調(diào)虧灌溉下氮肥管理對滴灌甜菜產(chǎn)量及水氮利用的影響

周紅亮，張麗娟，劉寧寧，費 聰，蘇繼霞，曾洲淵，樊 華

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.吐魯番市實驗中學(xué)，新疆 吐魯番 838000)

調(diào)節(jié)作物生長的農(nóng)田水肥環(huán)境、提高水肥利用效率是當(dāng)前我國北方旱區(qū)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)迫切需要解決的關(guān)鍵問題[1]。調(diào)虧灌溉(regulated deficit irrigation，RDI)于20世紀90年代由康紹忠等[2]引入大田作物研究中，其核心是利用植物自身對水分虧缺的應(yīng)激性，主動降低營養(yǎng)器官的生長發(fā)育而調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物向著生殖器官運移，從而抑制了營養(yǎng)器官的生長冗余，提高作物的經(jīng)濟系數(shù)[3]，是一種通過作物自身生理功能調(diào)節(jié)而達到節(jié)水的灌溉方式，其目的是在不影響作物產(chǎn)量的前提下通過調(diào)虧灌溉實現(xiàn)作物品質(zhì)的改善[4]。氮是植物生長發(fā)育所必需的三大營養(yǎng)元素之一，施氮可以改變作物對氮素的吸收、積累與分配，進而影響作物葉面積指數(shù)、干物質(zhì)積累和葉綠素含量，最終起到改善作物品質(zhì)、提高產(chǎn)量的作用[5]。但近年來中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)嚴重依賴施用氮肥[6]，過量施用氮肥導(dǎo)致氮肥利用效率和產(chǎn)量降低[7]，增加了作物減產(chǎn)風(fēng)險，甚至破壞農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，嚴重影響農(nóng)田的可持續(xù)利用[8-9]。

如何提高作物水分和養(yǎng)分的利用效率，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。Marziyeh等[10]在玉米氮肥管理研究中發(fā)現(xiàn)，在25%～50%田間持水量灌溉水平下，施用80 kg·hm-2氮肥可使玉米的生物產(chǎn)量和水分利用效率(water use efficiency, WUE )達到最高；Nangare等[11]研究表明，中度調(diào)虧灌溉促進西紅柿果實發(fā)育，改善了西紅柿的品質(zhì)，但沒有降低產(chǎn)量；胡家齊等[3]認為在遼西半干旱地區(qū)施氮60 kg·hm-2同時花針期～結(jié)莢期采取中度調(diào)虧灌溉處理后的增產(chǎn)效應(yīng)顯著，調(diào)虧灌溉后增施氮肥使花生的產(chǎn)量增加了13.09%，但顯著降低WUE和氮肥利用效率(nitrogen use efficiency, NAE)。Li等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，甜菜葉叢期中度調(diào)虧灌溉后(50%θF)干物質(zhì)積累量高于重度調(diào)虧灌溉處理(30%θf)，且重度調(diào)虧灌溉顯著降低甜菜產(chǎn)量，中度調(diào)虧灌溉顯著提高葉片的瞬時水分利用效率和灌溉水分利用效率。費聰?shù)萚14-16]研究表明，甜菜在150 kg·hm-2施氮量和3∶7的基追比下具有較好的干物質(zhì)分配比例，生育前期地上部分干物質(zhì)量大于地下部分，增加葉叢期追肥量后，地下部分的生長更快，但施氮量過低和過高都會顯著影響甜菜干物質(zhì)的分配比例。蘇繼霞[17]、董心久等[18]發(fā)現(xiàn)氮肥基追比為5∶5時顯著影響甜菜生長發(fā)育及產(chǎn)量構(gòu)成因素，有利于提高甜菜品質(zhì)。

目前大量學(xué)者針對作物灌水量、施氮量及其互作效應(yīng)開展研究，然而有關(guān)調(diào)虧灌溉條件下作物氮肥管理的研究不多[3,15]，本試驗基于甜菜不同生育時期調(diào)虧灌溉條件，研究不同施氮量與基追比對甜菜生長特性及產(chǎn)量和水氮利用效率的影響，旨在探討甜菜節(jié)水減氮、提質(zhì)增效途徑，為干旱區(qū)滴灌甜菜種植中水氮高效利用提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2019年4—10月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗站內(nèi)(44°32′N, 86°08′E)進行，海拔428 m，無霜期168～171 d，年日照時數(shù)為2 721～2 818 h，≥10℃的活動積溫為3 570℃～3 729℃，年降水量125.0～207.7 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候。試驗區(qū)的土壤為灰漠土，土壤質(zhì)地為重壤土。在0～40 cm土層田間持水量為19.97%，容重為1.68 g·cm-3，耕層土壤有機質(zhì)含量為13.41 g·kg-1，速效鉀156.31 mg·kg-1、速效磷25.45 mg·kg-1、全氮0.77 g·kg-1，前茬作物為玉米。

1.2 試驗設(shè)計

本研究采用大田控制方法控制不同生育時期0～40 cm土層深度的土壤水分，即在甜菜葉叢期設(shè)置灌水下限為50%θf(θf為田間持水量)、塊根膨大期30%θf、糖分積累期30%θf，灌水上限均為90%θf進行調(diào)虧灌溉，當(dāng)每個小區(qū)埋設(shè)的Watermark水勢儀所測定0～40 cm土層土壤含水量降到設(shè)定范圍內(nèi)，結(jié)合烘干法校正后對該小區(qū)灌水至目標(biāo)含水量。本次試驗所需灌溉的水量參照韓占江[19]等人的計算方式確定。

m=10×H×ρb×(βi-βj)

式中,m為所需灌水量(mm)；H為計劃濕潤土層深度(在本試驗中的計劃濕潤層深度為40 cm)；ρb為濕潤層內(nèi)的土壤容重(g·cm-3)；βi為本次試驗的所需土壤含水量(目標(biāo)相對含水量×田間持水量)；βj為灌溉前土壤含水量。灌水量由水表記錄。

在進行調(diào)虧灌溉的基礎(chǔ)上開展氮素施用量和氮素施用時期的控制試驗。氮素施用量設(shè)3個水平，即甜菜生育期內(nèi)分別施純氮0 kg·hm-2(N0)、150 kg·hm-2(N1)、225 kg·hm-2(N2)，以不施氮處理(N0)為對照。氮素施用時期設(shè)3個水平，即在播種前、葉叢快速增長期、塊根膨大期追施比例分別為20∶60∶20(T1)、30∶50∶20(T2)、40∶40∶20(T3)，共計7個處理，每處理重復(fù)3次。小區(qū)面積為3 m×6 m=18 m2，各小區(qū)間設(shè)置1 m的保護行，磷鉀肥施用量分別為P2O5345 kg·hm-2、K2O 210 kg·hm-2，全部作為基肥施入，氮肥為尿素(含氮量46%)，在播種前、葉叢期、塊根膨大期三個時期按表1中處理組合在不同生育時期施入。株行距配置方式為50 cm×20 cm(行距為50 cm，株距為20 cm)，滴灌帶配置模式為“1管2”模式，即1條毛管控制2行甜菜。各處理灌水量由水表記錄，其余管理同大田。

表1 調(diào)虧灌溉下甜菜生育期內(nèi)各處理尿素施用量/g

1.3 測定項目和方法

1.3.1 葉綠素含量測定 在各生育時期的每個處理內(nèi)選取整齊一致的3片功能葉冷凍保存，帶回實驗室稱取0.3 g置入50 ml離心管中，量取10 ml無水乙醇和10 ml丙酮避光浸提48 h，浸提結(jié)束后使用雙光束紫外可見分光光度計(UH5300，HITACHI)分別在663、645 nm和470 nm的波長下測定Chla、Chlb和類胡蘿卜素的吸光值，葉綠素含量的相關(guān)計算公式如下[20]：

Ca=(12.7D663-2.69D645)×V/1000W

Cb=(22.9D645-4.68D663)×V/1000W

C總=(20.0D645+8.02D663)×V/1000W

Car=(1000D470-3.27Ca-104Cb)/229×V/1000W

式中,Ca、Cb分別為葉綠素a、葉綠素b的濃度；C總為總?cè)~綠素濃度；Car為類胡蘿卜素濃度；V為浸提液體積；W為浸提葉片質(zhì)量;D663、D645和D470分別表示在該波長下的吸光值。

1.3.2 干物質(zhì)量、葉面積指數(shù)測定 在甜菜每個生育時期結(jié)束后各處理選取長勢一致的3株進行破壞性取樣，將葉片、葉柄和塊根分別稱重裝袋，在105℃烘箱中殺青30 min，殺青結(jié)束后65℃烘干至恒重。葉面積使用Li-3000(Li-cor，美國)在各生育時期破壞性取樣后將葉片帶回實驗室進行測定，并根據(jù)相關(guān)公式計算葉面積指數(shù)(leaf area index, LAI)[1]。

LAI=(單株葉面積×單位面積有效株數(shù))/單位面積

1.3.3 氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、灌溉水利用效率、產(chǎn)量和產(chǎn)糖量測定 在甜菜收獲期內(nèi)拔出塊根后削去青頭，對各處理產(chǎn)量進行稱重實測，含糖率使用折光儀進行測定，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、灌溉水利用效率、水糖比、產(chǎn)糖量等參數(shù)的計算參考胡家齊[3]、Li[12]等的方法。

灌溉水利用效率(irrigation water use efficiency, iWUE):iWUE=塊根產(chǎn)量/耗水量

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(nitrogen agronomic efficieney, NAE)：NAE=(施氮區(qū)產(chǎn)量-不施氮產(chǎn)量)/施氮量

水糖比=產(chǎn)糖量/耗水量

產(chǎn)糖量=單位面積塊根產(chǎn)量×含糖率

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS12.0進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(P<0.05)，利用Origin 2018進行統(tǒng)計圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜葉面積指數(shù)的影響

調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜葉面積指數(shù)產(chǎn)生了不同程度的影響(圖1)。在整個生育進程中呈先增后降的趨勢。苗期(圖1A)N1、N2處理間無顯著差異，但較N0顯著提高了36.67%～91.67%；葉叢期(圖1B)和塊根膨大期(圖1C)兩個氮肥處理下的葉面積指數(shù)顯著高于對照處理，葉面積指數(shù)最大值在兩個生育時期分別出現(xiàn)在N2處理下的N2T3、N2T2處理，分別較對照處理提高了124.39%和143.88%，說明在葉叢期50%θf(θf為田間持水量)和塊根膨大期30%θf調(diào)虧灌溉后施氮肥能夠提高甜菜葉面積，但增施氮肥后促進效果不顯著；糖分積累期(圖1D)各氮肥處理的葉面積指數(shù)在基追比間差異不顯著，但均在T1追肥模式下最高，分別為1.46和1.66，較對照處理提高了64.06%和86.52%，表明在糖分積累期進行30%θf的調(diào)虧灌溉條件后，氮肥能夠顯著改善水分脅迫條件下的葉面積指數(shù)，且在T1的基追模式甜菜保持較高的葉面積。

注：各處理中的不同小寫字母表示在P<0.05水平下差異顯著。下同。Note: Different lowercase letters in each treatment indicate significant difference at P<0.05 level. The same below.

2.2 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜葉綠素含量的影響

由表2可知，在調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜葉綠素含量影響各異，總體表現(xiàn)為隨生育進程推進呈先增加后降低趨勢，且隨施氮量增加而增加。其中生育期內(nèi)N2T1處理的葉綠素a含量最大，其在三個生育時期的含量分別為1.45、1.64、1.42 mg·g-1，較對照提高了26.1%、115.8%和77.5%；葉綠素總含量在全生育期的變化趨勢與葉綠素a基本一致。三個生育時期內(nèi)葉綠素b含量均在N2T3處理下最高，較對照提高了15.38%、157.14%、42.86%。表明調(diào)虧灌溉下施用氮肥能夠提高甜菜葉片中葉綠素含量，且葉綠素含量隨施氮量增加而增加，在全生育期內(nèi)N2施氮量的T1追肥模式下能夠顯著提高葉綠素a含量，在T3追肥模式下能顯著提高葉綠素b含量。

2.3 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜干物質(zhì)積累量的影響

調(diào)虧灌溉條件下的氮肥管理對滴灌甜菜干物質(zhì)積累量產(chǎn)生不同程度的影響(圖2)，全生育期表現(xiàn)為增加趨勢。苗期處理間干物質(zhì)積累量顯著高于對照，在N1T1處理下達到最大值(22.51 g)，但各處理間的差異不顯著，表明施基肥對甜菜苗期干物質(zhì)積累量無顯著影響。在葉叢期N1T2處理下的干物質(zhì)積累量最大(286.76 g)，且葉片、葉柄和塊根均高于其它處理。在塊根膨大期和糖分積累期甜菜干物質(zhì)積累量基本一致，兩個時期分別在N1T1(326.75g)和N2T3(368.27)處理下達到最大值，但處理間差異不顯著，表明甜菜在中后期經(jīng)歷重度水分虧缺后會抑制根、葉柄、葉片的生長，施用氮肥不能緩解水分虧缺帶來的影響。在調(diào)虧灌溉條件下后三個生育時期地下部分干物質(zhì)積累量遠大于地上部分，說明干旱抑制冠層生長的同時加快了地下部分的干物質(zhì)積累。

2.4 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜根冠比的影響

調(diào)虧灌溉條件下滴灌甜菜根冠比隨著生育時期推進呈增加趨勢(圖3)。苗期在N2T3處理下的根冠比最小(0.31)，但在兩氮肥處理下的T1基追模式下最大，分別為0.51、0.48，在葉叢期內(nèi)變化相反，N2T3處理下的根冠比最大(3.54)，且顯著高于其它處理，說明在苗期甜菜生長受氮肥影響較小，根冠協(xié)調(diào)生長，但在葉叢期進行調(diào)虧灌溉后施氮促進了根系生長，增加了根冠比。塊根膨大期和糖分積累期的根冠比均在N0處理下最大(5.76、7.84)，且顯著高于其它處理，但在N1、N2兩個施氮量和三個基追比間差異均不顯著，這說明在生育中后期進行調(diào)虧灌溉后施氮會促進根冠的物質(zhì)積累，尤其對地下部分物質(zhì)積累顯著，但施用過多氮素并無顯著促進作用。

圖3 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜根冠比的影響

2.5 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜產(chǎn)量和水氮利用的影響

調(diào)虧灌溉條件下，滴灌甜菜產(chǎn)量隨著施氮量和播前施氮比例增加分別升高和降低(表3)，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、灌溉水利用效率與產(chǎn)量變化趨勢一致，都在N2T1處理達到最大，分別為117.24×103kg·hm-2、0.24×103kg·kg-1和17.10 kg·m-3，塊根含糖率隨著施氮量和播前施氮比例增加分別降低和升高，在N1T1處理最高(17.85%)，各處理產(chǎn)糖量、水糖比均顯著高出對照31.66%～63.41%、31.82%～63.64%，但在處理間無顯著差異，表明在調(diào)虧灌溉下施用氮肥能提高塊根產(chǎn)量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和灌溉水利用效率，但施用過多則會降低塊根含糖率，對產(chǎn)糖量和水糖比的促進作用不顯著。甜菜的含糖率在施氮量、基追比及互作間都達到了極顯著水平，除氮肥利用效率外其余指標(biāo)在施氮量、基追比處理內(nèi)差異顯著，但在施氮量與基追比的互作間無差異。

表3 調(diào)虧灌溉條件下氮肥管理對滴灌甜菜產(chǎn)量品質(zhì)的影響

3 討 論

水肥供應(yīng)是大田生產(chǎn)重要的調(diào)控因子，施用過量不僅會導(dǎo)致資源浪費，降低資源利用率，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，而且會影響作物產(chǎn)量[21]，因而合理灌水與施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中節(jié)源增產(chǎn)、提質(zhì)增效的關(guān)鍵因素。調(diào)虧灌溉條件下施用氮肥是通過影響作物葉片色素含量、葉面積等多種因素對植株光合同化能力造成影響而影響產(chǎn)量[22-23]，本研究結(jié)果表明，在葉叢期和塊根膨大期進行50%θf和30%θf調(diào)虧灌溉基礎(chǔ)上施225 kg·hm-2氮肥的同時增加基肥比例能夠顯著提高甜菜葉面積(124.39%～143.87%)和葉綠素含量(23.03%～119.80%)。在糖分積累期進行30%θf調(diào)虧灌溉后施用氮肥對葉面積影響不顯著，但使葉片保持較高的葉綠素含量。祁有玲[24]、Zheng等[25]研究結(jié)果表明，在冬小麥不同生育階段進行調(diào)虧灌溉后均會抑制莖稈和葉片生長，使冠層結(jié)構(gòu)發(fā)育不良，降低葉面積指數(shù)，但在施用氮肥后對葉面積和株高有明顯的調(diào)節(jié)效應(yīng)。李智等[26]也表明調(diào)虧灌溉下在甜菜苗期和葉叢期適當(dāng)提高施氮量，塊根膨大期和糖分積累期適當(dāng)減少施氮量，可以促進甜菜冠層生長，增加葉片葉綠素含量，防止后期葉片早衰，有利于后期同化物質(zhì)向地下部分轉(zhuǎn)移。但在本研究中，甜菜葉叢期和塊根膨大期調(diào)虧灌溉后施氮顯著提高了葉面積指數(shù)和葉綠素含量，尤其在重施基肥的T3處理下更顯著，但在兩施氮處理間未達到顯著差異，這可能與水分條件有關(guān)，葉叢期是甜菜地上部分生長最旺盛時期，而塊根膨大期是地下部分生長的關(guān)鍵時期，這兩個時期內(nèi)分別進行50%θF和30%θF調(diào)虧灌溉后對冠層和地下部分生長均產(chǎn)生了抑制作用，在施氮后一部分氮肥隨水被運輸至根系和冠層，一定程度上改善了因水分虧缺帶來的影響，提高了葉面積和葉綠素含量，但由于水分運輸效率及根系生長有限，過多氮肥無法被利用，致使兩施氮量處理間差異不大，尤其在糖分積累期內(nèi)這一影響更顯著。

甜菜干物質(zhì)積累是一個持續(xù)的過程，在充分灌溉條件下地上部分生長速率會大于地下部分，導(dǎo)致根冠比較小，但在收獲期總體干物質(zhì)量將會達到最大值[27-28]。本研究中，干物質(zhì)量、根冠比隨生育進程推進而增加，塊根膨大期和糖分積累期施氮處理間干物質(zhì)總量差異不顯著，分別較對照提高了34.08%～56.84%和32.43%～76.26%，在糖分積累期各處理根冠比達到最大，說明施氮可提高調(diào)虧灌溉條件下的甜菜干物質(zhì)積累總量，尤其在塊根膨大期和糖分積累期內(nèi)重度調(diào)虧灌溉后施氮會促進地上、地下部分協(xié)同生長，但施用過多氮素作用不顯著。這可能是甜菜生育中后期長時間進行重度調(diào)虧灌溉后使老葉受旱凋亡，施氮后促進新葉萌發(fā)生長補充了一部分的地上物質(zhì)，而地下部分受限較小干物質(zhì)持續(xù)積累，所以根冠比呈增加趨勢而干物質(zhì)積累總量在各處理間差異不大。前人在甜菜的試驗中也有類似結(jié)論[18]。

有學(xué)者[2,4,27]認為，在水分充足條件下施用過多氮肥易導(dǎo)致地上部分徒長，養(yǎng)分轉(zhuǎn)移不均衡，對地下部分生長不利，但在水分脅迫下適量增施氮肥可以在一定程度上增大作物根系與土壤的接觸面積，增加根長促使植株根系下扎吸收深層土壤中的水分，進而在一定程度上補償了干旱所帶來的影響。甜菜是收獲營養(yǎng)器官塊根的作物，在栽培中更需注意控制水肥對地下部分物質(zhì)分配的影響。在本研究中，調(diào)虧灌溉下甜菜塊根產(chǎn)量隨施氮量增加而增加，含糖率隨產(chǎn)量增加而下降，增加追肥施用比例增產(chǎn)效果顯著，這與前人[15-17]在甜菜的氮素運籌試驗中結(jié)果一致。Wang等[29]在黃瓜的調(diào)虧灌溉研究中發(fā)現(xiàn)，一定氮肥范圍內(nèi)WUE隨施氮量增加先升高后降低，NAE隨施氮量增加而降低，胡家齊等[3]在花生的研究中也有類似的結(jié)論，而在本研究中，NAE、iWUE和水糖比均隨施氮量升高而升高，但NAE和水糖比在兩個氮肥處理間差異不顯著，這可能與甜菜自身遺傳特性相關(guān)，當(dāng)甜菜的塊根產(chǎn)量增加時，其含糖率降低，施用較多氮素雖提高了塊根重，加快水分消耗，提高了水分利用效率，但對NAE和水糖比貢獻較小。前人在小麥[30]、甜菜[17]的氮肥運籌研究中發(fā)現(xiàn)，在基追比為5∶5模式下對產(chǎn)量具有較顯著的促進作用，費聰?shù)萚16,28]也表明在4∶4∶2運籌模式下有利于提高干旱區(qū)滴灌甜菜塊根產(chǎn)量，在本研究中，調(diào)虧灌溉下增加施氮量有利于提高產(chǎn)糖量，但增產(chǎn)效果并不顯著，在三種運籌模式下T1(基追比為2∶8時)更有利于提高甜菜產(chǎn)糖量，也有較高的水糖比和NAE，這與其他學(xué)者的研究結(jié)論略有差異。前人開展的氮素研究是在充分灌溉下進行，適當(dāng)在甜菜生育中后期補充一定氮素可加快冠層同化物質(zhì)向根系轉(zhuǎn)移，以達到增產(chǎn)效果，但在本試驗中，進行調(diào)虧灌溉后需增加足夠追肥量以保證甜菜在中后期依舊有較高的物質(zhì)同化、轉(zhuǎn)運能力，才可以在一定程度上緩解調(diào)虧灌溉對甜菜的影響。因此，在干旱區(qū)滴灌甜菜種植中推薦以T1(20∶60∶20)基追比模式施用150 kg·hm-2氮肥可對調(diào)虧灌溉具有一定的調(diào)節(jié)作用。