季節(jié)性氮磷配施提升環(huán)湖寒生羊茅生產(chǎn)性能

石正海，劉文輝，張永超，秦燕，米文博，羅峰，劉曼，起惠芳

（青海省青藏高原優(yōu)良牧草種質(zhì)資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院，青海 西寧 810016）

氮和磷是植物生長需要的營養(yǎng)元素，影響植物細(xì)胞的增殖、分化及各種代謝過程［1-2］。研究發(fā)現(xiàn)施用氮肥對(duì)植物分蘗［3］、株高［4］及葉片［5］發(fā)育具有積極影響。在玉米（Zea mays）［6］、小麥（Triticum aestivum）［7］和苜蓿（Medicago sativa）［8］等作物中已經(jīng)證實(shí)氮肥和磷肥能提升作物生產(chǎn)性能。隨著研究的深入，學(xué)者發(fā)現(xiàn)作物的養(yǎng)分需求存在季節(jié)差異。為解決土壤養(yǎng)分供應(yīng)與作物在不同生育階段對(duì)養(yǎng)分需求之間的矛盾，學(xué)者們提出“施肥時(shí)期”“指數(shù)施肥”等概念［9］。當(dāng)前，根據(jù)作物的物候期進(jìn)行播前基肥、拔節(jié)追肥和孕穗追肥等指數(shù)施肥模式為作物生產(chǎn)提供了較多參考［10］。對(duì)木本植物的研究還發(fā)現(xiàn)秋季施肥提升其生產(chǎn)性能。秋季施肥自20 世紀(jì)50 年代開始受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注［11］。秋季施肥促進(jìn)木本植物根系在秋冬季節(jié)儲(chǔ)存養(yǎng)分［12］。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)秋季施肥不僅增強(qiáng)苗木體內(nèi)養(yǎng)分積累和抗性提升，還促進(jìn)翌年頂芽葉原基分化，加快苗木生物量積累［9］。多年生草本植物與木本植物有類似表現(xiàn)，在秋冬季節(jié)調(diào)節(jié)根系及休眠芽休眠，當(dāng)環(huán)境條件利于生長時(shí)快速返青，以發(fā)育成完整植株［13］。因此，是否有必要在多年生草本植物休眠前施肥成為學(xué)者們的關(guān)注點(diǎn)之一。

多年生草本植物較一年生作物具有種植一次可持續(xù)利用多年的優(yōu)勢(shì)。這一優(yōu)勢(shì)使多年生草本植物在高寒草原及類似地區(qū)更具有利用潛力。對(duì)多年生草本植物開展的研究發(fā)現(xiàn)草地早熟禾（Poa pratensis）、紫羊茅（Festuca rubra）和鴨茅（Dactylis glomerata）需要秋季施肥以維持較高生產(chǎn)能力，而多年生黑麥草（Lolium perenne）則不需秋季施肥［3］?？梢?，草本植物對(duì)秋季施肥的響應(yīng)存在物種差異。植物地上器官生物量作為最直觀反映植物生產(chǎn)性能的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，常用于評(píng)估栽培措施對(duì)植物的影響。根系是禾本科植物吸收氮素和磷素的主要器官。前人研究表明磷通過影響植物的根系形態(tài)建成，進(jìn)而影響植物的生產(chǎn)性能［14-16］。因此，可以通過植物地上生物量來評(píng)估氮肥和磷肥對(duì)多年生植物生產(chǎn)力的提升效果。

寒生羊茅（Festuca kryloviana，西北羊茅）是環(huán)青海湖地區(qū)草原上主要的多年生伴生草種，由于基生葉發(fā)達(dá)，適口性較好，牲畜喜采食［17］。研究發(fā)現(xiàn)施肥促進(jìn)寒生羊茅的種子和地上生物量增加，尤其是葉器官生物量［18］。然而，以前的研究均為春季施肥，關(guān)于秋季施肥對(duì)寒生羊茅生產(chǎn)性能的研究尚未見報(bào)道。因此，有必要開展寒生羊茅生產(chǎn)性能對(duì)秋季施肥的響應(yīng)研究。另外，與農(nóng)作物集中于種子生產(chǎn)不同，牧草的生產(chǎn)性能需兼顧種子生產(chǎn)和飼草生產(chǎn)。基于此，本試驗(yàn)以5 齡環(huán)湖寒生羊茅（F. krylovianacv. Huanhu）為材料，以明確：1）秋季施肥是否具有提升環(huán)湖寒生羊茅生產(chǎn)性能優(yōu)勢(shì)；2）氮肥和磷肥對(duì)環(huán)湖寒生羊茅生產(chǎn)性能影響大小及主要影響性狀。以期為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在青海省海北州西海鎮(zhèn)國家多年生牧草種質(zhì)資源圃，位于36°59.36′ N、100°52.85′ E，海拔3156 m，氣候寒冷，無絕對(duì)無霜期，年平均氣溫0.5 ℃，年降水量369.1 mm，且多集中在7、8 和9 月。年蒸發(fā)量1400 mm，年日照時(shí)數(shù)2980 h，平均無霜期93 d 。土壤為栗鈣土，試驗(yàn)前土壤有機(jī)質(zhì)32.48 g·kg-1、全氮1.56 g·kg-1、堿解氮88.8 mg·kg-1、全磷1.39 g·kg-1、速效磷2.2 mg·kg-1、pH 值8.43。試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)見圖1。

圖1 2018-2019 年試驗(yàn)地月平均溫度和降水分布Fig. 1 Distribution of monthly average temperature and precipitation at the experimental site from 2018 to 2019

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

環(huán)湖寒生羊茅于2017 年建植，播種量22.5 kg·hm-2，行距30 cm。試驗(yàn)為施肥季節(jié)、施肥類型和施肥量的三因素交互設(shè)計(jì)，其中施肥季節(jié)為2 個(gè)水平，分別為春季和秋季施肥；施肥類型為2 個(gè)水平，分別為氮肥和磷肥；施氮量為2 個(gè)水平（0 和60 kg·hm-2；記為N0和N60），施磷量為4 個(gè)水平（0、60、75 和90 kg·hm-2；記為P0、P60、P75和P90），施氮量和施磷量組成8 個(gè)施肥組合。試驗(yàn)共計(jì)16 個(gè)處理組合，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，各試驗(yàn)小區(qū)面積3 m×5 m。施肥方式為撒施（參照當(dāng)?shù)厥┓柿?xí)慣）。秋季施肥時(shí)間為2018 年9 月5 日，此時(shí)環(huán)湖寒生羊茅已收獲當(dāng)年種子，施肥前齊地刈割地上生物量。春季施肥時(shí)間為2019 年5 月6 日，此時(shí)環(huán)湖寒生羊茅返青。供試肥料品種為尿素（純N 46%）、過磷酸鈣（純P2O512%）。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

2019 年7 月20 日，此時(shí)為環(huán)湖寒生羊茅開花期，在每個(gè)小區(qū)齊地刈割3 個(gè)1 m 長樣段，統(tǒng)計(jì)樣品生殖枝數(shù)，然后隨機(jī)選擇5 個(gè)生殖枝，記錄株高和莖粗。同時(shí)將地上部分在105 ℃烘箱殺青30 min，調(diào)節(jié)溫度至75 ℃烘干至恒重，以測(cè)定地上生物量，并換算為飼草產(chǎn)量（kg·hm-2）。

2019 年8 月14 日，此時(shí)為環(huán)湖寒生羊茅種子成熟期，收集所有籽粒，并換算為種子產(chǎn)量（kg·hm-2）。參考石正海等［14］的方法計(jì)算肥料對(duì)飼草和種子生產(chǎn)的肥料偏生產(chǎn)力和肥料農(nóng)學(xué)效率：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 25.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析和回歸分析。用Tukeys 法在0.05 水平上進(jìn)行差異顯著性比較，相關(guān)性分析用Pearson 相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較。用Origin 2023 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象資料

比較2018 和2019 年環(huán)湖寒生羊茅生長季（5-9 月）月平均氣溫和降水量發(fā)現(xiàn)，2018 年有較高的月平均溫度和降水量，其值分別為10.07 和9.15 ℃、98.00 和77.44 mm（圖1）。2018 年11 月-2019 年5 月，環(huán)湖寒生羊茅處于休眠期，期間月平均溫度和降水量分別為-5 ℃和10.14 mm。

2.2 農(nóng)藝性狀的方差分析

施肥季節(jié)、氮肥和磷肥對(duì)株高、生殖枝數(shù)和種子產(chǎn)量均影響顯著（P＜0.01，表1）。施肥季節(jié)和氮肥對(duì)地上生物量影響顯著（P＜0.01）。因子間交互作用對(duì)部分表型性狀有顯著影響，尤其是生殖枝數(shù)。莖粗受各因子影響均不顯著（P＞0.05）。

表1 不同季節(jié)施肥對(duì)農(nóng)藝性狀影響的方差分析Table 1 Analysis of variance on the effects of fertilizer application in different seasons on agronomic traits

2.3 株高和生殖枝數(shù)

氮肥均可提升株高和生殖枝數(shù)，相較于僅施磷肥處理，春季施氮肥處理的株高和生殖枝數(shù)平均提升幅度分別為24.42%和19.10%；秋季施氮肥處理組合的平均提升幅度分別為20.24%和109.90% （圖2）。磷肥對(duì)株高和生殖枝數(shù)則表現(xiàn)出一定的抑制作用，無論春季還是秋季施肥，僅施磷肥處理下的株高和生殖枝數(shù)較對(duì)照（N0P0）的降幅均在3.12%和3.79%以上。但本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著施磷量增加各施磷水平間株高和生殖枝數(shù)無顯著差異?？傮w來看，由于存在氮肥和磷肥的交互作用，N60P75處理有較大的株高和生殖枝數(shù)。另外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一處理組合在秋季施肥較春季施肥可保持較大的株高和生殖枝數(shù)。

圖2 不同季節(jié)施肥對(duì)寒生羊茅株高、莖粗和生殖枝數(shù)的影響Fig. 2 Effects of different seasonal fertilization on plant height， stem diameter and reproductive shoots in F. kryloviana cv.Huanhu

2.4 地上生物量及種子產(chǎn)量

無論是春季還是秋季施肥，相較于僅施磷處理，氮肥可顯著提升環(huán)湖寒生羊茅地上生物量和種子產(chǎn)量，同一磷肥水平下，氮肥添加處理的地上生物量和種子產(chǎn)量增幅分別在62.79%和12.58%以上，其中春季施肥條件下N60P90處理的種子產(chǎn)量除外（表1，圖3）。春季氮肥添加處理下的地上生物量較秋季增幅為6.47%～51.19%，種子產(chǎn)量在秋季施氮處理較春季增幅為37.38%～73.99%。同一氮肥水平下，不同施肥季節(jié)均觀察到地上生物量隨施磷量增加無顯著提升，結(jié)合方差分析結(jié)果氮肥和磷肥對(duì)地上生物量的影響無交互作用，可見地上生物量主要受氮肥影響（圖3A，B）。僅施磷肥對(duì)種子產(chǎn)量無促進(jìn)作用，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在施氮后，由于氮肥和磷肥間的交互作用，種子產(chǎn)量隨施磷量增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，在施磷量為75 kg·hm-2時(shí)有較大值（圖3C，D）?？傮w來看，氮肥和磷肥配施有利于提升5 齡環(huán)湖寒生羊茅地上生物量和種子產(chǎn)量，其最大值均出現(xiàn)在N60P75處理（秋季施肥地上生物量除外）。具體為氮肥和磷肥配施在春季施肥可收獲最大地上生物量，為6321 kg·hm-2，在秋季施肥可收獲最大種子產(chǎn)量，為233.19 kg·hm-2。

圖3 不同季節(jié)施肥下的種子產(chǎn)量和地上生物量Fig.3 Seed yield and aboveground biomass under fertilization in different seasons

2.5 肥料利用效率

分析肥料的利用效率有利于最大效率地利用肥料。對(duì)于地上生物量，肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率均受施肥季節(jié)和磷肥顯著影響（表2，P＜0.05 ）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率在僅施氮處理時(shí)有較大值，尤其在秋季施肥時(shí)表現(xiàn)更突出（圖4A，C）。同一氮肥水平下，隨施磷量增加地上生物量的肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率減小。而對(duì)于種子生產(chǎn)，肥料利用效率受施肥季節(jié)、氮肥和磷肥的影響顯著（表2，P＜0.01）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)秋季施氮可維持較高的肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率，其值分別是春季施肥的1.37 和2.74 倍以上（圖4B，D）。無論春季還是秋季施肥，僅施磷肥時(shí)，肥料農(nóng)學(xué)效率均為負(fù)值，表現(xiàn)為抑制種子生產(chǎn)效率。由于氮肥和磷肥間的交互作用影響，在氮肥和磷肥配施條件下，肥料的偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率均隨施磷量增加呈減小趨勢(shì)。

表2 肥料利用效率的方差分析Table 2 Analysis of variance for fertilizer use efficiency

圖4 不同季節(jié)施肥的肥料利用效率Fig.4 Fertilizer use efficiency of fertilization in different seasons

2.6 農(nóng)藝性狀間相關(guān)性和回歸分析

相關(guān)性分析表明，無論春季還是秋季施肥，種子產(chǎn)量與地上生物量、種子產(chǎn)量與生殖枝數(shù)、地上生物量和株高均顯著相關(guān)（表3）。其中種子產(chǎn)量與生殖枝數(shù)相關(guān)系數(shù)較穩(wěn)定且較大，進(jìn)一步線性擬合結(jié)果為y=1.06x-58.19（春季施肥，R2=0.94007），y=0.44x+56.36（秋季施肥，R2=0.71177）（圖5A）。因種子產(chǎn)量與地上生物量、地上生物量和株高在不同施肥時(shí)間的相關(guān)系數(shù)差異較大，進(jìn)而擬合效果較差（圖5B，C）。

表3 春、秋季施肥時(shí)各性狀間的相關(guān)性Table 3 Correlation among traits at spring and autumn fertilization

圖5 農(nóng)藝性狀間回歸分析Fig.5 Regression analysis among agronomic traits

3 討論

3.1 施肥季節(jié)對(duì)植物生產(chǎn)性能的影響

本試驗(yàn)通過對(duì)比春季和秋季施肥對(duì)環(huán)湖寒生羊茅地上生物量和種子產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)秋季施氮對(duì)環(huán)湖寒生羊茅種子增產(chǎn)是有必要的（圖3），秋季施氮在促進(jìn)株高、生殖枝數(shù)和種子產(chǎn)量等方面較春季有較大優(yōu)勢(shì)（圖2 和圖5），而春季施氮有維持較大地上生物量的優(yōu)勢(shì)。前人研究表明，秋季施肥較春季施肥更有利于木本植物提升生物量和增強(qiáng)抗逆性［19-20］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)秋季施肥主要通過增強(qiáng)紫椴（Tilia amurensis）［21］幼苗和冬青櫟（Quercus ilex）［22］苗木細(xì)根對(duì)養(yǎng)分的吸收效率和運(yùn)輸能力，進(jìn)而改善植物整體養(yǎng)分狀況。然而，研究發(fā)現(xiàn)多年生草本植物對(duì)施肥季節(jié)的響應(yīng)存在物種差異。秋季施肥有利于羊草（Leymus chinensis）、藍(lán)莖冰草（Elytrigia smithii）、貓尾草（Phleum pratense）和無芒雀麥（Bromus inermis）翌年的生物量積累，而春季施肥有利于高羊茅（Festuca elata）和鴨茅（Dactylis glomerata）積累較大生物量［3，23］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在春季施氮和施磷較秋季提升環(huán)湖寒生羊茅地上生物量的作用明顯，可能與春季施肥時(shí)間為環(huán)湖寒生羊茅返青期有關(guān)。此時(shí)，試驗(yàn)地的環(huán)境溫度和降水量呈遞增趨勢(shì)（圖1），利于土壤微生物活動(dòng)，外源肥料添加促進(jìn)了土壤微生物群落對(duì)養(yǎng)分的固定和轉(zhuǎn)化速率［24］。充足的土壤養(yǎng)分改善根系的營養(yǎng)吸收效率，進(jìn)而使植物將主要競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)移至地上器官，進(jìn)而刺激葉等營養(yǎng)器官的生長速度和生物量，最終增加植物地上生物量的積累［25］。Trubat 等［12］發(fā)現(xiàn)多年生植物的根不僅是養(yǎng)分的吸收器官，還是其儲(chǔ)存器官，在生長季末植物將其他器官養(yǎng)分轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存于根系，在下一個(gè)生長季來臨時(shí)快速將養(yǎng)分向生長點(diǎn)轉(zhuǎn)移和再分配。本試驗(yàn)在秋季施氮處理收獲較大種子產(chǎn)量可能是秋季施肥促進(jìn)了環(huán)湖寒生羊茅根系養(yǎng)分儲(chǔ)存和刺激分蘗潛力共同作用的結(jié)果。秋收后，植物地上器官已被刈割，外源施肥增加了土壤速效養(yǎng)分含量，充足的土壤養(yǎng)分促進(jìn)根系發(fā)育，進(jìn)而提升植物種子產(chǎn)量已得到證實(shí)［7］。已有研究表明秋季施氮肥可使停止生長的草坪草產(chǎn)生新的分蘗［26］，并在高羊茅、貓尾草和無芒雀麥等植物中得到證實(shí)［3］。本試驗(yàn)在秋季施肥較春季施肥有較大的生殖枝數(shù)（圖2），且相關(guān)性分析和回歸分析均表現(xiàn)出生殖枝數(shù)與種子產(chǎn)量、地上生物量與種子產(chǎn)量間的強(qiáng)相關(guān)性（表3 和圖5），同時(shí)秋季施氮處理有較高的肥料偏生產(chǎn)力和農(nóng)學(xué)效率（圖4B，D）。另外，研究發(fā)現(xiàn)在秋季施入年施氮量的1/2 及以上有助于草地早熟禾和紫羊茅維持較大生產(chǎn)力，秋季施入年施氮量的1/3 適合于鴨茅［27］，而秋季施肥不適合多年生黑麥草［27］、多花黑麥草（Lolium multiflorum）［28］和葦狀羊茅（Festuca arundinacea）［29］的種子生產(chǎn)，而本試驗(yàn)未涉及相關(guān)內(nèi)容。因此，在春季和秋季均施肥是否能進(jìn)一步提高環(huán)湖寒生羊茅種子產(chǎn)量，以及確定不同季節(jié)施肥比例有待進(jìn)一步研究。

3.2 施肥類型和施肥量對(duì)農(nóng)藝性狀的影響

施氮肥和磷肥是最常見的農(nóng)業(yè)施肥措施。劉美玲等［30］發(fā)現(xiàn)磷肥可提升草地當(dāng)年和翌年牧草產(chǎn)量。李曉彤［23］發(fā)現(xiàn)施氮通過提高單位面積羊草莖重、葉重和株高，進(jìn)而提高羊草飼草產(chǎn)量和種子千粒重。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮肥是提升環(huán)湖寒生羊茅地上生物量和種子產(chǎn)量的主要肥料，磷肥單施無明顯促進(jìn)效果，且隨施磷量增加表現(xiàn)抑制作用（圖3）。對(duì)老芒麥（Elymus sibiricus）［31］、無芒雀麥［3］和蒙古冰草（Agropyron mongolicum）［32］等草本植物生物量積累研究有類似發(fā)現(xiàn)。張永超等［31］發(fā)現(xiàn)氮肥對(duì)6 齡老芒麥地上生物量的促進(jìn)作用大于磷肥。Hare 等［29］發(fā)現(xiàn)氮肥較磷肥可顯著提升葦狀羊茅種子產(chǎn)量。其主要原因?yàn)榈瘦^磷肥延緩葉片衰老，提高植物葉片葉綠素含量、增強(qiáng)光合相關(guān)酶活性，提高植物光合作用以生產(chǎn)和儲(chǔ)存更多的淀粉和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物供植物生長［33］。另外，有研究發(fā)現(xiàn)磷肥促進(jìn)植物株高和生殖枝數(shù)增加［15，23］。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)磷肥可顯著提升3 齡寒生羊茅的種子產(chǎn)量［14］。本試驗(yàn)結(jié)果表明：生殖枝數(shù)、株高和種子產(chǎn)量在僅施磷處理下呈下降趨勢(shì)（圖2），表現(xiàn)出相反結(jié)果可能與寒生羊茅自身特性有關(guān)。環(huán)湖寒生羊茅生產(chǎn)性能隨生長年限延長呈先增加后降低的趨勢(shì)［17］。3 齡寒生羊茅處于生產(chǎn)性能最佳狀態(tài)，此時(shí)植株對(duì)養(yǎng)分需求較大，施磷促進(jìn)了根系對(duì)磷的吸收進(jìn)而改善植株體內(nèi)的磷營養(yǎng)狀態(tài)。5齡寒生羊茅生產(chǎn)性能降低，植株對(duì)磷的需求下降，進(jìn)而降低植物對(duì)養(yǎng)分供給的閾值［34］。與氮元素不同，磷元素在土壤內(nèi)不容易淋溶或遷移，多年持續(xù)添加磷肥使土壤磷堆積，施磷進(jìn)一步增加了土壤磷含量，進(jìn)而對(duì)植物生長產(chǎn)生抑制作用。另外，可能是2019 年環(huán)湖寒生羊茅生長季降水量和溫度均低于2018 年（圖1），在干旱和低溫的環(huán)境下植物體內(nèi)代謝活動(dòng)受到一定抑制［35］，進(jìn)而降低了植物對(duì)磷的需求，具體原因有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究。王佺珍［3］對(duì)6 種禾本科牧草開展研究發(fā)現(xiàn)，除貓尾草外，生殖枝數(shù)是高羊茅、藍(lán)莖冰草和無芒雀麥等種子產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的農(nóng)藝性狀。且已有研究發(fā)現(xiàn)氮肥和磷肥協(xié)同可顯著增加早熟禾［36］和鴨茅［3］的生殖枝數(shù)。本試驗(yàn)有類似發(fā)現(xiàn)，種子產(chǎn)量與生殖枝數(shù)存在極強(qiáng)的線性擬合關(guān)系，且在氮肥和磷肥配施（N60P75）處理下有較大的生殖枝數(shù)和種子產(chǎn)量（圖2 和圖5）。

4 結(jié)論

春季和秋季施氮肥均可提升5 齡環(huán)湖寒生羊茅飼草和種子生產(chǎn)性能，其中春季施氮更利于飼草生產(chǎn)，秋季施氮更利于種子生產(chǎn)。氮肥對(duì)環(huán)湖寒生羊茅農(nóng)藝性狀的提升作用大于磷肥。在未來應(yīng)重視氮肥在多齡寒生羊茅草場(chǎng)中的應(yīng)用。