紫花苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)和根系對刈割高度的響應(yīng)

楊 帆， 韋 寶， 王 瑜， 何 峰

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所， 北京 100193)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是優(yōu)良的多年生豆科牧草，因其生產(chǎn)性能優(yōu)良，營養(yǎng)價值高，被譽為“牧草王后”[1]。紫花苜蓿利用方式廣泛，可用于調(diào)制干草，青貯和放牧[2]。不同利用方式對最佳收獲時期有不同要求，而收獲時期不僅影響紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)，還會影響其再生性、持久性以及安全越冬[3-4]。因此，研究刈割時期對紫花苜蓿生長發(fā)育的影響，將為科學(xué)利用紫花苜蓿草地提供依據(jù)。

按照生育時期，紫花苜蓿干草調(diào)制時的最佳收獲時期一般為孕蕾期到初花期，此時收獲可以兼顧干草產(chǎn)量、品質(zhì)與持久性。雖然地上生物量可以持續(xù)增加到盛花期，但粗蛋白含量逐漸降低，中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量逐漸升高，紫花苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)下降[5-8]。Atis等[9]的不同刈割間隔天數(shù)的收獲時期研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長季的刈割間隔期由20天增加到40天時，刈割頻次由9次減少到4次，地上生物量由12.9 t·hm-2增加到18.6 t·hm-2，粗蛋白含量由21.2%降低到18.2%，相對飼喂價值由176.1降低到136.4。縮短刈割間隔期，增加刈割頻次，使紫花苜蓿地上生物量降低，品質(zhì)提高[10]。Moot等用紫花苜蓿高度30～35 cm作為放牧利用的最佳時期，比生育時期和間隔天數(shù)更為有效[11]。

刈割會刺激紫花苜蓿根頸生長點和基部腋芽處長出新的枝條，紫花苜蓿的再生過程主要由根頸和根系提供營養(yǎng)物質(zhì)，低于4周的刈割間隔將導(dǎo)致根頸部分消耗的營養(yǎng)物質(zhì)得不到足夠補充，降低下一茬的紫花苜蓿產(chǎn)量[12]。多項研究表明，刈割頻次過高根系生物量和根系體積總量減少[13-14]。目前，關(guān)于刈割對根系形態(tài)影響方面的研究還不夠系統(tǒng)和深入。此外，有研究表明刈割頻次過高會降低根系中氮和碳水化合物等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，這些物質(zhì)與紫花苜蓿越冬性能密切相關(guān)[15]。

我國很多紫花苜蓿生產(chǎn)區(qū)處于季風(fēng)性氣候區(qū)，雨熱同季，為了避開降雨，紫花苜蓿經(jīng)常被迫提前收獲。此外，為了獲得高質(zhì)量干草，收獲時期也會提前[16]。因此，急需了解紫花苜蓿生長對不同刈割時期的響應(yīng)機制，全面揭示不同刈割制度對紫花苜蓿生長，營養(yǎng)品質(zhì)和持久性的影響規(guī)律。本研究根據(jù)紫花苜蓿的生長高度來確定每次刈割的時間，相比于根據(jù)生育期，根據(jù)生長高度確定刈割時間更加直觀和方便判斷，因此本研究中的刈割高度是指刈割時紫花苜蓿植株的生長高度。本研究通過盆栽試驗，研究不同刈割高度對紫花苜蓿地上地下生物量，營養(yǎng)品質(zhì)，再生速度以及根系形態(tài)特征的影響，揭示紫花苜蓿生長、品質(zhì)和持久性對刈割高度的響應(yīng)規(guī)律，為我國紫花苜蓿草地更廣泛的可持續(xù)高效利用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020年11月21日—2021年4月19日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所溫室內(nèi)進(jìn)行。從河北廊坊試驗基地挖取100株生長均勻一致的3年齡紫花苜蓿植株，品種為‘北極熊’(‘Gibraltar’)，秋眠級為2.0級。從中篩選出根系構(gòu)型均勻一致的48株，將主根長度修剪至15 cm，去除側(cè)根，之后移栽至裝有營養(yǎng)土的塑料花盆中，每盆2株，于溫室內(nèi)培養(yǎng)12 d后，每盆僅留1株。溫室每日14 h恒定光照，溫度15℃～25℃，澆水使土壤含水量維持在田間持水量的40%～70%，用吡蟲啉和粘蟲板控制蚜蟲。

試驗設(shè)置4個刈割高度處理，分別在紫花苜蓿生長到30 cm(H30)，40 cm(H40)，50 cm(H50)和60 cm(H60)高度時刈割，留茬高度5 cm，每個處理6次重復(fù)。整個試驗周期內(nèi)，H30，H40，H50和H60分別刈割了4次，3次，2次和2次。為保證6個重復(fù)的株高均達(dá)到處理預(yù)設(shè)高度，部分重復(fù)的刈割高度會高于預(yù)設(shè)高度，H30，H40，H50和H60的實際平均刈割高度分別為34.77 cm，45.97 cm，51.85 cm和75.68 cm。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1地上部生長指標(biāo)的測定 試驗前測定每株材料的初始重量，每次刈割后測定地上生物量，并計算處理前生長速度，再生速度和平均生長速度。

地上生物量：105℃殺青30 min，65℃烘干48 h以上至恒重，稱重[17]；

處理前生長速度(g·(10 d)-1·pot-1)=(第一次刈割的地上生物量)/(試驗開始到第一次刈割間隔天數(shù))×10；

再生速度(g·(10 d)-1·pot-1)=(第二次刈割的地上生物量)/(第一次刈割和第二次刈割間隔天數(shù))×10；

平均生長速度(g·(10 d)-1·pot-1)=總地上生物量/總天數(shù)×10。

石警官收起笑容：“你挺有膽量?！币宰笫治逯府?dāng)梳子，將光亮的頭發(fā)梳理一陣，“不過我告誡你，在警察面前，膽量大的人往往吃虧。我不希望把事情搞僵，這對雙方都不利?！?/p>

1.2.2地上部營養(yǎng)品質(zhì)的測定 地上部分烘干粉碎，測定粗蛋白(Crude protein，CP)，中性洗滌纖維(Neutral detergent fiber，NDF)和酸性洗滌纖維(Acid detergent fiber，ADF)的含量，由動物營養(yǎng)學(xué)國家重點實驗室測定完成，并計算相對飼喂價值(Relative feed value，RFV)和粗蛋白產(chǎn)量。

CP含量采用GB/T 6432-2018飼料中粗蛋白測定方法；

NDF含量采用GB/T 20806-2006飼料中中性洗滌纖維的測定方法；

ADF含量采用NY/T 1459-2007飼料中酸性洗滌纖維的測定方法；

RFV=(88.9-0.779×ADF)×(120/NDF)/1.29；

粗蛋白產(chǎn)量(g·pot-1)=粗蛋白含量(%)×地上生物量(g·pot-1)。

1.2.3根系生長指標(biāo)和形態(tài)特征的測定 試驗前測定每株主根直徑，最后一次刈割后，測定地下生物量、主根直徑和形態(tài)特征。

地下生物量：105℃殺青30 min，65℃烘干48 h以上至恒重，稱重[17]；

形態(tài)特征：每個處理選3株，將根系放入透明丙烯酸托盤中(托盤內(nèi)水深1 cm)，利用MICROTEK Scan Maker(i800plus)以600 dpi的分辨率進(jìn)行掃描[18]，利用Win-RHIZO2017a軟件分析總根長、根系直徑，計算比根長與主根直徑變化率；

比根長SRL(m·g-1)=根長/根干重；

主根直徑變化率(%)=(刈割后主根直徑-刈割前主根直徑)/刈割前主根直徑×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

使用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析，利用回歸模型建立主根直徑與地下生物量和再生速度，刈割高度與粗蛋白產(chǎn)量和主根直徑變化率的關(guān)系方程。使用Excel 2019進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同刈割高度對紫花苜蓿地上生物量和營養(yǎng)品質(zhì)的影響

隨著刈割高度的增加，紫花苜蓿地上生物量顯著增加，而相對飼喂價值(RFV)顯著降低。H60的地上生物量最高，為9.56 g·pot-1，顯著高于其它處理(P<0.05)；而RFV最低，為146，顯著低于其他處理(P<0.05)。H30的地上生物量最低，為4.50 g·pot-1，顯著低于H50和H60 (P<0.05)；而RFV最高，為199，顯著高于其它處理(P<0.05)。H30，H40和H50的地上生物量分別較H60降低了52.93%，40.78%和32.02%，而RFV分別較H60增加了36.06%，19.68%和12.75%(圖1)。

圖1 刈割高度對地上生物量和相對飼喂價值的影響Fig.1 Effects of cutting height on aboveground biomass and relative feed value注：處理間不同字母表示差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters in treatments indicate significant difference at the 0.05 level

`2.2 不同刈割高度對紫花苜蓿生長速度的影響

刈割前，H30，H40和H50的生長速度為0.47～0.49 g·(10 d)-1·pot-1，處理間差異不顯著；H60的生長速度為0.69 g·(10 d)-1·pot-1，顯著高于其他3個處理(P<0.05)(表1)。

隨著刈割高度的增加，紫花苜蓿的再生速度逐漸增加。H60的再生速度最高，為0.63 g·(10 d)-1·pot-1，顯著高于H50處理的0.42 g·(10 d)-1·pot-1。H30的再生速度最低，僅為0.26 g·(10 d)-1·pot-1，顯著低于H50和H60處理(P<0.05)。H30，H40和H50處理的再生速度分別較H60降低了59.42%，47.89%和33.97%(表1)。

隨著刈割高度的增加，紫花苜蓿的平均生長速度逐漸增加。H60的平均生長速度最高，為0.66 g·(10 d)-1·pot-1，顯著高于H50的0.44 g·(10 d)-1·pot-1。H30的平均生長速度最低，僅為0.32 g·(10 d)-1·pot-1，顯著低于H50和H60 (P<0.05)。H30、H40和H50的平均生長速度分別較H60降低了51.75%，41.61%和32.49%(表1)。

表1 刈割高度對紫花苜蓿生長速度的影響Table 1 Effects of cutting height on growth rate of Alfalfa

2.3 不同刈割高度對紫花苜蓿根系特征的影響

隨著刈割高度的增加，地下生物量增加。H60的地下生物量最高，為2.40 g·pot-1，顯著高于其它3個處理(P<0.05)。比根長和各級細(xì)根平均直徑也隨著刈割高度的增加而增加，但處理內(nèi)變異較大。H60的比根長為21.31 m·g-1，顯著高于H30的7.14 m·g-1(P<0.05)，其它處理間差異不顯著。H60的各級細(xì)根平均直徑為0.60 mm，比H30的0.30 mm提高了1倍。刈割高度提高會使主根直徑變粗，反之主根直徑變細(xì)。H60主根直徑較刈割處理前增加了18.58%，說明主根較刈割處理前變粗；H30的主根直徑變化率為-7.86%，說明主根較刈割處理前變細(xì)(表2)。

表2 刈割高度對紫花苜蓿根系的影響Table 2 Effects of cutting height on alfalfa root characteristics

2.4 刈割高度與粗蛋白產(chǎn)量和主根直徑變化率的關(guān)系

刈割高度與粗蛋白產(chǎn)量呈現(xiàn)加速度逐漸降低的二項式曲線關(guān)系(R2=0.7135，P<0.05)(圖2)。而粗蛋白含量由27.94%降低至23.29%，粗蛋白產(chǎn)量則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

圖2 刈割高度和粗蛋白產(chǎn)量的關(guān)系Fig.2 Relationship between cutting height and crude protein yield

刈割高度與主根直徑變化率符合正相關(guān)關(guān)系(R2=0.368，P<0.05)，由刈割高度和主根直徑變化率建立的線性模型可得，刈割高度低于45.13 cm時，主根直徑變化率為負(fù)值，說明根系變細(xì)變?nèi)酰划?dāng)刈割高度大于45.13 cm時，主根直徑變化率大于0，說明根系變粗(圖3)。

圖3 刈割高度和主根直徑變化率的關(guān)系Fig.3 Relationship between cutting height and ratio of taproot diameter change

2.5 主根直徑與紫花苜蓿地下生物量和再生速度的關(guān)系

主根直徑與紫花苜蓿的地下生物量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，隨著主根直徑的增加，地下生物量顯著增加(R2=0.7126，P<0.05)。由主根直徑和地下生物量建立的線性模型可得，主根直徑增加1 mm，地下生物量增加0.46 g(圖4)。

圖4 主根直徑與地下生物量的關(guān)系Fig.4 Relationship between taproot diameter and underground biomass

主根直徑與紫花苜蓿的再生速度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，隨著主根直徑的增加，再生速度顯著增加(R2=0.4567，P<0.05)。由主根直徑和再生速度建立的線性模型可得，主根直徑增加1 mm，再生速度增加0.11 g·(10 d)-1·pot-1(圖5)。

圖5 主根直徑與再生速度的關(guān)系Fig.5 Relationship between taproot diameter and regrowth rate

3 討論

3.1 刈割高度對產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

刈割是紫花苜蓿最主要的利用方式，合理的刈割高度是收獲高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)紫花苜蓿的關(guān)鍵。本研究中，紫花苜蓿地上生物量隨刈割高度的降低(或刈割頻次的增加)而降低，而粗蛋白含量和RFV則隨刈割高度的降低而升高。當(dāng)刈割高度由H60(60 cm)降至H30(30 cm)時(刈割頻次由2次增至4次)，地上生物量降低52.93%，RVF由146升至199(圖1)。Kallenbach等[19]的試驗結(jié)果表明，當(dāng)刈割間隔期由43 d縮短為28 d時(刈割頻次由4次增至6次)，產(chǎn)量降低28%，紫花苜蓿粗蛋白含量由19.5%升至25.0%。其他研究者[4-7]也發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿粗蛋白含量隨刈割間隔期的延長而下降。其原因在于，隨著刈割高度的升高，葉面積增加，光合產(chǎn)物積累增加，紫花苜蓿莖葉比升高，ADF和NDF含量升高，粗蛋白含量下降，品質(zhì)下降。而刈割高度較低時，葉面積小，光合效率低，光合產(chǎn)物積累少，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行刈割，粗蛋白含量高，但單次刈割地上生物量小，雖然刈割頻次高，但總地上生物量和總蛋白產(chǎn)量仍舊較低。因此，刈割高度較低的頻繁刈割不利于紫花苜蓿進(jìn)行光合作用和營養(yǎng)物質(zhì)的積累。

3.2 刈割高度影響紫花苜蓿根系特征以及可持續(xù)性

紫花苜蓿刈割后，地上部分的再生需要由根頸和根系提供營養(yǎng)物質(zhì)，待冠層生長到一定程度后，地上部光合產(chǎn)物開始反饋根系，根系與再生速度緊密相關(guān)(圖5)。一般而言，不考慮田間脅迫因素的干擾，低于4周的刈割頻次會導(dǎo)致根頸部分營養(yǎng)物質(zhì)得不到足夠的補充，從而降低下一茬的紫花苜蓿產(chǎn)量[12]，繼而導(dǎo)致根系越來越弱，影響紫花苜蓿的可持續(xù)利用。

本研究中，隨著刈割高度的降低(即刈割頻次的增加)，紫花苜蓿地下生物量和主根直徑均降低，這與郭正剛[13]、王坤龍等[14]的研究結(jié)果一致。當(dāng)刈割高度由60 cm降至30 cm時，地下生物量降低45.42%，而主根直徑變化率則由18.58%降為-7.86%。其原因主要有兩方面：一方面刈割高度較低時，植株地上部進(jìn)行光合作用的葉片數(shù)量較少，導(dǎo)致光合作用生產(chǎn)力降低，光合產(chǎn)物積累量較少，根系生長緩慢；另一方面，刈割后地上部的再生需要消耗根部貯存的營養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)?shù)厣喜炕謴?fù)生長后，光合產(chǎn)物尚未足量補充至根系又要面臨下一次刈割，長此以往，根系碳水化合物的支出大于輸入，根系變細(xì)，地下生物量降低[3]。與之相反，刈割高度較高時，植株葉片存留量大，葉片產(chǎn)生的光合產(chǎn)物不僅能夠滿足自身生長的需求，還可以向地下部分輸送，促進(jìn)地下生物量的積累[20]。

另外，本研究通過建立主根直徑變化率與刈割高度的回歸方程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刈割高度為45.13 cm時主根變化率為0，我們可據(jù)此將45.13 cm設(shè)為刈割高度警戒值，低于該高度的頻繁刈割會嚴(yán)重危害紫花苜蓿根系的健康生長。而根系是植物吸收、轉(zhuǎn)化、儲存營養(yǎng)和水分的重要器官，具有支持植株和釋放分泌物的功能，其生長的健康與否又將直接影響植物的地上生物量和再生[21]。因此，在紫花苜蓿利用過程中，保持較高的刈割高度，將有利于紫花苜蓿根系生長和養(yǎng)分儲存，可以增加紫花苜蓿的利用年限和持久性。

4 結(jié)論

本研究表明，刈割高度影響紫花苜蓿地下生物量，根系直徑和比根長，進(jìn)而影響枝條的再生速度、地上生物量和營養(yǎng)品質(zhì)。根據(jù)主根直徑變化率與刈割高度的線性關(guān)系分析表明，當(dāng)刈割高度低于45.13 cm時，主根較刈割前變細(xì)，地上部分的生長會消耗根系儲存的養(yǎng)分，從而降低草地持久性，限制紫花苜蓿生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。因此，紫花苜蓿草地利用時，刈割高度不應(yīng)低于45.13 cm。