低磷土壤條件對(duì)不同苜蓿品種的生長(zhǎng)和磷效率的影響

張文杰，楊亮，張龍?bào)K，曾國(guó)祖，蔣瑞雪，姜智英，李亞娟

(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，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)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)

苜蓿(MedicagoSativa)是一種品質(zhì)優(yōu)良的多年生豆科牧草，由于其有產(chǎn)量高、品質(zhì)好、對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被稱作“牧草之王”，是全球人工種植面積最大的栽培牧草[1]。同時(shí)，苜蓿根系發(fā)達(dá)，生物固氮能力強(qiáng)，具有抗干旱、抗瘠和防治水土流失的作用，在生產(chǎn)、生態(tài)建設(shè)中具有關(guān)鍵地位[3]。苜蓿在我國(guó)的產(chǎn)業(yè)化種植已經(jīng)初具規(guī)模，但苜蓿草產(chǎn)品依然供不應(yīng)求[4]。苜蓿屬于喜磷作物，磷是確保苜蓿正常生長(zhǎng)、提高苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的重要元素[7]。研究表明，磷元素對(duì)苜蓿的分枝、花序數(shù)、干物質(zhì)累積、種子產(chǎn)量等動(dòng)態(tài)變化均具有重要影響[6]。土壤有效磷含量不足對(duì)苜蓿的株高、光合效率等指標(biāo)具有重大影響，使苜蓿的產(chǎn)量降低[7]，缺磷會(huì)使苜蓿對(duì)氮、鉀的吸收效率明顯降低[9]。磷元素通過對(duì)苜蓿體內(nèi)的生理調(diào)節(jié)，使其抗逆性得到提高，保證了產(chǎn)量和品質(zhì)。

磷在土壤中有移動(dòng)性差和表面富集的特點(diǎn)，致使深層根系無法充分吸收磷。土壤中的磷包括有機(jī)磷和無機(jī)磷，有機(jī)磷是植物無法直接吸收的無效磷，土壤中的無機(jī)磷易形成難溶化合物，只有一小部分能被植物吸收利用，稱為土壤有效磷[10]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界耕地中約有43%的土壤缺磷，而苜蓿生產(chǎn)所需有效磷為10～15 mg/kg[11]。植物的磷效率是指在磷限制土壤上，作物通過自身對(duì)磷的吸收和利用獲得高產(chǎn)的能力，由于研究目的不同，故磷效率的衡量標(biāo)準(zhǔn)也不同。Batten等[12]和邢宏燕等[13]將產(chǎn)量作為衡量磷效率的主要標(biāo)準(zhǔn)，而Graham[14]利用生物量衡量磷效率的高低。植物對(duì)磷的吸收效率是指植物的磷吸收量，表明植物從介質(zhì)中獲取磷的能力，用植株全磷含量表示(即吸磷量)[15-16]。磷利用效率是指植株體內(nèi)積累的磷所能產(chǎn)生的最大生物量，用植物體內(nèi)單位磷所產(chǎn)生的植株干物質(zhì)的量表示。不同作物和同種作物的不同基因型之間的磷吸收利用效率都存在差異，篩選低磷條件下能高效吸收磷的苜蓿品種對(duì)生產(chǎn)具有重大意義。因此，本研究采用盆栽試驗(yàn)，以9種不同品種苜蓿為研究對(duì)象，在低磷土壤條件下，從苜蓿的生長(zhǎng)狀況及磷效率方面評(píng)價(jià)各品種的差異性，篩選出低磷條件下生長(zhǎng)最好的苜蓿品種，為苜蓿栽培中品種選擇和養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試紫花苜蓿品種共有9個(gè)，分別是甘農(nóng)3號(hào)(M.sativacv.Gannong No.3)、甘農(nóng)5號(hào)(M.sativacv.Gannong No.5)、甘農(nóng)9號(hào)(M.sativacv.Gannong No.9)、甘農(nóng)10號(hào)(M.sativacv.Gannong No.10)、金皇后(M.sativacv.Golden empress)、WL358HQ(M.sativacv.WL358HQ)、WL343HQ(M.sativacv.WL343HQ)、WL363HQ(M.sativacv.WL363HQ)和WL354HQ(M.sativacv.WL354HQ)，其中，甘農(nóng)3號(hào)、甘農(nóng)5號(hào)、甘農(nóng)9號(hào)、甘農(nóng)10號(hào)和金皇后5個(gè)品種由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供，為本地試驗(yàn)和大田種植品種，WL系列品種從北京正道種業(yè)公司購買，為國(guó)外引進(jìn)品種，本研究選用以明確其在本地低磷土壤上的適應(yīng)性。供試肥料為尿素(含N46%)，硫酸鉀(含K2O 52%)，購于肥料市場(chǎng)。

供試土壤采自甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校園牧草實(shí)訓(xùn)基地，土壤基本理化性質(zhì)為有效磷含量5.25 mg/kg，堿解氮含量115.02 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量21.1g/kg，pH值8.1(2.5∶1水土比)。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用土培盆栽法，花盆直徑25 cm，高20 cm，每盆裝土1.5 kg，各處理氮肥、鉀肥施用量一致，每千克土壤施氮0.3 g，即每盆施用尿素(含N 46%)0.98 g；施K2O 0.3 g，即每盆施用硫酸鉀(含K2O 52%)0.87 g，所有處理均不施磷肥。每盆播10粒種子，9個(gè)品種重復(fù)種植3次，共種植27盆，澆水、管理?xiàng)l件一致，記錄其生長(zhǎng)狀況，待苜蓿初花期，將其全部割下，風(fēng)干磨碎后，測(cè)其生物量和磷含量，并計(jì)算磷吸收效率及利用效率。從苜蓿的生長(zhǎng)狀況系統(tǒng)研究各指標(biāo)的變化及其相關(guān)性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

在苜蓿苗期、旺盛生長(zhǎng)期和收獲期分別測(cè)定第1茬苜蓿生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3.1 株高 植株的絕對(duì)高度。在刈割前，每隔5天測(cè)量每盆植株1次。測(cè)量時(shí)用卷尺測(cè)量植株頂端到地面的距離，并取其平均值。

1.3.2 生物量 地上部分生物量。在初花期刈割，留茬高度5 cm，稱量每盆植株地上部分，記為鮮重；將草樣于105 ℃殺青20 min，65 ℃烘至恒重稱量，稱量干重，依據(jù)公式干鮮比=干重/鮮重計(jì)算干鮮比。

1.3.3 植株磷含量 采用硫酸-硝酸和硝酸-高氯酸消化，鉬藍(lán)比色法測(cè)定[18]。磷吸收效率和磷利用效率采用下面公式計(jì)算。

磷吸收效率(mg/pot)=地上部生物量×磷含量

磷利用效率(g/mg)=地上部生物量/磷吸收效率[19]

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)鄧聚龍灰色系統(tǒng)理論，按灰色系統(tǒng)理論要求，將9個(gè)不同品種苜蓿在低磷條件下的綜合生長(zhǎng)狀況和低磷條件下的5個(gè)指標(biāo)視為一個(gè)整體，即灰色系統(tǒng)。將綜合生長(zhǎng)狀況作為參考數(shù)列(母序列)，各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值為比較數(shù)列(子序列)，建立灰色系統(tǒng)，計(jì)算各指標(biāo)與其綜合生長(zhǎng)狀況的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)行排序。采用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)并制圖，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷土壤條件不同苜蓿品種的農(nóng)藝性狀

2.1.1 株高 株高是反映植株生長(zhǎng)發(fā)育狀況和產(chǎn)量潛力的重要指標(biāo)之一。第1茬各苜蓿品種株高隨生長(zhǎng)時(shí)間的增加而增加，總體長(zhǎng)勢(shì)良好。在最后一次測(cè)量株高時(shí)，WL343HQ品種的株高長(zhǎng)勢(shì)最大，不同苜蓿品種的株高排序是WL343HQ>WL354HQ>WL363HQ>甘農(nóng)5號(hào)>WL358HQ>甘農(nóng)3號(hào)>甘農(nóng)9號(hào)>甘農(nóng)10號(hào)>金皇后，排名前三的品種株高分別是：WL343HQ為11.6 cm，WL354HQ為11.4 cm，WL363HQ為10.7 cm(圖1)。

圖1 不同品種苜蓿株高

2.1.2 生物量 不同苜蓿品種平均鮮重表現(xiàn)為：甘農(nóng)9號(hào)>WL343HQ>WL358HQ>甘農(nóng)5號(hào)>WL363HQ>WL354HQ>甘農(nóng)10號(hào)>甘農(nóng)3號(hào)>金皇后，甘農(nóng)9號(hào)的鮮重為4.30 g，而金皇后的鮮重僅為2.01 g，甘農(nóng)9號(hào)與WL343HQ之間差異顯著(P<0.05)，WL343HQ與WL358HQ之間、甘農(nóng)3號(hào)與金皇后之間差異均不顯著(P>0.05)(表5)。

不同苜蓿品種干重表現(xiàn)為：WL343HQ>WL358HQ>甘農(nóng)9號(hào)>甘農(nóng)5號(hào)>甘農(nóng)3號(hào)>甘農(nóng)10號(hào)>WL354HQ>WL363HQ>金皇后，WL343HQ的鮮重為0.70 g，金皇后的鮮重僅為0.37 g。WL343HQ與WL358HQ差異不顯著，與甘農(nóng)9號(hào)差異顯著。干鮮比最大的是甘農(nóng)3號(hào)，為0.25，最小的是甘農(nóng)9號(hào)，為0.14。

表1 低磷條件下不同苜蓿品種的地上生物量及干鮮比

2.2 低磷土壤條件下不同苜蓿品種的磷含量

磷含量可反映低磷介質(zhì)條件下植物吸收磷素能力的差異。9個(gè)苜蓿品種的植株磷含量排序?yàn)椋焊兽r(nóng)10號(hào)>WL354HQ>WL343HQ>WL358HQ>WL363HQ>金皇后>甘農(nóng)9號(hào)>甘農(nóng)5號(hào)>甘農(nóng)3號(hào)，前三個(gè)品種的磷含量分別是：甘農(nóng)10號(hào)1.74 g/kg，WL354HQ 1.71 g/kg，WL343HQ 1.61 g/kg，甘農(nóng)10號(hào)與WL354HQ磷含量差異不顯著(P>0.05)，與WL343HQ差異顯著(P<0.05)。甘農(nóng)3號(hào)磷含量最低，為1.20 g/kg(圖2)。

圖2 不同苜蓿品種的磷含量

2.3 低磷土壤條件下不同苜蓿品種的磷效率

苜蓿從土壤中獲取磷的能力稱之為苜蓿的磷吸收效率，可用植株的吸磷量表示；磷利用效率是指植株體內(nèi)積累的磷所能產(chǎn)生的最大生物量，可以用植物體內(nèi)單位磷所產(chǎn)生的植株干物質(zhì)的量來表示。品種WL343HQ的磷吸收效率顯著高于其他品種(P<0.05)，為1.32 mg/pot；磷吸收效率最低的品種是金皇后，僅為0.58 mg/pot(圖3)。甘農(nóng)3號(hào)、甘農(nóng)5號(hào)和甘農(nóng)9號(hào)的磷利用效率較高，與其他品種差異顯著(P<0.05)，甘農(nóng)3號(hào)最高，為0.84 g/mg，其次是甘農(nóng)5號(hào)，為0.76 g/mg；甘農(nóng)10號(hào)的磷利用效率最低，為0.53 g/mg，其余品種間差異不顯著(圖4)。

圖3 不同苜蓿品種的磷吸收效率

圖4 不同苜蓿品種的磷利用效率

2.4 低磷條件下不同苜蓿品種綜合評(píng)價(jià)

選擇株高、生物量、磷含量、磷吸收效率、磷利用效率,對(duì)所有品種計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度。根據(jù)關(guān)聯(lián)分析原則，關(guān)聯(lián)度越大的數(shù)列與參考數(shù)列相似程度就越高，也就是關(guān)聯(lián)度越大的品種綜合性狀越好。WL343HQ等權(quán)關(guān)聯(lián)度為0.834 8，加權(quán)關(guān)聯(lián)度為0.129 9，排序第1，其次為WL358HQ、WL354HQ和甘農(nóng)5號(hào)(表2)。因此，以上4個(gè)苜蓿品種較為適合在低磷土壤地區(qū)推廣種植。

表2 不同苜蓿品種關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

3 討論

本研究表明，在土壤有效磷水平較低的情況下，WL343HQ的株高、干草產(chǎn)量最高，表明其在低磷土壤條件下表現(xiàn)出較好的生產(chǎn)性能，熊雪等[21]的研究也表明WL系列苜蓿品種也具有較強(qiáng)的耐鹽性，由此可以看出WL343HQ是一個(gè)良好的抗逆品種，但也有研究表明，WL343HQ在新疆綠洲區(qū)滴灌條件下的生產(chǎn)性能表現(xiàn)不佳[21]，在晉北農(nóng)牧交錯(cuò)帶的越冬性能不好而導(dǎo)致其適應(yīng)性不強(qiáng)[22]。甘農(nóng)10號(hào)的株高最低，金皇后的干草產(chǎn)量最低，說明這兩個(gè)品種在本研究區(qū)域低磷土壤條件的適應(yīng)性較差，有研究表明金皇后在高有效磷水平的土壤上生產(chǎn)性能較高[23]，因此，金皇后對(duì)土壤磷水平的反應(yīng)更為敏感。而甘農(nóng)10號(hào)的對(duì)土壤磷素反應(yīng)的研究資料較少，還需進(jìn)一步研究。

磷在苜蓿的幼苗發(fā)育期是非常重要的，幼苗對(duì)磷的吸收非常迅速，在幼苗期已獲得約為其總干重的2.5%之時(shí)，它可能早已積累多達(dá)其總含磷量的75%，磷被苜蓿吸收后，主要存在于幼嫩植株的葉中，苜蓿成熟后大部分貯存于種子中[23]。根據(jù)劉俊英等[25]的研究，苜蓿干重與磷效率具有較高的相關(guān)性，干重的增加有利于磷的積累，磷含量隨之升高。在本研究中，甘農(nóng)10號(hào)、WL354HQ和WL343HQ具有較高的含磷量，但是甘農(nóng)10號(hào)和WL354HQ的生物量干重均較低，只有WL343HQ既有高的生物量干重，也有較高的磷含量。

從作物品種資源中發(fā)掘耐土壤低磷或?qū)ν寥离y溶性磷有較強(qiáng)吸收利用能力的種質(zhì)，選育對(duì)土壤磷高效的品種，將大大降低資源消耗和農(nóng)業(yè)成本，減少環(huán)境污染，保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[26-27]。磷吸收效率與磷利用效率共同決定了苜蓿的磷效率。本研究表明，WL343HQ的磷吸收效率顯著高于其他品種，金皇后的磷吸收效率最低，這與農(nóng)藝指標(biāo)的結(jié)果相似，也表明干重的積累得益于磷的良好吸收。這與在其他作物的研究結(jié)果一致[28-29]。甘農(nóng)3號(hào)和甘農(nóng)5號(hào)具有最高的磷利用效率，說明這兩個(gè)品種吸收的磷生產(chǎn)的干物質(zhì)較多。粟振義等[30]的研究表明，苜蓿在低磷環(huán)境，會(huì)抑制地上部分的生長(zhǎng)，優(yōu)先生長(zhǎng)地下部分，表現(xiàn)為地上部分的磷利用效率增高，這也解釋了這兩個(gè)品種表現(xiàn)出低的地上生物量，高的磷利用效率。而WL343HQ的磷利用效率在9個(gè)品種中排第4，表現(xiàn)出較高的磷吸收和利用效率。磷吸收、利用效率較高的品種對(duì)磷的再運(yùn)輸、再分配能力強(qiáng)[31]，因此，綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果也表明WL343HQ是本研究條件下適應(yīng)性最好的品種，其次為WL358HQ、WL354HQ和甘農(nóng)5號(hào)，可在本地區(qū)苜蓿栽培中選擇使用。

4 結(jié)論

本研究條件下，WL343HQ品種的株高最高，甘農(nóng)9號(hào)鮮重較大，為4.30 g/pot，WL343HQ品種干重最大，為0.70 g/pot，結(jié)合鮮重和干重，WL343HQ品種生長(zhǎng)速度較其他品種快；9個(gè)苜蓿品種的地上部磷含量排序?yàn)椋焊兽r(nóng)10號(hào)>WL354HQ>WL343HQ>WL358HQ>WL363HQ>金皇后>甘農(nóng)9號(hào)>甘農(nóng)5號(hào)>甘農(nóng)3號(hào)；磷吸收效率總體表現(xiàn)為：WL343HQ>WL358HQ>甘農(nóng)5號(hào)>甘農(nóng)9號(hào)>WL363HQ>甘農(nóng)10號(hào)>甘農(nóng)3號(hào)>WL354HQ>金皇后；甘農(nóng)3號(hào)磷利用效率最高，為0.84 g/mg，甘農(nóng)10號(hào)最低，為0.53 g/mg?；疑P(guān)聯(lián)度綜合評(píng)價(jià)得出WL343HQ、WL358HQ、WL354HQ和甘農(nóng)5號(hào)為低磷土壤條件下表現(xiàn)較好的4個(gè)品種，適宜在土壤有效磷含量較低的土壤上種植。