氮肥用量對(duì)花生氮素吸收與分配的影響

戴良香 張智猛 張冠初 張 楊 慈敦偉 秦斐斐 丁 紅

(1山東省花生研究所,山東 青島 266100;2沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110000;3 青島市黃島區(qū)植物保護(hù)站,山東 青島 266400)

氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量元素之一。花生(Arachis hypogaeaL.)氮素的主要來(lái)源包括土壤氮、肥料氮和根瘤共生固氮三個(gè)方面,三者既相互關(guān)聯(lián)又相互制約[1-2]。研究表明,花生根瘤固氮能滿足其需氮量的50%左右,合理施用氮肥能夠促進(jìn)花生根瘤固氮,提高莢果產(chǎn)量[3-4]。研究表明,適量施用氮肥可明顯改善花生葉片光合性能、提高氮代謝生理機(jī)能并增加產(chǎn)量[5-7];但施氮量過(guò)高會(huì)抑制根瘤菌的侵染、繁殖和固氮能力[8-9],同時(shí)使花生營(yíng)養(yǎng)體旺長(zhǎng)倒伏,產(chǎn)量和氮肥利用率均降低[10-11]。過(guò)量施氮還可能引起溫室氣體排放、地表水富營(yíng)養(yǎng)化、地下水污染等環(huán)境問(wèn)題[12-14]。

氮是組成蛋白質(zhì)的重要元素,是決定花生籽粒品質(zhì)的關(guān)鍵因子之一。目前,前人研究多集中在花生的根瘤固氮及不同氮源下氮肥的利用特性,而關(guān)于不同氮肥用量下植株對(duì)氮肥的分配利用特性及籽仁氮素積累的研究尚鮮見報(bào)道。15N 示蹤技術(shù)可用于研究作物不同生育時(shí)期、不同部位氮素分配對(duì)肥料中氮素的實(shí)際利用情況,Zhang 等[15]利用15N 示蹤技術(shù)研究了15N標(biāo)記尿素在水稻-土壤系統(tǒng)中的回收率;朱寶國(guó)等[16]利用15N 示蹤技術(shù)研究了不同追氮方式下玉米對(duì)15N的吸收、分配及利用,發(fā)現(xiàn)氮肥分次深追可降低土壤氮肥殘留率和氮素?fù)p失率。15N 示蹤技術(shù)亦可為計(jì)算豆科作物的生物固氮率,確定最適肥料氮的施用提供理論依據(jù)[15-17]。本研究通過(guò)15N 示蹤法分析不同施氮量下花生植株對(duì)氮肥的吸收、分配和利用情況,以期為提高花生氮肥利用率及氮肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試花生品種為抗旱高產(chǎn)型品種花育25 號(hào),該品種屬早熟直立型大花生品種,具有單株生產(chǎn)力高、抗旱抗倒、抗葉斑病、休眠期長(zhǎng)、不易落果等特點(diǎn),其生育期約129 d,購(gòu)自青島恩德潤(rùn)花生專業(yè)合作社。氮素肥料為15N 標(biāo)記尿素(豐度10.19atom%,由上海化工研究院提供)。

1.2 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山東省花生研究所萊西試驗(yàn)站進(jìn)行,土柱栽培所制作圓柱桶、肥料施用及其他種植管理參照山東省花生研究所花生逆境生理課題組已有研究[18]。使用PVC 圓筒制成可拆卸的直徑40 cm、高100 cm 的圓柱桶模擬大田環(huán)境,進(jìn)行花生土柱栽培試驗(yàn)。0 ～20 cm 土層土壤容重1.07 g·cm-3,土壤基本理化性質(zhì)為土壤pH 值7.4、有機(jī)質(zhì)含量14.3 g·kg-1、全氮1.67 g·kg-1、全磷(P2O5)0.79 g·kg-1、全鉀(K2O)10.04 g·kg-1,堿解氮101.65 mg·kg-1、速效磷56.41 mg·kg-1、速效鉀184.58 mg·kg-1。

試驗(yàn)共設(shè)置N0(不施氮肥,對(duì)照,CK)、N1(45 kg·hm-2)、N2(90 kg·hm-2)、N3(135 kg·hm-2)和N4(180 kg·hm-2)5 個(gè)處理。氮肥以尿素控制,同時(shí)配合施用高產(chǎn)田要求的過(guò)磷酸鈣(450 kg·hm-2)和硫酸鉀(300 kg·hm-2),肥料均以基肥方式施入。每個(gè)土柱內(nèi)種植2 株花生,隨機(jī)排列,3 次重復(fù)。于2015 年5 月25 日播種,10 月9 日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集 于成熟期收獲各處理植株,從子葉節(jié)處分開地上部和地下部,將地上部分的葉片(連同脫落殘葉)、莖(包括葉柄)分開,然后打開PVC 管將根系和莢果分別撿出,充分浸泡后沖洗干凈,風(fēng)干?；ㄉ髌鞴儆门Ｆぜ埓盅b,于105℃殺青30 min,再于70℃烘干至恒重,稱量,測(cè)得各器官干物質(zhì)量。將各器官干物質(zhì)樣品粉碎,過(guò)0.5 mm 篩,用于全氮含量及15N豐度的測(cè)定。

1.3.2 樣品測(cè)定 利用K-05 自動(dòng)定氮儀(上海晟聲自動(dòng)化分析儀器有限公司)測(cè)定植株全氮;利用同位素比率質(zhì)譜儀(熱電公司,美國(guó))測(cè)定15N 豐度。按照公式分別計(jì)算15N 原子百分超(%)、植株中氮素來(lái)自肥科氮的比例(nitrogen derived from ferfilizer,Ndff,%)、氮素積累量(mg·plant-1)、肥料氮積累量(mg·plant-1)、植株某器官15N 積累量(mg·plant-1)、花生氮肥利用率(nitrogen use efficiency,NUE,%):

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Office Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖;SAS 8.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD 法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 花生不同器官干物質(zhì)積累

由表1 可知,除N1 的根和果殼、N4 的果殼和籽仁較N0 降低外,其他施氮處理各器官干物質(zhì)積累量較N0 均有不同程度的增加。隨著施氮量的增加,各器官(除根和果殼外)干物質(zhì)積累量呈先升高后降低的趨勢(shì),但達(dá)到最高值時(shí)的施氮量存在差異。根、果殼和籽仁峰值均為N2,葉片和全株干物質(zhì)積累量峰值均出現(xiàn)在N3,僅莖干物質(zhì)積累量峰值出現(xiàn)在N1。與N0 相比,除N1 下根系干物重降低14.69%外,N2、N3 和N4施氮各處理的根系干物重分別增加14.69%、6.16%和9.95%;各施氮處理下葉片干物重較N0 分別增加11.22%、12.06%、37.86%和17.59%;除N4 外,N1、N2和N3 籽仁干物重較N0 分別增加2.61%、5.32%和1.88%。與N0 相比,除N2 外,其他施氮處理的收獲指數(shù)均顯著降低。上述表明,較高的氮肥用量可明顯促進(jìn)花生植株地上部的生長(zhǎng),尤其是葉片光合產(chǎn)物積累旺盛,從而使植株積累更多的生物量。

表1 不同施氮處理下花生不同器官干物質(zhì)量Table 1 Dry matter mass in different organs of peanut under different N treatments /(g·plant-1)

2.2 花生不同器官氮素積累量

由表2 可知,不同施氮處理下,花生植株各器官氮素積累量分配規(guī)律大致表現(xiàn)為籽仁＞葉＞果殼＞莖＞根,其中籽仁氮素積累量占全株氮素積累量的68.70%～75.21%,為氮素積累主要器官。與N0 相比,N3 增加果殼中氮素積累量,N2 增加籽仁中氮素積累量。除N1 的根和葉外,其他各處理根、莖、葉中的氮素積累量均高于N0。全株氮素積累總量在N2 下達(dá)到最大,且與N4 間差異顯著。上述表明,氮素積累量未隨著施氮量的增加而增加。

表2 不同施氮處理下花生不同器官氮素積累量Table 2 N accumulation in different organs of peanut under different N treatments /(mg·plant-1)

2.3 花生不同器官Ndff

Ndff 表示植株不同器官吸收的肥料N 量對(duì)該器官全氮量的貢獻(xiàn)率,反映植株器官對(duì)肥料N 的吸收競(jìng)爭(zhēng)能力。由表3 可知,花生全株的Ndff 為9.59%～37.65%,花生吸收的肥料氮素低于50%,土壤氮和根瘤固氮占花生所吸收氮素的50%以上。除N3 的根,其他各器官Ndff 均隨著施氮量的增加而顯著增加,但其增加幅度因施氮量的變化而不同。N1 ～N2 增加幅度最大,N3～N4 次之,N2～N3 增加幅度最低,其中N2各器官Ndff 較N1 增加約1 倍。不同氮肥處理下籽仁中Ndff 均最低,表明與營(yíng)養(yǎng)器官相比,肥料N 對(duì)生殖器官全氮量的貢獻(xiàn)率較低。

表3 不同施氮處理下花生不同器官NdffTable 3 The Ndff in different organs of peanut under different N treatments /%

2.4 花生不同器官15N 的吸收與分配

由表4 可知,不同施氮處理下,花生植株各器官15N積累量分配規(guī)律表現(xiàn)為籽仁＞葉＞莖＞果殼＞根,其中籽仁為15N 積累量的主要器官。各處理不同器官15N積累隨施氮量的增加而增加。由表5 可知,不同施氮條件下,籽仁和根中15N 分配率均以N2 最高,葉片以N3 最高,莖和果殼中均以N3 的15N 分配率最高。上述表明,適量施用氮肥(N2 和N3),氮素可被花生植株有效吸收并主要積累在籽仁中,有利于增加花生產(chǎn)量和改善花生品質(zhì)。

表4 不同施氮處理下花生不同器官15N 積累量Table 4 The15N accumulation in different organs of peanut under different N treatments/(mg·plant-1)

2.5 花生的氮肥利用率

由圖1 可知,花生植株氮肥利用隨著施氮量的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),在N2 達(dá)到最大,其利用效率為44.91%,且顯著高于其他氮肥處理。N2 的氮肥利用率分別較N1、N3 和N4 提高22.77%、17.56%和28.13%。說(shuō)明在適當(dāng)施氮量下花生植株氮素利用率較高,較高施氮量下花生植株氮素利用率會(huì)降低,而過(guò)高的施氮量會(huì)影響花生植株對(duì)氮素的吸收。施氮量對(duì)花生氮肥利用率的影響顯著,適宜的氮肥施用量可顯著提高花生氮肥利用率,而高施氮量不利于提高氮素利用率,且易造成浪費(fèi)的同時(shí)增加污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 不同施氮處理下花生不同器官15N 分配率Table 5 The 15N distribution in different organs of peanut under different N treatments /%

圖1 不同施氮處理下花生的氮肥利用率Fig.1 The nitrogen use efficiency of peanut under different N treatments

3 討論

花生源向庫(kù)的轉(zhuǎn)移決定了產(chǎn)量的形成,促進(jìn)同化物向籽仁中轉(zhuǎn)運(yùn)是花生生長(zhǎng)調(diào)控的關(guān)鍵要素。適量增施氮肥可促進(jìn)作物對(duì)干物質(zhì)的積累,同時(shí)提高地上部干物質(zhì)的比例[19]。在一定施氮量范圍內(nèi),水稻籽粒產(chǎn)量隨施氮量的增加而增加,但過(guò)高的施氮量增產(chǎn)效果不顯著[20-21]。籽仁是花生干物質(zhì)分配的主要器官,也是直接決定產(chǎn)量的部分。研究表明,在一定施氮量范圍內(nèi),花生產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加,但氮肥增產(chǎn)效率因土壤質(zhì)地和氮素水平存在較大差異[22]。這與本研究結(jié)果基本一致。本研究中,施氮量超過(guò)90 kg·hm-2(N2)條件下,花生植株各器官干物質(zhì)量及氮素積累量基本不再顯著增加,對(duì)氮肥施用量與花生產(chǎn)量關(guān)系進(jìn)行一元二次方程擬合發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加,花生產(chǎn)量呈拋物線變化,產(chǎn)量最高時(shí)氮肥最適施用量為77.19 kg·hm-2,與李海東等[23]的研究結(jié)果一致。

提高養(yǎng)分運(yùn)輸和分配效率,使更多養(yǎng)分向形成產(chǎn)量的部分轉(zhuǎn)移,是作物取得高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)的重要途徑。本研究中,花生植株各器官氮素積累量基本分配規(guī)律表現(xiàn)為籽仁＞葉＞果殼＞莖＞根,而15N 積累量基本分配規(guī)律表現(xiàn)為籽仁＞葉＞莖＞果殼＞根。氮素積累量與15N積累量的分配規(guī)律不同,可能與花生植株不同器官干物重存在較大差異有關(guān)。本研究中,不同施氮量條件下,15N 在各花生器官積累量隨著施氮量增加而增加,N2 增加了15N 在籽仁中的分配比例,降低了莖和葉中的15N分配比例,促進(jìn)氮素由營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn),同時(shí)提高了15N 在籽仁中的積累量。徐聰?shù)萚19]研究發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)增加施氮量能增加甘薯肥料氮的轉(zhuǎn)運(yùn)量,但過(guò)量施氮可能不利于氮素向塊根的轉(zhuǎn)移[19];對(duì)小麥的研究也表明,施氮可以顯著促進(jìn)氮素在籽粒中累積[24],上述研究與本研究結(jié)果相同,表明適量的增施氮肥可增加氮素向生殖器官的轉(zhuǎn)運(yùn),過(guò)量施氮效應(yīng)不顯著。但水稻和大豆中的研究發(fā)現(xiàn)增加施氮量降低了15N 在籽粒中的分配比例,提高了莖葉中15N 的分配比例[25-26]。與本研究結(jié)論不一致,這可能與作物種類、施氮類型和施氮時(shí)期等因素相關(guān)。

花生的氮肥利用率在一定范圍內(nèi)均隨著施氮量增加而增加,但施氮量達(dá)到一定水平時(shí)反而下降[27-28]。李燦東等[29]研究表明,低施氮量條件下大豆植株氮素利用率較高,高施氮量條件下大豆植株氮素利用率逐漸降低,過(guò)高的施氮量會(huì)嚴(yán)重影響大豆植株對(duì)氮素的吸收,這與本研究結(jié)果相同。本研究中,N2 氮肥利用率最高,較N1、N3 和N4 分別提高22.77%、17.56%和28.13%。與其他施氮處理相比,N2 的花生產(chǎn)量、氮素積累量及氮肥利用率均較高。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,同一施氮量條件下,花生不同器官15N 積累量表現(xiàn)為籽仁＞葉＞莖＞果殼＞根;不同施氮量條件下,15N 在各器官的積累量均隨著施氮量增加而增加。施氮量為90 kg·hm-2時(shí)花生干物質(zhì)積累量和氮素積累量最高,增加15N 在籽仁中的分配比例,促進(jìn)氮素由營(yíng)養(yǎng)器官向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn),在此施氮量條件下氮肥利用率較高。一元二次方程模擬結(jié)果表明,77.19 kg·hm-2的氮肥施用量為花生產(chǎn)量最高的最適施用量。