汪精海,齊廣平,康燕霞,馬彥麟,史曉巍,朱璇浩
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
干旱半干旱地區(qū)紫花苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)
汪精海,齊廣平,康燕霞,馬彥麟,史曉巍,朱璇浩
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
隨著用水總量的嚴(yán)格控制,干旱半干旱缺水地區(qū)紫花苜蓿(Medicagosativa)品質(zhì)對(duì)水分的響應(yīng)研究極為重要。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)條件下,測定苜蓿莖葉比和營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo),研究水分脅迫與苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)間的關(guān)系,明確苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)。結(jié)果表明,整個(gè)生長期,苜蓿產(chǎn)草量(莖重+葉重)、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,酸性洗滌纖維、中性洗滌纖維含量與之相反;充分灌溉量的80%與充分灌溉和充分灌溉量的60%相比,產(chǎn)草量分別增加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%,酸性洗滌纖維平均降低8.57%、13.30%,中性洗滌纖維平均降低6.51%、11.56%,粗灰分含量平均增加3.20%、4.54%,因此灌水量為充分灌溉量的80%灌溉有利于提高干旱半干旱地區(qū)水資源利用效率和苜蓿的營養(yǎng)品質(zhì)。
莖葉比;營養(yǎng)水平;灌水量;節(jié)水灌溉;充分灌溉;生長期
紫花苜蓿(Medicagosativa)作為一種高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、蛋白質(zhì)含量高及抗逆性強(qiáng)的飼草飼料作物,被譽(yù)為“牧草之王”,在全球畜牧業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[1-4]。我國苜蓿單位面積產(chǎn)量低,干草品質(zhì)差,總量供應(yīng)不足,優(yōu)質(zhì)苜蓿尤為緊缺,與苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,差距甚大[5-6]。未來伴隨著中國苜蓿的大面積種植,提高苜蓿品質(zhì)是必然要求[7-8]。
水分是影響苜蓿品質(zhì)的重要因素,隨著用水總量的嚴(yán)格控制,干旱半干旱地區(qū)變化水分條件下苜蓿優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)以及抗旱性能研究極為重要。目前灌溉量對(duì)苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)方面已有一些研究報(bào)道,有研究表明整個(gè)生長期灌溉量保持在最大土壤飽和持水量的85%時(shí),紫花苜蓿品質(zhì)最優(yōu)[9];第2茬苜蓿粗蛋白質(zhì)、粗脂肪和粗灰分均與灌溉量大小呈正相關(guān)關(guān)系;粗纖維和酸性洗滌纖維與灌溉量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[10];第1茬和第2茬苜蓿在節(jié)水20%灌溉時(shí)的粗蛋白、粗脂肪含量低于節(jié)水40%灌溉和常規(guī)灌溉[11];第2茬苜蓿虧水程度越重,苜蓿的粗蛋白含量越高[8];第1茬苜蓿灌溉量為常規(guī)灌溉量的95%時(shí)苜蓿品質(zhì)達(dá)到了最優(yōu)[12]。通過上述研究可以發(fā)現(xiàn)水分脅迫對(duì)于苜蓿品質(zhì)具有重要影響,但目前從整個(gè)生長期、生育期等多角度出發(fā),綜合研究苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)灌溉量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面的報(bào)道較少。為此,本研究重點(diǎn)探討干旱半干旱地區(qū)水分脅迫下紫花苜蓿不同生長階段營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化,確定灌溉量與苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)間的關(guān)系,以期為干旱半干旱地區(qū)苜蓿灌溉制度的制定、苜蓿優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、水資源高效利用和苜??购敌阅艿难芯刻峁├碚撘罁?jù)和技術(shù)支撐。
1.1 試驗(yàn)地概況
試驗(yàn)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭州牧草試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行,位于蘭州市安寧區(qū),地理位置為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,年均蒸發(fā)量1 448 mm,多年平均無霜期為90~210 d,屬于溫帶大陸性氣候。試驗(yàn)地地勢平坦,肥力均勻。土壤類型為黃綿土,土層厚度為80 cm,土壤有機(jī)質(zhì)含量0.84%,pH 7.28,土壤全鹽量0.247%,有效氮95.05 mg·kg-1,有效磷7.32 mg·kg-1,有效鉀182.8 mg·kg-1(土壤肥力狀況均采用常規(guī)方法測定)。
供試品種為3年生紫花苜蓿游客,2012年秋季播種,播種量15 kg·hm-2,條播,行距為20 cm,播深為1.5~2.0 cm,播前施3.0×106kg·hm-2有機(jī)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,此后根據(jù)土壤養(yǎng)分情況,減少氮肥用量。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
苜蓿采用小畦灌溉,灌溉水源是生活用水,輸水管上接閥門和水表(精度0.001 m3),控制測量灌水量。查閱相關(guān)文獻(xiàn)并借鑒當(dāng)?shù)剀俎9喔葰v史資料,設(shè)Q3為充分灌溉,灌溉后土壤含水量達(dá)到田間最大持水量的 75%~100%,Q2為充分灌溉量的80%,Q1為充分灌溉量的60%(表1),共設(shè)3個(gè)處理。根據(jù)作物-土壤需水模型等計(jì)算,灌水量計(jì)算應(yīng)用公式:
m=Mmax-Mmin=667×ρ土×H(βmax-βmin)/ρ水.
式中:m,某次灌水量(m3·hm-2);Mmax,土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)允許的最大貯水量(m3·hm-2);Mmin,土壤計(jì)劃濕潤層內(nèi)允許的最小貯水量(m3·hm-2);ρ土,計(jì)劃濕潤層內(nèi)土壤的干容重(t·m-3);ρ水,水的容重( t·m-3);H,某一時(shí)段土壤計(jì)劃濕潤層深度(m);βmax,某時(shí)段內(nèi)土壤允許的最大含水率(%);βmin,土壤允許的最小含水率(或灌水前土壤含水率,%)。
根據(jù)苜蓿生長特性和當(dāng)?shù)毓喔葰v史,苜蓿按3次刈割計(jì)算,第1次刈割前用水占總定額50%,其中返青期、分枝期、現(xiàn)蕾期、初花期用水量分別占第1次刈割前用水量的10%、25%、50%、15%(初花期灌溉5 d后進(jìn)行刈割);第2次刈割前用水占總定額45%,其中分枝期、現(xiàn)蕾期用水量分別占第2次用水量的45%、55%;第3次刈割前用水占總定額5%,其中分枝期、現(xiàn)蕾期用水量分別占第3次用水量的55%、45%。各處理分別設(shè)3個(gè)重復(fù),共9個(gè)小區(qū),小區(qū)面積10 m×2 m即20 m2,小區(qū)與小區(qū)之間開挖100 cm深的隔離帶,用防滲膜隔離后原土回填。
1.3 測定指標(biāo)及方法
株高:每個(gè)小區(qū)定株20株測定樣本,每隔7d測定其生長高度,取平均值。
表1 苜蓿不同灌溉處理試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Different irrigation treatment designs of alfalfa
莖葉比:在每個(gè)生育時(shí)期末每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取鮮樣10株,3次重復(fù),人工分離莖葉,在電子天平上分別稱量莖和葉的重量,計(jì)算莖葉比。
品質(zhì)分析指標(biāo):粗蛋白質(zhì)采用凱氏定氮法測定;粗脂肪采用索氏法測定;粗灰分采用灼燒法測定;中、酸性洗滌纖維采用Van Sorest法測定。
1.4 數(shù)據(jù)分析
利用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、方差分析和顯著性檢驗(yàn),用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示測定結(jié)果,采用Excel 2007制圖。
2.1 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿莖葉比的影響
在苜蓿的整個(gè)生長期,苜蓿鮮重(莖鮮重+葉鮮重)表現(xiàn)為第1茬>第2茬>第3茬,初花期>現(xiàn)蕾期>分枝期,且莖增長快于葉(圖1);苜蓿的鮮重對(duì)水分供應(yīng)狀況的敏感度表現(xiàn)為第1茬>第2茬>第3茬,分枝期>現(xiàn)蕾期或初花期;整個(gè)生長期Q3條件下的鮮重比Q2和Q1時(shí)分別提高5.1%、10.6%。
相同水分處理下,在同一生育時(shí)期,莖葉比基本表現(xiàn)第1茬>第3茬>第2茬(表2);在同一茬次,莖葉比基本表現(xiàn)為初花期>現(xiàn)蕾期>分枝期。不同水分處理下,在同一生育時(shí)期,莖葉比大多表現(xiàn)為Q3或Q1>Q2,除第1茬的分枝期、第2茬的現(xiàn)蕾期外,Q3、Q1、Q2差異顯著(P<0.05)。整個(gè)生長期灌水量對(duì)莖葉比的影響基本表現(xiàn)Q3>Q1>Q2。苜蓿莖葉比越小,營養(yǎng)價(jià)值相對(duì)越高,說明適量的水分虧缺有利于苜蓿營養(yǎng)價(jià)值的積累[13]。
圖1 不同灌溉處理對(duì)苜蓿莖葉鮮重的影響Fig.1 Effects of different irrigation treatments on stem and leaf weight of alfalfa
注:不同小寫字母表示同一生育期不同水分處理間莖葉重量差異顯著(P<0.05)。Q1,Q2,Q3分別表示充分灌溉、充分灌溉量的80%和充分灌溉量的60%。
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, Q3indicate full irrigation, 80% of full irrigotion and 60% of full irrigation, respectively.
表2 不同灌溉處理苜蓿莖葉比Table 2 The ratio of stem weight to leaf weight of alfalfa under different irrigation treatments
注:不同小寫字母表示同一茬次同一生長期不同灌水量間差異顯著(P<0.05)。下同。
Note: Different lower case letters within the same stubble for the same growing period indicate significant difference among different irrigation treatments at the 0.05 level. The same below.
2.2 水分脅迫對(duì)紫花苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)的影響
2.2.1 水分脅迫對(duì)苜蓿粗蛋白的影響 對(duì)苜蓿整個(gè)生長期不同灌水量下的粗蛋白含量進(jìn)行分析,相同水分處理下,在同一生育時(shí)期,粗蛋白含量大多表現(xiàn)為第1茬>第2茬>第3茬(表3);在同一茬次,粗蛋白含量基本為分枝期>現(xiàn)蕾期>初花期。在苜蓿的整個(gè)生長期灌水量對(duì)粗蛋白含量的影響基本表現(xiàn)為Q2>Q3>Q1,各個(gè)茬次和生育時(shí)期變化趨勢基本相同,在整個(gè)生長期Q2比Q3、Q1時(shí)粗蛋白含量平均升高9.60%、22.74%,說明適量的水分虧缺有利于苜蓿粗蛋白的積累。
2.2.2 水分脅迫對(duì)苜蓿粗脂肪的影響 相同水分處理下,在不同生育時(shí)期,粗脂肪含量表現(xiàn)為分枝期:第2茬>第3茬>第1茬(表3);現(xiàn)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,粗脂肪含量基本為現(xiàn)蕾期>初花期、分枝期。整個(gè)生長期灌水量對(duì)粗脂肪含量的影響為Q2>Q3>Q1,各個(gè)茬次和生育時(shí)期變化趨勢相同,Q2和Q3在第1茬分枝期,第2茬初花期和第3茬現(xiàn)蕾期差異不顯著(P>0.05),其余生育時(shí)期各處理差異顯著(P<0.05)。在整個(gè)生長期Q2比Q3和Q1時(shí)粗脂肪含量平均升高3.33%、7.90%,說明適量的水分虧缺有利于苜蓿粗脂肪的積累。
2.2.3 水分脅迫對(duì)苜蓿酸性、中性洗滌纖維的影響 相同水分處理下,在同一生育時(shí)期,酸性洗滌纖維含量在現(xiàn)蕾期表現(xiàn)為第3茬>第2茬>第1茬(表3),在現(xiàn)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,酸性洗滌纖維含量基本表現(xiàn)為分枝期<現(xiàn)蕾期<初花期。同一生育時(shí)期灌水量對(duì)酸性洗滌纖維含量的影響表現(xiàn)為Q2 相同水分處理下,在同一生育時(shí)期,中性洗滌纖維含量高于酸性洗滌纖維含量;中性洗滌纖維含量基本表現(xiàn)為第1茬<第2茬<第3茬,在現(xiàn)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,中性洗滌纖維含量基本表現(xiàn)為分枝期<現(xiàn)蕾期<初花期。同一生育時(shí)期灌水量對(duì)中性洗滌纖維含量的影響表現(xiàn)為Q2 2.2.4 水分脅迫對(duì)苜蓿粗灰分的影響 相同水分處理下,在同一生育時(shí)期,粗灰分含量基本表現(xiàn)為第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,粗灰分含量基本表現(xiàn)為分枝期<初花期<現(xiàn)蕾期。同一生育時(shí)期灌水量對(duì)粗灰分含量的影響表現(xiàn)為Q2>Q3>Q1,各個(gè)茬次變化趨勢相同,第1茬和第2茬的分枝期、現(xiàn)蕾期各處理差異顯著(P<0.05)。在整個(gè)生長期Q2比Q3和Q1時(shí)粗灰分含量平均提高3.20%、4.54%,說明適量的水分虧缺有利于提高苜蓿粗灰分含量。 水分是植物生長發(fā)育的必需成分,其通過參與植物體蒸騰作用和光合作用等一系列生理生化過程影響植物的產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究表明,Q3條件下(充分灌溉)苜蓿的產(chǎn)草量高于Q2(節(jié)水20%)和Q1(節(jié)水40%)條件下的產(chǎn)草量,這與水分能夠增加大豆(Glycinemax)[13]、玉米(Zeamays)[14]、紫花苜蓿[8]等作物生物量的結(jié)果趨同,說明適宜的水分能夠促進(jìn)植物的生理生化過程,增加植物的生物量。在不同水分處理下,灌水量對(duì)整個(gè)生長期莖葉比的影響基本表現(xiàn)為Q3>Q1>Q2,這與在河北廊坊、陜北黃土丘陵溝壑區(qū)等對(duì)紫花苜蓿研究的結(jié)果一致[15-17],說明適量的水分脅迫可以促進(jìn)苜蓿葉片生長,提高牧草品質(zhì)。相同水分處理下,在同一生育時(shí)期莖葉比基本遵循第1茬>第3茬>第2茬;在同一茬次,莖葉比基本遵循分枝期<現(xiàn)蕾期<初花期,即在水分脅迫下,成熟植株葉片和莖的生長速率明顯減小[18]。 苜蓿的品質(zhì)指標(biāo)主要有粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量能夠反映苜蓿營養(yǎng)價(jià)值、熱能、礦物質(zhì)氧化物或鹽類,其值越高,苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)越好;酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維影響家畜對(duì)牧草的采食率和消化率,纖維含量越高牧草適口性越差。本研究中,相同水分處理下,在整個(gè)生長期苜蓿粗蛋白、粗灰分含量基本遵循第1茬>第2茬>第3茬,酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量基本表現(xiàn)為第1茬<第2茬<第3茬;不同生育時(shí)期,基本遵循粗蛋白含量表現(xiàn)為分枝期>現(xiàn)蕾期>初花期,粗脂肪含量為現(xiàn)蕾期>初花期、分枝期,粗灰分含量表現(xiàn)為現(xiàn)蕾期>初花期>分枝期,酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維表現(xiàn)為分枝期<現(xiàn)蕾期<初花期,這與在陜西楊凌、甘肅河西地區(qū)對(duì)不同供水處理下苜蓿生長影響的研究結(jié)果一致[9,19],表明同一水分處理下,粗蛋白與粗脂肪含量隨生育期延遲而減少,粗纖維含量則增加。 綜合不同生育時(shí)期、生育期、整個(gè)生長期苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)對(duì)水分脅迫的結(jié)果,本研究初步得出灌溉量為充分灌溉量的80%處理的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分含量最大,酸性洗滌纖維和中性洗滌纖維含量最低,苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)均優(yōu)于充分灌溉和灌溉量為充分灌溉量的60%處理,與在河北、山東、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等省(區(qū))水分對(duì)苜蓿品質(zhì)影響的研究結(jié)果一致[15-23]。這說明輕微水分脅迫,延緩植物成熟,可維持或提高牧草營養(yǎng)價(jià)值,但若水分脅迫嚴(yán)重,可使植物發(fā)育受阻不能成熟,甚至停止生長進(jìn)入休眠狀態(tài),將儲(chǔ)備的養(yǎng)分輸送到根部,留下營養(yǎng)價(jià)值低的地上部分[24]。但與寇丹等[8]、董國鋒等[25]隨虧水程度的加重,粗蛋白含量提高,粗纖維含量下降的研究結(jié)果不一致。苜蓿的品質(zhì)受土壤類型、土壤質(zhì)量、氣候條件、牧草品種、種植管理等多因素的影響[8,25-26],本研究只分析了灌水量變化條件下苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)在整個(gè)生長期的變化規(guī)律,未考慮品種、氣候等其它條件對(duì)苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)的影響。此外,紫花苜蓿是多年生草本植物,本研究只分析了一個(gè)生長季苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)關(guān)系,還需要采用多年的數(shù)據(jù)對(duì)其營養(yǎng)品質(zhì)與水分脅迫的關(guān)系做進(jìn)一步深入研究。 灌水量對(duì)紫花苜蓿產(chǎn)草量和營養(yǎng)品質(zhì)影響顯著,相同水分處理下,基本遵循苜蓿鮮重(莖鮮重+葉鮮重)、粗蛋白含量、粗脂肪、粗灰分含量為第1茬>第2茬>第3茬,中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量基本表現(xiàn)為第1茬<第2茬<第3茬,莖葉比為第1茬>第3茬>第2茬;同一茬次,基本遵循粗蛋白含量表現(xiàn)為分枝期>現(xiàn)蕾期>初花期,粗脂肪表現(xiàn)為現(xiàn)蕾期>初花期、分枝期,粗灰分表現(xiàn)為分枝期<初花期<現(xiàn)蕾期,產(chǎn)草量、莖葉比、中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量表現(xiàn)為分枝期<現(xiàn)蕾期<初花期;在整個(gè)生長期灌水量為3 360 m3·hm-2的營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)于灌水量為4 200和2 520 m3·hm-2的苜蓿營養(yǎng)品質(zhì),因此,適當(dāng)?shù)乃置{迫有利于提高干旱半干旱地區(qū)水資源利用效率和苜蓿的營養(yǎng)品質(zhì)。 References: [1] 萬素梅,胡守林,賈志寬,曹永紅.黃土高原地區(qū)苜蓿生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)及其土壤水分消耗規(guī)律.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(12):30-34. 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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. stem-leaf ratio; nutritional quality; irrigation amount; water-saving irrigation; full irrigation; growing period Qi Guang-ping E-mail:qigp@gsau.edu.cn 10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0240 2016-05-09 接受日期:2016-11-11 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“水資源高效利用專項(xiàng)”(2016YFC0400306);農(nóng)業(yè)行業(yè)專項(xiàng)項(xiàng)目(201403048-8);甘肅省科技支撐項(xiàng)目(1504NKCA003) 汪精海(1981-),男,甘肅景泰人,在讀博士生,主要從事水資源高效利用研究。E-mail:wangjh@gsau.edu.cn 齊廣平(1969-),男,甘肅慶陽人,教授,博士,主要從事節(jié)水灌溉技術(shù)研究。E-mail:qigp@gsau.edu.cn S816;S541+103.4;Q945.78 A 1001-0629(2017)1-0112-07* 汪精海,齊廣平,康燕霞,馬彥麟,史曉巍,朱璇浩.干旱半干旱地區(qū)紫花苜蓿營養(yǎng)品質(zhì)對(duì)水分脅迫的響應(yīng).草業(yè)科學(xué),2017,34(1):112-118. Wang J H,Qi G P,Kang Y X,Ma Y L,Shi X W,Zhu X H.Effects of water stress on nutritional quality of alfalfa in arid and semiarid areas.Pratacultural Science,2017,34(1):112-118.3 討論
4 結(jié)論