王 靜,田永雷,慕宗杰,王永榮,白春利
(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031;2.伊金霍洛旗科學(xué)技術(shù)綜合服務(wù)中心,內(nèi)蒙古 伊金霍洛旗 017200)
燕麥?zhǔn)呛瘫究蒲帑湆僖荒晟荼局参?,由于具有營養(yǎng)價(jià)值高、適口性好和易青貯等優(yōu)點(diǎn),適合作為栽培飼草[1]。燕麥的品質(zhì)不僅由其自身的遺傳基因決定,也受外界環(huán)境的影響[2]。燕麥?zhǔn)窍驳魑铮鍪┑蕰?huì)提高燕麥的品質(zhì)[3]。氮肥的施用在飼用燕麥的高效栽培技術(shù)中起主導(dǎo)作用[4]。有研究表明,隨著施肥量的增加燕麥的營養(yǎng)品質(zhì)不斷增加[5]。張玉霞等[6]研究表明,隨著施氮量的增加,燕麥草品質(zhì)呈線性變化,并且燕麥草對(duì)氮肥的吸收效率和利用率均有不同程度的改變。也有研究表明,燕麥的品質(zhì)因?yàn)橥寥朗┑康牟煌瑫?huì)產(chǎn)生提高或降低的現(xiàn)象[4]。韓文元等[7]研究表明,飼用燕麥的粗蛋白含量在高施氮水平下顯著高于低施氮水平。超量供應(yīng)氮素會(huì)導(dǎo)致植物易感病蟲害,并且伴隨抗旱抗逆性下降[8]。植物對(duì)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收存在最適量,超量施肥不僅會(huì)抑制植物生長,而且會(huì)增加農(nóng)業(yè)成本,甚至對(duì)周圍環(huán)境造成污染[7]。
氮素積累、轉(zhuǎn)運(yùn)以及蛋白質(zhì)含量的提高是飼用燕麥品質(zhì)提升的關(guān)鍵。飼用燕麥有較高的蛋白質(zhì)含量,蛋白質(zhì)含量是畜牧產(chǎn)業(yè)中選擇優(yōu)質(zhì)牧草的重要指標(biāo)[9]。蛋白質(zhì)含量是氮素水平顯著影響燕麥品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo),蛋白質(zhì)是動(dòng)物的重要營養(yǎng)素[10-11],同時(shí),大多數(shù)相關(guān)研究表明氮素水平是影響纖維素長度和粗細(xì)的關(guān)鍵因素[12]。在動(dòng)物體內(nèi),通過微生物的發(fā)酵作用,纖維素被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸或合成糖原,作為動(dòng)物體葡萄糖來源之一,是粗飼料品質(zhì)的評(píng)定指標(biāo)[13],但是,纖維素含量過高會(huì)影響適口性[14]。因此,蛋白質(zhì)和纖維素含量是衡量飼用燕麥飼用價(jià)值的關(guān)鍵指標(biāo)。
內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用燕麥的生產(chǎn)總量和品質(zhì)位居我國前列,飼用燕麥種植面積占全國的35%~37%[7]。該地區(qū)的氣候特征也代表了典型北方草地,適宜牧草的生長。內(nèi)蒙古自治區(qū)擁有我國最大的畜牧產(chǎn)業(yè)體系,畜牧業(yè)的發(fā)展壯大對(duì)飼用燕麥有強(qiáng)烈的需求[15]。飼用燕麥的拔節(jié)期和抽穗期是生育快、生長量大、需水需肥最多的時(shí)期,氮肥在這兩個(gè)時(shí)期對(duì)植物生長起著關(guān)鍵作用,主要影響蛋白質(zhì)和纖維素這兩個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)的變化,然而氮肥對(duì)飼用燕麥蛋白質(zhì)和纖維素的影響尚未進(jìn)行過量化研究,因此,本研究通過分析施氮量對(duì)飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量的影響,為施氮措施精準(zhǔn)調(diào)控飼用燕麥品質(zhì)提供理論依據(jù),同時(shí)為栽培中減少氮素殘留對(duì)生態(tài)環(huán)境危害提供科學(xué)途徑。
試驗(yàn)樣地位于內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣(111°9'20″E,41°14'47″N),平均海拔1 680 m。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),年均降水量340.5 mm,80%集中在7—9 月,年均氣溫2.9 ℃,≥0 ℃有效年低積溫為2 570 ℃,無霜期108 d[16]。試驗(yàn)地土壤類型為栗鈣土,地勢(shì)平坦,地力均勻。
試驗(yàn)材料為飼用燕麥 (Avena sativa L.),品種名為“三星”,播種量為120 kg/hm2,條播行距20 cm,播深3~4 cm。
施肥采用大田小區(qū)的單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)小區(qū)面積4 m×6 m,每組3 個(gè)重復(fù),共計(jì)21 個(gè)小區(qū)。設(shè)置7 個(gè)施肥梯度,分別為0、175、200、225、250、275、300 kg/hm2(分別用N0、N175、N200、N225、N250、N275、N300 表示),分別于苗期、分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期追施氮肥用量的15%、35%、30%、20%,供試氮肥為尿素(氮含量為46%)。
拔節(jié)期和抽穗期時(shí),分別在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取5 點(diǎn)10 cm×10 cm 樣方,齊地面刈割樣方內(nèi)的地上植物封裝入袋,混成一個(gè)樣帶回實(shí)驗(yàn)室,并在該樣方內(nèi)取用土鉆采取0~10 cm、10~20 cm 和20~30 cm 土層土壤樣品,5 個(gè)點(diǎn)混合為1 個(gè)樣品,去除石礫和植物根系帶回實(shí)驗(yàn)室陰干備用。
土壤堿解氮(soil alkaline nitrogen)含量使用堿解擴(kuò)散法測(cè)定,在擴(kuò)散皿外室用堿性溶液水解土壤,將水解出的氨氣用硼酸溶液吸收,根據(jù)鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定時(shí)的消耗量計(jì)算土壤中堿解氮的含量[17]。分蘗數(shù)(number of tillers)在飼用燕麥的分蘗期,通過田間觀測(cè)計(jì)數(shù)測(cè)定。牧草含氮量和蛋白質(zhì)含量(crude protein,CP)用凱氏定氮法測(cè)定[18]。中性洗滌纖維(neutral detergent fiber,NDF),酸性洗滌纖維(acid detergent fiber,ADF)和半纖維素采用濾袋法測(cè)定[19]。
土壤相同土層的不同施氮量下的堿解氮含量和植物纖維素各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均采用單因素方差分析(One-Way ANOVA),若差異顯著則采用Duncan multiple-range test 法進(jìn)行多重比較,英文上標(biāo)表示顯著性。利用Pearson 法對(duì)飼用燕麥分蘗期觀測(cè)的分蘗數(shù)以及拔節(jié)期和抽穗期測(cè)定的蛋白質(zhì)、牧草含氮量、中性洗滌纖維含量、酸性洗滌纖維含量、半纖維素含量、施氮量和各土層堿解氮含量進(jìn)行相關(guān)性分析,P<0.05 為差異顯著,P<0.01 為差異極顯著。表格中試驗(yàn)數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”的形式表示。采用Polynomial-Quadratic 方程對(duì)土壤堿解氮含量與飼用燕麥蛋白質(zhì)和纖維素進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。
通過以下公示數(shù)據(jù)擬合土壤堿解氮與蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維含量間的定量關(guān)系:
Y=Y0+aX+bX2式中Y 表示蛋白質(zhì)含量或中性洗滌纖維含量;Y0表示方程擬合常數(shù),X 表示土壤堿解氮含量。
使用Excel 2016 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理,利用SPSS 20.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA),利用SigmaPlot 14.0軟件作圖。
由圖1 可以看出,在飼用燕麥的拔節(jié)期和抽穗期,隨著施氮量的增加,總體上土壤堿解氮含量呈增加趨勢(shì),說明高氮處理可以直接影響土壤堿解氮的含量??傮w上抽穗期比拔節(jié)期的各土層的堿解氮含量高,說明土壤堿解氮含量存在累積現(xiàn)象。
圖1 施氮水平影響下飼用燕麥兩個(gè)生長時(shí)期不同土層土壤堿解氮含量
拔節(jié)期不同土層的堿解氮在N0 處理下含量最低,在N300 處理下含量最高,N200~N275 處理間的堿解氮含量均無顯著差異(P<0.05)。0~10 cm土層,不施氮處理堿解氮的測(cè)定值為58.44 mg/kg,顯著(P<0.05)低于其他施氮水平,N300 處理下的土壤堿解氮含量顯著(P<0.05)高于其他處理,為83.62 mg/kg。10~20 cm 土層,N300 處理下的堿解氮含量是拔節(jié)期各土層不同施氮水平中最高,為98.56 mg/kg;N200~N275 處理的堿解氮含量間無顯著性(P>0.05)差異,為69.23~80.84 mg/kg;N175處理組的堿解氮含量為68.23 mg/kg,顯著 (P<0.05)低于N250 及以上水平;N0 處理組的堿解氮含量為52.37 mg/kg,顯著(P<0.05)低于其他處理。20~30cm 土層,N175、N200、N225、N250 之間的堿解氮含量無顯著差異,均顯著低于N300 處理組。總體來看,0~30 cm 土層的堿解氮含量為N0<N175 <N200 <N225 <N250 <N275,N300 處 理 顯 著(P<0.05)高于其他施氮水平。
抽穗期不同土層厚度的堿解氮在N0 處理下含量最低,在N300 處理下含量最高且與其他處理組差異顯著(P<0.05)。0~10 cm 土層,N175~N275五個(gè)處理組之間的堿解氮含量無顯著(P>0.05)差異,N175~N225 三個(gè)處理組的堿解氮含量與N0 無顯著(P>0.05)差異。10~20 cm 土層的N0~N275 六個(gè)處理間的堿解氮含量無顯著性(P>0.05)差異。20~30 cm 土層,隨著施氮水平的增加堿解氮含量增加,N225~N275 三個(gè)處理組之間的堿解氮含量無顯著(P>0.05)差異,N175~N225 三個(gè)處理組之間的堿解氮含量無顯著(P>0.05)差異,N175、N200處理組的堿解氮含量與N0 無顯著(P>0.05)差異。
由圖2 可知,氮肥用量影響了飼用燕麥的單株分蘗數(shù)的動(dòng)態(tài)變化。在飼用燕麥的分蘗期,隨著施氮水平的增加,植株分蘗數(shù)變化表現(xiàn)為“S”形曲線。與不施氮處理(N0 分蘗數(shù)中位數(shù)=5)相比,除N250 水平,不同施氮水平的飼用燕麥的單株分蘗數(shù)均增加。N175 水平分蘗數(shù)最大 (中位數(shù)=8),N250 水平分蘗數(shù)最?。ㄖ形粩?shù)=5)。
圖2 施氮水平影響下飼用燕麥的分蘗數(shù)
由圖3 可知,對(duì)飼用燕麥的不同施氮處理會(huì)影響植株的含氮量和蛋白質(zhì)含量。飼用燕麥兩個(gè)生長期的不同施氮水平的蛋白質(zhì)含量與含氮量總體趨勢(shì)相一致,均隨著施氮量的增加表現(xiàn)為先增加后降低。
圖3 施氮水平下飼用燕麥的蛋白質(zhì)含量和牧草含氮量
拔節(jié)期不施氮處理的含氮量和蛋白質(zhì)含量分別為1.35%和8.36%,在施氮水平為N225 時(shí)飼用燕麥的含氮量和蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大,分別為1.82%和11.35%,增幅為34.81%和35.77%;N225處理以后再增加氮肥,飼用燕麥的含氮量和蛋白質(zhì)含量均下降,蛋白質(zhì)含量為9.79~10.13%。抽穗期飼用燕麥的含氮量和蛋白質(zhì)含量在不施氮處理時(shí)依然最低,分別為1.69%和10.21%;隨著施氮水平的增加,蛋白質(zhì)含量在16.13%(N225)時(shí)達(dá)到最大值,增幅為57.98%,之后降低,N300 處理的含氮量和蛋白質(zhì)含量分別為2.06%和12.86%。不同施氮處理對(duì)飼用燕麥含氮量和蛋白質(zhì)含量的影響中,N225 為施氮水平影響飼用燕麥蛋白質(zhì)含量的臨界值,高施氮水平會(huì)抑制蛋白質(zhì)的積累。
由表1 可知,施氮水平會(huì)使飼用燕麥的纖維素指標(biāo)產(chǎn)生顯著性差異,拔節(jié)期和抽穗期的中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、半纖維素的含量總體呈先升高后降低的趨勢(shì)。飼用燕麥拔節(jié)期,N175 處理的中性洗滌纖維含量顯著(P<0.05)高于其他施氮水平,比不施氮處理高7.97 個(gè)百分點(diǎn),N275 和N300 處理的中性洗滌纖維含量顯著 (P<0.05)低于不施氮處理組;在抽穗期時(shí),N175、N200、N225、N250、N275 五個(gè)處理組的中性洗滌纖維含量與N0 組無顯著(P>0.05)差異,N300 的含量顯著(P<0.05)低于其他施氮水平。綜上說明,施氮量的增加會(huì)促進(jìn)飼用燕麥的纖維素進(jìn)一步積累,但高氮水平的處理會(huì)降低纖維素在植株中的含量。
由表2 和表3 的相關(guān)性分析可知,飼用燕麥生長的兩個(gè)時(shí)期,施氮量與各個(gè)土層堿解氮含量都具有顯著相關(guān)性,與堿解氮含量成正相關(guān)(P<0.05);施氮量還影響含氮量和蛋白質(zhì)含量,均成正相關(guān)(拔節(jié)期P<0.05,抽穗期P<0.01);飼用燕麥各個(gè)土層的堿解氮含量與中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、半纖維素間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,并且在拔節(jié)期的各土層與中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維呈極顯著相關(guān),在抽穗期各土層與中性洗滌纖維和半纖維素呈極顯著相關(guān)(P<0.01)。在拔節(jié)期0~10 cm土層的堿解氮含量與蛋白質(zhì)含量呈正相關(guān) (P<0.05)。綜上說明,施氮量的改變會(huì)直接影響土壤中堿解氮的含量,并直接或者間接地影響飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量。
表2 拔節(jié)期施氮水平影響下飼用燕麥土壤氮素含量與品質(zhì)的相關(guān)性
表3 抽穗期施氮水平影響下飼用燕麥土壤氮素含量與品質(zhì)的相關(guān)性
建立飼用燕麥土壤堿解氮與蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維含量的動(dòng)態(tài)關(guān)系圖(見圖4)和曲線擬合方程(見表4)。土壤堿解氮含量與飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量動(dòng)態(tài)擬合曲線方程的相關(guān)性系數(shù)皆達(dá)到了顯著(P=0.05)水平(見表4)。由圖4 可以看出,不同土壤堿解氮含量變化中存在最適值,使蛋白質(zhì)含量和纖維素含量達(dá)到協(xié)同最適值。拔節(jié)期,0~10、10~20、20~30 cm 的土層堿解氮分別為79.76、83.60、79.91 mg/kg 時(shí),蛋白質(zhì)和纖維素含量分 別 為 10.41% 、10.47% 、10.56% 和 49.40% 、49.96%、49.25%;抽穗期,0~10、10~20、20~30 cm的土層堿解氮分別為85.04、97.41、74.56 mg/kg 為時(shí),蛋白質(zhì)和纖維素含量分別為15.52%、16.32%、15.36%和51.38%、47.33%、51.32%。綜上分析,說明通過施氮量控制堿解氮的含量,實(shí)現(xiàn)調(diào)控飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量比例。
表4 不同土壤堿解氮含量影響蛋白質(zhì)含量和中性洗滌纖維的回歸方程
圖4 土壤堿解氮含量與飼用燕麥的蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維含量的線性擬合
土壤速效氮通常用堿解氮來表示,它包括無機(jī)氮和小分子有機(jī)氮,易于直接被植物吸收[20]。根據(jù)圖1 可以看出,在施氮水平遞增的前提下土壤堿解氮含量增加,極大地提高了土壤可利用氮素養(yǎng)分。抽穗期堿解氮含量高于拔節(jié)期,土壤堿解氮含量出現(xiàn)了累積現(xiàn)象,這可能是由于施氮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了飼用燕麥對(duì)氮素的利用閾值,過量的氮素殘留在土壤使堿解氮含量累積,導(dǎo)致植物-土壤系統(tǒng)中氮素冗余,隨施氮量的增加不斷升高[21]。這種現(xiàn)象造成肥料浪費(fèi)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生環(huán)境問題。因此,要減少土壤氮素殘留又保證飼用燕麥品質(zhì),必須合理施用氮肥,應(yīng)該控制氮肥施用比例。
在燕麥生產(chǎn)中,分蘗是一個(gè)重要產(chǎn)量組成部分的決定因素,這一過程主要取決于栽培技術(shù)[22]。本研究結(jié)果表明,除N250 施氮處理以外,施氮處理比不施氮處理分蘗數(shù)增加(見圖2),這可能是燕麥資源分配優(yōu)先于主莖,損害了分蘗,燕麥分蘗需要更多的氮素養(yǎng)分[23]。氮肥施用后改善了植株體內(nèi)的氮代謝和內(nèi)源激素水平,進(jìn)而有效地促進(jìn)了飼用燕麥分蘗的發(fā)生[24]。在N175 水平分蘗數(shù)達(dá)到峰值后降低,說明植物在達(dá)到分蘗發(fā)生的氮素臨界營養(yǎng)濃度后,施氮水平提升會(huì)在一定程度上抑制分蘗數(shù),這與趙浩波等的研究結(jié)果一致[25]。這可能是由于施氮在一定范圍內(nèi)增加能提高氮代謝酶的活性,一旦施氮量超過植物對(duì)氮素的耐受水平則會(huì)損害植物[26]。
飼用燕麥因高蛋白特性成為優(yōu)質(zhì)的飼料作物,富含多種蛋白質(zhì)的氨基酸組分位居飼料作物的首位[27]。本研究表明,在拔節(jié)期和抽穗期,與不施氮處理相比提高施氮水平促進(jìn)了飼用燕麥的含氮量和蛋白質(zhì)含量增加(見圖3),這與多數(shù)的研究結(jié)果一致[28]。但直接參與氨基酸、蛋白質(zhì)和其他細(xì)胞成分合成,這是植物生長和發(fā)育所必需的[29]。但是,本研究也發(fā)現(xiàn),飼用燕麥蛋白質(zhì)含量隨施氮水平增加的過程中存在峰值,在N225 施氮水平時(shí)蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大,隨后增加施氮量蛋白質(zhì)含量下降(見圖3),這可能是由于過量的氮肥添加讓土壤中NH4+離子或NH3富集,植物吸收后不能合成過量的氨基酸,使NH4+離子或NH3在細(xì)胞的液泡內(nèi)大量積累而毒害細(xì)胞,從而降低植物合成蛋白質(zhì)的含量[30]。
中性洗滌劑纖維是植物的纖維部分,由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成,低ADF 和NDF 以及高蛋白質(zhì)含量將更適合牲畜飼養(yǎng)[14]。本研究表明,中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、半纖維素含量在N175 時(shí)升高,之后隨施氮水平增加而降低(見表1),這可能是由于N175 水平前是低施氮量,適宜的施氮量可以影響酶活性和基因表達(dá),在生長季節(jié),較高的生長速率導(dǎo)致莖的纖維素積累,因此中性洗滌纖維含量增加[31]。隨著施氮量的增加,過高的施氮量激發(fā)了植物的反饋?zhàn)饔?,植物轉(zhuǎn)化碳來減少無機(jī)氮用于蛋白質(zhì)合成,而不是產(chǎn)生結(jié)構(gòu)碳水化合物合成纖維素[32]。中性洗滌纖維的濃度由于蛋白質(zhì)和其他可溶性內(nèi)容物的增加而降低,這些可溶性內(nèi)容物積聚在細(xì)胞中并導(dǎo)致細(xì)胞壁的稀釋[33]。
上述討論中,研究了施氮量對(duì)土壤堿解氮的影響及施氮量對(duì)飼用燕麥品質(zhì)關(guān)鍵指標(biāo)的調(diào)控,但在人工草地的建植中前茬的氮素殘留和種植時(shí)的施氮水平綜合影響了飼用燕麥品質(zhì)。根據(jù)相關(guān)性分析表明,施氮量的改變會(huì)直接影響土壤中堿解氮的含量,并直接或者間接地影響飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量(見圖3、表2、表3),這可能是由于土壤氮素養(yǎng)分可以調(diào)節(jié)植物中氮濃度,從而調(diào)控蛋白質(zhì)和纖維素的比例[34]。因此,本研究針對(duì)土壤中堿解氮與飼用燕麥的蛋白質(zhì)和中性洗滌纖維做了線性擬合方程(見圖4、表4),以期量化土壤氮素養(yǎng)分對(duì)飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量調(diào)控的規(guī)律。本研究結(jié)果表明,不同時(shí)期的飼用燕麥從不施氮到施氮后蛋白質(zhì)含量達(dá)到最大時(shí),飼用燕麥的中性洗滌纖維呈下降趨勢(shì),施氮量存在一個(gè)范圍可以讓飼用燕麥的蛋白質(zhì)含量和纖維素含量協(xié)同達(dá)到最適值。在拔節(jié)期和抽穗期施氮水平為N225~N275 范圍內(nèi)蛋白質(zhì)和纖維素達(dá)到協(xié)同最適值,此范圍中飼用燕麥的蛋白質(zhì)含量最高,中性洗滌纖維相對(duì)較低。有研究表明,用牧草中性洗滌纖維含量越少,在18%~25%范圍最佳,越有利于提高牲畜生長性能[35]。
施氮水平的差異會(huì)造成土壤堿解氮含量的改變,并且影響飼用燕麥的分蘗數(shù)、蛋白質(zhì)及纖維素各項(xiàng)指標(biāo)。施氮水平的提高會(huì)直接導(dǎo)致飼用燕麥種植過程中各土層土壤堿解氮含量的增加,土壤堿解氮存在累積現(xiàn)象。飼用燕麥的分蘗數(shù)受低氮素水平的促進(jìn),也會(huì)受到高氮素水平的抑制,在N175 施氮水平時(shí)分蘗數(shù)最大。飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量受到施氮量的直接或間接影響,隨施氮量的增加蛋白質(zhì)含量先增加,達(dá)到N225 水平后減少;纖維素含量在N175 水平達(dá)到峰值,隨后降低。施氮量與堿解氮含量和蛋白質(zhì)含量成正相關(guān),堿解氮含量與纖維素含量成負(fù)相關(guān)。根據(jù)土壤科學(xué)氮素養(yǎng)分含量曲線對(duì)應(yīng)的施氮水平,在N225~N275 范圍內(nèi),飼用燕麥的蛋白質(zhì)和纖維素含量達(dá)到協(xié)同最適值。