施氮量對寧夏引黃灌區麥后復種糜子生長、產量及氮素利用的影響

發布時間：2022-03-05所屬分類：農業論文瀏覽：1次

摘 要： 摘 要: 為明確不同施氮量下糜子生長規律、產量表現以及氮素利用效率, 分析糜子形態特征與產量和氮素利用的關系, 同時確定寧夏引黃灌區麥后復種糜子的適宜施氮量, 本研究于 2019 年和 2020 年以寧糜 9 號為材料, 2019 年設 0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和 150 kg hm2 (N3)

　　摘 要: 為明確不同施氮量下糜子生長規律、產量表現以及氮素利用效率, 分析糜子形態特征與產量和氮素利用的關系, 同時確定寧夏引黃灌區麥后復種糜子的適宜施氮量, 本研究于 2019 年和 2020 年以寧糜 9 號為材料, 2019 年設 0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和 150 kg hm–2 (N3)純氮水平, 2020 年增設 180 (N4)和 210 kg hm–2 (N5)純氮水平, 以不施氮肥(N0)為對照在寧夏引黃灌區進行大田試驗。結果表明, 施氮顯著促進糜子各生育時期株高、莖粗、葉面積、根系的生長和干物質的積累, 但當施氮量超過 150 kg hm–2 時, 除莖粗和葉面積外, 其余各生長指標出現下降趨勢; 根冠比隨施氮量的增加呈先降低后升高再略微下降趨勢, 多數生育時期在 N2 處理根冠比達最小值, 拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期分別為 0.119、0.087、0.054 和 0.052。施氮顯著促進糜子產量、千粒重和穗粒數增加, 并且隨施氮量的增加呈先增加后略微下降趨勢, N2、N3 處理促進效果最佳; N2、N3 處理糜子產量分別為 2979.41 kg hm–2、 3084.67 kg hm–2, 較 N0 處理分別增產 76.22%、83.21%。糜子的氮素收獲指數、氮肥表觀回收率、農學利用率和偏生產力在 N2 處理表現較好, 分別為 60.23%、61.81%、10.77 kg kg–1、24.83 kg kg–1。進一步分析發現, 糜子產量與各生長指標顯著正相關, 各生長指標之間顯著正相關, 根系形態特征與氮素積累量顯著正相關, 表明施氮可以通過改善糜子根系形態特征來促進氮素吸收, 進一步促進冠層的生長, 從而有利于產量的形成。因此, 適量施氮明顯改善糜子生長狀況、提高產量, 并且有效平衡產量和氮素利用效率。綜合來看, 寧夏引黃灌區麥后復種糜子的合理施氮量為 120~150 kg hm–2。

　　關鍵詞: 施氮量; 糜子; 生長; 產量; 氮素利用

　　作物產量的形成與生長發育密切相關, 而氮素供應被認為是影響植株生長發育的關鍵因素。氮素供應能夠顯著促進根系的生長, 提高根系吸收養分的潛力, 從而能夠提高養分利用效率[1]; 而氮素對植株地上部生長的影響可直接反映在形態參數和干物質積累的變化, 而株高、莖粗、葉面積等常作為評價作物冠層生長發育的重要參數。近年來, 大量研究表明, 施氮能夠明顯促進作物根系與冠層的生長發育, 協調作物的地上和地下部生長, 有利于提高經濟產量和養分利用效率, 但過量施氮會導致作物生育后期營養生長旺盛, 致使光合同化產物向經濟器官分配比例降低, 甚至導致產量降低、品質下降, 肥料利用率降低[2-6], 這不僅增加了無效投入和資源浪費, 更導致了一系列環境問題[7]。總的來看, 施用氮肥是農業生產中滿足作物氮素需求的有效手段[8], 而不同作物或同種作物在不同環境條件的適宜施氮量不盡相同。因此, 特定區域、特定作物的氮肥合理施用量亟需確立, 這對充分保障糧食有效供給的同時保證農業的綠色高效可持續發展具有重要意義。

　　糜子(Panicum miliaceum L.)是我國干旱、半干旱區主要作物之一, 因其生育期短、生長迅速、適應性強, 是理想的復種作物, 在我國北方旱區種植業結構調整和優化中占有重要地位[9-11]。對于糜子冠層生長和產量對施氮的響應已有報道[12-16], 研究表明, 氮肥是影響糜子生長和產量的關鍵因子, 施氮能夠改善糜子生長狀況、顯著提高生育后期干物質積累以及對籽粒的貢獻, 從而有利于提高產量; 然而受土壤環境、品種基因型以及氣候條件的影響, 不同種植模式和區域條件下糜子適宜施氮量存在差異。而針對施氮量對根系生長的影響以及與產量和氮素利用之間關系, 相關研究主要集中在水稻[17-19]、小麥[20-21]、玉米[22]等大宗作物上, 對糜子的研究集中在苗期水培試驗上[23-24], 而在田間條件下全生育期的研究鮮有報道。本研究通過分析不同施氮量下糜子關鍵生育時期冠層和根系的生長規律、產量表現和氮素利用效率, 探討冠層和根系特征與糜子產量以及氮素利用的關系, 明確適宜施氮量, 為生產上糜子的減肥增產提供技術支持。

　　寧夏引黃灌區是重要的糧食生產基地, 該區域春小麥對寧夏回族自治區的糧食貢獻率在 30%以上[25], 而春小麥收獲后光熱土地資源利用率較低; 同時, 隨著氣候變暖[26]和春小麥早熟優良品種的選育, 這為該區域構建麥后復種模式提供了客觀基礎。前人對該區域麥后復種的研究主要在油菜[27-28]、牧草[29], 而劉超[30]對各復種模式進行評價表明, 麥后復種蔬菜和小雜糧的經濟效益最好, 宜大面積推廣。本研究在不打亂寧夏引黃灌區現有種植制度的情況下, 利用春小麥收獲后復種糜子, 并通過田間試驗綜合分析提出麥后復種糜子的高效施氮量, 旨在充分利用光熱土地資源、挖掘農田增產潛力, 為該區域高效復種制度的綠色發展提供理論依據和技術支持。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區概況

　　于 2019 年 7 月至 10 月和 2020 年 7 月至 10 月在寧夏回族自治區銀川市西夏區平吉堡農場 (106°01′54′′E, 38°25′21′′N)進行大田試驗。該區域地處寧夏引黃灌區, 海拔 1170 m, 年平均降水 180~220 mm, 主要集中在 7 月至 9 月, 年平均氣溫 8~9 , ℃ 晝夜溫差較大。

　　前茬春小麥品種為寧春 50, 施氮量為 225 kg hm–2 純氮, 為當地常規氮肥施用量; 本試驗以春小麥復種的糜子為研究對象, 供試材料為中熟偏早品種寧糜 9 號, 行距 30 cm 條播, 播深 3~5 cm, 播量 22 kg hm–2。試驗地土壤為淡灰鈣土, 2019 年播種前耕層 (0~20 cm)土壤 pH 為 8.59, 含有機質 13.73 g kg–1、全氮 0.63 g kg–1、全磷 0.69 g kg–1、銨態氮 1.03 mg kg–1、硝態氮 4.62 mg kg–1、速效磷 10.80 mg kg–1、速效鉀 143.61 mg kg–1; 2020 年播種前耕層(0~20 cm)土壤 pH 8.90, 含有機質 13.05 g kg–1、全氮 0.80 g kg–1、全磷 0.74 g kg–1、銨態氮 0.96 mg kg–1、硝態氮 4.30 mg kg–1、速效磷 13.39 mg kg–1、速效鉀 142.09 mg kg–1。

　　1.2 試驗設計

　　采用單因素隨機區組設計, 2019 年設 4 個施氮處理, 分別為純氮 0 (N0)、90 (N1)、120 (N2)和 150 kg hm–2 (N3); 2020 年設 6 個施氮處理, 在 2019 年基礎上增設純氮 180 (N4)和 210 kg hm–2 (N5) 2 個處理; 各處理配施 90 kg hm–2 P2O5 和 70 kg hm–2 K2O, 肥料在播種前統一基施。施用氮、磷、鉀肥分別為化學肥料尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O5 12%)和硫酸鉀(K2O 50%); 小區面積 15 m2 (5 m3 m), 相鄰小區之間起壟寬 0.5 m, 3 次重復, 重復之間留 1 m 寬過道; 處理之間除施氮量外, 其余田間管理均一致, 按照國家糜子品種區域試驗要求進行。

　　糜子 2 年播種時間均為 7 月 17 日, 播種后立即灌水確保出苗, 抽穗前根據土壤墑情適時補灌, 2019 年和 2020 年總灌水量分別為 1134 m3 hm–2 和 898 m3 hm–2(依據田間水表讀數計算), 灌溉方式為滴灌。糜子穗基部籽粒進入蠟熟期后收獲, 收獲時間分別為 2019 年 10 月 17 日和 2020 年 10 月 14 日。糜子生育期內, 2019 年和 2020 年降水量分別為 34.3 mm 和 116.8 mm, 2 年試驗期內日均氣溫和降水見圖 1。

　　1.3 測定項目及方法

　　1.3.1 形態指標 在糜子拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期(圖 1中黑色箭頭標識的時間節點), 每小區隨機選取 3 株長勢一致、具有代表性的糜子整株連根挖出; 用清水沖洗掉根系泥土后用數字化掃描儀(ScanMaker i800 plus, China)掃描獲得完整根系圖片, 然后用專業根系分析系統(萬深 LA-S 植物根系分析系統, 中國)定量分析根系形態特征; 同時, 用刻度尺測量其株高、數顯游標卡尺測量莖粗, 并測量每片葉子的長度和最大寬度用于計算葉面積, 即單株葉面積為每片葉長度、最大寬度和校正系數 0.68[31]乘積的累計值。

　　1.3.2 干物質與氮素積累 在糜子拔節期、抽穗期、灌漿期和成熟期, 每個小區內隨機選取 10 株長勢一致、具有代表性的糜子整株連根挖出, 將植株按不同器官分別置于 105℃烘箱殺青 30 min, 再在 80℃下烘干至恒重, 用天平稱量各器官干重, 并將其粉碎過篩, 經 H2SO4-H2O2 消解后采用連續流動分析儀(AA3, SEAL Analytical, Germany)測定全氮含量。氮素利用相關參數計算方法[32-33]如下:

　　氮素收獲指數(NHI, %) = [籽粒氮素積累量 (kg hm–2)/植株氮素積累量(kg hm–2)]×100

　　氮肥表觀回收率(NRE, %) = [(施氮區植株地上部氮素積累量不施氮區植株地上部氮素積累量) (kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)]×100

　　氮肥農學利用率(NAE, kg kg–1) = (施氮區籽粒產量不施氮區籽粒產量)(kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)

　　氮肥偏生產力 (NPFP, kg kg–1) = 籽粒產量 (kg hm–2)/施氮量(kg hm–2)

　　1.3.3 產量及其構成因素 成熟期在每個小區內選取長勢一致的 3 株糜子測定穗長、單株穗粒數, 同時在每個小區選取長勢均勻的 1 m2 樣方統計株數、穗數, 并將該樣方內所有穗剪下脫粒風干稱重, 測定產量和千粒重。

　　1.4 數據處理

　　用 Microsoft Excel 2016 整理試驗數據; 用 IBM SPSS Statistics 22 進行方差分析和相關性分析, 采用 SPSS 中一般線性模型進行多因素方差分析, 施氮和年份作為固定因子, 生育時期作為協變量; 采用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較; 用 Origin 2020 進行回歸分析并繪制圖表。

　　2 結果與分析

　　2.1 施氮量對麥后復種糜子地上部形態特征的影響

　　由圖 2 可知, 隨著生育時期的推進, 各處理糜子的株高和莖粗均呈現逐漸增加趨勢, 成熟期達到最大值; 而葉面積生長動態表現為先增加后降低的趨勢, 在抽穗期達到最大值后逐漸降低。方差分析結果表明, 株高和莖粗受到施氮和年份顯著影響, 葉面積受到施氮的影響顯著。

　　2019 年, 糜子的株高、莖粗和葉面積均隨施氮量的增加逐漸增加, 在 N3 處理達到最大值; 幾乎所有生育時期, 株高和葉面積表現為 N1、N2、N3 處理顯著高于 N0, N1 處理顯著低于 N3 處理, 而 N2、 N3 處理間無顯著差異。然而, 所有生育時期糜子莖粗均表現為 N1、N2、N3 處理顯著高于 N0, 而 N1、N2、N3 處理間無顯著差異。與 N0 相比, N1、N2、 N3 處理各生育時期糜子株高平均增加 31.49%、 51.10%、56.07%, 莖粗平均增加 21.07%、28.97%、 30.99%, 葉面積平均增加 52.49%、79.91%、85.52% (圖 2-A, C, E)。

　　2020 年, 各生育時期糜子株高隨施氮量的增加表現為先增高后略微下降趨勢, N2 處理最高, 而莖粗和葉面積變化趨勢與 2019 年一致, 隨施氮量的增加逐漸增加, 在 N5 處理達到最大值。在所有生育時期, 株高、莖粗和葉面積均表現為 N2、N3、N4 和 N5 顯著高于 N0 處理; 同時, N2、N3 和 N4 的株高無顯著差異, N2、N3、N4 和 N5 的莖粗和葉面積無顯著差異。多數生育時期, N1、N5 處理株高顯著低于 N2 處理, N1 處理莖粗顯著低于 N5 處理, N1 處理葉面積顯著低于 N4、N5 處理。與 N0 相比, N1、N2、 N3、N4、N5 處理各生育時期糜子株高平均增加 43.61%、62.85%、60.46%、54.08%、49.04%, 莖粗平均增加 13.89%、22.87%、25.09%、25.15%、27.49%, 葉面積平均增加 52.49%、79.91%、85.52%、86.42%、 98.23% (圖 2-B, D, F)。

　　2 年結果表明, 施氮顯著促進糜子關鍵生育時期株高、莖粗和葉面積的生長; 隨著施氮量的增加, 株高先增加后略微下降, N2、N3 促進效果最佳; 莖粗和葉面積隨施氮量逐漸增加, 但當施氮量超過 90 kg hm2 時, 各處理無顯著差異。

　　2.2 施氮量對麥后復種糜子根系形態的影響

　　由圖 3 可知, 糜子的單株總根長和總根表面積隨生育進程的推進表現為先增大后逐漸減小的動態趨勢; 總根體積表現為隨生育時期的推進先逐漸增加, 抽穗后基本保持穩定的趨勢; 而根平均直徑隨生育進程逐漸增加, 成熟期達到最大值。方差分析表明, 施氮和年份顯著影響糜子的單株總根長、總根表面積、總根體積以及根平均直徑的變化。

　　2019 年, 各生育時期糜子總根長、總根表面積、總根體積和根平均直徑均隨施氮量的增加而增大, N3 處理達到最大值。在所有生育時期, N1、N2、N3 處理的總根長和總根體積顯著大于 N0 處理, N2、N3 處理的總根表面積顯著大于 N0 處理, 但 N2、N3 處理間無顯著差異。而根平均直徑各時期均表現為 N1、N2、N3 處理間無顯著差異, 拔節期和成熟期 N2、N3 顯著大于 N0 處理。與 N0 相比, N1、N2、 N3 處理各生育時期糜子總根長平均增加 21.13%、 35.20%、41.31%, 總根表面積平均增加 37.44%、 54.73%、 62.12%, 總根體積平均增加 73.12%、 109.74%、130.56%, 根平均直徑平均增加 5.91%、 9.55%、10.71% (圖 3-A, C, E, G)。

　　2020 年, 各生育時期總根長、總根表面積、總根體積和根平均直徑隨施氮量的增加基本呈現出先增加后略微降低的趨勢, 多數生育時期各指標最大值出現在 N3 處理。在幾乎所有生育時期, N2、N3、 N4、N5 處理總根長和根平均直徑顯著大于 N0 處理, N1、N2、N3、N4、N5 處理總根表面積和總根體積顯著大于 N0 處理, 而各指標在 N2、N3、N4、N5 處理間無顯著差異。與 N0 相比, N1、N2、N3、N4、 N5 處理各生育時期糜子總根長平均增加 29.67%、 43.89%、48.27%、44.46%、40.48%, 總根表面積平均增加 42.28%、63.86%、66.25%、64.44%、59.96%, 總根體積平均增加 84.05%、129.93%、139.61%、 135.20%、122.94%, 根平均直徑平均增加 7.64%、 12.31%、14.56%、14.92%、15.47% (圖 3-B, D, F, H)。

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　　綜合 2 年結果, 施氮顯著促進糜子關鍵生育時期單株總根長、總根表面積、總根體積和根系平均直徑的增加; 各指標隨著施氮量的增加基本呈先增加后略微下降趨勢, N3 促進效果最佳; 但當施氮量超過 90 kg hm–2 時, 各處理無顯著差異。

　　2.3 施氮量對麥后復種糜子干物質積累與分配的影響

　　2.3.1 不同施氮量下糜子根系和地上部干物質積累量變化 由圖 4 可知, 隨著生育時期的推進, 各處理糜子根系和地上部干物質積累量逐漸增加, 成熟期達到最大值。同樣, 根干物質積累量和地上部干物質積累量也均受到施氮和年份的顯著影響。

　　在 2019 年, 糜子單株根干物質積累量和地上部干物質積累量均隨施氮量的增加而增加。除拔節期外, 其余生育時期根干物質積累量 N2、N3 顯著高于 N0、N1 處理, N2、N3 處理間無顯著差異; 地上部干物質積累量 N2、N3 顯著高于 N0 處理, N2、N3 處理間無顯著差異。在抽穗期和成熟期, N1 處理根干物質積累量顯著高于 N0 處理; 在灌漿期和成熟期, N1 處理地上部干物質積累量顯著低于 N2、N3 處理。與 N0 相比, N1、N2、N3 處理各生育時期糜子根干物質積累量平均增加 35.04%、63.38%、79.02%, 地上部干物質積累量平均增加 54.25%、108.42%、 113.01% (圖 4-A, C)。

　　2020 年, 幾乎所有生育時期, 糜子根干物質積累量和地上部干物質積累量表現為隨施氮量的增加先增加后略微下降趨勢。除拔節期外, 其余各時期根干物質積累量和地上部干物質積累量 N1、N2、 N3、N4、N5 顯著高于 N0 處理, 而 N2、N3、N4、 N5 處理間無顯著差異。在抽穗期和成熟期, N1 處理根干物質積累量顯著低于 N2、N3、N4 處理; 在成熟期, N1 處理地上部干物質積累量顯著低于 N2、 N3、N4、N5 處理。與 N0 相比, N1、N2、N3、N4、 N5 處理各生育時期糜子根干物質積累量平均增加 54.84%、88.56%、96.95%、98.81%、93.46%, 地上部干物質積累量平均增加 70.43% 、 120.98% 、 106.00%、104.78%、114.19% (圖 4-B, D)。

　　2 年結果表明, 施氮顯著促進除拔節期外其余各生育時期糜子根系和地上部干物質的積累, 促進效果在 N2、N3 處理表現較好; 而當施氮量超過 90 kg hm–2 時, 各處理無顯著差異。

　　2.3.2 不同施氮量下糜子根冠比變化 根冠比反映了植株生長發育以及根系與地上部的協調性, 也是衡量作物對環境因素(如養分供應)響應的重要指標。隨著生育時期的推進, 各處理根冠比基本表現為逐漸降低的趨勢(圖 4-E, F); 拔節期對施氮量的響應最為敏感, 與根和地上部干物質積累量(圖 4-A~D) 正好相反。2019 年, 各生育時期根冠比隨施氮量的增加呈現先降低后升高的趨勢, 在 N2 處理出現最小值; 除抽穗期外, 其余時期 N2 處理根冠比顯著小于 N0; 在拔節期 , 各處理間差異顯著 , 表現為 N0>N1>N3>N2。2020 年, 根冠比隨施氮量的增加呈現先降低后升高再略微降低的“波浪形”趨勢; 與 2019 年結果相似, 除成熟期外其余時期根冠比均在 N2 處理出現最小值; 各時期均呈現 N3、N4、N5 處理之間無顯著差異的規律; 在拔節期, 各處理根冠比大小表現為 N0>N1、N3、N4、N5>N2。綜合 2 年結果, 糜子拔節期根冠比對施氮量的響應最為敏感, 多數生育時期根冠比在 N2 處理達最小值。——論文作者：謝呈輝 1,2 馬海曌 1,2 許宏偉 1,2 徐郗陽 1,2 阮國兵 1,2 郭崢巖 1,2 寧永培 1,2 馮永忠 1,2 楊改河 1,2 任廣鑫 1,2,*