末次刈割時間和低溫處理對苜蓿根頸抗寒性的影響

張慶昕，張玉霞，2，陳衛東，劉庭玉，王顯國，王東儒

(1 內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼 028041；2 內蒙古自治區飼用作物工程中心，內蒙古 通遼 028000；3 中國農業大學 草業科學與技術學院,北京 100193；4 呼和浩特市農牧技術推廣中心 種業發展科，內蒙古 呼和浩特 010000)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是豆科(Leguminosae)苜蓿屬多年生草本植物[1]，因其生產性能高、適口性好，且兼具高蛋白、低纖維的營養特點，在全球廣泛種植[2]。紫花苜?？购暂^強，在中原一帶、甘肅地區甚至有積雪覆蓋的黑龍江地區均可安全穩定越冬，但在內蒙古科爾沁沙地，因冬季少雪，冬春土壤溫濕度變化劇烈，因此紫花苜蓿面臨著嚴重的低溫冷凍和倒春寒問題[3-5]，凍害是限制內蒙古科爾沁沙地苜蓿持續穩定生產的關鍵問題。安全越冬是我國北方干旱地區實現苜蓿穩產高產的基礎[6]，秋季末次刈割時間是決定苜蓿安全越冬的關鍵栽培技術之一[7]。王偉東等[8]研究表明，2年生紫花苜蓿在8月23日進行末次刈割處理，其越冬率最高，最有利于越冬。武瑞鑫等[9]研究表明，北京平原區紫花苜蓿秋季末次刈割的最佳時期大致為10月29日-11月5日。Bertrand等[10]研究發現，苜蓿越冬前根內可溶性糖含量積累與苜蓿安全越冬和春季返青有著密切聯系。張玉霞等[11]和朱愛民等[12]研究表明，淀粉與可溶性糖在根頸中的互相轉化對紫花苜蓿越冬和翌年春季返青具有重要作用，且不同苜蓿品種表現不同。陳衛東等[13]研究表明，蔗糖、果糖等可溶性糖可以提高苜蓿的抗寒性。然而，有關秋季末次刈割時間對苜蓿越冬抗寒影響的研究尚少[14-15]。目前關于科爾沁沙地生境下不同末次刈割時間處理苜蓿的抗寒性是否存在差異，以及刈割時間對低溫脅迫下苜蓿糖類物質含量的影響尚不清楚。因此，本研究通過大田試驗，于秋末對紫花苜蓿進行不同刈割時間處理，越冬前期挖取不同刈割時間處理紫花苜蓿的根頸，進行低溫冷藏(4 ℃)和低溫冷凍(-10，-15，-20，-25，-30 ℃)處理，研究紫花苜蓿根頸糖類物質含量的變化，分析紫花苜蓿在不同刈割時間處理下適應低溫冷凍的抗寒保護機制，確定科爾沁沙地紫花苜蓿秋季是否刈割或刈割最佳時間，以期為提高科爾沁沙地紫花苜蓿安全越冬提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古通遼市開魯縣東風鎮林輝草業公司(43°37′ N， 121°34′ E)，年平均氣溫6.2 ℃，≥10 ℃年活動積溫3 137 ℃，年平均日照時數3 000 h，無霜期135～145 d，年平均降水量376.1 mm，蒸發量是降水量的4.8倍，年平均風速3.1～4.3 m/s，為典型的溫帶大陸性季風氣候。試驗田為新開墾沙化草地，土壤為沙土，0～20 cm土層土壤理化性質為：pH 8.2，有機質6.3 g/kg，全氮0.37 g/kg，堿解氮36.17 mg/kg，速效鉀76.78 mg/kg，速效磷3.68 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試公農1號紫花苜蓿種子，由吉林省農業科學院草原所提供。

1.3 試驗設計

公農1號紫花苜蓿種子于2019年7月30日播種，播種方式為條播，播種量為22.5 kg/hm2，行距15 cm，小區試驗面積16 m2(4 m×4 m)，3次重復，共設27個小區，小區之間設0.5 m過道。施肥量為75 kg/hm2K2O，100 kg/hm2P2O5;翌年再次施入150 kg/hm2K2O、200 kg/hm2P2O5，K2O均分為2次施入，分別為4月3日和6月3日，P2O5于4月3日一次性施入。分別于2020年5月1日和7月3日對所有小區進行第一茬與第二茬刈割。紫花苜蓿生長過程中進行適時噴灌、除草、防治病蟲害等田間管理。

采用隨機區組試驗設計，于2020年8月25日-11月5日，每處理間隔10 d，分別為8月25日、9月5日、9月15日、9月25日、10月5日、10月15日、10月25日和11月5日，共設置8個刈割時間處理，以未刈割為對照。于封凍前期(11月15日)挖取紫花苜蓿越冬材料(苜蓿根系)，每個小區挖取90株粗細均勻一致的根系，平均分成6份。將其中1份放在4 ℃冰箱進行低溫冷藏處理，剩余5份于可程式恒溫恒濕試驗箱模擬低溫冷凍處理，處理時先將根系用脫脂棉包裹，加水適量，再用錫紙包裹，注明編號，處理溫度分別為 -10，-15，-20，-25，-30 ℃，以0 ℃為起點，4 ℃/h的速率降溫，到達預設溫度后保持6 h；再以4 ℃/h的速率升溫至0 ℃，取出置于4 ℃下保持12 h。分別切取根頸及根頸下主根1 cm，測定其相對電導率及糖類物質含量。

1.4 測定指標及方法

參考鄒琦[16]的方法測定生理指標，其中相對電導率采用DDS-302電導率儀測定，可溶性糖和淀粉含量采用蒽酮比色法測定，蔗糖和果糖含量采用間苯二酚法測定，相關性分析數據選擇半致死溫度與不同溫度處理下所有刈割處理的均值進行分析。

1.5 數據處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2010軟件進行處理、繪圖和制作表格，結果用“平均值±標準差”表示，各低溫處理下的相對電導率數據使用SPSS17.0軟件擬合logistic回歸方程[17-18]y=k/(1+ae-bx)，其中y為相對電導率，x為處理溫度，k為x趨于無窮大時的值，a、b為方程參數。相對電導率極大值與極小值的中位數對應的溫度為低溫半致死溫度(LT50)。

2 結果與分析

2.1 不同末次刈割時間對苜蓿根頸半致死溫度(LT50)的影響

由表1可知，不同末次刈割時間苜蓿受不同低溫脅迫后，用其根頸相對電導率擬合的logistic回歸方程不同，差異顯著水平均小于0.05。

表1 不同末次刈割時間處理苜蓿根頸相對電導率擬合的logistic回歸方程及LT50

由表1還可知，在未刈割和8月25日、9月5日、9月15日、9月25日、10月5日、10月15日、10月25日、11月5日進行末次刈割時，苜蓿根頸的半致死溫度分別為-18.03，-17.61，-17.03，-16.59，-15.80，-15.82，-16.83，-16.34，-17.12 ℃。表明苜蓿在不同末次刈割時間的抗寒能力強弱依次為：未刈割>8月25日末次刈割>11月5日末次刈割>9月5日末次刈割>10月15日末次刈割>9月15日末次刈割>10月25日末次刈割>10月5日末次刈割>9月25日末次刈割。

2.2 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的可溶性糖含量

由表2可知，在同一末次刈割時間下，隨著處理溫度的降低，苜蓿根頸可溶性糖含量呈先升高后降低的變化趨勢，在-20 ℃下苜蓿根頸的可溶性糖含量最高，且均與其他溫度處理差異顯著(P<0.05)，說明在低溫脅迫下，苜蓿根頸受到傷害，通過提高可溶性糖的含量來保護細胞的穩定性。

由表2還可知，在-10，-20和-30 ℃下，9月25日末次刈割時間處理苜蓿根頸的可溶性糖含量最低，其中在-10 ℃下苜蓿根頸可溶性糖含量顯著低于未刈割、8月25日刈割和11月5日刈割處理(P<0.05)，-20 ℃處理顯著低于除10月5日刈割處理外的其他刈割處理(P<0.05)，-30 ℃處理則顯著低于8月25日刈割處理(P<0.05)。說明不同刈割時間處理苜蓿根頸的可溶性糖含量在低溫冷凍脅迫下存在明顯差異，9月25日和10月5日末次刈割處理苜蓿根頸的可溶性糖含量相對較低；未刈割及8月25日、9月5日、10月15日、11月5日末次刈割處理則相對較高。進一步說明，9月25日和10月5日刈割苜蓿的抗寒性較弱，與其在低溫冷凍脅迫下的可溶性糖含量較低有關，反之抗寒性較強的未刈割處理、8月25日和11月5日末次刈割處理也與其在低溫冷凍脅迫下可溶性糖含量較高密切相關。

2.3 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的蔗糖含量

由表3可知，隨著處理溫度的降低，在8月25日、9月5日、10月5日、10月15日以及10月25日末次刈割時間處理下，苜蓿根頸的蔗糖含量呈增加-降低-增加-降低的雙峰型變化趨勢，其中在-25 ℃下蔗糖含量達到最高，且與對照(4 ℃)、-15及-30 ℃處理差異顯著(P<0.05)，說明苜蓿根頸在低溫脅迫下，通過增加蔗糖含量來保護細胞的穩定性，且在-25 ℃下，蔗糖在細胞中的調節能力最強，表明蔗糖亦是苜蓿抵御低溫冷凍脅迫的滲透調節物質之一。

由表3還可知，在-15和-20 ℃下，未刈割處理苜蓿根頸的蔗糖含量最高，其中在-15 ℃下，未刈割處理苜蓿根頸的蔗糖含量顯著高于9月5日、9月25日、10月5日、10月15日末次刈割處理(P<0.05)；-20 ℃下未刈割處理苜蓿根頸的蔗糖含量均顯著高于其他刈割處理(8月25日末次刈割處理除外)(P<0.05)。說明不同末次刈割時間處理下苜蓿根頸的蔗糖含量在低溫冷凍脅迫下存在明顯差異，9月25日和10月5日末次刈割處理苜蓿根頸的蔗糖含量相對較低，未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、11月5日末次刈割處理則相對較高。進一步說明9月25日和10月5日末次刈割處理的苜?？购暂^弱，這與其在低溫冷凍脅迫下蔗糖含量較低有關，反之抗寒性較強的未刈割處理和8月25日、11月5日末次刈割處理與其在低溫冷凍脅迫下蔗糖含量較高密切相關。

表3 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的蔗糖含量

2.4 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的果糖含量

由表4可知，隨著處理溫度的降低，苜蓿根頸的果糖含量呈增加-降低-增加的雙峰型趨勢，其中在-15 ℃下果糖含量達到最高，且與其他溫度處理差異較大，說明在低溫脅迫下，苜蓿通過增加根頸果糖含量來保護細胞的穩定性，且以-15 ℃下果糖在細胞中的調節能力最強，表明果糖亦是苜蓿抵御低溫冷凍脅迫的滲透調節物質之一。

表4 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的果糖含量

由表4還可知，在-15和-20 ℃下，9月25日末次刈割處理苜蓿根頸的果糖含量最低，其中在-15 ℃下，9月25日末次刈割處理苜蓿根頸的果糖含量顯著低于未刈割和8月25日、9月5日、10月25日、11月5日末次刈割處理(P<0.05)；在-20 ℃下，9月25日末次刈割處理苜蓿根頸的果糖含量均顯著低于除9月5日和10月25日刈割處理外的其他處理(P<0.05)。說明不同末次刈割時間處理苜蓿根頸的果糖含量在低溫冷凍脅迫下存在明顯差異，9月25日末次刈割處理苜蓿根頸的果糖含量相對較低，未刈割和8月25日、11月5日末次刈割苜蓿根頸的果糖含量則相對較高。由此進一步說明，9月25日刈割苜蓿的抗寒性較弱，與其在低溫冷凍脅迫下果糖含量較低有關；反之抗寒性較強的未刈割處理和8月25日、11月5日末次刈割處理與其在低溫冷凍脅迫下果糖含量較高密切相關。

2.5 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的淀粉含量

由表5可知，隨著處理溫度的降低，苜蓿根頸的淀粉含量呈逐漸降低趨勢，其中在-30 ℃下淀粉含量達到最低，且與其他溫度處理差異較大，說明在低溫脅迫下，苜蓿根頸通過促進淀粉向糖的轉化，從而保護細胞的穩定性。

由表5還可知，在-15和-20 ℃下，未刈割處理苜蓿根頸的淀粉含量最低，其中在-15 ℃下，未刈割處理苜蓿根頸的淀粉含量顯著低于其他處理(除8月25日刈割處理外)(P<0.05)，-20 ℃下，未刈割處理苜蓿根頸的淀粉含量顯著低于9月25日刈割處理(P<0.05)。表明不同末次刈割時間處理下苜蓿根頸的淀粉含量在低溫冷凍脅迫下存在明顯差異，9月25日刈割處理苜蓿根頸的淀粉轉化相對較弱，未刈割、8月25日刈割處理苜蓿根頸的淀粉轉化則相對較強。進一步說明，9月25日末次刈割苜蓿的抗寒性較弱，與其在低溫冷凍脅迫下淀粉轉化成可溶性糖的能力較弱有關，反之抗寒性較強的未刈割處理、8月25日刈割處理，與其低溫冷凍脅迫下淀粉轉化為可溶性糖的能力較強密切相關。

表5 不同末次刈割時間苜蓿根頸在低溫處理下的淀粉含量

2.6 苜蓿根頸的半致死溫度與其糖類物質含量的相關性

由表6可知，在不同低溫冷凍脅迫下，紫花苜蓿根頸的半致死溫度均與淀粉含量呈正相關，且在-15，-20 ℃下呈極顯著正相關；與可溶性糖、蔗糖和果糖含量呈負相關(除4 ℃的蔗糖含量外)；紫花苜蓿根頸的LT50與-10，-20，-30 ℃下的可溶性糖含量呈極顯著負相關(P<0.01)；與-15，-20 ℃下的蔗糖含量呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)負相關，與-15 ℃下的果糖含量呈極顯著負相關(P<0.01)。

表6 苜蓿根頸的半致死溫度與其糖類物質含量的相關性

3 討論與結論

3.1 末次刈割時間對苜?？购缘挠绊?/h3>

在冬季寒冷的北方地區，末次刈割時間的選擇對于苜蓿的抗寒性至關重要[19]，LT50為苜?？购缘脑u價指標[20]。本研究通過對不同末次刈割時間處理苜蓿根頸在不同低溫脅迫下的相對電導率進行測定，協同logistic方程計算苜蓿LT50，發現未刈割至9月25日刈割處理，苜蓿的抗寒性逐漸降低；9月25日末次刈割處理后苜?？购杂兴鰪?，說明在初霜期(9月25日左右)來臨之前對苜蓿進行末次刈割，苜?？购暂^低，而在初霜期之后進行末次刈割，則對苜蓿越冬無顯著影響。這可能是因為苜蓿刈割后，即開始利用根系根頸中貯藏的物質進行再生，此時根系營養物質為新生莖葉提供了大量的營養物質，導致根系營養物質減少；而早期(9月5日前)刈割后，苜蓿仍有很長的生長時間，新生的莖葉到了一定階段就開始進行光合積累，營養物質又開始返還地下，所以早期刈割的苜蓿根系營養物質更豐富，有助于越冬；隨著刈割時間的推遲，苜蓿地上部分生長時間越來越短，營養物質返還較少甚至還未來得及返還就已經進入休眠狀態；因此10月25日末次刈割處理苜蓿的抗寒性有所下降。但11月5日刈割苜蓿的抗寒性反而增強，主要是由苜蓿的生理特性決定的，因為苜蓿到了寒冷時期，就會停止地上部分的生長而將養分轉移至地下根系，用作越冬儲備。

3.2 末次刈割時間對苜蓿糖類物質含量的影響

Haagenson等[21]研究表明，秋末刈割冬季苜蓿根頸的淀粉含量明顯減少，但可溶性糖含量提高，同時抗寒性減弱。在逆境脅迫下，植物體內可溶性糖大量積累，一方面作為能量儲存，另一方面作為植物體內的主要滲透調節物質，用于緩解逆境對植物造成的傷害[8，22-23]。果糖、蔗糖和葡萄糖總稱為可溶性糖，郝培彤等[24]和孫明雪等[25]的研究結果表明，可溶性糖中的蔗糖和果糖含量與苜?？购杂嘘P。本研究結果表明，末次刈割時間處理苜蓿的半致死溫度與其蔗糖、果糖等可溶性糖含量呈負相關，且在一定低溫冷凍脅迫處理下達到極顯著水平，進一步說明苜蓿根頸的蔗糖、果糖等可溶性糖含量是苜蓿安全越冬的關鍵所在。王偉東等[8]研究了末次刈割時間對苜?？购缘挠绊?，發現隨著末次刈割時間的推遲，苜蓿根頸中淀粉含量呈下降趨勢，苜蓿的越冬存活率也隨之下降，因此，越冬前苜蓿根頸積累的淀粉越多，其越冬存活率越高。表明淀粉雖然未直接發揮越冬期苜蓿的抗寒保護作用，但淀粉是植物體內果糖和蔗糖等可溶性糖的來源。本研究中，不同末次刈割時間處理抗寒性強的苜蓿淀粉含量明顯低于抗寒性弱的處理，表明在低溫處理下淀粉轉化為蔗糖、果糖等可溶性糖，從而提高了苜蓿根頸對低溫冷凍傷害的抵御能力。

4 結 論

在不同低溫冷凍脅迫處理下，不同末次刈割時間的苜?？购芰娙跻来螢椋何簇赘?8月25日末次刈割>11月5日末次刈割>9月5日末次刈割>10月15日末次刈割>9月15日末次刈割>10月25日末次刈割>10月5日末次刈割>9月25日末次刈割。低溫冷凍脅迫下，不同末次刈割時間對苜蓿根頸的可溶性糖、蔗糖、果糖、淀粉含量均有明顯影響，在相同低溫脅迫處理下，抗寒性強的末次刈割處理苜蓿根頸的蔗糖、果糖等可溶性糖含量明顯提高，淀粉含量降低，因此，建議在科爾沁沙地應于9月5日之前或11月5日之后進行苜蓿末次刈割，以提高苜蓿的安全越冬率。