毋玲玲,魏玉杰,宿翠翠,張兆萍,陳 芳,王玉紅
(1.甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院, 甘肅 武威 733006;2.甘肅省特種藥源植物種質(zhì)創(chuàng)新與安全利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 武威 733006)
紅花(Carthamus tinctorius),又名紅藍(lán)花、草紅花,刺紅花,一年生菊科草本植物,入藥部位為不帶子房的干燥管狀花[1],具有活血通經(jīng),祛瘀止痛的功效[2-3],是臨床常用的中藥[4],同時(shí)也是一種染料和油料植物[5]。我國(guó)多個(gè)省份在歷史上都有種植,栽培地域廣泛,目前我國(guó)紅花主產(chǎn)區(qū)分布在新疆、河南、浙江、四川、云南、甘肅[3,6-7],商業(yè)化種植主要集中在新疆、云南和甘肅[8]。甘肅省于20 世紀(jì)30 年代開始把紅花作為油料作物進(jìn)行栽培[9],近年來(lái)藥用紅花種植范圍擴(kuò)大[10],主要產(chǎn)地在敦煌、瓜州、玉門、張掖、武威,全省種植面積2 000~2 700 hm2,已成為我國(guó)紅花產(chǎn)量第三大省份[8-11]。
近年來(lái),隨著武威市引黃灌區(qū)山區(qū)移民的大規(guī)模搬遷,黃河水資源日益缺乏,種植抗旱、耗水少且高效的作物是引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)繁榮發(fā)展的途徑之一。中藥材紅花由于其顯著的抗旱節(jié)水、耐瘠薄、耐鹽堿、投入低、管理簡(jiǎn)便等特性[12-13],在引黃灌區(qū)種植面積快速增加,但當(dāng)前該區(qū)域紅花生產(chǎn)仍沿用傳統(tǒng)種植方式,低密度和高氮肥投入是普遍存在的問題,不適宜的種植密度和水肥條件導(dǎo)致紅花生長(zhǎng)前期徒長(zhǎng)、無(wú)效分枝數(shù)增加、開花期滯后、遇雨或灌水后出現(xiàn)大面積倒伏、不利于采摘,同時(shí)引起整片植株花朵發(fā)育不良,最終影響產(chǎn)量及品質(zhì)[14-16]。因此,在確保黃河流域生態(tài)和高質(zhì)量發(fā)展持續(xù)共行前提下,明確紅花適宜種植密度和氮肥最佳施用量,適當(dāng)擴(kuò)大紅花種植規(guī)模,已成為當(dāng)前引黃灌區(qū)亟待解決的重要問題之一。
目前,該區(qū)域缺乏中藥材紅花群體生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不同供氮水平與種植密度互作匹配對(duì)氮素吸收利用效率的影響研究?;诖?,本研究針對(duì)特定生態(tài)和土壤肥力條件,開展不同施氮量與種植密度互作條件下,紅花表型性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素吸收利用過(guò)程的變化,探索紅花生長(zhǎng)發(fā)育最佳施氮量和種植密度,以期為該地區(qū)紅花高效栽培技術(shù)奠定基礎(chǔ),為當(dāng)?shù)丶t花標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;耘嗵峁├碚搮⒖迹瑫r(shí)解決制約當(dāng)?shù)丶t花產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題,達(dá)到增產(chǎn)增效、調(diào)節(jié)種植結(jié)構(gòu)的目標(biāo),促進(jìn)紅花產(chǎn)業(yè)成為武威市引黃灌區(qū)特色優(yōu)勢(shì)富民產(chǎn)業(yè)。
供試品種‘甘紅1 號(hào)’無(wú)刺紅花由甘肅農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院特種藥材研究所提供。試驗(yàn)于2021 年3 月-9 月在甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行。土質(zhì)為黃壤土,地力中等偏下,前茬作物為黃芪(Astragalus membranaceus)。試驗(yàn)區(qū)域年最高氣溫39.5 ℃,最低氣溫-26.5 ℃,年均氣溫8 ℃,年均降水量154.6 mm,年均蒸發(fā)量2020 mm,年均日照時(shí)數(shù)1 664.6 h,屬于溫帶大陸性干旱氣候。
試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),以氮肥施用量(N) 為主處理,設(shè)4 個(gè)水平,分別為純N 施用量0 (N0)、45 (N1)、90 (N2)、135 kg·hm-2(N3),以種植密度(M)為副處理,設(shè)4 個(gè)水平,株行距分別為30 cm × 60 cm (M1)、25 cm ×60 cm (M2)、25 cm × 50 cm (M3)、27 cm × 40 cm (M4)。試驗(yàn)共設(shè)16 個(gè)處理,每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù),主區(qū)每個(gè)小區(qū)面積112 m2,副區(qū)每個(gè)小區(qū)面積28 m2。P2O5施用量為90 kg·hm-2,K2O 施用量為54 kg·hm-2,播種前60%氮肥和全部磷鉀肥基施,40%氮肥后期追肥。紅花播種采用覆膜點(diǎn)播方式種植,期間人工除草兩次。
在紅花蓮座期,每個(gè)處理選擇10 株田間表現(xiàn)型一致的植株進(jìn)行標(biāo)記,用于生育階段后期紅花光合特征測(cè)定及農(nóng)藝性狀調(diào)查。
1.3.1 表型性狀調(diào)查
在紅花成熟期,對(duì)每個(gè)處理前期標(biāo)記的10 株紅花進(jìn)行室內(nèi)考種,按照《紅花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]調(diào)查株高、莖粗、根長(zhǎng)、一級(jí)有效分枝數(shù)、二級(jí)有效分枝數(shù)、三級(jí)有效分枝數(shù)、單株有效果球數(shù)、頂果球籽粒數(shù)、籽粒長(zhǎng)度、籽粒厚度、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、單株干花產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。
1.3.2 產(chǎn)量和品質(zhì)
收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)分開脫粒測(cè)得小區(qū)產(chǎn)量;開花期及時(shí)采摘并計(jì)算單株干花產(chǎn)量和小區(qū)干花產(chǎn)量,單株采收干花量計(jì)入小區(qū)總干花產(chǎn)量中。干花和籽粒分別測(cè)定羥基紅花黃色素A (Hydroxyl-safflor yellow A, HSYA)含量和種籽含油率。羥基紅花黃色素A 含量按2020 年版《中華人民共和國(guó)藥典》[18]紅花項(xiàng)下羥基紅花黃色素A 含量測(cè)定方法進(jìn)行分析。種籽含油率根據(jù)《GB/T 14488.1-1993 油料種籽含油量測(cè)定法》進(jìn)行測(cè)定。
1.3.3 氮素吸收利用測(cè)定
于紅花營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾開花期、成熟收獲期進(jìn)行群體動(dòng)態(tài)調(diào)查和取樣,各生育期分器官在烘箱內(nèi) 105 ℃殺青 30 min、70 ℃烘12 h 至恒重,測(cè)定干重。干重記載后,將樣品粉碎,采用H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法測(cè)定樣品氮素含量。計(jì)算公式如下:
氮素積累量 = 植物干重 × 植物全氮含量;
氮素吸收強(qiáng)度 = 階段生育期內(nèi)氮素積累量/階段生育期天數(shù);
氮肥表觀利用率 = (施氮區(qū)作物收獲地上部的氮素積累量 - 未施氮區(qū)作物收獲地上部的氮素積累量)/氮肥用量 × 100%;
氮肥農(nóng)學(xué)利用率 = (施氮區(qū)產(chǎn)量 - 不施氮區(qū)產(chǎn)量)/施氮量 × 100%。
采用 Excel 2010 整理數(shù)據(jù)作圖,通過(guò)IBM SPSS Statistics 21 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,Duncan 法對(duì)各處理進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
方差分析(表1)表明:施氮量對(duì)株高、根長(zhǎng)、一級(jí)有效分枝數(shù)、二級(jí)有效分枝數(shù)、三級(jí)有效分枝有極顯著影響(P< 0.01),對(duì)莖粗有顯著影響(P<0.05);種植密度、施氮量 × 種植密度互作對(duì)紅花株高、莖粗、根長(zhǎng)、一級(jí)有效分枝數(shù)、二級(jí)有效分枝數(shù)、三級(jí)有效分枝數(shù)均有極顯著影響(P< 0.01)。
表1 施氮量和種植密度對(duì)紅花農(nóng)藝性狀的影響及方差分析Table 1 Effects of nitrogen application rate and planting density on agronomic traits of safflower
同一施氮量水平下,隨著種植密度的增加,紅花大部分農(nóng)藝性狀指標(biāo)呈先上升后下降的趨勢(shì);同一密度水平下,隨著施氮量的增加,紅花各農(nóng)藝性狀指標(biāo)亦呈先上升后下降的趨勢(shì)。施氮量和種植密度互作下紅花各農(nóng)藝性狀指標(biāo)差異顯著,株高、莖粗以N2M4最高,根長(zhǎng)、二級(jí)有效分枝數(shù)以N1M3最高,一級(jí)有效分枝數(shù)以N2M3最高,三級(jí)有效分枝數(shù)以N3M2最高。
方差分析(表2)表明:施氮量對(duì)單株有效果球數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、小區(qū)籽粒產(chǎn)量有極顯著影響(P< 0.01);種植密度、施氮量 × 種植密度互作對(duì)單株有效果球數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、單株干花產(chǎn)量、小區(qū)籽粒產(chǎn)量有極顯著影響(P< 0.01)。
表2 施氮量和種植密度對(duì)紅花產(chǎn)量性狀的影響及方差分析Table 2 Effects of nitrogen application rate and planting density on yield characters of safflower
施氮量和種植密度對(duì)紅花產(chǎn)量性狀有一定的互作效應(yīng)。同一種植密度下,增加施氮量使紅花單株有效果球數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、小區(qū)籽粒產(chǎn)量先升后降,施氮水平達(dá)到N2時(shí),各產(chǎn)量性狀達(dá)到最大,隨后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。說(shuō)明實(shí)際生產(chǎn)中,N2是紅花的一個(gè)適宜施氮水平,過(guò)多施氮反而可能會(huì)導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。同一施氮水平下,增加種植密度可使紅花單株有效果球數(shù)、單株籽粒產(chǎn)量、千粒重、單株干花產(chǎn)量、小區(qū)籽粒產(chǎn)量先升后降,除小區(qū)干花產(chǎn)量外其余產(chǎn)量性狀在M3處理下達(dá)到最大,M4處理時(shí)降低,可能是密度過(guò)大,紅花對(duì)光熱資源的利用減弱,不利于產(chǎn)量形成。施氮量和種植密度交互作用下,除小區(qū)干花產(chǎn)量外其余產(chǎn)量性狀各處理間差異顯著(P< 0.05),多以N2M3為最大值。
施氮量和種植密度對(duì)紅花種子含油率影響差異不顯著,施氮量和種植密度互作處理中種子含油率的變幅為25.94%~29.39%,平均值為27.79% (圖1)。隨著施氮量和種植密度的增加,紅花HSYA 含量先增加后降低(圖2),別在N2和M2處理下達(dá)到最大值。施氮量和種植密度互作下HSYA 含量變幅為1.50%~2.64%,平均值為2.04%。方差分析結(jié)果表明,施氮量、種植密度及施氮量和種植密度互作均對(duì)紅花HSYA 有極顯著影響(P< 0.01),對(duì)紅花種子含油率無(wú)顯著影響(表3)。
圖1 施氮量和種植密度互作對(duì)紅花種子含油率的影響Figure 1 Effects of nitrogen application rate and planting density on oil content of safflower seeds
圖2 施氮量和種植密度互作對(duì)羥基紅花黃色素A (HSYA)含量的影響Figure 2 Effects of nitrogen application rate and planting density on Hydroxyl-safflor yellow A (HSYA) content
表3 施氮量和種植密度對(duì)紅花種子含油率和羥基紅花黃色素A (HSYA)含量的方差分析Table 3 Analysis of variance of nitrogen application rate and planting density on seed oil content and Hydroxyl-safflor yellow A (HSYA) content of safflower
如圖3 所示,隨著施氮量和種植密度的增加,紅花生育期氮素吸收強(qiáng)度先增加后下降;整個(gè)生育期內(nèi),現(xiàn)蕾開花期氮素吸收強(qiáng)度最大,分別在N2和M3處理下氮素吸收強(qiáng)度達(dá)到最大。
圖3 施氮量和種植密度對(duì)紅花生育階段氮吸收強(qiáng)度的影響Figure 3 Effect of nitrogen application rateand planting density on nitrogen absorption intensity of safflower at the growth stage
方差分析(表4)顯示:施氮量、種植密度、施氮量和種植密度互作對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、現(xiàn)蕾開花期、成熟收獲期紅花植株氮素積累量有極顯著影響(P<0.01)。隨著施氮量的增加,紅花生育期內(nèi)植株氮素積累量多數(shù)先增加后減少,其隨著種植密度的增加雖然呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,但在不同生育期各種植密度對(duì)不同施氮水平的響應(yīng)略有不同。N0水平下,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期M3顯著高于其他3 個(gè)種植密度(P< 0.05),現(xiàn)蕾開花期M2最高,與M3差異不顯著,與M1和M4差異顯著;成熟收獲期M3最高,與M2差異不顯著,與M1和M4差異顯著。N1水平下,營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期M2最高,與M1差異顯著;現(xiàn)蕾開花期和成熟收獲期M3處理最高,各種植密度間差異顯著;N2和N3水平下,除N3營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期,其余生育期M3處理最高,與其他處種植密度差異顯著。與N0相比,N1、N2、N3平均紅花植株氮素積累量分別增加30.7%、111%、95.9%。所有施氮量與種植密度互作處理中N2M3處理紅花植株氮素積累量最大。
表4 施氮量和種植密度對(duì)紅花植株氮素積累量的影響及方差分析Table 4 Effects of nitrogen application rate and planting density on nitrogen accumulation in safflower plants
如表5 所列,隨著施氮量的增加,紅花干花氮肥表觀利用率逐漸增加,N2處理平均氮肥表觀利用率較高,與N3處理差異不顯著,與N1處理差異顯著;紅花籽粒氮肥表觀利用率先升再降,N2處理平均氮肥表觀利用率最高,顯著高于N3和N1。隨著種植密度的增加,施氮量為N1水平的干花氮肥表觀利用率逐漸降低,施氮量為N2和N3水平的處理干花氮肥表觀利用率先升后降,M3處理氮肥表觀利用率最高,與其他種植密度差異顯著;各施氮水平下,籽粒氮肥表觀利用率先升后降,N1水平下,M2最高,與M1差異不顯著,與其余兩個(gè)種植密度差異顯著;N2和N3水平下,M3處理氮肥表觀利用率最高,與其他種植密度差異顯著。
表5 施氮量和種植密度對(duì)紅花干花和籽粒氮肥表觀利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率的影響Table 5 Effects of nitrogen application rate and planting density on nitrogen apparent efficiency and nitrogen agronomic efficiency of dry flowers and grains of safflower
如表5 所列,隨著施氮量的增加紅花干花和籽粒平均氮肥農(nóng)學(xué)利用率先增大后減小,N2水平兩者氮肥農(nóng)學(xué)利用率最高,各處理間差異顯著;籽粒平均氮肥利用率各處理間也差異顯著。隨著種植密度的增加,各施氮水平下干花和籽粒氮肥農(nóng)學(xué)利用率先上升再降低,N1水平下,干花和籽粒氮肥農(nóng)學(xué)利用率由大到小排序?yàn)镸2> M3> M1> M4,籽粒氮肥農(nóng)學(xué)利用率M2、M3之間無(wú)顯著差異,與M1和M4差異顯著;干花氮肥農(nóng)學(xué)利用率各種植密度差異顯著。N2和N3水平下,花氮肥農(nóng)學(xué)利用率由大到小排序?yàn)镸3> M2> M1> M4,其中干花氮肥農(nóng)學(xué)利用率,N2水平下各種植密度差異顯著,N3水平下M3、M2和M1、M4之間差異顯著;籽粒氮肥農(nóng)學(xué)利用率,N2水平下M3、M2與M1、M4之間差異顯著;N3水平下各種植密度差異顯著。
可見,紅花干花和籽粒在中氮水平上均表現(xiàn)較高的氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率。氮密互作下,N2M3處理干花和籽粒氮肥表觀利用率和氮肥農(nóng)學(xué)利用率達(dá)到最大,分別48.99%、68.26%和2.91 g·kg-1和32.90 g·kg-1。
植物栽培措施中的種植密度和施肥量對(duì)于產(chǎn)量及品質(zhì)的形成有重大影響,合理的種植密度和施肥量使得產(chǎn)量構(gòu)成因子達(dá)到較為合理的協(xié)調(diào)關(guān)系,可以促進(jìn)紅花生長(zhǎng)發(fā)育,增強(qiáng)光合強(qiáng)度,提高氮肥利用率,發(fā)揮高產(chǎn)潛能,改善產(chǎn)量和品質(zhì)[19-20]。
施氮量和種植密度的變化影響作物生長(zhǎng)發(fā)育及光合能力,進(jìn)而影響干物質(zhì)積累和產(chǎn)量提升。在一定范圍內(nèi),隨著施氮水平、種植密度的增加,紅花株高、莖粗、有效分枝數(shù)等農(nóng)藝性狀均顯著增加[19,21-22],適當(dāng)?shù)牡芙M合可以促進(jìn)紅花整體生長(zhǎng)發(fā)育[23-24]。本研究也取得類似結(jié)果,氮密互作處理中,施氮量90 kg·hm-2和株行距25 cm × 60 cm 互作下紅花的株高、莖粗、一級(jí)有效分枝數(shù)等性狀較為優(yōu)良,可能是該條件下土壤中的氮素供應(yīng)適宜紅花植株群體發(fā)育,植株之間生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)較小,光能利用率較高,整體生長(zhǎng)狀況較佳。這與杜宇昕[25]的研究結(jié)果一致。過(guò)高的施氮量并不能有效幫助紅花生長(zhǎng),可能會(huì)因營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而導(dǎo)致開花期滯后;種植過(guò)密,紅花植株纖弱,現(xiàn)蕾后期隨著果球的膨大增重而倒伏,影響花朵的整體發(fā)育,進(jìn)而影響紅花群體產(chǎn)量和品質(zhì)。
氮肥是保障作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵,種植密度是協(xié)調(diào)群體和個(gè)體之間平衡的重要種植方法,對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)造成影響的不單單是這兩個(gè)因素本身,更多是二者的互作結(jié)果。研究表明,施肥對(duì)紅花干花產(chǎn)量有較顯著的增產(chǎn)效果,施肥的增產(chǎn)作用占總產(chǎn)的28.86%[26],種植密度與紅花干花產(chǎn)量和籽實(shí)產(chǎn)量之間均呈較好的二次拋物線相關(guān)關(guān)系[27],本研究結(jié)果與其也相似,分別在施氮量90 kg·hm-2和株行距25 cm × 60 cm 水平下達(dá)到最大。但現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中,合理的種植密度和適宜的氮肥用量相互協(xié)作,才能發(fā)揮作物最大生產(chǎn)潛力[235],促使群體結(jié)構(gòu)獲得較高產(chǎn)量[28-29]。因此協(xié)調(diào)好種植密度和施氮量的關(guān)系,可促進(jìn)紅花產(chǎn)量和品質(zhì)的提升[30-31]。本研究中,在施氮量90 kg·hm-2、株行距25 cm × 60 cm 條件下,紅花的產(chǎn)量最高;施氮量90 kg·hm-2和株行距25 cm × 50 cm 條件下HSYA 含量最高,品質(zhì)好。不同的是可能因試驗(yàn)材料品種、試驗(yàn)地力條件、試驗(yàn)方法不同,關(guān)于紅花種植最佳施氮量和適宜種植密度不同地域存在較大差異。
適宜的施氮量會(huì)促進(jìn)作物氮素吸收利用和干物質(zhì)積累[32-34]。研究表明[35-37],適當(dāng)提高施氮量可以提高作物是對(duì)氮素的積累和氮素吸收利用率,且氮素吸收利用會(huì)隨著施氮量的增加呈先升后降的趨勢(shì)。本研究,紅花生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中,氮素吸收強(qiáng)度、氮素積累量和氮素利用率隨著施氮量的增加而上升,在現(xiàn)蕾開花期吸收積累達(dá)到最大。當(dāng)施氮量增加到一定程度時(shí),氮素吸收利用呈下降趨勢(shì),均在施氮量90 kg·hm-2條件下最大。王兆木等[38]、高逖等[39]也得出一致結(jié)論,超過(guò)一定施氮量后,氮素積累量將不再升高,呈小幅度變化。種植密度對(duì)氮素吸收利用也有著重要影響。曹亞娟等[40]研究得出在一定施氮量范圍內(nèi),增加種植密度,可以獲得較高玉米氮素利用效率、氮肥農(nóng)學(xué)利用效率、氮肥偏生產(chǎn)力,協(xié)調(diào)好種植密度和施氮量的互作關(guān)系,可以促進(jìn)產(chǎn)量與氮素利用效率協(xié)同提高。本研究結(jié)果,在施氮量90 kg·hm-2、株行距25 cm × 60 cm 條件下紅花植物氮素積累量、干花和籽粒氮肥表觀利用率和農(nóng)學(xué)利用率達(dá)到最大,與賈凱[41]等在玉米(Zea mays)上的研究結(jié)果類似,但與朱志龍[42]等在燕麥(Avena sativa)上的研究略有不同,可能是由于不同物種作物對(duì)氮素的需求量不一致。但過(guò)量施氮或種植過(guò)密均不利于紅花氮素積累和吸收利用,只有在適宜的施氮量和種植密度互作耦合下,可促使紅花發(fā)揮最大潛能吸收利用氮素。
隨著施氮量和種植密度的增加,紅花表型性狀和產(chǎn)量性狀有所增加,但是過(guò)多施氮或是密度過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致紅花產(chǎn)量下降。本研究結(jié)果顯示:施氮量為90 kg·hm-2、株行距25 cm × 50 cm 互作條件下,紅花HSYA 含量最高;施氮量為90 kg·hm-2、株行距25 cm × 60 cm 互作條件下,紅花籽粒產(chǎn)量、氮素吸收強(qiáng)度、氮素積累量、干花和粒籽氮肥農(nóng)學(xué)利用率、表觀利用率趨于最大,綜合性狀較佳。故推薦引黃灌區(qū)紅花種植施氮量為90 kg·hm-2,種植密度以株行距25 cm × 50 cm 或25 cm × 60 cm 為宜。本研究綜合考慮了紅花生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量品質(zhì)變化及氮素吸收利用,研究結(jié)果對(duì)于引黃灌區(qū)紅花的生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。