氮素调控对边际土地甜高粱生长与微量元素吸收的影响

刘会玲+崔江慧

摘要： 以甜高粱为材料，通过田间试验研究氮素调控对甜高粱生长及微量元素吸收与积累的影响。结果表明，氮素调控能促进甜高粱的生长，提高干物质积累量。甜高粱干物质在不同器官中的分配比例为茎秆>叶片、穗，茎杆干质量占植株地上部总质量的50%以上。不同品种甜高粱对氮素的响应因品种而异，3个品种的最佳氮素施用量分别为165、158、357 kg/hm2，190111品种、cp090155品种的氮素需求较少；cp115品种的氮素需求较多，增产潜力较大。微量元素含量和吸收量高低依次顺序均为Fe>Zn>Mn>Cu。植株不同时期的Fe-Cu、Fe-Mn、Mn-Cu之间含量、吸收量均存在极显著的线性正相关关系。氮素的施用，对甜高粱微量元素含量的影响因品种而异，表现出上升、下降或先上升后下降等多种趋势；微量元素吸收量随氮素施用量的增加呈先上升后下降的变化趋势。

关键词： 甜高粱；氮素控制；边际土地；微量元素；干物质积累量；分配

中图分类号： S143.1；S514.06 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0069-04

甜高粱[Sorghum bicolor（L.）Moench]是普通粒用高粱的一个变种，品种多、分布广，具有抗逆性强、适应性广等特点，能够在易旱、易涝、盐碱、贫瘠土地上种植，生产潜力大、生物学产量高、糖分含量高，是高效能植物。甜高粱用途广，可生食或用作粮食、饲料、酿造、生产燃料乙醇，可用于合成树脂、橡胶、降解塑料，提取红色素用于化妆品、食品工业，更是优质纸张和建材的绿色原材料[1]。

甜高粱在丘陵、山地等边际土地生长良好，不与粮食作物争地，能在生产条件较差的环境下获得较好的经济、社会、生态效益[2]。甜高粱对水分需要量较少，生产1 000 g干物质仅耗水320 g，为小麦、大豆耗水量的1/2；甘蔗的1/3，比甜菜少[3]。种植甜高粱比种植玉米、大豆产值可提高20%左右。甜高粱乙醇转化率高，是一种能替代粮食生产燃料乙醇的重要能源作物。可再生能源发展“十一五”和“十二五”规划中明确指出，在东北、山东等劣质土地资源丰富的地区，合理开发盐碱地、荒草地、山坡地等边际土地，集中种植甜高粱，发展以甜高粱茎秆为主要原料的燃料乙醇。合理种植甜高粱，具有增加植被、绿化荒坡、防风固沙、降低盐碱等作用，可减少水土流失，有利于水土保持[4]；同时可以减少二氧化碳、二氧化硫等有害气体排放对环境造成的污染，对减少大气污染、控制 温室效应、改善环境具有重大意义[1，3]。

微量元素与人和动物健康密切相关。铁缺乏可导致缺铁性贫血；缺铜会影响铁的吸收，从而引起贫血；缺锌可导致味觉嗅觉障碍、生长发育障碍、神经精神障碍、伤口愈合不良等，缺锌病人常伴随铁缺乏；锰缺乏可致骨骼畸形、动脉硬化等[5-6]。甜高粱富含多种微量元素，其茎秆汁液是一种营养全面的天然饮料，不仅矿物质和氨基酸、维生素含量丰富，而且容易被人体吸收[7]。甜高粱作为饲料，营养价值高，适口性好，易消化，且种植简便，生物产量比玉米高出0.5～1.0倍，用甜高粱青贮喂奶牛比喂玉米的产鲜奶量日增产850～1 850 g/头[1]。甜高粱作为新兴的糖料、饲料和能源作物，越来越受到人们重视。目前，甜高粱施肥研究多集中于施肥对产量和糖含量的影响[4，8-12]，边际土地上施肥对甜高粱微量元素吸收的影响尚未见报道。通过田间试验，探讨氮素调控对甜高粱微量元素吸收、积累的影响，为边际土地利用和甜高粱生产服务。

1 材料与方法

1.1 材料

供试甜高粱品种有3个，分别为品种1（090111）、品种2（cp090155）、品种3（cp115）。

1.2 试验设计

试验于2013年6—10月在河北农业大学三分厂进行，试验地为撂荒地，沙质壤土，肥力较低，土壤pH 值8.00，有机质含量10.4 g/kg，全氮含量0.59 g/kg，速效磷含量8.0 mg/kg，速效钾含量83.2 mg/kg。试验共设4个处理，分别为N0不施氮肥、N1施纯氮75 kg/hm2、N2施纯氮150 kg/hm2、N3施纯氮225 kg/hm2；氮肥40%底施，60%追施拔节期。每个处理重复3次，随机区组排列。6月25日播种，小区面积 18 m2，行距0.6 m，株距0.2 m。适时间苗、中耕、除草、灌溉、防病、治虫，10月21日收获。

1.3 取样与分析测定

7月20日苗期、8月5日拔节期、8月20日孕穗期、9月5日抽穗期、9月25日灌浆期、10月21日收获期，每个处理分别选取代表性植株3 株，带回实验室。分茎秆、叶片（包括叶鞘）、穗装在纸袋里，105 ℃杀青30 min，然后70 ℃烘干后称质量。2014年3—5月进行样品处理和微量元素测定。样品经粉碎混匀后，于550 ℃干灰化，用1 ∶ 1硝酸溶解后定容至50 mL，过滤，用岛津AA-6300测定微量元素含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件进行数据处理与分析。

2 结果与分析

2.1 氮素对甜高粱干物质积累与分配的影响

从图1可以看出，3个品种不同时期的植株干物质积累量均表现为施用氮素的处理干物质积累量较N0处理高，表明氮素的施用，促进了甜高粱的生长，提高了各生育时期植株干物质积累量。氮素施用，使品种1收获期干物質积累量较N0处理提高了15%～18%，品种2提高了6%～24%，品种3提高了23%～43%。不同品种干物质积累量总体趋势大致相同，干物质累积量均随生育期的推进而增加；不同品种干物质积累量略有差异，苗期差异不大，拔节期之后，差异逐渐增大；在完全不施肥的情况下，品种1的干物质积累量较大，其次是品种2，品种3较小。收获期甜高粱干物质在不同器官的分配比例为茎秆>叶片、穗、茎杆干质量占植株地上部总质量的50%以上（图2）。

品种1、品种2的干物质累积量随氮素用量的呈增加先上升后下降趋势，品种3干物质累积量呈持续上升趋势。对收获期的甜高粱干物质积累量与氮素施用量进行分析，结果3个品种的植株干物质累积量与氮素施用量之间关系可以用方程进行拟合：品种1，y=-0.001 3x2+0.438 6x+20493；品种2，y=-0.001 3x2+0.419 8x+163.57；品种3，y =-0.000 6x2+0.395 8x+151.37。根據以上方程得出3个品种的最佳氮素施用量，分别为165、158、357 kg/hm2。表明不同甜高粱品种对氮素需求和响应不同。品种2、品种1氮素需求较少，品种3氮素需求较多，氮素增产潜力较大。

2.2 氮素对甜高粱微量元素含量的影响

从图3可以看出，不同品种甜高粱的微量元素含量，均表现为Fe>Zn>Mn>Cu。综合分析植株不同时期的微量元素含量发现，Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Mn、Mn-Cu之间存在极显著的线性正相关关系。氮素施用对甜高粱不同品种微量元素含量影响各不相同。品种1中Fe、Mn、Cu含量随氮素的施用呈先上升后下降的趋势，Zn含量随氮素的用量增加而降低；品种2的Fe、Cu含量随氮素的增加而上升；品种3的 Zn、Cu含量随氮素的施用呈现先上升后下降的趋势，Fe、Mn含量随氮素的用量增加而降低。

2.3 氮素对甜高粱微量元素吸收的影响

从图4可以看出，甜高粱微量元素吸收量表现出与其含量相似的趋势，均为Fe>Zn>Mn>Cu，铁吸收量较多，其次是锌、锰，铜最少。氮素施用， 提高了甜高粱对铁、锰、铜的吸收量，对锌吸收量的影响因品种而异。综合分析植株不同时期的微量元素吸收量发现，Fe-Cu、Fe-Mn、Mn-Cu之间存在极显著的线性正相关。随着氮素施用量的增加，微量元素吸收量呈先上升后下降的变化趋势。不同品种的微量元素吸收量不同，品种1在N1水平下吸收量最高，品种3在N2水平下吸收量最高。

3 讨论与结论

3.1 甜高粱干物质积累与分配

甜高粱具有较大的遗传多样性和变异性，由于地域和种质资源的不同，不同品种的生育期、含糖量和生物量都存在很大差异，籽粒、秸秆产量的变异系数分别为42.1%、505%[13]。本试验中3个甜高粱的干物质积累量存在差异，收获期变异系数为9.82%～17.78%之间，说明甜高粱品种存在遗传差异性。高产型甜高粱品种成熟期物质分配比例为茎秆>叶片>穗，有利于获得较高的秸秆产量，同时保障叶源量大、叶片光合同化物供应能力较强[14]。本试验中3个甜高粱收获期的干物质积累量与分配比例总体表现为茎秆>叶片、穗，茎杆干质量占植株地上部总质量的50%以上，能获得较高的茎秆生物量。

3.2 氮素调控与甜高粱生长

氮是限制植物生长和产量形成的首要因素，氮肥对甜高粱草产量和效益影响最大[15]。辽宁抚顺污灌区试验表明，氮磷钾三要素中，氮对提高甜高粱总糖和生物量作用最大[16]。江苏大丰市金海农场盐碱地试验结果显示，限制甜高粱产量的肥料因子依次是氮肥、磷肥、钾肥[17]。施肥对甜高粱的产量产生显著影响，施氮肥显著提高甜高粱叶、茎及总干物质、穗质量、穗长[18]。但是在肥力良好的土壤上，甜高粱施用氮肥产量效益和氮素利用效率低，增产效果不显著，不建议施用氮肥，这是甜高粱节肥的优良特性，有利于减少能源作物生产投入[12]。

氮肥适量才能提高甜高粱产量，过量反而会降低产量。本试验设定了4个氮素水平，N2为指导最佳施肥量，N3为过量施肥水平。众多研究表明[9，12，15，17-18]，将氮素指导最佳施肥量确定为150 kg/hm2。本试验中3个品种的最佳氮素施用量分别为165、158、357 kg/hm2；其中品种1、品种2最佳用量非常接近试验中指导最佳施肥量，品种3最佳用量则超出了试验用量最高水平。说明不同品种甜高粱对氮素的响应不同，在氮素利用方面存在较大差异。生产氮肥要消耗大量能源，而且肥料施用后，容易通过氨挥发和硝态氮淋失等途径损失，肥料利用率低、浪费严重，甚至会有负面的环境效应。目前，许多学者都在进行肥料减施增效研究。生产中应根据不同甜高粱品种进行肥效试验，确定适宜用量进行合理氮素调控，以免盲目施肥造成肥料浪费或施肥不足不能完全发挥作物的增产潜力，实现以适宜投入获得较高的产出。因此，在节约资源、保护环境前提下，不同品种甜高粱氮素调控的适宜范围还有待于进一步研究。

3.3 氮素调控与甜高粱微量元素含量

微量元素含量受作物自身遗传性状控制和人为栽培措施的影响，因植物种类、植株部位、成熟状况、土壤条件等因素而异[19-20]。大多数植物的含铁量在100～300 mg/kg（干质量），含铜量在5～25 mg/kg，含锌量为25～150 mg/kg，微量元素含量顺序大致为Fe>Zn>Cu[21]。水稻糙米、小麦籽粒微量元素含量趋势均为Fe>Mn>Zn>Cu[22-23]；中国不同产区大豆Fe、Zn、Mn、Cu含量地区间差异较大，含量高低顺序依次为 Fe>Zn>Mn>Cu[24]。水稻糙米微量元素含量Zn-Mn、Fe-Cu、Zn-Cu间呈极显著正相关[22]。大豆Zn-Cu含量存在极显著正相关[24]。本试验中，甜高粱微量元素含量趋势为Fe>Zn>Mn>Cu，不同时期Fe-Cu、Fe-Zn、Fe-Mn、Mn-Cu间含量也表现出极显著正相关关系。

施用氮肥，影响作物的微量元素含量；小麦籽粒铜含量提高，铁含量降低[23]。菜用大豆籽粒中的Mn、Fe含量，稻米中Fe、Zn、Cu、Mn含量均随着施氮量增加先上升后下降[25-26]；本试验中，氮素用量对甜高粱微量元素影响各不相同，有的元素含量随氮素用量增加呈现上升或先上升后下降的趋势，有元素含量随氮素的用量增加而降低。

3.4 氮素调控与甜高粱微量元素吸收

干旱条件下表施尿素，在N用量为150～270 kg/hm2范围内，随氮素用量增加，耕层有效铁含量降低，铜、锌、锰含量提高，在一定程度上改变了土壤中Fe、Mn、Cu、Zn等元素的有效性，从而影响作物对微量元素的吸收[27]。施用N肥，小麦籽粒Fe、Mn、Cu、Zn吸收量显著增加[23]；菜用大豆籽粒的Mn、Fe吸收量随施氮量的增加先上升再下降[26]。在本试验中，甜高粱微量元素吸收量随着氮素施用量的增加呈现先上升后下降的趋势；不同品種的微量元素吸收量为Fe>Zn>Mn>Cu，与微量元素含量趋势一致。

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