孟 翔, 孙伶俐, 谢开云, 刘 伟, 褚皓清, 赵 越

(新疆农业大学草业学院/新疆草地资源与生态重点实验室/西部干旱荒漠区草地资源与生态教育部重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830052)

新疆作为我国畜牧业大区，地处世界干旱中心，水资源不足严重威胁着绿洲农牧业的可持续发展[1-2]。通过发展节水灌溉，实现水肥一体化来提高水分和养分等资源利用效率是新疆地区实现农牧业可持续发展的有效途径[3-4]。紫花苜蓿(Medicagosativa. L)作为优质豆科牧草，具有适应性强，产草量高，品质好等优点，目前也是我国栽培和利用最广泛和重要的牧草之一，种植面积占人工草地面积的79%[5-6]。与作物相比，紫花苜蓿的耗水性更强，水资源相对不足限制着紫花苜蓿生产，研究紫花苜蓿的水分管理对其栽培有重要的意义。目前的研究主要集中在喷灌[7]和滴管[8]两种灌溉方式对紫花苜蓿产量和水分利用效率影响。调亏灌溉作为平衡水分投入和产量输出的重要手段，在干旱半干旱地区研究主要集中玉米(Zeamays.L)[9]、小麦(Triticumaestivum.L)等[10]作物上，而针对紫花苜蓿的研究较少。

我国西北地区土壤普遍偏碱性，干旱缺水和土壤磷含量不足是限制紫花苜蓿产量和品质的重要原因[11]。目前，关于施磷肥对紫花苜蓿产量的影响主要集中在施肥量等方面[12]，而结合节水灌溉方式实现水肥一体化方面的研究较少。另外，丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal，AM)真菌作为自然界存在的重要的共生微生物，能够与宿主植物形成菌根[13]，有效的扩大了植物根系表面积，可以显著的提高植物对水分和养分的吸收效率[14-15]，特别是在贫瘠土地中对水和磷的吸收[16-18]。本研究以紫花苜蓿为对象，设置2种灌溉量、4种磷肥梯度以及2种AM真菌处理，研究灌溉、施磷及菌根真菌互作对紫花苜蓿的产量和磷素利用效率的影响机制，为干旱半干旱地区紫花苜蓿优质高产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于新疆乌鲁木齐市头屯河区新疆农业大学三坪实习农场(43°92′ E，87°35′ N，海拔580 m)，属于温带大陆性半干旱气候，日照充足，年日照时数为2 829.4 h，年降水量为228.8 mm，年均蒸发量为2 647 mm，无霜期为163 d，年均气温7.2℃，最高气温42℃。土壤类型为含砾砂壤土，偏黏性，有机质含量15.998 g·kg-1，全氮1.632 g·kg-1、速效氮60.223 mg·kg-1、全磷0.215 g·kg-1、有效磷18.569 mg·kg-1、全钾18.440 g·kg-1、速效钾296.659 mg·kg-1、pH值为8.37。

1.2 试验设计

试验采用再裂区设计，主区设置定额灌溉(Quota irrigation，QI)和调亏灌溉(Regulated deficit irrigation，RDI)，灌溉量分别14 000 m3·hm-2和9 800 m3·hm-2(QI的70%)[19]，灌溉方式采用地表滴灌，每个小区铺设5条滴灌带，间距60 cm，用水表控制灌溉量，实际灌溉量如表1所示。副区设置不灭土壤AM真菌(AM)和灭土壤AM真菌处理(-AM)，灭AM真菌处理每小区定期喷施苯菌灵(5 L水+6 g·m-2苯菌灵)，试验期间喷施苯菌灵(50%)180 g，间隔20天喷施1次[20]。通过计算紫花苜蓿侵染率，得出AM处理下紫花苜蓿侵染率(36%)显著高于-AM处理下紫花苜蓿侵染率(15%，P<0.05)。施磷量设0 kg·hm-2，60 kg·hm-2，120 kg·hm-2，180 kg·hm-24个肥力梯度，试验所用磷肥为磷酸钙(P2O5≥ 46%)，小区用量为0 g，174.4 g，348.8 g，523.2 g。共16个处理，每个处理4次重复，共计64个小区，小区面积15 m2(3 m×5 m)，小区间隔1 m。2021年5月10日对每个小区补施钾肥(硫酸钾) 82.5 g。紫花苜蓿选用‘新牧4号’品种(MedicagosativaL. ‘Xinmu No.4’)，播种时间为2020年9月30日，三次刈割时间为2021年7月5日、2021年8月20日、2021年10月1日。

表1 定额和调亏灌溉的实际灌溉量Table 1 Actual irrigation amount under two irrigation methods

1.3 测定指标与方法

1.3.1干物质产量测定 在紫花苜蓿初花期选取3个样方(1 m×1 m)，齐地面刈割，称重并记录鲜草产量，每个样方随机抽取1 kg左右鲜草样品带回实验室，在烘箱中于105℃杀青30 min后，置于65℃烘箱烘干48 h至恒重，计算紫花苜蓿干物质产量(kg·hm-2)。

1.3.2地下生物量测定 在紫花苜蓿最后一茬刈割后(2021年10月1日)，各小区随机确定0.2 m×0.2 m的样方，将根系和周围的土壤整体挖起取样，用清水冲洗干净，收集苜蓿根系，在105℃烘箱中杀青30 min后，置于65℃烘箱烘干48 h至恒重，计算紫花苜蓿地下生物量(kg·hm-2)。

1.3.3植株磷含量测定 将上一步操作的样品进行粉碎并过筛，用钼锑抗比色法[21]测苜蓿植株磷含量。磷吸收量计算公式：磷吸收量(kg·hm-2)=植株磷浓度(%)×干草产量(kg·hm-2)

1.3.4水分利用效率 水分利用效率(kg·m-3)=干草总产量(kg·hm-2)/灌水量(m3·hm-2)

1.4 数据统计

所有数据采用Office Excel 2013软件汇总，用SPSS 20进行统计分析，Graphpad Prism 8.0 软件进行制图分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下紫花苜蓿生物量

由表2可知，灌溉、磷肥和AM真菌处理对每茬草干草产量和总产量具有极显著影响(P<0.01)，磷肥和AM真菌处理交互作用对苜蓿总产量具有极显著影响(P<0.01)，磷肥和AM真菌处理对地下生物量具有极显著影响(P<0.01)，灌溉和AM真菌处理交互作用对地下生物量具有极显著影响(P<0.01)。

干草产量在QI处理显著高于RDI处理(第1茬：|t|=6.533，P<0.01；第2茬：|t|=10.297，P<0.01；第3茬：|t|=5.079，P<0.01；总产量：|t|=13.863，P<0.01)，地下生物量在QI处理与RDI处理之间无显著性差异(|t|=0.373，P=0.712)。紫花苜蓿的干草产量和地下生物量在AM处理下均显著高于-AM处理(第1茬：|t|=7.444，P<0.01；第2茬：|t|=5.954，P<0.01；第3茬：|t|=5.338，P<0.01；总生物量：|t上|=9.675，P<0.01；地下生物量：|t下|=5.858，P<0.01)。

随着施磷量的增加3茬苜蓿干草产量呈先增加后降低趋势，在P2磷肥处理产量最高；地下生物量随着施磷量的增加呈逐渐增加趋势，在P3磷肥处理地下生物量最大(图1，图2)。

表2 不同处理下紫花苜蓿干草产量和地下生物量方差分析Table 2 Variance analysis of alfalfa hay yield and underground biomass under different treatments

图1 不同处理下紫花苜蓿干草产量(刈割3次)Fig.1 Alfalfa hay yield under different treatments (cutting for 3 times)注：图中同一真菌处理(AM或-AM)下，RDI条件小写字母表示磷肥梯度差异显著(P<0.05)，QI条件大写字母表示磷肥梯度差异显著(P<0.05)。下图同Note:In theFigure,under the same (AM or -AM) fungal treatment,the small letters under RDI condition indicate significant difference in phosphorus fertilizer gradient (P<0.05),and the capital letters under QI condition indicate significant difference in phosphorus fertilizer gradient (P<0.05). The same as below

图2 不同处理下紫花苜蓿干草总产量和地下生物量Fig.2 Alfalfa hay yield and underground biomass under different treatments

2.2 不同处理下紫花苜蓿植株磷含量

由表3可知，灌溉处理对地下部磷含量具有极显著影响(P<0.01)；磷肥处理对第2茬、第3茬草磷含量具有极显著影响(P<0.01)，对地上部分平均磷含量具有显著影响(P<0.05)，对地下部磷含量具有极显著影响(P<0.01)。AM真菌处理对第2茬和第3茬草磷含量具有显著影响(P<0.05)，对地下部磷含量具有极显著影响(P<0.01)。灌溉、磷肥处理、AM真菌处理交互作用对地下部分磷含量具有极显著影响(P<0.01)。

紫花苜蓿地上部分平均磷含量在QI处理与RDI处理之间无显著差异(第1茬：|t|=0.373，P=0.712；第2茬：|t|=0.442，P=0.661；第3茬：|t|=1.008，P=0.321；地上部分平均磷含量：|t|=0.732，P=0.470)，但地下磷含量RDI处理下显著高于QI处理(|t|=9.272，P<0.01)。

第2茬和第3茬紫花苜蓿植株磷含量在AM处理显著高于-AM处理(第2茬：|t|=2.109，P=0.043；第3茬：|t|=2.040，P=0.050)，第1茬和地上部分平均磷含量AM处理与-AM处理无显著差异(第1茬：|t|=1.611，P=0.117；地上部分平均磷含量：|t|=0.455，P=0.652)，地下部分磷含量在AM处理显著高于-AM处理(|t|=3.034，P=0.005)；随施磷量的增加苜蓿地上部分磷含量呈先增加后降低的趋势，在P2磷肥处理磷含量最高(图3，图4)。

表3 不同处理下紫花苜蓿植株地上部分和地下部分磷含量方差分析Table 3 Variance analysis of phosphorus content in alfalfa under different treatments

图3 不同处理下紫花苜蓿植株磷含量(刈割3次)Fig.3 Alfalfa phosphorus concentration under different treatments (cutting for 3 times)

图4 不同处理下紫花苜蓿地上和地下部分磷含量Fig.4 Alfalfa phosphorus concentrations under different treatments

2.3 不同处理下紫花苜蓿磷吸收量

由表4可知，施磷肥对3茬草及地下部分磷吸收量具有极显著影响(P<0.01)，灌溉和AM真菌处理对苜蓿第2茬、第3茬、地上部分、地下部分磷吸收量具有极显著影响(P<0.01)。

第2茬、第3茬和地上部分总磷吸收量在QI处理下显著高于RDI处理(第2茬：|t|=7.337，P<0.01；第3茬：|t|=1.008，P<0.01；地上部分总磷吸收量：|t上|=4.505，P<0.01)，第1茬RDI条处理与QI处理无显著差异(|t|=1.881，P=0.069)；地下部分磷吸收量在RDI处理显著高于QI处理(|t|=3.525，P<0.01)。

第2茬、第3茬和地上部分总磷吸收量在AM处理显著高于-AM处理(第2茬：|t|=5.676，P<0.01；第3茬：|t|=5.057，P<0.01；地上部分总磷吸收量：|t|=3.798，P<0.01)，第1茬磷吸收量在AM处理与-AM处理无显著差异(|t|=1.245，P=0.223)，地下部分磷吸收量在-AM处理显著高于AM处理(|t|=6.545，P<0.01)。

随着施磷量的增加，地上部分总磷吸收量呈先增加后降低趋势，地下部分磷吸收量在-AM处理呈先增加后降低趋势，在AM处理下增加(图5和图6)。

表4 不同处理下紫花苜蓿磷吸收量方差分析Table 4 Variance analysis of phosphorus uptake in alfalfa under different treatments

图5 不同处理下紫花苜蓿磷吸收量(刈割3次)Fig.5 Alfalfa Phosphorus uptake under different treatments (cutting for 3 times)

图6 不同处理下紫花苜蓿地上部分和地 下部分磷吸收量Fig.6 phosphorus uptake of aboveground and underground part of Alfalfa under different treatments

2.4 水分利用效率

由表5可知，灌溉、施磷肥、AM真菌处理及灌溉和磷肥处理交互作用、磷肥和AM真菌处理交互作用、灌溉和AM真菌处理交互作用均对水分利用效率具有极显著影响(P<0.01)。水分利用效率在RDI处理显著高于QI处理(|t|=30.678，P<0.01)，AM处理显著高于-AM处理(图7，|t|=9.358，P<0.01)，随着施磷量的增加水分利用效率呈先增加后降低的趋势，在P2磷肥处理水分利用效率最高。

表5 不同处理下紫花苜蓿水分利用效率方差分析Table 5 Variance analysis of water use efficiency in alfalfa under different treatments

图7 不同处理下紫花苜蓿水分利用效率Fig.7 Water use efficiency of alfalfa under different treatments

3 讨论

水分是影响紫花苜蓿产量和养分利用的主要因素，因而合理灌溉和科学施肥是保证紫花苜蓿优质高产的重要措施。有研究表明，紫花苜蓿的产量与灌溉量之间呈抛物线的变化趋势[22]。在抛物线最高点之前，产量与灌溉量呈正相关关系，超过最高点后，产量随着灌溉量的增加而降低[23-25]。在本研究中，与本试验中RDI处理下紫花苜蓿平均总产量比QI处理高8.1%，平均水分利用率低24.3%，这与沙栢平[26]和李天琦[27]等的研究一致，灌溉量的增加有利用干草产量的增加，同时灌溉量的增加会降低水分利用效率。另外，随着施磷量的增加，水分利用效率先增加后降低，P2处理达到最大为1.64 kg·m-3，这与Hammad研究结果一致[28]。这说明水磷之间存在协同效应，适量施磷肥促进植物根系的生长和分布，有利于对水分和养分的吸收[29-30]，从而提高缺水条件下苜蓿对水分的利用效率。

本试验中施磷肥能显著提高紫花苜蓿干草产量。与不施磷相比，各施磷处理下苜蓿干草产量提高15.40%～39.96%。主要是因为施磷肥能够显著增加紫花苜蓿叶片中的叶绿素含量，提高苜蓿光合作用速率[31]，进而提高紫花苜蓿干草产量[32]。随着施磷量的增加，紫花苜蓿干草产量先增加再降低，这与刘焕鲜[33]研究一致，该研究认为紫花苜蓿牧草产量在P2(100 kg·hm-2)处理时最大为4 807 kg·hm-2，施磷量过多也会造成干物质量的降低。其原因是由于苜蓿植株对磷的吸收也有阈值[34]，当达到阈值前能够促进其生长发育[35]，当超过阈值后，苜蓿植株磷含量反而降低[36]。在本试验中紫花苜蓿地上部分磷吸收量在QI处理下比RDI处理下平均高7.09%；相反，地下部分磷吸收量在RDI处理下比QI处理下平均高5.88%。主要原因是调亏灌溉下土壤水分相对亏缺，导致运输到地上部分的养分量减少，在地下根系中积累的磷的量增加[37]。另外，本研究中紫花苜蓿的磷吸收量随着施磷量增加呈先增加后降低，与产量的变化趋势一致，但随着生育期的递进逐渐减弱，主要是由于土壤中的金属离子固定导致磷肥的当季利用率较低[38]。一般农作物对磷肥的利用率为5%～25%[39]，在本研究中紫花苜蓿对磷肥的利用效率在1.57%～13.49%。另外，随着施磷量的增加，苜蓿地上部分磷含量逐渐增加，而地下部分磷含量先增加后降低，主要是因为磷肥具有后效作用，由于土壤对磷的吸附作用使得土壤中磷被固定而难以被植物吸收利用[34]，当年施入的磷肥在植物生长后期或后茬中缓慢地释放出来被植物吸收利用[41]。

在自然条件下，AM真菌与植物共生形成的菌根对磷的吸收和利用具有重要贡献[15]。本研究中，本研究中，AM真菌对紫花苜蓿的产量贡献为11.1%，对水分利用效率的贡献为7.5%，这与刘俊英[42]的研究结果一致。AM处理下，紫花苜蓿地上植株的平均磷吸收量比-AM处理高6.5%，地下部平均磷吸收量比-AM高16.2%，这表明AM菌根真菌对紫花苜蓿磷元素的吸收有一定的作用，但这种促进作用会随着施肥量的增加而降低，主要是因为当土壤中磷含量较高时，一方面会抑制菌根真菌孢子的发育[43]，另一方面植物通过根系吸收的磷素已满足需求，从而降低了植物对AM真菌的依赖性；当土壤磷含量较低的情况下，更有利于植物与AM真菌共生，植物依靠与AM真菌共生形成的菌丝来吸收土壤有效磷[44-45]。

4 结论

紫花苜蓿平均总产量在QI和RDI下分别为14 487.08 kg·hm-2，13 395.23 kg·hm-2，QI与RDI相比产量高出8.1%，但其水分利用效率降低了24.3%。与不施磷处理相比，施磷处理下紫花苜蓿总产量提高15.40%～39.96%。平均总产量在AM处理和-AM处理下分别为14 938.47 kg·hm-2，13 450.22 kg·hm-2，AM处理与-AM处理相比产量高出11.1%。综合来讲，QI+P2+AM处理下(即灌溉量14 000 m3·hm-2、施磷量120 kg·hm-2和土壤不灭AM真菌)，紫花苜蓿总干草产量最高，为17 343.69 kg·hm-2，总吸磷量最高，为51.46 kg·hm-2；在RDI+P2+AM处理组的水分利用效率最高为1.64 kg·m-3。