增磷減氮配合保水劑可提高多年生西北羊茅種子產(chǎn)量

石正海，劉文輝，張永超，劉凱強，魏小星，秦 燕

（青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院/青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點實驗室，青海西寧 810016）

西北羊茅 (Festuca kryloviana Reverd.) 是禾本科羊茅屬優(yōu)良牧草，具有返青早、青綠期長、退化慢、利用年限長，以及根系發(fā)達、固土保水能力強等特性。羊茅屬牧草是高寒地區(qū)家畜育肥抓膘的“酥油草”[1]，其中西北羊茅草質(zhì)柔軟、適口性好、產(chǎn)量高。目前有關(guān)西北羊茅的研究多集中在引種試驗[2]、生產(chǎn)性能評價[3-4]和抗逆性評價[1,5]等方面。多年的生產(chǎn)實踐表明，西北羊茅種子生產(chǎn)在第二、第三年達到最大值，此后逐年下降[3]，且種子產(chǎn)量在年際間存在極不穩(wěn)定的現(xiàn)象，嚴重影響了西北羊茅種子生產(chǎn)和進一步推廣利用。

水肥管理是提高植物種子產(chǎn)量的有效措施[6-8]。氮、磷是植物完成生活史的兩種必需元素。對老芒麥[9-11]、多花黑麥草[12]和高羊茅[13-14]等的研究表明，氮肥、磷肥通過提升生殖枝數(shù)、小穗數(shù)及籽粒千粒重等產(chǎn)量性狀，進而促進種子產(chǎn)量的形成。合理施肥不僅可提高牧草種子產(chǎn)量，還可保持較高的肥料利用效率[15-17]，而過量施肥則會降低干物質(zhì)向植株籽粒的轉(zhuǎn)運量，進而減小千粒重[6,18]。保水劑添加有利于干旱地區(qū)植物增產(chǎn)[19-20]。高寒地區(qū)牧草種子生產(chǎn)均為旱作，在無灌溉措施的條件下，通過施用保水劑能否有效改善牧草生長，目前還未見相關(guān)報道。為此，本研究以生長第三年的西北羊茅為材料，通過配施保水劑、氮肥和磷肥，探討施肥和保水劑在提高西北羊茅種子產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀方面的作用，分析各施肥措施下的肥料利用效率，明確西北羊茅種子生產(chǎn)的氮、磷肥施用量，為高寒地區(qū)西北羊茅種子生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設(shè)在青海省海北州西海鎮(zhèn)多年生牧草種質(zhì)資源圃，位于36°59.36′ N、100°52.848′ E，海拔3156 m，氣候寒冷，無絕對無霜期 (全年任何時候都可能出現(xiàn)霜期)，年平均氣溫 0.5℃，年降水量 369.1 mm，并多集中在7、8、9 三個月。年蒸發(fā)量1400 mm，年日照時數(shù)2980 h，年平均無霜期93 天左右。土壤為栗鈣土，試驗前土壤pH 值8.43、有機質(zhì)32.48 g/kg、全氮 (N) 1.56 g/kg、堿解氮88.8 mg/kg、全磷 (P) 1.39 g/kg、速效磷2.2 mg/kg，旱作。

1.2 試驗設(shè)計與測定指標(biāo)

西北羊茅種子田于2015 年建植，播量22.5 kg/hm2，行距30 cm。2017 年進行試驗時，羊茅草已生長三年。供試保水劑水平為0 和30 kg/hm2(記為PM0和PM30)；氮肥水平為0 和60 kg/hm2(記為N0和N60)；磷肥水平為0、60、75 和90 kg/hm2(記為P0、P60、P75和P90)，共計16 個處理組合，完全隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積15 m2(3 m × 5 m)，3 次重復(fù)。試驗選用肥料為尿素 (N 46%)、過磷酸鈣 (P2O512%)，保水劑為抗旱寶 (吉林省匯泉農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn))。肥料和保水劑于每年的5 月中旬羊茅草返青期，于行間開溝一次性施入，開溝深度10 cm。

于羊茅種子完熟期 (8 月中旬)，各小區(qū)選擇有代表性的1 m 樣段 (0.3 m2)，齊地刈割后帶回實驗室，統(tǒng)計生殖枝數(shù)，收集所有生殖枝上種子，晾曬脫粒，待含水量降到13%左右，用自動數(shù)粒儀統(tǒng)計單位面積籽粒數(shù)、種子產(chǎn)量、千粒重。各小區(qū)選取10 個花序，統(tǒng)計花序長、小穗數(shù)、小穗粒數(shù)、單序籽粒數(shù)、單序籽粒重等產(chǎn)量性狀。

參照趙亞南等[21]的方法，計算各處理下肥料偏生產(chǎn)力 (kg/kg) 和肥料農(nóng)學(xué)效率 (kg/kg)，即，磷肥偏生產(chǎn)力 = 施磷處理產(chǎn)量/施磷量，磷肥農(nóng)學(xué)效率 = (施磷區(qū)產(chǎn)量 - 不施磷區(qū)產(chǎn)量)/施磷量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013 進行數(shù)據(jù)整理，用Origin 2018 軟件作圖。采用SPSS 19.0 對數(shù)據(jù)進行方差分析、相關(guān)性分析和通徑分析。各處理間差異顯著性采用Duncan 法在0.05 水平上進行比較，相關(guān)性分析采用Pearson 相關(guān)系數(shù)進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮磷肥和保水劑對西北羊茅種子產(chǎn)量的影響

氮、磷和保水劑不同施用量對種子產(chǎn)量影響的方差分析結(jié)果表明 (表1)，單獨施用保水劑對種子產(chǎn)量的影響不顯著，磷肥和保水劑間的交互作用對種子產(chǎn)量的影響也未達顯著水平 (P ＞ 0.05)，氮肥、氮肥與磷肥以及氮肥、磷肥和保水劑三者的交互作用對種子產(chǎn)量的影響均達極顯著水平 (P ＜ 0.01)，其中以氮肥對其的影響最大。

各處理下西北羊茅的種子產(chǎn)量見圖1。氮肥添加顯著降低了西北羊茅種子產(chǎn)量，N60水平下較不施氮肥種子產(chǎn)量下降16%～48%，與保水劑配施降低效果更顯著。不施氮肥時施用保水劑有利于種子產(chǎn)量形成。隨著施磷量增加，西北羊茅種子產(chǎn)量顯著增加 (P ＜ 0.01)，除施N60PM30情況下施磷肥及N0PM0情況下增施磷肥對提高種子產(chǎn)量無顯著影響 (P ＞0.05) 外，其余情況下增施磷肥均顯著提高了西北羊茅種子產(chǎn)量，且均以75～90 kg/hm2的施磷量下種子產(chǎn)量達到最高，磷肥對種子產(chǎn)量貢獻提升28%～49%。以N0PM30P90組合處理西北羊茅種子產(chǎn)量最高，達到560 kg/hm2；以單獨施氮量60 kg/hm2時產(chǎn)量最低，僅為260 kg/hm2。總體看，本研究條件下，施氮抑制了西北羊茅種子形成，保水劑和磷肥配施對種子生產(chǎn)具有一定的促進作用。

表 1 不同處理羊茅草種子產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的方差分析 (F 值)Table 1 Variance analysis of seed yield and yield traits under different treatments (F value)

圖 1 氮肥、磷肥和保水劑配施對西北羊茅種子產(chǎn)量的影響Fig. 1 Effect of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and super absorbent polymers on yield of F. kryloviana seed

2.2 氮磷肥和保水劑對西北羊茅種子產(chǎn)量性狀的影響

從表1 可以看出，除氮肥、磷肥和保水劑以及三者的交互作用對花序長和小穗粒數(shù)無顯著影響 (P ＞0.05) 外，氮肥和磷肥對其余產(chǎn)量性狀的影響達極顯著水平 (P ＜ 0.01)，且氮肥、磷肥的交互作用對單序籽粒數(shù)、單序籽粒重和單位面積籽粒數(shù)的影響，氮肥和保水劑交互作用對生殖枝數(shù)、單序籽粒數(shù)和單位面積籽粒數(shù)的影響，磷肥和保水劑交互作用以及氮肥、磷肥和保水劑三者的交互作用對千粒重、單序籽粒重的影響均達顯著 (P ＜ 0.05) 或極顯著 (P ＜0.01) 水平。

對各產(chǎn)量性狀進一步分析發(fā)現(xiàn) (表1，圖2)，N60處理降低西北羊茅的單序籽粒數(shù)、單序籽粒重、千粒重、生殖枝數(shù)幅度為12%～18%，單位面積籽粒數(shù)的降低幅度甚至達到50%。保水劑雖對小穗數(shù)、千粒重和生殖枝數(shù)影響不顯著 (P ＞ 0.05)，但顯著 (P ＜ 0.01) 增加單序籽粒重，最大增幅達29%。N60與PM30交互顯著 (P ＜ 0.05) 降低了單序籽粒數(shù)、生殖枝數(shù)和單位面積籽粒數(shù)，其中生殖枝數(shù)的平均降低幅度為24%，單位面積籽粒數(shù)平均降幅達34%。與種子產(chǎn)量表現(xiàn)類似，N0PM30組合處理情況下各產(chǎn)量性狀的形成效果較優(yōu)。

隨施磷量的增加，西北羊茅的小穗數(shù)未顯著 (P ＞0.05) 增加；生殖枝數(shù)、單序籽粒數(shù)、單位面積籽粒數(shù)、單序籽粒重及千粒重均增加，其中單序籽粒重增加幅度最大。較不施磷肥處理，各產(chǎn)量性狀在施磷量75～90 kg/hm2水平下均具有較大值，在P75水平小穗數(shù) (22 個/序)、單序籽粒數(shù) (90 粒/序) 和單序籽粒重 (0.048 g/序) 最大；千粒重 (0.520 g)、生殖枝數(shù) (1203 枝/m2) 和單位面積籽粒數(shù) (102932 粒/m2) 在P90水平最大。磷肥主要通過增加單序籽粒重、單序籽粒數(shù)和生殖枝數(shù)進而提高千粒重和單位面積籽粒數(shù)。施氮量60 kg/hm2、保水劑30 kg/hm2和磷肥配施不利于種子產(chǎn)量性狀形成。

2.3 氮磷肥和保水劑處理下種子產(chǎn)量與產(chǎn)量性狀間的相關(guān)和通徑分析

由表2 可知，種子產(chǎn)量與單序籽粒重、小穗數(shù)、單序籽粒數(shù)、生殖枝數(shù)及千粒重呈極顯著 (P ＜0.01) 正相關(guān)，其中與生殖枝數(shù)相關(guān)系數(shù)高達0.822。單序籽粒重、小穗數(shù)與其余各性狀 (除小穗粒數(shù)) 間存在極顯著 (P ＜ 0.01) 正相關(guān)關(guān)系，而小穗數(shù)與小穗粒數(shù)間存在極顯著 (P ＜ 0.01) 負相關(guān)；花序長與單序籽粒數(shù)和單位面積籽粒數(shù)，單序籽粒數(shù)與小穗數(shù)、生殖枝數(shù)、千粒重、單位面積籽粒數(shù)，單位面積籽粒數(shù)與生殖枝數(shù)、千粒重之間均存在顯著 (P ＜ 0.05)或極顯著 (P ＜ 0.01) 正相關(guān)關(guān)系。氮磷肥和保水劑添加下西北羊茅種子產(chǎn)量構(gòu)成性狀間存在相互促進或抑制作用，施肥處理不僅直接增加某幾個性狀，同時也間接對某些性狀起作用，從而提高種子產(chǎn)量。

通過通徑分析，進一步分析不同施肥和保水劑處理下種子產(chǎn)量性狀對產(chǎn)量形成的影響大小(表3)。由表3 可知，生殖枝數(shù) (0.637) 對種子產(chǎn)量的直接效應(yīng)最大，其次為單序籽粒重 (0.518)。單序籽粒數(shù)、千粒重對種子產(chǎn)量的直接作用較低，但其通過與其他性狀間較大的間接作用，從而維持與種子產(chǎn)量較強相關(guān)性。小穗數(shù)、花序長、小穗粒數(shù)對種子產(chǎn)量的通徑系數(shù)為負值，分別為-0.059、-0.038、-0.073，但都通過與單序籽粒重和生殖枝數(shù)保持較大通徑系數(shù)進而影響種子產(chǎn)量。單位面積籽粒數(shù)雖對種子產(chǎn)量的直接效應(yīng)為-0.108，但間接效應(yīng)高達0.955，其中與單序籽粒重、生殖枝數(shù)的直接作用分別達到0.334 和0.524。表明單序籽粒重、生殖枝數(shù)是施肥對種子產(chǎn)量提升的兩個關(guān)鍵性狀。

圖 2 氮肥、磷肥和保水劑配施西北羊茅產(chǎn)量性狀Fig. 2 Effect of nitrogen fertilizer, phosphorus fertilizer and super absorbent polymers on F. kryloviana yield traits

2.4 氮肥和保水劑對磷肥利用效率的影響

由圖3 可得，氮肥極顯著影響磷肥偏生產(chǎn)力 (P ＜0.01)，添加氮肥后磷肥偏生產(chǎn)力降低，不施氮肥下的磷肥偏生產(chǎn)力平均是N60處理的1.5 倍；保水劑對磷肥偏生產(chǎn)力的影響不顯著 (P ＞ 0.05)。不同施磷量間磷肥偏生產(chǎn)力差異顯著 (P ＜ 0.05)，磷肥偏生產(chǎn)力在施磷量60 kg/hm2時最高，在施磷量90 kg/hm2時最低。在施磷量60 kg/hm2時，磷肥偏生產(chǎn)力最高為N0PM0P60組合達8.46 kg/kg；在施磷量達75 kg/hm2后，磷肥偏生產(chǎn)力最高為不施氮肥及施保水劑30 kg/hm2處理，超過6.22 kg/kg。磷肥偏生產(chǎn)力最低組合為N60PM30P90，僅3.37 kg/kg。

從磷肥農(nóng)學(xué)效率來看 (圖3)，施氮60 kg/hm2顯著降低磷肥的農(nóng)學(xué)效率 (P ＜ 0.01)，較不施氮肥處理平均降低47%；保水劑對磷肥農(nóng)學(xué)效率的影響未達顯著水平 (P ＞ 0.05)。單獨施磷時，磷肥農(nóng)學(xué)效率在各施磷量間差異不顯著 (P ＞ 0.05)，但在氮肥和保水劑添加后，變化規(guī)律不一致；其中在N60PM30情況下磷肥農(nóng)學(xué)效率在各磷肥梯度下差異不顯著 (P ＞0.05)，磷肥農(nóng)學(xué)效率最低為N60PM30P60組合，僅0.22 kg/kg；在N0PM30和N60PM0情況下，P75與P90水平磷肥農(nóng)學(xué)效率差異不顯著 (P ＞ 0.05)，均大于1.42kg/kg；但顯著高于P60水平 (P ＜ 0.05)?？梢?，對建植三年的西北羊茅，磷肥與N60或PM30配施均不利于維持高水平的磷肥農(nóng)學(xué)效率，且少量或過量磷肥也不利于維持磷肥偏生產(chǎn)力與磷肥農(nóng)學(xué)效率間的平衡。

表 2 羊茅種子產(chǎn)量與產(chǎn)量性狀間相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation between yield of seed and yield traits of F. kryloviana

表 3 西北羊茅種子產(chǎn)量與產(chǎn)量性狀間通徑分析Table 3 Path analysis between seed yield and yield traits of F. kryloviana

3 討論

3.1 氮磷肥和保水劑對西北羊茅種子產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀的影響

氮肥添加是提高植物種子生產(chǎn)的有效措施，但過量施氮不利于種子產(chǎn)量的提高。在老芒麥?zhǔn)┓恃芯恐邪l(fā)現(xiàn)，施氮量過高甚至引起產(chǎn)量下降[10,22]；徐榮等[23]對高羊茅的研究表明，施氮量高于60 kg/hm2時種子產(chǎn)量呈下降趨勢。植物種子產(chǎn)量對氮肥添加的響應(yīng)存在一個閾值，產(chǎn)量與施氮量呈開口向下的“拋物線”關(guān)系[24]。本研究的結(jié)果為施N 60 kg/hm2顯著降低了西北羊茅種子產(chǎn)量。千粒重是種子發(fā)育成熟的重要標(biāo)志，其值越大發(fā)育越完全；無芒隱子草的千粒重對氮肥響應(yīng)不顯著[25]，高羊茅千粒重在不同氮肥梯度表現(xiàn)不一致[11,13]，而多花黑麥草在抽穗期施用高氮肥用量后千粒重顯著降低[12]，老芒麥在施用氮肥量60 kg/hm2時千粒重最大，而后降低[11]。生殖枝數(shù)是影響種子產(chǎn)量的關(guān)鍵因素[26]。高氮肥用量時無芒隱子草生殖枝數(shù)減少[25]；高羊茅生殖枝數(shù)在達到一定值后隨氮肥進一步添加而減小，在葦狀羊茅上也有類似規(guī)律[14,27-28]。韓云華等[28]研究發(fā)現(xiàn)超過氮肥閾值后，葦狀羊茅多項種子產(chǎn)量性狀指標(biāo)明顯減少，本研究在施N 60 kg/hm2時，西北羊茅的單序籽粒重、千粒重、生殖枝數(shù)和單位面積籽粒數(shù)均極顯著降低，可見西北羊茅種子生產(chǎn)的氮肥閾值可能小于60 kg/hm2。本研究僅探討了不施氮肥和施氮 60 kg/hm2水平對西北羊茅種子產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀的影響，而對不同施氮水平下西北羊茅種子產(chǎn)量和產(chǎn)量性狀的影響未進行研究和討論，這有待下一步進行研究。

圖 3 不同處理西北羊茅種子生產(chǎn)的磷肥利用效率Fig. 3 Utilization efficiency of phosphorus fertilizer in F. kryloviana seeds production affected by fertilizer and super absorbent polymer treatments

磷肥促進種子的形成和發(fā)育，關(guān)于種子生產(chǎn)對施磷量的響應(yīng)在多種禾本科植物上有相關(guān)研究。張錦華等[29]對旱作老芒麥的研究表明，施磷量64 kg/hm2時種子產(chǎn)量最高；而趙利等[11]發(fā)現(xiàn)在施磷量90 kg/hm2時老芒麥種子產(chǎn)量最高，而本研究發(fā)現(xiàn)施磷量75～90 kg/hm2時西北羊茅種子產(chǎn)量均有較高值，達到560 kg/hm2。這可能與研究區(qū)域土壤肥力狀況和作物本身的需肥特性不同有關(guān)。小穗數(shù)和小穗粒數(shù)是影響種子產(chǎn)量的主要性狀之一，房麗寧等[30]在高羊茅，蔣文蘭等[31]在多年生黑麥草和高羊茅，張錦華等[29]在老芒麥?zhǔn)┝籽芯恐芯岢?，施磷顯著提高了牧草的小穗數(shù)和小穗粒數(shù)，而本研究發(fā)現(xiàn)，施磷對西北羊茅小穗數(shù)和小穗粒數(shù)的形成無顯著影響，這與于曉娜等[22]對老芒麥?zhǔn)┝籽芯拷Y(jié)果一致。同時，本研究發(fā)現(xiàn)，施磷顯著提高生殖枝數(shù)、千粒重，這與趙利等[11]、王明亞等[9]的研究結(jié)果一致，而與于曉娜等[22]的研究不一致。不同牧草由于施肥量的不同、施肥時間和施肥方式的不同，以及土壤肥力和牧草需肥特性的不同，研究的結(jié)果會存在差異；不同區(qū)域、不同年份溫度及降雨的差異以及不同地區(qū)栽培管理方式下施肥對不同牧草影響目前研究仍然比較少，還需進行深入細致的研究。

保水劑主要為干旱地區(qū)植物生長發(fā)育提供適宜的水分條件。在玉米[32]、小麥[33]等作物上的研究表明，保水劑添加量45～60 kg/hm2顯著提升產(chǎn)量；本試驗保水劑添加量30 kg/hm2對西北羊茅產(chǎn)量無顯著影響，而與氮肥、氮磷肥配施后影響顯著。這可能是由于玉米、小麥為一年生作物，保水劑施用當(dāng)年根系處于發(fā)育階段，而西北羊茅為多年生牧草，本研究在其生長的第三年進行施肥研究，根系發(fā)育完全，因此造成研究結(jié)果不一致。劉學(xué)生等[32]發(fā)現(xiàn)保水劑能有效提升玉米百粒重和小穗粒數(shù)；馬力等[34]在對燕麥的研究中發(fā)現(xiàn)保水劑能促進小穗數(shù)增加；楊永輝等[33]在小麥的研究中也得出相似觀點。本研究中，對產(chǎn)量性狀分析發(fā)現(xiàn)保水劑主要影響單序籽粒重和單序籽粒數(shù)。

3.2 氮磷肥和保水劑對西北羊茅種子產(chǎn)量與產(chǎn)量性狀間相關(guān)關(guān)系的影響

通過對施肥后西北羊茅種子產(chǎn)量性狀間的相關(guān)性分析表明，種子產(chǎn)量與生殖枝數(shù)間相關(guān)系數(shù)達0.822，且前人的研究表明，生殖枝數(shù)受氮肥、磷肥添加的極顯著影響，這與本研究結(jié)果一致[35-36]。種子產(chǎn)量與花序長、小穗粒數(shù)間不存在顯著相關(guān)關(guān)系，而小穗粒數(shù)與單序籽粒數(shù)具有顯著正相關(guān)性。梁國玲等[4]對未施肥的西北羊茅研究也發(fā)現(xiàn)小穗粒數(shù)與產(chǎn)量無顯著相關(guān)；本研究發(fā)現(xiàn)小穗粒數(shù)不隨施肥量的增加而發(fā)生改變，這可能與品種自身特性有關(guān)。另外本研究發(fā)現(xiàn)小穗數(shù)與小穗粒數(shù)成顯著負相關(guān)關(guān)系，這可能為西北羊茅的一種調(diào)控方式；探尋通過提高小穗粒數(shù)進而提高西北羊茅種子產(chǎn)量的栽培措施，將會大幅度提高西北羊茅種子產(chǎn)量。通徑分析表明，施肥和保水劑添加后西北羊茅單序籽粒重、生殖枝數(shù)對種子產(chǎn)量的直接作用最大；且花序長、小穗數(shù)、小穗粒數(shù)、單序籽粒數(shù)、千粒重均與單序籽粒重、生殖枝數(shù)表現(xiàn)出較強的直接作用；結(jié)合相關(guān)性分析可將這兩個性狀作為西北羊茅種子生產(chǎn)對施肥的響應(yīng)依據(jù)。

3.3 氮肥、保水劑對磷肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率的影響

肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率是反映施肥對植物增產(chǎn)效應(yīng)的適宜評價指標(biāo)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，磷肥偏生產(chǎn)力隨施磷量和施氮量增加而降低，這與在玉米方面的研究結(jié)果一致[37]。磷肥農(nóng)學(xué)效率在本研究中無統(tǒng)一的規(guī)律，僅在有氮肥或保水劑添加時隨施磷量增加呈上升趨勢。氮肥添加顯著降低各磷肥梯度偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率，且磷肥利用效率顯著低于大宗作物[21,37-38]，這可能是西北羊茅由于長期進化已適應(yīng)貧瘠環(huán)境，因而對氮肥、磷肥需求閾值較低引起。本研究保水劑對磷肥偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率均無顯著影響，是添加量還是施入方式的影響有待進一步研究。

4 結(jié)論

施磷可顯著提高西北羊茅種子產(chǎn)量，而施氮不利于種子產(chǎn)量的提高。在不施氮的情況下，采用保水劑30 kg/hm2與磷肥75 kg/hm2配施，西北羊茅種子產(chǎn)量達到最高560 kg/hm2。單序籽粒重和生殖枝數(shù)是影響西北羊茅種子產(chǎn)量的主要性狀。