紫云英荚果成熟度对落荚及种子产量的影响

刘春增, 李本银, 张 梦*, 吕玉虎, 潘滋亮, 郭晓彦, 曹卫东

(1. 河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002; 2. 信阳市农业科学院，河南 信阳 464000; 3. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

紫云英(AstragalussinicusL.)，又名莲花草、红花草子、翘摇等，是豆科黄耆属2年生草本植物，主要用作冬季绿肥和畜禽饲料，也是我国长江中下游及南方省区重要的优质蜜源植物[1-3]。紫云英具有较强的固氮能力，通过翻压还田不仅可增加稻田土壤有机质，改善土壤理化和生物学性状，提高水稻产量，同时也可有效减少化肥氮的施用和氮素流失[4-6]。紫云英鲜草产量可达15～30 t·hm-2，茎叶柔嫩，营养丰富，现蕾期干物质粗蛋白含量28.1%，粗脂肪含量3.8%，粗纤维含量11.7%，可作青饲、干草、干草粉或青贮料[3,7]。近年来，紫云英推广种植面积逐年增大，种子的需求量大幅增加。

紫云英种子产量不仅受气候环境[8]、播种时期和播量[9-10]、施肥及养分管理[11-12]、种质性状特征[13-14]等因素影响，收获前后种子的损失也对其产量有重要影响。对于大多数豆科绿肥作物，随荚果成熟度增高会表现出不同程度的落粒落荚现象。目前认为豆科作物的落花落荚现象既是自身生理调控的表现，同时也是一种对有限光温水资源的适应机制[15-16]。崔洪秋等[17]通过对大豆植株留荚和脱落荚荚皮的生理状况以及外源配施生长调节剂进行研究，发现膜过氧化作用强度、保护酶系统平衡状况、脱落酶活性均影响大豆荚果脱落。蒋利等[18]研究发现，套作玉米显著降低大豆落荚量和落荚率，认为群落结构的改变，对大豆株型和生长条件产生了影响，从而协调了花荚的养分竞争。据统计，紫云英花荚脱落率可达50%以上，而成熟过程中荚果脱落率可达3%～25%[8,19]。我国紫云英留种地普遍采取提前采收的方式避免种子产量损失，如广东、湖南在荚果80%成熟时开始采收[20-21]，浙江和河南则推荐75%成熟时采收[19,22]，福建为60%～80%成熟[23-25]，说明紫云英荚果成熟度与落荚损失存在内在联系。

目前对于绿肥作物种子生产研究较少，尤其是豆科绿肥作物荚果成熟度对落荚发生及其对种子产量的影响尚不明确，脱落荚果与留枝荚果是否在成熟度和种子质量上存在差异尚不清楚，造成收获时期选择的理论和数据支撑不足。因此，本文选择我国紫云英种子重要生产基地河南省信阳地区，通过设定荚果成熟度等级，研究不同时期紫云英荚果成熟特征与落荚发生规律，明确荚果成熟对落荚和种子产量和品质的影响，以期为紫云英种子生产提供理论及技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验区位于信阳市罗山县周党镇桂店村(31°52′ N，114°31′ E，海拔78 m)，属亚热带向暖温带过度区，日照充足，年均日照1 900～2 000 h；年平均气温15℃，降雨量1 060 mm左右。供试土壤为水稻土，土壤pH值6.7，有机质25.8 g·kg-1，碱解氮84.3 mg·kg-1，有效磷16.8 mg·kg-1，速效钾79.1 mg·kg-1。常年实行紫云英—水稻两季轮作制度，9月中下旬播种紫云英，4月下旬至五月上旬紫云英翻压还田，5月下旬至6月初水稻插秧，9月中旬水稻收获。

试验期间日最高气温20～33℃，平均26.3℃，较之于近5年同期平均值(25.2℃)升高1.1℃；最低气温11～20℃，平均为15.6℃，较之于近5年同期平均值(16.0℃)降低0.4℃。盛花期后试验区以晴天(天数比例40.6%)和多云/阴天(37.8%)为主，最高风力达3～4级(天数比例41.7%)，其余时间则以无风或微风为主(30.6%)。紫云英生长期间，试验田未出现涝害和渍害现象。相关气象数据由信阳市罗山县气象局提供(图1)。

图1 试验区天气状况Fig.1 Weather condition of the experimental site

1.2 试验设计

试验在地势平坦、灌排条件良好的4亩田块上进行，供试紫云英品种为“信紫1号”。于2016年9月20日以22.5 kg·hm-2的播种量均匀撒播紫云英，同时以过磷酸钙225 kg·hm-2为基肥，后期不追施其他肥料。田间管理(除草、排水等)以当地常规方式进行。

于盛花期(即75%茎枝开花[26])后第5天(2017年4月19日)开始，每隔7d收割一次，收割采样共5次。每次收获时于上午7：00至9：00间在试验田中随机选取1 m×1 m样方3处，分别收集地面上脱落荚果(定义为自然落荚，编号为L)后，以距地面5 cm的高度人工收割紫云英地上部，在室内对枝数(S)、留枝花数(H)和留枝荚果(编号为P)进行统计；同时收集因收割、搬运等人为操作而从植株分枝上掉落的荚果(定义为扰动落荚，编号X)。所有荚果充分晾晒，至含水率10%左右分装备测。

1.3 测定方法

1.3.1花序结荚数、最大荚果长与宽测定 采用抽样调查的方式，以同一样方荚果为总体，荚果花序(同一花序着生的荚果)为单元，四分法逐渐缩减样本容量至40个，选择花序荚果中最大的荚果测定其长度和宽度，同时记录花序结荚数。

1.3.2荚果籽粒数测定 随机选择未开口荚果，置于底部照明的种子观察台上，调查荚果内籽粒数量，同一成熟度荚果重复15次。

1.3.3荚果重及籽粒千粒重测定 荚果性状指标测定后称取荚果总重量，以荚果总重∶荚果数为该类荚果重。采用人工脱粒，荚果置于100mm筛网之上，以硬质海绵带动荚果摩擦粉碎荚皮，轻轻摇动除去果皮残渣后，称取籽粒总重，人工数粒万分天平测定千粒重。

1.3.4荚果成熟度分级与成熟程度 根据紫云英荚果成熟规律，以荚果花序为单元，依照荚果长度和颜色将荚果分为6类(见图1)，以罗马数字表示，其中Ⅰ为带花荚果，Ⅱ和Ⅲ为青色、长度<15 mm和>15 mm的未成熟荚果，Ⅳ为荚色黑绿交杂的荚果，Ⅴ和Ⅵ为黑色、长度<15 mm和>15 mm的成熟荚果。若荚果花序中存在不同成熟度荚果，则以该荚果蔟中多数荚果成熟度定级。成熟程度，为荚果中黑色荚果的比例表示。

图2 紫云英荚果成熟度分级示意图Fig.2 Maturing status of Chinese milk vetch pods注：照片中方格长×宽=10 mm×10 mmNote:grid square was 10 mm×10 mm

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2013和SPSS 22软件进行数据录入和统计分析，其中多元方差分析(Multi-way ANOVA)采用SPSS软件GLM模块，多重比较(Post Hoc Multiple Comparison)分别采用Scheffé法(样本量不同)和Turkey HSD法(样本量相同)，线型回归(Linear Regression)采用Originlab 2017进行拟合作图并检验显著性。

2 结果与分析

2.1 紫云英花荚发育进程及落荚发生

盛花期后紫云英花序数量逐渐减少，荚果数量逐渐增加(见表1)。5～26 d花枝比从118.1%下降至19.3%，各时期差异显著。总荚果数和留枝荚果数在26 d达到最大值，分别为8 334个·m-2和7 733个·m-2。盛花期后5 d～19 d采样时没有自然落荚发生，盛花期26 d紫云英发生自然落荚，此时自然落荚量约为总荚果量的3.9%，与采样时的扰动落荚量相当。19 d时扰动落荚数量显著(P<0.05)高于前两个时期，可能与采收时降雨有关。第26 d，由于顶部花序荚果大量形成，留枝荚果数量达到峰值。然而，第33 d自然落荚数量显著增加，达总荚果数的24.1%，显著降低了留枝荚果数量。于此相对，扰动落荚比例仅为4.8%，未显著增加。

表1 盛花期后不同时期紫云英花枝比及荚果数量Table 1 Pod number and flower/shoot ratio of CMV community at the different periods after the full-bloom stage

注：表中数字为均值±标准差；花:枝为个数比；不同小写字母者为不同时期存在显著差异(P<0.05,n=3,Turkey HSD),下同

Note:Values were mean±SD;Flower/shoot ratio was the proportion of the number of flower to the number of shoot;Different lowercase letters indicated significant difference among periods at the 0.05 level according to Turkey HSD test, The same as below

2.2 留枝与脱落荚果成熟度

不同荚果成熟度存在显著差异(如图3)。盛花期后第26 d，留枝荚果中61.1%荚果处于Ⅴ和Ⅵ成熟度，荚果达到表观成熟(黑色)；由青转黑荚果占总荚果数量的25.0%，另有13.9%的荚果为青色。与留枝荚果相似，扰动落荚中Ⅴ和Ⅵ类总占比为56.6%，各成熟度占比与留枝荚果无显著性差异。此时，自然落荚荚果成熟度显著高于P和X，Ⅴ和Ⅵ类总占比达83.6%，其余荚果基本处于由青转黑阶段(Ⅳ)，说明此时自然落荚荚果成熟度较高。至盛花期后33 d，留枝荚果和扰动落荚荚果成熟度显著提高，其成熟荚果(Ⅴ和Ⅵ类)比例达88.8%，而此时自然落荚荚果已全为成熟黑荚。盛花期后26 d和33 d，扰动落荚荚果与留枝荚果成熟度状况相近，推测扰动落荚主要受人为外力作用影响造成，与成熟度关联性较低。与此相对，自然脱落荚果成熟度高于留枝荚果水平，说明荚果自然脱落受成熟度影响较大。

图3 盛花期后26 d和33 d留枝荚果(P)、扰动落荚(X)和自然落荚(L)荚果成熟度Fig.3 Maturing status of the pods on plants (P),natural-dropped (L) and harvesting-dropped (X) at 26d and 33d after the full-bloom stage注：所示比例为荚果个数比，图中罗马数字表示荚果不同成熟度，由Ⅱ至Ⅵ成熟度依次增高;不同小写字母者表示同一时期相同成熟度不同荚果存在差异，不同大写字母者表示相同荚果同一成熟度不同时期存在差异(P<0.05);样本数量np26d=871,np33d=761,nx26d=99,nx33d=98,nL26d=55,nL33d=56Note:Proportions were ratios for pod numbers. Roman number indicated the maturing status,increased from Ⅰ to Ⅵ while pod maturing;Different lowercase letters and uppercase letters indicated significant difference between pod sets at identical period and periods for identical pod set at the 0.05 level,respectively;njid was the sample size for pod set j at i d after the full-bloom stage

2.3 不同时期、类型和成熟度的荚果性状

不同时期、荚果类型、成熟度的荚果性状存在差异(表2)。盛花期后26 d～33 d，荚果籽粒数和千粒重分别显著提高19.1%和21.6%。自然脱落荚果籽粒的千粒重显著高于留枝荚果和扰动脱落荚果，其平均千粒重达留枝荚果的1.3倍，花序最大荚果的宽度在3种荚果类型间无显著差异。成熟度对荚果籽粒数、荚果重以及籽粒千粒重存在显著影响，随成熟度升高3个参数值逐渐增大，其中Ⅵ类荚果的荚果籽粒数、千粒重、荚果重分别达Ⅱ类荚果的2.6,4.8和9.1倍。荚果籽粒数、最大荚果宽度和千粒重在荚果类型和成熟度间存在显著的交互作用。值得注意的是，因子模型对花序结荚数的解释率仅为8.3%，说明盛花期后第26d至33d的荚果类型和成熟度对其影响较小；籽粒千粒重、荚果内籽粒数和荚果重量对3因子模型响应度达91.0%,41.9%和47.6%，说明自然落荚发生前后，荚果成熟度和落荚对其造成显著影响。

表2 盛花期后不同时期紫云英荚果性状Table 2 Pod traits of Chinese milk vetch at the different periods after the full-bloom stage

注：1)括号内为因子效应值;表中数据为均值±标准误；*、**和***分别表示在P<0.05，0.01和0.001显著

Note:1) Value in parentheses was η2;Values were mean±SE;*,**and *** indicated significant differences at the 0.05,0.01 and 0.001 level

2.4 落荚对种子产量和质量的影响

荚果脱落对产量造成显著影响(表3)。盛花期后26 d，留枝荚果重量和籽粒重量达205.8 g·m-2和121.2 g·m-2，均占总量的92.8%，此时自然脱落和扰动脱落荚果造成籽粒损失分别为5.1和4.5 g·m-2，占籽粒产量的4.3%。盛花期后33 d，荚果和籽粒总重增高，分别达到257.7 g·m-2和154.8 g·m-2，但留枝荚果及其籽粒重量降低了11.3%和4.7%；自然脱落荚果及其籽粒重量分别显著增加6.3和5.1倍(P<0.05)，占荚果和籽粒总重量的24.3%和20.9%；扰动脱落荚果略有增加，但两时期无显著性差异，随荚果进一步成熟，荚果和籽粒产量增高，但落荚造成的籽粒损失显著增加，这种消长导致两个时期留枝荚果及其籽粒重量无显著差异。但值得注意的是，留枝荚果中Ⅵ类籽粒在两个时期中的产量和占比相似，但第33 d自然落荚的急剧发生，造成Ⅵ类荚果籽粒的损失率达26.0%，显著高于第26 d的3.4%。Ⅵ类荚果籽粒千粒重显著高于其他荚果，Ⅵ类荚果损失率的增加反映了收获种子的质量下降。

表3 紫云英盛花期后26 d和33 d脱落和留枝荚果及籽粒产量Table 3 Differences of the weights and proportions of pods and seeds among sets of pod of Chinese milk vetch at 26 d and 33 d after the full-bloom stage

注：表中数字为均值±标准差，比重为该类荚果占该时期荚果总重的百分比，Δ比重为Ⅵ籽粒占留枝籽粒总重的百分比。不同小写字母者为不同时期不同荚果存在显著差异，不同大写字母者为同一荚果不同时期存在差异(P<0.05,n = 3,Turkey HSD)

Note:Values were mean±SD. Proportion was the percentage of the pod or seed weight to the total weight at the period，except Δ% showing the percentage of the weight of Ⅵ seed to the seeds on plant. Different small and capital letters indicated significant difference among pod sets and periods at the 0.05 level according Turkey HSD test

2.5 紫云英花荚表观性状与籽粒产量

荚果颜色和花序数是紫云英群体成熟度随时间推移而变化较为明显的性状。如图4所示，随着紫云英各枝花序数量的逐渐减少，荚果逐渐成熟，籽粒产量逐渐增加。其中，花枝比与籽粒产量的变化呈近似“S”型曲线的关系，在30%～60%荚果成熟程度时花枝比变化速率最高，此时一周内花枝比降低了40%。根据回归模型，二元方程较好的拟合了成熟程度与籽粒产量的变化关系，籽粒产量随成熟度提高而逐渐增加，在成熟程度达68.7%时籽粒产量达到峰值，此时与植株花序急剧减少后期重合，可把紫云英群体花序消失作为紫云英种子最佳收获期的表观群体信号。本研究中，在0～90%的成熟程度区间内，单位成熟程度对籽粒产量的影响为3.4 g·m-2至-1.1 g·m-2，即成熟程度越高单位成熟度变化对应的籽粒产量增长越低。

图4 成熟程度和花枝比与可收获籽粒产量的关系Fig.4 Relationship of seed yields vs the mature ratios and Flower/Shoot of CMV community

3 讨论

3.1 荚果成熟与落荚损失

落荚是豆科绿肥作物伴随籽粒成熟过程普遍存在的现象[27]，这与果柄连接处离层的发生有关[28-29]。本研究中，由于采用清晨人工收割，紫云英在盛花期后不同时期因采收过程造成的籽粒损失为3.3%～5.7%；自然脱荚在盛花期后26 d(61.1%荚果成熟)出现，至盛花期33 d(88.8%荚果成熟)种子产量损失已达20.9%以上。钟山[19]对宁波大桥种紫云英调查发现，在荚果达到76%,85%和95%成熟时，脱落黑荚数占全株荚果的比例分别为3.6%,9.3%和25.6%，落荚损失的变化与本研究结果相似。成熟前的花荚脱落普遍认为是养分资源竞争、极端气候(强风和降雨)以及植株自身应对以上不利条件而进行的生理应激相应[17,30-31]。本研究中紫云英荚果自然脱落发生在荚果成熟后期，自然脱落荚果成熟度明显高于留枝荚果成熟度，同时在盛花期26 d至33 d间气候状况良好，较之于盛花期前26 d，强降雨和大风气候较少发生，说明本研究中紫云英荚果成熟后期自然落荚现象受成熟度作用较大，而这种自然落荚性将成为其种子产量进一步提高的限制因子。因此，如何通过品种选育、栽培及生理调节[32-33]，从而控制落荚损失、提高种子产量有待进一步研究。

3.2 落荚损失、种子质量与收获时期

紫云英具有明显的无限花序和荚果分层成熟特征，可充分利用光温资源[6,19]，但由于花期较长、植株荚果成熟不一，生产中均选择70%～90%留枝荚果成熟时收获，造成不同程度的落荚损失和种子质量差异[19,34]。本研究中，不同成熟度荚果性状存在显著差异，自然脱落荚果的成熟度和种子千粒重显著高于留枝荚果。在盛花期后第33 d时，自然脱落造成的Ⅵ类荚果籽粒的损失可达留枝Ⅵ籽粒的26.0%，高于自然脱落对种子总产量的影响，说明荚果自然落荚不仅降低了种子产量，也明显影响了收获紫云英种子的总体质量。如前所述，盛花期后5～26 d紫云英荚果数量和种子产量逐渐增加，而成熟过程中荚果的自然落荚与籽粒的成熟成为作用于种子产量的一对消长因素，即随着紫云英荚果接近完全成熟，籽粒千粒重和荚果内籽粒数逐渐提高，而于此同时落荚损失显著增加，从而形成了种子产量与成熟程度的二次曲线关系。对于紫云英最佳收获时期的确定，不同品种、不同地区以及不同生产模式存在差异。钟山[19]提出紫云英在75%果荚达到全黑成熟时,形成第2个黑荚高峰，即可进行收种，较之于本研究的种子最大收获期(成熟程度达68.7%)略迟，究其原因应与紫云英品种以及研究的成熟度范围有关。此外，如果生产中选择紫云英免播收种的模式，即通过自然落荚籽粒实现紫云英年度更替，则收获期可推迟至88%荚果成熟。值得注意的是，本研究中紫云英花序大量减少的时期接近于种子最高产量获得的时期，此时与植株花序急剧减少后期重合，可把花序消失作为紫云英种子最佳收获期的表观群体信号。

4 结论

盛花期后紫云英荚果数量逐渐增加，而自然落荚量随成熟度的升高显著增加，在60%～88%荚果成熟时，自然落荚占总荚果数3.3%～21.4%，最高时落荚造成籽粒损失占总产量的20.9%。自然脱落荚果成熟度及种子千粒重显著高于留枝荚果和扰动脱落荚果。自然落荚造成Ⅵ类荚果籽粒降幅最高达26.0%，导致种子整体质量下降。随成熟程度升高，籽粒产量的增长率逐渐降低；在紫云英群体荚果68.7%成熟时，种子产量达到峰值为1 250 kg·hm-2，此时与植株花序急剧减少后期重合，可把花絮消失作为紫云英种子最佳收获期的表观群体信号。