全 文 :书磷肥对紫花苜蓿再生过程中根茬组织
非结构性碳水化合物利用的影响
姜慧新1,2,沈益新1,翟桂玉2,刘信宝1,原培勋2
(1.南京农业大学动物科技学院,江苏 南京210095;2.山东省畜牧总站,山东 济南250022)
摘要:田间试验研究了施磷肥对紫花苜蓿再生过程中主根、根冠和残茬中非结构性碳水化合物(NSC)贮存量变化
的影响。结果表明,紫花苜蓿NSC主要贮存在主根和根冠部,主根和根冠中的淀粉是再生过程中被利用最多的
NSC。施磷肥显著提高了刈割时主根和根冠部淀粉的贮存量,270kgP2O5/hm2处理的植株主根和根冠部淀粉贮
存量分别比0kgP2O5/hm2处理的植株高73.5% 和31.1% ;施磷肥处理提高了主根中α淀粉酶的活性,加快了主
根和根冠部贮存淀粉在再生早期的降解,提高了主根和根冠部淀粉转化为再生生物量的效率,促进了休眠芽的萌
发和新生茎的生长。270kgP2O5/hm2处理的植株刈割后13d的每株再生生物量极显著高于不施磷处理的植株
(犘<0.01)。结果说明,紫花苜蓿主根和根冠部贮存的NSC是再生的主要营养源;施磷肥通过提高紫花苜蓿根茬
组织中NSC的贮存量和利用效率,为刈割后的早期再生提供充足的养分,从而加快紫花苜蓿的再生。
关键词:磷肥;紫花苜蓿;根;非结构性碳水化合物;α淀粉酶
中图分类号:S551+.706;Q945 文献标识码:A 文章编号:10045759(2009)03013606
牧草在刈割后,植株失去了进行光合作用的主要器官,再生初期所需的物质和能量主要依赖于残留组织中贮
存的碳水化合物。因此,根茬中的碳水化合物含量或总量对再生起重要作用[1,2]。戎郁萍等[1]对新麦草(犘狊犪
狋犺狔狉狅狊狋犪犮犺狔狊狆犲狉犲狀狀犻狊)的研究表明,刈割后的再生速度与分蘖节中的总可溶性糖含量密切相关;对多年生黑麦草
(犔狅犾犻狌犿狆犲狉犲狀狀犲)的研究发现,残茬中水溶性碳水化合物(WSC)含量与再生能力显著正相关[3];王静等[4]对冷蒿
(犃狉狋犲犿犻狊犻犪犳狉犻犵犻犱犪)的研究也表明,冷蒿残留组织中 WSC总量与再生生长显著相关。一些多年生豆类的研究
结果表明,根和茎的贮存碳水化合物对再生具有重要影响。紫花菜豆(犕犪犮狉狅狆狋犻犾犻狌犿犾犪狋犺狔狉狅犻犱犲狊)根部的淀粉含
量[5],白三叶(犜狉犻犳狅犾犻狌犿狉犲狆犲狀狊)匍匐茎中的淀粉含量[6],以及紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)主根中的 NSC含
量[7]均与其刈割后的再生密切相关。
植物体内碳水化合物的贮存和利用受基因、管理及营养等因素的影响。其中,营养因素通过改变植株的生长
而影响碳水化合物的贮存。磷是豆科植物最重要的营养元素之一,它组成了植物体内的许多重要化合物,如核
酸、辅酶Ⅰ(NAD)、辅酶Ⅱ(NADP)等。这些化合物在光合作用、碳水化合物与蛋白质合成等生理过程中起着极
其重要的作用。一些施磷肥试验的研究表明,充足的磷可以增加紫花苜蓿的叶面积指数,提高叶绿素含量[9],增
强光合作用,并促进返青和刈割后的再生[8,9],提高每茎干物质量和单产[10]。
本研究观测和分析了不同施磷肥量处理下,紫花苜蓿的再生速度与再生初期根茬组织中NSC贮存量及利用
率间的关系,从紫花苜蓿再生过程中根茬NSC利用率的角度,探讨了磷肥在紫花苜蓿再生过程中的作用机理。
1 材料与方法
1.1 试验地自然概况
试验在山东省齐河县畜牧科技示范园(北纬36.76°,东经116.76°)内进行。该地区年均温12.9℃,无霜期
197d,≥10℃的年积温4350℃;年均日照2660h。沙壤土,pH值为7.99,有机质含量为3.41g/kg,全氮0.62
g/kg,全磷0.49g/kg。
136-141
2009年6月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第18卷 第3期
Vol.18,No.3
收稿日期:20080707;改回日期:20080908
基金项目:山东省农业良种产业化项目(2005LZ1303,2006LZ1203)资助。
作者简介:姜慧新(1974),女,浙江金华人,高级畜牧师,在读博士。Email:jhx232@sina.com
通讯作者。Email:yxshen@njau.edu.cn
1.2 试验材料
紫花苜蓿为百绿集团提供的三得利(Sanditi)品种,磷肥为普通过磷酸钙(贵州省龙里龙山产,P2O5≥16%)。
1.3 试验设计
田间试验采用完全随机区组设计,设0,90,180和270kgP2O5/hm24个施磷肥处理,分别记为对照、处理1、
处理2和处理3,3次重复。磷肥在播种前行间开沟一次性施入。小区面积4m×2m;小区间隔0.5m。
1.4 播种和田间管理
紫花苜蓿于2006年9月23日30cm行距条播,播种量22.5kg/hm2。出苗后常规田间管理。
1.5 取样和实验室分析
2007年5月3日初花期第1茬刈割,留茬5cm。分别于刈割后0,2,5,9和13d,每次每小区1行连续挖取
10株,测定新生芽(茎)数和新生芽(茎)干重;并以根茎交界处上下1cm为界,分为残茬(取根冠部以上4cm)、根
冠和主根(取根冠部以下4cm)三部分,液氮快速冷冻,-20℃保存,用于测定主根、根冠和残茬中淀粉和可溶性
糖含量及淀粉酶活性。
淀粉酶原液的提取参照Galagher等[6]和Li等[11]介绍的方法进行。称取冻样1g左右,剪碎,加石英砂在冰
浴中研磨,用6mL0~4℃的TrisHCl液(内含0.003mol/LCaCl2 和0.005mol/L2巯基乙醇,pH值7.5)提
取4min;研磨所得匀浆在4000r/min下离心10min,再用2层纱棉布过滤;所得滤液用蒸馏水定容到20mL,
即为酶原液。
淀粉酶活性的测定参照李合生等[12]和Li等[11]介绍的方法,用当天提取的酶原液测定。
残茬、根冠和主根在70℃下烘干48h,粉碎,过1mm孔筛。称取50mg样品放入10mL离心管中,加入4
mL80%乙醇,80℃水浴40min,离心,收集上清液;残渣再加2mL80% 乙醇重复提取2次,合并上清液。用
80%的乙醇定容[11]至20mL。蒽酮比色法测定可溶性糖的含量。
淀粉含量测定参照张光辉等[13]介绍的方法。在上述离心后的沉淀物中加入2mL蒸馏水,80℃水浴5min
蒸干乙醇,沸水浴10min糊化淀粉,冰水浴冷却,加入9.2mol/L高氯酸2mL,20℃酸解15min,冷却,4000
r/min离心10min,将上清液转移到20mL的刻度试管中。向沉淀中加入4.8mol/L高氯酸2mL,20℃酸解15
min,冷却,4000r/min离心10min,将上清液合并到20mL的刻度试管中。残渣用蒸馏水冲洗3次并转移到对
应的刻度试管中。用2.5mol/LNaOH调pH值到5.4左右,定容,静置。取上清液,用蒽酮法测定葡萄糖的含
量。以葡萄糖含量折算为淀粉含量。
1.6 统计分析
以小区为单位,采用SAS软件(SASSystemforWindowsVer.8.0)进行数据分析。
2 结果与分析
2.1 再生强度
2.1.1 休眠芽的萌发 紫花苜蓿刈割后根冠和残茬
图1 施磷肥对休眠芽萌发的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊狅狀犲犿犲狉犵犲狀犮犲狅犳
犫狌犱狊犻狀犱狅狉犿犪狀犮狔犪犳狋犲狉犱犲犳狅犾犻犪狋犻狅狀
上的休眠芽迅速萌发,每株新萌芽数在刈割后5d达
到最大值,其后随着新枝条的生长,新萌芽数逐渐减少
(图1)。其中,刈割后2~5d休眠芽萌发比较集中,平
均每株新萌芽数由3.1个上升到10.2个。
施磷肥处理可促进休眠芽的萌发。刈割后5d,施
用磷肥处理的植株新萌芽数比对照增加50%。随着
施磷量的增加,每株新萌芽数有升高的趋势,但不同处
理间差异不显著(犘>0.05)。
2.1.2 新生茎的生长 每茎干重和每株再生生物量
自刈割5d后迅速增长,至13d时分别达到0.28和
2.07g(图2)。施磷处理促进了新生茎的生长。刈割
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后13d,施磷处理植株每茎干重比对照增加36.4%,270kgP2O5/hm2处理的植株每株再生生物量极显著高于对
照(犘<0.01),相关分析结果表明,每株再生生物量与刈割后5d时的新萌芽数极显著正相关(犚2=0.36,犘<
0.01)。表明施用磷肥提高植株的再生生物量是通过促进根茬上休眠芽的萌动和新生茎生长来实现的。
图2 施磷肥对新生茎生长的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊狅狀犵狉狅狑狋犺狅犳狀犲狑狊犺狅狅狋犪犳狋犲狉犱犲犳狅犾犻犪狋犻狅狀
2.2 根茬组织NSC贮存量
刈割时,根茬组织中NSC的贮存量以主根中最高,根冠部次之,残茬中最低(图3)。这表明,主根和根冠部
是紫花苜蓿根茬NSC的主要贮存部位。主根中淀粉贮存量为水溶性糖的2倍以上,表明紫花苜蓿在生长过程
中,贮存在主根中的NSC以淀粉为主。而根冠部和残茬中淀粉贮存量和水溶性碳水化合物贮存量大致相当。
2.2.1 淀粉贮存量的变化 随着休眠芽的萌发和新生茎的生长,主根和根冠部淀粉贮存量快速下降(图3)。主
根和根冠部淀粉贮存量由刈割当天的每株24.88和10.90mg下降到刈割后13d时的1.39和0.85mg,分别下
降了94.4%和92.2%。其中,刈割后9d内下降速度最快,分别下降了89.3%和87.9%。结果显示(图1,2),0
~9d是休眠芽萌发和新生茎最初生长的阶段。表明休眠芽的萌发和新生茎的生长主要依靠根部和根冠部贮存
的大量淀粉提供养分和能量。残茬中淀粉贮存量少,且刈割后短期内有增加倾向,刈割后13d时与刈割当天的
水平接近。表明再生初期残茬中淀粉很少被利用。
图3 施磷肥对非结构性碳水化合物贮存量的影响
犉犻犵.3 犖犛犆狉犲狊犲狉狏犲狊狆犲狉狆犾犪狀狋犪狊犻狀犳犾狌犲狀犮犲犱犫狔狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊
831 ACTAPRATACULTURAESINICA(2009) Vol.18,No.3
施磷处理增加了刈割当天主根和根冠中淀粉的贮存量。施磷肥270kgP2O5/hm2处理的植株主根和根冠部
淀粉的贮存量分别比对照高73.5% 和30.0%。施磷肥处理加快了紫花苜蓿刈割后主根和根冠中淀粉的利用。
刈割后5d内主根和根冠中淀粉总消耗量随施磷量的增加而增大,淀粉转化为再生生物量的利用效率也随之提
高 (表1)。表明生长在磷肥充足环境中的植株为休眠芽的萌发和生长提供了更多的养分。
表1 刈割后5犱主根和根冠中淀粉的消耗量和利用效率
犜犪犫犾犲1 犛狋犪狉犮犺犱犲狆犾犲狋犻狅狀犪狀犱犮狅狀狏犲狉狊犻狅狀犲犳犳犻犮犻犲狀犮狔犻狀狋犪狆狉狅狅狋犪狀犱犮狉狅狑狀犱狌狉犻狀犵犳犻狉狊狋5犱犪狔狊犪犳狋犲狉犱犲犳狅犾犻犪狋犻狅狀
项目Item
磷肥处理Phosphorustreatment(kgP2O5/hm2)
0 90 180 270
5d再生生物量 Mass(g/株Plant) 0.17±0.03Aa 0.30±0.04Aa 0.47±0.05AaBb 0.68±0.14Bb
主根淀粉消耗量Taprootstarchdepletion(mg/株Plant) 5.05±1.50a 8.22±2.02a 8.43±3.10a 12.92±3.60a
根冠淀粉消耗量Crownstarchdepletion(mg/株Plant) 6.94±1.20a 7.01±0.55a 5.22±1.53a 7.41±0.14a
总淀粉消耗量Totalstarchdepletion(mg/株Plant) 11.99±2.70a 15.23±3.14a 13.65±3.07a 20.33±4.81a
淀粉转化效率Starchconversionrate(%) 14.2 19.7 34.4 33.4
注:淀粉消耗量=刈割时淀粉贮存量-刈割后5d时淀粉贮存量。淀粉转化效率=刈割后5d内再生生物量/总淀粉消耗量。同行中数字后小写
和大写字母不同者分别表示差异达到显著(犘<0.05)和极显著水平(犘<0.01)。
Note:Starchdepletion=Starchreservesof0day-Starchreservesof5day.Starchconversionrate=Newshootweightof5day/Totalstarchdeple
tion.Datawithinalinefolowedbythedifferentsmalorcapitallettershowthedifferenceat犘<0.05or犘<0.01level,respectively.
2.2.2 可溶性糖贮存量的变化 刈割后主根中可溶性糖贮存量持续下降(图3),根冠中5d后出现上升趋势(图
3),而残茬中则变化不明显(图3)。表明休眠芽的萌发和生长在消耗主根和根冠部淀粉的同时,也消耗了主根中
贮存的可溶性糖。刈割5d后根冠中可溶性糖含量提高,可能与新生茎光合作用的逐渐增大,部分光合产物被运
输到根冠部有关。
施磷肥处理促进了主根中可溶性糖的贮存,270kgP2O5/hm2处理的植株刈割当天主根中可溶性糖贮存量
极显著高于对照(犘<0.01)。施磷肥也加快了刈割后主根中可溶性糖的消耗。刈割后5d内施磷植株的主根可
溶性糖的消耗量为对照的342.9%;但刈割后13d时,270kgP2O5/hm2处理的植株主根和根冠部可溶性糖贮存
量均极显著高于对照(犘<0.01),可能是磷肥促进了主根和根冠部贮存淀粉的分解和再生后光合作用的恢复两
者共同作用的结果。残茬中可溶性糖的贮存量在刈割后13d内基本保持平稳,表明再生初期残茬中可溶性糖也
很少被消耗。
2.3 淀粉酶活性的变化
2.3.1 α淀粉酶活性 刈割后9d内对照植株主根内α淀粉酶活性维持在5.76~8.24μg/(min·gFW)范围
内,施磷180和270kgP2O5/hm2处理的植株主根和根冠中α淀粉酶活性有高于不施磷和低磷处理的倾向(图
4)。表明施磷肥具有提高主根和根冠部α淀粉酶活性的趋势。刈割后5d内残茬中α淀粉酶活性在各处理间的
差异不明显(图4)。α淀粉酶活性提高,可加快贮存淀粉的降解,为休眠芽萌发和生长提供更多的可利用养分。
2.3.2 β淀粉酶活性 刈割后9d内主根和根冠中β淀粉酶活性下降,残茬中β淀粉酶活性变化不明显(图4)。
施磷肥处理加快了主根和根冠中β淀粉酶活性的下降。刈割后5d时270kgP2O5/hm
2处理的植株主根中β淀
粉酶活性降到最低,比对照低0.16μg/(min·mgFW)。刈割后9d内主根和根冠部淀粉贮存量急剧下降,而这
些部位的β淀粉酶活性反而也出现下降,表明β淀粉酶活性的变化与紫花苜蓿主根和根冠部贮存淀粉的迅速减
少关系不大。
3 讨论
3.1 紫花苜蓿根茬组织中的贮存碳水化合物形态
牧草再生初期的物质和能量主要来自根茬中贮存的有机物[1,2,7]。TA等[14]用14C标记研究发现,刈割后14
d内12%的贮存14C被转移到再生组织。Johansson[15]报道,刈割后15d内,草地羊茅(犉犲狊狋狌犮犪狆狉犪狋犲狀狊犻狊)根和根
931第18卷第3期 草业学报2009年
图4 施磷肥对淀粉酶活性的影响
犉犻犵.4 犃犿狔犾犪狊犲犪犮狋犻狏犻狋狔犪狊犻狀犳犾狌犲狀犮犲犱犫狔狆犺狅狊狆犺狅狉狌狊
冠部有21%的14C被转移到茎中。13C标记试验也显示,多年生黑麦草刈割后2d内,其再生草各器官中的碳水化
合物主要来源于残茬[16]。本试验结果显示,刈割后9d内紫花苜蓿根茬组织中NSC贮存量迅速下降,表明根茬
组织中的NSC是紫花苜蓿再生初期的主要营养源。紫花苜蓿主根和根冠部淀粉的贮存量最多,再生初期消耗量
最大,表明光合产物在紫花苜蓿根茬中主要以淀粉的形式贮存在根和根冠部,是再生初期利用的主要NSC。
3.2 磷肥对紫花苜蓿根茬组织中碳水化合物贮存和利用的影响
磷是植物生长所必需的重要营养元素,植物缺乏磷会影响到光合作用。郭程瑾等[17]对小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻
狏狌犿)的研究发现,缺磷后不同品种小麦的叶绿素含量较低,减弱了叶片对光能的捕获能力。李贤勇等[18]对再生
稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)的研究发现,施用磷肥,提高了头季稻后期绿叶面积,加快光合速率,使稻秆中贮藏养分增加。
本试验结果表明,施磷处理增加了刈割时主根和根冠中NSC的贮存量。其原因可能是施磷肥后紫花苜蓿植株有
效根瘤数增多[8],植株根瘤固氮能力提高,叶绿素含量上升,光合作用增强,使地上和地下部贮存的养分增加。
贮藏淀粉需要降解后才能被再生利用。白三叶[6]、紫花菜豆[5]、紫花苜蓿[7,11]等豆科植物的研究结果显示,
α淀粉酶活性和贮存器官淀粉的降解相关。本试验结果也显示,在再生期间主根和根冠部淀粉含量下降的同时,
α淀粉酶活性上升。说明在再生初期α淀粉酶活性与养分供给速度以及再生速度有关,施磷肥可能通过提高α
淀粉酶活性,显著提高主根和根冠部贮存NSC的运转和再生利用效率,从而促进休眠芽萌发和新生茎生长。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳狆犺狅狊狆犺犪狋犲犳犲狉狋犻犾犻狕犲狉狅狀狌狋犻犾犻狕犪狋犻狅狀狅犳狀狅狀狊狋狉狌犮狋狌狉犪犾犮犪狉犫狅犺狔犱狉犪狋犲
犻狀狉犲狊犻犱犲狀狋狋犻狊狊狌犲狅犳犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪犱狌狉犻狀犵狋犺犲犲犪狉犾狔狉犲犵狉狅狑狋犺狊狋犪犵犲
JIANGHuixin1,2,SHENYixin1,ZHAIGuiyu2,LIUXinbao1,YUANPeixun2
(1.ColegeofAnimalScienceandTechnology,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China;
2.GeneralStationofAnimalHusbandryofShandongProvince,Ji’nan250022,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Afieldexperimentwasconductedtostudytheeffectsofphosphatefertilizeronutilizationofnon
structuralcarbohydrate(NSC)storedinthemainroot,crown,andstubbleofalfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)during
earlyregrowthafterdefoliation.NSCismainlystoredintherootandcrown.Agreatdealofstarch,themajor
componentofstoredNSC,wasutilizedduringearlyregrowth.Withincreasingratesofphosphatefertilizer,
starchreservesincreasedinthemainrootandcrownandat270kgP2O5/hastarchreserveswere73.5%and
31.1%higherrespectivelythanthoseinthecontrol.Phosphatefertilizerimprovedtheactivityofαamylaseand
acceleratedthehydrolyzisofstarchinthemainrootandcrown,thuspromotingregrowthbyenhancingmobili
zationofstarchreservesforemergenceofdormantbudsandnewshootsafterdefoliation.Thedryweightof
plantstreatedwith270kgP2O5/hawassignificantly(犘<0.01)greaterthanthecontrol13daysafterdefolia
tion.NSCinthemainrootandcrownofalfalfaisthemainsourceofnutrientsduringearlyregrowthandphos
phatefertilizerimprovedthestorageandconversionefficiencyofNSCthusacceleratedregrowthofalfalfaafter
defolition.
犓犲狔狑狅狉犱狊:phosphorus;犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪;root;nonstructuralcarbohydrate;αamylas
141第18卷第3期 草业学报2009年