孟繁瀅，金乃軒，王自奎

（蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院 / 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 / 草業(yè)科學國家級實驗教學示范中心, 甘肅 蘭州 730020）

紫花苜蓿(Medicago sativa)具有產(chǎn)量高、適口性好、營養(yǎng)價值高、環(huán)境適應能力強等優(yōu)點[1]，是我國種植面積最大的優(yōu)質牧草之一[2]。黃土高原地區(qū)是我國農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要基地[3]，該地區(qū)光照充足但水資源短缺，一定程度上限制了當?shù)貎?yōu)質牧草的生長[4]。紫花苜蓿作為抗旱能力強的高耗水飼草作物[5]，其大面積的種植會造成黃土高原地區(qū)深層土壤干燥化，最終導致紫花苜蓿草地退化，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展造成不利影響[6-7]。如何在提高飼草作物產(chǎn)量的同時減少水分消耗成為干旱半干旱地區(qū)亟待解決的問題。

大量學者在水分、光照對紫花苜蓿生長的影響以及水分利用等方面進行了研究。Thompson 和Fick[8]發(fā)現(xiàn)土壤水分過多不利于紫花苜蓿根系的生長。李新樂等[9]發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿生長早期對水分虧缺反應相對敏感，輕度干旱處理顯著降低莖分枝數(shù)，從而降低地上生物量。陸姣云等[2]發(fā)現(xiàn)隨著水分脅迫的減小，紫花苜蓿的株高表現(xiàn)出顯著差異，呈現(xiàn)出逐漸遞增的趨勢；輕度水分脅迫有利于紫花苜蓿地上生物量以及水分利用效率的提高。Cao 等[10]發(fā)現(xiàn)，通常水分虧缺會降低紫花苜蓿全生育期的耗水量。光合作用是牧草生長的基礎，是牧草生產(chǎn)力構成的最主要因素，對牧草地上生物量起至關重要的作用。隨著光照強度的降低，不同品種的紫花苜蓿株高呈現(xiàn)逐漸降低或先增高后降低的趨勢，葉片數(shù)表現(xiàn)出顯著下降的趨勢[11]，葉片光合速率降低，植物生物量下降[12]。馬至良等[13]研究證明，隨著光照強度逐漸降低，紫花苜蓿地上部分積累的生物量逐漸減少，光照強度顯著影響了地上生物量的積累。

基于此，本研究擬根據(jù)黃土高原半干旱區(qū)日照時間長、降水量少的氣象特征，設置兩種光照強度及兩種水分水平，研究光照強度和水分供應對紫花苜蓿的生長動態(tài)、地上生物量和水分利用的變化規(guī)律，闡明光照強度和水分水平對紫花苜蓿的影響，以期為黃土高原半干旱環(huán)境下紫花苜蓿的種植模式以及栽培管理提供理論依據(jù)。

1 試驗設計與研究方法

1.1 試驗設計

本研究在蘭州大學草地農(nóng)業(yè)科技學院實驗室控光植物培養(yǎng)架上進行。試驗采用完全隨機試驗設計，設置高水(田間持水量的70%～100%)和低水(為田間持水量的50%～70%)兩個供水水平；高光[總輻射接受量約為20.7 MJ·(m2·d)-1，相當于晴天的太陽輻射]和低光[總輻射接受量約為14.8 MJ·(m2·d)-1，相當于半陰天的太陽輻射]兩個光照強度，共4 個處理，即高水高光、高水低光、低水高光和低水低光。每個處理設置3 個重復，共計12 盆。其中，高水和低水處理每7 d 通過稱重法控制土壤水分含量；高光和低光處理分別通過模擬自然光補光 燈 給 植 株 提 供480 和340 W·m-2光 照 強 度 的 光源，所有處理每天光照14 h。供試土壤為蘭州市榆中縣農(nóng)田耕層土，裝入直徑為24 cm、深度為25 cm的花盆內，土壤質地為沙壤土，田間持水量約為24%(體積含水量)，根據(jù)土壤容重為1.30 g·cm-3裝土，每桶約16 kg 土壤。

選用‘隴東苜?！癁楣┰嚻贩N，每桶采用穴播種植20 株，播種7 d 后出苗，24 d 后定苗，每盆選取10 株長勢均勻的幼苗，密度約為221 plant·m-2，并開始試驗處理，播種90 d 后苜蓿達到初花期并收獲。

1.2 測定項目與方法

葉片數(shù)、葉面積與株高：試驗開始階段，在每個處理組均選出一株長勢良好且據(jù)代表性的植株并標記。于播種后第24 日、第31 日、第38 日、第45 日、第53 日、第66 日用尺子測量該植株所有葉片的葉長與葉寬并清點單株葉片數(shù)。葉面積計算公式[14]為：

式中：A為紫花苜蓿葉面積，單位為cm2；K為校正系數(shù)；L為葉片的葉長，單位為cm；W為葉片的葉寬，單位為cm。校正系數(shù)K取0.736 6。

地上生物量：將所有處理的紫花苜蓿于收獲時齊地面刈割，測定其鮮重，再將植物鮮樣于105 ℃下殺青30 min，65 ℃下烘干至恒重，稱其地上生物量。

根系生物量：地上生物量收獲后，將根系與土分離洗凈。先將土樣裝入直徑為0.149 mm 網(wǎng)篩中進行至少8 h 的浸泡，待土塊完全變軟后通過水沖洗，用鑷子進行根系的挑揀和整理。最后將整理好的根系放置在65 ℃的烘箱中烘干至恒重，獲得根系生物量。

根冠比：紫花苜蓿地下生物量干重與地上生物量干重之比即為根冠比[15]。

生育期耗水量(ETa)：通過水量平衡法計算[16]。

式中：I為灌溉水量(mm)，ΔW為生育期末土壤儲水量與生育期初土壤儲水量之差(mm)。

水分利用效率：飼草作物的水分利用效率(water use efficiency, WUE, kg·m-3)為單位耗水生產(chǎn)地上生物量的效率[16]。

式中：DM為作物地上生物量(kg·m-2)；ET為作物生育期耗水量(mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 匯總、整理和處理。采用SPSS 22.0 對測得數(shù)據(jù)進行雙因素方差分析(α=0.05)。采用Origin 軟件作圖。

2 結果

2.1 紫花苜蓿葉片數(shù)和葉面積

2.1.1 紫花苜蓿葉片數(shù)

各處理下的紫花苜蓿葉片數(shù)在播種后38 d 內均緩慢增長。播種后的38～53 d，高水低光、高水高光、低水低光處理下的紫花苜蓿葉片數(shù)大幅增長，在53 d 分別是低水高光處理的2.4 和2.6、2.3倍(圖1)。在此階段，高水處理下紫花苜蓿葉片數(shù)增長量較低水處理多，說明紫花苜蓿在快速生長時期葉片的生長發(fā)育受水分影響較大。收獲時，高水低光處理下的紫花苜蓿葉片數(shù)最多，分別較高水高光、低水低光、低水高光處理增加3.8%、42.2%和379.7%。

圖1 不同光照強度和水分水平下的紫花苜蓿葉片數(shù)Figure 1 Changes in alfalfa leaf number under different light intensities and water levels

2.1.2 紫花苜蓿葉面積

各處理下的紫花苜蓿葉面積在播種后38 d 內均緩慢增長，播種后的38～53 d，高水低光、高水高光、低水低光處理下的紫花苜蓿葉面積大幅增長(圖2)。收獲時高水低光處理下的紫花苜蓿葉面積最高，較高水高光、低水低光、低水高光處理分別增加116.1%、116.5%和2 194.2%，表明高水低光條件最有利于紫花苜蓿葉面積的增加。

圖2 不同光照強度和水分水平下的紫花苜蓿葉面積Figure 2 Changes in alfalfa leaf area under different light intensities and water levels

在兩種光照強度處理下，高水處理的葉片數(shù)和葉面積均較低水處理多。高水高光的葉片數(shù)與葉面積較低水高光分別增加362.1%和961.7%，高水低光較低水低光分別增加42.2%和116.5%。這表明隨著土壤水分含量的減少，單株葉片數(shù)和葉面積減少，降低了蒸騰表面積，減少了水分散失，且在高光條件下，此現(xiàn)象更加明顯。在高水處理下，低光處理比高光處理葉片數(shù)僅增加3.8%，但葉面積增加了116.1%，這說明在水分充足的條件下，紫花苜蓿會以增加單片葉子的葉面積的形式來應對光照強度不足的情況，加強植物光合作用。在低水高光條件下，播種53 d 后，紫花苜蓿出現(xiàn)葉片凋落以及死亡現(xiàn)象，葉片數(shù)以及葉面積降低。

2.2 紫花苜蓿地上和根系生物量及根冠比

2.2.1 紫花苜蓿地上生物量

光照強度對紫花苜蓿地上生物量具有極顯著影響(P< 0.001)，高水低光處理的紫花苜蓿地上生物量較高水高光處理顯著增加了32.6%，低水低光處理的紫花苜蓿地上生物量較低水高光處理顯著增加了592.5%。水分梯度對紫花苜蓿地上生物量有極顯著作用(P< 0.001)，高水高光處理的紫花苜蓿地上生物量較低水高光處理增加779.1%，高水低光處理的紫花苜蓿地上生物量較低水低光處理增加68.4%。表明低光處理與高水處理更有利于紫花苜蓿的生長。光照強度與水分梯度的交互作用在地上生物量中達到了顯著水平(P< 0.05)。高水低光處理的紫花苜蓿地上生物量最高，為15.97 g·plant-1，比低水高光處理顯著增加1 065.9%。4 個處理中，高水低光處理更有利于紫花苜蓿地上生物量的積累(圖3)。

圖3 不同光照強度和水分水平下的紫花苜蓿地上生物量Figure 3 Aboveground biomass of alfalfa under different light intensities and water levels

2.2.2 紫花苜蓿根系生物量

紫花苜蓿根系生物量受光強、水分和兩者交互的顯著影響(P< 0.05)，且隨土壤水分減少而降低，隨光照強度的降低而增加。在兩種水分處理下，低光處理的紫花苜蓿根系生物量較高光處理平均增加了70.3%，在兩種光照處理下，高水處理的紫花苜蓿根系生物量較低水處理平均增加了80.9%。4 個處理中，高水低光處理的根系生物量最高，為9.26 g·plant-1，較高水高光處理、低水低光處理、低水高光處理分別高6.5%、11.5%和471.8% (圖4)。說明在光照強度較低、水分充足的條件下紫花苜蓿根系能夠更好地生長。

圖4 不同光照強度和水分水平下的紫花苜蓿根系生物量Figure 4 Root biomass of alfalfa under different light intensities and water levels

2.2.3 紫花苜蓿根冠比

光照強度與水分梯度對紫花苜蓿根冠比有顯著影響(P< 0.05)。高水高光處理的紫花苜蓿根冠比較高水低光處理增加了26.0%，低水高光處理的紫花苜蓿根冠比較低水低光處理增加了33.4%。低水高光處理下的紫花苜蓿根冠比較高水高光處理增加了61.0%，低水低光處理下的紫花苜蓿根冠比較高水低光處理增加了52.1%。表明在高水處理以及低光處理下，紫花苜蓿減少了對根部生物量的分配、增加了地上生物量。4 個處理中，低水高光處理的紫花苜蓿根冠比最高，比高水低光顯著高102.9%，表明高水低光處理最有利于植物對地上生物量的分配(圖5)。

圖5 不同光照強度和水分水平下的紫花苜蓿根冠比Figure 5 Root to shoot ratio of alfalfa under different light intensities and water levels

2.3 紫花苜蓿的耗水量和水分利用效率

2.3.1 紫花苜蓿耗水量

紫花苜蓿不同生長階段平均日耗水量均呈先增加再降低的趨勢，符合植物耗水先增后減的特點。日平均耗水量從高到低為高水高光處理、高水低光處理、低水低光處理、低水高光處理(表1)。

表1 不同光照和水分處理下紫花苜蓿不同生長階段的耗水量Table 1 Water consumption of alfalfa during different growth periods under different light intensities and water levels mm

水分處理對紫花苜蓿耗水量有顯著影響(P<0.05)，在兩種光照處理下，高水處理下的紫花苜蓿耗水量比低水處理平均增加68.8%，光照處理對紫花苜蓿耗水量有極顯著影響(P< 0.001)，在兩種水分處理下，高光處理下的紫花苜蓿耗水量比低光處理平均多10.5% (圖6)。

圖6 不同光照和水分處理下的紫花苜蓿全生育期耗水量Figure 6 Water consumption during the whole growth period of alfalfa under different light intensities and water levels

2.3.2 紫花苜蓿水分利用效率

水分處理對紫花苜蓿水分利用有極顯著影響(P< 0.001)。兩種光照強度下，高水處理下的紫花苜蓿水分利用效率比低水處理平均增加了65.5%。光照處理對紫花苜蓿水分利用效率有極顯著影響(P< 0.001)，在兩種水分處理下，高光處理下的紫花苜蓿水分利用效率較低光處理平均減少了60.0%。光照處理與水分處理的交互作用對紫花苜蓿的水分利用效率有顯著影響(P< 0.05)。高水低光處理下的紫花苜蓿水分利用效率最高，分別比低水低光處理、高水高光處理、低水高光處理顯著增加21.2%、68.8%和629.8% (圖7)。

圖7 不同光照和水分處理下紫花苜蓿的水分利用效率Figure 7 Water-use efficiency of alfalfa under different light intensities and water levels

3 討論

光照與水分是影響紫花苜蓿生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，其對不同光與水環(huán)境的響應策略具有很大差異。葉片是植物進行光合作用的主要器官和蒸騰作用的重要部位[17]。研究表明，植物在弱光環(huán)境下相對生長速率放緩，通過改變其外部形態(tài)、增加對莖和葉的分配、增加葉面積比來適應弱光環(huán)境[12,18]。在任何一個生育期，紫花苜蓿遭受干旱脅迫時，葉面積均明顯降低[19]。本研究中，在相同水分處理下，低光處理的紫花苜蓿葉面積均顯著高于高光處理；在相同光照強度處理下，高水處理的紫花苜蓿葉面積均顯著高于低水處理，這與之前的研究結果相同。本研究中，低水高光處理的葉片數(shù)與葉面積于播種后53～66 d 降低是因為該處理下紫花苜蓿的正常生理活動受到嚴重影響，植株出現(xiàn)枯萎甚至死亡的狀況。在4 個處理中，高水低光處理下的紫花苜蓿葉片數(shù)與葉面積均最高，其次是高水高光、低水低光、低水高光處理，表明高水低光處理最適合紫花苜蓿葉片的生長。

水分短缺會導致牧草的生長受到抑制，對牧草生產(chǎn)造成嚴重損失。光照強度相同的情況下，高水處理下的紫花苜蓿地上生物量均顯著高于低水處理，這主要是因為土壤水分較低時植物光合累積減少，且干旱條件更有利于光合產(chǎn)物向根系的分配，使地上生物量的積累減小；而土壤水分較高時更有利于光合作用和地上部的發(fā)育[20]。覃鳳飛等[12]研究證明紫花苜蓿的根冠比隨土壤含水量的減小而增加，植株將更多的同化物分配到根系生長以汲取水分，從而提高了其抗旱性。王國良等[21]研究表明，隨著光照強度逐漸減弱，紫花苜蓿地上部分積累的生物量逐漸減少，光照強度顯著影響了地上生物量的積累。本研究中，在相同水分處理下，低光處理的紫花苜蓿的地上生物量均顯著高于高光處理，根冠比均低于高光處理。說明植物在低光條件下可以通過改變其外部形態(tài)、減少對根系生物量的分配增加對光能的捕獲和利用以滿足其生長發(fā)育的需求[22]。

水分利用效率能夠一定程度地反映植物對水分處理的響應[23]。水分利用效率受許多因素的影響，其中水分和光照強度是影響紫花苜蓿水分利用效率的重要因素[24-25]，隨著水分虧缺程度的增加水分利用效率隨之降低[5]。劉國利[23]發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿水分利用效率與水分虧缺的關系，表現(xiàn)出適當?shù)乃痔澣蹦軌蛱岣咚掷眯?。龍明秀等[25]發(fā)現(xiàn)，光合有效輻射與紫花苜蓿水分利用效率呈極顯著負相關。本研究中，在同一光照強度條件下，低水處理的紫花苜蓿水分利用效率均高于高水處理，同一水分條件下，低光處理地紫花苜蓿水分利用效率均高于高光處理，與前人研究相符。

4 結論

高水低光處理是本研究4 種管理模式下紫花苜蓿的葉片數(shù)、葉面積最大，地上生物量最高，根冠比最低，水分利用效率最高的管理模式。在相同水分處理下，低光處理的紫花苜蓿平均較高光處理耗水量低，水分利用效率高，因此，在干旱地區(qū)可通過對紫花苜蓿適當遮光、林草復合種植與玉米苜蓿間作結合等方式優(yōu)化苜蓿的光照環(huán)境，提高紫花苜蓿的水分利用效率，減少苜蓿對旱地土壤水分的過度消耗[26-28]，以改善旱作農(nóng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。