摘 要: 为明确不同生育期干旱胁迫与氮肥施用对花生氮素吸收利用的影响, 利用 15N示踪技术, 研究了不同水分条件下氮肥施用对花生各器官肥料氮吸收利用以及氮肥残留和损失情况的影响。水分设置为正常供水(WW, 75%~80% 田间持水量)、花针期轻度干旱胁迫(FD, 55%~60%田间持水量)和结荚期轻度干旱胁迫(PD, 55%~60%田间持水量) 3 个条件, 氮肥水平设置为不施氮(LN)、中氮(MN, 90 kg hm–2)、高氮(HN, 180 kg hm–2)。结果表明, 与正常供水条件相比, 不同生育期干旱胁迫均降低了花生产量和植株氮素积累量, 且花针期干旱胁迫的降低幅度大于结荚期干旱胁迫。花生籽仁的氮素积累量占全株氮素积累量的 68.42%~77.67%。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理下花生各器官氮肥吸收比例(Ndff, the percentage of N derived from 15N fertilizer)和 15N 积累量显著提高, 且促进了氮素向籽仁的转运, PDMN 处理下籽仁 15N 积累量却显著降低。花生对 15N 标记氮肥的回收率为 30.20%~38.42%, 残留率为 37.12%~48.83%, 损失率为 12.75%~32.68%。FDMN 处理下氮肥回收率最高, 损失率最低。表明 90 kg hm–2 的施氮水平促进了干旱胁迫下花生产量的提高和氮素吸收利用, 降低了肥料氮的损失。
关键词: 花生; 干旱胁迫; 15N; 氮素吸收利用; 产量
花生(Arachis hypoaea L.)是我国重要的油料作物和经济作物, 在干旱和半干旱地区具有较大的种植面积。土壤水分和养分亏缺是制约干旱半干旱地区花生生长发育和产量的重要因素。干旱胁迫使作物产生生长延缓、根冠比增加、叶片变薄、叶片光合速率及干物质积累量降低等变化, 从而引起产量和品质的下降[1-3]。干旱胁迫亦会限制作物对养分的吸收利用, 导致氮素和其他养分的缺乏[4]。氮是作物生长发育必需的大量元素, 是植物体内蛋白质、氨基酸和叶绿素等的重要组成, 也是旱地土壤中易缺乏的营养元素[5-6]。氮素与水分互作共同影响作物的生长发育及产量品质形成[7]。研究表明, 只有在干旱不严重的情况下, 增施氮肥才能提高小麦产量[8]。干旱胁迫下适宜的施氮量可促进作物根系生长, 缓解干旱胁迫的不良影响, 提高水分利用率[9]。由此表明, 科学合理的水氮管理措施可促进作物光合产物的积累和分配, 对实现作物高产具有重要意义[10]。15N示踪技术是研究肥料氮在作物体内转运及分配的重要方法, 利用该技术对花生、大豆、玉米等作物的氮素的吸收、转运及分配特性进行了研究, 但多是注重于不同氮肥用量对氮肥吸收利用特性的影响[11-13]。
水分和养分的协调供应才能产生明显的协调作用, 达到“以水调肥、以肥调水、肥水相济”的效果。在花生花针期和结荚期易出现阶段性干旱, 影响花生植株的养分吸收及生长发育。关于不同生育期干旱胁迫对花生生长发育、生理特性及产量的影响已有报道[14-16], 而有关不同生育期水分胁迫与氮素营养互作的研究报道较少。本研究在土柱栽培基础上采用15N示踪技术, 研究花生花针期和结荚期干旱胁迫下氮肥施用对花生氮素吸收利用的影响, 探求花生体内的氮素吸收利用及土壤氮残留情况, 发挥水分、养分的最大 产效应 増 , 旨在为合理调控水氮利用提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验材料
花生品种花育25号, 为抗旱高产大花生品种, 生育期129 d左右。以15N标记尿素(丰度10.19 atom%, 上海化工研究院)为氮素肥料。
1.2 试验设计
试验在山东省花生研究所莱西试验站防雨棚内进行, 试验为不同水分条件和氮肥施用量 2 个因素。设置 3 个水分条件和 3 个氮肥水平, 水分条件分别为全生育期正常供水(WW, 控制土壤含水量为田间持水量的 75%~80%), 花针期轻度干旱胁迫(FD, 播种后 35 d 开始控制土壤含水量为田间持水量的 55%~60%)和结荚期轻度干旱胁迫(PD, 播种后 60 d 开始控制土壤含水量为田间持水量的 55%~60%), 每个生育期干旱胁迫时间为 20 d; 氮肥水平分别为不施氮(LN)、中氮(MN, 90 kg hm–2)、高氮(HN, 180 kg hm–2)。供试土壤为轻壤土, 中等供氮水平, 含有机质 9.4 g kg–1、碱解氮 56.7 mg kg–1、速效磷 28.3 mg kg–1、速效钾 138.0 mg kg–1。试验所施用氮肥为 15N 示踪尿素, 同时配合施用高产田要求的过磷酸钙 (450 kg hm–2)和硫酸钾(300 kg hm–2), 肥料均以基肥方式施入, 其他田间管理同一般高产田。2014 年采用直径为 20 cm, 高 26 cm 的培养盆进行盆栽试验, 每盆定植 2 株花生, 每 3 d 采用称重法计算灌水量, 3 次重复收获时进行产量测定。2015 年利用直径 40 cm、高 100 cm 的可拆卸 PVC 圆柱桶进行土柱栽培试验, 对不同处理下花生产量及氮素吸收利用特性进行测定。每 5 d 利用 TRIME-PICO-IPH TDR 剖面土壤水分测量系统以 20 cm 为一层测定土柱内的土壤体积含水量以计算灌水量。每个土柱内定植 2 株花生, 随机排列, 重复 6 次, 其中 3 次重复供产量测定。
1.3 取样与测定
1.3.1 样品采集 盆栽试验取样后通过风干称重法测定花生产量。参照张智猛等[17]采集土柱试验中花生各器官, 同时以 20 cm 为一层进行土壤样品的采集。植株样品烘干后各器官样品粉碎过 0.25 mm 筛后用于全氮含量及 15N 丰度的测定。土壤样品风干后研磨, 过 0.15 mm 筛后用于测定全氮含量及 15N 丰度。
1.3.2 样品测定 利用凯氏定氮法测定全氮含量; 由河北省农林科学院遗传生理研究所测定(同位素比率质谱仪, 美国热电公司) 15N 丰度。
1.4 计算方法
15N 原子百分比 = 样品或 15N 标记肥料的 15N 丰度 - 15N 自然丰度;
Ndff (the percentage of N derived from 15N fertilizer)=样品的 15N 原子百分比/标记肥料的 15N 原子百分比×100%;
氮素积累量 = 干物质量×氮素含量;
肥料氮积累量 = 氮素积累量×Ndff;
植株器官 15N 积累量 = 该器官的氮素积累量× 该器官的 15N 原子百分比;
肥料氮回收率 = 施氮区花生吸收肥料氮总量/ 肥料全氮量×100。
2 结果与分析
2.1 不同生育期干旱与氮肥施用对花生产量的影响
2 年试验下不同水氮处理对花生产量的影响趋势相同(图 1)。不同生育期水分条件和氮肥水平对花生产量均呈显著效应, 而水氮互作对花生荚果产量年际间均无显著差异。WWMN 处理下花生产量最高, 2014 年和 2015 年较最低产量 FDLN 处理分别高 42.44%和 61.15%。与正常供水条件相比, 不同生育期干旱胁迫均降低花生产量。3 个氮肥水平平均而言, 花针期干旱胁迫下 2 年分别降低 17.33%和 33.41%, 结荚期干旱胁迫降低 9.76%和 12.21%。表明, 花针期干旱胁迫对花生产量的影响大于结荚期干旱胁迫。与不施氮肥水平相比, 施用氮肥增加不同水分条件下花生的产量, 但仅 2015 年 FDMN 与 FDLN 处理间达显著差异水平。
2.2 不同生育期干旱与氮肥施用对花生不同器官的氮素积累量的影响
由表 1 可知, 各处理籽仁氮素积累量均最大, 占全株氮素积累量的 68.42%~77.67%, 是氮素积累的主要器官, 叶片次之。在各水氮处理中, FDMN 处理下根系和果壳中氮素积累量最高, 分别是最低积累量 FDLN 处理下的 2.13 倍和 1.98 倍。籽仁和全株氮素积累量以 WWMN 处理最高, FDMN 处理最低。与 WWLN 相比, WWMN 处理显著增加了氮素在籽仁中的积累, 而 WWHN 处理降低了除根系外其他器官的氮素积累量。
同一氮肥水平下, 与正常供水条件相比, 花针期干旱胁迫下花生籽仁及全株氮素积累量均降低。 LN 水平下分别降低 40.76%和 37.10%; MN 水平下分别降低 33.05%和 25.42%; HN 水平下分别降低 30.95 和 26.39%。PDLN 处理下叶片、茎、根、果壳、籽仁及全株氮素积累量分别较 WWLN 处理降低 18.07%、6.18%、11.42%、21.54%、22.17%和 20.38%。由此可知, 花针期干旱胁迫下籽仁及全株氮素积累量的降低幅度大于结荚期干旱胁迫, 表明花针期干旱胁迫下不施氮肥使氮素向生殖器官的转运减少。双因素方差分析表明, 土壤水分条件对叶片、茎、籽仁及全株的氮素积累量具有显著或极显著效应, 氮肥对除茎和果壳的氮素积累量外的其他指标呈极显著效应, 水氮对各器官及全株氮素积累量均具有显著交互效应。
2.3 不同生育期干旱与氮肥施用对花生各器官 Ndff 差异的影响
花生全株的 Ndff 为 13.29%~43.78% (表 2), 说明花生吸收的氮素 50%以上来源于土壤和根瘤固氮。双因素方差分析表明, 水分、氮肥对各器官及全株 Ndff 均具有极显著效应, 水氮互作处理对除根系外的其他器官的 Ndff 呈显著或极显著效应。 FDHN 处理下各器官及全株 Ndff 最大, 而 WWMN 处理最小, 表明正常供水条件促进了花生根瘤固氮和土壤氮的吸收利用。同一水分条件下, 花生各器官及全株 Ndff 随施氮量的增加而显著增加, 但增加幅度不同。除叶片和根系中 Ndff 外, 同一氮肥条件下正常供水和结荚期干旱胁迫各器官和整株 Ndff 间无显著差异。同一氮肥水平下花针期干旱胁迫增加各器官和全株 Ndff, MN 水平下叶、茎、根、壳、籽仁及全株较正常供水条件分别增加 71.89% 、 42.51%、28.75%、38.29%、60.17%和 61.25%; HN 水平下分别增加 11.01%、10.96%、18.64%、36.26%、 48.08%和 38.37%。
2.4 不同生育期干旱与氮肥施用对花生各器官 15N 积累量的影响
除根系外, 各器官 15N 积累量随施氮量的增加而增加, 籽仁中的增加幅度最大, HN 水平为 MN 水平的 2 倍以上(表 3)。FDHN 处理下叶片、籽仁及全株 15N 积累量最高, PDMN 处理下最低。MN 水平下, 与正常供水条件相比, 花针期干旱胁迫增加各器官及全株 15N 积累量, 而结荚期干旱胁迫仅增加根系中 15N 积累量。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理下叶片、茎、根系、果壳、籽仁及全株 15N 积累量增加幅度分别为 11.11%、26.71%、93.82%、65.00%和 5.74%; PDMN 处理下籽仁中 15N 积累量降低幅度最大, 为 12.21%。与 WWHN 处理相比, FDHN 处理仅增加叶片和籽仁中的 15N 积累量, 而 PDHN 处理降低籽仁中 15N 积累量。双因素方差分析表明, 水分对叶片、根系、籽仁及全株 15N 积累量具有显著效应, 氮肥对各器官及全株 15N 积累量具有显著或极显著效应, 水氮互作对茎、根系及果壳 15N 积累量呈显著或极显著效应。
2.5 不同生育期干旱与氮肥施用对花生肥料氮在土壤中的残留及空间分布的影响
由表 4 可知, 不同水分条件下随着施氮量的增加, 土体中的总 15N 残留量均显著增加。各土层土壤中的残留 15N 量总体表现为随土壤深度增加而明显下降, 0~40 cm 土层中残留量最大, 其残留量占总残留量的 76.90%~92.19%。MN 条件下 15N 总残留量大小为花针期干旱胁迫>正常供水>结荚期干旱胁迫, 而 HN 条件下为结荚期干旱胁迫>花针期干旱胁迫> 正常供水。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理显著增加 20~40 cm 和 40~60 cm 土层中 15N 残留量, 分别是 WWMN 处理的 2.56 倍和 2.27 倍。与 WWHN 处理相比, FDHN 和 PDHN 处理均显著增加 60~80 cm 和 80~100 cm 土层中的 15N 残留量, 其中 PDHN 处理下 60~80 cm 土层增加幅度最大, 为 WWHN 处理的 3.26 倍。双因素方差分析表明, 水分及水氮互作对除 0~20 cm 土层 15N 残留量及总残留量无显著效应外, 对其他土层 15N 残留量均呈极显著效应, 氮肥对所有土层及总残留量均呈极显著效应。
2.6 不同生育期干旱与氮肥施用对肥料氮损失的影响
土壤肥料氮的残留量和损失量均随施肥量的增加而增加(表 5)。MN 水平下花针期干旱胁迫损失量最小, 结荚期干旱胁迫损失量最大, 而 HN水平下正常供水损失量最大。花生全生育期内肥料氮的损失率为 12.75%~32.68%。PDMN 处理下肥料氮的损失率最高, 为损失率最低 FDMN 处理的 2.56 倍。正常供水和结荚期干旱胁迫下肥料氮的损失率随施氮量的增加而降低, 而花针期干旱胁迫呈相反趋势。 FDHN 处理和 PDHN 处理下的氮肥损失率分别较 WWHN 处理降低 14.31%和 12.26%。
正常供水和结荚期干旱胁迫下氮肥施用量对肥料氮回收率无显著差异, 而花针期干旱胁迫 MN 水平显著高于 HN 水平。FDMN 处理下肥料氮的回收率最高, PDMN 处理下最低。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理下的肥料氮的回收率提高了 15.13%。表明水分对肥料氮回收率及损失率影响显著, 氮肥对 15N 损失量呈极显著效应, 水分和氮肥互作处理对肥料损失率影响亦显著。
3 讨论
3.1 产量
干旱是影响花生产量形成的重要因素之一, 全国常年因干旱引起的减产率达 20%以上[18]。不同生育期干旱胁迫对花生产量的影响不同, 有研究表明结荚期是花生水分胁迫最敏感时期, 其次为花针期和饱果期[19], 而张俊等[15]和程曦等[20]研究表明花针期干旱对荚果产量影响最大, 结荚期次之。在水分亏缺条件下适量施用氮肥可减轻干旱胁迫对作物生长发育的影响, 促进产量提高[21-22]; 而过量施用氮肥使作物叶片光合系统得不到充分的补偿效应, 影响其产量的形成[23-24]。本研究表明, 与正常供水条件相比, 不同生育期干旱胁迫均降低了花生产量, 花针期干旱胁迫降低 17.44%~33.38%, 结荚期干旱胁迫降低 9.64%~11.68%。由此表明, 花针期干旱胁迫的影响大于结荚期, 与张俊等[15]和程曦等[20]在花生中的研究相一致。开花下针为花生花生荚果形成的基础因素, 花针期干旱抑制了花生开花和下针, 减少了有效果针数量, 从而减少了花生单株荚果数, 而结荚期干旱胁对花生荚果膨大影响较大。单株荚果数对产量的影响较大, 因此花针期干旱胁迫对产量的影响大于结荚期干旱胁迫。与不施氮肥相比, 施用氮肥均促进不同水分条件下花生产量的提高, 但 MN 水平下的增加幅度大于 HN 水平。由此表明, 过量施用氮肥对产量无显著效应, 造成肥料冗余。双因素方差分析表明水分条件和氮肥水平对产量具有显著效应, 而水氮互作对产量无显著影响, 表明土壤水分和氮肥适宜条件下才能具有耦合效应, 干旱胁迫和过量施氮均影响水氮交互作用效果。
3.2 氮素吸收利用特性
土壤水分状况显著影响作物体内氮素的吸收转运特性。研究表明, 与正常供水条件相比, 同一氮素水平下干旱胁迫降低了小麦植株氮素积累量[25], 且适度减少灌水量可促进叶片中干物质向籽粒转移, 有效提高氮素转运量[26]。适量的灌水条件增加了辣椒的氮素吸收量, 且叶片中的全氮量最高[27]。土壤干旱条件下, 增施适量氮肥对小麦、棉花等作物干物质量及氮素积累量具有显著促进作用[28-29], 但过量施氮不利于氮素向生殖器官的转运[30]。本研究结果表明, 花生籽仁氮素积累量占全株氮素积累量的 68.42%~77.67%, 是氮素积累主要器官。与正常供水条件相比, 花针期和结荚期干旱胁迫均降低了花生植株氮素积累量。与 LN 水平相比, MN 水平促进了干旱胁迫下氮素向籽仁的转运。干旱胁迫降低了花生干物质积累量, 这可能是植株氮素积累量降低的主要原因, 而干旱胁迫下 MN 水平促进了同化物向生殖器官的转运, 因此提高了干旱胁迫下籽仁中的氮素积累量。花生全株的 Ndff 低于 50%, 说明花生吸收的氮素 50%以上来源于土壤和根瘤固氮, 与郑永美等[31]研究结果一致。花针期时根瘤固氮能力增强, 但此期干旱胁迫对根瘤固氮酶活性具有抑制作用。本研究表明花针期干旱胁迫下 Ndff 大于正常供水和结荚期干旱胁迫条件, 表明花针期干旱胁迫条件下因根瘤固氮量受到抑制, 肥料氮的吸收加大。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理提高了花生各器官 Ndff 和 15N 积累量, 而 PDMN 处理下籽仁 15N 积累量显著降低。表明花针期干旱胁迫下适量施用氮肥促进了肥料氮的吸收利用和向籽仁的转运。
3.3 花生生长季的氮肥损失途径
前人研究表明, 施入农田的氮肥除 35%的氮素养分被作物吸收, 其余通过氨挥发(11%)、淋洗 (2%)、反硝化(34%)、径流冲刷(5%)及其他途径(13%) 而损失[32]。玉米生长季施用的氮肥 80%左右残留在 0~40 cm 土层中, 80 cm 以下土层仅占总残留量 10% 以下[33-34]。本研究条件下, 花生生长季肥料氮的回收率在 30.20%~38.42%。各土层 15N 的残留量随土层加深而明显下降, 且 15N 残留量随施氮量的增加而显著增加, 总 15N 残留率为 37.12%~48.83%。花生全生育期内肥料氮的损失率为 12.75%~32.68%, 但其中肥料氮的氨挥发和反硝化引起的气态损失, 由于技术限定未能明确。同一氮肥水平下, 花针期干旱胁迫条件下的肥料氮回收率均高于正常供水和结荚期干旱胁迫条件。花生具有根瘤固氮作用, 水分和氮肥是影响其固氮能力的重要因素。花针期干旱胁迫和氮肥施用可能抑制了花生根瘤固氮活性, 促进了肥料氮的吸收利用, 因此提高了氮肥回收率。今后将深入研究根瘤性状与肥料氮吸收利用间的相关关系, 以阐明不同干旱胁迫时期花生对不同来源氮素的吸收利用特性。
4 结论
不同生育期干旱胁迫均降低了花生产量和氮素积累量, 且花针期干旱胁迫的降低幅度大于结荚期干旱胁迫。与其他氮肥水平相比, 同一水分条件下 MN 水平增加了花生产量和氮素积累量。与 WWMN 处理相比, FDMN 处理下花生各器官 Ndff 和 15N 积累量显著提高, 且促进了氮素向籽仁的转运, 而 PDMN 处理降低了籽仁 15N 积累量。花生生长季各土层 15N 的残留量随施氮量的增加而增加, 且花针期干旱胁迫降低了肥料氮的损失率。综合花生产量和氮肥吸收特性, 表明 90 kg hm–2 的施氮水平促进干旱胁迫下的花生产量和氮素吸收利用, 降低肥氮的损失, 是适宜的施氮水平。 ——论文作者：丁 红 徐 扬 张冠初 秦斐斐 戴良香* 张智猛*
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