南方丘陵區(qū)施肥量與2種決明生長性能關系分析

鐘珍梅,楊 慶,翁伯琦* ,李春燕

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,福建 福州 350013;2.河北省農(nóng)林科學院糧油作物研究所,河北 石家莊 050035;3.福建省山地草業(yè)工程技術(shù)研究中心,福建 福州 350003)

綠肥作為我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精髓,其在改良土壤,提高土壤肥力等方面發(fā)揮著重要的作用。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中,綠肥作為一種農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)被廣泛推廣應用[1-2],綠肥的研究也成為當前的熱點之一。豆科綠肥具有生物固氮功能,其30%～40%以上的氮來自根瘤的固氮作用[3-4],因此豆科綠肥的需肥特性與非豆科綠肥存在明顯差異[5]。農(nóng)業(yè)土壤具有顯著的區(qū)域特性,不同區(qū)域不同豆科綠肥的需肥特性也可能存在差異,因此,開展不同區(qū)域不同豆科綠肥需肥特性研究,對綠肥的標準化栽培和推廣應用具有重要的意義。

氮、磷、鉀肥是植物生長最重要的3大營養(yǎng)元素,其是與植物生長密切相關的重要限制因子。氮肥與植物營養(yǎng)生長密接相關,可促進豆科植物生長,增加生物量[6-8],但也有研究發(fā)現(xiàn),隨著施氮量的增加可導致豆科植物的生物量下降[9-10]。李強等研究發(fā)現(xiàn),氮添加會降低豆科草本植物根生物量,進而降低生物固氮率[11]。邱才飛等研究認為,花生(Arachishypogaea)根瘤生長量、根瘤大小及產(chǎn)量隨著施氮水平的增加呈先增后減的趨勢[12]。磷鉀肥被認為是和植物生長、品質(zhì)及生殖密切相關的營養(yǎng)元素,增施磷對大豆(GlycinemaxL)[13]和苕子(ViciasativaL)[14]有增產(chǎn)效果;也有研究認為,中低量磷肥有利于紫花苜蓿(Medicagosativa)和綠豆(Vignaradiata(L.) R.Wilczek)根瘤的形成,但過量施用磷肥會抑制根瘤活力,使豆科綠肥生長不良[15-16]。解亞鑫等研究表明,低磷條件下長臍紅豆(OrmosiabalansaeDrake)和猴耳環(huán)(Archidendronclypearia(Jack).Nielsen)幼苗的生長速率大于高磷,而荔枝葉紅豆(Ormosiasemicastrataf.litchifolia)則相反[9]。有研究表明,適量施用鉀肥可以顯著提高春箭筈豌豆(Viciasativa)的根系活力,促進根系結(jié)瘤并提高固氮率[17]。追施鉀肥能提高白三葉(Trifoliumrepens)和紫云英(Astragalussinicus)的產(chǎn)量[18]。高小莉等研究表明,單施P2O5150 kg·hm-2,K2O 100 kg·hm-2和配施P2O5150 kg·hm-2及K2O 50 kg·hm-2均顯著提高了春箭筈豌豆的株高、葉面積指數(shù)、光合速率、主根長、主根直徑、單株根瘤數(shù)和單株根瘤鮮重等,且以磷鉀肥混施處理效果最佳[19-20]。

圓葉決明(Chamaecristarotundifolia)和羽葉決明(Chamaecrastanictitans)是豆科決明屬植物,至20世紀80年代被引進中國后,在我國南方丘陵山地被廣泛應用于水土流失治理、地力提升和地表覆蓋等[21-22]。目前,關于決明的施肥效益研究大多集中在施氮肥對表觀性狀、氮素利用等的影響方面[23-24],關于磷鉀肥施用效果的研究及3種肥料同時作用對決明生長性能影響的研究鮮見報道。南方丘陵區(qū)紅壤的異質(zhì)性可能導致決明在該區(qū)域生長時需肥特性與原產(chǎn)地存在差異,因此有必要加強需肥特性的研究。本文通過開展氮、磷、鉀3種肥料施用后2種決明產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的變化,并運用回歸模型擬合2種決明生物量和農(nóng)藝性狀指標隨施肥量的變化規(guī)律,旨在為決明在南方丘陵山地的推廣應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為種植豆科決明10 a以上的山地紅壤。去掉5 cm的表層土后,采集20 cm以上的土壤,帶回實驗室過 1 cm篩風干備用。供試植物為圓葉決明和羽葉決明。供試肥料為尿素(CH4N2O)、過磷酸鈣(Ca(H2PO4)2·H2O)和氯化鉀(KCl)。

1.2 試驗設計

試驗在福建省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所網(wǎng)室內(nèi)進行,栽培用盆為規(guī)格25(h)×25 (φ)的塑料盆。本試驗設置15個處理,氮、磷和鉀肥分別為5個處理,每處理6重復,氮肥施用水平如表1所示,2種豆科綠肥,共180盆。將處理后的1 010 kg土與肥料混合均勻,裝盆,靜置2周后開始試驗。圓葉決明和羽葉決明的種子進行80℃熱水浸泡預處理3 min,再用清水反復沖洗干凈,晾干后與細沙混合均勻后撒播,覆3 cm土,待出苗長至3片真葉后間苗,每盆留大小一致的幼苗5株。試驗期間進行常規(guī)的水分管理和病蟲害防治工作。

1.3 測定項目

試驗結(jié)束后,采集2種決明綠肥植株地上部分和地下部分,洗凈后晾干。用常規(guī)方法測量結(jié)莢數(shù)(X1)、結(jié)瘤數(shù)(X2)、株高(X3)、根長(X4)、根干重(X5)和生物量(Y)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行方差分析和回歸分析,采用Microsoft Excel 2007進行數(shù)據(jù)匯總和制表,數(shù)據(jù)差異顯著水平P<0.05。2種決明生物量與農(nóng)藝性狀的通徑分析在SPSS19.0軟件中采用逐步線性回歸方法完成。直接通徑系數(shù)和相關系數(shù)由軟件計算所得,間接通徑系數(shù)和決策系數(shù)計算公式如下：

間接通徑系數(shù)Xij=Rij×Pjy

(1)

式中Rij為i和j的相關系數(shù),Pjy為j對y的直接通徑系數(shù);

(2)

式中Riy為i和y的相關系數(shù),Piy為i對y的直接通徑系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙因素方差分析

施肥量和2種豆科決明品種間農(nóng)藝性狀的雙因素差異性分析結(jié)果如表2所示。N,P,K施肥量、品種之間及施肥量和品種2因素的交互作用之間生物量和結(jié)瘤數(shù)的差異性均達顯著水平。施氮量、品種之間結(jié)莢數(shù)、根長和根干重的差異性也達到顯著水平,2因素的交互作用之間根長差異也顯著。施磷量、品種間及2因素的交互作用之間結(jié)莢數(shù)、株高和根干重的差異顯著。施鉀量、品種間及2因素的交互作用之間株高和根干重的差異顯著,品種之間結(jié)莢數(shù)和根長差異顯著。

表2 施肥量和2種豆科決明品種間農(nóng)藝性狀的雙因素方差Table 2 Two-factor ANOVA results of agronomic traits between fertilizer application and variety on two Chamaecrista spp

2.2 施肥對2種決明生物量及農(nóng)藝性狀的影響

施氮肥對2種決明生物量及農(nóng)藝性狀的影響如表3所示。對圓葉決明而言,N0處理根長最大,顯著高于N1,N2和N3的根長;N1處理生物量和結(jié)瘤數(shù)最大,顯著高于N0處理;N2處理圓葉決明的株高最大,顯著高于N0,N3和N4處理,但生物量和結(jié)瘤數(shù)較N1顯著降低;N3處理的根長和根干重較N0顯著降低,N4處理的根干重較N0顯著降低,N3和N4處理的生物量、根干重和結(jié)瘤數(shù)也較N1顯著降低;其中N4處理的生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)最低。對羽葉決明而言,N0處理的生物量和結(jié)瘤數(shù)最大,顯著高于N4處理;N1處理的株高最大,顯著高于N3和N4處理,與N0差異不顯著;N2處理結(jié)莢數(shù)最大,前者顯著高于N4處理,但與N0差異均不顯著;N3處理株高和根長最小,N4處理的生物量、根干重、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)最小。

施磷肥對2種決明生物量和農(nóng)藝性狀的影響如表3所示。對圓葉決明而言,P1處理圓葉決明生物量、根干重、結(jié)莢數(shù)、結(jié)瘤數(shù)最大,較P0顯著增加;P2處理的株高最大,顯著高于其它處理,但生物量、根干重、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)的值降低,顯著低于P1處理;P3處理的生物量和農(nóng)藝性狀指標值繼續(xù)降低,但與P0差異不顯著,顯著低于P1;P4處理的生物量和農(nóng)藝性狀指標值最低,與P0差異不顯著,顯著低于P1。對羽葉決明而言,P0處理羽葉決明生物量、根長、結(jié)莢數(shù)最大,2者均顯著高于P3和P4處理,和P1及P2處理之間差異不顯著;P1處理的生物量和農(nóng)藝性狀指標值與P0差異均不顯著;P2處理羽葉決明的根干重和結(jié)瘤數(shù)最大,顯著高于P0;P3處理的生物量和農(nóng)藝性狀指標值降低,其中生物量顯著低于P0,結(jié)莢數(shù)顯著低于P0、P1和P2,結(jié)瘤數(shù)顯著低于P2,但根干重顯著高于P0;P4處理的結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)最低,結(jié)莢數(shù)顯著低于P0,P1和P2,結(jié)瘤數(shù)顯著低于P2,生物量也顯著低于P0。

施鉀肥對2種決明生物量和農(nóng)藝性狀的影響如表3所示。對圓葉決明而言,K1處理圓葉決明的生物量最大,顯著高于其它處理;施鉀肥增加圓葉決明的株高,且K2,K3處理與K0達到顯著水平;施鉀肥對圓葉決明的根長、根重無顯著影響,提高了圓葉決明的結(jié)莢數(shù),且K1～K3處理的結(jié)莢數(shù)與K0達顯著水平;低鉀處理提高了圓葉決明的結(jié)瘤數(shù),其中K2和K3處理的結(jié)瘤數(shù)與對照K0達顯著水平。對羽葉決明而言,K3處理羽葉決明的生物量最大,顯著高于K0處理,與K1、K2和K4處理之間差異不顯著;施鉀肥對羽葉決明的株高、根長無顯著影響;提高了羽葉決明的根干重,且K2和K3處理圓葉決明的根干重與K0之間達顯著水平;施鉀肥對羽葉決明的結(jié)莢數(shù)無顯著影響,提高了羽葉決明的結(jié)數(shù),其中K1～K3處理的結(jié)瘤數(shù)與K0達顯著水平。

2.3 施肥量與2種決明生物量及農(nóng)藝性狀的回歸分析

生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)分別反應了植物的生長效率、生殖性能和固氮能力。2種決明綠肥生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)隨肥料施用量變化的回歸模型如圖1所示。氮肥施用量與圓葉決明的生物量和結(jié)瘤數(shù)可用3次方程擬合(R2=0.759,0.931;P=0.001,0.002<0.05),與結(jié)莢數(shù)可用二次方程擬合(R2=0.992;P=0.002<0.05)。氮肥施用量與羽葉決明結(jié)莢數(shù)可用2次方程擬合(R2=0.872;P=0.009<0.05),與生物量、結(jié)瘤數(shù)可用線性模型擬合(R2=0.924,0.817;P=0.001,0.000<0.05),表現(xiàn)為負線性相關。磷肥施用量與圓葉決明的生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)均可用3次方程擬合(R2=0.974,0.982,0.987;P=0.006,0.006,0.0029<0.05)。磷肥施用量與羽葉決明結(jié)莢數(shù)可用3次方程擬合(R2=0.729;P=0.032<0.05),與生物量可用2次函數(shù)模型擬合(R2=0.839;P=0.003<0.05),與結(jié)瘤數(shù)的擬合方程無統(tǒng)計學意義(R2=0.546,P=0.931>0.05)。鉀肥施用量與圓葉決明的生物量和結(jié)瘤數(shù)均可用3次方程擬合(R2=0.760,0.999;P=0.049,0.041<0.05),與結(jié)莢數(shù)的3次擬合方程R2=0.578,P=0.765>0.05,無統(tǒng)計學意義。鉀肥施用量與羽葉決明生物量和結(jié)瘤數(shù)可用3次方程擬合(R2=0.794,0.926;P=0.021,0.046<0.05),與結(jié)莢數(shù)的擬合模型無統(tǒng)計學意義(R2=0.161;P=0.971>0.05)。

圖1 施肥量與2種豆科決明生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)的回歸分析Fig.1 Regression analysis of fertilizer application with biomass,pod number and nodule number of twoChamaecrista spp.注：圖中y分別為表格中對應的指標,x為施肥量,圖A,C,E為圓葉決明,圖B,D,F為羽葉決明Note：y is the corresponding index in the figure,and x is the fertilizer application,fig A,C,E indicates C. rotundifolia,fig B,D,F indicates C. nictitans

2.4 PCA分析

將不同施肥量下2種豆科決明生物量、結(jié)莢數(shù)、結(jié)瘤數(shù)、株高、根長和根干重等指標進行主成份分析(Principal component analysis,PCA),結(jié)果如圖2所示。左圖Pc1解釋了不同處理圓葉決明綜合性狀表現(xiàn)80.70%的差異,Pc2解釋10.16%的差異,2者對圓葉決明綜合性狀表現(xiàn)差異的貢獻率達90.86%;右圖Pc1解釋了不同處理羽葉決明綜合性狀表現(xiàn)65.32%的差異,Pc2解釋20.76%的差異,2者對羽葉決明綜合性狀表現(xiàn)差異的貢獻率達86.08%。圓葉決明的綜合生長指標均位于PCA圖的右側(cè),而N1,K2,P3,P1,K1和K3也位于右側(cè),表明這幾個處理的綜合農(nóng)藝性狀較好。其余處理位于象限圖的左側(cè),且P4,N4,P0和K0處理綜合性狀的相似度較高,N0,N3,K4和P2處理的相似度較高。羽葉決明的綜合性狀指標均位于象限圖的左側(cè),N0,N1,N2,P1,P2,K0,K1,K2和K3也位于左側(cè),表明這些處理的綜合農(nóng)藝性狀較佳,其中N0,N1,N2,P2,K1,K2和K3的綜合性狀表現(xiàn)相似度高。

圖2 2種豆科植物生物量與農(nóng)藝性狀指標的PCA圖Fig.2 Principal Component Analysis (PCA) of two Chamaecrista spp between Biomass and agronomic traits注：樣品的相關性越強,樣品之間距離越近,指標相關性越強,指標之間的夾角越小Note：The more similar in the relationship of samplings,the closer between their distances.The more similar in the relationship of indexes,the smaller between the angles

2.5 2種決明生物量與農(nóng)藝性狀的通徑分析

對不同施肥模式下2種綠肥的生物量和農(nóng)藝性狀進行通徑分析,結(jié)果如表4,5和6所示。經(jīng)過逐步回歸分析,圓葉決明和羽葉決明的回歸方程R2分別為0.796和0.317,P=0.013和0.049<0.05,表明回歸方程具有統(tǒng)計學意義,回歸模型成立(表4)。與圓葉決明生物量具有線性關系的農(nóng)藝性狀有4個,分別為X1,X2,X4和X5(P=0.007,0.000,0.013,0.000<0.05),回歸方程為Y=61.16+0.121X1+0.209X2-1.669X4+6.351X5。與羽葉決明生物量具有線性關系的農(nóng)藝性狀有2個,分別為X1和X4(P=0.000,0.049<0.05),回歸模型為Y=110.38+0.151X1-2.02X4。

表4 逐步回歸模型和系數(shù)匯總Table 4 Summary of stepwise regression model and coefficient

決策系數(shù)為正表明該自變量增進因變量,反之則抑制因變量,且決策系數(shù)越大,效應越強。結(jié)瘤數(shù)與圓葉決明生物量線性關系最強,決策系數(shù)為0.480,其次為根重,結(jié)莢數(shù)第3,根長與生物量的關系為負效應(表5)。羽葉決明生物量與結(jié)莢數(shù)的線性關系為正,決策系數(shù)為0.245,與根長的關系為負,決策系數(shù)為-0.016(表6)。

表5 圓葉決明生物量與農(nóng)藝性狀的通徑系數(shù)和決策系數(shù)Table 5 Path coefficient and decision coefficient of biomass and agronomic traits of C. rotundifolia

表6 羽葉決明生物量與農(nóng)藝性狀的通徑系數(shù)和決策系數(shù)Table 6 Path coefficient and decision coefficient of biomass and agronomic traits of C. nictitans

3 討論

豆科植物通過生物固氮作用將大氣中的氮轉(zhuǎn)化為有機氮固定于植株體內(nèi),對植物氮積累和產(chǎn)量影響顯著[25]。本研究發(fā)現(xiàn)不同施氮量之間圓葉決明的生物量、結(jié)莢數(shù)、結(jié)瘤數(shù)、株高、根長和根干重等指標差異均顯著,圓葉決明的生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)隨著施氮量的增加呈先增后降的變化趨勢,在施氮肥36 kg·hm-2時達到最大值,表明在施等量磷鉀肥模式下,一定量的氮肥對圓葉決明的生長、生殖和固氮能力有促進作用,但隨著施氮量增加則表現(xiàn)為抑制作用,這與李強等[11-12,23]的研究結(jié)論一致。而施氮量與羽葉決明的生物量和結(jié)瘤數(shù)表現(xiàn)為負線性模關系,與圓葉決明品種間差異明顯。鄭永美等研究表明,根瘤菌結(jié)瘤數(shù)量與根瘤固氮積累量、供氮比例均呈正相關,根瘤數(shù)量能反應豆科植物的固氮水平[26]。羽葉決明的根瘤菌數(shù)量顯著多于圓葉決明(表2),這可能是導致羽葉決明對氮肥依賴性弱于圓葉決明的原因。磷是植物體內(nèi)能量傳遞和轉(zhuǎn)化的重要元素,可促進豆科植物根瘤形成,直接影響根瘤的固氮能力[26-27],磷肥被認為可以提高大豆的固氮能力,具有顯著的增產(chǎn)作用[19-20],能提高紫花苜蓿的產(chǎn)量[29]。本研究發(fā)現(xiàn),在施足量氮肥和鉀肥模式下,一定量的磷肥對圓葉決明的生長、生殖和固氮能力有促進作用,當磷肥施用量達96.00 kg·hm-2時,圓葉決明的生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)達到最大值(圖2),隨著施磷量增加則表現(xiàn)為抑制作用。磷肥施用量與羽葉決明生物量可用2次函數(shù)模型擬合,低磷處理和缺磷處理相比,羽葉決明的生物量沒有明顯變化,但當施磷超過一定量時,羽葉決明的生長被抑制。趙伯善等研究發(fā)現(xiàn)豆科對磷敏感僅發(fā)生在缺氮土壤上[30],本研究缺磷的處理,氮和鉀肥是充足的,因此這可能是導致增加一定量磷肥對羽葉決明促進作用不明顯的原因。于洋等研究也認為施磷肥對于大豆產(chǎn)量構(gòu)成因素影響沒有一定規(guī)律性[13],本研究也發(fā)現(xiàn),施磷肥條件下2種綠肥之間在生物量、結(jié)莢數(shù)、結(jié)瘤數(shù)、株高和根干重等方面種間差異明顯(表1),但施磷水平對羽葉決明結(jié)瘤數(shù)的影響不能用回歸模型擬合,表明磷肥施用量和結(jié)瘤數(shù)之間的關系復雜,需要進一步細化施磷水量以摸清磷肥對羽葉決明的影響規(guī)律。鉀素在植物體內(nèi)在植物體內(nèi)的作用主要有調(diào)節(jié)植物體內(nèi)陰陽離子平衡、細胞滲透壓和氣孔開閉,進而增強作物的抗性[31]。施用適量鉀肥,可提高箭筈豌豆根系活力、根瘤質(zhì)量和粗蛋白、粗脂肪、可溶性糖等含量,進而顯著增加產(chǎn)量并改善牧草品質(zhì)[19]。本研究發(fā)現(xiàn),在施足量氮肥和磷肥模式下,一定量的鉀肥對圓葉決明的生長、生殖和固氮能力有促進作用,當鉀肥施用量達60.00 kg·hm-2時,圓葉決明的生物量、結(jié)莢數(shù)和結(jié)瘤數(shù)達到最大值(圖3)。鉀肥對羽葉決明生長的影響同樣表現(xiàn)出低促高抑的效應,K1～K3處理之間均表現(xiàn)較高的生產(chǎn)能效,即高生物量、結(jié)瘤數(shù),表明羽葉決明對鉀有更高的耐受性。

圓葉決明的和羽葉決明是豆科決明屬的2種綠肥,3種施肥模式下羽葉決明的結(jié)瘤數(shù)顯著高于圓葉決明(表3),這是品種間差異造成的,此外品種間的差異還在體現(xiàn)在生物量和結(jié)莢數(shù)等方面。董春華等研究認為,羽葉決明較圓葉決明更能適應在干旱貧瘠的紅壤中生長及培肥[32]。本研究的結(jié)果表明,與圓葉決明相比,羽葉決明對氮素需求更少,在其它2種肥料充足條件下,不施P和K肥對其生物量和農(nóng)藝性狀指標會有小幅度降低,但綜合表現(xiàn)強于圓葉決明,對高磷和高鉀的耐受性也更強。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,低量N,P,K處理后2種決明的綜合性狀表現(xiàn)均佳,隨著施肥量增加,生物量和主要農(nóng)藝性狀指標降低,羽葉決明綜合性狀優(yōu)于圓葉決明。生物量與圓葉決明、羽葉決明農(nóng)藝性狀的回歸方程分別為Y=61.16+0.121X1+0.209X2-1.669X4+6.351X5和Y=110.38+0.151X1-2.02X4,決策系數(shù)從大到小的順序分別為“結(jié)瘤數(shù)>根干重>結(jié)莢數(shù)>根長”和“結(jié)莢數(shù)>根長”。在本試驗條件下,圓葉決明施肥處理以N1(36 kg·hm-2)、P1(96 kg·hm-2)和K1(60 kg·hm-2)較為理想;羽葉決明施肥處理以N0(0 kg·hm-2)、P1(96 kg·hm-2)和K1(60 kg·hm-2)較為理想。