不同物候期刈割對(duì)羊草再生和根形態(tài)及產(chǎn)量的影響

趙成振，李強(qiáng)，鐘榮珍*

（1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林省草地畜牧重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130102；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

草原是分布廣泛的陸地生態(tài)系統(tǒng)，占全球陸地面積的26%［1］。在溫帶氣候區(qū)，以草原為基礎(chǔ)的乳品生產(chǎn)系統(tǒng)為牲畜提供了可持續(xù)的食物［2］。農(nóng)民通常每年8 月下旬收獲牧草［3］。盡管傳統(tǒng)的草地利用方式滿足了草地保護(hù)的需要，但是草地產(chǎn)量難以滿足日益增加的牲畜的需求［4］。因此，傳統(tǒng)的草原管理限制了牧草的生產(chǎn)和利用［5］。許多研究表明春季刈割可能影響牧草的再生和干物質(zhì)（dry matter，DM）總產(chǎn)量［6］。比如4 月刈割比5 月刈割降低了“shimanoushie”全年的DM 總產(chǎn)量［7］，然而也有研究表明5 月20 日刈割比6 月20 日刈割增加了柳枝稷（Panicum virgatum）的全年DM 總產(chǎn)量［8］。此外，有研究表明傳統(tǒng)利用方式8 月中旬割1 次，牧草DM 產(chǎn)量更高［9-10］。

過早刈割可能會(huì)對(duì)羊草（Leymus chinensis）累積DM 產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響［11］。在松嫩草地，從8 月15 日至10 月4 日期間每隔10 d 設(shè)置1 個(gè)刈割處理，結(jié)果表明刈割沒有對(duì)羊草次年的DM 產(chǎn)量產(chǎn)生影響［3］。因此，刈割時(shí)間越晚，對(duì)草地的傷害越小。而最佳刈割期對(duì)草地生產(chǎn)至關(guān)重要，是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵。羊草通常在8 月15 日（傳統(tǒng)刈割日）之前經(jīng)歷伸長期、抽穗期和花期［12］，這些時(shí)期的刈割管理可能有助于累積DM 和粗蛋白（crude protein，CP）產(chǎn)量。

刈割理論及試驗(yàn)結(jié)果表明，植物有能力通過形態(tài)和生理調(diào)整，如再生分蘗，產(chǎn)生更多的新葉，光合能力的增強(qiáng)，最后導(dǎo)致再生速率的增加［13-14］。在地下部分，根形態(tài)和根莖通常被認(rèn)為是決定大針茅（Stipa grandis）和羊草再生性能的主要養(yǎng)分吸收器官和養(yǎng)分儲(chǔ)存器官［15-16］。不同時(shí)期刈割對(duì)根莖水溶性碳水化合物（water soluble carbohydrate，WSC）儲(chǔ)量和根系發(fā)育有強(qiáng)烈影響［17-18］。不同時(shí)期刈割，羊草的光合能力、營養(yǎng)物質(zhì)在地上和地下器官之間的分配以及儲(chǔ)存養(yǎng)分的有效性也存在差異［19］。因此，不同時(shí)期刈割會(huì)影響牧草的再生，進(jìn)而影響其DM總產(chǎn)量。此外，有研究表明，輕度或中度刈割會(huì)顯著影響根系結(jié)構(gòu)，尤其是增加后續(xù)再生過程中的細(xì)根長度［20］。本研究通過對(duì)不同直徑的根莖形態(tài)及根莖WSC 含量的研究，探究了拔節(jié)期、抽穗期和開花期刈割管理對(duì)羊草累積DM 產(chǎn)量、CP 產(chǎn)量和可持續(xù)的影響。

羊草是一種原生的多年生根莖型草本植物，以羊草為主的典型草原分布在歐亞溫帶草原帶上［21］。羊草是大型草食動(dòng)物的首選牧草，其品質(zhì)優(yōu)良，適口性和營養(yǎng)價(jià)值高［3］。本研究旨在研究羊草在不同物候期刈割的再生過程，并根據(jù)其地下根系形態(tài)和根莖WSC 含量探究羊草草地適宜的刈割期。研究結(jié)果為合理制定溫帶草地刈割制度提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長嶺草地農(nóng)牧生態(tài)研究站（44°33′N，123°31′E，海拔145 m）進(jìn)行。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5.9 ℃，平均最高和最低氣溫分別為6.4 和4.6 ℃，年平均生長期約為150 d，＞10 ℃的年有效積溫為2900～3000 ℃。年平均降水量為427 mm，70%的降水發(fā)生在6-9 月（圖1）。根據(jù)世界土壤資源［22］數(shù)據(jù)，研究區(qū)土壤為鹽堿型，土壤pH 值為8.7。研究區(qū)主要的植被類型為羊草，是一種多年生根莖型C3草本植物，其生物量占該地區(qū)地上總生物量的85%。試驗(yàn)區(qū)為0.3 hm2的平坦未退化草地，羊草分布均勻，近十幾年僅少量放牧。

圖1 松嫩平原2000-2016 年平均降水量和氣溫分布Fig. 1 Mean precipitation and temperature distribution of Songnen plain from 2000-2016

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在2018 年開始實(shí)施，包括對(duì)照組（control，CON）、刈割組包括拔節(jié)期刈割（elongation stage at May 15，ES）、抽穗期刈割（heading stage at June 1，HS）和開花期刈割（flowering stage at June 15，F(xiàn)S），留茬高度為5 cm。對(duì)照組不刈割，8 月15 日收獲；刈割組起始刈割后，8 月15 日收獲。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)區(qū)組面積為4 m×35 m，3 次重復(fù)，共計(jì)12 個(gè)區(qū)組。為防止相互影響，區(qū)組之間設(shè)置1 m 寬的隔離帶。每個(gè)區(qū)組內(nèi)分成7 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為4 m×5 m。

1.3 取樣方法

1.3.1 地上生物量取樣 CON 處理，取樣時(shí)間從5 月15 日開始，每隔15 d 取樣1 次，到8 月15 日（傳統(tǒng)制作干草的收割日期）結(jié)束。對(duì)于刈割處理，起始刈割開始前進(jìn)行第1 次取樣，作為刈割開始前的羊草產(chǎn)量，起始刈割后每隔15 d 取樣1 次，至8 月15 日收獲后為最后1 次取樣，作為刈割后羊草再生產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化。因此，在生長期內(nèi)，CON、ES、HS 和FS 分別采樣7、7、6 和5 次。每次取樣時(shí)，每個(gè)處理每個(gè)區(qū)組中依次選擇1 個(gè)小區(qū)（未被取過樣），每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3 個(gè)1 m×1 m 的樣方框，采用手工方式剪草，每個(gè)樣方框內(nèi)的羊草裝入信封中并放入105 ℃烘箱殺青30 min 后，再在65 ℃烘箱中干燥48 h，稱重，研磨后過0.4 mm 篩，4 ℃保存，用于氮（nitrogen，N）的分析。

1.3.2 根系及單株取樣 在8 月中旬進(jìn)行根系及地上單株取樣。每個(gè)區(qū)組隨機(jī)選取3 個(gè)小區(qū)，分別挖出3 個(gè)20 cm×20 cm×30 cm 的土塊，連同地上部分轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室。然后將每個(gè)土塊的地上羊草在莖基部剪斷，從中隨機(jī)選取10 株羊草個(gè)體分別按莖、葉、鞘裝到穿孔紙袋中，并放入105 ℃烘箱殺青30 min 后，再在65 ℃烘箱中干燥48 h，分別按莖、葉、鞘稱重。每個(gè)區(qū)組30 株羊草的莖、葉、鞘的平均值為1 個(gè)重復(fù)，采用3 個(gè)重復(fù)（3 個(gè)區(qū)組）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將各區(qū)組每個(gè)小區(qū)的土塊上剩余植株樣品收集按莖、葉、鞘冷凍干燥后研磨成細(xì)粉，過1 mm 篩，-20 ℃保存，用于測(cè)定WSC 含量。取每個(gè)區(qū)組3 個(gè)樣品的莖、葉、鞘的WSC 含量的平均值為1 個(gè)重復(fù)，用3 個(gè)重復(fù)（3 個(gè)區(qū)組）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。隨后，將每個(gè)小區(qū)的土塊放入水中，小心沖洗，將目標(biāo)植株的根系與其他根系分離，置于0.2 mm 的篩網(wǎng)上。每株羊草完整的根中含有根狀莖（將連通的羊草從其節(jié)間的中間切下）和須根。每個(gè)區(qū)組中每個(gè)小區(qū)保留10 個(gè)完整的根，并保存在自來水中，置于冰箱（8 ℃）中，直到進(jìn)行進(jìn)一步的分析。在平板掃描器（Epson Scan 700/750，加拿大）上，以400 dpi 的分辨率掃描每株羊草的根系，使用WinRhizo 2005c 軟件（Regent Instruments，Quebec，加拿大）對(duì)圖像進(jìn)行分析，計(jì)算出每株羊草在不同根直徑（root diameter classes，RDC）下（0.0～0.2 mm、0.2～0.5 mm、0.5～1.0 mm、1.0～2.0 mm 和＞2.0 mm）的根長、根表面積及根體積。每個(gè)區(qū)組30 株羊草的根長、根表面積和根體積的平均值為1 個(gè)重復(fù)。收集每個(gè)小區(qū)的土塊剩余的根系用于WSC 含量的分析，每個(gè)區(qū)組3 個(gè)樣品的根WSC 含量的平均值為1 個(gè)重復(fù)。

1.3.3 光合特性的測(cè)定 葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率采用LI-6400 便攜式光合系統(tǒng)（Licor，美國）測(cè)定。在空氣溫度25 ℃、CO2濃度為365×10-6、光合活性輻射（photosynthesis active radiation，PAR）為0～2000 μmol·m-2·s-1的條件下，使用LI-6400 的程序生成各葉片的光合響應(yīng)曲線計(jì)算光合速率。為避免強(qiáng)烈的陽光和大風(fēng)，測(cè)量于8 月15 日上午09：00-11：00 進(jìn)行。每個(gè)區(qū)組隨機(jī)選擇3 個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3 株羊草測(cè)定其中間葉片代表整株羊草，每個(gè)區(qū)組9 株羊草的平均值作為1 個(gè)重復(fù)，用3 個(gè)重復(fù)（3 個(gè)區(qū)組）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.4 N、CP 和WSC 含量測(cè)定

用CHN 元素分析儀（EA1108，Series 1）分析總N 含量，CP 含量為N 含量×6.25。CON 的DM 總產(chǎn)量為8 月中旬羊草產(chǎn)量達(dá)到高峰時(shí)的草產(chǎn)量。刈割組DM 總產(chǎn)量為起始刈割DM 產(chǎn)量與收獲DM 產(chǎn)量之和。CP 產(chǎn)量為DM 產(chǎn)量乘以CP 含量，總CP 產(chǎn)量計(jì)算方法同DM 總產(chǎn)量。WSC 含量的測(cè)定采用苯酚-硫酸比色法［23］，每個(gè)樣品中準(zhǔn)確稱量0.05 g，在玻璃管中加入20 mL 去離子水，靜置30 min，然后加熱至沸騰（100 ℃）保持1 h，離心后，取樣品中的上清液用于莖、葉、鞘和根的測(cè)量分析，每個(gè)樣品重復(fù)3 次。采用96 孔平底聚苯乙烯酶標(biāo)儀（型號(hào)：354，Titertek Multiskan Ascent，德國），在波長490 nm 處記錄吸光度，測(cè)定WSC 的含量。WSC 含量由以下公式得到：

式中：C為WSC 含量（mg·g-1）；SC（sample concentration）為樣品濃度（mg·L-1）；SV（solution volume）為溶液體積（mL）；SDR（sample dilution multiple）為樣品稀釋比；SM（sample mass）為樣品質(zhì)量（mg）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0 統(tǒng)計(jì)軟件和Origin 2016 Pro 軟件進(jìn)行方差分析和繪圖。采用t檢驗(yàn)評(píng)價(jià)4 個(gè)處理下羊草植物組分中DM 產(chǎn)量、CP 產(chǎn)量、植物功能性狀、光合作用、根系形態(tài)及其WSC 含量的顯著差異。用最小二乘平均值，并以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。P＜0.05 時(shí)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與分析

2.1 羊草產(chǎn)量

總體而言，隨著刈割從拔節(jié)期延遲至開花期，羊草再生DM 產(chǎn)量迅速增加，特別是ES 和HS 處理之間的 再 生DM 產(chǎn) 量 接 近（圖2）。6 月1 日 至8 月15 日，CON 組羊草CP 產(chǎn)量為10.12～13.21 g·m-2。在整個(gè)再生季中，F(xiàn)S 處理羊草再生CP 產(chǎn)量從1.11 g·m-2穩(wěn)定增長到17.45 g·m-2，ES 和HS 處理的再生CP 產(chǎn)量先增加，8 月1 日達(dá)到峰值后開始下降。

圖2 不同物候期刈割羊草再生干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量的變化Fig. 2 Changes of regrowth DM yield and CP yield of L.chinensis under different phenological growth stages mowing（mean±SE，n=3）

與CON 處理相比，ES 處理的累積DM 產(chǎn)量下降了12%（P＜0.05），HS 和FS 處理的累積DM 產(chǎn)量分別增加了9%和29%（P＜0.05）（圖3）。各刈割處理的CP 累積產(chǎn)量均高于CON 處理（P＜0.05）。隨著刈割期的推遲，羊草累積CP 產(chǎn)量遞增，HS 和FS 處理之間沒有顯著差異。

圖3 不同物候期刈割羊草累積干物質(zhì)產(chǎn)量和粗蛋白產(chǎn)量的變化Fig. 3 Changes of accumulated DM yield and CP yield of L.chinensis under different phenological growth stages mowing（mean±SE，n=3）

2.2 羊草根系及植物性狀

羊草根直徑從0 增加到1 mm 時(shí)，不同處理間的根長、根表面積和根體積差異顯著（P＜0.05），當(dāng)根直徑超過1 mm 時(shí)，各處理間無顯著差異（表1）。與CON相比，ES 處理顯著（P＜0.05）降低了羊草根直徑在0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 的根長和根體積。HS 處理與CON、FS 處理在上述指標(biāo)上無顯著差異，但是HS和FS 處理在根直徑為0.5～1.0 mm 時(shí)，羊草的根長、根表面積和根體積均顯著高于CON 處理（P＜0.05）。

表1 不同物候期刈割羊草根長、根表面積和根體積的變化Table 1 Changes of root length，surface area and volume of L.chinensis under different phenological growth stages mowing（n=3）

刈割組與對(duì)照組相比，羊草莖、葉和鞘生物量呈降低的趨勢(shì)，但是在羊草生物量分配格局中，其葉片比例平均增加了14%，莖比例平均減少了10%左右（P＜0.05，圖4）。

圖4 不同物候期刈割羊草個(gè)體莖、葉和鞘生物量及其比例的變化Fig. 4 Changes of stem，leaf and sheath biomass of individual L. chinensis and their proportions under different phenological growth stages mowing（mean±SE，n=3）

2.3 光合作用

羊草凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間二氧化碳濃度在FS 處理最高（P＜0.05，圖5）。但在凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率方面，ES 和HS 處理與CON 無顯著差異。

圖5 不同物候期刈割羊草凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率的變化Fig. 5 Changes of net photosynthetic rate，stomatal conductance，intercellular CO2 concentration and transpiration rate of L.chinensis under different phenological growth stages mowing（mean±SE，n=3）

2.4 WSC 含量變化

隨著初始刈割期從ES 期延遲到FS 期，羊草葉片WSC 含量呈增加趨勢(shì)（圖6），而FS 處理根WSC 含量則降到最低（P＜0.05）。莖和鞘在各處理間無顯著差異。

圖6 不同物候期刈割羊草莖、葉、鞘和根WSC 含量的變化Fig. 6 Changes of stem，leaf，sheath and root WSC contents of individual L. chinensis under different phenological growth stages mowing（mean±SE，n=3）

3 討論

羊草是歐亞東部溫帶草原的優(yōu)勢(shì)種，對(duì)環(huán)境反應(yīng)敏感［21］。本研究結(jié)果表明，不同物候期刈割羊草的再生響應(yīng)既有相似性，也有差異性。刈割后植物通常表現(xiàn)出較高的地上生長率，這種現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛觀察到［24-25］。植物在整個(gè)再生過程中已經(jīng)進(jìn)化出一套形態(tài)和生理機(jī)制來應(yīng)對(duì)刈割造成的傷害［26-27］。ES 處理羊草再生DM 產(chǎn)量增長緩慢，根據(jù)之前的研究，這可能是由于羊草在拔節(jié)期養(yǎng)分貯藏量低所致［28-29］。更重要的是，根系對(duì)養(yǎng)分的吸收和同化能力是羊草再生的限制因素［30-31］，ES 處理下羊草根的長度、表面積和體積在根直徑0.0～0.2 mm 處最低。這種根被認(rèn)為是細(xì)根［32］，在資源獲取方面具有重要作用［33］。刈割組羊草DM 均迅速增加，ES 處理羊草DM 再生產(chǎn)量在8 月1 日達(dá)到峰值后開始下降，但是FS 處理DM 再生產(chǎn)量仍保持增長，這和其凈光合速率高于其他處理的結(jié)果保持一致，但FS 處理羊草根WSC 含量最低。這可能因?yàn)檠虿莞蠾SC 的儲(chǔ)量與植物再生進(jìn)程有關(guān)［34］，隨著再生期的延長，羊草地上生長速度開始下降，此時(shí)羊草進(jìn)行了權(quán)衡以保證更多的WSC 被分配到根部，以確保它有足夠的養(yǎng)分儲(chǔ)存，而不是優(yōu)先增加生長［35-36］。這一結(jié)果表明，與其他處理相比，F(xiàn)S 處理不利于羊草WSC 的積累，可能是沒有足夠的再生時(shí)間。

盡管羊草的再生過程和形態(tài)不同，但不同物候期刈割時(shí)其再生DM 產(chǎn)量是接近的，特別是ES 和HS 處理，這是因?yàn)檩^長的再生周期被較低的相對(duì)再生率所抵消。然而，不同物候期刈割羊草產(chǎn)量差異顯著，因此，總DM 累積量主要由刈割前的DM 來決定?？侰P 累積產(chǎn)量在4 個(gè)處理中不成比例的增加，其中在HS 和FS 處理之間僅增加了1.54 g·m-2。這一結(jié)果表明，總CP 累積產(chǎn)量是有限的，并沒有與總DM 累積量同步。在之前的研究中也觀察到了類似的結(jié)果［37］。本研究結(jié)果表明，早刈割不利于羊草DM 累積和根系生長發(fā)育，晚刈割則不利于羊草根莖WSC 的積累，HS 刈割處理能夠獲得較高的DM 累積量，且對(duì)羊草根系的損害較小，保證羊草的可持續(xù)性生長。此外，從粗蛋白產(chǎn)量的角度來看，HS 刈割處理粗蛋白產(chǎn)量顯著高于ES 刈割處理，而FS 處理粗蛋白產(chǎn)量相較于HS 刈割處理增加不顯著，因此，HS 處理能夠獲得較高的粗蛋白產(chǎn)量。

在本研究中，與對(duì)照組相比刈割組導(dǎo)致羊草個(gè)體莖、葉和鞘生物量顯著減少。前人的研究也表明，這一現(xiàn)象與刈割導(dǎo)致的矮化形態(tài)特征相一致［12］。研究結(jié)果還表明，與CON 相比，刈割后分配到葉片上的生物量要多于莖上的生物量。這種植株大小介導(dǎo)了N、P 和C 優(yōu)先分配到葉片而不是莖［38-40］。這種現(xiàn)象被稱為“功能平衡”，植物通過刈割增加對(duì)葉片的養(yǎng)分分配來獲得更多的光照資源［41］。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，隨著刈割時(shí)間的推遲，DM 和CP 累積量顯著增加。刈割組各處理羊草再生DM 產(chǎn)量接近，但其形態(tài)特征和再生后的生理變化不同。在此過程中，ES 處理限制了根直徑在0.0～0.2 mm 和0.2～0.5 mm 下的根長、根表面積和根體積的增加，F(xiàn)S 處理則不利于WSC 積累。與CON 處理相比，HS 刈割處理可以獲得較高的DM 產(chǎn)量，且對(duì)羊草的損害較小。