施肥对新疆红花莲座期生长及N、P化学计量的影响

蒋静，张霞，马晓丽，王绍明

（石河子大学生命科学学院，石河子 832003）

生态化学计量学是一门研究生长速率理论和元素平衡理论的科学，是生态学研究领域新兴的一个方向［1］。近年来，C、N、P 生态化学计量特征作为研究植物养分利用状况的重要手段［2］，使得陆地植物的C、N、P及其生态化学计量研究越来越受到学者们的关注，也使得植物与土壤C、N、P相关性及植物生长与养分供应关系的研究成为可能［3-4］。

植物各器官元素的化学计量从生态学角度把植物营养状况和环境联系了起来，能帮助研究者更好的探究环境对植物器官的影响机制［5］，陆生植物N、P环境主要指土壤N、P供应能力，土壤N、P含量对植物根、茎、叶等器官的N、P化学计量特征(N、P、N/P)均有一定影响［6］。C/N常被用于预测有机质的分解速率，而叶片N/P常被用作判断环境对植物生长的养分供应状况的指标［7］，对许多异养生物来说，高的生长速率对应低的 C/N、C/P 和 N/P［8］。

C、N、P元素作为植物的结构和功能性元素，在植物的生长发育中起着重要作用。因此，研究土壤N、P元素供应能力对植物器官N、P化学计量特征的影响对进一步探究土壤-植物生态化学计量相关性具有重大意义［5］。目前，已有不少研究者将生态化学计量学应用于施肥对植物生长的影响，顾大形等［5］研究表明，土壤N含量分别与四季竹叶片N和N/P呈极显著正相关，而土壤P含量与四季竹叶片P及N/P无显著相关性，N、P添加前土壤N是影响四季竹生长的主要限制元素。幼苗阶段是植株对环境最为敏感的生长阶段［9］，体内 C、N、P化学计量变化是影响幼苗生长速率变化的潜在因素［10］，而目前红花（Carthamus tinctorius L.）该方面尚无研究报道，因此，本实验将从生态化学计量学的角度探究施肥对莲座期红花生态化学计量的影响。

红花作为集药用、食用、化工原料为一体的经济作物，由于长期不合理的栽培管理，造成红花药材质量下降、药用成分减少、药效降低和减产等后果，也给人类的生存环境和自身健康带来了严重威胁［11］。本文以新疆主栽品种新红4号为研究材料，通过N、P、K添加设置土壤不同N、P、K水平,研究莲座期土壤和红花各器官化学计量及主要功能性状间的关系，试图揭示：1）土壤生态化学计量对莲座期红花各器官生态化学计量的影响；2）土壤和红花各器官N、P、K生态化学计量对莲座期红花生物量指标的影响，探究该时期红花对土壤养分的响应机制，判断施肥对红花幼苗时期生长的影响，寻找最大效率保苗壮苗效果的施肥水平，同时为莲座期红花种植管理中土壤营养诊断提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究样地设在石河子大学试验田(40°16′58.4″～46°43′31.8N″，82°30′32.1″～89°01′02.2″E)，此区域属典型大陆性干旱半干旱气候。年降雨量200～500 mm，年蒸发量1000～1500 mm,冬季平均积雪20～40 cm。年均气温4～6℃，日平均气温7.5～8.2℃，年积温 2500～2900 ℃，日照时间 2318～2732 h，无霜期120～135 d，土壤为重壤；pH 7.15，有机质 27.98 g/kg，碱解氮为 43.9 mg/kg；全氮为 770 mg/kg，全磷为1750 mg/kg，速效磷为27.5 mg/kg；全钾为25740 mg/kg，速效钾为 183.5 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1实验设计和样品采集

参试品种：新红4号，为新疆红花主栽品种。

实验方案：1)氮肥处理（N0:0 kg/hm2(氮肥对照组 )、N1:112.5 kg/hm2、N2∶225 kg/hm2、N3∶337.5 kg/hm2）；2)磷肥处理（P0:0 kg/hm2（磷肥对照组）、P1:137.5 kg/hm2、P2∶275 kg/hm2、P3∶412.5 kg/hm2）；3)钾肥处理（K0:0 kg/hm2（钾肥对照组）、K1:45 kg/hm2、K2∶90 kg/hm2、K3∶135 kg/hm2）。 处理肥料之外的其它肥料按常规量添加。所施氮肥为尿素，磷肥为三料磷肥，钾肥为硫酸钾。氮肥全部用作基肥，磷肥45.45%作基肥，其余定苗后添加，钾肥定苗后添加。不同处理用隔离带隔开［12-13］。肥料溶于10 L水中喷洒。浇水方式为滴灌。常规管理。

2013年3月28日，按株距20 cm行距50 cm播种，莲座期（5月15日）采样，实验设3次重复，选长势一致的植株及0～10 cm和10～20 cm的植物根围土，植株分别装入标记好的牛皮纸袋中，贴好标签带入实验室分装测定，于90℃杀青30 min，65℃烘干至恒重。土壤经自然风干、过筛避光保存［14］。

1.2.2室内测定

土壤pH用酸度计测定（土水比1∶2.5）；全氮用半微量开式法测定，速效氮用碱解扩散法；全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定，速效磷用0.5 mol/L NaHCO3法；全钾用NaOH熔融火焰光度法测定，NH4OAc浸提火焰光度法测定。有机质用K2Cr2O7容量法-外加热法测定。

烘干植物根、茎、叶粉碎过0.5 cm筛，装入棕色磨口瓶用于养分分析。植物采用H2SO4-H2O2消煮；K2Cr2O7容量法测定全碳；全氮采用半微量蒸馏法和扩散法测定；全磷用钒钼黄吸光光度法用S721可见分光光度计测定；全钾采用火焰光度法。实验方法参照鲍士旦[14]的方法。

1.2.3数据处理

红花根、茎、叶器官中 C、N、P、K 含量及 N/P中元素用质量百分比表示。土壤有机质、N、P、K含量单位为mg/kg。N/P为全氮、全磷浓度比。

用单因素方差分析比较不同处理水平土壤及植物养分含量及比值的差异性。

用Pearson相关分析进行土壤与植物N/P及红花生物量相关性检验。

以上数据均用SPSS17.0进行数据整理及统计分析和制图。

2 结果与分析

2.1 施肥处理下莲座期土壤生态化学计量

结果如表1所示。

由表1可知，不同肥料不同施肥水平下0～10和10～20 cm土壤养分含量及比值不同，且差异显著。同一处理水平下各元素含量随土层深度增加而降低。氮肥、磷肥显著增加了0～10 cm土壤有机质含量，变化范围为15590～22470 mg/kg，且同一处理水平下有机质随土层深度的增加而降低，这可能与根的发育程度及养分吸收的部位有关。能被植物吸收利用的是土壤速效养分，在本研究中速效氮随施氮量和施钾量增大而增大，变化范围分别为38.46～90.30和31.43～65.12 mg/kg；速效磷随施氮量施钾量增大而降低，变化范围分别为8.91～40.18和11.30～22.97 mg/kg，随施磷量增大变化不大，变化范围为16.36～24.43 mg/kg；速效钾随施氮量增大而降低，变化范围为233.13～283.59 mg/kg，除P1水平随施磷量变化不大，为 207.62～296.44 mg/kg，而随施钾量增大变化不大，这可能与速效钾含量本身较低有关（占总钾量的1%），而施氮、施磷促进了钾肥的吸收。

表1 不同施肥水平下莲座期土壤营养元素含量Tab.1 Nutrient content in soil during rosette stage under different fertilization levels

不同施肥水平下莲座期土壤N/P的结果见图1。

由图1可知：

（1）不同肥料不同施肥水平对 0～10 和 10～20 cm土层N/P都有不同程度的影响，且影响规律一致，10～20 cm 土层 N/P 大于 0～10cm。

（2）在不同施氮、施磷水平下分别是N2、P2水平最大，0～10和 10～20 cm 分别为 2.53与 3.06、2.44与2.99；而随施钾量增大土壤N/P增大，0～10和 10～20 cm土层变化范围分别为 0.75～2.45和0.87～2.97。

图1 不同施肥水平下莲座期土壤N/PFig.1 Rosette stage soil N/P under different fertilization level

2.2 施肥处理下红花莲座期生物量的变化

由表2可知，新红4号各生物量指标在不同肥料及不同处理水平下存在不同程度的差异。株高、茎粗、冠幅面积、叶面积、叶片数、植物干湿重、根长、根干湿重随施氮量、施磷量、施钾量增大而增大。茎粗、植株干湿重、根长与对照（不施氮）差异显著，但氮肥处理间差异不显著。磷肥处理对株高影响差异显著，对其他生物量指标影响差异不显著。钾肥对植株各生物量指标影响差异不显著。可见，氮肥是红花莲座期生长所必须的营养元素，且在N3水平各生物量指标最大，但与N2水平差异不显著，综合考虑经济效益，建议选取N2水平进行红花莲座期施肥；磷肥选取P2水平；而钾肥处理对生物量指标有影响，但处理与对照（不施钾肥）及处理间差异不显著，这可能与土壤本身比较肥沃有关，因此建议选取K1水平。

表2 不同施肥水平下新红4号莲座期生物量Tab.2 Rosette stage biomass No.4 Carthamus tinctorius L.under different fertilization levels

2.3 施肥处理下红花莲座期根、茎、叶生态化学计量

由表3可知，各肥料的作用总体表现为，莲座期叶营养元素受磷肥影响最大，钾肥最小；茎营养元素受氮肥影响最大，磷肥影响最小；根受磷肥影响最大，钾肥影响最小。

由于施肥以速效肥为主，故N、P、K含量的增加幅度高于C。不同施肥水平对红花根、茎、叶各养分含量影响显著。在同一氮肥处理水平下，C、N、K含量为叶＞茎＞根，且随施氮量增大而增大；P含量为茎＞叶＞根，且叶P含量随施氮量增大而增大，茎和根随施氮量增大而降低。同一磷肥处理下C、P含量表现为叶＞茎＞根，N含量表现为叶＞根＞茎，C含量表现为叶＞茎＞根，K含量表现为茎＞叶＞根；叶C含量随施磷量增大而降低，茎和根变化不大；叶N含量随施磷量增大而增大，而茎和根N含量随施磷量增大而降低；叶和茎P含量随施磷量增大而增大，根变化不大。

同一钾肥处理水平下C含量表现为叶＞茎＞根，钾肥处理对C、P、K含量影响不大，可能是由于试验田钾元素不是影响红花莲座期生长的限制性元素。

表3 不同施肥水平下新红4号莲座期生物量Tab.3 Nutrient contents in different organs of rosette stage in No.4 Carthamus tinctorius L.under different fertilization levels

由图2可见，施肥对红花叶的N/P影响显著大于茎和根，而茎和根差异不大。由于叶片N/P常被用作判断环境对植物生长的养分供应状况的指标［7］，因此，研究从叶方面分析养分供应对红花生长的影响。

氮肥、磷肥对叶N/P影响趋势一致。随施氮量增大N/P降低，N2水平最低，可能是氮肥促进叶面积增大，对N的稀释作用大于N的吸收，但N3水平增大，说明施氮量达到一定水平，叶N的吸收不再随施氮量增大而增大，茎和根N/P受施氮量影响较小。

随施磷量增大叶N/P降低，但P3水平增大，说明到一定程度叶对P的吸收达到饱和；茎和根N/P受磷肥影响较小。

K2水平叶N/P达到最大，说明K对N的促进作用大于P，而K3水平叶N/P最小但和K1差异不显著。

图2 不同施肥水平下新红4号根、茎、叶N/PFig.2 N/P in root,stem,and leaf in No.4 Carthamus tinctorius L.under different fertilization levels

2.4 施肥处理红花莲座期土壤与根、茎、叶N/P与生物量的相关性

结果表4、表5所示。

由表4可知，土壤N/P与红花叶和根N/P负相关，与茎N/P正相关。

由表5可见，各生物量指标与处理因素和处理水平正相关。株高、茎粗、叶面积、冠幅面积、植株湿重受处理水平影响显著。株高与土壤N/P正相关，且与上层土壤N/P极显著正相关，与叶和根N/P负相关。由于叶N/P能指示作物生长情况，其值越小表明作物生长越快，而实验得出各生物量指标与叶N/P负相关，既N/P越小红花生物量指标越大，红花生长越好。

由图2可知，N2，P2，K1水平作物生长较好，因此，建议选取该水平进行红花莲座期施肥。

表4 土壤与红花各器官N/P的Pearson相关性Tab.4 Pearson correlation of N/P between soil and Carthamus tinctorius L.organs

表5 生物量与施肥及植物和土壤N/P的Pearson相关系数Tab.5 Pearson correlation between biomass and N/P of soil and Carthamus tinctorius L.organs

3 讨论与结论

3.1 施肥对红花莲座期土壤及根、茎、叶生态化学计量的影响

作物生长利用的是土壤速效养分，通常速效成分仅占土壤有机质的1%。土壤养分随水分向下迁移由表层向下层逐渐稀释而越来越低。研究结果表明，土壤养分随施肥量增大而增大。随施肥水平提高，土壤有机质含量也相应提高，使得土壤养分和速效养分所占比例随之提高。而不同肥料不同施肥水平下红花的最适需肥量不同，导致土壤生态化学计量变化与施肥水平变化不一致，土壤N/P也不成比例的变化，这与植物的养分选择性吸收有关。而施肥对植物根和茎化学计量的影响不如叶明显，这与以往的研究结果一致，在满足植物生长需要的基本施肥量后，植物对施肥的响应和利用效率不再受施肥量的影响，而是靠体内生态化学计量特征来调控［13］。植物各元素含量随施肥量增大而增大，达到饱和点后不再增大。而叶N/P常被用作判断环境对植物生长养分供应状况的指标［15］，结合叶片中N、P含量大小，叶片 N/P＞14、P＜1.0 mg/g 时,系统是 P 限制的；叶片 N/P＜10、N＜20.0 mg/g时，系统是 N 限制的；而叶片10＜N/P＜14时是受2种元素共同限制的［8］。该研究下红花叶 N/P＜10，N＜20.0 mg/g，可知该试验田是受N限制的。植物体内P并不发生转移，导致较低的N/P。而在N2，P2，K1水平叶N/P最小，可知在该水平下莲座期红花生长最旺盛，因此，建议选取该水平进行红花的莲座期施肥。

3.2 施肥对红花莲座期各生物量指标的影响

就土壤氮对植物的作用而言，直接影响的是作物产量和生产力。结合生态化学计量学，Güsewell等［16］经过大量研究后提出，N/P＜10 时，氮素增加会提高植物的生物量，本实验结果与氮肥增益生物量的实验结果一致。实验得出株高、茎粗、冠幅面积、叶面积、叶片数、植物干湿重、根长、根干湿重随施氮量、施磷量、施钾量增大而增大，而与叶N/P负相关。本研究结果与汪健等关于氮肥、磷肥、钾肥对红花农艺性状影响的研究结果一致，既不同N、P、K用量对红花的农艺性状影响显著［15］。实验通过浓度梯度测定施肥对土壤和红花生态化学计量特征及红花生物量的影响使实验结果更具可信度。

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