干旱区连作对甜高粱农艺性状及产量的影响

再吐尼古丽·库尔班，吐尔逊·吐尔洪，朱 敏，涂振东，艾克拜尔·伊拉洪

(1新疆农业大学草业与环境科学学院，乌鲁木齐 830052；2新疆农业科学院生物质能源研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】甜高粱根系发达，具有抗旱、抗寒、耐涝、耐盐碱等抗逆特性，广泛种植于干旱、半干旱地区，而且甜高粱生长迅速、生物产量高、鲜草品质好、适口性佳，是家畜的理想青饲、青贮用饲料作物[1]。随着我国农业产业结构的调整与畜牧业的发展，对饲草的需求量也日益增加[2]。甜高粱的种植不但可以解决畜牧业的饲料问题；由于甜高粱茎秆中含有丰富的糖分汁液，可用于开发乙醇燃料，缓解能源危机[3]。新疆位于我国西北内陆干旱区，是我国荒漠化大区和最大的盐土区，自然降雨较少、土壤干旱贫瘠，农业生产水平低。新疆现有0.067×108hm2(1亿亩)边际性土地，各类盐渍土总面积达到1 336.1×104hm2，占全国盐碱土面积的36.8%[4]。高粱其生物产量高、青贮品质好等，是重要的饲草作物，尤其耐盐碱能力突出,在新疆边际地区成为种植优先作物。新疆盐碱地生态系统脆弱，土壤次生盐碱化严重，但可用来发展耐盐碱的饲草作物。充分利用甜高粱的独特优势在新疆盐碱地等边际土地资源生产优质饲料既可改善生态环境，对解决饲草短缺问题具有重要意义。【前人研究进展】前人研究表明，新疆大部分次、非宜棉区均可种植高粱[8]。目前高粱多种植在土壤肥力较低地区，种植经验不足再加上连作种植制度，导致土壤肥力下降、营养元素失衡、生物产量和品质严重下降，因而高粱被误认为是低产作物[9, 10]。合理施肥可增加土壤肥力，修复土壤结构，平衡土壤养分，利于植株健康生长[11]。施肥可以增加甜高粱的分蘖数，并且可提高株高，从而提高产量。目前有关甜高粱施肥试验已有一些报道[12, 13]。罗峰等[14]表明施肥方式和施肥水平显著影响甜高粱生长发育、产量和品质。吕艳东等[15]研究表明，在施肥量一定范围内甜高粱天青一号产量与施肥量成正比，超过这个范围后产量与施肥量反而成反比。刘丽华等[2]试验也表明了合理施肥量对甜高粱的增产效应，施肥量与植株鲜重之间的极显著的相关性。苏富源等[16]施肥试验表明，氮、磷、钾肥单施或配施均可显著增加了甜高粱辽甜1号籽粒产量。【本研究切入点】有关通过施肥解决连作障碍的问题在大豆、玉米、烟草等作物上研究较多，而不同施肥处理对新疆干旱地区连作高粱的影响方面的研究尚未见报道。研究干旱区连作对甜高粱农艺性状及产量的影响。【拟解决的关键问题】以新疆干旱区甜高粱长期定位大田试验为基础，比较分析在不同施肥条件下甜高粱生育期、农艺性状以及生产性能，为不同土壤养分条件下干旱半干旱区连作甜高粱的养分管理和生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2008～2009年在新疆农业科学院玛纳斯试验站试验田(44°14′N，86°14′E)进行。该地区海拔470 m，年平均气温为 7.2℃，年平均降水量为180～270 mm，属于温带大陆性干旱半干旱气候区，冬季长而严寒，夏季短而酷热，昼夜温差大。春播前 0～20 cm的土层平均养分含量。供试甜高粱品种新高粱3号。表1

表1 土壤养分检测Table 1 Test results of soil nutrients

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验共设 CK ( 无肥处理) 、NP、NK、PK、NPK等 5个处理，其中每年 N、P、K 施用量分别为：N 肥108.0 kg/hm2作种肥和72.0 kg/hm2作拔节肥；P 肥27.0 kg/hm2作种肥和 27.0 kg/hm2作拔节肥；K 肥用72.0 kg/hm2作种肥和 72.0 kg/hm2作拔节肥。

试验采用随机区组排列，行长5 m，行距0.6 m，株距0.2 m，保苗数75 000株/hm2, 10行区，3次重复，小区面积30 m2。各小区之间空0.8 m打埂子，相互不窜灌。每年的施肥量和田间管理都相同。2008 和 2009 年的甜高粱生育季节平均降水量分别为 92.52和 149.84 mm，绘出各月份最低温度、最高温度、及降水量。图 1

图1 2008～2009年高粱生长季节最低温度，最高温度和降雨量Fig. 1 Minimum Temperature, Maximum Temperature and Rainfall in Sorghum Growth Season 2008-2009

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 生育期

记载苗期、分蘖期、拔节期、挑旗期、抽穗期、开花期、成熟期，每个时期的记载以75%达到要求进行记载，并计算生育天数。

1.2.2.2 植株性状

成熟时每个处理在1行内连续取5株，用米尺、游标卡尺、电子秤分别测株高、秆长、茎粗、节数、单株重、单秆重并取平均值。

1.2.2.3 秸秆含糖锤度

在甜高粱成熟时每个处理随机取5株，用ATAGO数显锤度计测定秸秆上数(除穗柄外)第3、7、10节的汁液含糖锤度，测定部位为节间中部并取平均值。

1.2.2.4 产量性状

成熟时称取面积为6 m2试验区的籽粒产量、秸秆产量，重复 3 次，折算出生物产量。

1.2.2.5 室内考种

在每个处理连续选取10株，进行室内考种，测量千粒重。

1.3 数据处理

采用 Excel和Origin 2018软件对数据进行了处理、作图，使用 DPS9.0软件进行了相关性分析和方差及多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 甜高粱生育期变化

研究表明，2008年CK、NP、NK施肥处理下新高粱3号的生育期都为128 d，PK和NPK处理的生育期为129 d，平均生育周期为128 d。2009年CK、NP、NK施肥处理下新高粱3号的生育期为141 d，PK和NPK处理的生育期为143 d，平均生育期为141 d。由于不同年份间气候条件不完全相同，再加上连作障碍，导致生育期也不相同，2009年所有施肥处理的生育周期均比2008年短15 d，但各施肥处理之间生育周期差异不大，相差只有1～2 d。表2,图1

表 2 甜高粱连作物候期的变化 (月/日)Table 2 Changes of Growth period of sweet sorghum (M/D)

2.2 甜高粱农艺性状

2.2.1 株高

研究表明,新高粱3号株高受连作障碍，2009年所有施肥处理下的株高均比2008年的株高极显著降低，2009年的平均株高比2008年的降低了12.95%。甜高粱株高也受施肥的影响，2008年NPK处理的株高达到327.78 cm，PK的株高为最低，只有298.63 cm。从方差分析结果看出，不同施肥处理之间株高差异均为极显著(P<0.01)，各处理的增高效应顺序为：NPK>CK>NK>NP>PK。 2009年NPK处理的株高达到277.97 cm，PK的株高最低为261.10 cm。其中NPK和其他处理株高的差异均达到了极显著水平(P<0.01)，NK与CK的株高差异不显著(P>0.05)，各处理的增高效应顺序为：NPK> NK >CK>NP>PK。施肥对增加株高具有明显作用，尤其是氮磷钾配施处理。 NPK处理下甜高粱的株高在2008和2009年分别比CK极显著提高了4.62%、2.64%。表3

2.2.2 节数

研究表明,相同施肥处理下的节数在不同年限之间也有差异。2009年各处理的平均节数比2008年降低了3.22%，节数也受连作方式的影响。2008年NPK处理的节数为16.10个，CK最少，只有14.67个。NPK与CK处理差异极显著(P<0.01)，NPK与PK、NK之间的差异不显著(P>0.05)，各处理增加节数顺序为：NPK>NK>PK>NP>CK。2009年NPK处理的节数为15.10个，NK的最少，只有14.37个，但各处理之间的差异不显著(P>0.05)，各处理增加节数的顺序为：NPK> NP >PK>CK>NK。施肥对增加节数具有明显作用，尤其是氮磷钾配施处理。在2008和2009年NPK处理下甜高粱的节数比CK分别提高了8.90%、2.65%。表3

表3 甜高粱连作农艺性状变化Table 3 Changes of agronomic characters in continuous cropping of Sweet Sorghum

2.2.3 茎粗

研究表明,2008年新高粱3号的茎粗范围在25.53～27.63 mm，2009年在22.11～23.13 mm，2009年的平均茎粗比2008年降低了14.35%。另外施肥对茎粗也有影响，2008年PK处理的茎粗为27.63 mm， NP的为最小，只有25.53 mm。

PK与NPK处理的有显著差异(P<0.05)，PK与NK、NP、CK之间的差异为极显著(P<0.01)，各处理促进茎粗的顺序为： PK>NPK>CK>NK>NP。2009年NPK处理的茎粗为23.13 mm，CK的为最小，只有22.10 mm，NPK处理与CK之间的差异达极显著(P<0.01)水平，各处理促进茎粗顺序为NPK> NK >PK>NP>CK。表3

2.2.4 单株重

研究表明,相同施肥处理下新高粱3号的单株重在不同连作年限之间有差异，2008年单株重范围在1.01～1.16 kg，2009年单株重范围在0.81～0.98 kg，2009年的平均单株重比2008年的降低了19.26%。此外不同施肥处理之间单株重也有差异，2008年NPK处理的单株重为1.16 kg，NP的为最少，只有1.01 kg，NPK与PK处理间的茎粗有显著差异(P<0.05)。对于促进单株重的优劣顺序为NPK>NP> CK>NK>PK。2009年NP处理的茎粗最大达到0.98 kg，NK最差，只有0.81 kg，NP处理与NK、CK、NPK处理差异显著(P<0.05)，各处理促进茎粗的顺序为NP>PK> CK >NPK> NK。表3

2.2.5 单秆重

研究表明,不同施肥处理和不同连作年限对新高粱3号的单秆重均有影响，2009年所有处理的单秆重比2008年极显著的降低了，平均降低值为19.89%。同时同一年度在不同施肥处理之间单秆重也有差异，2008年NPK处理的单秆重为1.11 kg，NK的为最少，只有1.01 kg，NPK与其他处理之间的差异为极显著(P<0.01)，促进单秆重的顺序为 NPK>NP> PK>CK>NK。2009年NP处理的单秆重为0.94 kg，NK处理的单秆重只有0.75 kg，NP处理与PK处理之间的差异为不显著(P>0.05)，与其他处理之间的差异为显著，促进单秆重的顺序为NP>PK> CK >NPK> NK。表3

2.3 甜高粱含糖锤度

研究表明,含糖锤度在不同连作年限有差异，2009年所有施肥处理的含糖锤度比2008年极显著提高，平均含糖锤度比2008年提高了19.17%。秸秆含糖锤度受施肥的影响比较明显，所有施肥处理下秸秆的锤度均高于CK(无肥处理)。2008年CK与NPK处理差异不显著(P>0.05)，CK与其他施肥处理差异均极显著(P<0.01)。各处理中PK处理的秸秆锤度最高，CK处理最低，PK比CK提高了1.69%。2009年不同施肥处理对秸秆含糖锤度的影响跟2008年不同。2009年NP处理秸秆锤度最高，CK最低，含量分别为21.80%、20.51%，NP比CK提高了1.29%。CK 与NP、NPK处理差异极显著(P<0.01)，CK 与NK、PK处理差异不显著(P>0.05)。图2

图2 甜高粱连作秸秆含糖锤度变化Fig. 2 Changes of Sugar Brix in continuous cropping of Sweet Sorghum

2.4 甜高粱产量变化

2.4.1 秸秆产量

研究表明,2008年各处理秸秆平均产量为77.23 ,2009年76.07 t/hm2，2009年的平均秸秆产量比2008年降低1.51%。连作方式降低了秸秆产量。施肥处理对秸秆产量也有影响，2008年NPK处理秸秆产量最高，产量达到79.38 t/hm2，但和CK差异不显著(P>0.05)。2009年PK处理秸秆产量最高，产量达到86.27 t/hm2，PK处理与其他处理差异极显著(P<0.01)，比CK增产11.89%。图3

图3 不同施肥下甜高粱秸秆产量变化Fig.3 Change of Yield of Sweet Sorghum Straw under Different Fertilization

2.4.2 籽粒产量变化

研究表明,不同连作年限对籽粒产量有很大影响。2008年各处理平均籽粒产量为4 t/hm2、2009年3.29 t/hm2，2009年的平均籽粒产量比2008年降低了17.81%，连作方式极显著降低了籽粒产量。所有施肥处理籽粒产量均高于CK并差异达到极显著(P<0.01)。NPK处理在2年的籽粒产量均比其他施肥处理高，产量分别为4.46和3.89 t/hm2，比CK分别增产33.69%、31.60%，NPK处理与其他处理差异极显著(P<0.01)。图4

图4 不同施肥下甜高粱籽粒产量变化Fig.4 Changes of Grain Yield of Sweet Sorghum under Different Fertilization

2.4.3 千粒重

研究表明,2008年平均千粒重为20.96 g，2009年为20.95 g，连作对千粒重的影响不大。但施肥处理对千粒重有明显的影响，2008年CK与各施肥处理差异达到极显著水平(P<0.01)，2009年CK与NK、NPK处理差异达到极显著(P<0.01)。NPK处理在2年的千粒重均达到最高值，分别为21.54和21.44 g，比CK分别提高了5.99%、3.28%。图5

图5 不同施肥下甜高粱千粒重变化Fig.5 Change of Thousand grain weight of Sweet Sorghum under Different Fertilization

2.4.4 生物产量

研究表明,2008年平均生物产量为81.23 t/hm2、2009年79.35 t/hm2，2009年的平均生物产量比2008年降低了2.31%，连作降低了生物产量。

施肥处理对生物产量也有影响，其中2008年生物产量最高的是NPK处理，产量达到83.83 t/hm2，最低是PK处理，产量只有78.58 t/hm2，NPK处理比PK增产6.69%。CK与NPK处理差异显著(P<0.05)、与其他施肥处理差异不显著(P>0.05)。2009年生物产量最高的是PK处理，产量达到89.73 t/hm2，产量最低的是NK，产量只有68.38 t/hm2，PK比NK增产31.24%。CK处理与NP、NK、PK处理差异都极显著(P<0.01)，与NPK处理差异不显著(P>0.05)。图6

图6 不同施肥下甜高粱生物产量变化Fig.6 Changes of Biological Yield of Sweet Sorghum under Continuous Cropping under Different Fertilization

2.5 甜高粱产量与农艺性状相关性

研究表明,不同施肥处理生物产量与生长因素的相关性在不同连作年限不一致。各处理的生物产量与秸秆产量在2年均呈极显著正相关。生物产量与含糖锤度的关系不大，除了NK处理生物产量与含糖锤度呈正相关外其他处理都呈负相关。2008年只有NK处理生物产量与株高呈极显著相关，2009年只有PK处理生物产量与株高呈极显著正相关。NPK处理生物产量与单株重在2年均呈正相关，PK处理生物产量与千粒重在2年都呈极显著正相关。只有NPK处理生物产量与茎粗呈极显著正相关。表4

表4 甜高粱生物产量及生长因素相关性Table 4 The correlation analysis of biological yield and growth factors of Sweet Sorghum

3 讨 论

连作障碍是农业生产的重要限制因素，导致多种农作物产量质量下降。连作障碍在多种植物上均有所表现，连作破坏土壤微生态平衡，抑制植株正常生长，最终导致作物病虫害加重、产量降低、品质下降[21, 22]。樊芳芳[23]对高粱连作试验结果也证明了这一点，连作高梁3年显著抑制了高梁地上部的生长，株高、茎粗、叶面积等。试验也得到了相似的结果，连作抑制了新高粱3号地上部的生长，种植第2年(2009年)所有施肥处理的株高、茎粗、单株重、单秆重均比第1年(2008年)极显著降低。种植第2年的平均秸秆产量、籽粒产量、千粒重及生物产量均比第1年降低。另外由于不同年份间气候条件不完全相同，再加上连作障碍，导致生育期推后，2009年所有施肥处理的生育周期均比2008年晚熟了15 d。

目前在高粱上进行施肥方式与产量关系的研究很多，但结论不一至。研究表明，施肥对甜高粱农艺性状及产量均有影响。其中NPK处理的株高、秆长、节数、茎粗均高于其他处理，增幅度1.80%～8.90%。同时NPK处理对籽粒产量和千粒重的促进效应最佳，这跟王劲松[24]、崔佩佩[25]的高粱施肥试验、张诗雨[26]的花生连作施肥试验结果一致。前人研究表明，吉杂355 以磷钾肥全部作为基肥一次施入，同时氮肥一半作为基肥、一半作为追肥于拔节前施入，籽粒产量最高[11]，与试验结果不太一致,不同高粱品种对施肥方式的反应存在差异。贾东海等[27]对新高粱3号在新疆伊犁地区的密度和肥料试验结果表明，肥料对生物产量增产不显著，与研究结果也不一致，试验结果是PK处理对提高秸秆产量的效果最大，而NPK处理对籽粒产量的影响最大，并且同一施肥处理在不同连作年限间也有差异，2008年生物产量最高的是NPK处理，产量达83.83 t/hm2，而2009年生物产量最高的是PK处理，产量达89.73 t/hm2，更长的连作年限对产量的影响需要进一步研究确认。试验结果与前任研究结果的差异可能与试验地点、土壤基础肥力高低和品种特性密切相关。

甜高梁茎秆含糖锤度是一个非常复杂的性状，它受单株重、茎秆质地和茎秆出汁率等内因及外界环境条件、栽培技术措施等的影响[28]。试验发现不同施肥处理对秸秆含糖锤度有影响，所有施肥处理秸秆的锤度都高于CK(无肥处理)，施用不同类型肥料均可以明显增加甜高粱茎秆的含糖锤度，其中NP处理的秸秆含糖锤度极显著高于CK。这根孙清[29]的研究结果基本一致。但焦少杰等[13]研究结果表明，甜高粱同一品种采用不同施肥方式产量的差异极显著，但含糖量差异不显著，这跟研究结果不一致。

目前关于含糖锤度与生物产量关系的研究有正相关[30]、负相关[31,32]等，而试验发现生物产量与含糖锤度的关系不大，除了NK、NP处理生物产量与含糖锤度正相关外其他处理均呈负相关。

4 结 论

甜高粱农艺性状除了受连作障碍外也受施肥的影响。连作抑制了甜高粱地上部的生长，导致新高粱3号生育周期延长、农艺形状和产量降低。除了连作障碍外施肥也会引起甜高粱农艺形状及产量的变化，其中NPK处理的株高、节数、单株重均高于其他施肥处理。NPK处理的株高在连作2年分别比CK极显著提高了2.64%～4.62%、节数比CK提高了3.22%～8.90%、NPK处理的籽粒产量及千粒重均极显著高于其他处理，但秸秆产量在PK处理下的变化最大。虽然甜高粱秸秆含糖锤度不受连作障碍但是受施肥影响，所有施肥处理秸秆的锤度都高于CK，因此，施肥是提高连作高粱含糖锤度的有效措施之一。

施肥处理对茎粗、单株重、单秆重、秸秆产量的影响在不同连作年限有所不同，主要生长参数均是 NPK 处理最高，但是品质和秸秆产量是PK处理高。连续2年不施肥处理(CK)明显抑制了新高粱3号的生长，降低了品质。