引用本文
汪精海, 齐广平, 康燕霞, 马彦麟, 史晓巍, 朱璇浩. 干旱半干旱地区紫花苜蓿营养品质对水分胁迫的响应. 草业科学, 2017,34(1):112-118
Wang Jing-hai, Qi Guang-ping, Kang Yan-xia, Ma Yan-lin, Shi Xiao-wei, Zhu Xuan-hao. Effects of water stress on nutritional quality of alfalfa in arid and semiarid areas. Pratacultural Science,2017,34(1): 112-118  
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干旱半干旱地区紫花苜蓿营养品质对水分胁迫的响应
汪精海, 齐广平, 康燕霞, 马彦麟, 史晓巍, 朱璇浩
甘肃农业大学工学院,甘肃 兰州 730070
通信作者:齐广平(1969-),男,甘肃庆阳人,教授,博士,主要从事节水灌溉技术研究。E-mail:qigp@gsau.edu.cn

第一作者:汪精海(1981-),男,甘肃景泰人,在读博士生,主要从事水资源高效利用研究。E-mail:wangjh@gsau.edu.cn

收稿日期: 2016-11-11
基金: 国家重点研发计划“水资源高效利用专项”(2016YFC0400306); 农业行业专项项目(201403048-8); 甘肃省科技支撑项目(1504NKCA003)
摘要

随着用水总量的严格控制,干旱半干旱缺水地区紫花苜蓿( Medicago sativa)品质对水分的响应研究极为重要。在充分灌溉(4 200 m3·hm-2)、充分灌溉量的80%(3 360 m3·hm-2)和充分灌溉量的60%(2 520 m3·hm-2)条件下,测定苜蓿茎叶比和营养品质指标,研究水分胁迫与苜蓿营养品质间的关系,明确苜蓿营养品质对水分胁迫的响应。结果表明,整个生长期,苜蓿产草量(茎重+叶重)、粗蛋白含量、粗脂肪、粗灰分含量基本遵循第1茬>第2茬>第3茬,酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维含量与之相反;充分灌溉量的80%与充分灌溉和充分灌溉量的60%相比,产草量分别增加5.10%和10.60%,粗蛋白含量平均增加9.60%、22.74%,粗脂肪含量平均增加3.33%、7.90%,酸性洗涤纤维平均降低8.57%、13.30%,中性洗涤纤维平均降低6.51%、11.56%,粗灰分含量平均增加3.20%、4.54%,因此灌水量为充分灌溉量的80%灌溉有利于提高干旱半干旱地区水资源利用效率和苜蓿的营养品质。

关键词: 茎叶比; 营养水平; 灌水量; 节水灌溉; 充分灌溉; 生长期
中图分类号:S816;S541+103.4;Q945.78 文献标志码:A 文章编号:1001-0629(2017)1-0112-07 doi: 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0240
Effects of water stress on nutritional quality of alfalfa in arid and semiarid areas
Wang Jing-hai, Qi Guang-ping, Kang Yan-xia, Ma Yan-lin, Shi Xiao-wei, Zhu Xuan-hao
Engineering College of Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
Corresponding author: Qi Guang-ping E-mail:qigp@gsau.edu.cn
Abstract

This study examined the effects of water stress on nutritional quality of alfalfa in arid and semiarid areas, which are under strict controls of water consumption. We conducted a field experiment considering alfalfa under full irrigation conditions (4 200 m3·hm-2), 80% full irrigation (3 360 m3·hm-2), and 60% full irrigation (2 520 m3·hm-2), and measured the stem-leaf ratio and nutritional quality index. We found that throughout the growing season, there were significant differences in the distribution of crude protein, ether extract and crude ash among different cuttings. The size of these differences declined from the first cutting to the third cutting. In leaf-stem ratio, neutral detergent fiber content, and acid detergent fiber content, this trend was reversed. Further analysis showed that in comparison with full irrigation, yield from plants irrigated at 80% increased by 5.10%, and in comparison with 60% full irrigation, yield from plants raised under 80% irrigation increased by 10.60%. Under the same comparisons, crude protein content rose 9.60% and 22.74%, ether extract content rose 3.33% and 7.90%, acid detergent fiber content fell 8.57% and 13.30%, content of neutral detergent fiber fell 6.51% and 11.56%, and crude ash content rose 3.20% and 4.54%. We conclude that 80% full irrigation during the growing season is an optimum level for improving water use efficiency and nutritional quality of alfalfa in arid and semiarid areas.

Keyword: stem-leaf ratio; nutritional quality; irrigation amount; water-saving irrigation; full irrigation; growing period

紫花苜蓿(Medicago sativa)作为一种高产、优质、蛋白质含量高及抗逆性强的饲草饲料作物, 被誉为“ 牧草之王” , 在全球畜牧业发展中发挥着重要的作用[1, 2, 3, 4]。我国苜蓿单位面积产量低, 干草品质差, 总量供应不足, 优质苜蓿尤为紧缺, 与苜蓿产业发达国家相比, 差距甚大[5, 6]。未来伴随着中国苜蓿的大面积种植, 提高苜蓿品质是必然要求[7, 8]。

水分是影响苜蓿品质的重要因素, 随着用水总量的严格控制, 干旱半干旱地区变化水分条件下苜蓿优质高产以及抗旱性能研究极为重要。目前灌溉量对苜蓿营养品质方面已有一些研究报道, 有研究表明整个生长期灌溉量保持在最大土壤饱和持水量的85%时, 紫花苜蓿品质最优[9]; 第2茬苜蓿粗蛋白质、粗脂肪和粗灰分均与灌溉量大小呈正相关关系; 粗纤维和酸性洗涤纤维与灌溉量呈极显著负相关关系[10]; 第1茬和第2茬苜蓿在节水20%灌溉时的粗蛋白、粗脂肪含量低于节水40%灌溉和常规灌溉[11]; 第2茬苜蓿亏水程度越重, 苜蓿的粗蛋白含量越高[8]; 第1茬苜蓿灌溉量为常规灌溉量的95%时苜蓿品质达到了最优[12]。通过上述研究可以发现水分胁迫对于苜蓿品质具有重要影响, 但目前从整个生长期、生育期等多角度出发, 综合研究苜蓿营养品质对灌溉量的动态响应方面的报道较少。为此, 本研究重点探讨干旱半干旱地区水分胁迫下紫花苜蓿不同生长阶段营养品质指标的动态变化, 确定灌溉量与苜蓿营养品质间的关系, 以期为干旱半干旱地区苜蓿灌溉制度的制定、苜蓿优质高产、水资源高效利用和苜蓿抗旱性能的研究提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

试验甘肃农业大学兰州牧草试验站内进行, 位于兰州市安宁区, 地理位置为34° 05' N, 105° 41' E, 海拔1 551 m。年均降水量324.85 mm, 主要集中在7月-9月, 年均蒸发量1 448 mm, 多年平均无霜期为90~210 d, 属于温带大陆性气候。试验地地势平坦, 肥力均匀。土壤类型为黄绵土, 土层厚度为80 cm, 土壤有机质含量0.84%, pH 7.28, 土壤全盐量0.247%, 有效氮95.05 mg· kg-1, 有效磷7.32 mg· kg-1, 有效钾182.8 mg· kg-1(土壤肥力状况均采用常规方法测定)。

供试品种为3年生紫花苜蓿游客, 2012年秋季播种, 播种量15 kg· hm-2, 条播, 行距为20 cm, 播深为1.5~2.0 cm, 播前施3.0× 106 kg· hm-2有机肥作基肥, 在第1茬返青期和每茬刈割后追施氮肥120 kg· hm-2、磷肥150 kg· hm-2, 此后根据土壤养分情况, 减少氮肥用量。

1.2 试验设计

苜蓿采用小畦灌溉, 灌溉水源是生活用水, 输水管上接阀门和水表(精度0.001 m3), 控制测量灌水量。查阅相关文献并借鉴当地苜蓿灌溉历史资料, 设Q3为充分灌溉, 灌溉后土壤含水量达到田间最大持水量的 75%~100%, Q2为充分灌溉量的80%, Q1为充分灌溉量的60%(表1), 共设3个处理。根据作物-土壤需水模型等计算, 灌水量计算应用公式:

m=Mmax-Mmin=667× ρ 土× H(β max-β min)/ρ 水.

式中:m, 某次灌水量(m3· hm-2); Mmax, 土壤计划湿润层内允许的最大贮水量(m3· hm-2); Mmin, 土壤计划湿润层内允许的最小贮水量(m3· hm-2); ρ 土, 计划湿润层内土壤的干容重(t· m-3); ρ 水, 水的容重( t· m-3); H, 某一时段土壤计划湿润层深度(m); β max, 某时段内土壤允许的最大含水率(%); β min, 土壤允许的最小含水率(或灌水前土壤含水率, %)。

表1 苜蓿不同灌溉处理试验设计 Table 1 Different irrigation treatment designs of alfalfa

根据苜蓿生长特性和当地灌溉历史, 苜蓿按3次刈割计算, 第1次刈割前用水占总定额50%, 其中返青期、分枝期、现蕾期、初花期用水量分别占第1次刈割前用水量的10%、25%、50%、15%(初花期灌溉5 d后进行刈割); 第2次刈割前用水占总定额45%, 其中分枝期、现蕾期用水量分别占第2次用水量的45%、55%; 第3次刈割前用水占总定额5%, 其中分枝期、现蕾期用水量分别占第3次用水量的55%、45%。各处理分别设3个重复, 共9个小区, 小区面积10 m× 2 m即20 m2, 小区与小区之间开挖100 cm深的隔离带, 用防渗膜隔离后原土回填。

1.3 测定指标及方法

株高:每个小区定株20株测定样本, 每隔7 d测定其生长高度, 取平均值。

茎叶比:在每个生育时期末每个小区随机选取鲜样10株, 3次重复, 人工分离茎叶, 在电子天平上分别称量茎和叶的重量, 计算茎叶比。

品质分析指标:粗蛋白质采用凯氏定氮法测定; 粗脂肪采用索氏法测定; 粗灰分采用灼烧法测定; 中、酸性洗涤纤维采用Van Sorest法测定。

1.4 数据分析

利用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19.0进行数据统计、方差分析和显著性检验, 用“ 平均值± 标准差” 表示测定结果, 采用Excel 2007制图。

2 结果
2.1 水分胁迫对紫花苜蓿茎叶比的影响

在苜蓿的整个生长期, 苜蓿鲜重(茎鲜重+叶鲜重)表现为第1茬> 第2茬> 第3茬, 初花期> 现蕾期> 分枝期, 且茎增长快于叶(图1); 苜蓿的鲜重对水分供应状况的敏感度表现为第1茬> 第2茬> 第3茬, 分枝期> 现蕾期或初花期; 整个生长期Q3条件下的鲜重比Q2和Q1时分别提高5.1%、10.6%。

图1 不同灌溉处理对苜蓿茎叶鲜重的影响
注:不同小写字母表示同一生育期不同水分处理间茎叶重量差异显著(P< 0.05)。Q1, Q2, Q3分别表示充分灌溉、充分灌溉量的80%和充分灌溉量的60%。Fig.1 Effects of different irrigation treatments on stem and leaf weight of alfalfa
Note: Different lower case letters indicate significant differences of the fresh weight of the stem and leaf among different irrigation treatments in the same stage at the 0.05 level. Q1, Q2, Q3 indicate full irrigation, 80% of full irrigotion and 60% of full irrigation, respectively.

相同水分处理下, 在同一生育时期, 茎叶比基本表现第1茬> 第3茬> 第2茬(表2); 在同一茬次, 茎叶比基本表现为初花期> 现蕾期> 分枝期。不同水分处理下, 在同一生育时期, 茎叶比大多表现为Q3或Q1> Q2, 除第1茬的分枝期、第2茬的现蕾期外, Q3、Q1、Q2差异显著(P< 0.05)。整个生长期灌水量对茎叶比的影响基本表现Q3> Q1> Q2。苜蓿茎叶比越小, 营养价值相对越高, 说明适量的水分亏缺有利于苜蓿营养价值的积累[13]。

表2 不同灌溉处理苜蓿茎叶比 Table 2 The ratio of stem weight to leaf weight of alfalfa under different irrigation treatments
2.2 水分胁迫对紫花苜蓿营养品质的影响

2.2.1 水分胁迫对苜蓿粗蛋白的影响 对苜蓿整个生长期不同灌水量下的粗蛋白含量进行分析, 相同水分处理下, 在同一生育时期, 粗蛋白含量大多表现为第1茬> 第2茬> 第3茬(表3); 在同一茬次, 粗蛋白含量基本为分枝期> 现蕾期> 初花期。在苜蓿的整个生长期灌水量对粗蛋白含量的影响基本表现为Q2> Q3> Q1, 各个茬次和生育时期变化趋势基本相同, 在整个生长期Q2比Q3、Q1时粗蛋白含量平均升高9.60%、22.74%, 说明适量的水分亏缺有利于苜蓿粗蛋白的积累。

表3 不同灌溉处理不同茬次不同生长期苜蓿营养品质 Table 3 Alfalfa quality under different stubbles and treatments at different growing periods

2.2.2 水分胁迫对苜蓿粗脂肪的影响 相同水分处理下, 在不同生育时期, 粗脂肪含量表现为分枝期:第2茬> 第3茬> 第1茬(表3); 现蕾期:第1茬> 第2茬> 第3茬; 初花期:第1茬> 第2茬; 在同一茬次, 粗脂肪含量基本为现蕾期> 初花期、分枝期。整个生长期灌水量对粗脂肪含量的影响为Q2> Q3> Q1, 各个茬次和生育时期变化趋势相同, Q2和Q3在第1茬分枝期, 第2茬初花期和第3茬现蕾期差异不显著(P> 0.05), 其余生育时期各处理差异显著(P< 0.05)。在整个生长期Q2比Q3和Q1时粗脂肪含量平均升高3.33%、7.90%, 说明适量的水分亏缺有利于苜蓿粗脂肪的积累。

2.2.3 水分胁迫对苜蓿酸性、中性洗涤纤维的影响 相同水分处理下, 在同一生育时期, 酸性洗涤纤维含量在现蕾期表现为第3茬> 第2茬> 第1茬(表3), 在现蕾期第1茬比第2茬、第3茬平均降低6.30%、12.36%; 在同一茬次, 酸性洗涤纤维含量基本表现为分枝期< 现蕾期< 初花期。同一生育时期灌水量对酸性洗涤纤维含量的影响表现为Q2< Q3< Q1, 各个茬次变化趋势相同, 各处理差异显著, 在整个生长期Q2比Q3和Q1时酸性洗涤纤维平均降低8.57%、13.30%, 说明适量的水分亏缺有利于降低酸性洗涤纤维含量。

相同水分处理下, 在同一生育时期, 中性洗涤纤维含量高于酸性洗涤纤维含量; 中性洗涤纤维含量基本表现为第1茬< 第2茬< 第3茬, 在现蕾期第1茬比第2茬、第3茬平均降低4.52%、17.36%; 在同一茬次, 中性洗涤纤维含量基本表现为分枝期< 现蕾期< 初花期。同一生育时期灌水量对中性洗涤纤维含量的影响表现为Q2< Q3< Q1, 各个茬次变化趋势相同, 各处理差异显著(P< 0.05), 在整个生长期Q2比Q3和Q1时中性洗涤纤维平均降低6.51%、11.56%, 说明适量的水分亏缺有利于降低中性洗涤纤维含量。

2.2.4 水分胁迫对苜蓿粗灰分的影响 相同水分处理下, 在同一生育时期, 粗灰分含量基本表现为第1茬> 第2茬> 第3茬(表3), 分枝期第2茬、第3茬比第一茬平均降低3.55%、5.88%; 在同一茬次, 粗灰分含量基本表现为分枝期< 初花期< 现蕾期。同一生育时期灌水量对粗灰分含量的影响表现为Q2> Q3> Q1, 各个茬次变化趋势相同, 第1茬和第2茬的分枝期、现蕾期各处理差异显著(P< 0.05)。在整个生长期Q2比Q3和Q1时粗灰分含量平均提高3.20%、4.54%, 说明适量的水分亏缺有利于提高苜蓿粗灰分含量。

3 讨论

水分是植物生长发育的必需成分, 其通过参与植物体蒸腾作用和光合作用等一系列生理生化过程影响植物的产量和品质。本研究表明, Q3条件下(充分灌溉)苜蓿的产草量高于Q2(节水20%)和Q1(节水40%)条件下的产草量, 这与水分能够增加大豆(Glycine max)[13]、玉米(Zea mays)[14]、紫花苜蓿[8]等作物生物量的结果趋同, 说明适宜的水分能够促进植物的生理生化过程, 增加植物的生物量。在不同水分处理下, 灌水量对整个生长期茎叶比的影响基本表现为Q3> Q1> Q2, 这与在河北廊坊、陕北黄土丘陵沟壑区等对紫花苜蓿研究的结果一致[15, 16, 17], 说明适量的水分胁迫可以促进苜蓿叶片生长, 提高牧草品质。相同水分处理下, 在同一生育时期茎叶比基本遵循第1茬> 第3茬> 第2茬; 在同一茬次, 茎叶比基本遵循分枝期< 现蕾期< 初花期, 即在水分胁迫下, 成熟植株叶片和茎的生长速率明显减小[18]。

苜蓿的品质指标主要有粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量能够反映苜蓿营养价值、热能、矿物质氧化物或盐类, 其值越高, 苜蓿营养品质越好; 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维影响家畜对牧草的采食率和消化率, 纤维含量越高牧草适口性越差。本研究中, 相同水分处理下, 在整个生长期苜蓿粗蛋白、粗灰分含量基本遵循第1茬> 第2茬> 第3茬, 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量基本表现为第1茬< 第2茬< 第3茬; 不同生育时期, 基本遵循粗蛋白含量表现为分枝期> 现蕾期> 初花期, 粗脂肪含量为现蕾期> 初花期、分枝期, 粗灰分含量表现为现蕾期> 初花期> 分枝期, 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维表现为分枝期< 现蕾期< 初花期, 这与在陕西杨凌、甘肃河西地区对不同供水处理下苜蓿生长影响的研究结果一致[9, 19], 表明同一水分处理下, 粗蛋白与粗脂肪含量随生育期延迟而减少, 粗纤维含量则增加。

综合不同生育时期、生育期、整个生长期苜蓿营养品质指标对水分胁迫的结果, 本研究初步得出灌溉量为充分灌溉量的80%处理的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量最大, 酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量最低, 苜蓿营养品质均优于充分灌溉和灌溉量为充分灌溉量的60%处理, 与在河北、山东、新疆、内蒙古、甘肃等省(区)水分对苜蓿品质影响的研究结果一致[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]。这说明轻微水分胁迫, 延缓植物成熟, 可维持或提高牧草营养价值, 但若水分胁迫严重, 可使植物发育受阻不能成熟, 甚至停止生长进入休眠状态, 将储备的养分输送到根部, 留下营养价值低的地上部分[24]。但与寇丹等[8]、董国锋等[25]随亏水程度的加重, 粗蛋白含量提高, 粗纤维含量下降的研究结果不一致。苜蓿的品质受土壤类型、土壤质量、气候条件、牧草品种、种植管理等多因素的影响[8, 25, 26], 本研究只分析了灌水量变化条件下苜蓿营养品质在整个生长期的变化规律, 未考虑品种、气候等其它条件对苜蓿营养品质的影响。此外, 紫花苜蓿是多年生草本植物, 本研究只分析了一个生长季苜蓿营养品质对水分胁迫的响应关系, 还需要采用多年的数据对其营养品质与水分胁迫的关系做进一步深入研究。

4 结论

灌水量对紫花苜蓿产草量和营养品质影响显著, 相同水分处理下, 基本遵循苜蓿鲜重(茎鲜重+叶鲜重)、粗蛋白含量、粗脂肪、粗灰分含量为第1茬> 第2茬> 第3茬, 中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量基本表现为第1茬< 第2茬< 第3茬, 茎叶比为第1茬> 第3茬> 第2茬; 同一茬次, 基本遵循粗蛋白含量表现为分枝期> 现蕾期> 初花期, 粗脂肪表现为现蕾期> 初花期、分枝期, 粗灰分表现为分枝期< 初花期< 现蕾期, 产草量、茎叶比、中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量表现为分枝期< 现蕾期< 初花期; 在整个生长期灌水量为3 360 m3· hm-2的营养品质优于灌水量为4 200和2 520 m3· hm-2的苜蓿营养品质, 因此, 适当的水分胁迫有利于提高干旱半干旱地区水资源利用效率和苜蓿的营养品质。

The authors have declared that no competing interests exist.

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