施氮对狼尾草在南方贫瘠旱坡地生长、能源品质及氮肥利用率的影响

李韦柳，覃维治，熊军，韦民政，唐秀桦，闫海锋

(广西农业科学院经济作物研究所，广西 南宁 530007)

在能源植物开发与利用的过程中，我国鼓励利用荒山、荒地等边际土地资源发展生物质原料，在不影响现有粮食和经济作物种植结构的前提下，利用宜耕边际性土地资源发展能源作物是解决中国能源危机和环境污染的一条重要途径，是中国今后很长时期内生物质能源工程的重要发展方向。相对于其他农作物或能源木本植物，能源草具有适应性强，不与粮争地，生长周期短，干物质产量高，建植和田间管理成本低，能量回报率高，释放物污染少等突出优势。因此，利用边际土地适当开发、推广种植能源草，既有利于拓展生物质能的给料来源，改善能源结构，又可提高土地的利用率，改良环境质量。狼尾草(Pennisetumalopecuroides)是能源草作物中种植应用最广的种属植物之一，其能源品质尤为突出，是理想的木质纤维素类能源作物[1-3]，可通过化学或生物转化等方法制造乙醇或沼气[3-7]，也可通过直接燃烧、致密成型燃烧及热裂解制生物油、生物炭与生物气等方式利用[2-4,8-9]，在荒山、荒坡地等边际土地上进行规模化种植与开发利用，可以有效解决生物质能源与粮争地及原料单一等问题，开发应用前景非常广阔。因此，针对边际土地类型和生境条件制定栽培管理措施，建立配套栽培管理技术，并对产量潜力和生物质品质特性进行系统评价，是狼尾草规模化种植与进一步开发利用的前提。

目前国内外关于氮素营养对狼尾草的研究较多，但大多将狼尾草作为饲用草多次刈割、生长期较短条件下的研究，且对狼尾草品质的研究主要集中在饲用营养品质(粗纤维、粗蛋白、硝酸盐和草酸盐等)方面[10-18]。在强调狼尾草作为能源植物开发，合理施用氮肥的研究方面，已有研究表明，施用氮肥对狼尾草株高、茎粗、分蘖数和产量等农艺性状有促进作用[19-21]，且不同程度改善狼尾草能源品质，具体表现为糖类含量[20]、纤维含量[21-22]和C/N[22]增加，但过多增施氮无益于狼尾草产量和能源品质的改善。然而，狼尾草产量和能源品质的施氮量拐点受土壤条件、农艺措施和生育期的影响较大，研究结果难以确定不同基因型或能源利用目的的施氮量拐点。基于此，本研究在贫瘠旱坡地这一典型边际土地开展能源型杂交狼尾草为期250 d的氮肥效应试验，通过分析其生长特性、叶片相对叶绿素含量(SPAD值)、生物质产量、能源品质和氮肥利用效率等指标，探讨其作为能源植物在南方贫瘠旱坡地生长对氮素的响应、明确最佳施氮量，为杂交狼尾草在华南地区边际土地上作为能源植物的规模化种植与开发利用提供肥料效应方面的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试材料为狼尾草属能源草新品系桂能草1号(Pennisetumglaucum×P.purpureum)[23]，试验地点安排在广西南宁市邕宁区那楼镇旱坡地，之前未被人为耕作过，为典型的南方低山丘陵地带，位于东经108°67′，北纬22°60′。属南亚热带季风性气候，日照充足，雨量充沛，冬暖夏热，年平均气温为21.8 ℃，无霜期346 d，试验地土壤为壤土，土质疏松，土壤pH为4.95，全氮、全磷、全钾、有机质含量分别为0.032%、0.012%、0.785%、8.36 g·kg-1，碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为29 mg·kg-1、19 mg·kg-1、42 mg·kg-1。于2014年4月8日按0.80 m×0.25 m设置株行距进行茎秆栽植，试验设计为氮肥单因素试验，共设4个处理，分别为N0：全生育期不施氮；N1：112.5 kg N·hm-2；N2：225 kg N·hm-2；N3：337.5 kg N·hm-2。每个处理设3个重复，共12个小区，每小区50 m2，采用随机区组田间排列。肥源为尿素(N：46.4%)、硫酸钾(K2O：50%)、钙镁磷肥(P2O5：12%；CaO：40%；MgO：8%)、固定磷肥(P2O5：112.5 kg·hm-2)和钾肥(K2O：225 kg·hm-2)以基肥的形式在种植时一次性施完，氮肥1/2用量以基肥的形式施用，1/2用量在植后30 d以追肥的形式施用。

1.2 测定项目与方法

1.2.1株高、茎粗和SPAD调查 2014年，分别于种植后50 d(5月28日)、100 d(7月17日)、150 d(9月5日)、200 d(10月25日)和250 d(12月13日)每个小区随机选取5丛并筛选出最壮植株测量株高(从地面至最高舌叶处的高度)、茎粗(离地面5 cm 处的最大直径)，分别取平均值作为该小区的株高和茎粗。同时测定叶片SPAD值，利用日本美能达公司生产的叶绿素测定仪(SPAD-502)测定叶片的SPAD值，测定部位为代表性分蘖顶端倒数第3片叶，每片叶子在中部以叶脉作为对称轴分别读取两侧6个数据，同时注意避开叶脉部位，求平均值为该叶片的SPAD值，每个小区随机选取10株进行测定。

1.2.2有效茎数、生物质产量调查 在收获期(12月13日)每个小区随机选取5.0 m×1.6 m样方作为观测点，统计分蘖数，计算单位面积的有效茎数，取平均值作为该小区的单位面积的有效茎数(条·hm-2)，并取狼尾草地上部茎叶，称鲜重后粉碎，于烘箱内105 ℃下杀青15 min后在80 ℃下烘干至恒重，称重，计算干草产量(kg·hm-2)和干物质含量(%)。

1.2.3纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量、灰分含量、热值的测定 每小区取狼尾草采收烘干后的混合样品进行粉碎过筛(1 mm)，纤维素、木质素参照GB/T 20805-2006《饲料中酸性洗涤木质素(ADL)的测定》[24]，半纤维素参照GB/T 5009.88-2008《食品中膳食纤维的测定》[25]和GB/T 6434-2006《饲料中粗纤维的含量测定 过滤法》[26]，灰分参照GB/T 6438-2007《饲料中粗灰分的测定方法》[27]，发热量参照GB/T 213-2008《煤的发热量测定方法》[28]分别进行测定。

1.2.4生物质折算方式 生物质材料作为可再生能源，其不论以何种方式加以利用，均以单位面积所产出的生物质产量与热值相结合进行分析才是具有实际意义的，因此本研究依据以下计算方式计算上述材料折合标准煤产量：

折合标准煤产量=(干物质产量×热值)/标准煤热值。式中，标准煤热值为29.26 MJ·kg-1[29]。

1.2.5氮素含量测定 将烘干粉碎过筛后的狼尾草植株样品按凯氏定氮法进行消煮[10]，后用KJELTEC2400/2460型凯氏定氮仪测定。以上述测定为基础，计算狼尾草氮素吸收与利用效率，其评价指标参照黄秀声等[13]和江立庚等[30]的方法进行，即：

植株总氮素积累量[total N accumulation (TNA)， kg·hm-2]=植株氮含量×植株干物质积累量

氮素回收效率[N recovery efficiency (NRE)]=(施氮区氮素吸收量-无氮区氮素吸收量)/施氮量×100%

氮肥农学利用率[N agronomy efficiency (NAE)， kg·kg-1]=(施氮区产量-对照区产量)/施氮量

氮肥生理效率[N physiological efficiency (NPE)， kg·kg-1N]=(施氮区产量-对照区产量)/(施氮区吸氮量-对照区吸氮量)

氮肥偏生产力[N partial factor productivity (NPFP)， kg·kg-1]=施氮区产量/施氮量

1.3 数据处理与统计分析

采用Excel 2013 和DPS 12.01 软件进行数据初步整理、统计分析，采用Duncan 新复极差法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮对狼尾草纵向生长的影响

如图1所示，不同生育时期随着施氮量的增加，狼尾草株高增加且显著高于N0处理(P<0.05)。随生长时间的推移，不同氮肥施用量处理间的狼尾草株高差异不尽相同，具体表现为：种植后50 d时，除N0外，其他各处理间差异不显著;100～150 d时，N2=N3>N1>N0;200～250 d时，N3>N1=N2>N0，说明在狼尾草生长中前期，施氮能显著促进狼尾草的纵向生长，但此阶段狼尾草生长发育对氮的需求量有限，继续提高氮素水平，对株高的促进作用表现出饱和趋势，但随生育期推进，施氮量少的处理逐步表现出生长后劲不足，狼尾草株高增加程度逐步变弱。

图1 不同施氮水平对狼尾草株高的影响Fig.1 Effects of different nitrogen fertilizer levels on plant height of Pennisetum

2.2 施氮对狼尾草横向生长的影响

如图2所示，不同生长时期施用氮肥处理的茎粗显著高于N0处理(P<0.05)。随生长时间的推移，茎粗呈不断增粗的趋势，不同氮肥施用量处理间的差异不尽相同，具体表现为：种植后100 d时，除N0显著小于其他处理外，其他各处理间差异不显著，到150 d时，N3与N1的差异达到显著水平，N3与N2，N2与N1之间差异均不显著，种植200 d后，表现为N3>N1=N2>N0，说明在狼尾草生长中前期，施氮能显著促进狼尾草的横向生长，但此阶段狼尾草生长发育对氮的需求量有限，继续提高氮素水平，对茎粗的促进作用表现出饱和趋势，但随生育期推进，施氮量少的处理狼尾草茎径变粗的程度变弱。

2.3 施氮对狼尾草相对叶绿素含量的影响

SPAD值是叶绿素含量的直接反映，如图3所示，在不同生长时期，施氮处理的狼尾草第3叶相对叶绿素含量显著高于不施氮N0处理(P<0.05)，且随施氮量的增加而提高，其中N3的第3叶相对叶绿素含量在各个时期均处于最高水平；从整个生育期叶片相对叶绿素的变化来看，移栽后100 d内，SPAD值一直保持增加的趋势，施氮处理的从移栽后100～150 d内，开始下降，并在150～200 d间的下降速度最快，而N0到150 d后才开始迅速下降，其下降速度较施氮处理无显著差异；种植后250 d时，狼尾草进入老化阶段，叶片相对叶绿素含量达到最低，各处理间差异值变小。由此可见，在生长季节施用氮肥能够显著提高狼尾草的叶绿素含量，促进光合作用，但对狼尾草的正常衰老影响不大。

图2 不同施氮水平对狼尾草茎粗的影响Fig.2 Effects of different nitrogen fertilizer levels on stalk diameter of Pennisetum

图3 不同施氮水平对狼尾草SPAD值的影响Fig.3 Effects of different nitrogen fertilization levels on SPAD value of Pennisetum

以上的分析说明，缺氮严重影响狼尾草的横、纵向生长及叶绿素的合成，施用氮肥明显提高狼尾草的株高、茎粗和叶绿素含量，因此，只有前期适量施氮，后期足量施氮，才满足狼尾草的横、纵向快速持续生长，且促进叶片的叶绿素合成。

2.4 施氮对狼尾草收获期主要农艺性状和产量的影响

如图1、图2和表1所示，在本试验施氮范围内，氮肥能显著提高狼尾草收获期的株高、茎粗和单位面积有效茎数，而且施氮量越高，效果越显著，同时氮肥也能显著提高鲜、干草产量，且施氮量越高，鲜、干草产量也越高，只是施氮量到达一定水平后随氮肥施用量的增加，鲜、干草产量提高程度变小。随施氮量的增加，株高和茎粗逐步增高和增粗，但N1与N2间差异不显著；N1～N3的株高较N0分别提高了21.13%、27.84%和49.48%，茎粗较N0分别增粗了21.58%、25.46%和44.01%；单位面积有效茎数随施氮量的增加逐步提高，且各处理间差异显著，N1～N3较N0分别增加了42.37%、59.32%和89.83%；鲜草产量和干草产量均随施氮量的增加而提高，但N2与N3间差异不显著，鲜草产量N1～N3较N0分别增加了174.74%、353.22%和390.88%，干草产量N1～N3较N0分别增加了166.82%、300.93%和336.15%。

表1 不同施氮水平对狼尾草收获期(12月13日)主要农艺性状和产量的影响Table 1 Effects of different nitrogen fertilizer levels on the morpho-agronomic traits and yield of Pennisetum in harvest time (13th, December)

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平，下同。

Note：Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level， the same below.

2.5 施氮对狼尾草生物质能源品质的影响

如表2所示，随着施氮量的增加，狼尾草干物质含量、木质素含量和灰分含量逐步降低，而纤维素含量、半纤维素含量、氮含量、热值和折合标准煤产量均增加。干物质含量和灰分均随着施氮量的增加而逐步降低，但N2与N3间差异不显著，N1～N3较N0干物质含量分别降低了2.70%、11.41%和11.11%，灰分含量分别降低了14.35%、30.24%和31.29%；木质素含量各处理间差异显著，N1～N3比N0分别降低了11.40%、22.22%和27.19%；纤维素含量、氮含量和折合标准煤产量各施氮处理与N0的差异均达显著水平，N1～N3较N0，纤维素含量分别增加了5.07%、11.06%和8.53%，氮含量分别增加了19.61%、35.94%和39.22%，折合标准煤产量分别增加了167.71%、313.39%和343.38%；半纤维素含量只有N3与N1间的差异达显著水平，N3比N1增加了16.13%；热值N1与N0差异不显著，其他处理间差异均达显著，并以N2的最高，N2、N3分别比N1增加3.01%、1.66%。

表2 不同施氮水平对狼尾草生物质组成成分及折合标准煤产量的影响Table 2 Effects of different nitrogen fertilizer levels on chemical properties and standard coal equivalent of Pennisetum

2.6 施氮对狼尾草氮肥利用效率的影响

如表3所示，不同施氮水平显著影响狼尾草总氮累积量、氮素回收效率、农学利用率、生理效率及偏生产力(P<0.05)。随施氮量的增加狼尾草植株总氮积累量逐步增加，N1～N3较N0分别增加了219.18%、454.00%和498.36%，但N3较N2的增加量不显著；氮素回收效率和氮肥农学利用率N3显著低于N1和N2，N1与N2间差异不显著,其中氮素回收效率N3较N1和N2分别降低了22.90%和23.63%，而氮肥农学利用率N3较N1和N2分别降低了32.83%和25.53%；氮肥生理效率各处理间差异不显著，而氮肥偏生产力随着施氮量的增加逐步减少并达显著水平。

表3 不同施氮水平对狼尾草氮肥利用效率的影响Table 3 Effects of different nitrogen fertilizer levels on N-utilization efficiency of Pennisetum

3 讨论

3.1 施氮对狼尾草农艺性状和产量的影响

前人研究均认为施氮可促进狼尾草生长发育，提高生物质产量，施氮量超过一定水平后其促进作用不明显，但施氮量拐点的结论却不尽相同，Oliveira等[22]研究认为施用氮肥对6种基因型象草(Pennisetumpurpureum)生育期为410 d的株高、茎粗、叶宽、分蘖数和产量等施氮量的拐点存在基因型差异，而Antonio等[19]研究表明，当年施氮量超过100 kg N·hm-2后，增施氮肥对3种能源型狼尾草生育期为365 d的干草产量、干物质含量、株高、分蘖数、茎粗和叶宽等农艺性状的促进作用均不明显；程攀[20]研究认为，随着施氮水平的提高，生育期为80 d的狼尾草生物量均呈现先增加后降低的趋势，当施氮水平为150 kg N·hm-2时，生物量和分蘖数均达到最大值；黄勤楼等[12,31]研究认为氮肥对杂交狼尾草的分蘖数、株高和干草产量具有显著的促进作用，但在每茬生育期不超过100 d条件下，不同施氮水平间差异不显著。本研究对株高和茎粗的跟踪调查显示，在本试验施氮范围内，施用氮肥能促进狼尾草横、纵向生长，缺氮严重影响其正常生长发育，随施氮量的增加其促进作用越明显，尤其到生长中后期，为维持狼尾草的持续、快速生长，需及时补充氮肥；研究对收获期(250 d)狼尾草农艺性状的调查显示，氮肥能显著提高狼尾草的株高、茎粗和单位面积有效茎数，而且施氮量越高，效果越显著，同时氮肥也能显著提高鲜、干草产量，且施氮量越高，鲜、干草产量也越高，只是施氮量到达N2(225 kg N·hm-2)后，随氮肥施用量的增加，鲜、干草产量提高幅度变小，这与前人[12,20,22,31]对狼尾草进行氮肥的研究结论较为一致，但不同种植地力条件和生育期直接影响狼尾草产量的施氮量拐点，本试验条件下，狼尾草产量的施氮量拐点在112.5～225.0 kg N·hm-2，这与前人[12,19,20,22]得出的结论存在一定差异。

3.2 施氮对狼尾草叶绿素含量的影响

黄勤楼等[12,31]研究表明SPAD值可用于诊断或适时控制杂交狼尾草的氮素营养水平，其SPAD值随着施氮水平的提高而提高，同时随着狼尾草的生长而逐渐降低，而刘小飞等[16]研究表明，在生长旺期，施氮能显著增加狼尾草叶片叶绿素含量，但继续提高氮素水平，有饱和趋势，且叶绿素含量的峰值出现在施肥后20～30 d内，到生长后期，氮肥用量不足或过量均加速了叶绿素含量下降的进程，使叶片提早衰老。本研究表明，在生长旺期，施氮能显著增加狼尾草叶片相对叶绿素含量，但施氮量达到一定水平后，增加效果不显著，且在氮肥全部施用后20～70 d(移栽后50～100 d)随着狼尾草的快速生长，相对叶绿素含量一直保持增加的趋势，与前人[12,16,31]的研究结果存在一定差异，可能是不同狼尾草基因型和生长环境共同作用的结果。

3.3 施氮对狼尾草生物质能源品质的影响

狼尾草属植物能源化利用是以收获其营养体作为原料来源，因此，无论何种利用方式，单位土地面积干物质产量越大，能够转化的能源就越多，而利用途径不同，对能源草的成分指标要求也有所区别。近年来大量研究表明，提高原料中纤维素、半纤维素含量、降低木质素含量可显著提高木质纤维素的乙醇转化效率[7,32-36]，从纤维素乙醇生产利用角度出发，理想的能源草应有较高的纤维素含量和半纤维素含量及较低的木质素含量；如果采用发酵产气方式利用，能源草纤维素、半纤维素的转化率依赖多糖与木质素含量的比值，木质素含量越低，沼气产率则越高[3,8]；木质素、纤维素、半纤维素总含量决定着植物热值的高低，如果采用直接燃烧、致密成型燃烧及热裂解制生物炭、生物气等利用方式，则要求理想的能源草应有较高的木质素、纤维素、半纤维素含量和热值，而水分和灰分含量则越低越好[37]；而热裂解制油，除要求高纤维素、半纤维素和热值外，还需要低木质素、水分和灰分含量，因为生物质中高水平的灰分含量会导致有机物产量低，产出大量反应水，导致油的热值下降，从而影响生物油的质量和产率，而木质素会在热解油中产生高分子量混合物导致其质量下降[38-40]。Rilner等[21]研究认为施用氮肥可增加象草C/N和纤维含量；Oliveira等[22]研究认为氮肥对纤维素和半纤维素影响显著而对灰分和木质素含量的影响不显著；程攀[20]研究认为氮肥对狼尾草全株、茎和叶纤维素、木质素和灰分含量均产生抑制作用，而对半纤维素有促进作用。而本试验研究结果表明，施用氮肥可增加纤维素含量、半纤维素含量、热值和折合标准煤产量而降低干物质含量、木质素含量和灰分含量，无论是何种利用方式，总体上看施氮改善了狼尾草的能源利用品质，提高了其生物质利用效率，但氮肥持续过多施用会降低收获期的干物质含量和热值，从而对折合标准煤产量的提高作用不显著。因此，为获得理想的能源草，在实际生产中也要控制好氮肥的施用量。

3.4 施氮对狼尾草氮肥利用效率的影响

黄秀声等[13]研究发现，在南方典型未被人为耕作过的山地红壤土种植狼尾草，随着施用沼液中氮素水平的提高，植物氮素利用效率也越低，氮损失率也越大。而本研究在综合分析5个氮肥利用效率指标的结果表明，狼尾草在南方贫瘠旱坡地种植，在一定施氮量范围内(N1与N2)，植株总氮积累量逐步增加，氮肥回收效率、氮肥农学利用率和氮肥生理效率处理间差异不显著，说明氮肥利用效率并未随施氮量的增加而显著降低，只有超过一定量时，氮肥的损失率才会增大。分析其原因发现，黄秀声等[13]选择的试验地0～70 cm土层全氮含量达0.08%～0.09%，而本试验地耕层土壤全氮含量为0.032%，速效氮含量仅为29 mg·kg-1，可能是本试验地土壤中可供狼尾草吸收的氮素远低于其正常生长发育所需的氮素量，但达到N2施氮水平后，随着施氮量的继续增加，狼尾草吸氮量增加的幅度变小，同时氮的回收率随着施氮量的增加而降低，损失率和损失量增加，还对环境造成污染。

4 结论

通过在贫瘠旱坡地这一典型边际土地进行能源型狼尾草氮肥效应试验的结果表明，施用氮肥可促进狼尾草横、纵向生长，从而能显著提高收获期狼尾草的株高、茎粗和单位面积有效茎数，而且施氮量越高，效果越显著，同时也能显著提高叶片叶绿素含量和鲜、干草产量，只是随着氮素水平的继续提高，有饱和趋势；施用氮肥还可明显改善狼尾草的能源利用品质，表现为狼尾草纤维素含量、半纤维素含量、热值和折合标准煤产量明显增加，而干物质、木质素和灰分含量显著降低，但过多施用氮肥会降低收获期的干物质含量和热值，且对折合标准煤产量的增加作用不明显，最终影响到狼尾草的能源利用品质；此外，在一定施氮量范围内，狼尾草氮肥利用效率并未随施氮量的增加而显著降低，只有超过一定量时，氮肥的损失率才会增大。因此，本研究综合考虑认为，能源型狼尾草在南方贫瘠旱坡地进行种植，为获得理想的生物质能源材料需及时补充氮素营养，但氮肥施用量不宜超过225 kg N·hm-2。

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