氮肥對粳性和糯性糜子干物質(zhì)積累和產(chǎn)量性狀及氮肥利用效率的影響

張 磊 何繼紅 董孔軍 任瑞玉 劉天鵬 楊天育

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

糜子(PanicummiliaceumL.)是我國干旱地區(qū)重要的雜糧作物之一，具有耐瘠薄、耐旱、適應(yīng)性強(qiáng)和生育期短等優(yōu)勢，是自然災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的主要救災(zāi)作物，常年播種面積約80萬公傾，在農(nóng)業(yè)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有重要作用[1-2]。糜子籽粒中富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、淀粉和多種微量元素，是21世紀(jì)新型藥食同源的雜糧作物。根據(jù)直鏈淀粉含量，糜子可以分為粳性和糯性，直鏈淀粉含量介于4.5%～12.7%之間為粳性，低于3.7%為糯性[2]。

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在提升糜子產(chǎn)量方面的主要農(nóng)業(yè)栽培措施有間作、覆膜、密度、水肥調(diào)控等[3-6]。其中，水肥調(diào)控是提高作物產(chǎn)量的主要栽培措施之一[7-8]。我國是氮肥消耗大國，施氮肥雖然對作物產(chǎn)量有所提高，但過量盲目施用會造成資源浪費、土壤理化性狀惡化以及生態(tài)環(huán)境遭受破壞，同時也會導(dǎo)致氮素利用效率下降和土壤中元素失衡，從而加劇環(huán)境污染[9-11]。因此，氮肥的科學(xué)施用對于氮素的高效利用、挖掘干旱農(nóng)業(yè)區(qū)耕地潛力以及糜子綠色高效生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義。氮肥能夠增強(qiáng)作物光合作用，促進(jìn)源器官(葉片)同化物的生成，提高養(yǎng)分的吸收與轉(zhuǎn)運，延長開花后期籽粒灌漿時間，提升作物單產(chǎn)能力，從而提高作物產(chǎn)量[12-13]。羅世武等[8]研究表明，不同糜子品種的干物質(zhì)積累對氮肥施加的響應(yīng)不一致，但均顯著提高了糜子的產(chǎn)量。郭曉紅等[14]指出，前氮后移不僅可以滿足鹽堿地水稻對養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)養(yǎng)分積累，還可以提高水稻的穗數(shù)和穗粒數(shù)，進(jìn)而顯著提高水稻產(chǎn)量。合理配施氮肥不僅可以保證作物產(chǎn)量，還能夠有效提高植株氮素的轉(zhuǎn)運率，進(jìn)而提高氮肥利用率[15]。魏淑麗等[16]和王君杰等[17]研究表明，適宜的減氮增密可以促進(jìn)作物花后物質(zhì)積累，增強(qiáng)氮素的合成和積累。

目前，關(guān)于施氮量對作物干物質(zhì)積累以及氮素利用的研究很普遍，但針對西北旱區(qū)條件下不同粳糯性糜子的物質(zhì)積累、產(chǎn)量形成及氮素利用效率對氮肥運籌的響應(yīng)缺少系統(tǒng)的研究。本試驗通過研究不同供氮水平對不同粳糯性糜子的干物質(zhì)積累、產(chǎn)量和氮素利用效率的影響，旨在揭示不同氮素施用量下不同粳糯性糜子的物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量形成和氮素利用效率變化規(guī)律，進(jìn)而選擇最適宜的氮肥用量，在實踐生產(chǎn)中為西北地區(qū)種植不同粳糯性糜子提供一定的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017―2018年在甘肅省白銀市會寧縣中川鄉(xiāng)王河村會寧試驗站(35°40′N，105°06′E，海拔1 800.5 m)進(jìn)行。該地區(qū)年均氣溫8.7℃，年均日照時數(shù)2 525.5 h，無霜期132 d。供試土壤為黃綿土，地勢平坦，肥力均勻。播種前試驗田土壤基本養(yǎng)分含量見表1。

表1 供試田0～20 cm土壤基本化學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physical-chemical properties of experiment field (0 to 20 cm)

1.2 試驗材料

供試糜子品種為甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所雜糧研究室選育的粳性品種隴糜13號和糯性品種隴糜14號。

1.3 試驗設(shè)計

各處理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心技術(shù)人員確立的最佳施肥量施入磷肥和鉀肥，全部基施。磷肥選用重過磷酸鈣(P2O5，46%)，施入量為P2O570 kg·hm-2；鉀肥選用硫酸鉀(含K2O 50%)，施入量為K2O 90 kg·hm-2。種植密度為7.50×105株·hm-2，人工條播，播深3 cm。苗期人工除田間雜草。糜子生長期間，所有處理均未進(jìn)行灌溉。其他管理方式同一般大田。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 干物質(zhì)積累與分配 于糜子的開花期和成熟期，每小區(qū)選取生長一致且具有代表性的10株樣品，將樣品分為莖稈、葉片、莖鞘和穗，于恒溫箱中105℃殺青30 min，而后于80℃烘干至恒重并稱重。

1.4.2 氮素利用率 將成熟期糜子的干物質(zhì)粉碎后過10目篩，采用H2SO4-H2O2消煮和凱氏定氮法測定樣品氮含量(濃度)[18]。根據(jù)公式計算各氮素利用指標(biāo)：

氮素積累量(nitrogen accumulation，NA)=植株干物質(zhì)重×植株全氮含量

(1)

氮素利用效率(nitrogen utilization efficiency，NUE)=籽粒產(chǎn)量/地上部氮素積累量

(2)

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率(nitrogen agronomic efficiency，NAE)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/未施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/氮肥施用量

(3)

氮肥偏生產(chǎn)力(nitrogen partial factor productivity，NPFP)=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/氮肥施用量

(4)

氮肥表觀利用率(nitrogen apparent recovery efficiency，NARE)=(氮區(qū)地上部氮素積累量-未施氮區(qū)地上部氮素積累量)/氮肥施用量×100%

(5)。

1.4.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 于糜子的成熟期，每小區(qū)取10株樣品進(jìn)行考種，測定每株樣品的單株粒重、穗長、株高、莖粗和千粒重，計算其平均值。另外，將每小區(qū)中糜子的有效穗數(shù)全部收回，曬干后測產(chǎn)，根據(jù)小區(qū)面積折算成公頃產(chǎn)量。

“做好食品安全工作不僅僅是監(jiān)管，更應(yīng)該是服務(wù)”。本著這一理念，工作中全科上下擰成一股勁，以“監(jiān)管+服務(wù)”為原則，以“著力改善發(fā)展環(huán)境”為目標(biāo)，大力推進(jìn)商標(biāo)名牌戰(zhàn)略，進(jìn)一步鼓勵、支持、培育一批具備市場競爭力和靜海特色的“新生代品牌”，促進(jìn)食品行業(yè)整體發(fā)展水平的提高。通過培育發(fā)展，“陳官屯冬菜”成功獲批國家地理標(biāo)志產(chǎn)品，靜海區(qū)炒貨行業(yè)已擁有“岳城”等市級著名商標(biāo)5件。同時，通過實施“明廚亮灶”，讓“舌尖上的安全”看得見，“量化分級”使“笑臉”走上百姓餐桌，“嚴(yán)格評創(chuàng)”完善餐飲監(jiān)管長效治理機(jī)制，努力為消費者營造出“誠信經(jīng)營、放心消費”的餐飲消費環(huán)境。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010軟件分析數(shù)據(jù)和SPSS軟件(v19.0，IBM Corporation，USA)進(jìn)行方差分析(ANOVA)和皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析，采用LSD法進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對粳糯糜子株高的影響

由圖1可知，隨著施氮水平的逐漸增加，隴糜13號和隴糜14號的株高均呈先增加后降低的趨勢，在90 kg N·hm-2條件下(N2)達(dá)到最高。2017年，與未施氮處理(CK)相比，隴糜13號N1、N2和N3的株高分別增加3.06%、11.08%和6.70%，隴糜14號N1、N2和N3的株高分別增加1.02%、9.47%和6.17%，可見施用氮肥對隴糜13號株高的促進(jìn)作用優(yōu)于隴糜14號。2018年的變化趨勢與2017年基本一致。

注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different lowercase letters in the figure indicate significant difference at 0.05 level among treatments.The same as following．圖1 不同供氮水平對糜子株高的影響Fig.1 Effect of different N fertilizer levels on the plant height in broomcorn millet

2.2 不同施氮量對粳糯糜子干物質(zhì)積累與分配的影響

由圖2可知，隨著施氮水平的增加，參試糜子品種的地上部干物質(zhì)積累量呈單峰曲線變化，2個糜子品種的干物質(zhì)積累量均于N2達(dá)到最高值。2017年，與CK相比，成熟期隴糜13號N1、N2和N3的干物質(zhì)積累量分別增加13.19%、43.14%和30.16%，且3個施肥處理均顯著高于CK(P<0.05)，但在2018年，僅N2和N3的干物質(zhì)積累量顯著高于CK；2017年成熟期隴糜14號N1、N2和N3的干物質(zhì)積累量分別顯著增加7.66%、29.83%和18.29%(P<0.05)，2018年N1成熟期的干物質(zhì)積累量與CK之間差異不顯著(P>0.05)。可知，與隴糜14號相比，施氮對隴糜13號物質(zhì)形成的促進(jìn)效果更好。

圖2 不同供氮水平對糜子干物質(zhì)積累的影響Fig.2 Effect of different N fertilizer levels on the dry matter accumulation in broomcorn millet

由表2可知，在不同供氮水平下，參試糜子品種的各器官均對氮肥的施用產(chǎn)生了不同的響應(yīng)。2017年，隴糜13號在成熟期，與CK相比，N1、N2和N3的莖稈重量分別提高31.81%、61.15%和57.49%，穗重分別增加6.74%、31.24%和19.88%；而隴糜14號在成熟期的莖稈重量分別較CK增加7.46%、42.14%和24.50%，穗重分別增加7.23%、19.58%和16.15%；同時發(fā)現(xiàn)，除隴糜14號N2外，施肥處理的糜子穗重均顯著高于CK(P<0.05)，且隴糜13號N2與N3的穗重增幅明顯高于隴糜14號。2018年，在2個糜子品種的成熟期，施肥處理的穗重均顯著高于CK(P<0.05)，但隴糜14號N2與N3之間的穗重差異不顯著(P>0.05)。

表2 糜子各器官干物質(zhì)積累對不同供氮水平的響應(yīng)Table 2 Response of dry matter accumulation in different organs of broomcorn millet to different N fertilizer levels /(g/株)

2.3 對粳糯糜子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表3可知，隨著施肥量的逐漸增加，2個糜子品種的產(chǎn)量均呈先增加后降低趨勢。2017和2018年，隴糜13號和隴糜14號N1的穗長和莖粗均較CK增加，且2018年隴糜14號N1的莖粗顯著高于CK；N2和N3的穗長和莖粗均不同程度高于CK，但是品種與處理之間的交互作用對穗長和莖粗無顯著影響。2017年，與CK相比，隴糜13號和隴糜14號N1的千粒重分別增加2.59%和1.41%，2018年千粒重分別增加3.06%和2.34%，但處理之間差異不顯著(P>0.05)。除了2018年的隴糜14號，2個糜子品種N2和N3的千粒重均顯著高于CK(P<0.05)。對于產(chǎn)量而言，2017和2018年，隴糜13號N2的產(chǎn)量分別較CK顯著增加23.98%和16.91%；與CK相比，隴糜14號N2的產(chǎn)量分別顯著增加19.06%和15.16%，且N2與N3之間差異不顯著(P>0.05)，由此可知，施加氮肥對隴糜13號的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的提升效果優(yōu)于隴糜14號，且在相同施氮水平下，隴糜13號的產(chǎn)量高于隴糜14號。方差分析顯示，不同年際、品種和處理對產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

2.4 不同施氮量對粳糯糜子氮素利用效率的影響

由表4可知，隨著施氮量的不斷增加，2017和2018年2個糜子品種的氮素積累量均呈先增加后降低趨勢，在N2達(dá)到峰值。2017年，隴糜13號N2的氮素積累量較CK增加149.20%；隴糜14號N2的氮素積累量較CK增加61.20%，且均顯著高于CK(P<0.05)。兩年數(shù)據(jù)顯示，隨著施氮量的增加，隴糜13號和隴糜14號的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥表觀利用率呈單峰曲線變化，均在N2達(dá)到峰值。同時，2個糜子品種的氮肥偏生產(chǎn)力均隨著施氮量的增加呈逐漸降低趨勢。在N2水平下，2個糜子品種的氮素利用效率均低于CK。方差分析顯示，年際對氮素積累量、氮素利用效率和氮肥農(nóng)學(xué)利用效率無顯著影響(P>0.05)，而除了氮素利用效率以外，品種對其余指標(biāo)有極顯著影響(P<0.01)。

表4 不同供氮水平對糜子氮素利用效率的影響Table 4 Effect of different N fertilizer levels on the nitrogen utilization efficiency in broomcorn millet

2.5 粳糯糜子產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量構(gòu)成因素、氮素利用率的相關(guān)性

由表5、表6可知，產(chǎn)量與千粒重、單株粒重、穗長、株高、莖粗、干物質(zhì)積累量均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，其中與千粒重的相關(guān)性最高，達(dá)到0.865。同時，產(chǎn)量與氮素積累量、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率呈極顯著正相關(guān)，與氮肥表觀利用率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，而與氮素利用效率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表5 產(chǎn)量與農(nóng)學(xué)性狀及產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of yield with agronomic characters and yield components

表6 產(chǎn)量與氮素利用效率的相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of yield with nitrogen use efficiency

3 討論

3.1 不同供氮水平對粳糯糜子干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的影響

一般情況下，作物各營養(yǎng)器官的輸出能力、同化物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運被認(rèn)為是作物產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素，其受溫度、光照、水分和養(yǎng)分等各種因素的綜合影響[19]。同時，干物質(zhì)的積累程度也決定了作物產(chǎn)量的高低。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，合理的肥力管理能夠有效調(diào)控作物的物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運，是高產(chǎn)形成的關(guān)鍵舉措，其中氮肥是最主要的營養(yǎng)限制元素[20]。張磊等[21]研究表明，當(dāng)施氮量達(dá)到210 kg·hm-2時，可顯著促進(jìn)玉米各器官的干物質(zhì)積累，也增加了玉米花后各器官同化物向籽粒的轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運率以及對籽粒的貢獻(xiàn)率。也有研究學(xué)者認(rèn)為，適當(dāng)?shù)乃蜀詈夏Ｊ娇筛纳谱魑锶~片的生理特性，有利于提高葉片中光合作用和1,5-二磷酸核酮糖(ribulose-1,5-bisphosphate,RuBP)羧化酶活性，延緩生育后期葉片的衰老速度，進(jìn)而增加作物干物質(zhì)積累速率，最終提高作物籽粒“庫”對同化物的競爭能力[22-23]。本研究結(jié)果表明，不同施肥量處理均不同程度地提高了糜子地上部各器官的干物質(zhì)積累量，這與薛軻尹等[24]對小麥的研究結(jié)果一致；且進(jìn)一步研究表明，90 kg·hm-2處理不同程度地促進(jìn)了糜子莖稈、葉片、莖鞘和穗的干物質(zhì)積累，說明適當(dāng)?shù)墓┑娇梢愿纳泼幼拥纳L情況，提高各器官中同化物向籽?！皫臁钡霓D(zhuǎn)運。同時，與隴糜14號相比，氮肥施加處理優(yōu)化了隴糜13號的物質(zhì)轉(zhuǎn)運能力，提高了其干物質(zhì)積累量。產(chǎn)量與穗粒數(shù)、單位面積穗數(shù)和穗重等各因素緊密相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，施用氮肥可以改善粳性和糯性糜子的株高、穗長和莖粗等農(nóng)藝性狀，也提高了糜子的穗粒數(shù)、粒重和千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。由相關(guān)性分析可知，糜子的干物質(zhì)積累、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因素均與產(chǎn)量達(dá)到顯著或極顯著正相關(guān)水平。兩品種之間相比，氮肥用量為90 kg·hm-2情況下，提升隴糜13號株高、干物質(zhì)積累及產(chǎn)量的效果更佳，可見與糯性糜子相比，適當(dāng)?shù)牡适┯昧靠梢源龠M(jìn)粳性糜子的地上部生物量，進(jìn)而提高產(chǎn)量，這與前人在小麥[25]和谷子[26]等作物上的研究結(jié)果相似，說明合理的施氮量有利于保證“流”的暢通和協(xié)調(diào)源庫比例，增強(qiáng)籽?！皫臁钡娘枬M度，進(jìn)而促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高。

3.2 不同供氮水平對粳糯糜子氮素利用率的影響

氮素積累對作物籽粒形成至關(guān)重要。在作物的營養(yǎng)生長期合理應(yīng)用氮肥可以增加生育后期籽粒中同化物和氮素含量，不僅可以提高作物對氮素的利用，也可為后期產(chǎn)量的提高奠定基礎(chǔ)。王斌等[27]對藜麥的研究表明，施用氮肥能夠促進(jìn)藜麥植株中氮素積累，但是較低的氮肥用量對氮素積累的作用效果不明顯。崔俊講等[28]研究了不同氮肥施用量對小麥的影響，認(rèn)為隨著施氮量的增加，小麥的氮素積累量呈單峰曲線變化，在施氮量為240 kg·hm-2時達(dá)到最高值。本研究與前人的研究結(jié)果基本一致，在90 kg·hm-2施氮量條件下，不同粳糯性糜子的氮素積累量提升效果最顯著，且兩年數(shù)據(jù)表明粳性糜子隴糜13號在中氮水平下的氮素積累量顯著高于糯性糜子隴糜14號(P<0.05)。另外，本研究結(jié)果表明，不同粳糯性糜子的氮肥偏生產(chǎn)力隨著施氮量的增加呈降低趨勢，這與劉鵬等[29]的研究結(jié)果一致；且與施氮量為135 kg·hm-2相比，合理施氮量(90 kg·hm-2)處理的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥表觀利用率均有所增加，表明過量的施用氮肥不僅不利于獲得高產(chǎn)，其作物的氮素利用效率也明顯降低，還會不同程度地影響作物品質(zhì)，并對環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅[30-31]。因此合理的利用氮肥可以充分促進(jìn)糜子對氮素的吸收與利用，發(fā)揮糜子供氮和庫容潛力，形成良好的源庫平衡，提高糜子產(chǎn)量，提高氮素利用率，最終實現(xiàn)不同粳糯性糜子的優(yōu)質(zhì)、高效和高產(chǎn)以及環(huán)境友好的目標(biāo)[32]。

4 結(jié)論

合理施用氮肥可以促進(jìn)不同粳糯性糜子開花期和成熟期地上部干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運，提高糜子產(chǎn)量和氮素積累及利用水平。隨著氮肥施用量的增加，兩個糜子品種的氮肥偏生產(chǎn)力呈降低趨勢，而氮素利用效率呈先降低后增加趨勢；90 kg·hm-2施氮量與不施氮相比可以顯著提高粳糯性糜子的氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥表觀利用率。同時，施加氮肥對粳性糜子隴糜13號的調(diào)控效應(yīng)優(yōu)于糯性糜子隴糜14號。綜合分析可知，本研究條件下甘肅省會寧地區(qū)糜子的推薦氮肥施用量為90 kg·hm-2，對西北地區(qū)種植不同粳糯性糜子具有生產(chǎn)指導(dǎo)意義。