不同营养元素缺乏对苜蓿幼苗生长的影响

乌恩朝博闫志蕊包庆格乐

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院/内蒙古自治区土壤质量与养分资源重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010011;2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特 010010；3.中化现代农业蒙东有限公司，内蒙古 通辽 028018)

紫花苜蓿(Medicago sativa L.)是世界范围内广泛种植，也是我国种植面积最大的高产优质多年生豆科牧草，具有营养价值高[1]、适口性好[2]、耐旱[3]、耐盐碱[4]等优点，被誉为“牧草之王”。近年，随着国家“粮改饲”政策出台及农业种植结构的调整，其推广种植及水肥管理受到空前重视。氮磷钾是植物营养三要素，植物需求量最大，对植物生长发育、产量、品质均有决定性作用。氮被称为“生命元素”，磷对豆科植物有“以磷促氮(或以磷增氮)”作用，钾是“抗逆元素”、“品质元素”。钙镁硫是植物必需的中量元素，需求量仅次于氮磷钾，铁为必需微量元素，参与苜蓿的固氮作用。这些元素以不同方式参与植物生理过程，影响植物生长发育，最后体现在产量与品质上。紫花苜蓿是一次播种多次收割的高产牧草，吸收养分远较一般作物高，如长期不施肥，土壤矿质养分逐渐减少，难以维持土壤肥力，必然影响苜蓿的品质及产量[5]。因此，根据苜蓿的生长需求提供这些养分是苜蓿高产优质的重要营养保障。植物缺素后往往表现出特有的症状，因此，根据症状表现进行针对性的营养调控非常重要，尤其是苗期，往往是很多植物的营养临界期，因此，这个时期是施肥的最关键时期之一，如果这个时期缺营养，将影响此后的生长发育直至产量和品质。如何达到高产优质是苜蓿研究和生产中的热点问题，根据文献资料分析，绝大多数研究是围绕氮磷钾肥及有机肥[6]开展的，其中围绕氮肥开展的研究居多，然而，是否需要施氮肥、施氮肥是否经济可行及需施多少氮肥、什么时期施氮肥的问题存在很大的争议[3]。至于磷钾肥，一致认为是必须施用的，对于中、微量元素营养及施肥问题的研究报道较少[7，8]，结果仅限于产草量、营养价值等方面，基本没有苗期的结果。为此,本研究对苜蓿开展实验室缺素培养控制试验，通过不同缺素处理苜蓿幼苗出现的相关症状和生长指标等的比较，确定苜蓿苗期缺素症状特征、生长影响，为苜蓿早期缺素症诊断和营养管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 苜蓿

“中草3号”紫花苜蓿，来自中国农业科学院草原研究所。

1.1.2 营养试剂

配制营养液用的含氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁的相关化学试剂。

1.1.3 培养基质

粒径0.3mm的石英砂。

1.1.4 培养容器

盆口直径20cm，盆底直径10cm，盆高20cm的塑料盆。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验设置了不缺素(CK)、缺氮、缺磷、缺钾、缺钙、缺镁、缺硫、缺铁8个处理，每处理种3盆(重复3次)。

1.2.2 培养液的配制

根据张志良[9]的营养液，配制总营养液和营养不足营养液。具体配方见表1。

表1 配制不同缺素处理营养液原液

1.2.3 试验的实施

1.2.3.1 试验场地

内蒙古农业大学新区教学温室。

表2 营养液配制

1.2.3.2 基质准备

用去离子水洗净石英砂后放入压力蒸锅105℃消煮1h杀菌消毒，取出晾干。为防止营养液流失，盆低铺有2层定量滤纸，盆里装入石英砂，每盆装7.5kg石英砂(石英砂面低于盆口2cm)。

1.2.3.3 播种

2019年7月14日，苜蓿种子用85℃的温开水浸泡20min，并不断搅拌，进行种子消毒。再用28～30℃的温水浸种6h，然后将种子捞出放在吸水纸吸取多余水分。为提高苜蓿出苗率，用纱布包好种子放入28～30℃恒温箱催芽14h。7月15日每盆播种20粒苜蓿种子(播深2cm)，播后25d数苗，计算出苗率。待坐好苗后保留10株生长良好长势相近的苗，用于实施试验处理。

1.2.3.4 营养液浇施

按表1配制的营养液原液放入保鲜柜可保存30d，按表2配制的缺素营养液常温下可保存7d，上述营养液超出时间需重新配置；芽期每盆苜蓿需用烧杯定量浇灌，每盆根据不同缺素处理浇灌不同营养液各30mL，苗期则增加到每盆50mL(营养液的量可以根据天气和幼苗的生长情况进行调节，但做到每盆一致)。为了控制环境因素影响的一致性，在试验期间每14d交换1次盆的位置，使每处理和各重复的环境条件保持一致。

1.2.4 生长期测定

1.2.4.1 苗高及叶长叶宽

每隔14d测定全部幼苗的苗高及叶长叶宽。

1.2.4.2 SPAD值测定

试验结束时，每株随机选取上中下3片叶子测定SPAD值。

1.2.4.3 拍照及图片处理

试验使用佳能750D相机对苜蓿幼苗进行拍摄，认真记录苜蓿幼苗每个时期出现的缺素症状并用Photoshop软件处理图片。

1.2.5 试验的收获及测定

1.2.5.1 试验的收获

9月27日最后一次实施1.2.4项的测定后，将每盆苜蓿连根全部挖出，用蒸馏水洗净，用吸水纸吸取表面水分后，将地上部和根部分开，称取各自的鲜重，记录，装纸袋。

1.2.5.2 生物量的测定

将收获后的苜蓿置于烘箱中30min使其固化，然后置于烘箱中48h至恒温，测定地上部和根部生物量：

生物量=地上部干重+根部干重

1.2.5.3 根冠比的计算

将每盆苜蓿根部干重除以地上部干重，即为根冠比：

根冠比=根部干重/地上部干重

1.3 数据整理与统计分析

使用Microsoft Excel 2010软件组织数据和制表，并使用SAS 9.0统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 苜蓿幼苗缺素症状表现

不同处理苜蓿幼苗缺素症状描述见表3。

表3 不同处理苜蓿幼苗缺素症状描述

2.2 苜蓿幼苗缺素症状图谱

不同处理苜蓿幼苗的缺素症状如图1所示。

图1 不同处理苜蓿幼苗缺素症状图谱

2.3 缺素对苜蓿幼苗的影响

2.3.1 缺素对苜蓿幼苗生长的影响

不同处理苜蓿幼苗的生长状况见表4。

表4 不同处理苜蓿幼苗生长指标

表4结果表明，所有缺素处理苜蓿幼苗的苗高显著小于不缺素处理，苗高从大到小排列依次为不缺素>缺铁>缺硫>缺镁>缺钙>缺磷>缺钾>缺氮，说明缺氮、缺钾、缺磷的影响较大。缺氮苗高较不缺素对照降低7.68cm，降幅40.8%，缺钾苗高降低5.41cm，降幅28.8%，缺磷苗高降低4.74cm，降幅达25.2%。所有缺素处理苜蓿幼苗的叶长显著小于不缺素处理，叶长从大到小排列依次为不缺素>缺铁>缺硫>缺镁>缺磷>缺钙>缺钾>缺氮，说明缺氮的影响最为显著。缺氮、缺钾影响较大，缺氮叶长较不缺素对照降低0.37cm，降幅39.8%，其次是缺钾，较对照降低0.3cm，降幅32.3%。所有缺素处理苜蓿幼苗的叶宽显著小于不缺素处理，叶宽从大到小排列依次为不缺素>缺铁>缺硫>缺钙>缺镁>缺磷>缺钾>缺氮，说明缺氮、磷、钾的影响最为显著。缺氮叶宽较不缺素对照降低0.3cm，降幅37.0%，其次是缺钾，较对照降低0.26cm，降幅32.1%，再次是缺磷，较对照降低0.21cm，降幅25.9%。

2.3.2 缺素对苜蓿幼苗叶片SPAD值的影响

不同处理苜蓿幼苗叶片的SPAD值见图2。

图2 不同处理苜蓿幼苗叶片SPAD值

图2结果表明，所有缺素处理苜蓿幼苗叶片的SPAD值显著小于不缺素处理，叶片SPAD值从大到小排列依次为不缺素(50.0)>缺钙(45.1)>缺镁(43.9)>缺磷(43.7)>缺钾(40.7)>缺硫(39.7)>缺铁(38.6)>缺氮(33.2)，说明缺氮影响最大，其次是缺铁、硫、钾的影响较大，缺磷、钙、镁的影响相对较小。缺氮降低16.8，降幅达33.6%，缺铁降低11.4，降幅22.8%，缺硫降低9.0，降幅20.6%，缺钾降低9.3，降幅18.6%。

2.3.3 缺素对苜蓿幼苗生物量的影响

不同处理苜蓿幼苗生物量(干重)见图3。

图3结果表明，所有缺素处理苜蓿幼苗的生物量显著小于不缺素处理，苜蓿幼苗的生物量从大到小排列依次为不缺素(16.86g)>缺铁(12.86g)>缺硫(11.03g)>缺镁(9.71g)>缺钙(8.96g)>缺磷(7.76g)>缺钾(6.97g)>缺氮(4.88g)，说明对生物量来说缺氮、缺钾、缺磷的影响较大，中量元素缺硫、缺镁、缺钙的影响次之，微量元素缺铁的影响最小。这种现象也符合一般作物缺素症的表现规律。缺磷生物量较不缺素对照降低9.1g，降幅53.97%，缺钾生物量较不缺素对照降低9.89g，降幅58.66%，缺N生物量则降低11.98g，降幅达71.06%，说明苗期三要素缺乏对苜蓿苗的生长影响很大。纵观各元素对生物量影响的大小顺序，基本与苗高、叶长荷叶宽的情况较接近，均符合一般规律。

图3 不同处理苜蓿幼苗生物量

2.3.4 缺素对苜蓿幼苗根冠比的影响

不同处理苜蓿幼苗根冠比见图4。

图4 不同处理苜蓿幼苗根冠比

由图4可以看出，所有缺素处理苜蓿幼苗根冠比显著大于不缺素处理，根冠比从大到小排列依次为缺氮(1.14)>缺磷(1.07)>缺铁(0.83)>缺钾(0.82)>缺硫(0.75)>缺镁(0.74)>缺钙(0.65)>不缺素(0.54)，说明缺氮、缺磷、缺铁、缺钾的影响较大。缺氮根冠比最大，较不缺素对照增加0.60，增幅高达111.1%；缺磷根冠比次之，较不缺素对照增加0.53，增幅98.1%；缺铁根冠比第3，较不缺素对照增加0.29，增幅53.7%；缺钾根冠比第4，较不缺素对照增加0.28，增幅51.9%。

3 讨论

3.1 缺氮及施氮

传统观点认为，种植苜蓿不需氮肥，苜蓿的共生固氮作用可以满足其自身生长发育的需求[10]，然而更多研究认为，苜蓿在根瘤未形成之前及苜蓿开花之后，共生固氮不能满足苜蓿对氮素的需求，在此时施入氮肥能显著促进苜蓿生长[11]。研究显示，每生产10t的苜蓿干草，需从土壤中吸收186kg的氮[12]，谢勇[13]等的研究显示，在偏干旱地区，紫花苜蓿可以考虑施用氮肥，施氮肥后紫花苜蓿产量提高8%～25%。本研究中，缺氮处理的幼苗呈现出植株明显矮小、叶片发黄变褐甚至脱落，首先表现在老叶上，这与杨曾奖等[14]和王桂凤[15]对桉树苗期和榆树苗期缺素症的研究结果一致。由Thornley的氮平衡发展理论分析可知，氮素的缺乏通常会直接导致一些幼苗的根冠比升高，本试验也得出了相同的结论，缺氮幼苗的根冠比显著高于不缺素处理。缺氮的苗高、叶大小、SPAD值、生物量都显著小于不缺素处理，缺氮抑制苜蓿幼苗生长的作用最强。因此，在土壤缺氮情况下，幼苗时期施氮对苗期生长发育至关重要。

3.2 缺磷及施磷

缺磷对植物的生长发育与生理功能有不可逆转的影响[16]，缺磷不仅影响苜蓿根瘤菌对氮的固定与吸收，而且限制植株的正常生长发育[17]。谢勇等[12]研究显示，在偏干旱地区，施用磷肥的增产率在122%～172%，同时缺磷肥的处理减产38.24%。本研究苜蓿幼苗植株生长缓慢，老叶发黄，幼叶由叶缘向内部逐渐变为红褐色，较快发病，植株矮小茎细，缺磷处理的苗高、叶片大小、SPAD值、生物量显著降低，根冠比显著增加。所以，施磷以及氮磷合理配施对提高苜蓿后期生长及产量、品质具有重要意义[18]。

3.3 缺钾及施钾

苜蓿需钾量很大，每收获10t苜蓿干草从土壤中吸收226.5kg的钾[12]。缺钾阻碍幼苗生长，施钾肥可显著提高苜蓿产量和品质[19]，因此，苜蓿生长早期和刈割后的再生期，需要施用高水平的钾肥，维持植株的正常生长，从而达到提高苜蓿产量、品质的目的[20]，有研究指出，施钾对苜蓿鲜草产量的影响达到极显著水平(P<0.01)[21]。本研究中，缺钾处理的苗高、叶片大小、SPAD值、生物量显著降低，根冠比显著增加，其影响程度仅次于缺氮。

3.4 缺中微量元素及施中微量元素

钙是一种在植物体内较难移动的元素，所以缺钙的第一症状表现在新叶。在本研究中，具体表现在缺钙茎细小、弯曲，整株呈佝偻状，新叶由边缘开始长黄色斑点。苗高、叶片大小、SPAD值、生物量显著降低，根冠比显著增加。镁参与植物体内叶绿素的合成，因此缺镁会使甘蔗幼苗的光合作用减弱[22]。本研究结果显示，缺镁处理幼苗整体发黄，老叶大多枯焦，并有褐色斑点。导致幼苗苗高、叶片大小、SPAD值、生物量显著降低，根冠比显著增加。硫也是一个在植物体内较难移动的元素，缺硫会使蛋白质难以合成，叶绿素较低，导致幼叶干枯黄化。本研究也得出相似结果，缺硫幼苗的苗高、叶片大小、SPAD值、生物量显著降低，根冠比显著增加。苗期的缺硫将影响后期生长发育、产量和品质，因此，施硫肥显著提高苜蓿品质[8]。铁是植物体内多种酶的重要组成成分，参与多种酶促反应[23]，所以对生理过程影响较大，苜蓿体内铁含量与苜蓿产量呈正相关[24]，说明铁通过参与苜蓿生理过程影响其产量。本试验中，缺铁显著降低苜蓿苗高、叶片大小和SPAD值，显著增加根冠比，只有对生物量的影响较其它参试元素小一些。

因此，苜蓿幼苗缺乏上述诸元素，都会影响幼苗的正常生长，在苜蓿种植中应十分注意土壤有效肥力，建立苜蓿苗期土壤养分监测指标，对于不能满足苗期生长所需的养分一定配合适当的补给措施，如通过土壤施肥、苗期喷施或水肥一体化等，才能保证苗期正常生长发育，为后期生长发育和高产优质奠定营养基础。根据本研究结果，氮磷钾三要素的影响非常显著，尤其是缺氮的影响最大，因此，苜蓿播种时施用适当的氮肥是必要的。

4 结论

4.1 缺素症状出现时间

症状出现早晚的顺序为缺氮(15d)>缺磷(18d)>缺钾(20d)>缺钙(20d)>缺铁(23d)>缺硫(24d)>缺镁(25d)。

4.2 缺素外观症状

缺素降低叶片SPAD值，均表现叶片和茎杆不同程度的缺绿甚至叶片枯黄掉落，叶片SPAD值从大到小排列依次为不缺素>缺钙>缺镁>缺磷>缺钾>缺硫>缺铁>缺N，其中，缺钙、钾、硫、镁和缺铁均表现有叶片发黄，叶缘卷曲，甚至叶片脱落现象。

4.3 缺素生长状况

总体表现缺素植株生长不同程度受阻，分支少，茎秆细，缺素植株培养第60天左右基本停滞生长。不同元素对苗高、叶片大小、生物量的影响基本一致，三要素的影响最大，其次是中量元素钙镁硫，微量元素铁的影响最小。然而对根冠比的影响有所不同，缺氮、缺磷根冠比最大，其次是缺铁、缺钾，中量元素缺硫、缺镁、缺钙的影响最小。

从总体来看，缺氮对苜蓿苗期生长的影响最大，其次是缺钾，再次是缺磷，中微量元素的影响虽然显著，但与氮磷钾比，相对小一些。因此，种植苜蓿需要施基肥或种肥或苗肥，种类主要为氮磷钾肥，特别是氮肥。本研究结果可用于苜蓿幼苗的缺素诊断，也可作为苗期养分管理的参考依据。