(P>0.05)，覆草1 cm與無覆草存在顯著差異(P<0.05)(圖1-A)。4種不同的種植方式間均無顯著的差異(圖1-B)。

圖1 不同覆蓋方式及種植方式下新生根莖數(shù)量Fig.1 Number of newborn rhizomes under different mulching and planting methods注：不同的小寫字母代表不同處理間存在顯著差異(P<0.05)；蓋0、蓋1、蓋3分別表示無覆草、覆草1 cm、覆草3 cm；10×5表示種植片段長10 cm，種植深度為5 cm，下同

2.2 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的根莖擴展距離

根莖的擴展距離可以直觀的反應各處理下植株地下橫向擴展能力。在12個處理中，覆蓋方式為3 cm，種植方式為10×10的處理最好，為212.900 cm；覆蓋方式為1 cm，種植方式為10×10的處理最差，為51.214 cm。通過方差分析，覆蓋方式與種植方式之間不存在交互效應(P>0.05)。所以進行各主效應之間的顯著性檢驗，在不同的覆蓋方式下，覆草1 cm與無覆草和覆草3 cm之間均存在顯著差異(圖2-A)，覆草3cm與無覆草之間無顯著差異。在不同的種植方式下，4種種植方式之間均無顯著差異(圖2-B)。

圖2 不同覆蓋方式及種植方式下根莖擴展最大距離Fig.2 Maximum distance of rootstock expansion under different mulching and planting methods

2.3 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的生物量變化

地下生物量(根莖、根)和地上生物量(莖、葉)之間存在相互促進的關(guān)系，茂盛的莖葉能吸收更多的太陽輻射和制造更多的有機物，有利于根莖與根的地下擴展；而發(fā)達的根與根莖能吸收更多的水分和無機物，有利于地上部分的生長。通過方差分析，覆蓋方式與種植方式在地上生物量與地下生物量兩個指標上均沒有交互效應，需要進行各主效應之間的顯著性檢驗。地上生物量無覆草與覆草1 cm和覆草3 cm處理均有顯著差異(P<0.05)，覆草1 cm與覆草3cm處理間無顯著差異(P>0.05)(圖3-A)；20×10處理下的地上生物量最大，為0.141 g/株，10×5最小，為0.069 g/株，且這兩種不同種植方式之間存在顯著差異(P<0.05)，但20×10、 20×5、 10×10處理間均無顯著差異，10×5與10×10和20×5處理間也沒有顯著差異(圖3-B)。在地下生物量無覆草對于覆草1 cm和覆草3 cm均有顯著差異(P<0.05)，覆草1 cm與覆草3 cm之間無顯著差異(P>0.05)(圖4-A)；4種不同的種植方式之間均不存在顯著差異(P>0.05)(圖4-B)。

圖3 不同覆蓋方式及種植方式下地上生物量Fig.3 Above-ground biomass under different mulching and planting methods

圖4 不同覆蓋方式及種植方式下地下生物量Fig.4 Belowground biomass under different mulching and planting methods

2.4 矩鐮莢苜蓿根莖擴展能力綜合性評價

用灰色關(guān)聯(lián)度分析，取5個可以體現(xiàn)擴展能力的指標綜合評價12種處理下的根莖擴展能力。選取各指標中的最優(yōu)值組合成參考處理即擴展能力最強，再通過公式計算出12個處理下的關(guān)聯(lián)度值，關(guān)聯(lián)度值越大說明與參考處理的擴展能力越接近，則該處理的擴展能力越好。

2.4.1 數(shù)據(jù)無量綱化處理 由于各指標的單位不相同，需要對單位進行統(tǒng)一。首先要在原始數(shù)據(jù)中選出參考處理，見表1。再將12種處理下的五種指標進行無量綱初始化處理(表2)。

表1 參考處理及12種處理的各指標原始數(shù)據(jù)

表2 無量綱初始化

2.4.2 絕對差值 計算矩陣中各點(Yij)與CK的絕對值Δ(k)=∣X0(y)-Xi(y)∣(表3)。

表3 Δ(k)值

表4 各點Yij的關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 關(guān)聯(lián)度值ri和權(quán)重值Wi

表6 各處理的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值及排序

3 討論

3.1 不同覆蓋方式對矩鐮莢苜蓿根莖發(fā)育的影響

覆蓋是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的農(nóng)作技術(shù)，具有保水保墑，改善地溫的作用，采用地面覆蓋的方式可以有效地減少土壤水分散失[29]。李文旺[23]等研究發(fā)現(xiàn)，增加地面覆草厚度，可以增加0～10 cm土層土壤含水量，顯著促進大蒜植株生長，提高蒜薹產(chǎn)量。據(jù)此分析，本研究中蓋3(覆草3 cm)下新根莖數(shù)、根莖擴展距離、地上地下生物量等生長指標高于蓋1(覆草1 cm)(圖1～4)，可能是因為增加覆草厚度后改善了土壤水分，調(diào)節(jié)了植物生長發(fā)育過程中對水分的需求和利用。在本試驗中也發(fā)現(xiàn)，不同的覆草厚度對土壤水分含量有顯著影響，其中蓋3(覆草3 cm)的水分含量顯著的高于蓋1(覆草1 cm)和蓋0(無覆草)，這結(jié)果與李文旺[23]的試驗結(jié)果大致相同。這使得不同覆蓋方式下的土壤水分得到改善，調(diào)節(jié)了植物生長發(fā)育過程中對水分的需求和利用。所以這造成了不同覆蓋方式對新根莖數(shù)、根莖擴展最大距離、地上生物量、地下生物量都具有顯著的影響，而且在出苗率上表現(xiàn)出蓋0顯著的高于蓋1和蓋3，蓋3則與蓋1沒有顯著差異。這可能是由于降雨造成覆草下的土壤積水，而草層過厚又無法及時揮發(fā)，進而使得土壤含水量過高，抑制了植株根莖的生長發(fā)育。在植物根莖成苗時期，雖然覆草會造成無效蒸發(fā)減少[16]，使得土壤含水量過高而抑制根莖的發(fā)育，但是在植株成苗，可以進行光合作用后，土壤含水量高則有利于進行有效蒸發(fā)，即蒸騰作用[17]，此時則有利于根莖與地上部分的發(fā)育。

土壤溫度作為植物發(fā)育的重要因素，矩鐮莢苜蓿只有在適宜的地溫下才能正常的成苗以及根莖擴展。覆草雖然能有效的增加土壤含水量，但是土壤保溫效果不佳，容易受到寒冷天氣造成的低溫凍害[30]。這可能是由于在白天，無覆草的土壤能直接吸收太陽輻射能量土壤溫度因此升高，進而為埋入的地下片段提供了更好的發(fā)育條件。然而由于覆草的土壤有草層隔離，不能直接吸收太陽輻射，所以土壤溫度較低，不利于成苗和根莖發(fā)育，造成在成苗率上蓋0>蓋1>蓋3。

本試驗研究結(jié)果表明在根莖擴展能力上，蓋0為最優(yōu)處理，蓋3次之，蓋1最差。結(jié)合上述的兩種影響因素(可能還存在其他土壤性質(zhì)的影響)，可解釋為：(1)在埋入片段發(fā)育成苗時，蓋0處理具有良好的土壤水分含量和土壤溫度條件，因此可以更快的出苗，更早的進行光合作用，所以在這一時期內(nèi)其發(fā)育速度相對于蓋1和蓋3是較快的。(2)當所有處理都已成苗后，主要進行營養(yǎng)生殖。這時候蓋3處理則表現(xiàn)出了優(yōu)勢，因為氣溫的回升以及蓋3處理具有良好的保水作用，土壤含水量高，有利于光合作用和蒸騰作用，進而對營養(yǎng)生殖產(chǎn)生促進作用。對于蓋0，由于其土壤含水量低，此時的發(fā)育速度就較以前發(fā)育慢，但是前期建植早，有良好的基礎，所以其發(fā)育速度可能比蓋1快，與蓋3相近。對于蓋1，由于其在前期并沒有很好地建植優(yōu)勢，在后期也沒有良好的土壤條件，所以蓋1處理下的植株一直保持著恒定的發(fā)育速度。即使在前期成苗率優(yōu)于蓋3，但是兩者之間的成苗率差異并不顯著，在營養(yǎng)繁殖時，蓋3具有良好的發(fā)育條件，所以在發(fā)育速度上超過了蓋1。但是有關(guān)這方面的研究甚少，本試驗也無法參考前人的試驗結(jié)果對此作出更進一步的解釋，所以關(guān)于蓋0、蓋1、蓋3處理在不同發(fā)育階段下的發(fā)育速率問題，還需要后續(xù)的試驗繼續(xù)跟進，對以上討論作出嚴密的，科學的論證。

3.2 不同種植方式對矩鐮莢苜蓿根莖發(fā)育的影響

不同的種植方式對新根莖數(shù)、根莖擴展最大距離、地下生物量均沒有顯著影響，除地上生物量外(圖3-B)?；诂F(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析，可以認為在種植深度上，10 cm深度和 5 cm深度的種植環(huán)境均是矩鐮莢苜蓿的適宜生境。在片段長度上，20 cm長度和 10 cm長度的片段均能滿足矩鐮莢苜蓿早期發(fā)育需要的營養(yǎng)要求。也說明該植物根莖擴展能力很強，對土壤深度和自身養(yǎng)分的要求不高。但這一討論還需要后續(xù)的試驗擴大對種植深度和片段長度兩個變量的范圍，對此討論作出進一步的補充和解釋。

4 結(jié)論

矩鐮莢苜蓿根莖切段在祁連山東段高山草原原生境種植條件下，根莖擴展最大距離、新根莖數(shù)和地上地下生物量均受覆草厚度的顯著影響，在3種覆蓋厚度(0 cm厚，1 cm厚，3 cm厚)處理下，影響效果表現(xiàn)為蓋0>蓋3>蓋1。種植深度(5 cm深，10 cm深)和切段長度(10 cm長，20 cm長)對地上生物量有顯著影響，但對根莖擴展距離等指標影響不顯著。分析表明，高寒草原植物矩鐮莢苜蓿地下莖切段在原生境下的適生性較強，在裸地(無草覆蓋)約10 cm土層下、切段長度為20 cm的根莖擴展能力最強。