顏家全，魏甲科，齊帥，程家琦，蔡梅梅，方強(qiáng)恩

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

矩鐮莢苜蓿(Medicagoarchiducis-nicolai)又稱青海苜蓿，為豆科苜蓿屬長根莖型無性系天然牧草，在青藏高原東部及其周圍3 000～4 000 m的高寒草甸中廣泛分布。在青藏高原牧區(qū)，矩鐮莢苜蓿與禾草、苔草等形成的大面積無性系植物群落，草層低，草質(zhì)良好，繁殖能力強(qiáng)，是優(yōu)良的夏季牧場。觀察發(fā)現(xiàn)，矩鐮莢苜蓿的種子成活率極低，主要依靠地下莖進(jìn)行種群繁殖和延續(xù)。地下根莖是根莖型植物所特有的，也是根莖型植物貯藏營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官[1]，它不僅具有營養(yǎng)繁殖和擴(kuò)展種群生態(tài)位空間的功能[2-3]，也是植物無性繁殖分株的主要器官，在植物的養(yǎng)分儲存、運(yùn)輸和無性繁殖、物質(zhì)交換和器官可塑性等方面起著關(guān)鍵作用[4-10]。目前，關(guān)于豆科苜蓿屬的研究主要傾向于逆境脅迫下的生理機(jī)能反應(yīng)、生長發(fā)育和產(chǎn)量形成等方面，而且都集中于紫花苜蓿(MedicagoSativa)、花苜蓿(Medicagoruthenica)等常見苜蓿屬牧草[11-14]。在高寒環(huán)境中，矩鐮莢苜蓿地下莖具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力，能夠安全越冬，若合理利用則能為寒冷、干旱地區(qū)的草地建植和畜牧業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。目前矩鐮莢苜蓿仍處于野生狀態(tài)，關(guān)于影響其地下莖擴(kuò)展能力因素的研究報道較少。本試驗(yàn)選取祁連山東段高山草原自然生長的矩鐮莢苜蓿作為試驗(yàn)材料，擬在人工栽培條件下探究影響地下莖擴(kuò)展能力的因素。

在人工栽培上，覆蓋是一種常用的農(nóng)作技術(shù)，能夠保水保墑，抑制雜草，為植物發(fā)育提供穩(wěn)定的土壤環(huán)境[15-17]。種植深度對植株的發(fā)芽和成苗有著直接影響，深度的不同，土壤性質(zhì)可能也會不同，造成植物營養(yǎng)繁殖的狀況不同，因此也是人工栽培時必須考慮的一個重要因素[18-19]。根莖片段是根莖型植物前期生長發(fā)育的營養(yǎng)庫，能滿足發(fā)芽成苗營養(yǎng)要求的適宜的片段長度，也是栽培和移植能否成功的關(guān)鍵因素。

目前的覆蓋方式主要有地膜覆蓋、秸稈覆蓋、草類覆蓋以及砂礫覆蓋等。秸稈和稻草類覆蓋也稱之為有機(jī)覆蓋，可以有效地保水保墑和抑制雜草，在一定程度上還可以增加土壤有機(jī)物質(zhì)[20-21]。在我國，地膜覆蓋技術(shù)多用于谷類等經(jīng)濟(jì)作物，根莖型作物集中在大蒜和甘薯等鱗莖和塊莖類作物[22-23]，但是都沒有涉及種植深度和地下莖長度這兩個因素。因此，本試驗(yàn)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析[24-28]和方差分析，確定矩鐮莢苜蓿根莖擴(kuò)展的最適覆草厚度、種植深度以及根莖片段長度，以期為矩鐮莢苜蓿的人工栽培繁殖提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取位于祁連山東段的天祝藏族自治縣甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)自然生長的矩鐮莢苜蓿。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 田間處理與設(shè)計(jì) 育苗試驗(yàn)地設(shè)在天?？h高山草原生態(tài)試驗(yàn)站內(nèi)。試驗(yàn)地原是燕麥種植田。前期對試驗(yàn)地進(jìn)行深耕，人工揀出土壤中雜草的繁殖片段及雜物，除雜后耙平。將試驗(yàn)地分為4行(每行的種植方式依次為：短深、短淺、長深、長淺)，行長18 m，行與行之間間隔50 cm。再將每行等距分為3個不同覆草厚度的處理：3、1和0 cm(無覆蓋)。再將每個處理等距分為3個重復(fù)，每個重復(fù)種植4行，每行等距放入5個根莖片段。片段選取處于營養(yǎng)生長初期(2020年5月)的矩鐮莢苜蓿根狀莖，挑選出帶褐芽的根狀莖片段，將其截為10 cm(短片段)和20 cm(長片段)的2種片段，每個片段至少含有3個褐芽，然后以5cm(淺種植)和10 cm(深種植)種植深度分別種植于3個不同覆草厚度的試驗(yàn)地中，使其自然生長。

1.2.1 試驗(yàn)地育苗與管理 在覆草上覆蓋一層防塵網(wǎng)(網(wǎng)格稀疏，沒有遮陰效果)，避免大風(fēng)對覆草層的影響。在片段發(fā)育期內(nèi)，不施肥和灌溉，定期田間除雜(一個月2次)，若防塵網(wǎng)出現(xiàn)破損以及覆草處理出現(xiàn)裸露，及時采取補(bǔ)救措施。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 取樣 在矩鐮莢苜?？蔹S期之前，2020年10月初進(jìn)行隨機(jī)取樣。為了保證取樣植株地下部分的完整，以植株基苗為圓心，作半徑為30 cm的圓(根據(jù)地上部分的生長情況可以適當(dāng)增加或縮減半徑)，在此范圍內(nèi)深挖30 cm，然后再從表層土壤開始逐步向下將土壤除去。對挖出的植株進(jìn)行根部梳理，隨后進(jìn)行編號和拍照。

1.3.2 根莖擴(kuò)展性綜合評價指標(biāo)測定 新根莖數(shù)量：從埋入的片段上新長出的地下橫向生長的根莖數(shù)量。

根莖擴(kuò)展最大距離：測量10株苜蓿根狀莖的最遠(yuǎn)擴(kuò)展距離，計(jì)算平均值。

地下生物量：地下部分洗凈，在70℃下烘干至恒重，用電子天平稱出每株干重，單位g/株。

地上生物量：地上部分洗凈，在70℃下烘干至恒重，用電子天平稱出每株干重，單位g/株。

新根莖發(fā)生率：在每個處理中，有新生根莖的植株占總?cè)訑?shù)的比率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理， SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(單因素方差分析)，使用sigmaplot10.0進(jìn)行圖表制作。

1.5 根狀莖擴(kuò)展的綜合性評價方法

采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法對植株的根莖擴(kuò)展能力進(jìn)行綜合性測定。以X表示12種不用的處理組合，Y表示測定的各種指標(biāo)，各處理與每個指標(biāo)構(gòu)成一個數(shù)列矩陣Xi。使X0作為母序列(以各指標(biāo)最優(yōu)值組成)。具體的計(jì)算步驟如下：

(1) 對矩陣中的各指標(biāo)進(jìn)行無量綱初始化處理。

(2) 計(jì)算矩陣中Yij的絕對值Δ(y)=∣X0(y)-Xi(y)∣

(3) 計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)：εi(y)=

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的新生根莖數(shù)量

在無性繁殖為主的植物中，植株根莖的數(shù)量可以反映其生態(tài)位的占據(jù)能力和地下擴(kuò)展能力。通過方差分析可知，無覆草處理下的20×10(20 cm片段長×10 cm種植深度)的種植方式為最優(yōu)處理，新根莖數(shù)為3.941；覆草1 cm處理下的10×10(10 cm片段長×10 cm種植深度)的種植方式最差，新根莖數(shù)為1.000。因覆蓋方式與種植方式之間無交互效應(yīng)，所以對各主效應(yīng)之間進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。結(jié)果表明，在不同覆蓋方式下，覆草3 cm與無覆蓋和覆草1 cm之間均無顯著差異(P>0.05)，覆草1 cm與無覆草存在顯著差異(P<0.05)(圖1-A)。4種不同的種植方式間均無顯著的差異(圖1-B)。

圖1 不同覆蓋方式及種植方式下新生根莖數(shù)量Fig.1 Number of newborn rhizomes under different mulching and planting methods注：不同的小寫字母代表不同處理間存在顯著差異(P<0.05)；蓋0、蓋1、蓋3分別表示無覆草、覆草1 cm、覆草3 cm；10×5表示種植片段長10 cm，種植深度為5 cm，下同

2.2 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的根莖擴(kuò)展距離

根莖的擴(kuò)展距離可以直觀的反應(yīng)各處理下植株地下橫向擴(kuò)展能力。在12個處理中，覆蓋方式為3 cm，種植方式為10×10的處理最好，為212.900 cm；覆蓋方式為1 cm，種植方式為10×10的處理最差，為51.214 cm。通過方差分析，覆蓋方式與種植方式之間不存在交互效應(yīng)(P>0.05)。所以進(jìn)行各主效應(yīng)之間的顯著性檢驗(yàn)，在不同的覆蓋方式下，覆草1 cm與無覆草和覆草3 cm之間均存在顯著差異(圖2-A)，覆草3cm與無覆草之間無顯著差異。在不同的種植方式下，4種種植方式之間均無顯著差異(圖2-B)。

圖2 不同覆蓋方式及種植方式下根莖擴(kuò)展最大距離Fig.2 Maximum distance of rootstock expansion under different mulching and planting methods

2.3 不同覆蓋方式及種植方式下矩鐮莢苜蓿的生物量變化

地下生物量(根莖、根)和地上生物量(莖、葉)之間存在相互促進(jìn)的關(guān)系，茂盛的莖葉能吸收更多的太陽輻射和制造更多的有機(jī)物，有利于根莖與根的地下擴(kuò)展；而發(fā)達(dá)的根與根莖能吸收更多的水分和無機(jī)物，有利于地上部分的生長。通過方差分析，覆蓋方式與種植方式在地上生物量與地下生物量兩個指標(biāo)上均沒有交互效應(yīng)，需要進(jìn)行各主效應(yīng)之間的顯著性檢驗(yàn)。地上生物量無覆草與覆草1 cm和覆草3 cm處理均有顯著差異(P<0.05)，覆草1 cm與覆草3cm處理間無顯著差異(P>0.05)(圖3-A)；20×10處理下的地上生物量最大，為0.141 g/株，10×5最小，為0.069 g/株，且這兩種不同種植方式之間存在顯著差異(P<0.05)，但20×10、 20×5、 10×10處理間均無顯著差異，10×5與10×10和20×5處理間也沒有顯著差異(圖3-B)。在地下生物量無覆草對于覆草1 cm和覆草3 cm均有顯著差異(P<0.05)，覆草1 cm與覆草3 cm之間無顯著差異(P>0.05)(圖4-A)；4種不同的種植方式之間均不存在顯著差異(P>0.05)(圖4-B)。

圖3 不同覆蓋方式及種植方式下地上生物量Fig.3 Above-ground biomass under different mulching and planting methods

圖4 不同覆蓋方式及種植方式下地下生物量Fig.4 Belowground biomass under different mulching and planting methods

2.4 矩鐮莢苜蓿根莖擴(kuò)展能力綜合性評價

用灰色關(guān)聯(lián)度分析，取5個可以體現(xiàn)擴(kuò)展能力的指標(biāo)綜合評價12種處理下的根莖擴(kuò)展能力。選取各指標(biāo)中的最優(yōu)值組合成參考處理即擴(kuò)展能力最強(qiáng)，再通過公式計(jì)算出12個處理下的關(guān)聯(lián)度值，關(guān)聯(lián)度值越大說明與參考處理的擴(kuò)展能力越接近，則該處理的擴(kuò)展能力越好。

2.4.1 數(shù)據(jù)無量綱化處理 由于各指標(biāo)的單位不相同，需要對單位進(jìn)行統(tǒng)一。首先要在原始數(shù)據(jù)中選出參考處理，見表1。再將12種處理下的五種指標(biāo)進(jìn)行無量綱初始化處理(表2)。

表1 參考處理及12種處理的各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)

表2 無量綱初始化

2.4.2 絕對差值 計(jì)算矩陣中各點(diǎn)(Yij)與CK的絕對值Δ(k)=∣X0(y)-Xi(y)∣(表3)。

表3 Δ(k)值

表4 各點(diǎn)Yij的關(guān)聯(lián)系數(shù)

表5 關(guān)聯(lián)度值ri和權(quán)重值Wi

表6 各處理的加權(quán)關(guān)聯(lián)度值及排序

3 討論

3.1 不同覆蓋方式對矩鐮莢苜蓿根莖發(fā)育的影響

覆蓋是一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上常用的農(nóng)作技術(shù)，具有保水保墑，改善地溫的作用，采用地面覆蓋的方式可以有效地減少土壤水分散失[29]。李文旺[23]等研究發(fā)現(xiàn)，增加地面覆草厚度，可以增加0～10 cm土層土壤含水量，顯著促進(jìn)大蒜植株生長，提高蒜薹產(chǎn)量。據(jù)此分析，本研究中蓋3(覆草3 cm)下新根莖數(shù)、根莖擴(kuò)展距離、地上地下生物量等生長指標(biāo)高于蓋1(覆草1 cm)(圖1～4)，可能是因?yàn)樵黾痈膊莺穸群蟾纳屏送寥浪?，調(diào)節(jié)了植物生長發(fā)育過程中對水分的需求和利用。在本試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，不同的覆草厚度對土壤水分含量有顯著影響，其中蓋3(覆草3 cm)的水分含量顯著的高于蓋1(覆草1 cm)和蓋0(無覆草)，這結(jié)果與李文旺[23]的試驗(yàn)結(jié)果大致相同。這使得不同覆蓋方式下的土壤水分得到改善，調(diào)節(jié)了植物生長發(fā)育過程中對水分的需求和利用。所以這造成了不同覆蓋方式對新根莖數(shù)、根莖擴(kuò)展最大距離、地上生物量、地下生物量都具有顯著的影響，而且在出苗率上表現(xiàn)出蓋0顯著的高于蓋1和蓋3，蓋3則與蓋1沒有顯著差異。這可能是由于降雨造成覆草下的土壤積水，而草層過厚又無法及時揮發(fā)，進(jìn)而使得土壤含水量過高，抑制了植株根莖的生長發(fā)育。在植物根莖成苗時期，雖然覆草會造成無效蒸發(fā)減少[16]，使得土壤含水量過高而抑制根莖的發(fā)育，但是在植株成苗，可以進(jìn)行光合作用后，土壤含水量高則有利于進(jìn)行有效蒸發(fā)，即蒸騰作用[17]，此時則有利于根莖與地上部分的發(fā)育。

土壤溫度作為植物發(fā)育的重要因素，矩鐮莢苜蓿只有在適宜的地溫下才能正常的成苗以及根莖擴(kuò)展。覆草雖然能有效的增加土壤含水量，但是土壤保溫效果不佳，容易受到寒冷天氣造成的低溫凍害[30]。這可能是由于在白天，無覆草的土壤能直接吸收太陽輻射能量土壤溫度因此升高，進(jìn)而為埋入的地下片段提供了更好的發(fā)育條件。然而由于覆草的土壤有草層隔離，不能直接吸收太陽輻射，所以土壤溫度較低，不利于成苗和根莖發(fā)育，造成在成苗率上蓋0>蓋1>蓋3。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明在根莖擴(kuò)展能力上，蓋0為最優(yōu)處理，蓋3次之，蓋1最差。結(jié)合上述的兩種影響因素(可能還存在其他土壤性質(zhì)的影響)，可解釋為：(1)在埋入片段發(fā)育成苗時，蓋0處理具有良好的土壤水分含量和土壤溫度條件，因此可以更快的出苗，更早的進(jìn)行光合作用，所以在這一時期內(nèi)其發(fā)育速度相對于蓋1和蓋3是較快的。(2)當(dāng)所有處理都已成苗后，主要進(jìn)行營養(yǎng)生殖。這時候蓋3處理則表現(xiàn)出了優(yōu)勢，因?yàn)闅鉁氐幕厣约吧w3處理具有良好的保水作用，土壤含水量高，有利于光合作用和蒸騰作用，進(jìn)而對營養(yǎng)生殖產(chǎn)生促進(jìn)作用。對于蓋0，由于其土壤含水量低，此時的發(fā)育速度就較以前發(fā)育慢，但是前期建植早，有良好的基礎(chǔ)，所以其發(fā)育速度可能比蓋1快，與蓋3相近。對于蓋1，由于其在前期并沒有很好地建植優(yōu)勢，在后期也沒有良好的土壤條件，所以蓋1處理下的植株一直保持著恒定的發(fā)育速度。即使在前期成苗率優(yōu)于蓋3，但是兩者之間的成苗率差異并不顯著，在營養(yǎng)繁殖時，蓋3具有良好的發(fā)育條件，所以在發(fā)育速度上超過了蓋1。但是有關(guān)這方面的研究甚少，本試驗(yàn)也無法參考前人的試驗(yàn)結(jié)果對此作出更進(jìn)一步的解釋，所以關(guān)于蓋0、蓋1、蓋3處理在不同發(fā)育階段下的發(fā)育速率問題，還需要后續(xù)的試驗(yàn)繼續(xù)跟進(jìn)，對以上討論作出嚴(yán)密的，科學(xué)的論證。

3.2 不同種植方式對矩鐮莢苜蓿根莖發(fā)育的影響

不同的種植方式對新根莖數(shù)、根莖擴(kuò)展最大距離、地下生物量均沒有顯著影響，除地上生物量外(圖3-B)?；诂F(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析，可以認(rèn)為在種植深度上，10 cm深度和 5 cm深度的種植環(huán)境均是矩鐮莢苜蓿的適宜生境。在片段長度上，20 cm長度和 10 cm長度的片段均能滿足矩鐮莢苜蓿早期發(fā)育需要的營養(yǎng)要求。也說明該植物根莖擴(kuò)展能力很強(qiáng)，對土壤深度和自身養(yǎng)分的要求不高。但這一討論還需要后續(xù)的試驗(yàn)擴(kuò)大對種植深度和片段長度兩個變量的范圍，對此討論作出進(jìn)一步的補(bǔ)充和解釋。

4 結(jié)論

矩鐮莢苜蓿根莖切段在祁連山東段高山草原原生境種植條件下，根莖擴(kuò)展最大距離、新根莖數(shù)和地上地下生物量均受覆草厚度的顯著影響，在3種覆蓋厚度(0 cm厚，1 cm厚，3 cm厚)處理下，影響效果表現(xiàn)為蓋0>蓋3>蓋1。種植深度(5 cm深，10 cm深)和切段長度(10 cm長，20 cm長)對地上生物量有顯著影響，但對根莖擴(kuò)展距離等指標(biāo)影響不顯著。分析表明，高寒草原植物矩鐮莢苜蓿地下莖切段在原生境下的適生性較強(qiáng)，在裸地(無草覆蓋)約10 cm土層下、切段長度為20 cm的根莖擴(kuò)展能力最強(qiáng)。