摘 要: 为明确不同施氮量下糜子生长规律、产量表现以及氮素利用效率, 分析糜子形态特征与产量和氮素利用的关系, 同时确定宁夏引黄灌区麦后复种糜子的适宜施氮量, 本研究于 2019 年和 2020 年以宁糜 9 号为材料, 2019 年设 0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和 150 kg hm–2 (N3)纯氮水平, 2020 年增设 180 (N4)和 210 kg hm–2 (N5)纯氮水平, 以不施氮肥(N0)为对照在宁夏引黄灌区进行大田试验。结果表明, 施氮显著促进糜子各生育时期株高、茎粗、叶面积、根系的生长和干物质的积累, 但当施氮量超过 150 kg hm–2 时, 除茎粗和叶面积外, 其余各生长指标出现下降趋势; 根冠比随施氮量的增加呈先降低后升高再略微下降趋势, 多数生育时期在 N2 处理根冠比达最小值, 拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期分别为 0.119、0.087、0.054 和 0.052。施氮显著促进糜子产量、千粒重和穗粒数增加, 并且随施氮量的增加呈先增加后略微下降趋势, N2、N3 处理促进效果最佳; N2、N3 处理糜子产量分别为 2979.41 kg hm–2、 3084.67 kg hm–2, 较 N0 处理分别增产 76.22%、83.21%。糜子的氮素收获指数、氮肥表观回收率、农学利用率和偏生产力在 N2 处理表现较好, 分别为 60.23%、61.81%、10.77 kg kg–1、24.83 kg kg–1。进一步分析发现, 糜子产量与各生长指标显著正相关, 各生长指标之间显著正相关, 根系形态特征与氮素积累量显著正相关, 表明施氮可以通过改善糜子根系形态特征来促进氮素吸收, 进一步促进冠层的生长, 从而有利于产量的形成。因此, 适量施氮明显改善糜子生长状况、提高产量, 并且有效平衡产量和氮素利用效率。综合来看, 宁夏引黄灌区麦后复种糜子的合理施氮量为 120~150 kg hm–2。
关键词: 施氮量; 糜子; 生长; 产量; 氮素利用
作物产量的形成与生长发育密切相关, 而氮素供应被认为是影响植株生长发育的关键因素。氮素供应能够显著促进根系的生长, 提高根系吸收养分的潜力, 从而能够提高养分利用效率[1]; 而氮素对植株地上部生长的影响可直接反映在形态参数和干物质积累的变化, 而株高、茎粗、叶面积等常作为评价作物冠层生长发育的重要参数。近年来, 大量研究表明, 施氮能够明显促进作物根系与冠层的生长发育, 协调作物的地上和地下部生长, 有利于提高经济产量和养分利用效率, 但过量施氮会导致作物生育后期营养生长旺盛, 致使光合同化产物向经济器官分配比例降低, 甚至导致产量降低、品质下降, 肥料利用率降低[2-6], 这不仅增加了无效投入和资源浪费, 更导致了一系列环境问题[7]。总的来看, 施用氮肥是农业生产中满足作物氮素需求的有效手段[8], 而不同作物或同种作物在不同环境条件的适宜施氮量不尽相同。因此, 特定区域、特定作物的氮肥合理施用量亟需确立, 这对充分保障粮食有效供给的同时保证农业的绿色高效可持续发展具有重要意义。
糜子(Panicum miliaceum L.)是我国干旱、半干旱区主要作物之一, 因其生育期短、生长迅速、适应性强, 是理想的复种作物, 在我国北方旱区种植业结构调整和优化中占有重要地位[9-11]。对于糜子冠层生长和产量对施氮的响应已有报道[12-16], 研究表明, 氮肥是影响糜子生长和产量的关键因子, 施氮能够改善糜子生长状况、显著提高生育后期干物质积累以及对籽粒的贡献, 从而有利于提高产量; 然而受土壤环境、品种基因型以及气候条件的影响, 不同种植模式和区域条件下糜子适宜施氮量存在差异。而针对施氮量对根系生长的影响以及与产量和氮素利用之间关系, 相关研究主要集中在水稻[17-19]、小麦[20-21]、玉米[22]等大宗作物上, 对糜子的研究集中在苗期水培试验上[23-24], 而在田间条件下全生育期的研究鲜有报道。本研究通过分析不同施氮量下糜子关键生育时期冠层和根系的生长规律、产量表现和氮素利用效率, 探讨冠层和根系特征与糜子产量以及氮素利用的关系, 明确适宜施氮量, 为生产上糜子的减肥增产提供技术支持。
宁夏引黃灌区是重要的粮食生产基地, 该区域春小麦对宁夏回族自治区的粮食贡献率在 30%以上[25], 而春小麦收获后光热土地资源利用率较低; 同时, 随着气候变暖[26]和春小麦早熟优良品种的选育, 这为该区域构建麦后复种模式提供了客观基础。前人对该区域麦后复种的研究主要在油菜[27-28]、牧草[29], 而刘超[30]对各复种模式进行评价表明, 麦后复种蔬菜和小杂粮的经济效益最好, 宜大面积推广。本研究在不打乱宁夏引黄灌区现有种植制度的情况下, 利用春小麦收获后复种糜子, 并通过田间试验综合分析提出麦后复种糜子的高效施氮量, 旨在充分利用光热土地资源、挖掘农田增产潜力, 为该区域高效复种制度的绿色发展提供理论依据和技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
于 2019 年 7 月至 10 月和 2020 年 7 月至 10 月在宁夏回族自治区银川市西夏区平吉堡农场 (106°01′54′′E, 38°25′21′′N)进行大田试验。该区域地处宁夏引黄灌区, 海拔 1170 m, 年平均降水 180~220 mm, 主要集中在 7 月至 9 月, 年平均气温 8~9 , ℃ 昼夜温差较大。
前茬春小麦品种为宁春 50, 施氮量为 225 kg hm–2 纯氮, 为当地常规氮肥施用量; 本试验以春小麦复种的糜子为研究对象, 供试材料为中熟偏早品种宁糜 9 号, 行距 30 cm 条播, 播深 3~5 cm, 播量 22 kg hm–2。试验地土壤为淡灰钙土, 2019 年播种前耕层 (0~20 cm)土壤 pH 为 8.59, 含有机质 13.73 g kg–1、全氮 0.63 g kg–1、全磷 0.69 g kg–1、铵态氮 1.03 mg kg–1、硝态氮 4.62 mg kg–1、速效磷 10.80 mg kg–1、速效钾 143.61 mg kg–1; 2020 年播种前耕层(0~20 cm)土壤 pH 8.90, 含有机质 13.05 g kg–1、全氮 0.80 g kg–1、全磷 0.74 g kg–1、铵态氮 0.96 mg kg–1、硝态氮 4.30 mg kg–1、速效磷 13.39 mg kg–1、速效钾 142.09 mg kg–1。
1.2 试验设计
采用单因素随机区组设计, 2019 年设 4 个施氮处理, 分别为纯氮 0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和 150 kg hm–2 (N3); 2020 年设 6 个施氮处理, 在 2019 年基础上增设纯氮 180 (N4)和 210 kg hm–2 (N5) 2 个处理; 各处理配施 90 kg hm–2 P2O5 和 70 kg hm–2 K2O, 肥料在播种前统一基施。施用氮、磷、钾肥分别为化学肥料尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 12%)和硫酸钾(K2O 50%); 小区面积 15 m2 (5 m3 m), 相邻小区之间起垄宽 0.5 m, 3 次重复, 重复之间留 1 m 宽过道; 处理之间除施氮量外, 其余田间管理均一致, 按照国家糜子品种区域试验要求进行。
糜子 2 年播种时间均为 7 月 17 日, 播种后立即灌水确保出苗, 抽穗前根据土壤墒情适时补灌, 2019 年和 2020 年总灌水量分别为 1134 m3 hm–2 和 898 m3 hm–2(依据田间水表读数计算), 灌溉方式为滴灌。糜子穗基部籽粒进入蜡熟期后收获, 收获时间分别为 2019 年 10 月 17 日和 2020 年 10 月 14 日。糜子生育期内, 2019 年和 2020 年降水量分别为 34.3 mm 和 116.8 mm, 2 年试验期内日均气温和降水见图 1。
1.3 测定项目及方法
1.3.1 形态指标 在糜子拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期(图 1中黑色箭头标识的时间节点), 每小区随机选取 3 株长势一致、具有代表性的糜子整株连根挖出; 用清水冲洗掉根系泥土后用数字化扫描仪(ScanMaker i800 plus, China)扫描获得完整根系图片, 然后用专业根系分析系统(万深 LA-S 植物根系分析系统, 中国)定量分析根系形态特征; 同时, 用刻度尺测量其株高、数显游标卡尺测量茎粗, 并测量每片叶子的长度和最大宽度用于计算叶面积, 即单株叶面积为每片叶长度、最大宽度和校正系数 0.68[31]乘积的累计值。
1.3.2 干物质与氮素积累 在糜子拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期, 每个小区内随机选取 10 株长势一致、具有代表性的糜子整株连根挖出, 将植株按不同器官分别置于 105℃烘箱杀青 30 min, 再在 80℃下烘干至恒重, 用天平称量各器官干重, 并将其粉碎过筛, 经 H2SO4-H2O2 消解后采用连续流动分析仪(AA3, SEAL Analytical, Germany)测定全氮含量。氮素利用相关参数计算方法[32-33]如下:
氮素收获指数(NHI, %) = [籽粒氮素积累量 (kg hm–2)/植株氮素积累量(kg hm–2)]×100
氮肥表观回收率(NRE, %) = [(施氮区植株地上部氮素积累量不施氮区植株地上部氮素积累量) (kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)]×100
氮肥农学利用率(NAE, kg kg–1) = (施氮区籽粒产量不施氮区籽粒产量)(kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)
氮肥偏生产力 (NPFP, kg kg–1) = 籽粒产量 (kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)
1.3.3 产量及其构成因素 成熟期在每个小区内选取长势一致的 3 株糜子测定穗长、单株穗粒数, 同时在每个小区选取长势均匀的 1 m2 样方统计株数、穗数, 并将该样方内所有穗剪下脱粒风干称重, 测定产量和千粒重。
1.4 数据处理
用 Microsoft Excel 2016 整理试验数据; 用 IBM SPSS Statistics 22 进行方差分析和相关性分析, 采用 SPSS 中一般线性模型进行多因素方差分析, 施氮和年份作为固定因子, 生育时期作为协变量; 采用最小显著性差异法(LSD)进行多重比较; 用 Origin 2020 进行回归分析并绘制图表。
2 结果与分析
2.1 施氮量对麦后复种糜子地上部形态特征的影响
由图 2 可知, 随着生育时期的推进, 各处理糜子的株高和茎粗均呈现逐渐增加趋势, 成熟期达到最大值; 而叶面积生长动态表现为先增加后降低的趋势, 在抽穗期达到最大值后逐渐降低。方差分析结果表明, 株高和茎粗受到施氮和年份显著影响, 叶面积受到施氮的影响显著。
2019 年, 糜子的株高、茎粗和叶面积均随施氮量的增加逐渐增加, 在 N3 处理达到最大值; 几乎所有生育时期, 株高和叶面积表现为 N1、N2、N3 处理显著高于 N0, N1 处理显著低于 N3 处理, 而 N2、 N3 处理间无显著差异。然而, 所有生育时期糜子茎粗均表现为 N1、N2、N3 处理显著高于 N0, 而 N1、N2、N3 处理间无显著差异。与 N0 相比, N1、N2、 N3 处理各生育时期糜子株高平均增加 31.49%、 51.10%、56.07%, 茎粗平均增加 21.07%、28.97%、 30.99%, 叶面积平均增加 52.49%、79.91%、85.52% (图 2-A, C, E)。
2020 年, 各生育时期糜子株高随施氮量的增加表现为先增高后略微下降趋势, N2 处理最高, 而茎粗和叶面积变化趋势与 2019 年一致, 随施氮量的增加逐渐增加, 在 N5 处理达到最大值。在所有生育时期, 株高、茎粗和叶面积均表现为 N2、N3、N4 和 N5 显著高于 N0 处理; 同时, N2、N3 和 N4 的株高无显著差异, N2、N3、N4 和 N5 的茎粗和叶面积无显著差异。多数生育时期, N1、N5 处理株高显著低于 N2 处理, N1 处理茎粗显著低于 N5 处理, N1 处理叶面积显著低于 N4、N5 处理。与 N0 相比, N1、N2、 N3、N4、N5 处理各生育时期糜子株高平均增加 43.61%、62.85%、60.46%、54.08%、49.04%, 茎粗平均增加 13.89%、22.87%、25.09%、25.15%、27.49%, 叶面积平均增加 52.49%、79.91%、85.52%、86.42%、 98.23% (图 2-B, D, F)。
2 年结果表明, 施氮显著促进糜子关键生育时期株高、茎粗和叶面积的生长; 随着施氮量的增加, 株高先增加后略微下降, N2、N3 促进效果最佳; 茎粗和叶面积随施氮量逐渐增加, 但当施氮量超过 90 kg hm2 时, 各处理无显著差异。
2.2 施氮量对麦后复种糜子根系形态的影响
由图 3 可知, 糜子的单株总根长和总根表面积随生育进程的推进表现为先增大后逐渐减小的动态趋势; 总根体积表现为随生育时期的推进先逐渐增加, 抽穗后基本保持稳定的趋势; 而根平均直径随生育进程逐渐增加, 成熟期达到最大值。方差分析表明, 施氮和年份显著影响糜子的单株总根长、总根表面积、总根体积以及根平均直径的变化。
2019 年, 各生育时期糜子总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径均随施氮量的增加而增大, N3 处理达到最大值。在所有生育时期, N1、N2、N3 处理的总根长和总根体积显著大于 N0 处理, N2、N3 处理的总根表面积显著大于 N0 处理, 但 N2、N3 处理间无显著差异。而根平均直径各时期均表现为 N1、N2、N3 处理间无显著差异, 拔节期和成熟期 N2、N3 显著大于 N0 处理。与 N0 相比, N1、N2、 N3 处理各生育时期糜子总根长平均增加 21.13%、 35.20%、41.31%, 总根表面积平均增加 37.44%、 54.73%、 62.12%, 总根体积平均增加 73.12%、 109.74%、130.56%, 根平均直径平均增加 5.91%、 9.55%、10.71% (图 3-A, C, E, G)。
2020 年, 各生育时期总根长、总根表面积、总根体积和根平均直径随施氮量的增加基本呈现出先增加后略微降低的趋势, 多数生育时期各指标最大值出现在 N3 处理。在几乎所有生育时期, N2、N3、 N4、N5 处理总根长和根平均直径显著大于 N0 处理, N1、N2、N3、N4、N5 处理总根表面积和总根体积显著大于 N0 处理, 而各指标在 N2、N3、N4、N5 处理间无显著差异。与 N0 相比, N1、N2、N3、N4、 N5 处理各生育时期糜子总根长平均增加 29.67%、 43.89%、48.27%、44.46%、40.48%, 总根表面积平均增加 42.28%、63.86%、66.25%、64.44%、59.96%, 总根体积平均增加 84.05%、129.93%、139.61%、 135.20%、122.94%, 根平均直径平均增加 7.64%、 12.31%、14.56%、14.92%、15.47% (图 3-B, D, F, H)。
相关知识推荐：农业方面出刊快的期刊推荐
综合 2 年结果, 施氮显著促进糜子关键生育时期单株总根长、总根表面积、总根体积和根系平均直径的增加; 各指标随着施氮量的增加基本呈先增加后略微下降趋势, N3 促进效果最佳; 但当施氮量超过 90 kg hm–2 时, 各处理无显著差异。
2.3 施氮量对麦后复种糜子干物质积累与分配的影响
2.3.1 不同施氮量下糜子根系和地上部干物质积累量变化 由图 4 可知, 随着生育时期的推进, 各处理糜子根系和地上部干物质积累量逐渐增加, 成熟期达到最大值。同样, 根干物质积累量和地上部干物质积累量也均受到施氮和年份的显著影响。
在 2019 年, 糜子单株根干物质积累量和地上部干物质积累量均随施氮量的增加而增加。除拔节期外, 其余生育时期根干物质积累量 N2、N3 显著高于 N0、N1 处理, N2、N3 处理间无显著差异; 地上部干物质积累量 N2、N3 显著高于 N0 处理, N2、N3 处理间无显著差异。在抽穗期和成熟期, N1 处理根干物质积累量显著高于 N0 处理; 在灌浆期和成熟期, N1 处理地上部干物质积累量显著低于 N2、N3 处理。与 N0 相比, N1、N2、N3 处理各生育时期糜子根干物质积累量平均增加 35.04%、63.38%、79.02%, 地上部干物质积累量平均增加 54.25%、108.42%、 113.01% (图 4-A, C)。
2020 年, 几乎所有生育时期, 糜子根干物质积累量和地上部干物质积累量表现为随施氮量的增加先增加后略微下降趋势。除拔节期外, 其余各时期根干物质积累量和地上部干物质积累量 N1、N2、 N3、N4、N5 显著高于 N0 处理, 而 N2、N3、N4、 N5 处理间无显著差异。在抽穗期和成熟期, N1 处理根干物质积累量显著低于 N2、N3、N4 处理; 在成熟期, N1 处理地上部干物质积累量显著低于 N2、 N3、N4、N5 处理。与 N0 相比, N1、N2、N3、N4、 N5 处理各生育时期糜子根干物质积累量平均增加 54.84%、88.56%、96.95%、98.81%、93.46%, 地上部干物质积累量平均增加 70.43% 、 120.98% 、 106.00%、104.78%、114.19% (图 4-B, D)。
2 年结果表明, 施氮显著促进除拔节期外其余各生育时期糜子根系和地上部干物质的积累, 促进效果在 N2、N3 处理表现较好; 而当施氮量超过 90 kg hm–2 时, 各处理无显著差异。
2.3.2 不同施氮量下糜子根冠比变化 根冠比反映了植株生长发育以及根系与地上部的协调性, 也是衡量作物对环境因素(如养分供应)响应的重要指标。随着生育时期的推进, 各处理根冠比基本表现为逐渐降低的趋势(图 4-E, F); 拔节期对施氮量的响应最为敏感, 与根和地上部干物质积累量(图 4-A~D) 正好相反。2019 年, 各生育时期根冠比随施氮量的增加呈现先降低后升高的趋势, 在 N2 处理出现最小值; 除抽穗期外, 其余时期 N2 处理根冠比显著小于 N0; 在拔节期 , 各处理间差异显著 , 表现为 N0>N1>N3>N2。2020 年, 根冠比随施氮量的增加呈现先降低后升高再略微降低的“波浪形”趋势; 与 2019 年结果相似, 除成熟期外其余时期根冠比均在 N2 处理出现最小值; 各时期均呈现 N3、N4、N5 处理之间无显著差异的规律; 在拔节期, 各处理根冠比大小表现为 N0>N1、N3、N4、N5>N2。综合 2 年结果, 糜子拔节期根冠比对施氮量的响应最为敏感, 多数生育时期根冠比在 N2 处理达最小值。——论文作者：谢呈辉 1,2 马海曌 1,2 许宏伟 1,2 徐郗阳 1,2 阮国兵 1,2 郭峥岩 1,2 宁永培 1,2 冯永忠 1,2 杨改河 1,2 任广鑫 1,2,*
