氮素调控对边际土地甜高粱养分吸收和效益的影响

刘会玲，崔江慧，常金华

(河北农业大学/河北省农田生态环境重点实验室，河北保定071001)

高粱［Sorghum bicolor(L.)Moench］具有较高的经济和食用价值，在农业生产中占重要地位。由于其抗旱、耐涝、耐盐碱，适应性强，世界高粱播种面积和总产量仅次于小麦、水稻、玉米、大麦，居第5位。高粱用途广，籽粒除食用外，还是淀粉、制醋、酿酒的重要原料;成熟前的茎叶可做青贮饲料;成熟后的茎秆是造纸的好原料，又可用于支架、建材、板材、燃料、编织;茎叶还可提取医用氯化钾;脱粒后的穗荛可做笤帚、炊帚，高粱壳可提取色素。在水土流失多发的丘陵地区，合理种植高粱，能有效减少雨水对土壤的直接侵蚀，对水土保持具有重要意义［1］。甜高粱是普通粒用高粱的一个变种，除具有高粱的优良特性外，还具备生产潜力大、生物学产量高、糖分含量高等特点，主要用作糖料、饲料和能源作物［2］;且不与粮食作物争地，在丘陵、山地等边际土地生长良好。作为青贮饲料，与玉米相比，甜高粱适应的区域较广，尤其是干旱和盐碱地区［3］。甜高粱可以替代粮食生产燃料乙醇，用其生产乙醇转化率高、成本低，有利于保护环境。

近年来，随着社会经济的发展和科学技术的进步，甜高粱的优良特性和利用价值日益受到重视。《可再生能源发展“十一五”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。合理发展甜高粱生产，尤其是在边际土地上种植甜高粱，不仅促进边际土地的高效利用，还有利于保障粮食生产、缓解能源紧张、减少环境污染、增加农民收入。关于甜高粱的研究很多，已有研究表明，甜高粱具有耐贫瘠、节肥的优良特性，在肥力良好的土壤上，不建议施用氮肥，有利于减少能源作物生产投入［4］。但是对边际土地甜高粱的研究较少［5－7］，而边际土地的特性限制了其生产投入。鉴于此，本研究通过田间试验，研究氮素调控对边际土地甜高粱养分吸收和效益的影响，为边际土地资源开发利用和甜高粱高效生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试甜高粱品种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，试验地为贫瘠撂荒地，沙壤质潮土，土壤pH值8.00，有机质含量为 10.4 g/kg，全氮含量为 0.59 g/kg，速效磷含量为8.0 mg/kg，速效钾含量为83.2 mg/kg。共设4个处理:N0不施氮肥，N1施纯氮(N)75 kg/hm2，N2施纯氮(N)150 kg/hm2，N3施纯氮(N)225 kg/hm2;氮肥40%底施，60%拔节期追施。每个处理重复3次，随机排列。6月25日播种，行距0.6 m，株距0.2 m。小区面积6 m×3 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

在收获期，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)和穗装在纸袋里，105℃杀青0.5 h，70℃烘干后称质量。样品经粉碎混匀后，用硫酸－双氧水法消煮，常规农化分析方法测定氮、磷、钾含量［8］。

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 氮素调控对甜高粱鲜质量和干物质累积的影响

由图1可见，在完全不施肥的情况下，品种1的鲜质量和干物质累积量较大，其次是品种2，品种3较小，说明品种之间存在鲜质量和干物质累积差异。3个品种的植株鲜质量和干物质累积量均表现为施用氮素的处理较N0处理有所提高，品种1鲜质量提高12.38% ～19.20%，干物质累积量提高15.39% ～17.96%;品种2 鲜质量提高 6.65% ～13.08%，干物质累积量提高17.05% ～36.18%;品种3鲜质量提高43.95% ～70.38%，干物质累积量提高 23.12% ～43.51%。说明氮素的施用，提高了植株鲜质量和干物质累积量;氮素对品种3的增产作用最大。品种1和品种2的鲜质量和干物质累积量随氮素用量的增加先上升后下降，品种3的鲜质量和干物质累积量呈持续上升趋势。可见氮素对甜高粱具有增产作用，不同的甜高粱品种对氮素的需求和响应是不同的。

2.2 氮素调控对甜高粱养分吸收的影响

2.2.1 对氮吸收的影响 由图2可以看出，在完全不施肥的情况下，品种1的氮吸收量较大，品种2、3较小，说明品种之间氮含量和吸收量存在个体差异。3个品种的氮含量和吸收量均表现为施用氮素的处理较N0高，说明氮素的施用提高了植株氮含量和吸收量。随着施氮量的增加，品种1的氮含量和吸收量先上升后下降，品种2和品种3的氮含量和吸收量呈持续上升趋势。可见氮素对不同甜高粱品种的氮含量和吸收量的影响是不同的。不同器官的氮吸收量大致表现为叶片＞茎杆、穗。

2.2.2 对磷吸收量的影响 由图3可以看出，在完全不施肥的情况下，品种2的磷含量和吸收量较高，品种3较低，说明品种之间磷含量和吸收量存在个体差异。3个品种不同处理的磷含量和吸收量表现为处理N0较高;随施氮量的增加，3个品种磷含量和吸收量出现了下降的趋势。施用氮肥后，不同器官的磷吸收量为叶片＞茎杆、穗。

2.2.3 对钾吸收量的影响 由图4可以看出，在完全不施肥的情况下，品种1的钾吸收量较大，品种2、3较小，钾含量比较接近，说明品种之间钾吸收量存在个体差异。3个品种的钾吸收量均表现为施用钾素的处理较N0高，说明氮素的施用，提高了植株钾吸收量，对钾含量的影响各不相同。随着施氮量的增加，3个品种甜高粱钾含量和吸收量出现较一致的变化趋势，钾含量和吸收量随氮素用量的增加先上升后下降。不同器官的钾吸收量为茎杆＞叶片＞穗，茎杆的钾吸收量约占植株钾吸收量的60% ～70%，叶片占20% ～30%，穗占10%左右。说明植株吸收的钾主要贮存在茎杆中。

2.3 氮素调控的效益分析

从表1可见，随着氮素用量的增加，氮肥利用率降低。品种1和品种2的经济效益随着氮素的投入先上升后下降，品种3则成一直上升趋势，经济效益可能还有上升空间。不计其他成本，品种间进行比较，在相同的氮素投入下，品种3的施肥经济效益最高，可增加收入高达3 930元/hm2;品种2的经济效益较低，收入增加较少，N3处理甚至出现了收入负增长;品种1的经济效益居中。品种1的4个处理中，N1处理经济效益最高，氮肥利用率也最高;品种2的4个处理中，N2处理经济效益最高，氮肥利用率较高;品种3的4个处理N3处理经济效益最高，氮肥利用率较低。说明在氮素投入相同时，肥料利用率和经济效益因品种而异。兼顾效益和产量的最佳施肥量，品种1以N1水平为宜，品种2以N2水平为宜，品种3还有待于进一步研究。品种3经济效益较好，增产潜力也较大，适宜在生产上推广;品种2施肥效益较差，施肥增加的收入较少，无氮素投入也可获得一定的经济效益，因此可以不施肥，适宜在氮素资源紧缺或经济水平较低地区应用。

表1 氮素调控的效益分析

3 讨论

3.1 氮素调控与甜高粱生物产量和干物质累积

限制甜高粱产量的肥料因子依次是氮肥、磷肥、钾肥［6］，氮肥对甜高粱生物量、产量和效益影响最大，施氮肥显著提高甜高粱叶、茎、穗及总干质量［9－14］。甜高粱产量对氮肥比较敏感［15］，氮磷钾肥单施，氮肥增产效果最好［16］。氮肥适量才能提高产量，过量反而会降低产量。甜高粱拔节到抽穗阶段地上部干物质积累量和生物产量呈极显著的正相关关系，甜高粱生物产量主要取决于拔节后特别是拔节至抽穗期干物质的积累量［5］。本试验将追肥时期安排在拔节期，为获得较高的生物产量奠定了基础。由于地域和种质资源的不同，不同品种甜高粱生物量存在很大差异［17］，本试验中的3个品种甜高粱之间鲜质量和干物质累积量的差异也说明了这一点。

3.2 氮素调控与甜高粱养分吸收

苏富源等的试验结果表明，随着施氮量的增加，甜高粱干物质积累量、氮磷钾养分含量和吸收量先上升再下降，与不施氮肥相比，干物质积累量、氮磷钾养分含量和吸收量均有所提高，不同部位养分吸收量的大小顺序，氮为叶片＞茎杆＞籽粒，磷和钾为茎杆＞叶片＞籽粒［16］。本试验中，施用氮素提高了甜高粱的植株鲜质量、干物质累积量、钾吸收量、氮含量和吸收量，钾含量的变化出现了一致的结果;氮、磷吸收量均为叶片＞茎杆、穗;钾吸收量为茎杆＞叶片＞穗，说明甜高粱植株吸收的氮主要贮存在叶片中，钾主要贮存在茎杆中。

郭彦军等的试验结果显示，在底施氮磷钾肥，第1茬和第2茬施用氮肥的情况下，共刈割3茬，第1茬茎杆和第3茬叶片的磷含量出现了比不施肥降低的情况，钾含量则有升有降［15］。本试验中，施用氮素后，植株磷含量和吸收量也出现了下降趋势，说明施用氮肥对不同地区、不同品种的养分含量和吸收的影响是有差异的，对氮、钾含量和吸收量的影响大致相同，对磷含量和吸收的影响差异较大。

3.2 氮素调控的效益

肥料利用率一直是我国学术界关注和研究的焦点。我国主要粮食作物水稻、小麦和玉米的氮肥利用率是较低的，且不同地区氮肥利用率差异很大，最低值为0.3%，最高值为88.9%;氮肥利用率＜30%的占总样本的60%以上，水稻和玉米的氮肥利用率大部分为20%～30%，小麦为10% ～20%，水稻、小麦和玉米的平均利用率分别为28.3%、28.2%、26.1%［18］。本 试 验 甜 高 粱 的 氮 肥 利 用 率 为 17.38% ～56.77%，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极大差异。

氮肥利用率低的部分原因可能是施氮量过高、施用方法不合理造成的［19］。氮肥单独施用能显著增加甜高粱的经济效益［16］。生产氮肥要消耗大量的能源，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。生产中应根据不同的甜高粱品种进行肥效试验，确定适宜的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，从而实现以适宜的投入获得较高的产出。兼顾效益和产量的最佳施肥量，品种1以N1水平为宜，品种3还有待于进一步研究，品种2以N2水平为宜，但是与不施氮肥相比，其增加的收入甚少，所以品种2可以不施肥。因此，在节约资源、保护环境、经济高效的前提下，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。

4 结论

甜高粱品种之间存在个体差异，对氮素的需求和响应不同。本研究得出以下结论:(1)氮素的施用提高了甜高粱的植株鲜质量和干物质累积量，对品种3的增产作用最大。(2)氮素的施用提高了甜高粱植株氮含量和吸收量，不同器官的氮吸收量大致表现为叶片＞茎杆、穗，植株吸收的氮主要贮存在叶片中。(3)随着施氮量的增加，甜高粱植株磷含量和吸收量出现了下降的趋势，从总体上看，不同器官的磷吸收量为叶片＞茎杆、穗。(4)氮素的施用提高了甜高粱植株钾吸收量，不同器官的钾吸收量为茎杆＞叶片＞穗，茎杆的钾吸收量占植株钾吸收量的60% ～70%，叶片占20% ～30%，穗占10%左右。(5)随着氮素用量增加，氮肥利用率降低。在相同氮素投入下，品种2的施肥效益较低，适宜在氮素资源紧缺地区应用;品种3的经济效益最高，增产潜力也较大，适宜在生产上推广。兼顾效益和产量的最佳施肥量，品种1以N1水平为宜，品种2可以不施肥，品种3还有待于进一步研究。