鉀肥對(duì)紫花苜?？购约疤穷愇镔|(zhì)變化的影響

陳衛(wèi)東，張玉霞，叢百明，孫明雪，田永雷，張慶昕，杜曉艷

(1內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028041；2通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028000；3 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科(Leguminosaesp.)苜蓿屬多年生草本植物，是世界上種植面積最大的牧草之一[1]。紫花苜蓿屬于耐寒的長(zhǎng)日照植物，在我國(guó)中原一帶以及西北的甘肅地區(qū)和積雪覆蓋的黑龍江地區(qū)均可安全穩(wěn)定越冬。但在內(nèi)蒙古科爾沁沙地，冬季少雪，冬春土壤溫濕度變化劇烈[2-3]，因此紫花苜蓿面臨著嚴(yán)重的低溫冷凍和倒春寒問題[4-6]。

紫花苜蓿對(duì)氮肥要求不高，但需要施用磷、鉀等肥料，紫花苜蓿對(duì)鉀的需求量高于其他任何一種元素[7-10]。前人研究表明，磷肥施用量、土壤含水量、冬灌等因素對(duì)苜蓿的抗寒性均有影響[11-13]，施用鉀肥也能提高紫花苜蓿的抗寒性[14]。有研究表明，施用鉀肥可以通過提高紫花苜蓿根頸抗氧化酶的活性而增強(qiáng)其抗寒性[14]。因此，合理施用鉀肥成為紫花苜蓿安全越冬的一個(gè)至關(guān)重要的因素。目前，關(guān)于科爾沁沙地生境下鉀肥種類及用量對(duì)苜蓿的抗寒性，以及鉀肥對(duì)低溫冷凍脅迫苜蓿糖類物質(zhì)含量的影響尚不清楚。因此，本試驗(yàn)通過大田試驗(yàn)，于秋季對(duì)紫花苜蓿進(jìn)行不同鉀肥種類(硫酸鉀和氯化鉀)及其施用量處理，越冬前期挖取不同鉀肥處理紫花苜蓿的根頸進(jìn)行冷藏(4 ℃)和冷凍(-20 ℃)，研究低溫脅迫苜蓿根頸糖類物質(zhì)含量的變化，分析紫花苜蓿在不同鉀肥種類及施用量處理下適應(yīng)低溫冷凍脅迫的抗寒保護(hù)機(jī)制，以期確定科爾沁沙地苜蓿秋季施用鉀肥的最佳種類及用量，進(jìn)而為科爾沁沙地紫花苜蓿秋季鉀肥施用方案的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古通遼市內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技示范園區(qū)(43°36′N， 122°22′E)，年平均氣溫 6.4 ℃，≥10 ℃年活動(dòng)積溫3 184 ℃；年平均日照時(shí)數(shù)3 000 h，無霜期150 d；年平均降水量379.1 mm，蒸發(fā)量是降水量的5倍；年平均風(fēng)速3～4 m/s，為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)田為新開墾的沙化草地，土壤為沙土，0～20 cm土層土壤理化性質(zhì)為：pH 8.3，有機(jī)質(zhì)含量6.4 g/kg，全氮含量0.36 g/kg，堿解氮含量35.37 mg/kg，速效鉀含量77.51 mg/kg，速效磷含量3.70 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試紫花苜蓿品種為北極熊，由北京百斯特草業(yè)有限公司提供。試驗(yàn)材料于2018年7月17日播種，播種量22.5 kg/hm2，條播行距 15 cm，播種前撒施磷酸二銨150 kg/hm2。紫花苜蓿生長(zhǎng)過程中，適時(shí)進(jìn)行噴灌、除草、病蟲害防治等田間管理。

8月20日采用溝施方式施用不同種類和不同用量的鉀肥，其中鉀肥種類為K2SO4和KCl，鉀肥(K2O)施用量設(shè)0(對(duì)照)，50，100，150，200 kg/hm25個(gè)水平。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每處理設(shè)3個(gè)重復(fù)，共30個(gè)小區(qū)，小區(qū)種植面積4 m×5 m，四周設(shè)保護(hù)行。

于封凍前期(11月20日)取樣，挖取紫花苜蓿根頸。每小區(qū)挖取根頸50株(粗細(xì)均勻一致)，平均分成2份，其中1份于4 ℃冰箱中進(jìn)行冷藏處理，另 1 份于可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱中模擬冷凍處理。處理時(shí)根頸先用脫脂棉包裹，加水適量，再用錫紙包裹，注明編號(hào)。以0 ℃為起點(diǎn)，4 ℃/h的速率降溫至-20 ℃后保持6 h，取出于4 ℃下保持12 h。2種低溫處理結(jié)束后，分別切取新鮮根頸(根頸及根頸下主根1 cm)直接進(jìn)行糖類物質(zhì)含量及根頸活力測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

參考鄒琦[15]的方法測(cè)定生理指標(biāo)，其中根頸活力采用2,3,5-三苯基氯化四氮唑(TTC)比色法測(cè)定，可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測(cè)定，蔗糖和果糖含量采用間苯二酚法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS(Data Processing System)軟件(中國(guó))進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及表格制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉀肥和低溫處理對(duì)紫花苜蓿根頸活力的影響

由表1可知，在相同鉀肥及其施用量下，冷凍處理紫花苜蓿根頸活力低于冷藏處理。在冷藏處理下，當(dāng)施用量為150 kg/hm2時(shí)，2種鉀肥處理紫花苜蓿的根頸活力均達(dá)到最高，且均顯著高于施用量0，50，100 kg/hm2處理(P<0.05)，但與施用量200 kg/hm2處理差異不顯著。在冷凍處理下，當(dāng)2種鉀肥施用量為150 kg/hm2時(shí)，苜蓿的根頸活力均顯著高于其他所有施肥處理(P<0.05)。不論是在冷藏還是在冷凍處理下，當(dāng)施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，K2SO4處理苜蓿的根頸活力均顯著高于KCl處理(P<0.05)。由此說明，秋季增施鉀肥可以增強(qiáng)紫花苜蓿的抗寒性，減緩其根頸活力的降低，其中以施用量150 kg/hm2效果最佳，且K2SO4處理強(qiáng)于KCl處理。

2.2 鉀肥和低溫處理對(duì)紫花苜蓿根頸可溶性糖含量的影響

由表2可知，在相同鉀肥及相同施用量下，冷凍處理紫花苜蓿根頸的可溶性糖含量均較冷藏處理明顯增加。在冷藏處理下，當(dāng)2種鉀肥施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，紫花苜蓿根頸的可溶性糖含量較其他處理明顯增加，并顯著高于0，50 kg/hm2處理(P<0.05)，且在施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，K2SO4處理的可溶性糖含量顯著高于KCl處理(P<0.05)。在冷凍處理下，當(dāng)K2SO4施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，苜蓿根頸的可溶性糖含量顯著高于0，50，100 kg/hm2處理(P<0.05)；當(dāng)KCl施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，苜蓿根頸的可溶性糖含量顯著高于0，50 kg/hm2處理(P<0.05)。不論是冷凍處理還是冷藏處理，在施用量為150，200 kg/hm2時(shí)，K2SO4處理苜蓿根頸的可溶性糖含量顯著高于KCl處理(P<0.05)。由此說明，秋季增施鉀肥可以提高紫花苜蓿根頸的可溶性糖含量，尤其可以有效促進(jìn)冷凍處理下苜蓿根頸可溶性糖含量的增加，且以施用150～200 kg/hm2K2SO4效果更佳。

表2 不同鉀肥處理紫花苜蓿低溫處理下根頸可溶性糖含量的變化Table 2 Changes of soluble sugar content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.3 鉀肥和低溫處理對(duì)紫花苜蓿根頸蔗糖含量的影響

由表3可知，在相同鉀肥及其施用量下，冷凍處理紫花苜蓿根頸蔗糖含量高于冷藏處理，其中當(dāng)K2SO4施用量為0，50，100，150，200 kg/hm2時(shí)，冷凍處理苜蓿根頸的蔗糖含量分別較冷藏處理提高了0.15%，12.13%，20.02%，21.46%和18.18%，當(dāng)KCl施用量為0，50，100，150，200 kg/hm2時(shí)，冷凍處理苜蓿根頸的蔗糖含量分別較冷藏處理提高0.15%，0.70%，10.36%，12.23%和10.61%，說明蔗糖也是紫花苜蓿的一種抗寒保護(hù)物質(zhì)。在冷藏處理下，施用50 kg/hm2鉀肥時(shí)紫花苜蓿根頸蔗糖含量較高；但在冷凍處理下，施用150 kg/hm2鉀肥時(shí)紫花苜蓿根頸蔗糖含量最高，總體顯著高于其他處理(200 kg/hm2KCl處理除外)，且K2SO4處理高于KCl處理。該結(jié)果說明，施用150 kg/hm2K2SO4時(shí)，紫花苜蓿根頸蔗糖含量增加最為明顯，適應(yīng)低溫能力最強(qiáng)。

表3 不同鉀肥處理紫花苜蓿低溫處理下根頸蔗糖含量的變化Table 3 Changes of sucrose content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.4 鉀肥和低溫處理對(duì)紫花苜蓿根頸果糖含量的影響

由表4可知，與冷藏處理相比，當(dāng)K2SO4施用量為0，50，100，150，200 kg/hm2時(shí)，冷凍處理紫花苜蓿根頸的果糖含量分別提高36.26%，55.45%，67.13%，67.05%和43.01%，施用相同量的KCl時(shí)，冷凍處理苜蓿根頸的果糖含量分別提高36.26%，34.86%，37.56%，45.69%和37.91%。由此可見，果糖也是紫花苜蓿的抗寒保護(hù)物質(zhì)之一。不論是冷凍還是冷藏處理下，當(dāng)2種鉀肥施用量均為150～200 kg/hm2時(shí)，紫花苜蓿根頸的果糖含量均高于其他施用量處理，且在冷凍處理下差異均達(dá)顯著水平。表明秋季增施鉀肥能夠提高紫花苜蓿根頸的果糖含量，尤其可以促進(jìn)冷凍條件下苜蓿根頸果糖含量的增加，且以施用150～200 kg/hm2K2SO4的處理效果最佳。

表4 不同鉀肥處理紫花苜蓿低溫處理下根頸果糖含量的變化Table 4 Changes of fructose content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.5 鉀肥和低溫處理對(duì)紫花苜蓿根頸淀粉含量的影響

由表5可知，在相同鉀肥及其施用量下，冷凍處理紫花苜蓿根頸的淀粉含量低于冷藏處理。與冷藏處理相比，在冷凍處理下，當(dāng)K2SO4施用量為0，50，100，150，200 kg/hm2時(shí)，苜蓿根頸的淀粉含量分別降低了16.43%，21.14%，26.47%，45.13%和34.55%，施用相同量的KCl時(shí)，淀粉含量分別降低了16.43%，18.15%，20.81%，36.52%和27.72%。在冷凍處理下，當(dāng)2種鉀肥施用量均為150 kg/hm2時(shí)，紫花苜蓿根頸的淀粉含量均為最低，且顯著低于其他施用量處理(P<0.05)；當(dāng)施用量為50～200 kg/hm2時(shí)，KCl處理的淀粉含量均顯著高于K2SO4處理。說明增施鉀肥能夠促進(jìn)淀粉的轉(zhuǎn)化，尤其以施用150 kg/hm2K2SO4的效果最為明顯。

表5 不同鉀肥處理紫花苜蓿低溫處理下根頸淀粉含量的變化Table 5 Changes of starch content in root neck of alfalfa treated with different potassium fertilizers under low temperature treatments

2.6 紫花苜蓿根頸活力與糖類物質(zhì)含量的相關(guān)性

表6顯示，在冷藏處理下，不同鉀肥種類及施用量處理紫花苜蓿的根頸活力與可溶性糖、淀粉、果糖含量呈顯著或極顯著正相關(guān)，表明可溶性糖、果糖、淀粉含量越高，根頸活力就越高，說明施用鉀肥能夠提高紫花苜蓿越冬前期的可溶性糖、果糖、淀粉含量，紫花苜蓿根頸受冷害的影響越輕。

由表6還可知，經(jīng)冷凍處理后，不同鉀肥種類及施用量處理紫花苜蓿的根頸活力與淀粉含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與蔗糖、果糖含量及KCl處理的可溶性糖含量之間呈顯著或極顯著正相關(guān)，與K2SO4處理的可溶性糖含量也呈正相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。該結(jié)果表明，在冷凍條件下，苜蓿根頸可溶性糖、蔗糖、果糖含量越高，淀粉含量越低，則其根頸活力越高，紫花苜蓿根頸受凍害的影響越輕。

表6 鉀肥和低溫處理紫花苜蓿根頸活力與糖類物質(zhì)含量的相關(guān)性Table 6 Correlation between alfalfa root neck vitality and carbohydrate contents under potassium fertilizer and low temperature treatments

3 討 論

根頸是豆科牧草重要的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸器官，根頸的生長(zhǎng)狀況及其活力水平直接影響牧草的抗寒能力，因此根頸活力可以反映紫花苜?？购缘膹?qiáng)弱，根頸活力高的品種抗寒性越強(qiáng)[16]。有研究表明，在低溫脅迫下，與紫花苜蓿同是宿根的“野牛草”(Buchloedactyloides)的根頸活力與植物抗寒性呈顯著的正相關(guān)關(guān)系[17]。本研究結(jié)果表明，與冷藏處理相比，冷凍處理紫花苜蓿根頸活力明顯降低，不同鉀肥種類及用量處理亦存在一定差異，但無論是低溫冷藏還是冷凍，兩種鉀肥施用量均以150 kg/hm2(K2O)時(shí)根頸活力最大，且K2SO4處理紫花苜蓿的根頸活力高于KCl處理。

可溶性碳水化合物是植物抗寒性的重要保護(hù)物質(zhì)之一。作為滲透保護(hù)物質(zhì)，其可提高細(xì)胞液的濃度，增加細(xì)胞持水組織中的非結(jié)冰水，從而降低細(xì)胞質(zhì)的冰點(diǎn)，提高植物抗寒性[18]。碳水化合物是植物同化作用的主要產(chǎn)物，其中的可溶性糖和淀粉不僅可以為植物代謝提供重要能量，還能在一定程度上反映植物對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)策略[19-21]。王淑杰等[22]對(duì)不同葡萄品種抗寒性的分析發(fā)現(xiàn)，抗寒性強(qiáng)的葡萄品種的可溶性糖含量均高于抗寒性弱的品種。郝培彤等[23]研究了不同水分處理對(duì)紫花苜蓿抗寒性的影響，表明干旱處理會(huì)顯著影響紫花苜蓿根頸蔗糖、果糖的積累，蔗糖、果糖含量越高紫花苜蓿越冬存活率越高。由此說明，蔗糖、果糖、可溶性糖均是紫花苜蓿的抗寒保護(hù)物質(zhì)。本研究結(jié)果表明，與冷藏處理相比，冷凍處理紫花苜?？扇苄蕴恰⒄崽?、果糖含量均明顯增加，亦證明可溶性糖中的蔗糖、果糖是紫花苜蓿的抗寒保護(hù)物質(zhì)。關(guān)于淀粉對(duì)紫花苜?？购缘挠绊?，已有學(xué)者進(jìn)行了研究，例如朱愛民等[16]和王偉東等[24]研究了末次刈割對(duì)紫花苜?？购缘挠绊?，發(fā)現(xiàn)隨著末次刈割時(shí)間的推遲，苜蓿根頸中的淀粉含量呈下降趨勢(shì)，紫花苜蓿的越冬存活率也隨之下降。因此，越冬前植物根頸積累的淀粉越多，植物越冬存活率越高。以上研究表明，淀粉雖然未直接參與越冬期植物的滲透保護(hù)作用，但淀粉是植物體內(nèi)可溶性糖、果糖和蔗糖的源。在本研究中，冷凍處理紫花苜蓿根頸的淀粉含量明顯低于冷藏處理，表明在冷凍條件下有更多的淀粉轉(zhuǎn)化為了小分子的可溶性糖，從而能抵御-20 ℃低溫對(duì)根頸的傷害。

適當(dāng)施用鉀肥能促進(jìn)糖代謝，增加植物組織的糖分含量[25]。張曉燕等[26]的大田試驗(yàn)結(jié)果表明，施鉀可以促進(jìn)紫花苜蓿碳水化合物 (尤其是可溶性糖)的合成。李亞姝等[27]分析了鉀元素對(duì)紫花苜蓿碳水化合物分配的影響，表明施鉀提高了紫花苜蓿的碳水化合物含量，并可以調(diào)控其在紫花苜蓿各器官中的合理分配，進(jìn)而增強(qiáng)紫花苜蓿的抗性。周敏[28]研究了鉀肥對(duì)刺葡萄果實(shí)糖分積累的影響，表明鉀營(yíng)養(yǎng)可以影響果實(shí)糖分代謝相關(guān)酶的活性，適量供鉀可以促進(jìn)蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性的升高，從而提高葡萄果實(shí)的糖分含量。本研究亦得到同樣的結(jié)果，說明鉀肥能促進(jìn)紫花苜?？扇苄蕴穷愇镔|(zhì)的積累，在低溫脅迫下可以促進(jìn)淀粉轉(zhuǎn)化為可溶性糖，尤其是果糖和蔗糖，以提高紫花苜蓿的抗寒性。

4 結(jié) 論

不論是在冷凍還是在冷藏條件下，施用不同量的K2SO4和KCl，均會(huì)對(duì)紫花苜蓿根頸活力和可溶性糖、蔗糖、果糖、淀粉含量產(chǎn)生明顯的影響，其中施用150 kg/hm2的K2SO4和KCl，總體上均可以明顯提高紫花苜蓿的根頸活力和可溶性糖、蔗糖、果糖含量，降低根頸的淀粉含量，且以K2SO4處理的效果優(yōu)于KCl處理。由此可知，施用鉀肥可以通過促進(jìn)紫花苜蓿根頸蔗糖、果糖等可溶性糖類物質(zhì)的積累，從而提高紫花苜蓿的抗寒性，其中K2SO4對(duì)苜?？购缘脑鰪?qiáng)效果優(yōu)于KCl，在科爾沁沙地施用150 kg/hm2K2SO4(K2O)有利于紫花苜蓿的安全越冬。