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A study on root system development ability of alfalfa cultivars with different fall dormancy rates in the Guizhou area

贵州地区不同秋眠级苜蓿品种根系发育能力研究



全 文 :书贵州地区不同秋眠级苜蓿品种根系发育能力研究
徐大伟1,韩永芬2,卢欣石1,姚春艳1
(1.北京林业大学草地资源与生态实验室,北京100083;2.贵州省草业研究所,贵州 独山558200)
摘要:从根系发育角度对美国11个秋眠级标准对照苜蓿品种在贵州地区的适应性进行研究。结果表明,苜蓿随着
秋眠级升高,根颈直径呈先减小后增大的趋势,最大的是UC1887(FD10),为1.439cm;主根长度呈先增长后减小
的趋势,最长的是Pierce(FD8),为59.75cm;侧根数逐步减少,最多的是 Vernal(FD2),为19.33;最少的为Pierce
(FD8),为12.25。主根直径、主根体积、主根生物量、侧根体积、侧根生物量及根系体积、根系生物量都呈增大的趋
势,苜蓿第1年根系主要集中在0~20cm土层,根系体积所占比例为77.82%~92.35%,根系生物量所占比例为
75.14%~90.96%。通过聚类分析及不同秋眠级苜蓿品种的综合表现,在贵州地区,苜蓿根系发育能力较强的秋
眠级为7~10。
关键词:苜蓿;秋眠级;根系发育能力
中图分类号:S816;S551+.703.7  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)01001806
  1921年,美国科学家Oakley等发现紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)的秋眠特性。1979年,Bames等将苜蓿的
秋眠级划分为九类[1]。1998年后,苜蓿秋眠等级重新分成了11个水平,苜蓿秋眠级1~3为秋眠型,4~6为半秋
眠型,7~9为非秋眠型,10、11为极非秋眠型[2]。现在北美苜蓿改进协会(NAAIC)、美国苜蓿种子协会(CASC)
等机构都将秋眠性作为苜蓿评价和商业化生产的第一评定指标[35]。在国内,近些年随着对苜蓿研究及其利用的
深入,现已成功培育出许多适宜热带、亚热带气候条件种植的高秋眠级新品种[6,7],同时由于南方地区对饲料质
量和数量的双重需求,苜蓿作为牧草中优秀成员,其种植区已经由原来的北方逐步向南方扩展[812]。
贵州位于我国西南部,平均海拔约1000m,山地占61.7%,丘陵占30.8%,山间平坝占7.5%。岩溶出露面
积10.9万km2,占全省总面积的61.9%,属典型的喀斯特地貌[13]。贵州作为我国南方草地畜牧业的一个重要省
份,长期以来由于天然草地的过度利用[14]而导致贵州山地水土流失和石漠化严重,给本地区人民的生存和发展
造成了严重影响,因而其水土流失治理已成为生态建设的一个重要部分[15,16]。近年来,由于贵州草地畜牧业的
发展,人工种植苜蓿面积逐年增加,但由于种种原因,贵州苜蓿产业的发展一直没有很大的突破[17,18]。本试验以
美国11个秋眠级标准对照苜蓿品种为材料,研究不同秋眠级苜蓿品种在贵州地区的根系发育能力,为苜蓿在贵
州的草地畜牧业和生态建设中的利用提供理论指导。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在贵州省独山县贵州省草业科学研究所科研试验场,试验地位于东经107°33′,北纬25°30′,海拔970
m,≥10℃年积温4538℃,年均温15℃,极端低温-8℃,极端高温38℃,年降水量1346.7mm,主要集中在5-8
月,无霜期272d,年日照时间1336.7h。试验地土壤为黄壤土,pH值为6.6,有机质含量为22.5g/kg,全氮为
1.61g/kg,水解氮含量68.42mg/kg,有效磷含量30.45mg/kg,速效钾50mg/kg。土壤总体肥力水平为中等。
1.2 试验材料与设计
本试验采用美国11个秋眠级苜蓿品种,秋眠型(FDR1~3):Maverick、Vernal、Pioneer5446;半秋眠型
(FDR4~6):Legend、Archer、ABI700;非秋眠型(FDR7~9):DonaAna、Pierce、CUF101;极非秋眠型(FDR
10~11):UC1887、UC1465。试验采用完全区组随机设计方法,11个秋眠级标准对照苜蓿品种随机排列,株距
18-23
2012年2月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第21卷 第1期
Vol.21,No.1
 收稿日期:20101101;改回日期:20110114
基金项目:国家科技支撑项目(2008BADB3B,2006BAD01A19)资助。
作者简介:徐大伟(1986),男,安徽庐江人,在读硕士。Email:418xdw@163.com
通讯作者。Email:luxinshi304@126.com
40cm,行距60cm,每个小区重复3次,小区面积
12m×6m。2010年2月底穴盘育苗,4月初移栽。
品种编号、名称、秋眠级及其秋眠类型见表1。
1.3 测定项目和方法
采用根系整体观察和分层分析相结合的方法,
在2010年8月苜蓿成熟期进行测量。1)根颈和根
系形态的测定:在每个小区内长势均匀的地方随机
测定3株植株,割掉地上部分后采用壕沟法挖取根
部,然后清洗根部,记录主根长、根颈直径、主根上的
侧根数(侧根离主根0.5cm处的直径≥0.1cm时,
可计入,<0.1cm时,不计入)、主根直径(分别测定
5和10cm处直径)、第一侧根位置(距离根颈的位
置)及其直径。将主根、侧根分离,带回实验室,放在
105℃的烘箱中烘24h,称取根系干重,计为主根、
侧根生物量。2)根系体积和生物量的测定:在每个
品种长势均匀的地方选取3个50cm×50cm的样
表1 苜蓿秋眠等级及秋眠类型
犜犪犫犾犲1 犉犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲犪狀犱狋狔狆犲狅犳犪犾犳犪犾犳犪
编号
Number
品种
Cultivar
秋眠等级
Faldormancyrate
秋眠类型
Faldormancytype
FD1 Maverick 1 秋眠型Dormancy
FD2 Vernal 2
FD3 Pioneer5446 3
FD4 Legend 4 半秋眠型Semidormancy
FD5 Archer 5
FD6 ABI700 6
FD7 DonaAna 7 非秋眠型Nondormancy
FD8 Pierce 8
FD9 CUF101 9
FD10 UC1887 10 极非秋眠型
ExtremelynondormancyFD11 UC1465 11
图1 不同秋眠级苜蓿品种主根长、根颈直径、侧根数
犉犻犵.1 犜犪狆狉狅狅狋犾犲狀犵狋犺,犮狉狅狑狀犱犻犪犿犲狋犲狉,犾犪狋犲狉犪犾狉狅狅狋狀狌犿犫犲狉
狅犳犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
方,每10cm一层挖取根系,把挖取的根系放在双层
纱布内洗干净,在量筒中测定根系的体积,把样品带
回实验室,放在105℃的烘箱中烘24h,称取根系干
重,计为不同层次根系生物量。
1.4 数据分析
采用Excel和SPSS16.0软件进行数据处理、
分析。
2 结果与分析
2.1 根颈和根系形态
植物根系的生长状况是由遗传、气候、土壤、生
物多方面共同影响的[19]。紫花苜蓿为多年生豆科
苜蓿,其根系属于直根系,由主根和侧根组成。苜蓿
近地面上的根冠部为根颈,根颈上能形成大量的芽,
可长成地上部茎枝,同时也是越冬芽的着生部位[2022]。随着秋眠级的升高,紫花苜蓿的主根长呈逐步上升后下降
的趋势(图1),秋眠型和半秋眠型品种的主根长度相对较小,最短的是 Maverick(FD1),为38.33cm,非秋眠型和
极非秋眠型品种相对较高,最长的是Pierce(FD8),为59.75cm,但UC1465(FD11)较小,为48.25cm。
随着紫花苜蓿秋眠级的升高,FD1~FD6根颈直径长度逐步下降(图1),FD1的根颈直径为1.215cm,FD6
根颈直径为1.030cm,FD6~FD10呈上升的趋势,FD10的根颈直径为1.439cm,而到FD11又下降,其根颈直
径为1.237cm。随着秋眠级的升高,不同秋眠级苜蓿的侧根数呈逐步递减的趋势,最多的是FD2,平均为19.33;
最少的为FD8,平均为12.25。
主根5cm处直径,非秋眠型、极非秋眠型品种平均直径分别为0.708和0.575cm,高于半秋眠型、秋眠型,
其平均直径为0.507和0.514cm。主根5cm处直径最大为DonaAna(FD7),为0.92cm。而主根10cm处直径
也呈现类似的规律,直径最大为ABI700(FD6),为0.472cm(图2)。不同秋眠级苜蓿品种第1侧根发生位置,除
Maverick(FD1)、Vernal(FD2)外,其余品种随着秋眠级的升高发生位置逐步下移,第1侧根发生位置最大的为
Pioneer5446(FD3),发生在1.615cm,最小的为UC1887,为0.318cm(图3),即第1侧根发生位置随着秋眠级
升高而离土壤表层越远,而秋眠级为2和7的苜蓿品种侧根直径波动较大,其余则呈现增大的趋势。
91第21卷第1期 草业学报2012年
图2 不同秋眠级苜蓿品种主根直径
犉犻犵.2 犜狅狆狉狅狅狋犱犻犪犿犲狋犲狉狅犳犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
图3 不同秋眠级苜蓿品种第1侧根位置、直径
犉犻犵.3 犜犺犲犳犻狉狊狋犾犪狋犲狉犪犾狉狅狅狋狆狅狊犻狋犻狅狀,犱犻犪犿犲狋犲狉狅犳犪犾犳犪犾犳犪
犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
2.2 不同秋眠级紫花苜蓿标准对照品种根系体积、生物量变化
2.2.1 不同秋眠级苜蓿根系体积和生物量的总量变化 随着秋眠级的升高,不同秋眠级苜蓿品种根系总体积表
现出整体逐步增大,到秋眠级11时,其体积相对下降的趋势(图4)。根系总体积最大的品种为Pierce(FD8),为
35.96cm3;最小的为Vernal(FD2),为15.58cm3。而主根体积和侧根体积也呈现基本一致的规律。且非秋眠
型、极非秋眠型苜蓿侧根体积占总体积的比例比半秋眠型、秋眠型苜蓿要大,说明了非秋眠型、极非秋眠型苜蓿侧
根发育能力更强。不同秋眠级苜蓿品种的地下生物量变化中,总干重、主根干重、侧根干重整体呈上升趋势,但
Archer(FD5)、CUF101(FD9)、UC1465(FD11)相对下降(图5)。尽管随着秋眠级的升高,苜蓿的侧根数量呈逐
步下降的趋势,但由于高秋眠级的苜蓿能更好地适应贵州的环境条件,侧根发育更好,故侧根生物量整体呈现上
升的趋势。
图4 不同秋眠级苜蓿品种主根体积、侧根体积、根系体积
犉犻犵.4 犜犪狆狉狅狅狋狏狅犾狌犿犲,犾犪狋犲狉犪犾狉狅狅狋狏狅犾狌犿犲犪狀犱狉狅狅狋狏狅犾狌犿犲
狅犳犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
图5 不同秋眠级苜蓿品种主根干重、侧根干重、总干重
犉犻犵.5 犜犪狆狉狅狅狋犫犻狅犿犪狊狊,犾犪狋犲狉犪犾狉狅狅狋犫犻狅犿犪狊狊犪狀犱狉狅狅狋犫犻狅犿犪狊狊
狅犳犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
2.2.2 根系体积和生物量的垂直分布 不同秋眠级苜蓿的根系体积第1年主要集中在0~20cm土层,其中在
0~10cm 土层,随着秋眠级的升高,根系所占比例呈下降的趋势,最大比例为74.91%,苜蓿品种为Legend
(FD4),最小为50.75%,苜蓿品种为ABI700(FD6);其次在10~20cm土层,不同秋眠级苜蓿根系所占比例变化
不大,变化范围为16.72%~27.07%。在20~30和30~40cm土层中,随着秋眠级升高,根系所占比例呈上升
的趋势,这也导致了秋眠级越高,根系总体积越大的趋势(图6)。≥40cm土层中,根系所占比例不大,而不同秋
02 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.1
眠级苜蓿品种根系生物量也呈现相似的规律(图7)。这说明不同秋眠级苜蓿品种根系在贵州地区第1年主要集
中在0~20cm土层中,而非秋眠型、极非秋眠型苜蓿品种在20~40cm土层中根系占总根系比例要大于半秋眠
型、秋眠型苜蓿,即非秋眠型、极非秋眠型苜蓿品种在不同土层中分布更均匀。
图6 不同秋眠级苜蓿品种根系体积的垂直分布
犉犻犵.6 犞犲狉狋犻犮犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狉狅狅狋狊狔狊狋犲犿狏狅犾狌犿犲狅犳
犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
图7 不同秋眠级苜蓿品种根系生物量的垂直分布
犉犻犵.7 犞犲狉狋犻犮犪犾犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳狉狅狅狋狊狔狊狋犲犿犫犻狅犿犪狊狊狅犳
犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊
2.3 不同秋眠级苜蓿品种根系发育能力的聚类分析
以不同秋眠级苜蓿品种的根颈直径、主根长、侧根数、5cm处主根直径、10cm处主根直径、侧根位置、侧根直
径、根系体积、根系干重为分析变量对11个秋眠级品种作聚类分析(图8)。当取距离大于10时,可分为2类,秋
眠级1~5为一类,秋眠级6~11为一类。当取距离等于5时,可分为5类,其中8~10为一类,秋眠级7为一类,
且与秋眠级8~10最为接近,1~5为一类,6和11为一类。
图8 不同秋眠级苜蓿品种根系发育能力聚类分析
犉犻犵.8 犆犾狌狊狋犲狉犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊犻狀狉狅狅狋狊狔狊狋犲犿犱犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犪犫犻犾犻狋狔
3 讨论
根系发育是一个系统的发育过程,是与地上部协调统一的过程[23]。根系体积越大,植物与土壤的接触面积
就越大,越有利于植物大范围吸收土壤水分、养分和微量元素[24],植物根系能反映植物的抗逆能力,植物根系的
生长状况也可以反映该植物对当地环境的适应情况。
12第21卷第1期 草业学报2012年
在贵州自然条件下,不同秋眠级苜蓿的根系发育能力存在不同。根颈直径、主根长度、根系体积、根系生物量
都存在一定的规律性。根颈直径随着秋眠级的增高呈现先降低后增大的趋势。严秀将[25]研究发现,不同秋眠级
苜蓿根系在相对电导率、可溶性糖、丙二醛、脯氨酸含量上存在不同,表明秋眠级与抗寒性存在一定相关性。王月
胜[26]曾对不同苜蓿品种根系特征及其抗寒性关系进行了研究,结果表明根颈直径与越冬率存在正相关关系。而
在贵州地区不同秋眠级苜蓿品种根颈直径呈现这种规律可能是由于品种间的遗传性和环境因子共同作用决定
的,秋眠型苜蓿相对于半秋眠型苜蓿具有更强的抗寒性,所以秋眠型苜蓿根颈直径要大于半秋眠型,而非秋眠型
和极非秋眠型苜蓿由于在贵州地区具有更好的适应性,能够获得更多的营养物质,故又呈现出逐步增大的现象。
主根长度越长说明根系具有更强的拓展能力。在11个秋眠级苜蓿品种中主根最长的为Pierce(FD8),非秋
眠型、极非秋眠型品种比半秋眠型、秋眠型品种入土更深。而通过不同秋眠级苜蓿品种根系体积、生物量研究发
现,随着秋眠级的升高,其生物量呈现逐步升高的趋势。这不但体现在主根体积、生物量上,侧根也有同样的规
律。万素梅等[27]对12个苜蓿品种根系研究表明,苜蓿侧根发育能力决定于品种的生物学特性,具有可遗传特
性,环境因子的胁迫是外因,而不是侧根发育能力的决定因素。梅莉等[28]对水曲柳(犉狉犪狓犻狀狌狊犿犪狀犱狊犺狌狉犻犮犪)根
系研究表明,侧根的发育水平对植物根系影响更大。非秋眠型、极非秋眠型品种主根入土更深,同时其侧根也具
有优势。这说明了在贵州地区,非秋眠型和极非秋眠型根系发育能力更强,能够向更有利的方向发展,具有更强
的生长势,同时FD11又相对较弱。
郭正刚等[29,30]对9个苜蓿品种根系发育能力研究表明,苜蓿根系体积、生物量在土壤中的垂直分布表现为
从表层到深层逐次递减,这是与研究地区的土壤含水量和结构相关。贵州地处西南,夏季高温多雨,气候潮湿,不
同秋眠级苜蓿品种第1年根系主要集中在0~20cm土层,并由表层到深层逐步减小。随着年限的增长,深层根
系逐步发育,深层根系所占比例会逐步增大。但非秋眠型、极非秋眠型苜蓿品种在20~40cm土层分布较半秋眠
型、秋眠型苜蓿所占比例要大,说明了非秋眠型、极非秋眠型苜蓿品种整体分布相对均匀,这也从另一方面说明了
秋眠级高的苜蓿品种在贵州地区具有更好的发育能力。
通过不同秋眠级苜蓿品种根系9个变量的聚类分析,同时考虑到各个秋眠级苜蓿品种根系的生长表现得出:
在贵州地区,苜蓿根系发育能力较强的秋眠级为7~10。不同秋眠级苜蓿品种的根系发育能力呈一定的规律性
变化,同时根系与地上部分密切相关,因此要处理好地上部与地下部的生长协调性,即能获得较高的产量,也能保
证地下根系正常的生长发育。关于不同秋眠级苜蓿品种的根系与产量的关系及不同年限的根系发育情况有待于
深入研究。
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犃狊狋狌犱狔狅狀狉狅狅狋狊狔狊狋犲犿犱犲狏犲犾狅狆犿犲狀狋犪犫犻犾犻狋狔狅犳犪犾犳犪犾犳犪犮狌犾狋犻狏犪狉狊狑犻狋犺
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犳犪犾犱狅狉犿犪狀犮狔狉犪狋犲狊犻狀狋犺犲犌狌犻狕犺狅狌犪狉犲犪
XUDawei1,HANYongfen2,LUXinshi1,YAOChunyan1
(1.LaboratoryofRangelandResourcesandEcology,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;
2.GuizhouProvincialInstituteofPrataculturalScience,Dushan558200,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theabilitiesofdifferentfaldormancyalfalfacultivarstodeveloprootsystemswerestudiedinthe
Guizhouareatoanalyzetheiradaptabilities.Rootneckdiameterinitialydecreasedbutthenincreasedasthefal
dormancyrateincreased.RootneckdiameterofUC1887(FD10)wasthelargest(1.439cm).Taprootlength
initialyincreased,thendecreasedwithPierce(FD8)havingthelongesttaproots(59.75cm).Thenumberof
secondaryrootsgradualy,decreased:Vernal(FD2)hadthemost(19.33),andPierce(FD8)thefewest
(12.25).Taprootdiameter,taprootvolume,taprootbiomass,lateralrootvolume,lateralrootbiomass,root
systemvolume,androotsystembiomasstendedtoincreaseasthefaldormancyrateincreased.Firstyearun
dergroundrootsystemsgrewmainlyinthe0-20cmdepthzone.Theproportionsofrootsystemvolumewere
77.82%-92.35%androotsystembiomassrateswere75.14%-90.96%.Basedontheintegratedperform
anceandclusteranalysisofalfalfawithdifferentfaldormancyrates,thefaldormancyratesofalfalfawiththe
greatestrootsystemdevelopmentabilityrangedfrom7to10.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪;faldormancyrate;rootsystemdevelopmentability
32第21卷第1期 草业学报2012年